бескривошипный двигатель внутреннего сгорания
Классы МПК: | F02B75/26 двигатели с осями цилиндров, расположенными соосно, параллельно или наклонно по отношению к оси коренного вала; двигатели с осями цилиндров, расположенными по касательным к окружности, описанной вокруг оси коренного вала F01B9/02 с коленчатым валом |
Автор(ы): | Мозоров С.Д., Мозоров Д.С., Мозоров И.Д. |
Патентообладатель(и): | Мозоров Сергей Дмитриевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-04-18 публикация патента:
20.07.1998 |
Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания может быть использован на автомобилях, тракторах, судах в качестве привода генераторов. Бескривошипный силовой механизм двигателя, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального вала содержит маховик, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнен многопериодный двухсторонний винтодуговой профильный выступ. По правому и левому торцам этого выступа в осевом направлении профиль образован выпуклыми и вогнутыми дугами окружностей. На правовинтовых и левовинтовых поверхностях выполнены желоба дорожек качения. Ролики крейцкопфа охватывают выступ маховика и своими наружными сферическими поверхностями взаимодействуют с дорожками качения. Упрощается конструкция, повышается надежность, увеличивается эффективная мощность путем снижения механических потерь. 13 з.п.ф-лы, 1 табл., 12 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13
Формула изобретения
1. Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока с всасывающими и выпускными клапанами, бескривошипный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального вала, на наружной цилиндрической поверхности маховика этого механизма выполнен двусторонний винтодуговой профильный выступ и ролики, охватывающие выступ, отличающийся тем, что выступ выполнен многопериодным и за одно целое с ободом маховика, по правому и левому торцам этого выступа в осевом направлении профиль образован выпуклыми и вогнутыми дугами окружностей, которые поочередно и касательно соединены с правовинтовыми и левовинтовыми поверхностями, на выпуклых и вогнутых поверхностях, в также и на правовинтовых и левовинтовых поверхностях выполнены желоба дорожек качения, которые также поочередно и касательно соединены между собой, при этом радиус кривизны выпуклой дуги окружности по цилиндру делительной окружности дорожки качения равен радиусу ролика крейцкопфа, а радиус кривизны вогнутой дуги окружности по цилиндру делительной окружности дорожки качения равен трем радиусам ролика крейцкопфа, ролики крейцкопфа своими наружными сферическими поверхностями выполнены взаимодействующими с дорожками качения, каждый ролик крейцкопфа выполнен в виде двухрядного радиально-упорного шарикоподшипника с вращением внутренних колец, которые выполнены совмещенными за одно целое с роликом, на торцовых поверхностях роликов выполнены кольцевые углубления, на внутренних переходных поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения внутренних колец, в этих углублениях размещены правый и левый ряды шариков, при этом шарики установлены в гнездах сепараторов, правый и левый ряды шариков охвачены внешними обоймами, на внутренних поверхностях их отверстий выполнены ответные дорожки качения, обоймы сцентрированы в отверстиях корпуса крейцкопфа, а корпус крейцкопфа установлен в угловидных направляющих качения, установленных в расточках картера, направляющие качения выполнены в виде цилиндрических стержней с продольным в осевом направлении угловидным в 90o пазом, на поверхностях этого паза выполнены дорожки качения, ответные дорожки качения выполнены и на боковых поверхностях корпуса крейцкопфа, между дорожками качения корпуса крейцкопфа и угловидных направляющих размещены попарно ряды роликов, установленных в угловидных сепараторах, ролики выполнены взаимодействующими с дорожками качения как корпуса крейцкопфа, так и с пазами угловидных направляющих, в торце корпуса крейцкопфа выполнено цилиндрическое отверстие, в котором размещены вкладыши, которые своими сферическими отверстиями выполнены охватывающими сферическую головку штока поршня, в вкладыши закреплены гайкой и зафиксированы упорным кольцом. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кулачковые шайбы всасывающего и выпускного клапанов установлены на конце центрального вала двигателя, приводное коромысло каждого клапана снабжено роликом, выполненным в виде двухрядного радиально-упорного шарикоподшипника с вращением внутреннего кольца, выполненным за одно целое с роликом, ролик установлен в вертикальном относительно оси коромысла положении, на торцовых поверхностях роликов выполнены кольцевые углубления, на внутренних переходных поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения внутренних колец, в этих углублениях размещены нижний и верхний ряды шариков, при этом шарики установлены в гнездах сепараторов, нижний и верхний ряды шариков охвачены нижней и верхней обоймами, на внутренних торцовых поверхностях этих обойм выполнены углубления с ответными дорожками качения, обоймы установлены с возможностью взаимодействия с рядами шариков, нижняя обойма сцентрирована и установлена а отверстие коромысла, а верхняя обойма сцентрирована в конусном отверстии нижней обоймы при помощи конуса на центральном стержне, выполненном за одно целое с верхней обоймой и закреплена к коромыслу при помощи резьбы, выполненной на хвостовике стержня и зафиксирована штифтом. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что половина дуги выпуклой и половина вогнутой дуги, сопряженных с соответствующей винтовой поверхностью, по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля в сумме равным, одному полупериоду t, при этом делительная окружность винтодугового профиля выступа маховика образована четным количеством таких полупериодов t, а в осевом направлении каждый полупериод по величине равен ходу поршня S. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что средняя скорость поршня Cm, которая характеризует быстроходность двигателя, определена по соотношениюCm = Z
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
где n - частота вращения вала двигателя;
Z - количество полупериодов по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля, четное число;
S - ход поршня в осевом направлении. 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что расстояния между осями роликов крейцкопфа по величине равны между собой, эквидистанты симметричны и удалены в осевом направлении вправо и влево на равные расстояния от кривой делительной окружности, а делительная окружность образована дугами окружностей радиуса R, плавно сопряженных с правой и левой винтовыми линиями. 6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что у направляющих качения поверхности угловидного паза с дорожками выполнены с уклоном и с тем же уклоном выполнены расточки отверстий в картере, а угол уклона выполнен относительно оси корпуса крейцкопфа, направляющие установлены в отверстиях картера так, что их уклоны направлены один навстречу другому, а положение их регулируется винтом. 7. Двигатель по пп.1 - 6, отличающийся тем, что внешние обоймы каждого ролика крейцкопфа зафиксированы стопорами, конические головки этих стопоров установлены в конусных отверстиях обойм, на концах центральных отростков этих стопоров выполнены наполовину диаметра осевые срезы, которые развернуты один относительно другого так, что их плоскости срезов установлены с возможностью взаимодействия одного стопора с другим, а стопора в осевом направлении закреплены винтом, проходящим через центральные их отверстия и застопорены шайбой. 8. Двигатель по пп.1 - 7, отличающийся тем, что на желобах дорожек качения винтодугового профиля выступа маховика и на наружных сферических поверхностях роликов крейцкопфа нанесен слой твердосплавного материала путем плазменного напыления с последующей механической обработкой до требуемой чистоты поверхности качения. 9. Двигатель по пп.1 - 8, отличающийся тем, что диаметр ролика крейцкопфа по его беговой дорожке равен радиусу R дуги окружности по цилиндру делительной окружности, а величина радиуса определена в пределах R = (0,85 ... 0,95)dц, где dц - диаметр цилиндра двигателя. 10. Двигатель по пп.1 - 9, отличающийся тем, что каждый такт, совершающийся в цилиндре двигателя, осуществлен за один полупериод t. 11. Двигатель по пп.1 - 10, отличающийся тем, что геометрические параметры винтодугового профиля выступа маховика силового механизма определены по соотношениям:
полупериод t по делительной окружности
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-13t.gif)
полупериод по контактной линии дорожки качения
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-14t.gif)
диаметр по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-15t.gif)
где S - ход поршня в осевом направлении;
R1 - радиус выпуклой дуги окружности профиля;
R2 - радиус вогнутой дуги окружности профиля;
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
R - радиус дуги окружности по цилиндру делительной окружности;
Z - количество полупериодов, четное число. 12. Двигатель по пп.1 - 11, отличающийся тем, что по правому и левому торцам многопериодные винтодуговые профиля с желобами дорожек качения выполнены с наклоном на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходит непосредственно внутри двигателя. Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом /SU, авт свид. N 118471, кл F 01 9/02, 1958/ [1]. Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко связаны 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 четвертой 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 для фиксации положения частей кривошипов относительно друг друга, а также и наличие коленчатого вала. Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания /патент США N 2118804, 123-58, 1938/ [2], содержащий множество цилиндров с находившимися в нем поршнями, поршневые штоки, соединенные с указанными поршнями, вал двигателя, приводное соединение между поршневыми штоками и валом двигателя, а также общее устройство, связанное с этим соединением и предназначенное для последовательного обеспечения разной длины хода всех поршней для каждого такта, причем указанное приводное соединение и устройство содержит одно кулачковое устройство на валу двигателя. Кулачковое устройство на валу двигателя имеет множество наклонных кулачковых секций, причем каждый шатун имеет смещенную часть, идущую в сторону от штока и вокруг кулачкового устройства. Существенными недостатками этого двигателя являются большие потери мощности на преодоление трения, вызванного геометрическим скольжением на площадках контакта цилиндрических роликов с профилем. Это объясняется тем, что окружная скорость на рабочей поверхности у роликов постоянна по всей его ширине. Скорость различных точек кривой поверхности кулачка изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра вала двигателя. Ролики в шатунах закреплены и имеют постоянную величину межцентрового расстояния. Но наличие различных по длине осевых выступов в кулачковых секциях соответственно создают различные величины углов наклона этих секций, а ввиду этого изменяются расстояния. Ввиду этого на наклонных участках кулачковых секций межцентровые расстояния по величине различны и одна величина не равна другой, а это недопустимо в подобных устройствах. Из патентной литературы известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания /патент США N 4553508, кл. F 02 В 75/26, 1985/, который принят за прототип [3]. Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров с всасывающими и выпускными клапанами, механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения во вращательные движения вала двигателя, на наружной цилиндрической поверхности втулки этого механизма выполнен за одно целое со втулкой двухсторонний винтодуговой профильный выступ и ролики, охватывающие этот выступ. Основными недостатками этого двигателя являются. Геометрическое и упругое скольжения с упругими деформациями в зонах контактов цилиндрических роликов с профилем. Окружная скорость на рабочей поверхности ролика постоянна по всей его ширине, так как ролик имеет цилиндрическую форму. Скорость различных точек у витков профиля изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра оси двигателя. На наружной поверхности кромки витков профиля скорость больше, чем на внутренней при одинаковой угловой скорости, т.к. скорость определяется выражениемU =
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
где
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
Ri - радиус-вектор профиля в данном сечении. Эти скольжения роликов по виткам профиля являются причиной быстрого износа контактных поверхностей и снижают надежность, т.к. создают повышенные потери мощности на трение, а это влечет к уменьшению КПД двигателя. Консольное закрепление роликов относительно оси штока поршня. При консольном закреплении роликов максимальный изгибающий момент от действия сил в процессе расширения газов в цилиндре возникает в заделке и прогиб конца оси ролика. От прогиба оси ролика поворачивается и ролик относительно профиля. Ввиду этого происходит неравномерный контакт ролика с профилем. В результате возникают упругие деформации, которые резко снижают надежность. Кроме того, прогиб увеличивает величину камеры сжатия в цилиндре, а ввиду этого изменяется и степень сжатия, а это существенно снижает мощность двигателя. У каждого ролика вращается наружное кольцо. При вращении наружного кольца происходит преждевременный износ и усталость материала, что ведет к снижению прочности и долговечности подшипника на 15 - 25%. Более опасным является случай, когда неподвижно внутреннее кольцо, при этом подшипник выходит из строя из-за местного износа внутреннего кольца вследствие высоких контактных напряжений между внутренним кольцом и шариками в нагруженной части подшипника. Межцентровые расстояния у роликов по величине не изменяются. Однако у преобразующего вращения механизма профильные секции по величине различны, т. е. одна секция в два раза длиннее другой. При наличии разных длин изменяются и углы наклона этих секций, а ввиду этого изменяются и расстояния при контакте роликов с профилем, т.е. образуются зазоры между роликами и профилем, что недопустимо в подобных механизмах. Сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре двигателя, раскладывается при контакте ролика с профилем, а полезная, создающая крутящий момент на валу двигателя, определяется произведением этой силы на тангенс угла наклона профильной секции. У двигателя, принятого за прототип, угол наклона профильной секции равен 25o. Тангенс этого угла равен 0,4663. Следовательно, для создания полезного крутящего момента используется только 0,4663 силы от расширения газов в цилиндре двигателя, т.