Возвратно-поступательный механизм для двигателя, двигатель

1 Данное изобретение относится к возвратно-поступательному механизму и в частности к двигателю, такому как двигатель внутреннего сгорания, включающему такой механизм. Известные возвратно-поступательные механизмы включают кривошипно-шатунный механизм и кулачковый механизм. Двигатели внутреннего сгорания используют исключительно кривошипношатунные механизмы для преобразования линейного движения своего поршня, скользящего вверх и вниз в цилиндре, во вращение выходного вала. В соответствии с одним аспектом данного изобретения предлагается двигатель, включающий возвратно-поступательный механизм, содержащий элемент, совершающий возвратно-поступательное движение, выполненный с возможностью, по существу, линейного возвратно-поступательного движения между обоими концами перемещения, вращающееся средство для сцепления по касательной с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, для преобразования линейного движения элемента, совершающего возвратнопоступательное движение, во вращательное движение, и реверсивные средства для реверсирования движения элемента, совершающего возвратнопоступательное движение, на двух концах его перемещения в зависимости от вращения вращающегося средства. В соответствии со вторым аспектом данного изобретения предлагается двигатель, включающий возвратно-поступательный механизм согласно первому аспекту изобретения, в котором поршень двигателя снабжен элементом, совершающим возвратно-поступательное движение. Вращательное движение происходит предпочтительно в одинаковом направлении для обоих направлений возвратно-поступатель-ного движения. Вращающееся средство может включать, по меньшей мере, одно зубчатое колесо, при этом одно или каждое зубчатое колесо выполненo с возможностью сцепления с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, только в одном из направлений возвратно-поступательного движения. Вращающееся средство может содержать,по меньшей мере, одно зубчатое колесо с неизменным радиусом. Вращающееся средство может содержать два противоположных зубчатых колеса, соединенных с элементом,совершающим возвратнопоступательное движение, и друг с другом для вращения в одном направлении. В качестве альтернативного решения вращающееся средство может содержать кулачок постоянной ширины и ведомый элемент, соединенный непосредственно с элементом, совершающим возвратно-поступа-тельное движение. Кулачок постоянной ширины и ведомый элемент могут быть соединены с маятниковым противовесом. 2 Реверсивное средство может содержать кривошипный механизм, установленный между элементом,совершающим возвратнопоступательное движение, и вращающимся средством. Реверсивное средство может включать кулачок и ведомый элемент. Кулачок может быть соединен с вращающимся средством, а ведомый элемент может быть соединен с зубчатой рейкой и шестерней кривошипного механизма. Кривошипный механизм может содержать два соединительных средства, соединенных с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, в разнесенных точках на обеих сторонах зоны сцепления элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, с вращающимся средством. Сцепление между кривошипным механизмом и вращающимся средством может осуществляться с помощью другого кривошипного механизма. На каждом конце элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, может быть предусмотрен поршень. Поршень или каждый поршень может быть жестко соединен с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение. Ниже приводится подробное описание примеров выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено на фиг. 1 - устройство, реализующее первый и второй аспекты данного изобретения,частично в разрезе, на виде спереди; на фиг. 2 - устройство согласно фиг. 1 на виде сверху; на фиг. 3 - передаточный механизм и возвратный механизм, показанные на фиг. 1 и 2, на виде сзади; на фиг. 4 - альтернативный вариант выполнения возвратного механизма, показанного на фиг. 3; на фиг. 5 - детали возвратного механизма,показанного на фиг. 4, в изометрической проекции; на фиг. 6 - кривошипный механизм, применяемый в устройствах, согласно фиг. 1, 2 и 3 в изометрической проекции; на фиг. 7 - элемент, совершающий возвратно-поступательное движение, реализующий передаточную зубчатую рейку, показанную на фиг. 1 и 2, в изометрической проекции; на фиг. 8 - кулачок постоянной ширины,соединенный непосредственно