Устройство двигателя внутреннего сгорания или компрессора

Изобретение относится к области машиностроения. Технический результат заключается в возможности создания устройства ДВС или компрессора со сниженными трудоемкостью изготовления и неравномерностью движения, а также в возможности устранения появления гироскопического момента сил от действия прецессионного вращения. Согласно изобретению ДВС или компрессор содержит корпус, пространственный кулачок, связанный с поршнями-толкателями, и торцевой кулачок, обеспечивающий газораспределение. При этом канавка пространственного кулачка имеет трапецеидальный профиль с углами наклона боковых сторон, превышающими угол трения. С канавкой пространственного кулачка связаны два поршня-толкателя, размещенные со смещением на 180° относительно оси вращения пространственного кулачка, а торцевой кулачок имеет два выступа на концентричных кольцевых поверхностях. Кроме того, пространственный кулачок и поршни-толкатели располагаются вертикально относительно плоскости транспортного средства. 1 ил.

 

Устройство относится к области машиностроения, а именно к преобразователям одного вида энергии в другой: тепловой в механическую и механической в пневматическую.

Известно устройство двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или компрессора с горизонтальным расположением коленчатого вала относительно земной поверхности, исключающим устранение гироскопического эффекта от принудительного прецессионного вращения при установке на транспортном средстве.

Недостатком этого устройства является сложная геометрическая форма коленчатого вала, необходимость шатуна для преобразования поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала и появление пары сил от действия гироскопического эффекта при принудительном прецессионном движении, стремящегося совместить векторы угловых скоростей собственного вращения коленчатого вала и прецессионного вращения при повороте транспортного средства и вызывающего дополнительное нагружение подшипников по правилу Н.Е.Жуковского (Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. - М., изд-во Наука, 1972).

Кроме того, известно устройство с кулачковым механизмом преобразования поступательного движения поршней во вращение кулачка (Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Т.5. - М., изд-во Наука, 1981).

Недостатком этого устройства, принятого за прототип предлагаемого изобретения, является отсутствие торцевого кулачка, обеспечивающего газораспределение двумя выступами на концентрических кольцевых поверхностях, для двух поршней-толкателей, смещенных на 180° относительно оси центрально размещенного пространственного кулачка, образование рабочей поверхности кулачка выступом и неограниченность вертикального размещения оси вращения этого кулачка относительно горизонтальной поверхности транспортного средства.

Целью изобретения является создание устройства ДВС или компрессора со сниженными трудоемкостью изготовления, неравномерностью движения и устранением появления гироскопического момента сил от действия прецессионного вращения.

Это достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания или компрессор содержит корпус, пространственный кулачок, связанный с поршнями-толкателями, и торцевой кулачок, обеспечивающий газораспределение. При этом канавка пространственного кулачка имеет трапецеидальный профиль с углами наклона боковых сторон, превышающими угол трения. С канавкой пространственного кулачка связаны два поршня-толкателя, размещенные со смещением на 180° относительно оси вращения пространственного кулачка, а торцевой кулачок имеет два выступа на концентричных кольцевых поверхностях. Кроме того, пространственный кулачок и поршни-толкатели располагаются вертикально относительно плоскости транспортного средства.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена конструкция устройства двигателя внутреннего сгорания или компрессора с корпусом 1, пространственным кулачком 2 геометрического замыкания при помощи роликов поршней-толкателей 3 и канавки профиля пространственного кулачка 2 и торцевым кулачком 4 газораспределения с двумя кулачковыми выступами на концентричных кольцевых поверхностях, контактирующих с клапанами газораспределения.

Устройство двигателя внутреннего сгорания или компрессора работает следующим образом. Рабочая смесь в наиболее сжатом состоянии при закрытых клапанах впуска и выхлопа над левым по чертежу поршнем-толкателем 3 при зажигании обуславливает движение этого поршня-толкателя 3 вниз и вызывает вращение пространственного кулачка 2 вправо по чертежу под действием ролика поршня-толкателя 3, контактирующего с наклонной частью канавки пространственного кулачка 2. Это является рабочим ходом двигателя внутреннего сгорания, после которого следует выхлоп при открытом выхлопном клапане под действием кулачкового выступа на наружной кольцевой поверхности торцевого кулачка 4. Затем следует всасывание при закрытом выхлопном клапане, контактирующим с плоской частью наружной кольцевой поверхности торцевого кулачка 4, и открытом впускном клапане, контактирующим с кулачковым выступом на внутренней кольцевой поверхности торцевого кулачка 4 газораспределения. Всасывание предшествует сжатию рабочей смеси при закрытых клапанах впуска и выхлопа, контактирующих в этом случае с плоскими внутренней и внешней концентричными поверхностями торцевого кулачка 4 соответственно. Такое же положение этих клапанов имеется при повороте пространственного кулачка 2 во время рабочего хода. После чего цикл работы одного их двух поршней-толкателей 3 заканчивается. Во время рабочего хода левого по чертежу поршня-толкателя 3 происходит всасывание при открытом впускном клапане.

