Патент на изобретение №2349814

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ АЛИЕВЫХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Преобразователь движения содержит четыре цилиндра, расположенные попарно. Штоки поршней взаимно противоположных цилиндров связаны друг с другом неподвижно двумя параллельными зубчатыми рейками. На выходном валу преобразователя неподвижно установлены ступицы четырех обгонных муфт. Обоймы указанных обгонных муфт неподвижно связаны с соответствующими шестернями. Первая и вторая рейки каждой пары сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении и взаимодействуют с первой и второй шестернями соответствующей пары с диаметрально противоположных сторон. Причем обгонные муфты каждой пары установлены так, что когда первые из них, передающие вращение на выходной вал по часовой стрелке, находятся в сцеплении, вторые муфты, передающие вращение в обратном направлении, находятся вне сцепления и наоборот. Кроме того, угол между параллельными зубчатыми рейками соседних пар цилиндров во фронтальной плоскости может меняться от 0 до 90°, а время их нахождения в «мертвых» точках сдвинуто по фазе на определенный промежуток, преимущественно на T/N, где N – число цилиндров. Решение направлено на увеличение КПД и срока эксплуатации преобразователя движения. 11 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, а также в насосах и компрессорах объемного типа.

Известен «Преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное и обратно» (Пономарев А.В. Преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. RU 2002106181/11. 7 F16Н 21/22. Пат. №2215919. 31 бюлл. 2003 г.), который содержит корпус 1 с зубчатыми колесами 2 и 3, выполняющими функцию механизма синхронизации вращения в противоположных направлениях с равными угловыми скоростями, посаженными на валах 4 заодно с колесами 5, на которых на выступах смонтированы рычаги с пружинами 6 и буферами 7. Валы 4 с колесами 5 упираются в двухрядный упорный подшипник 8 и радиально-упорные подшипники 9, которые смонтированы в муфте 10 с кольцевыми проточками, в проточки вставлены рычаги-кривошипы 11, шарнирно связанные со штоками 12 и поршнями 13, движущимися в цилиндре 14, закрепленном на корпусе и преобразующем вращательное движение муфты 15 в возвратно-поступательное движение поршня 13 или наоборот за счет направляющей 16, прикрепленной к корпусу 1 и выполненной с пазами, изогнутыми в разные стороны.

При преобразовании вращательного движения в возвратно-поступательное крутящий момент от электродвигателя через муфту 15 передается на зубчатое колесо 2, которое вращает зубчатые колеса 3 в противоположных направлениях с равными угловыми скоростями. Колеса 3 вращаются вместе с колесами 5 и пружинами 6 с буферами 7, ударяющими по кривошипам 11, движущими возвратно-поступательно поршнями и в то же время движущимися по направляющим пазам в бронзовой направляющей 16. За один такт кривошип 11 проходит определенный угол (фиг.3) и отклоняется в сторону, где его двигает такой же рычаг в другую сторону, совершая следующий такт.

Недостатком известного преобразователя является сложность конструкции и низкий КПД, связанный с изменением длины рычага в кривошипно-шатунном механизме.

Известен также преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот (см. Алиев А.С., Алиев Р.А., Мамедов Г.А. Решение ФИПС на выдачу патента по заявке №2005118223/11 на «Преобразователь движения» от 14.06.2005 г.), который может быть указан в качестве прототипа.

Прототип содержит четыре цилиндра, расположенные попарно, поршни взаимно противоположных цилиндров которых связаны друг с другом штангой неподвижно. Штанга через первую и вторую перемычки неподвижно связанна с параллельными зубчатыми рейками. Данные рейки находятся в сцеплении с соответствующими сегментными шестернями. Сегментные шестерни установлены неподвижно на одном выходном валу. На каждой шестерне зубья занимают менее половины (180°) его делительной окружности. Взаимодействия зубчатых реек с соответствующими сегментными звездами сдвинуты во времени по фазе преимущественно на 90°.

К недостаткам прототипа относятся:

а) необходимость точной синхронизации возвратно-поступательного движения поршней с вращательным движением сегментной шестерни.

б) жесткое соотношение между ходом поршней L и диаметром делительной окружности Dg сегментарной шестерни L=1/2Dg.

в) возможность поломки зубьев сегментной шестерни и зубчатой рейки. В «мертвых» точках они выходят из сцепления друг с другом. В начале последующего цикла сцепления точное совпадение зубцов рейки и шестерни может не произойти из-за запоздания или опережения момента поджога рабочей камеры цилиндра. Это может вызвать сильный периодический стук и поломку зубьев зубчатой рейки или шестерни.

Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности эксплуатации при одновременном повышении КПД преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

Данная техническая задача решается следующим образом.

В преобразователе движения, содержащем не менее четырех цилиндров, расположенных попарно, штоки поршней взаимно противоположных цилиндров которых связаны друг с другом двумя параллельными зубчатыми рейками неподвижно, введены дополнительно не менее двух пар шестерен, установленных неподвижно на обоймах соответствующих обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на общем выходном валу. При этом первая и вторая рейки каждой пары сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении и взаимодействуют с первой и второй шестернями соответствующей пары с диаметрально противоположных сторон. Причем обгонные муфты каждой пары установлены так, что когда первые из них, передающие вращение на выходной вал по часовой стрелке, находятся в сцеплении, вторые муфты, передающие вращение в обратном направлении, находятся вне сцепления и наоборот. Кроме того, угол между параллельными зубчатыми рейками соседних пар цилиндров во фронтальной плоскости может меняться от 0 до 90°, а время их нахождения в «мертвых» точках сдвинуто по фазе на определенный промежуток, преимущественно на T/N, где N – число цилиндров.

