Патент на изобретение №2347088

(54) ВИНТОШАРОВОЙ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение надежности двигателя, упрощение его конструкции, повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что каждый цилиндр двигателя снабжен своим винтошаровым механизмом, преобразующим прямолинейные возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала. В винтошаровом механизме все кинематические пары снабжены телами качения, т.е. момент пары трения качения минимален. Более полно используется тепло, введенное в цилиндр двигателя, это увеличивает мощность двигателя без дополнительного впрыска топлива, а ввиду этого уменьшается удельный расход топлива на единицу мощности. В итоге увеличивается КПД двигателя. 2 з.п. ф-лы, 11 ил, 2 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяемая при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (СССР авторское свидетельство №118471, кл. F01 B 9/02, 1958 г).

Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко соединены между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение шеек, с перемещением поршневых систем и связанных их штоков по оси противоположных цилиндров. Рабочий вал у этого двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четверти хода поршня крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала друг относительно друга.

Недостатком этого двигателя является усложненная конструкция кривошипного бесшатунного механизма, который имеет дополнительный соединительный вал с шестернями, фиксирующими положения частей кривошипов относительно друг друга, а также наличие коленчатого вала.

Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания, патент США №4553503, кл. F02B 75/25, 1985 г., второй вариант, фиг.24 и 25, который принят за прототип.

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока с впускными и выпускными клапанами, корпус двигателя, в котором установлен механизм преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала. По образующей цилиндра ротора этого механизма выполнены правого и левого направлений дуговые желоба, в этих желобах установлены шарики, погруженные наполовину диаметра, а вторые их половины диаметра установлены в сферических отверстиях ползунов, шарики установлены с возможностью взаимодействия с желобами ротора и со сферическими отверстиями ползунов при взаимодействии мелких шариков, а ползуны соединены штоками с поршнями.

Основными недостатками этих двигателей являются:

Профили дуговых желобов на цилиндрической поверхности втулки ротора выполнены с двумя точками перегиба /см. фиг.31/. При таком угловом расположении желобов четырехтактный цикл четырехтактного двигателя осуществляется за два оборота ротора, т.к. ход поршня осуществляется за поворот ротора на угол 180°, аналогично, как и у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом.

Возвратно-поступательные движения ползунов осуществляются в направляющих скольжения, а силы от давления газов в цилиндре действуют на один шарик, установленный в ползуне. Результирующая сила от давления газов в цилиндре параллельно переносится из осевого направления ползуна в точку контакта с профилем желоба ротора. В результате, согласно теореме о параллельном переносе сил возникает момент, равный результирующей силе относительно точки контакта шарика с профилем желоба ротора /см. книгу С.М.Тарг. Краткий курс теоретической механики. Наука. Москва, 1964 г., стр.58, п.21/. От этого момента возникают трения ползуна по направляющим, а также и поршня о стенки цилиндра, т.к. ползун выполнен за одно целое со штоком поршня. Кроме того, в точке контакта шарика с профилем желоба результирующая сила раскладывается в силовой многоугольник сил и одна из составляющих создает трение ползуна по направляющим.

Все приведенные потери на трение в значительной степени снижают мощность двигателя.

Если этот двигатель будет иметь диаметры цилиндров 100 мм и максимальное давление в цилиндре 54 кгс/см², то результирующая сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре, будет равна 4240 кгс. А при параллельном переносе сил эта результирующая сила переносится на шарик. В результате статическая нагрузка на шарик с учетом контактных напряжений по Герцу должна быть больше или равна результирующей силе.

Статическая нагрузка определяется произведением

где – угол контакта шарика с профилем желоба, который в среднем может быть равен 36°, а cos=0,80902.

Приравняв результирующую силу к статической нагрузке и решив приведенное произведение относительно диаметра шарика, его диаметр будет равен 64,75 мм, а вес 1,13 кг.

При таком диаметре шарика конструкция ползуна будет значительно увеличена по массе. А как известно, сила инерции прямолинейно движущихся частей равна произведению массы прямолинейно движущихся частей на ускорение поршня, взятые с обратным знаком. Силы инерции в начале хода поршня противодействуют его движению, а на второй половине, наоборот, помогают. Но расширение газов в цилиндре осуществляется в начале хода поршня, как это видно из индикаторной диаграммы /см. книгу С.С.Баландин. “Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания”. “Машиностроение”, Москва, 1972 г., с.141, рис 1/.

При большой массе у ползуна увеличиваются и силы инерции, а это в значительной степени снижает мощность двигателя и уменьшается срок службы двигателя.

Механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала ротора, имеет существенные недостатки. Отсутствие осевого поступательного движения шарика относительно ползуна. Ввиду этого качение шарика по профилю желоба втулки ротора не может осуществляться, а происходит скольжение с повышенным трением, т.к. скорость центра шарика равна половине линейной скорости движения хода поршня

где v₀ – средняя скорость движения хода поршня.

