Бесшатунная поршневая машина

 

Использование: в машиностроении для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Сущность изобретения: машина содержит два блока цилиндров, плоскости которых, проходящие через оси цилиндров, образуют угол 120^o. Штоки поршней через подшипники связаны с шейками коленчатых валов. Концы ступенчатых валов находятся на одной оси и с двух сторон соединены через подшипники с дисками, центры которых совпадают с осью центрального вала и имеют зубчатое зацепление с шестернями, жестко насаженными на общем валу. Колена ступенчатых валов составляют во фронтальной плоскости треугольники, две стороны которых, находящиеся между центрами крепления штоков и дисками, равны 1/4 хода штока. Места подвижного сочленения ступенчатых валов с дисками находятся на расстоянии 1/4 хода поршня от центра дисков, а геометрические углы между линиями, проходящими через центры дисков, и центры сочленений разных ступенчатых валов с дисками составляют 120^o. Если штоки совершают движение по синусоидальному закону, то вал вращается равномерно и, наоборот, что ведет к снижению гармонических составляющих во вращающемся моменте и повышению КПД машины. 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам, и может быть использовано для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

Известна бесшатунная поршневая машина (БПМ), содержащая корпус, цилиндры, продольные оси которых расположены под углом, и коленвал, на шейках которого через подшипники закреплены штоки [1] Недостаток известной БПМ заключается в том, что расположение цилиндров отличается от традиционного двухрядного V-образного исполнения, что затрудняет его широкое применение.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является бесшатунная поршневая машина, содержащая корпус с двумя рядами цилиндров, размещенных V-образно, и механический преобразователь, выполненный в виде связанных между собой ступенчатых одноколенных валов, установленных на опорах вращения соосно друг другу [2] Недостатком известной БПМ является нежесткость конструкции механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, что может вызвать перекосы в системе и привести к заклиниванию механизма и в конечном итоге ведет к выходу из строя двигателя.

Технической задачей, решаемой изобретением, является улучшение технологичности изготовления и повышение надежности БПМ за счет повышения жесткости механизма. Эта задача решается за счет того, что в БПМ, содержащей цилиндры, закрепленные корпусом в параллельных плоскостях с угловых смещением осей относительно друг друга, штоки поршней, связанные с механическим преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное, состоящим из связанных между собой ступенчатых валов с шейками, к которым через подшипники крепятся штоки, и дисков, механический преобразователь выполнен в виде трех ступенчатых валов с двумя шейками на каждом, каждый ступенчатый вал имеет колена, составляющие во фронтальной проекции треугольник, две стороны которого, проходящие между центрами крепления штоков с дисками, равны 1/4 хода штока, а третья сторона, представляющая колено, проходящее между центрами крепления штоков, равна 1/4 хода штока, умноженной на . Причем концы колен, составляющие вершину описанного треугольника, подвижно соединены с дисками, расположенными по обеим сторонам ступенчатых валов так, что центры дисков совпадают с осью центрального вала, места подвижного сочленения ступенчатых валов с дисками находятся на расстоянии 1/4 хода штока от центров дисков. Проекции точек сочленения во фронтальной проекции совпадают, геометрические углы между линиями, проходящими через центры дисков и центры сочленения разных коленчатых валов с дисками, во фронтальной проекции составляют 120^о, внутренние диски сочленены жестко между собой и имеют коренные подшипники, а внешние диски сочленены с выходными валами. Кроме того, диски имеют зубчатое зацепление с шестернями, жестко насаженными на отдельный общий вал.

В предлагаемой БПМ угол сдвига плоскостей, в которых расположены цилиндры, составляет 120^о, что совпадает с конструкцией ряда традиционных поршневых машин. Это обеспечивает лучшую технологичность предложенной конструкции. Наличие же зубчатого зацепления дисков с шестеренчатым валом позволяет снизить возможность заклинивания и обеспечивает большую надежность.

На фиг.1 представлена кинематическая схема БПМ во фронтальной проекции; на фиг. 2 вторая проекция машины, вид сбоку; на фиг.3 сечение А-А на фиг.2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5 сечение В-В на фиг.3; на фиг.6 циклограмма работы поршней; на фиг.7 представлена изометрическая проекция механического преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное.

БПМ содержит цилиндры 1-6. При этом цилиндры 1, 3 и 5 формируют один блок, а цилиндры 2, 4 и 6 другой, плоскости которых, проходящие через оси цилиндров соответствующих блоков, образуют угол 120^о. В представленных на фиг. 1-7 положениях штоков, шток 7 цилиндра 1 имеет подшипниковую связь с шейкой 8 ступенчатого вала (не обозначен) с коленами 9, 10 и 11. Длина колен 9 и 11 равна 1/4 хода поршня, а колено 10 имеет длину, равную /4 хода штока. Шток 12 цилиндра 2 имеет подшипниковую связь с шейкой 13 того же вала. Концы 14 и 15 этого ступенчатого вала имеют подшипниковую связь с дисками 16 и 17 соответственно так, что центры крепления концов вала с дисками отстоят от центров дисков на расстояние, равное 1/4 хода штока, а проекции центров крепления во фронтальной проекции совпадают.