Во втором варианте преобразователя движения цилиндры установлены в одной плоскости, штоки противоположных цилиндров попарно соединены друг с другом параллельными двухсторонними рейками, каждый из которых взаимодействует с двумя одинаковыми шестернями, установленными на обгонных муфтах по разные стороны от двухсторонней рейки на двух параллельных валах. Кроме того, на указанных валах, один из которых является выходным, неподвижно установлены дополнительно по одной шестерне меньшего диаметра, взаимодействующие друг с другом через вновь введенную промежуточную шестерню, установленную на оси, с возможностью свободного вращения.

В третьем варианте преобразователя движения первая, вторая, третья, четвертая шестерни установлены на общем валу с возможностью свободного вращения, а на их боковых поверхностях установлены подпружиненные собачки, взаимодействующие с соответствующими храповыми колесами, установленными неподвижно на общем выходном валу.

В четвертом варианте преобразователя движения шестерни, взаимодействующие с двухсторонней рейкой, установлены на двух параллельных валах с возможностью свободного вращения, и он содержит дополнительно попарно неподвижно установленные на валах храповые колеса, взаимодействующие через подпружиненные собачки с соответствующими шестернями.

В пятом варианте преобразователя движения каждый цилиндр двухстороннего действия заменен двумя цилиндрами одностороннего действия, противоположные пары соединены зубчатыми рейками, взаимодействующими с соответствующими шестернями.

В преобразователе вращательного движения в возвратно-поступательное движение выходной вал является ведущим, а параллельные пары зубчатых реек установлены с возможностью изменения угла относительно соседних зубчатых пар в фронтальной плоскости в пределах от 0 до 180°, а на концах зубчатых реек с двух сторон установлены пружины и упоры, при этом возвратно-поступательное движение зубчатых реек является выходным движением.

На фиг.1 представлена конструкция первого варианта преобразователя движения (вид В-В по фиг.2), где

1, 2, 3, 4 – первый, второй, третий и четвертый цилиндры;

5 – шток;

6, 7, 8, 9 – первый, второй, третий и четвертый кронштейны;

10, 11, 12, 13 – первая, вторая, третья и четвертая зубчатые рейки;

14 – первая шестерня;

15 – первая обгонная муфта;

16 – вал;

17 – пружина демпфирующая.

На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1, где позиции 1-16 те же, что на фиг.1;

18, 19, 20 – вторая, третья и четвертая обгонные муфты;

21, 22, 23 – вторая, третья и четвертая шестерни,

24, 25 – первый и второй поршни;

26 – пятая шестерня.

27 – маховик.

На фиг.3 представлена конструкция первого варианта преобразователя движения, когда цилиндры двухстороннего действия 1-4 находятся в одной плоскости и зубчатые рейки параллельны друг другу.

Позиции 1-26 те же, что и на фиг.2.

На фиг.4 представлен второй вариант кинематической связи между элементами конструкции преобразователя, где

28 – первая двухсторонняя рейка;

29, 30 – шестая и седьмая шестерни;

31, 32 – пятая и шестая обгонные муфты;

33, 34 – второй и третий (выходной) валы.

На фиг.5 представлен вид С-С по фиг.4, где позиции 27-34 те же, что на фиг.4;

35 – вторая двухсторонняя рейка;

36, 37 – восьмая, девятая шестерни;

38, 39 – седьмая и восьмая обгонные муфты;

40, 41, 42 – десятая, одиннадцатая, двенадцатая шестерни.

На фиг.6 представлен третий вариант преобразователя движения, где

43 – пятая зубчатая рейка;

44 – тринадцатая шестерня;

45 – первое храповое колесо;

46 – четвертый вал;

47 – собачка первая;

48 – пружина первая;

49 – пружины вторые;

50 – упоры.

На фиг.7 представлен четвертый вариант преобразования движения, где

51 – третья двухсторонняя рейка;

52, 53 – второе и третье храповые колеса;

54, 55- пятый и шестой валы;

56, 57 – вторая и третья собачки;

58, 59 – вторая и третья пружины;

60, 61 – четырнадцатая и пятнадцатая шестерни.

На фиг.8 представлена конструкция пятого варианта преобразователя движения, принцип действия которого совпадает с первым вариантом и позиции 1-26 те же, что на фиг.1 – фиг.3;

62, 63, 64, 65 – первый, второй, третий и четвертый узлы сопряжения сегментных шестерен;

Каждый узел сопряжения сегментной шестерни содержит:

66 – сегментную шестерню;

67 – ступицу обгонной муфты;

68 – обойму обгонной муфты;

69 – шестерню с прямыми зубьями.

На фиг.9 представлена конструкция шестого варианта преобразователя движения, принцип действия которого совпадает со вторым вариантом преобразователя движения (см. фиг.4 и фиг.5), где позиции 27-72 те же, что на фиг.4 и фиг.5.

70, 71, 72, 73 – пятый, шестой, седьмой и восьмой узлы сопряжения сегментных шестерен (первый вариант), содержащие позиции 66-69.

На фиг.10 представлен вид А по фиг.9, где позиции 27-72 те же, что на фиг.9.

На фиг.11 представлен второй вариант конструкции узла сопряжения сегментной шестерни, где

74 – вал;

75 – храповое колесо;

76 – собачка;

77 – шестерня с прямыми зубьями;

78 – сегментная шестерня;

79 – одинарная (или двойная) зубчатая рейка.