Высота профиля желобов от верхней точки перегиба до нижней точки равна длине хода поршня. Но при качении шарика по желобу шарик проходит путь, равный половине этой длины хода поршня. А так как отсутствует осевое поступательное движение шарика относительно ползуна, то возникает скольжение с повышенным трением, которое в значительной степени снижает мощность двигателя.

Индикаторная мощность у каждого двигателя зависит от среднего индикаторного давления Р. С увеличением среднего индикаторного давления возрастает индикаторная мощность и степень использования рабочего объема цилиндра. Максимальное значение среднего индикаторного давления в различных двигателях зависит от многих факторов, которые имеются в каждом конкретном двигателе.

Зная среднее индикаторное давление Р, можно определить индикаторную мощность двигателя.

Тангенциальную силу Т, касательную к контактной окружности вращения ротора, которая создает крутящий момент, можно определить по соотношению

где Р₀ – атмосферное давление,

_ср – среднее значение угла подъема профиля желоба по контактной дорожке качения, которое равно 27°55′, а тангенс 0,5298.

Из приведенного соотношения видно, что для получения полезной работы используется 52,88% среднего индикаторного давления, а 47,02% теряется.

У двигателей с кривошипно-шатунным механизмом для получения полезной работы используется 67,29% среднего индикаторного давления при отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 1/38.

Известен бескривошипный четырехтактный двигатель, патент Российской Федерации №2187673, F02В 75/25, F01В 9/06 от 24.04.2001 г.

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых расположены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, в которой установлены клапана, корпус блока, в котором установлен многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя. На передней и задней торцевых поверхностях обода ротора-маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления. Полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба. Каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня. Передний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности передней радиальной кривизны и выполнен наклонным относительно радиальной плоскости. Задний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности задней радиальной кривизны и выполнен наклонным относительно радиальной плоскости.

В вилковидных головках штока установлены рабочий и вспомогательный ролики, на наружных поверхностях которых выполнены желоба. Рабочий и вспомогательный ролики установлены с возможностью взаимодействия с тородуговинтовыми профилями обода ротора-маховика. Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых валиков, соосно соединенных конической шестерней. Коническая шестерня кинематически связана с конической шестерней, установленной на валу двигателя. Клапана в цилиндрах установлены на равных расстояниях от диаметральной плоскости блока цилиндров и параллельно плоскости.

Техническая задача, решаемая изобретением, не порочит новизну изобретения патента №2187673.

В данном техническом решении целесообразно применено конструктивное исполнение газораспределительного механизма, которое запатентовано в вышеприведенном патенте.

Техническая задача, решаемая изобретением:

Создание надежного в работе, простого и компактного по конструктивному исполнению нового бескривошипного двигателя внутреннего сгорания, у которого каждый цилиндр снабжен своим винтошаровым механизмом, в котором возвратно-поступательные движения поршней преобразуются во вращательные движения.

Осуществление полноценного использования сил среднего индикаторного давления в полезную работу, чем достигается повышение эффективной мощности двигателя без изменения процессов в цилиндрах.

Снижение удельного расхода топлива на единицу мощности.

Осуществление точного направленного движения поршневых штоков и поршней в цилиндрах.

Снижение механических потерь во всех кинематических парах.

Снижения трения в парах поступательного движения.

Повышение КПД двигателя в целом.

Техническая задача решена тем, что каждый цилиндр снабжен своим винтошаровым механизмом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршней во вращательные движения приводного вала. Ротор винтошарового механизма установлен соосно с поршневым штоком и соединен через посредство двухрядного упорного и радиального подшипников, а с приводным валом соединен шаровым соединением. По образующей цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба с углом наклона винтовых линий на угол 45° и с четным количеством полупериодов движений. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления дугами окружностей равной кривизны. Полупериоды разделены верхней и нижней точками перегиба, а каждая верхняя точка перегиба является верхней мертвой точкой хода поршня, а нижняя точка перегиба является нижней мертвой точкой хода поршня. Профили в верхней и нижней точках перегиба выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара и по развернутой делительной окружности цилиндра ротора на плоскость образованы выпуклыми и вогнутыми дугами окружностей одинаковым по величине радиусом R, которые плавно и касательно сопряжены винтовыми линиями правого и левого направлений, а расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба равно половине хода поршня H=0,5S. Профили правого и левого желобов в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом R_ж, c углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. Контактные дорожки качения правого и левого желобов выполнены в зависимости от направления движения поршня – прямого хода “П” и возвратного хода “В”. В желобах ротора через полупериод установлены шары, которые размещены в гнездах сепаратора, выполненного в виде кольца. Блок цилиндров установлен соосно с корпусом двигателя, а выполненные в корпусе отверстия соосно совмещены с цилиндрами. В каждом отверстии корпуса двигателя на равных расстояниях по окружности выполнены оваловидного профиля пазы, а в этих пазах установлены оваловидного профиля упорные вкладыши. На обращенных к ротору поверхностях у этих вкладышей выполнены ответные дуговые желоба с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара осевого направления. Шары взаимодействуют с дорожками качения желобов ротора и с дорожками качения упорных вкладышей, выполненных в желобах. По образующей внутреннего отверстия ротора винтошарового механизма выполнены полуэллипсовидного профиля канавки осевого направления, образованные в виде двух дуг окружностей радиусом R_жн касательно сопряженных дугами впадин с углом контактного давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и по образующей поверхности цилиндра приводного вала. В канавках размещены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки. Шарики установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения ротора и приводного вала, выполненных на боковых поверхностях канавок у ротора и у приводного вала. По образующей поверхности цилиндра поршневого штока выполнены полуэллипсовидного профиля канавки, образованные в виде двух дуг окружностей радиусом R_жн касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков с дорожками качения на боковых поверхностях. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и в отверстии направляющей втулки штока. В канавках поршневого штока и направляющей втулки установлены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки. Шарики взаимодействуют с дорожками качения поршневого штока и направляющей втулки, а дорожки качения выполнены на боковых поверхностях канавок направляющей втулки. Приводные валы винтошарового механизма своими шестернями соединены с шестерней вала двигателя.