е. 46,63%. Техническая задача, решаемая изобретением - упрощение конструкции и повышение надежности двигателя, увеличение эффективной мощности путем снижения механических потерь, снижение расхода топлива на единицу мощности и повышение коэффициента полезного действия двигателя, увеличение срока службы преобразующего силового механизма и двигателя в целом. Техническая задача решена в трех вариантах и отличается один вариант от другого формой винтодугового профиля у преобразующего силового механизма, а также и формой наружных сферических поверхностей роликов крейцкопфа. В первом варианте по правому и левому торцам выступа маховика профиль выполнен перпендикулярно цилиндрической поверхности обода маховика, а наружные поверхности у роликов крейцкопфа выполнены сферическими в виде шарового пояса. Во втором варианте по правому и левому торцам многопериодные винтодуговые профили с желобами дорожек качения выполнены с внутренним наклоном на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
Cm=(Z
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
где
n - частота вращения вала двигателя;
Z - количество полупериодов по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля, четное число;
S - ход поршня в осевом направлении. Расстояния между осями роликов крейцкопфа по величине равны между собой, а их центры совмещены с эквидистантной кривой, эквидистанты симметричны и удалены в осевом направлении вправо и влево на равные расстояния от кривой делительной окружности, а делительная окружность образована дугами окружностей радиуса R, плавно сопряженных с правой и левой винтовыми линиями. У направляющих качения поверхности угловидного паза с дорожками качения выполнены с уклоном и с тем же уклоном выполнены расточки отверстий в картере, а угол уклона выполнен относительно оси корпуса крейцкопфа, направляющие установлены в отверстиях картера так, что их уклоны направлены один навстречу другому, а положение их регулируется винтом. Внешние обоймы каждого ролика крейцкопфа зафиксированы стопорами, а конические головки этих стопоров установлены в конусных отверстиях обойм, на концах центральных отростков этих стопоров выполнены наполовину диаметра осевые срезы, которые развернуты один относительно другого, так что их плоскости срезов установлены с возможностью взаимодействия одного стопоры с другим, а стопора в осевом направлении закреплены винтом, проходящим через центральные их отверстия и застопорены шайбой. На желобах дорожек качения винтодугового профиля выступа маховика и на наружных сферических поверхностях роликов крейцкопфа нанесен слой твердосплавного материала путем плазменного напыления с последующей механической обработкой до требуемой чистоты поверхности качения. Диаметр ролика крейцкопфа по его беговой дорожке равен радиусу R дуги окружности по цилиндру делительной окружности, а величина радиуса определена в пределах
R = / 0,85...0,95 / dц,
где
dц - диаметр цилиндра двигателя. Каждый такт, совершающийся в цилиндре двигателя, осуществлен за один полупериод t. Геометрические параметры винтодугового профиля выступа маховика силового механизма определены по соотношениям:
полупериод по делительной окружности
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-2t.gif)
полупериод по контактной линии дорожки качения
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-3t.gif)
диаметр по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-4t.gif)
где
S - ход поршня в осевом направлении;
R1 - радиус выпуклой дуги окружности профиля;
R2 - радиус вогнутой дуги окружности профиля;
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
R - радиус дуги окружности по цилиндру делительной окружности;
Z - количество полупериодов, четное число. Второй вариант решения технической задачи. По правому и левому торцам многопериодные винтодуговые профиля с желобами дорожек качения выполнены с внутренним наклоном на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
Rсф= dк/2 cos
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
где dк - диаметр ролика крейцкопфа по его беговой дорожке. Третий вариант решения технической задачи. По правому и левому торцам многопериодные винтодуговые профиля с желобами дорожек качения выполнены с внешним наклоном на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
где
Vi - средняя приведенная линейная скорость профиля в данном сечении;
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