Открытие впускного клапана осуществляется одним и тем же кулачковым выступом на внутренней поверхности торцевого кулачка 4 как для левого, так и для правого по чертежу поршня-толкателя 3. Также выхлоп осуществляется при открытии выпускного клапана под действием кулачкового выступа, расположенного на наружной кольцевой поверхности торцевого кулачка и являющегося общим как для левого, так и для правого по чертежу поршня-толкателя.

Таким образом, одной парой кулачковых выступов, соответственно расположенных на наружной и внутренней кольцевых поверхностях торцевого кулачка 4, выполняется газораспределение для двух цилиндров поршней-толкателей 3.

Для работы в режиме компрессора необходима переустановка торцевого кулачка 4 с поворотом на 90° на квадратном хвостовике пространственного кулачка 2 против часовой стрелки, если смотреть со стороны выходной части вала пространственного кулачка 2 при вращении этого вала против часовой стрелки от какого-либо двигателя. При этом после сжатия происходит нагнетание сжатого воздуха при рабочем ходе и открытом клапане от действия кулачкового выступа на внутренней кольцевой поверхности торцевого кулачка 4, а затем впуск воздуха наружной атмосферы при открытом клапане от действия кулачкового выступа на наружной кольцевой поверхности торцевого кулачка 4 для левого по чертежу поршня-толкателя 3; для правого поршня-толкателя 3 этот процесс повторится при повороте пространственного кулачка 2 через 180°.

Обоснование возможности осуществления работы устройства двигателя внутреннего сгорания или компрессора выполняется на основе достаточной прочности оси ролика поршня-толкателя 3 при диаметре этой оси 20 мм и диаметре ролика 40 мм для максимальной нагрузки поршня при давлении 75 кГ/см² и диаметре поршня 40 мм и материале оси и ролика из ходовых марок стали.

Мощность Р_р.х, получаемая при рабочем ходе, определяется в первом приближении как произведение среднего давления и площади поршня-толкателя 3, умноженное на его среднюю поступательную скорость при синусоидальном законе аналога ускорения, поделенное на число 75 кГм/с для 1 л.с. При высоте опускания профиля 0,03 м и угле опускания профиля пространственного кулачка 2, равном 1 рад, и углой скорости этого кулачка 600 рад/с

Р_р.х=[20·12,5·(0,03/1)·600]/75=45 л.с.

Мощность Р_сж, затрачиваемая на сжатие газа, определяется в первом приближении как произведение среднего давления сжатия на площадь поршня-толкателя 3, умноженное на его среднюю поступательную скорость при синусоидальном законе аналога ускорения, поделенное на число 75 кГм/с для 1 л.с. при высоте подъема профиля 0,03 м и угле подъема профиля пространственного кулачка 2, равном 2 рад, и угловой скорости этого кулачка 600 рад/с:

Р_сж=[10·12,5·(0,03/2)·600]/75=15 л.с.

Для двух цилиндров полная мощность: Р=60 л.с.

С учетом кпд кулачкового механизма при коэффициенте трения толкателя о корпус, равном 0,4, полезная мощность составляет 22,5 л.с., т.к. при сжатии нормальное давление N поршня-толкателя 3 на корпус 1 равно произведению усилия давления газа на поршень-толкатель 3 на тангенс угла подъема профиля:

N=S_п.тр_сжtgθ=12,6·10[h/(ϕR_кул)]=126·[0,03/(2·0,12)]=18 кГ,

здесь h - высота подъема профиля кулачка 2, ϕ - угол подъема этого кулачка, R_кул - радиус кулачка 2, R_кул=120 мм.

Сила трения F_тр=Nμ=18·0,4=7,2 кГ.

При опускании поршня толкателя 3

N=S_п.тр_сжtgθ=12,6·20[0,03/(1·0,12)]=28,8 кГ

Здесь h_p.x - высота рабочего хода - опускания профиля кулачка 2.

F_тр=Nμ=28,8·0,4=9,76 кГ

При одинаковых высотах подъема и опускания профиля кулачка 2

η=(F_д-F_тр)/F_д=[(250 - 62,5)-(7,2+9,8)]/250=170/250=0,425

для одинаковых перемещений под действием движущих сил F_д, сил трения и сжатия.

С увеличением диаметра поршня-толкателя с 3 до 80 мм полезная мощность возрастает до 90 л.с. при габаритных размерах 400 мм×400 мм×400 мм.

По сравнению с аналогом предлагаемого изобретения, где угол подъема равен углу опускания и составляет 90° в сопоставлении с углом опускания - рабочего хода, равным 60°, предлагаемого устройства и углом подъема для сжатия газа, равным 120°, средняя скорость V рабочего хода увеличивается в предлагаемом устройстве в 1,5 раза и средняя скорость подъема уменьшается в 1,5 раза, т.к. Р=F V, мощность возрастает в 2,25 раза.