Ротор винтошарового механизма с приводным валом и поршневой шток с направляющей втулкой штока соединены шариковыми соединениями качения с контактом каждого шарика на четыре точки и углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, а отношение радиуса R_жн к диаметру шарика в диапазоне 0,505-0,520d_ш.

За один оборот ротора винтошарового механизма при шести полупериодах движений осуществляется полтора четырехтактных рабочих цикла или три четырехтактных рабочих цикла за два оборота ротора.

Расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба винтодуговых желобов ротора при двухточечном контакте шаров с винтодуговыми желобами ротора и желобами упорных вкладышей определено величиной Н=0,5S, а при трехточечном контакте это расстояние будет равно Н=2/3S.

При трехточечном контакте желоба у упорных вкладышей выполнены в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно плоскости проходящей через центр шара, т.е. полуэллипсовидными.

Длина желобов у упорных вкладышей определена в зависимости от точек контактов шаров с винтодуговыми желобами и желобами упорных вкладышей. При двухточечном контакте длина равна Н=0,5S+0,707d_ш, а при трехточечном контакте эта длина будет равна Н=2/3S+0,707d_ш.

По образующей цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба с углом наклона винтовых линий на угол 45° с четным количеством полупериодов t, а профили желобов в поперечном сечении /по нормали/ выполнены полуэллипсовидными, образованными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара, ответные осевого направления полуэллипсовидного профиля желоба в поперечном сечении выполнены и на обращенных к ротору поверхностях в упорных вкладышах, а установленные в желобах шары взаимодействуют с контактными дорожками, образуя четырехточетный контакт.

В зависимости от назначения двигателя ротор винтошарового механизма может иметь четыре полупериода движений, шесть полупериодов движений, восемь полупериодов движений и т.д. Контакт шаров с желобами: двухточечный, трехточечный и четырехточечный.

Углы подъема винтовых линий, в пределах от 20 до 60°, а более оптимальный – угол 45°.

Количество цилиндров определяется в зависимости от назначения двигателя и его мощности: двухцилиндровые, четырехцилиндровые, шестицилиндровые, восьмицилиндровые и т.д.

Винтошаровые двигатели могут изготавливаться в виде блоков, соединенных (несколько блоков) редуктором.

Например, три блока по четыре цилиндра в каждом блоке. В этом варианте трехблочный четырехтактный двигатель будет иметь мощность 688,5 л.с. или 506,3 кВт. А трехблочный двухтактный двигатель по четыре цилиндра в блоке будет иметь мощность 1377 л.с. или 1012,5 кВт, а число оборотов 750 об/мин.

Трехблочный двухтактный двигатель может быть применен в качестве главного двигателя на вертолете.

Двигатели, цилиндры которых снабжены винтошаровыми механизмами, конструктивно просты. Для их изготовления не требуется специального оборудования.

Двигатели экологически чисты, т.к. расход топлива 121 г/лошадиную силу в час или 155 г/кВт час.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен винтошаровой четырехтактный двигатель, продольный разрез;

на фиг.2 – то же, продольный разрез винтошарового механизма;

на фиг.3 – то же, вид сверху в частичном разрезе фиг.1;

на фиг.4 – то же, вид Б на фиг.3;

на фиг.5 – то же, профили желобов ротора развернутой делительной окружности;

на фиг.6 – то же, поперечный разрез по А-А фиг.2;

на фиг.7 – то же, сечение взаимодействия шара с желобами ротора и упорного вкладыша;

на фиг.8 – то же, сечение взаимодействия шариков шаровых соединений качения с контактом шариков на четыре точки;

на фиг.9 – то же, схема взаимодействия шара с желобом ротора и упорного вкладыша в момент начала хода поршня;

на фиг.10 – то же, вид упорного вкладыша и его желоба;

на фиг.11 – то же, схема взаимодействия шара с желобом ротора и упорного вкладыша в момент возвратного хода поршня.