H = R2 = 1,5 R = 3R1. Основным исполнительным органом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального вала двигателя, является маховик 42. По наружной цилиндрической поверхности обода маховика за одно целое с ободом выполнен многопериодный двухсторонний винтодуговой профильный выступ 43. По правому и левому торцам этого выступа перпендикулярно цилиндрической поверхности в осевом направлении профиль выступа образован выпуклыми 44 и вогнутыми 45 дугами окружностей, которые поочередно и касательно сопряжены с правовинтовыми 46 и левовинтовыми 47 поверхностями. На выпуклых 44 и вогнутых 45 окружностях, а также и на правовинтовых 46 и левовинтовых 47 поверхностях выполнены выпуклые 48, вогнутые 49, правовинтовые 50 и левовинтовые 51 желоба дорожек качения, которые также поочередно и касательно сопряжены между собой. Радиус кривизны R1 выпуклой дуги желоба 48 по цилиндру делительной окружности дорожки качения равен радиусу ролика крейцкопфа по его беговой дорожке качения. Радиус кривизны R2 вогнутой дуги желоба 49 по цилиндру делительной окружности дорожки качения, равен трем радиусам ролика крейцкопфа по его беговой дорожке качения. Половина выпуклой дуги желоба 48 и половина вогнутой дуги желоба 49, сопряженных с соответствующей винтовой дорожкой качения по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля, в сумме равны одному полупериоду t, а в осевом направлении каждый полупериод по величине равен ходу поршня в осевом направлении S. По эквидистантной кривой, а также и по делительной окружности радиусы выпуклой и вогнутой R дуг окружностей по величине равны диаметру ролика крейцкопфа по его беговой дорожке качения, которая является диаметром сферы. Величина диаметра ролика крейцкопфа dк, а также и радиусы дуг по делительной окружности R определены в пределах
R = dк = / 0,85...0,95/ dц,
где dц - диаметр цилиндра двигателя;
dк - диаметр ролика крейцкопфа по диаметру сферы. Угол подъема
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
угол наклона профиля с желобами дорожек качения - касательных желобов определен отношением разности радиусов кривизны на величину высоты желоба
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-5t.gif)
где Rнi - внешний радиус выпуклой кривизны профиля;
Rвi -внутренний радиус кривизны профиля;
hi - высота профиля - расстояние между радиусами Rнi;
Rнi -в радиальном направлении. Внешний и внутренний радиусы определены по соответствующим соотношениям:
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-6t.gif)
где tнi - внешний полупериод,
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-7t.gif)
tвi - внутренний полупериод,
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-8t.gif)
Dд - диаметр по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля;
Z - количество полупериодов, четное число. Наружные поверхности роликов крейцкопфа выполнены сферическими в виде шарового слоя, радиус кривизны сферы Rсф больше радиуса ролика по его беговой дорожке, а центр радиуса сферы размещен в точке пересечения нормали с осью вращения ролика крейцкопфа, а величина радиуса сферы определена отношением:
Rсф= dк/2 cos
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
где
dк - диаметр ролика крейцкопфа по его беговой дорожке. При наклонном положении профилей и желобов на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
H1 = 1,75 R,
где R - радиус дуги окружности по цилиндру делительной окружности. На концах корпуса крейцкопфа 7 выполнены внутренние приливы 13, образующие собой проушины. В этих проушинах установлены ролики крейцкопфа 90. На торцовых поверхностях этих роликов 90 выполнены кольцевые концентричные углубления 91 и 92, а наружные поверхности роликов выполнены сферическими в виде шарового слоя 93. На внутренних переходных поверхностях углублений 91 и 92 выполнены дорожки качения 94 и 95 внутренних колец. В этих углублениях размещены рады шариков 96 и 97, охваченные обоймами 98 и 99. На внутренних поверхностях этих обойм выполнены ответные дорожки качения 100 и 101. Шарики 96 размещены в гнездах сепараторов 102 и установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 95 и 100, а шарики 97 размещены в гнездах сепараторов 103 и установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 94 и 101. Верхний и нижний ряды шариков установлены в углублениях концентрично один другому, а верхний ряд по диаметру центров шариков меньше нижнего. При такой компановке каждый ролик крейцкопфа представляет собой двухрядный концентричный радиально-упорный совмещенный шарикоподшипник. Обоймы 98 и 99 сцентрированы в отверстиях 104 и 105, выполненных в корпусе крейцкопфа 7. Отверстия 104 и 105 выполнены концентричными c внешними углублениями большего диаметра, а в этих углублениях размещены буртики обойм. Между торцовыми поверхностями углублений и буртиков установлены регулирующие кольца 106 и 107, которыми осуществляется регулировка радиально-упорных шарикоподшипников, а также и роликов крейцкопфа относительно винтодугового профиля выступа маховика. Обоймы 98 и 99 закреплены центральным винтом 108 и зафиксированы гайкой 109 с шайбой 110. Наклонная прямая линия 111 представляет собой касательную к сферической поверхности 93 ролика крейцкопфа 90 и одновременно является также касательной к желобу винтодугового профиля 112, а перпендикулярная к касательной есть нормаль 113. Точка пересечения нормали 113 с осью вращения ролика крейцкопфа является центром радиуса сферы 93 ролика. Величина радиуса сферы определена отношением