с элементом,совершающим возвратно-поступательное движение, на виде сверху; на фиг. 9 - облегченный кулачок постоянной ширины и его опорные поверхности на виде сверху; на фиг. 10 - подшипник, на который опираются опорные поверхности кулачка к ведомому элементу; 3 на фиг. 11 - ведомый элемент с альтернативным расположением опорных направляющих в изометрической проекции; на фиг. 12 - маятниковый противовес; на фиг. 13 - элемент, совершающий возвратно-поступательное движение, и кулачок постоянной ширины в изометрической разнесенной проекции; и на фиг. 14 А и 14 В - комбинированный элемент,совершающий возвратно-поступательное движение, и кулачок постоянной ширины на виде спереди и сзади в изометрической проекции. На фиг. 1, 2 и 3 показан возвратнопоступательный механизм, реализующий первый аспект данного изобретения, используемый в двигателе внутреннего сгорания и включающий элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, соединенный на каждом конце с двумя поршнями 2, вращающееся средство 3 и реверсивное средство 4. Элемент 1, совершающий возвратнопоступательное движение, является стержнем, выполненным с зубьями 11, 12 зубчатых реек на части своей длины на противоположных продольных сторонах. У каждого комплекта зубьев предусмотрены зоны 13 без зубьев. Элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, включает также средство 15, такое как поперечное отверстие или ось, для соединения передаточных зубчатых реек 11, 12, а также для соединения с ними соединяющего штока расположенного вблизи кривошипного механизма. На обеих сторонах зубчатых реек 11, 12 предусмотрены опорные блоки 16 для установки элемента 1, совершающего возвратнопоступа-тельное движение, с возможностью скольжения по заданному линейному пути между двумя концами перемещения. Элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, предпочтительно выполнен из легкого сплава, а зубчатая рейка 11, 12 - из высокопрочного материала, при этом элемент 1 выполнен как можно более легким. Поршни 2 предпочтительно жестко соединены с элементом 1,совершающим возвратнопоступательное движение, по одному на каждом конце, например, с помощью винтовой резьбы,пальца или зажима. Вращающееся средство 3 содержит два зубчатых колеса 31, которые сцеплены друг с другом с возможностью вращения в одинаковом направлении, по существу, с одинаковой скоростью, т.е., по существу, с одинаковой угловой скоростью. Эти передачи могут быть передачами с тормозной муфтой, наклонными или роликовыми передачами,которые вращаются в одном направлении, и муфтой свободного хода в противоположном направлении или же они могут быть сегментированными колесами, как показано на фигурах. Каждое сегментированное зубчатое колесо 31 имеет зубчатую часть 32 и не имеющую зубьев часть 33. Зубчатые части 32 установлены с возможностью зацепления с зубчатыми рейками 11, 12 элемента 1, совер 002555 4 шающего возвратно-поступательное движение, в то время как не имеющие зубьев части 33 расположены так, чтобы не сцепляться с этими зубчатыми рейками 11, 12. Каждое зубчатое колесо может иметь подшипник 161. Как показано на фиг. 4, на одной оси с каждым зубчатым колесом 31 сзади или спереди каждой части 32, 33 предусмотрены зубчатые колеса 34, которые находятся в зацеплении друг с другом через промежуточное зубчатое колесо, расположенное между ними. Зубчатые и не зубчатые части 32, 33 каждого зубчатого колеса 31 выполнены с обеспечением возможности сцепления одного зубчатого колеса 31 с элементом 1, совершающим возвратнопоступательное движение, в одном направлении его перемещения, и сцепления другого зубчатого колеса 31 с элементом 1, совершающим возвратнопоступательное движение, в противоположном направлении, при этом оба зубчатых колеса вращаются вместе в одном направлении. Для этого, в то время как одно зубчатое колесо 31 сцеплено своими зубьями 32 с зубьями 11, например, элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение, другое зубчатое колесо 31 вращается без зацепления,при этом не зубчатая часть 33 проходит над зубьями 12. На двух концах перемещения элемента,совершающего возвратнопоступательное движение, оба зубчатых колеса не находятся в зацеплении с зубьями 11, 12. Этот выход из зацепления необходим для обеспечения вращения зубчатых колес 31 с постоянной угловой скоростью, в то время как элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, почти мгновенно останавливается и изменяет