Винтошаровой четырехтактный двигатель содержит блок цилиндров 1, к торцам которого соосно присоединены корпус двигателя 2 и головка блока цилиндров 3. В блоке цилиндров 1 в аксиальных и диаметрально противоположных один другому отверстиях установлены цилиндры 4, в которых с возможностью возвратно-поступательного движения установлены поршни 5. В корпусе двигателя 2 соосно цилиндрам выполнены отверстия, в которых установлены роторы 6 винтошаровых механизмов, преобразующих движения. Каждый ротор 6 установлен на приводном валу 7 и соосно соединен через посредство совмещенных двухрядного упорного и радиального шарикоподшипников с поршневым штоком 8. Ротор 6 выполнен в виде полого цилиндра с внутренним фланцем. На внешнем выступе фланца выполнен желоб упорного двухрядного шарикоподшипника. На торцевых поверхностях фланца 9 поршневого штока 8 выполнены желоба. Ответные желоба выполнены и на внешней обойме 10. Между желобом ротора установлены ряды шариков 11, размещенные в гнездах сепараторов. Шарики 11 установлены с возможностью взаимодействия с желобами фланца ротора 6, фланца поршневого штока и обоймы 10 в целом являются двухрядным упорным шарикоподшипником. В отверстии фланца ротора 6 выполнен желоб. Ответный желоб выполнен и на цапфе поршневого штока 8. Между желобами фланца ротора и цапфы поршневого штока установлены ряды шариков 12, которые размещены в гнездах сепаратора. Шарики 12 установлены с возможностью взаимодействия с желобами фланца ротора и цапфой поршневого штока, а в целом являются радиальным шарикоподшипником. Совмещенные шарикоподшипники закрыты крышкой 13, а крышка сцентрирована и закреплена к фланцу ротора 6. По образующей цилиндрической поверхности ротора 6 выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба 14 с углом наклона винтовых линий на угол 45° с четным количеством полупериодов движений. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления дугами окружностей равной кривизны. Полупериоды разделены верхней 15 и нижней 16 точками перегиба. Профили желобов в верхней и нижней точках перегиба выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара 17. Расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба определено величиной Н. Величина этого расстояния определена в прямой зависимости от количества точек контакта шаров 17 с желобами ротора и упорных вкладышей.

При двухточечном контакте Н=0,5S.

При трехточечном контакте Н=2/3S,

где S – ход поршня.

Профили правого и левого винтодуговых желобов ротора в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом R_ж с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. Делительная окружность в поперечном сечении ротора 6 совмещена с дорожками качения как правого, так и левого направлений полупериодов движений. Контактные дорожки качения правого и левого желобов выполнены в прямой зависимости от направления движения поршня – прямого хода “П” и возвратного хода “В”. В желобах ротора 6 через полупериод t установлены шары 17, которые размещены в гнездах сепаратора 18, который выполнен в виде кольца.

В каждом отверстии корпуса двигателя 2 на равных расстояниях по окружности выполнены оваловидные пазы, в которых установлены упорные вкладыши 19 с осевыми желобами, обращенными к поверхности ротора 6. Желоба у упорных вкладышей выполнены в зависимости от точечного контакта шаров 17 с желобами ротора. При двухточечном контакте шаров 17 желоба у упорных вкладышей в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом R_ж с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17. При трехточечном контакте шаров 17 желоба у упорных вкладышей выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара. В этом исполнение шары 17 контактируют с упорными вкладышами на две точки. Шары 17 установлены с возможностью взаимодействия с желобами ротора и упорных вкладышей. По образующей цилиндра внутреннего отверстия ротора 6 выполнены полуэллипсовидного профиля осевого направления канавки 20, образованные в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_жн, касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта – давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, преходящей через центры шариков 21. Ответное полуэллипсовидного профиля канавки 22 осевого направления выполнены и по образующей цилиндра приводного вала 7, между канавками размещены ряды шариков 21, установленные в гнездах сепаратора 23, выполненного в виде втулки. Шарики 21 установлены с возможностью взаимодействия с канавками ротора 6 и канавками приводного вала 7, а в целом составляют шариковое соединение качения с четырехточечным контактом шариков с канавками. При наличии этого соединения осуществляется возвратно-поступательное движение-качение и одновременно передача вращающегося момента от ротора к приводному валу, т.е. передача крутящего момента от ротора к приводному валу.