Rсф= dк/2cos
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
где
dк - диаметр ролика крейцкопфа по его беговой дорожке;
R1 - радиус кривизны выпуклой дуги желоба по дорожке качения. Третий вариант решения технической задачи. В этом варианте улучшена геометрическая форма желобов винтодуговых профилей. При взаимодействии роликов с желобами винтодуговых профилей средние приведенные линейные скорости по сечениям желобов равны окружным скоростям роликов по соответствующим сечениям. При этом упругое и геометрическое скольжение отсутствуют и осуществляется чистое качение роликов по желобам винтодуговых профилей. Величина потерь мощности на трение чистого качения роликов по желобам в значительной степени ниже трения скольжения. По правому и левому торцам многопериодного винтодуговые профиля с желобами дорожек качения выполнены с внешним наклоном на угол
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115015/946.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
где
Vi -средняя приведенная линейная скорость профиля;
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115046/969.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115020/981.gif)
где nТ - число периодов Т по делительной окружности профиля у выступа маховика силового механизма. Каждый период Т содержит два равных полупериода t, а величина в пределах углов
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-9t.gif)
где S - ход поршня в осевом направлении;
R - радиус дуги окружности по цилиндру делительной окружности;
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115032/945.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-10t.gif)
где S - ход поршня в осевом направлении;
n - частота вращения вала двигателя;
Z - количество полупериодов t. Основной характеристикой каждого двигателя является его мощность. Мощность бескривошипного двигателя определена по аналогичной методике, как и у двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Однако формула определения мощности имеет отличие, в которую введен коэффициент "K", который учитывает действия сил от расширения газов в цилиндре на вращение вала двигателя в радиальном направлении. Ход поршня в осевом направлении равен величине S, а в радиальном направлении величина, которую проходит поршень от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, будет равна:
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-11t.gif)
где Dд - диаметр по цилиндру делительной окружности винтодугового профиля;
Z - количество полупериодов t по цилиндру делительной окружности винто-дугового профиля. Например, при ходе поршня в осевом направлении S = 80 мм и радиусе дуги окружности по цилиндру делительной окружности профиля R = 71,9 мм диаметр по цилиндру делительной окружности винто-дугового профиля будет Dд = 177,7 мм при четырехполупериодном профиле. Тогда величина, которую проходит поршень в радиальном направлении, будет равна
Sp=177,7
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115021/183.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115084/964.gif)
![бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, патент № 2115810](/images/patents/356/2115810/2115810-12t.gif)
где
Pi - среднее индикаторное давление, кгс/см2;
Fn - площадь поршня, см2;
n - частота вращения вала двигателя, об/мин;
i - число цилиндров;
S - ход поршня в осевом направлении, м;
Sp - ход поршня в радиальном направлении, м;
К - коэффициент, равный 1,57067. На основании произведенного химико-термодинамического расчета рабочего процесса бескривошипного двигателя внутреннего сгорания, в котором определены величины, которые необходимы для оценки двигателя и приведены в таблице. Из приведенных расчетных данных видно, что бескривошипный двигатель по мощности более чем в два раза мощнее двигателя типа ВАЗ-2103, мощность которого 77 л.с., при одинаковых диаметрах цилиндров, числе цилиндров и с одинаковым ходом поршня, но с уменьшенной в два раза частотой вращения вала двигателя. Наибольшей потерей мощности в двигателях внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом является потеря на преодоление сопротивления трения, особенно поршневых колец и поршней о стенки цилиндров, ввиду наличия боковых /нормальных/ сил, передающих поршнями на стенки цилиндров. У бескривошипного двигателя эта боковая /нормальная/ сила равна нулю. Следовательно, потери на трение поршней о стенки цилиндров значительно снижены. Общие механические потери мощности на трение у бескривошипного двигателя также снижены при наличии всех кинематических пар работающих на подшипниках качения. Таким образом, механические потери минимальны, а это увеличивает коэффициент полезного действия двигателя. Работа бескривошипного двигателя внутреннего сгорания. Рабочим циклом бескривошипного двигателя является совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндрах. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один ход поршня /всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск газов/, называется тактом. Рабочий цикл бескривошипного двигателя осуществляется за четыре хода поршня в прямой зависимости от количества полупериодов t, а при четырехполупериодном силовом механизме за один оборот вала. Горючая смесь /топливо и воздух или газ и воздух в определенных соотношениях, необходимых для полного сгорания/ поступает в цилиндр через всасывающий клапан 61, после чего смесь подвергается сжатию. Сжатая смесь в цилиндре двигателя воспламеняется при помощи электрической искры высокого напряжения. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре повышается температура, а также и давление, под воздействием которого поршень 5 совершает поступательное движение, которое передается через шток 6 корпусу крейцкопфа 7. Это движение преобразуется во вращательное при взаимодействии роликов крейцкопфа 14 или 90 с желобами дорожек качения 48, 49, 50 и 51, выполненных на многопериодном двухстороннем профильном выступе 43 маховика 42. В результате маховик 42 силового механизма совершает вращательное движение, а вместе с ним и вал двигателя 52. В результате создается крутящий момент на центральном валу 52, который через фланец отбора мощности 59 передается потребителю. Конструктивные особенности бескривошипного двигателя внутреннего сгорания. При наличии многопериодного силового механизма осуществляется прямолинейное движение поршней, а также создается возможность приблизить цилиндры к силовому механизма. Благодаря чему создается простота и компактность конструкции и уменьшаются габариты двигателя. Поэтому трудоемкость изготовления на 20 - 25% ниже по отношению к современным двигателям. Малые габаритные размеры позволяют удобно разместить двигатель в отсеке автомобиля. Таким образом, многопериодный силовой механизм является одним из основных и перспективных способов получения малогабаритных легких бескривошипных двигателей с высокой степенью форсирования по быстроходности. Бескривошипная схема двигателя позволяет получить значительно большие мощности при неизменной частоте вращения центрального вала нижеследующими способами:
повышением степени сжатия путем увеличения хода поршня,
увеличением количества полупериодов t, а также и цилиндров. Для улучшения экономичности бескривошипного двигателя рабочий цикл осуществляется с продолжительным расширением, суть которого заключается в следующем. Номинальную степень сжатия увеличиваем на 1...3 единицы, а чтобы двигатель не детонировал, увеличиваем угол запаздывания закрытия всасывающего клапана 61. 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 осевой ход поршня. В бескривошипном двигателе увеличение хода поршня незначительно влияет на габариты двигателя. Применение цикла удлиненного расширения как средство повышения экономичности у бескривошипных двигателей является целесообразным, т.к. снижается удельный расход топлива на 10 - 12% по сравнению с работой по обычному циклу. Бескривошипный механизм дает возможность иметь в двигателе эффективную систему охлаждения поршней с принудительной циркуляцией масла по замкнутому контуру, способную обеспечить надежное охлаждение их при высокой степени форсирования двигателя по быстроходности и длительную работоспособность цилиндропоршневой группы. Следует отметить особенность технического решения роликов крейцкопфа 14 и 90, а также и роликов 65 газораспределительного коромысла, которые представляют собой совмещенные двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники с вращением внутренних колец. Конструкция подшипника, где внутреннее кольцо вращается и изнашивается по окружности равномерно. При этих условиях местные напряжения происходят у наружного кольца /обоймы 20, 71, 73, 98 и 99/, но контактные напряжения между наружными кольцами и шариками значительно меньше. Поэтому срок службы таких подшипников больше на 15 - 25%, чем в случае неподвижного внутреннего кольца. Все вышеизложенные достоинства открывают широкие перспективы применения бескривошипных двигателей внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, судах в качестве привода генераторов, в авиации, а также в других транспортных средствах и областях техники, т.е. там, где первостепенное значение имеют малая масса двигателя и минимальная вибрация, а также сравнительно небольшая стоимость.
Класс F02B75/26 двигатели с осями цилиндров, расположенными соосно, параллельно или наклонно по отношению к оси коренного вала; двигатели с осями цилиндров, расположенными по касательным к окружности, описанной вокруг оси коренного вала
Класс F01B9/02 с коленчатым валом