На фиг.12 представлен третий вариант конструкции узла сопряжения сегментной шестерни, где

80 – сегментная шестерня;

81 – шестерня с прямыми зубьями;

82 – втулка установочная с резьбовым наконечником 83;

84 – шарики;

85 – шаровая ячейка (ямочка);

86 – плоская пружина;

87 – гайка;

88 – односторонняя (или двухсторонняя) зубчатая рейка.

На фиг.13 представлена конструкция объединенных двух узлов сопряжения сегментной шестерни. Могут быть объединены два любых из трех вариантов сопряжения шестерен (см. фиг.8, фиг.11 и фиг.12), где

89 – сегментная шестерня;

90, 91 – шестерни;

92, 93 – односторонние зубчатые рейки;

95, 96 – обгонные муфты;

96 – вал.

На фиг.14 представлена схема расположения цилиндров двухстороннего действия 1-4 и 1^I-4^I, когда штоки поршней параллельны друг другу.

На фиг.15 представлена схема, где штоки поршней цилиндров двухстороннего действия 1-4 и 1^I-4^I установлены накрест.

На фиг.16 представлена схема расположения восьми односторонних цилиндров 1-4 и 1^I-4^I, где цилиндры расположены в одной плоскости и штоки их поршней параллельны друг другу.

Принцип работы преобразователя движения, конструкция которого представлена на фиг.1 и фиг.2, заключается в следующем.

Первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 двигатели внутреннего сгорания (ДВС) устанавливаются крестообразно попарно симметрично относительно вала 16.

Штоки взаимно противоположных цилиндров 1, 2 соосны и неподвижно соединены друг с другом с помощью двух параллельных зубчатых реек 10, 11 и двух поперечных кронштейнов 6, 7. Аналогичным путем соединены штоки второй пары цилиндров 3, 4 при помощи второй пары зубчатых реек 12, 13 и кронштейнов 8, 9.

Возвратно-поступательное движение штоков и связанных с ними пар зубчатых реек сдвинуты по фазе на 90°. Когда поршни первой пары цилиндров 1, 2 находятся в крайнем положении (в «мертвых» точках), вторая пара поршней находится в середине соответствующих цилиндров 3, 4 и наоборот.

Кронштейны 6-9 имеют Z-образную форму. Зубчатые рейки крепятся к кронштейнам с двух разных сторон (см. фиг.2 и фиг.3)

На валу 16 неподвижно установлены ступицы четырех обгонных муфт 15, 18, 19, 20. Обоймы указанных обгонных муфт неподвижно связаны с соответствующими шестернями 14, 21, 22, 23. Причем в каждой паре обгонные муфты работают в противофазе. Когда ступицы первой 15 и третьей 19 обгонных муфт находятся в сцеплении с обоймами, обоймы второй 18 и четвертой 20 обгонных муфт вращаются свободно (т.е. не находятся в сцеплении со ступицами.)

При обратном движении поршней 24, 25 в сцепление входит вторая пара обгонных муфт 21 и 23. Вследствие того, что зубчатые рейки каждой пары взаимодействуют с шестернями, установленными на обоймах обгонных муфт, работающих в противофазе, вал 16 сохраняет постоянное направление своего вращения.

Для повышения синхронности вращения выходного вала на нем установлен маховик 27.

Для съема мощности на валу установлена пятая шестерня 26. От этой шестерни вращение передается на редуктор ДВС.

На фиг.3 представлена конструкция второго варианта преобразователя движения, где зубчатые рейки 10-13 параллельны друг другу и цилиндры 1-4 находятся в одной плоскости. В остальном принцип действия второго преобразователя движения совпадает с первым вариантом, представленным на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.4 и фиг.5 представлен вариант конструкции преобразователя движения.

Штоки взаимно-противоположных цилиндров 1, 2 (3, 4) неподвижно соединены с помощью первой 28 (второй 35) двухсторонней рейки.

При этом первая и вторая двухсторонние рейки параллельны друг другу. Все четыре цилиндра 1-4 находятся в одной плоскости. Возможно применение цилиндров двухстороннего действия, которые имеют объединенные рабочие полости, а поршни смежных цилиндров совершают движение в противоположном направлении. (См. Чоповский Б.П., Козулин В.Б. «Двигатель внутреннего сгорания». RU 2002126052/06, 7 F02B 33/00, 30.2002 г.)

Первая двухсторонняя рейка 28 взаимодействует одновременно с шестой 29 и седьмой 30 шестернями. Указанные шестерни неподвижно установлены на обоймах пятой 31 и шестой 32 обгонных муфт соответственно. Ступицы данных обгонных муфт неподвижно установлены на параллельных друг другу втором 33 и третьем (выходном) 34 валах.

Пятая и шестая обгонные муфты входят в сцепление по очереди. Если двухсторонняя рейка 28 поднимается вверх, пятая обгонная муфта 31 вращает вал 33 против часовой стрелки. В этот момент времени обойма шестой обгонной муфты 32 выходит из сцепления со ступицей и седьмая шестерня крутится вхолостую (свободно) по часовой стрелке.

При обратном движении двухсторонней рейки 28 в сцепление входит шестая обгонная муфта 32. Ведущими становятся седьмая шестерня 30 и третий (выходной) вал 34. Третий вал также вращается против часовой стрелки.

Аналогично первой двухсторонней рейке 28 вторая двухсторонняя рейка 35 связывает друг с другом штоки поршней второй пары цилиндров 3, 4. Вторая двухсторонняя рейка 35 также совершает возвратно-поступательное движение. Вторая двухсторонняя рейка взаимодействует одновременно с восьмой 36 и девятой 37 шестернями. Указанные шестерни неподвижно установлены на обоймах обгонных муфт, ступицы которых установлены неподвижно на втором 33 и третьем 34 валах. При этом пятая 31 и седьмая 38 обгонные муфты установлены на втором валу 33. Шестая 32 и восьмая 39 обгонные муфты установлены на третьем валу 34.