По образующей поверхности цилиндра поршневого штока 8 выполнены полуэллипсовидного профиля канавки 24, образованные в виде двух дуг окружностей по бокам радиусом R_жн касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков 25. Ответные полуэллипсовидного профиля канавки 26 выполнены и в отверстии направляющей втулки 27 поршневого штока. Между канавками установлены ряды шариков 25, размещенные в гнездах сепаратора 28, выполненного в виде втулки. Шарики 25 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения канавок поршневого штока и направляющей втулки. Направляющая втулка 27 установлена и закреплена к торцу корпуса двигателя 2. Поршни 5 сцентрированы и соединены со штоком резьбовым соединением и застопорены шайбой 29. Приводные валы 7 установлены на шарикоподшипниковых опорах 30 и 31, а между этих опор на валах установлены шестерни 32. Центральный вал двигателя 33 установлен на трех шарикоподшипниковых опорах 34, 35 и 36, а между опорами 30 и 34 а на валу установлена шестерня 37, которая кинематически связана с шестернями приводных валов.

На валу 33 установлена шестерня 37, которая кинематически связана с шестернями 32 приводных валов 7. За одно целое с валом 33 выполнена шестерня 38 привода маслонасоса /который на чертеже не показан/. На центральном валу 33 установлены шестерня 39 привода вспомогательных механизмов и шестерня 40 привода газораспределительного механизма.

Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых распределительных валиков 41, соосно соединенных конической шестерней 42, которая кинематически связана с конической шестерней 40, установленной на центральном валу двигателя. Впускные 43 и выпускные 44 клапана установлены в головке блока цилиндров 3 на равных расстояниях от диаметральной плоскости и перпендикулярно этой плоскости. Впускные 43 и выпускные 44 клапана приводятся в действие соответствующими коромыслами 45 и 46, которые установлены на осях 47. Коромысла 45 и 46 содержат регулируемые винты 48, которые взаимодействуют с колпачками 49, и ролики 50, установленные с возможностью взаимодействия с кулачками распределительных валиков 41. Каждый распределительный валик имеет четыре кулачка, расположенных по окружности. Стержень каждого клапана с его пружиной закрыт колпачком 49, а каждый колпачок выполнен в виде стакана и соединен со стержнем клапана. С конической шестерней 39 кинематически связан приводной вал 51 привода вспомогательных механизмов. На конце центрального вала 33 установлен маховик 52 с шестерней сцепления.

Основным механизмом нового двигателя является винтошаровой механизм, который преобразует возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение приводного вала, а основной деталью этого механизма является ротор 6. Ротор 6 совершает сложные движения – возвратно-поступательные вдоль оси и вращательные вокруг той же оси одновременно и передачу крутящего момента. Шариковое соединение ротора 6 с приводным валом 7 обеспечивает возвратно-поступательное движение-качение ротора относительно приводного вала 7 и одновременно передачу вращения и крутящего момента от ротора к приводному валу.

Шариковое соединение поршневого штока 8 направляющей втулкой 27 обеспечивает возвратно-поступательное движение-качение поршневого штока относительно направляющей втулки, а также и прямолинейное движение поршня относительно цилиндра.

Винтошаровой механизм имеет несколько конструктивных вариантов, которые отличаются количеством полупериодов движений, наличием шаров 17 в винтодуговых желобах ротора 6 и количеством точек контакта шаров с желобами ротора и упорных вкладышей 19.

Первый вариант

По наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены шесть полупериодов движений, в желобах установлены три шара 17, которые взаимодействуют с желобами ротора и упорными вкладышами при двухточечном контакте.

В этом варианте исполнения за один оборот ротора 6 осуществляется полтора четырехтактных цикла или три четырехтактных цикла за два оборота ротора.

За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 0,5S, и одновременно поворачивается на угол 60°.

Передаточное число от приводного вала к валу двигателя равно 1,5.

Второй вариант

По наружной цилиндрической поверхности ротора выполнены четыре полупериода движений, в желобах установлены два шара 17, которые взаимодействуют с желобами ротора и упорными вкладышами при двухточечном контакте.

В этом варианте исполнения за один оборот ротора осуществляется один четырехтактный цикл.

За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 0,5S, и одновременно поворачивается на угол 90°.

Передаточное число от приводного вала к валу двигателя равно единице.

При первом и втором вариантах конструктивных исполнений скорость поступательного движения ротора равна половине средней скорости поршня.

Третий вариант

В этом варианте осуществлен трехточечной контакт шаров 17 с желобами ротора и упорными вкладышами. При этом варианте шары 17 одной точкой контактируют с желобами ротора, а двумя точками с упорными вкладышами.

За один полупериод движения ротор проходит путь, равный 2/3S,

где S – осевой ход поршня.

Скорость поступательного движения ротора равна 2/3 средней скорости поршня.

Более предпочтительный вариант первый, т.к. ротор центрируется на три точки по отношению к корпусу двигателя.