направление движения на каждом из концов своего перемещения. В зацеплении с зубьями 11, 12 могут оставаться зубчатые колеса 31 с тормозной муфтой, наклонные и роликовые зубчатые колеса, которые вращаются в одном направлении движения и свободно вращаются вокруг своих осей при противоположном направлении движения. Промежуточное зубчатое колесо 35 обеспечивает выход из механизма, который может вести к коробке передач (не изображена). Может быть желательным также отводить выходной привод от любого из зубчатых колес 31, при этом зубчатое колесо 35 выполняет роль зубчатого колеса сцепления холостого хода. Желательно, чтобы промежуточное зубчатое колесо 35 и зубчатые колеса 31 вращались, по существу, с постоянной угловой скоростью. Для этого может быть необходимо, чтобы элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, двигался с постоянной скоростью между,по существу, обоими концами своего перемещения, изменяя очень быстро направление своего движения и свою скорость на каждом конце. Для предоставления элементу 1, совершающему возвратно-поступа-тельное движение, большего времени для остановки и обеспечения меньшего 5 ускорения в противоположном направлении на каждом конце перемещения для согласования со скоростью вращения зубчатых колес 31 оба зубчатых колеса 31 могут во время короткого расстояния движения элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение, вблизи каждого конца находиться вне зацепления с зубьями 11, 12. Для того чтобы элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, мог иметь не постоянную скорость при одновременном придании постоянной выходной угловой скорости зубчатому колесу 35, зубчатое колесо 31 может иметь переменные радиусы,которые взаимодействуют с зубьями 11, 12, выполненными соответствующим образом. Больший радиус при постоянной угловой скорости зубчатого колеса позволяет элементу 1, совершающему возвратно-поступательное движение и расположенному по касательной к зубчатому колесу, перемещаться быстрее. Это предпочтительно имеет место в середине каждого хода. И наоборот, меньший радиус позволяет элементу 1,совершающему возвратно-поступательное движение, перемещаться медленнее. Это предпочтительно имеет место вблизи концов его перемещения. Во всех случаях используемые зубчатые колеса могут быть косозубыми цилиндрическими зубчатыми колесами, которые имеют высокий коэффициент зацепления. Реверсивные средства 4 показаны на фиг. 13 в виде одной системы и на фиг. 1, 4 и 5 в виде альтернативной системы. В любом случае реверсивное средство 4 включает два соединительных штока 41, центральный кривошип 44 с двумя кривошипными рычагами и возвратнопоступательный механизм 38 или 39, который соединен с центральным кривошипом 44. Как показано дополнительно на фиг. 6 и 7, соединительные штоки 41 на одном из своих концов 42 установлены с возможностью поворота относительно элемента 1, совершающего возвратнопоступательное движение, в двух точках 15 и с возможностью поворота относительно кривошипа 44 на других концах 43. Кривошипные рычаги предпочтительно расположены так, что когда элемент 1, совершающий возвратнопоступательное движение, находится на любом конце своего движения, как показано на фиг. 1,то соответствующий соединительный шток 41 проходит между центром оси кривошипа и точкой 15 на элементе 1, совершающем возвратнопоступательное движение. Таким образом, кривошип 44 и соединительные штоки 41 предотвращают перемещение поршня 2 и элемента 1,совершающего возвратно-поступательное движение, дальше желательных концов перемещения и столкновение каждого поршня с головкой 21 цилиндра (показана только одна). Реверсивное средство 4 предназначено для остановки элемента 1,совершающего возвратнопоступательное движение, и изменения направления его движения на каждом из концов его 6 перемещения. Это достигается посредством вращения кривошипа 44 из положения, показанного на фиг. 1, в направлении часовой стрелки для оттягивания элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение, влево, так что расстояние между соединительным штоком и осью кривошипа становится меньше, в то же время элемент 1, совершающий возвратнопоступательное движение, достигает предела перемещения. На фиг. 3 показан механизм 38, который обеспечивает вращение кривошипа 44, когда элемент 1,совершающий возвратнопоступательное движение, находится вблизи концов своего перемещения. Механизм 38 содержит сдвигающий кулачок 45 (показан