Седьмая и восьмая обгонные муфты аналогично пятой и шестой муфтам работают в противофазе. При нахождении в сцеплении обоймы со ступицей седьмой муфты у восьмой муфты они находятся вне сцепления и наоборот. Это проводит к тому, что при движении второй рейки 35 вверх ведомой становится восьмая шестерня 36, а девятая шестерня 37 крутится в холостую по часовой стрелке. При обратном движении рейки 35 вниз, ведомым становится девятая шестерня 37, а восьмая 36 крутится вхолостую по часовой стрелке.

Работа двух пар взаимно связанных цилиндров двухстороннего действия 1, 2 и 3, 4 сдвинута во времени на 45°. При этом, когда первая двухсторонняя рейка 28 находится в крайнем верхнем (или нижнем) положении (в «мертвой» точке), вторая двухсторонняя рейка 35 находится в среднем (активном) положении. Через четверть периода (Т/8) вторая рейка окажется в «мертвой» точке, а первая рейка в активном положении.

Для суммирования моментов вращения второго 33 и третьего 34 валов используется десятая 40, одиннадцатая 41 и двенадцатая 42 шестерни, взаимодействующие друг с другом.

Двенадцатая шестерня 42 установлена на оси с возможностью свободного вращения. Эта шестерня, а также десятая 40 и одиннадцатая шестерни 41, используются для согласования направления вращения второго 33 и третьего 34 валов. Девятая шестерня установлена неподвижно на втором валу 33, а десятая – также неподвижно на третьем валу 34.

В результате взаимодействия указанных трех шестерен не зависимо от направления возвратно-поступательного движения двухсторонних реек 28 и 35 моменты, создаваемые на втором и третьем валах, складываются, и суммарный момент вращения передается на выходной третий вал 34, который постоянно вращается в одном направлении – против часовой стрелки (см. фиг.4).

Во всех конструкциях, представленных на фиг.1 – фиг.4, взамен обгонных муфт могут быть использованы храповые колеса. Взаимодействие храпового колеса с подпружиненной собачкой позволяет передавать момент вращения шестерни в одном направлении, а в противоположном направлении шестерня вращается свободно.

На фиг.6 представлена конструкция третьего варианта преобразователя движения. Пятая зубчатая рейка 43 неподвижно связывает штоки 5 противоположных цилиндров 1 и 2 (3 и 4).

Зубчатая рейка совершает возвратно-поступательное движение и взаимодействует с тринадцатой шестерней 44. Эта шестерня установлена на четвертом валу 46 с возможностью свободного вращения. Соосно с шестерней 44 на четвертом валу неподвижно установлено храповое колесо 45. Зубцы храпового колеса взаимодействуют с подпружиненной первой собачкой 47. Первая пружина 48 обеспечивает постоянный контакт собачки с выступами зубцов храпового колеса 45.

Подпружиненная собачка 47 установлена на боковой поверхности тринадцатой шестеренки 44 с возможностью свободного поворота. При движении зубчатой рейки 43 вниз (см. фиг.6) наконечник собачки входит в зазор между зубцами храпового колеса 45 и поворачивает его и четвертый вал 46 по часовой стрелке. При обратном движении рейки вверх собачка 47 выходит из сцепления с храповым колесом, и тринадцатая шестерня вхолостую свободно вращается против часовой стрелки.

Подобный храповый механизм преобразователя возвратно-поступательного движения зубчатой рейки во вращательное движение шестерни можно использовать также в первом варианте конструкции преобразователя движения, представленной на фиг.1 и фиг.2, взамен обгонным муфтам.

На фиг.7 представлена конструкция варианта преобразователя движения.

Третья двухсторонняя рейка 51 связывает поршни взаимно противоположных цилиндров двухстороннего действия 1, 2 (3, 4). Она совершает возвратно-поступательное движение в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.

Двухсторонняя рейка 51 взаимодействует одновременно с четырнадцатой 60 и пятнадцатой 61 шестернями. Указанные шестерни шарнирно установлены на пятом 54 и шестом 55 валах с возможностью свободного вращения. На этих же валах неподвижно установлены второе 52 и третье 53 храповые колеса. На четырнадцатой 60 и пятнадцатой 61 шестернях установлены подпружиненные вторая 56 и третья 57 собачки соответственно. Вторая 58 и третья 59 пружины обеспечивают необходимый контакт собачек 56 и 57 с соответствующими храповыми колесами 52 и 53.

При такой конструкции преобразователя движения при движении зубчатой рейки вниз (от наблюдателя) ведущими становятся второе храповое колесо 52 и пятый вал 55.

При обратном движении двухсторонней рейки 51 вверх (на наблюдателя) ведущим становится третье храповое колесо 53 и шестой вал 54.

Для суммирования моментов вращения, создаваемых храповыми колесами на двух валах 54 и 55, и согласования направления их вращения используется кинематическая схема с шестернями 40, 41, 42, представленная на фиг.4.

В остальном принцип работы четырехтактного двигателя с двумя двухсторонними рейками полностью совпадает с работой третьего варианта преобразователя движения, представленной на фиг.4 и фиг.5.

Для повышения равномерности вращения выходного шестого вала 55 на нем может быть установлен маховик.

Принцип работы пятого варианта преобразователя совпадает с первым вариантом (фиг.1 – фиг.3). Только в конструкции введены дополнительно четыре узла сопряжения сегментных шестерен 62-65. Узел сопряжения шестерен первого варианта включает в себя сегментную шестерню 66, установленную неподвижно на ступице 67 соответствующей обгонной муфты.