Определение параметров увеличения мощности

Основными, параметрами увеличения мощности являются:

Среднее эффективное давление, так как эффективная мощность двигателя прямо пропорциональна среднему эффективному давлению.

Средняя скорость поршня, определяющая быстроходность двигателя.

Среднее эффективное давление меньше среднего индикаторного давления на величину среднего давления механических потерь.

Среднее индикаторное давление – это то давление, которое в течение одного хода поршня совершает работу, равную работе газов за цикл.

Среднее давление механических потерь зависит от конструкции двигателя, а особенно от степени использования рабочего объема цилиндра.

Большие потери среднего индикаторного давления происходят в процессе преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Например, у двигателя при отношении радиуса кривошипа к длине шатуна, равном 1/3,8 по углу поворота коленчатого вала от 0 до 180°, среднее значение величины отношения равно 0,6729. Следовательно, для получения полезной работы используется 67,29% среднего индикаторного давления, а 32,71% теряется.

У винтошарового двигателя по цилиндрической поверхности ротора 6 винтодуговые желоба выполнены с углом подъема винтовых линий, равным 45°, а средний приведенный тангенс угла равен 0,9469. Для получения полезной работы используется 94,69% среднего индикаторного давления, а теряется 5,31%. В результате среднее эффективное давление увеличивается на 27,4% по отношению к существующим двигателям.

Средняя скорость поршня, определяющая быстроходность двигателя, определена с учетом количества полупериодов движений по отношению

где Z – число полупериодов движений,

S – ход поршня, м,

n – число оборотов ротора, об/мин.

Например, при шести полупериодах движений и 1500 об/мин ротора, а ход поршня 0,1 м, средняя скорость поршня равна 15 м/сек.

Это дает возможность форсировать двигатель по быстроходности.

Работа двигателя

Последовательное взаимодействие цилиндров осуществляется через посредство приводных валов 7 шестерен 32, которые кинематически связаны с шестерней 37, установленной на валу 33 двигателя.

Рабочим процессом является совокупность последовательных и периодически повторяющихся циклов в каждом цилиндре двигателя. Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня /часть рабочего цикла/, называются тактом.

Такты четырехтактного двигателя: 1 – впуск или наполнение, 2 – сжатие, 3 – сгорание и расширение /рабочий ход/, 4 – выпуск газов.

Порядок работы цилиндров за один оборот вала двигателя приведен в таблице 1.

В момент прямого хода поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке ротор проходит путь от нижней точки перегиба к верхней точке перегиба. В момент возвратного хода поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке ротор проходит путь от верхней точки перегиба к нижней точке перегиба.

В момент движений ротора шары 17 совместно с сепаратором 18 совершают движения от нижнего положения к верхнему и обратно от верхнего положения к нижнему.

В процессе третьего такта /третий цилиндр/ происходит сгорание и расширение /рабочий ход/ при прямом ходе поршня. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества тепла температура и давление в цилиндре резко повышаются. Под действием давления происходит перемещение поршня и расширение газов.

Результирующая сила от давления газов на поршень через поршневой шток передается ротору и шарам 17 и равномерно распределяется между шарами, образуя три составляющие силы. Эти составляющие при взаимодействии шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора 6 и с желобами упорных вкладышей 19 раскладываются, образуя окружные силы, касательные к делительной окружности профилей желобов ротора.

От расширения газов в цилиндре поршень совершает прямой ход, а ротор – сложные движения, проходит путь от нижней точки перегиба к верхней точке перегиба и одновременно вращение вокруг оси на угол поворота 60°. Вращательное движение от ротора 6 передается через шариковое соединение приводному валу 7. А от приводного вала через посредство шестерни 32, сидящей на приводном валу, шестерне 37, установленной на центральном валу двигателя. Передаточное число шестерен равно 1,5, за это же время центральный вал 33 двигателя повернется на угол 90°.

Аналогичные такты расширения газов последовательно осуществляются и в остальных цилиндрах, а порядок работы цилиндров равен 1-2-3-4.

Таким образом, за один оборот вала двигателя осуществляются четыре такта расширения газов по одному такту в каждом цилиндре.

Маховик 52 является аккумулятором кинетической энергии. Во время тактов расширения газов часть совершаемой в цилиндрах работы полезно используется, часть расходуется на преодоление механических потерь, а остальная часть – избыточная работа расходуется на увеличение кинетической энергии движущихся частей остальных тактов сжатия, впуска и выпуска.

При четырех тактах расширения газов последовательно в четырех цилиндрах за один оборот вала 33 двигателя обеспечиваются меньшие колебания угловой скорости вала, т.е. меньшая степень неравномерности вращения двигателя.

При шестиполупериодном роторе осуществляется шесть ходов поршня, а в цилиндрах осуществляется полтора четырехтактных цикла за один оборот ротора. За это же время вал двигателя сделает полтора оборота.