кулачок постоянной ширины), зубчатую рейку и ведомый элемент 46, который соединен с кривошипом 44 через зацепление зубчатой рейки 46 и шестерни 44. Поверхность кулачка 45, который приводится во вращение соединенным с ним зубчатым колесом 31, сдвигает зубчатую рейку и ведомый элемент 46 постоянной ширины, при этом движение сдвига приводит шестерню кривошипа 44 в желаемое синхронное вращение кривошипа на каждом конце перемещения элемента 1, совершающего возвратнопоступательное движение. В точке контакта между поверхностью кулачка 45 и зубчатой рейки и ведомого элемента 46 может быть предусмотрен роликовый подшипник. На фиг. 4 и 5 показан альтернативный возвратно-поступательный механизм 39. Механизм 39 включает дополнительный кривошипный механизм, который соединяет зубчатое колесо 31 с кривошипом 44. При вращении зубчатого колеса 31 в возвратно-поступательное движение приводится соединительный шток 47, который снабжен зубчатой рейкой 50. Созданное таким образом возвратно-поступательное движение является синхронным с желательным вращением кривошипа у каждого конца перемещения элемента 1,совершающего возвратнопоступательное движение. Соединительный шток 47 соединен с кривошипом через соединение, выполненное в виде зубчатой рейки 47 и шестерни 44. Двигатель внутреннего сгорания, использующий один из указанных выше возвратнопоступательных механизмов, может работать в двухтактном или четырехтактном режиме. Исходя из показанного на фиг. 1 начального положения, двухтактный вариант выполнения двигателя работает следующим образом:(I) оба зубчатых колеса 31 вращаются по часовой стрелке, сгорание и расширение топливовоздушной смеси приводит к ускорению влево поршня 2 и элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение, чему помогает вращение по часовой стрелке кривошипа 44 и вращение против часовой стрелки расположенного справа соединительного штока 41 из поло 7 жения верхней мертвой точки, причем оба комплекта зубчатых передач 31, 11, 12 не находятся в зацеплении друг с другом;(II) нижнее зубчатое колесо 31 вращается с прохождением его не зубчатой части под движущимися влево зубьями 12 элемента 1, совершающего возвратно-поступа-тельное движение,верхнее зубчатое колесо 31 теперь находится в зацеплении с зубьями 11 элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение,в соответствии с касательной скоростью его зубчатой части 32, кривошипный механизм 41,44 перемещается свободно для обеспечения сдвига элемента 1, совершающего возвратнопоступа-тельное движение, и зацепления зубьев 11 с передаточными зубьями 32 верхнего зубчатого колеса 31;(III) находящийся справа поршень перемещается налево, вниз по своему цилиндру, когда топливовоздушная смесь сгорает и выходит через выход для отработавших газов, когда верхнее зубчатое колесо приводится во вращение зубьями 11, смесь в расположенном слева цилиндре начинает сжиматься;(IV) смесь на левой стороне сжимается дальше и соответствующий соединительный шток 41 и кривошип 44 приближаются к положению верхней мертвой точки, зубчатая часть 32 верхнего зубчатого колеса 31 выходит из зацепления зубьями 11, а не зубчатая часть 33 нижнего зубчатого колеса 31 приближается к зацеплению с зубьями 12, происходит зажигание сжатой смеси; и(V) кривошипный механизм 41, 44 достигает верхней мертвой точки, и элемент 1, совершающий возвратно-поступательное движение, останавливается, оба зубчатых колеса 31 не находятся в зацеплении с зубьями 11, 12, кривошип начинает вращаться против часовой стрелки для возвращения элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение,зажигание смеси переходит в сгорание и расширение. На фиг. 8-14 показан альтернативный возвратно-поступательный механизм 40, который в отличие от показанного на фиг. 1 не содержит зубчатых передач. Возвратно-поступательный механизм 40 включает элемент 1, совершающий возвратно-поступа-тельное движение, в котором зубчатая передача механизма, показанная на фиг. 1, заменена выступами 58 (смотри фиг. 8 и 13), которые соединены и находятся в зацеплении с частями 57 ведомого элемента 51 постоянной ширины (смотри фиг. 8, 11, 13 и 14). В качестве альтернативного решения (не изображено) элемент 1, совершающий возвратнопоступательное движение, может быть выполнен как единое целое с ведомым элементом 51 постоянной ширины. В результате линейное движение элемента 1, совершающего возвратнопоступательное движение, передается ведомому