Крепление сегментной шестерни на ступице должно быть таким, чтобы в начале рабочего хода в первоначальный момент сцепления сегментной шестерни и шестерни с прямыми зубьями 69, установленной на обойме 68 соответствующей обгонной муфты, они коснулись зубчатой рейки одновременно. В процессе рабочего хода оба шестерни работают параллельно и создают положительный момент вращения на выходном валу.

В конце рабочего хода зубчатой рейки сегментная шестерня 66 выходит из положения сцепления с зубчатой рейкой.

Однако она продолжает свое вращение в том же направлении за счет момента вращения, создаваемого второй парой сегментных шестерен, работа которых сдвинута по фазе относительно первой пары на 90°.

При этом шестерня 69, установленная на обойме 68 обгонной муфты, вхолостую вращается в обратном направлении.

После начала обратного хода зубчатой рейки сегментная шестерня второго узла сопряжения 63 входит в сцепление со второй зубчатой рейкой (см. фиг.8) и создает положительный момент вращения на выходном валу.

Таким образом, поочередное сцепление сегментных шестерен двух пар узлов сцепления 62, 63 (64, 65) с соответствующими четырьмя зубчатыми односторонними рейками (см. фиг.8) или двумя двухсторонними зубчатыми рейками (см. фиг.9) обеспечивает беспрерывное вращение выходного вала преобразователя движения 16 (34).

Шестой вариант преобразователя движения, конструкция которого представлена на фиг.11, функционирует следующим образом.

На валах первого-четвертого храповых колес 52, 53, 54 неподвижно установлены первая 62, вторая 63, третья 64 и четвертая 65 сегментные шестерни.

Указанные сегментные шестерни имеют одинаковые размеры делительной окружности и модуль зубьев как у шестерен 50, 51. Однако зубья у сегментных шестерен занимают менее половины делительной окружности. При этом сегментные шестерни входят в сцепление с зубчатой рейкой по очереди. Когда левая сегментной шестерня находится в сцеплении с зубчатой рейкой, правая сегментная шестерня должна находиться вне сцепления и наоборот.

Таким образом, фазы сцепления указанных сегментных колес с зубчатой рейкой сдвинуты относительно друг друга на 180°. Взаимодействие второй пары сегментных шестерен с соответствующей двухсторонней зубчатой рейкой сдвинута во времени относительно взаимодействия первой пары на 90°. Когда первая зубчатая рейка находится в крайних положениях (в «метровых» точках), вторая зубчатая рейка находится в среднем положении. При таком сдвиге фаз через каждый четверть периода (Т/4) одна из сегментных шестерен входит в сцепление с соответствующей зубчатой рейкой.

Сегментные шестерни должны быть рассчитаны на большие мощности, чем храповое колесо и шестерни, обеспечивающие точность вхождения в сцепление соответствующей сегментной шестерни с зубчатой рейкой.

Для обеспечения наибольшей точности вхождения в сцепление сегментной шестерни с зубчатой рейкой необходимо, чтобы число зубцов храпового колеса было равно числу зубьев шестерни, на которой установлена собачка.

Собачка должна быть установлена на шестерни в таком положении, чтобы при вхождении шестерни в сцепление с храповым колесом зубья его совпали с зубьями соответствующей сегментной шестерни.

При обратном ходе зубчатой рейки сегментная шестерня продолжает вращаться в том же первоначальном направлении, а шестерня с собачкой при этом вращается в обратном направлении.

В этот момент времени вторая парная сегментная шестерня находится в сцеплении с зубчатой рейкой, находящейся с противоположной стороны. Сегментная шестерня приводит во вращение второй вал, который через шестерни передает вращение первому валу. После того как вторая сегментная шестерня выходит из сцепления с зубчатой рейкой, последняя начинает обратное движение. Затем в сцепление входит снова первая сегментная шестерня.

Концы двухсторонних зубчатых реек с помощью штоков неподвижно связаны с поршнями соответствующих односторонних цилиндров 1-4.

При очередности включения цилиндров 1, 4, 3, 2 (см. табл.1) выходной вал, на котором установлен маховик, вращается с постоянной скоростью.

Диаметр делительной окружности сегментных шестерен должен быть равен длине хода поршней. Зубья при этом должны занять сегмент с углом менее 180°.

Принцип работы седьмого варианта преобразователя движения, конструкция которого представлена на фиг.12, заключается в следующем.

На общем валу неподвижно устанавливаются пятая, шестая, седьмая и восьмая сегментные шестерни. Каждая сегментная шестерня имеет удлиненную посадочную втулку с резьбовым наконечником. На посадочной втулке установлена шестерня с возможностью свободного вращения. При этом между сегментной шестерней и шестерней через равные промежутки, например через 90°, установлены металлические шарики и утоплены с двух сторон в шариковые ячейки (ямки) шестерен. В одной из шестерен число шариковых ямок должно быть равно числу зубьев шестерни и расположены они эквидистантно. Шестерни с установленными между ними шариками прижимаются друг к другу с помощью плоской пружины. Пружина насажена на посадочную втулку и подпирается гайкой, накрученной на резьбовой наконечник втулки. Шаровые ячейки (ямки) обеспечивают совпадение зубьев обеих шестерен, которые взаимодействуют с односторонней зубчатой рейкой (см. фиг.12) или двухсторонней рейкой (фиг.11), которая может быть использована вместо храпового колеса с собачкой.

В конструкции на фиг.12 также может быть использовано храповое колесо с собачкой.

Шестерня обеспечивает точное совпадение зубьев сегментной шестерни с зубьями рейки в первоначальный момент их взаимного сцепления.