При четырехполупериодном роторе осуществляется четыре хода поршня, а в цилиндрах осуществится один четырехтактный цикл за один оборот ротора, а вал двигателя сделает один оборот.

Основной характеристикой каждого двигателя является мощность. Мощность винтошарового двигателя определена по аналогичной методике, как и у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом, но с учетом показателя тактности данного двигателя.

В числитель соотношения определения мощности двигателя введены величины – ход поршня и число оборотов вала. Но эти величины определяют среднюю скорость поршня С. Заменяя в этом соотношении величины – ход поршня и число оборотов вала на среднюю скорость поршня С и соответственно уточняя число в знаменателе, получим два соотношения в виде равенства

где F – площадь поршня, см²,

Pe – среднее эффективное давление, кгс/см²,

n – число цилиндров.

Во втором соотношении средняя скорость поршня и среднее эффективное давление являются основными величинами, определяющими мощность винтошарового двигателя, а их значения определены выше.

Для сравнения качественной оценки привожу характеристику двигателя Ульяновского завода “Волжские моторы” типа УМЗ-249.10 и двух винтошаровых, которые приведены в таблице №2.

Из приведенной таблицы видно, что при увеличении средней скорости поршня на 1,2 м/сек мощность увеличивается на 18,5 л.с.

На основании термодинамического расчета определено среднее индикаторное давление винтошарового двигателя, величина которого равна Р=15,426 кгс/см².

Среднее эффективное давление определено по уравнению

Р=15,426×0,9469=14,61 кгс/см².

Для улучшения экономичности винтошарового двигателя рабочий цикл осуществляется с продолжительным расширением, суть которого заключается в следующем. Номинальную степень сжатия увеличиваем на 1…2 единицы, а чтобы двигатель не детонировал, увеличиваем угол запаздывания закрытия впускного клапана 43. При этом часть заряда выталкивается из цилиндра в начале такта сжатия, в результате чего начало процесса сжатия заряда задерживается, т.е. уменьшается фактическая степень сжатия. Степень же расширения, от которой главным образом зависит экономичность, остается равной номинальной степени сжатия, т.е. большей по сравнению с фактической степенью сжатия.

Чтобы компенсировать уменьшение заряда цилиндра, приходится соответственно увеличивать ход поршня. В данном двигателе увеличение хода поршня незначительно влияет на габариты двигателя.

Применение цикла удлиненного расширения как средство повышения экономичности у винтошаровых двигателей является целесообразным, т.к. снижается удельный расход топлива на 10-12% по сравнению с работой по обычному циклу.

Степень совершенства конструкции винтошарового двигателя объясняется тем, что каждый цилиндр снабжен винтошаровым преобразующим движения механизмом. Одним из основных преимуществ этого механизма является то, что преобразование возвратно-поступательных движений во вращательные движения осуществляется при взаимодействии шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора 6 и с желобами упорных вкладышей 19 с минимальными потерями мощности на преодоление трения.

Шариковые соединения качения /направляющие качения/, основными преимуществами которых являются: малое сопротивление движению, независимость этого сопротивления от скорости, незначительная разница между силами трения покоя и движения. Это позволяет обеспечить как быстрые, так и медленные равномерные движения, а также высокую точность установочных положений перемещающихся поршня относительно цилиндра, ротора относительно корпуса двигателя 2 и относительно приводного вала 7.

При точном и прямолинейном движении поршня относительно цилиндра обеспечивается надежная работа цилиндропоршневой группы и увеличивается моторесурс двигателя.

Вариант четырехточечного контакта шаров 17 с винтодуговыми желобами ротора и желобами упорных вкладышей. Профили этих желобов в поперечном сечении /по нормали/ – полуэллипсовидные с дорожками качения по боковым поверхностям, углы контакта равны 45° относительно перпендикуляра к оси ротора 6, проходящего через центр шара 17. Величина такого угла позволяет лучше контролировать размеры, уменьшить контактные напряжения между шарами и желобами при любых рабочих условиях, а в целом увеличивается срок службы механизма. Это подтверждается тем, что в процессе взаимодействия шаров 17 с желобами нагрузка, действующая на каждый шар, равнозначно распределяется на две силы.

Винтошаровые механизмы могут широко применяться и в двухтактных двигателях.

Например, двухтактный двигатель, цилиндры которого снабжены винтошаровыми механизмами, а роторы их имеют шесть полупериодов движений каждый. За один оборот ротора осуществляется три двухтактных рабочих цикла. При четырех цилиндрах диаметром 100 мм и средней скорости поршня, равной 15 м/сек, мощность двигателя будет равна 459 л.с. или 337,5 кВт, а литровая 146,2 л.с./л или 107,5 кВт/л.

Винтошаровые двигатели могут широко применяться на автомашинах, тракторах, танках, вертолетах, судах на подводных крыльях, на передвижных генераторах и в других транспортных средствах и областях техники, где первостепенное значение имеют простота и компактность конструкции, малая масса и минимальная вибрация.