Шток 18 цилиндра 3 имеет подшипниковое сочленение с шейкой 19 ступенчатого вала (не показан) с коленами 20, 21 и 22, а шток 23 цилиндра 4 через подшипник закреплен на шейке 24 того же вида. Концы 25 и 26 этого вала через подшипники (не показаны) укреплены в дисках 27 и 28 соответственно так, что центры мест крепления отстают от центров дисков на расстояние, равное 1/4 хода штока, а проекции центров крепления во фронтальной проекции совпадают. Длина колен 20 и 22 равна 1/4 хода штока, а длина колеса 21 равна /4 хода штока. Геометрический угол во фронтальной плоскости, лежащий между осями, проходящими через центры дисков и центры крепления соответственно концов 14, 15 и 26, 25, равны 120^о.

В свою очередь шток 29 цилиндра 5 через подшипник соединен с шейкой 30 ступенчатого вала (не показан) с коленами 31, 32 и 33, а шток 34 цилиндра 6 через подшипник (не показан) сочленен с шейкой 35 того же вала. Концы 36 и 37 вала через подшипники (не показаны) закреплены на дисках 38 и 39 соответственно так, что центры крепления находятся на расстоянии 1/4 хода штока от центров дисков, а проекции центров крепления во фронтальной проекции совпадают. Длина колен 31 и 33 равна 1/4 хода штока, а длина колена 32, соединяющего центры крепления штоков, равна /4 хода штока. При этом геометрические углы во фронтальной плоскости между осями, проходящими через центры дисков и центры мест крепления концов 14, 15, 25, 26 и 36, 37, соответственно равны 120^о.

Диски 17 и 27 имеют общий вал 40, который через подшипник (не показан) имеет жесткую опору 41. Диски 28 и 38 также имеют общий вал 42 с коренным подшипником (не показан), сочлененным с жесткой опорой 43. Диски 16 и 39 имеют выходные валы 44 и 45, соединенные через подшипники (не показаны) с жесткими опорами 46 и 47 соответственно. Центры дисков 16 и 39 совпадают с центральной осью, проходящей через центральные валы 44 и 45. Диски 43, 17, 27, 28, 38 и 39 имеют зубчатое зацепление с шестернями 48, 49, 50, 51, 52 и 53 соответственно, жестко закрепленными на отдельном общем валу 54, установленном на опорах 55 и 56.

На фиг.3 показано взаимное расположение штоков 7 и 12 шеек 8 и 13 и колен 11 и 14 относительно диска 17, попавших в сечение А-А на фиг.2.

На фиг. 4 видно расположение штока 18 цилиндра 3 и штока 23 цилиндра 4. Колено 21, связывающее шейки 19 и 24, для рассматриваемого момента времени располагается горизонтально. Там же видно и фронтальное расположение колена 22, связывающего шейку 24 с концом вала 26 и диск 28.

На фиг.5 представлено взаимное расположение штоков 29 и 34, шеек 30 и 35 и колен 32 и 33 относительно диска 39, попавших в сечение В-В на фиг.2.

На диаграмме (фиг.6) представлены функции перемещения Х штоков от времени t. Утолщенными линиями на графиках показаны периоды активного хода штока соответствующего цилиндра при четырехтактном цикле. Тонкие линии графиков соответствуют пассивному движению штоков. Графики имеют обозначения: 57 для штока 7 цилиндра 1; 58 для штока 12 цилиндра 2; 59 для штока 18 цилиндра 3; 60 для штока 23 цилиндра 4; 61 для штока 29 цилиндра 5 и 62 для штока 34 цилиндра 6.

Имеющаяся на фиг.7 изометрическая проекция изображает вращающиеся части БПМ, состоящие из колен 9, 10 и 11 с шейками 8, 13 первого ступенчатого вала, концы 14 и 15 которого сочленены с дисками 16 и 17 соответственно, колен 20, 21 и 22 с шейками 19 и 24 второго ступенчатого вала, концы 25 и 26 которого сочленены соответственно с дисками 27 и 28, и наконец колен 31, 32 и 33 с шейками 30 и 35 третьего ступенчатого вала, концы 36, 37 которого подвижно сочленены с дисками 38 и 39. Крайние диски 16 и 39 имеют выходные валы 44 и 45 соответственно. Штрих-пунктиром обозначены линии движения штоков цилиндров 1-6.

БПМ работает следующим образом.