Когда сегментная шестерня и шестерня вращаются в разные стороны, пружина отжимается, и шарики перескакивают и занимают новые ячейки. При этом зубья шестерен меняют свое взаимно угловое положение на угол, кратный ширине зуба шестерни.

Это обеспечивает плавное вхождение сегментной шестерни в сцепление с зубчатой рейкой.

Таким путем можно освободиться от основного недостатка прототипа – неточного совпадения зубьев сегментной шестерни и зубчатой рейки в начальный момент сцепления, что может привести к их поломке.

При такой конструкции передача основного момента вращения осуществляется через сегментную шестерню. Сегментная шестерня должна быть рассчитана на максимальную мощность.

Каждая пара сопряжения сегментных шестерен в случае применения двух параллельных односторонних реек может быть упрошена. Одна сегментная шестерня может входить в сцепление с зубчатой рейкой, перемещающейся в прямом и обратном направлениях.

В этом случае сегментная шестерня устанавливается на ступицах двух обгонных муфт, входящих в сцепление с обоймами в двух противоположных направлениях. Шестерни, установленные на обоймах обгонных муфт или взаимодействующие с храповым колесом, входят в сцепление с зубчатыми рейками по очереди. Для этой цели зубчатые рейки сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении (см. фиг.13).

Сегментная муфта во всех трех вариантах узла сопряжения сегментной муфты может работать поочередно в прямом и обратном движении двух параллельных зубчатых реек (первый преобразователя движения, фиг.1 – фиг.3). Для этого с двух сторон сегментной шестерни устанавливаются шестерни, установленные на обоймах обгонных муфт или храповыми колесами взаимодействующие с двумя или взаимодействующие через плоские пружины и шарики с двух сторон с сегментной шестерней. При этом с зубчатой рейкой взаимодействует сегментная шестерня и одна из шестерен узла сопряжения. Для этого зубчатые рейки должны быть сдвинуты одна относительно другой (см. фиг.13).

Повышение мощности ДВС возможно осуществлять, увеличивая количество попарно включенных цилиндров двухстороннего действия. Выходной вал является общим для всех цилиндров. Угол смещения по фазе параллельно цилиндрам зависит от количества цилиндров (N) и равно 360°/N. При этом угол () между параллельными зубчатыми рейками, а следовательно, и направлениями движения поршней цилиндров во фронтальной плоскости может быть любым и установлен в пределах от 0 до 90°. При =0 все цилиндры 1-4 находятся в одной плоскости (см. фиг.4). А при =90° первая 1, 2 и вторая 3, 4 пара цилиндров установлены накрест (см. фиг.1 и фиг.9).

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на основе предложенного преобразователя движения будет работать более эффективно при применении цилиндров 1-4 двухстороннего действия. (См. Чоповский Б.П., Козулин В.Б. Двигатель внутреннего сгорания. RU 2002126052/06, 7 F02B 33/00, 30.09.2002 г., который содержит цилиндр двухстороннего действия и имеет объединенные рабочие полости, а поршни смежных цилиндров совершают движение в противоположном направлении).

В цилиндрах двухстороннего действия поршень является общим для двух совмещенных цилиндров, и рабочая смесь поступает в цилиндр с двух сторон от поршня.

Штоки двух поршней противоположных цилиндров соединяются зубчатыми параллельными рейками согласно конструкциям, представленными на фиг.1 – фиг.3. Штоки противоположных поршней могут быть соединены также одной двухсторонней рейкой в соответствии с фиг.4.

Такая пара цилиндров двухстороннего действия, связанная друг с другом зубчатыми рейками или двухсторонней зубчатой рейкой, позволяет осуществить все четыре такта – всасывание, сжатие, взрыв и выброс во всех четырех цилиндрах 1-4 за два такта возвратно-поступательного движения зубчатых реек.

Аналогичным образом работает вторая пара цилиндров двухстороннего действия 1^I-4^I, взаимодействующих друг с другом через соответствующие зубчатые рейки (см. фиг.14 и фиг.15).

Расположение второй пары двухсторонних цилиндров 1^I-4^I относительно первой 1-4 может быть параллельной друг другу (см. фиг.14), под прямым углом (накрест, см. фиг.15).

На фиг.14 представлена схема расположения двухсторонних цилиндров 1-4 и 1^I-4^I, когда они расположены в одной плоскости и штоки (зубчатые рейки) параллельны друг другу.

На фиг.15 представлена схема, где двухсторонние цилиндры 1-4 и 1^I-4^I установлены в одной плоскости и угол между штоками поршней первой пары 1-4 и второй пары 1^I-4^I равен 90°, т.е. установлены накрест.

На фиг.10 представлена схема расположения восьми односторонних цилиндров 1-4 и 1^I-4^I, где они расположены в одной плоскости и штоки их цилиндров параллельны друг другу.

При этом штоки цилиндров попарно соединены друг с другом перемычками 1 с 3; 2 с 4; 1^I с 3^I и 2^I с 4^I. Середины перемычек противоположных пар цилиндров соединены параллельными двухсторонними рейками (или парами параллельных реек) по схемам, представленным на фиг.1 – фиг.5. Две противоположные пары цилиндров могут быть установлены под любым углом, в том числе под 90°, аналогично фиг.9.

Нумерация цилиндров двухстороннего и одностороннего действия на фиг.8 – фиг.10 проставлена так, что при рабочем цикле одной пары 1, 2 (1^I-2^I) цилиндров зубчатые рейки перемещаются сверху – вниз (или слева – направо). При рабочем цикле второй пары 3, 4 (3^I, 4^I), зубчатые рейки совершают обратное движение – снизу – вверх (или справа – налево).