элементу 51 постоянной ширины, в котором 8 расположены поверхностные опоры 53, опирающиеся на другие опоры 54 (смотри фиг. 10). Поверхностные опоры 53 упираются в кулачок 53 постоянной ширины, вращая тем самым выходной приводной вал 59 (не изображен на всех видах), соединенный с кулачком 52. Профиль кулачка 52 можно изменять для обеспечения желательного изменения скорости элемента 1,совершающего возвратно-поступательное движение, и поршня 2. Ведомый элемент 51 постоянной ширины может быть снабжен опорными направляющими 55 (смотри фиг. 13), которые могут скользить по направляющим опорам (не изображены). В качестве альтернативного решения могут быть установлены круглые опоры 56, которые скользят по валам (фиг. 11). Для обеспечения равновесия желательно предусмотреть в двигателе, по меньшей мере. четыре возвратно-поступательных механизма 40(не изображены), при этом два кулачка 52 двух механизмов в центре системы вращаются в одинаковом направлении, а кулачки на обеих сторонах от центра вращаются в противоположном направлении. В качестве альтернативного решения, показанного на фиг. 12, с ведомым элементом 51 постоянной ширины может быть соединен противовесный маятник 60, причем маятник 60 содержит шток, соединенный на одном конце с поверхностной опорой 53 ведомого элемента 51,на другом конце штока предусмотрен шарнир 62, а между обоими концами штока предусмотрен шарнир 61, вал 63 соединен с шарниром 62,а на валу 63 установлена с возможностью скольжения масса 64. Когда масса перемещается от 53 вправо, то шток поворачивается вокруг шарнира 61, а шарнир 62 перемещается влево,тем самым заставляя массу 64 перемещаться по валу 63, создавая тем самым противовес (опоры и направляющие не изображены). Двигатель внутреннего сгорания, использующий такой возвратно-поступа-тельный механизм 40, может работать в двухтактном или четырехтактном режиме. Исходя из показанного на фиг. 8 начального положения, двухтактный вариант выполнения двигателя работает следующим образом:(I) сгорание и расширение топливовоздушной смеси приводит к ускорению влево правого поршня 2, а также элемента 1, совершающего возвратно-поступательное движение, и ведомого элемента 51;(II) правая поверхностная опора 53 перемещается вместе с ведомым элементом 51, тем самым упираясь в кулачок 52 и вращая кулачок 52 в направлении против часовой стрелки;(III) правый поршень перемещается влево,вниз по своему цилиндру, когда топливовоздушная смесь сгорает и выходит через выход для отработавших газов, смесь в левом цилиндре начинает сжиматься;(IV) смесь в левом цилиндре сжимается дальше, когда кулачок продолжает вращаться,происходит зажигание сжатой смеси; и(V) зажигание смеси переходит в сгорание и расширение, левый поршень 2 ускоряется вправо, и поскольку линейное движение элемента 1,совершающего возвратнопоступательное движение, и ведомого элемента 51 изменилось на противоположное, то это приводит к тому, что левая поверхностная опора 53 упирается в кулачок 52 и заставляет его продолжать вращение в направлении против часовой стрелки. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Возвратно-поступательный механизм(40) для двигателя, содержащий элемент (1),совершающий возвратно-поступательное движение, установленный с возможностью движения, по существу, в линейном возвратнопоступательном направлении между двумя концами перемещения, поршень (2), предусмотренный на элементе (1), совершающем возвратнопоступательное движение, и кулачок (52) постоянной ширины и ведомый элемент (51), при этом ведомый элемент (51) соединен непосред 10 ственно с элементом (1), совершающим возвратно-поступательное движение, для преобразования линейного движения элемента (1), совершающего возвратно-поступательное движение, во вращательное движение кулачка (52), и механизм (40), изменяющий движение элемента(1), совершающего возвратно-поступательное движение, на обоих концах его перемещения на обратное в зависимости от вращения кулачка(51) находится ниже и сбоку от отверстия для поршня и поршень жестко установлен на элементе, совершающем возвратно-поступательное движение. 2. Механизм по п.1, отличающийся тем,что кулачок (52) постоянной ширины и ведомый элемент (51) соединены с маятниковым противовесом (60). 3. Двигатель, включающий возвратнопоступательный механизм (40) по любому из пп.1 или 2. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем,что поршень (2) предусмотрен на каждом конце элемента