Кроме того, с винтошаровым механизмом могут создаваться поршневые компрессоры и поршневые насосы различной мощности. В этих машинах вращательные движения преобразуются в прямолинейные возвратно-поступательные движения.

Уравнения, определения геометрических размеров, полупериодов движений и диаметров по делительной окружности содержатся в методике расчета винтошаровых двигателей.

Формула изобретения

1. Винтошаровой четырехтактный двигатель, содержащий блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, в которой установлены впускные и выпускные клапана, корпус двигателя, в котором установлен механизм преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращательное движение вала, по образующей цилиндра ротора этого механизма выполнены правого и левого направлений дуговые желоба, в этих желобах установлены погруженные наполовину диаметра шарики, а вторые их половины диаметров установлены в сферических отверстиях ползунов, шарики установлены с возможностью взаимодействия с желобами ротора и со сферическими отверстиями ползунов при взаимодействии мелких шариков, а ползуны соединены штоками с поршнями, отличающийся тем, что каждый цилиндр снабжен своим винтошаровым механизмом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение приводного вала, ротор винтошарового механизма установлен соосно с поршневым штоком и соединен через посредство двухрядного упорного и радиального шарикоподшипников, а с приводным валом соединен шаровым соединением, по образующей цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены правого и левого направлений винтодуговые желоба с углом наклона винтовых линий на угол с четным количеством полупериодов движений t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления дугами окружностей равной кривизны, полупериоды разделены верхней и нижней точками перегиба, каждая верхняя точка перегиба является верхней мертвой точкой хода поршня, а нижняя точка перегиба является нижней мертвой точкой хода поршня, профили в верхней и нижней точках перегиба выполнены полуэллипсовидными в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж, касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара 17, и по развернутой делительной окружности цилиндра ротора на плоскость образованы выпуклыми и вогнутыми дугами окружностей одинаковым по величине радиусом R, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, а расстояние от верхней точки перегиба до нижней точки перегиба равно половине хода поршня 0,5S, профили правого и левого желобов в поперечном сечении дуговые, очерченные радиусом R_ж с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара 17, контактные дорожки качения правого и левого желобов выполнены в зависимости от направления движения поршня – прямого хода “П” и возвратного хода “В”, в желобах ротора, через полупериод установлены шары, которые размещены в гнездах сепаратора, выполненного в виде кольца, блок цилиндров установлен соосно с корпусом двигателя, а выполненные в корпусе отверстия соосно совмещены с цилиндрами, в каждом отверстии корпуса двигателя на равных расстояниях по окружности выполнены оваловидного профиля пазы, в этих пазах установлены оваловидного профиля упорные вкладыши, на обращенных к ротору поверхностях у этих вкладышей выполнены ответные дуговые желоба с углом контакта, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центр шара осевого направления, шары взаимодействуют с дорожками качения желобов ротора и с дорожками качения упорных вкладышей, выполненных в желобах, по образующей внутреннего отверстия ротора винтошарового механизма выполнены полуэллипсовидного профиля канавки осевого направления, образованные в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж, касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков, ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и по образующей поверхности цилиндра приводного вала, в канавках размещены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки, шарики взаимодействуют с дорожками качения ротора и приводного вала, выполненными на боковых поверхностях канавок у ротора и у приводного вала, по образующей поверхности цилиндра поршневого штока выполнены полуэллипсовидного профиля канавки, образованные в виде двух дуг окружностей радиусом R_ж, касательно сопряженных дугами впадин с углом давления, равным 45° относительно радиальной плоскости, проходящей через центры шариков с дорожками качения на боковых поверхностях, ответные полуэллипсовидного профиля канавки выполнены и в отверстии направляющей втулки штока, в канавках поршневого штока и направляющей втулки штока установлены ряды шариков, которые установлены в гнездах сепаратора, выполненного в виде втулки, шарики взаимодействуют с дорожками качения поршневого штока и направляющей втулки, которые выполнены на боковых поверхностях канавок направляющей втулки, приводные валы винтошаровых механизмов шестернями соединены с шестерной вала двигателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что по цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма выполнены желоба, содержащие шесть полупериодов движений t, в которых размещены три шара 17, а в отверстии корпуса двигателя установлены три упорных вкладыша, при этом за один оборот ротора осуществляется полтора четырехтактных цикла или три четырехтактных цикла за два оборота ротора.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что по цилиндрической поверхности ротора винтошарового механизма на поверхностях, обращенных к ротору упорных вкладышах, выполнены желоба полуэллиптического профиля в виде двух боковых дуг окружностей радиусом R_ж, касательно сопряженных дугами впадин с углом контакта, равным 45° относительно перпендикуляра к оси ротора, проходящего через центр шара 17, при этом шары 17 взаимодействуют с желобами, осуществляя контакт на четыре точки.

РИСУНКИ