При указанной кинематической связи между поршнями цилиндров 1-4 и 1^I-4^I все четыре такта первой связанной пары цилиндров двухстороннего действия 1, 2 и 3, 4 будут соответствовать таблице 1.

В таблице сверху указаны номера цилиндров 1-4, слева – время через каждую четверть периода (Т/4). В таблице проставлены стрелки, указывающие направляющие движения зубчатых реек и в каком такте находится каждый из четырех цилиндров ДВС.

В каждую четверть периода времени один из цилиндров находится в рабочем состоянии (взрыв) (см. таблицу).

На штоках поршней установлены цилиндрические демпфирующие пружины 17, смягчающие удар в конце рабочего хода поршня.

Работа второй пары связанных цилиндров 1^I, 2^I и 3^I, 4^I смещена по фазе относительно работы первой пары 1, 2 и 3, 4 на Т/8 (т.е. на 45°). Такое смещение во времени обеспечивает равномерность вращения выходного вала и увеличивает мощность ДВС в два раза. Для дополнительного повышения синхронности вращения выходного вала на нём может быть установлен массивный маховик.

Двигатель внутреннего сгорания может работать и с одной парой двухсторонних цилиндров, связанных одной двухсторонней рейкой (или двумя параллельными рейками) (см. фиг.1 – фиг.5). Для повышения синхронности вращения выходного вала на нем устанавливается маховик. Мощность на выходном валу при этом уменьшается в два раза.

	Таблица
	Цилиндры Время	1	2	3	4
	Т/4
	Т/2
	3Т/4
	Т
	Т+Т/4

Представленные на фиг.1 – фиг.7 конструкции преобразователя движения могут быть использованы также для обратного преобразования вращательного движения выходного вала 16 (или 34) во возвратно-поступательное движение штоков 5.

Угол между штоками (зубчатыми рейками) во фронтальный плоскости может менятся от 90° до 0 (см. фиг.4). При этом возвратно-поступательное движение штоков не зависимо от угла между ними, по фазе сдвинуто во времени на определенный угол, преимущественно на 45° для четырехцилиндрового преобразователя двухстороннего действия. Для N цилиндров двухстороннего действия этот сдвиг по фазе равен 360°/N.

Для нормальной работы преобразователя движения в режиме преобразования вращательного движения во возвратно-поступательное движение необходимо, чтобы первая и вторая зубчатые рейки имели одинаковое число зубьев и входили в сцепление с соответствующими шестернями одновременно. В этом случае, когда первая рейка доходит до крайней точки и выходит из сцепления с первой шестерней, вторая шестерня находится в начале зубчатой рейки. Для того чтобы ввести зубчатые рейки в сцепление с соответствующими шестернями в момент реверса на штоки необходимо надеть цилиндрические пружины 49. Одним концом пружины 49 опираются в кронштейны, другим концом в неподвижные упоры 50. Зажатая при этом прямом ходе пружина 49 наталкивает рейку на шестерню. Зубцы шестерни входят в сцепление с рейкой, и она начинает обратное поступательное движение. После выхода рейки из сцепления со второй шестерней, изложенный процесс повторяется. Таким образом, параллельные рейки совершают возвратно-поступательное движение. Длина хода зубчатых реек определяется длиной хода поршней.

Аналогичным образом работают конструкции с двухсторонними рейками, представленные на фиг.5 и фиг.7, для этого необходимо на штоках установить вторые пружины 49 и упоры 50.

Предложенный преобразователь движения может быть использован для создания ДВС, где горючая смесь приготавливается вне цилиндров (в карбюраторе) и воспламенятся от высокой температуры, полученной в результате большой степени сжатия ее в цилиндрах. Кроме преобразователя движения, ДВС содержит газораспределительный механизм, системы охлаждения, смазки, питания и регулятор степени сжатия, обеспечивающий воспламенение различных видов топливовоздушной смеси от сжатия без системы зажигания и топливной аппаратуры (См. Тоскин Н.П. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, патент РФ №209559701, 6 F02B 75/26, 75/04, F02P 15/04 от 19.04.1995 г.).

Преобразователь движения с регулятором степени сжатия позволяет создать ДВС без системы зажигания с воспламенением горючей смеси от ее сжатия, работающего на всех видах топлива, применяемого в дизельных, карбюраторных и газовых поршневых двигателях.

Это приводит к увеличению КПД и мощности двигателя за счет использования при детонации обедненной топливно-воздушной смеси. Между торцами поршневых штоков и кронштейнами необходимо поставить демпферные пружины, которые будут гасить резкие импульсные толчки газов, воздействующие на зубчатые рейки.

Регулятор степени сжатия обеспечивает изменение степени сжатия рабочей смеси в цилиндрах в широких пределах с целью создания управляемого процесса детонации горячей смеси в цилиндрах двигателя.

Для регулировки степени сжатия рабочей смеси достаточно регулировать сечение выходного клапана.

Применение предложенного преобразователя движения позволяет создать ДВС с детонацией различных типов топливно-воздушной смеси, приготовляемой вне цилиндров, без системы зажигания, что позволит существенно упростить конструкцию двигателя, повысить КПД и мощность, а также применять различные виды топлива (бензин, керосин, газ, водород, дизтопливо, растительное масло, спирт и т.д.).

Преобразователи вращательного движения во возвратно-поступательное движение могут быть применены в строгальных, шлифовальных, отрезных станках, пилорамах, а также для создания станков для одновременной обработки деталей с двух сторон под разными углами. Угол может меняться от 0 до 180°.