Удар при переходе через зазор на контактирующей с роликом поршня-толкателя 3 поверхности канавки профиля пространственного кулачка 2 может иметь место за счет окружной скорости V пространственного кулачка 2 при его угловой скорости ω=600 рад/с и радиусе 55 мм, V=ω R_кул=33 м/с для зазора 0,004 мм, соответствующем углу опускания в 1 градус, в проекции на нормаль к профилю кулачка 2 скорость V_уд соударения составляет 0,13 м/с для синусоидального закона аналога ускорения, а ударное усилие при массе m_п-т поршня-толкателя 3 в 2 кг ударное усилие:

F_уд=(m_п-т V_уд V_зв)/2·l_п.-т=(2·0,13·5000)/(2·0,2)=3250 Н

Здесь V_зв - скорость распространения звука в материале для стали 5000 м/с (Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. - М.: Высшая школа, 1962), l_п.-т - длина поршня-толкателя (Беренов Д.И. Расчет машин на прочность (метод долговечности). - М.: Машгиз, 1953) и максимальные нормальные напряжения по формуле Герца для сжатия двух цилиндров σ_Hmax=0,418[(F_уд Е)/(b ρ_пр)]^1.2=0,418{(3250·2·10⁵)/[10(1/20-1/50)]}^1/2=0,4·1000=400 Н/мм² (МПа) при Е=модуле упругости стали 2·10⁵ Н/мм², радиусе ролика поршня-толкателя 3, равном 20 мм, его ширине b=10 мм и приведенном радиусе кривизны ρ_пр=1/20+1/5 мм, что меньше допускаемых нормальных напряжений, равных 1200 Н/мм² (Добровольский В.А. и др. Детали машин. - Киев: Машгиз, 1961).

Выполнение профиля пространственного кулачка 2 кольцевой канавкой примерно на половине его окружности и наклонной (в развертке) синусоидой, соответствующей синусоидальному закону аналога ускорения для периодов подъема-сжатия и опускания-рабочего хода, обуславливает не менее чем четырехкратное снижение трудоемкости изготовления профиля пространственного кулачка 2 по сравнению с прототипом, где профиль кулачка образуется выступом с двумя поверхностями контакта с роликами. Что относится как угол 180° к углу 720° при обработке на фрезерном станке, оснащенном делительной головкой.

Конусные подпружиненные ролики поршней-толкателей 3 компенсируют неточность изготовления в предлагаемой конструкции пространственного кулачка 2 с канавкой трапецеидального сечения. В прототипе таких роликов потребовалось бы вдвое больше.

Уменьшение неравномерности движения обеспечивается в предлагаемом устройстве за счет осуществления профиля пространственного кулачка 2 канавкой вместо выступа в прототипе. Например, при диаметре пространственного кулачка 2 в 120 мм вместо сопоставляемого диаметра прототипа в 100 мм при высоте выступа 10 мм увеличение момента инерции пропорционально четвертой степени радиуса этих кулачков от их массы и моментов инерции. Это может уменьшить неравномерность движения вдвое, поскольку приведенный момент инерции сопоставляемых кулачков является основным слагаемым в формуле приведенного момента инерции по эквиваленту кинетической энергии.

Устранение появления гироскопического эффекта при вертикальном размещении вала пространственного кулачка 2 от совмещения векторов угловых скоростей прецессии и собственного вращения пространственного кулачка 2 происходит по правилу Жуковского Н.Е. при исключении пары сил (Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики, ч.2 - М.: Наука, 1972), стремящейся повернуть транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания так, чтобы совместить векторы угловых скоростей прецессии и собственного вращения.

Этот гироскопический момент М_гир при горизонтальном размещении пространственного кулачка 2 относительно плоскости транспортного средства выражается формулой

М_гир=Iω₁ω₂sin90°,

где I - момент инерции,

I≈mR²/2=3,14·0,06²·0,1·7,8·0,06²/2=0,000016 тм²=0,016 кгм²,

ω₁ - угловая скорость прецессии принимается 1 рад/с,

ω₂ - угловая скорость собственного вращения пространственного кулачка 2 принимается 600 рад/с.

При этом М_гир составляет 9,6 Нм и создает пару сил при расстоянии между подшипниками АВ=0,2 м: с силой Q=9,6/0,2=48 Н.

Такое дополнительное периодическое давление на подшипники устраняется при вертикальном расположении пространственного кулачка 2 относительно плоскости транспортного средства и позволяет получить приращение срока службы ΔL=[10⁶/(60·6000)] (С/Q)^0,3=30 часов при динамической грузоподъемности С=50000 Н для n=6000 об/мин.

Устройство двигателя внутреннего сгорания или компрессора, содержащее корпус, пространственный кулачок, связанный с поршнями-толкателями, и торцевой кулачок, обеспечивающий газораспределение, отличающееся тем, что канавка пространственного кулачка имеет трапецеидальный профиль с углами наклона боковых сторон, превышающими угол трения, с канавкой пространственного кулачка связаны два поршня-толкателя, размещенные со смещением на 180° относительно оси вращения пространственного кулачка, а торцевой кулачок имеет два выступа на концентричных кольцевых поверхностях, при этом пространственный кулачок и поршни-толкатели располагаются вертикально относительно плоскости транспортного средства.