Предложенный преобразователь движения позволит создать компактный кривошипно-шатунный двигатель внутреннего сгорания с высоким КПД, низкой себестоимостью и с длительным сроком эксплуатации.

В отличие от кривошипно-шатунных преобразователей движения, которые используют в ДВС, данный преобразователь имеет ряд преимуществ:

а) увеличивается КПД двигателя вследствие того, что длина рычага, равная радиусу шестерен 14, 17-19, постоянна.

б) механизм преобразователя движения некритичен к длине хода поршней. Ход поршней может меняться в больших пределах.

в) механизм преобразователя движения существенно упрощается. Отпадает необходимость в применении коленчатого вала, кривошипа и шатуна. Упрощается также технология изготовления преобразователя движения и самого ДВС.

г) увеличивается срок эксплуатации ДВС.

е) существенно уменьшается себестоимость ДВС.

Формула изобретения

1. Преобразователь движения, содержащий не менее четырех цилиндров, расположенных попарно, штоки поршней взаимно противоположных цилиндров которых связаны друг с другом двумя параллельными зубчатыми рейками неподвижно, отличающийся тем, что содержит дополнительно не менее двух пар шестерен, установленных неподвижно на обоймах соответствующих обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на общем выходном валу, причем первая и вторая зубчатые рейки каждой пары сдвинуты относительно друг друга в поперечном направлении и взаимодействуют с первой и второй шестернями соответствующей пары с диаметрально противоположных сторон, при этом обгонные муфты каждой пары установлены так, что когда первые из них, передающие вращение на выходной вал по часовой стрелке, находятся в сцеплении, вторые муфты, передающие вращение в обратном направлении, находятся вне сцепления и наоборот, кроме того, угол между параллельными зубчатыми рейками соседних пар цилиндров во фронтальной плоскости может быть установлен в пределах от 0 до 90°, а время их нахождения в «мертвых» точках сдвинуто по фазе на определенный промежуток, преимущественно на T/N, где N – число цилиндров.

2. Преобразователь движения по п.1, отличающийся тем, что цилиндры установлены в одной плоскости, штоки противоположных цилиндров попарно соединены друг с другом параллельными двухсторонними рейками, каждый из которых взаимодействует с двумя одинаковыми шестернями, установленными на обгонных муфтах по разные стороны от двухсторонней рейки на двух параллельных валах, кроме того, на указанных валах, один из которых является выходным, неподвижно установлены дополнительно по одной шестерни меньшего диаметра, взаимодействующие друг с другом через вновь введенную промежуточную шестерню, установленную на оси, с возможностью свободного вращения.

3. Преобразователь движения по п.1, отличающийся тем, что первая, вторая, третья, четвертая шестерни установлены на общем валу с возможностью свободного вращения, а на их боковых поверхностях установлены подпружиненные собачки, взаимодействующие с соответствующими храповыми колесами, установленными неподвижно на общем выходном валу.

4. Преобразователь движения по п.2, отличающийся тем, что шестерни, взаимодействующие с двухсторонней рейкой, установлены на двух параллельных валах с возможностью свободного вращения, и преобразователь движения содержит дополнительно попарно неподвижно установленные на валах храповые колеса, взаимодействующие через подпружиненные собачки с соответствующими шестернями.

5. Преобразователь движения по п.1 или 2, отличающийся тем, что выходной вал является ведущим, а параллельные пары зубчатых реек установлены с возможностью изменения угла относительно соседних зубчатых пар в фронтальной плоскости в пределах от 0 до 180°, а на концах зубчатых реек с двух сторон установлены пружины и упоры, при этом возвратно-поступательное движение зубчатых реек является выходным движением.

6. Преобразователь движения по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндры выполнены в виде двухстороннего действия.

7. Преобразователь движения по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит четыре пары цилиндров одностороннего действия, при этом штоки поршней каждой пары соединены неподвижно друг с другом и связаны двумя параллельными зубчатыми рейками или двухсторонней рейкой, взаимодействующими с соответствующими шестернями.

8. Преобразователь движения по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит две пары узлов сопряжения сегментной шестерни, взаимодействующие с обгонными муфтами и зубчатыми рейками.

9. Преобразователь движения по п.8, отличающийся тем, что каждый узел сопряжения сегментной шестерни содержит сегментную шестерню, установленную неподвижно на ступице соответствующей обгонной муфты и взаимодействующую с зубчатой рейкой, находящейся в сцеплении с шестерней, установленной неподвижно на обойме соответствующей обгонной муфты.

10. Преобразователь движения по п.3 или 4, отличающийся тем, что содержит дополнительно четыре узла сопряжения сегментных шестерен, каждый из которых содержит сегментную шестерню, зубья которых занимают менее половины делительной окружности, установленную неподвижно на общем выходном валу совместно с храповым колесом и взаимодействует с зубчатой рейкой параллельно шестерни, связанной собачкой с соответствующим храповым колесом.

11. Преобразователь движения по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержит четыре узла сопряжения сегментных шестерен, установленных на соответствующих валах неподвижно, при этом каждый из узлов содержит сегментную шестерню, зубья которых занимают менее половины делительной окружности, а также шестерню с прямыми зубьями, взаимодействующую с сегментной шестерней через шарики и плоскую пружину так, что меняет свое относительное угловое положение дискретно с шагом, равным ширине зуба шестерен.

12. Преобразователь движения по п.8, отличающийся тем, что каждая пара узлов сопряжения сегментной шестерни объединены в один узел, каждый из которых состоит из одной сегментной шестерни, взаимодействующей через две обгонные муфты или храповые колеса, и связанных с ними кинематически шестерен с соответствующими парами параллельных зубчатых реек.

РИСУНКИ