Предполагается, что работа цилиндров происходит при одностороннем воздействии рабочего тела, осуществляющего процесс выдвижения штоков из цилиндров. При этом допускается четырехтактный режим работы. Под действием рабочего тела, поступающего в полости цилиндров 1-6, поршни цилиндров (не показаны) и соответственно штоки 7, 12, 18, 23, 29 и 34 совершают возвратно-поступательное движение (фиг.6). Пусть в рассматриваемый момент времени t_о выходные валы 43 и 44, диски 16, 17, 27, 28, 38 и 39 располагаются так, что шток 12 цилиндра 2 находится в в.м.т. тогда шток 18 цилиндра 1 находится в положении, показанном на фиг.1, 2, 3, когда его центр крепления к шейке 8 отстает от в.м.т. на расстояние, равное Lsin 120 0,866 L_ш, где L_ш полный ход штока. При этом шток 18 цилиндра 3, шток 23 цилиндра 4 и шток 34 цилиндра 6 окажутся в таком же положение, что и шток 8, а шток 29 цилиндра 5 будет находиться в в.м.т. В этот момент времени имеет место активное движение штока 7 (жирная линия 57 на фиг.6) и начинается активное движение штока 12 (линия 58 на фиг.6) под воздействием рабочих тел в цилиндрах 1 и 2. Через штоки 7 и 12 усилие будет передаваться на подшипники 8 и 13, а дальше через колена 9, 10 и 11 приводить во вращение по часовой стрелке диски 16 и 17. Поскольку последние механически связаны с другими дисками 27, 28, 38 и 39, то они также будут вращаться по часовой стрелке. В цилиндрах 3, 4, 5 и 6 будут проходить соответствующие циклы. Так, в цилиндре 3 будет продолжаться процесс сжатия горючей смеси (59, фиг.6), если это ДВС, в цилиндре 4 продолжается процесс впуска воздуха (60, фиг. 6), в цилиндре 5 начнется процесс впуска воздуха (61, фиг. 6), а в цилиндре 6 продолжится процесс выпуска отработанной смеси (62, фиг.6).

В момент времени, когда шток 7 окажется в н.м.т. вращение будет стимулироваться за счет цилиндра 2 до момента, когда в в.м.т. окажется шток 18 цилиндра 3. Далее начнется активный ход штока 23 цилиндра 5 и наконец, штока 34 цилиндра 6. После этого процесс повторяется. При этом половина времени в активном цикле работают сразу два цилиндра, а время, при котором в активном цикле работает только один цилиндр, приходится на период, когда штоки находятся вне пределов в.м.т. и н.м.т. что обеспечивает плавность работы машины.

Если режим работы цилиндров отличается от четырехтактного (например, двухтактный или непрерывного двустороннего действия), то равномерность и мощность двигателя повышается, так как в активном цикле будет действовать большее число цилиндров. Если штоки цилиндров движутся по синусоидальному закону, то диски будут совершать равномерное вращательное движение.

Диски 16, 17, 27, 28, 38 и 39 входят в зацепление с шестернями 48, 49, 50, 51, 52 и 53, жестко насаженными на общий вал 54, что обеспечивает большую жесткость всей конструкции и препятствует заклиниванию системы. Если равномерно вращать вал от постороннего привода, то штоки будут совершать движение с синусоидальным циклом со сдвигом в 120^о. При этом штоки 1, 4, 2, 5 и 3, 6 попарно будут двигаться синхронно синфазно.

Технико-экономические преимущества изобретения заключаются в повышении надежности машины, поскольку уменьшается вероятность заклинивания механизма, а также в технологичности изготовления, так как расположение цилиндров не отличается от традиционного.

Формула изобретения

БЕСШАТУННАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая цилиндры, закрепленные корпусом в параллельных плоскостях с угловым смещением осей одна относительно другой, размещенные в цилиндрах поршни, штока которых связаны с механическим преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное, включающим связанные между собой ступенчатые валы с шейками, к которым через подшипники присоединены штоки поршней, кинематически связанные со штоками диски и выходные валы, отличающаяся тем, что механический преобразователь выполнен в виде трех ступенчатых валов с двумя шейками на каждом, каждый ступенчатый вал имеет колена, составляющие во фронтальной проекции треугольник, две стороны которого, проходящие между центрами крепления штоков с дисками, равны 1/4 хода штока, а третья сторона, представляющая собой колено, проходящее между центрами крепления штоков, равна 1/4 хода штока, умноженной на при этом концы колен, составляющие вершину описанного треугольника, подвижно сочленены с дисками, расположенными по обеим сторонам ступенчатых валов так, что центры дисков совпадают с осью центрального вала, места подвижного сочленения ступенчатых валов с дисками расположены на расстоянии 1/4 хода штока от центров дисков, проекции точек сочленения во фронтальной проекции совпадают, углы между линиями, проходящими через центры дисков и центры сочленения разных ступенчатых валов с дисками, во фронтальной проекции составляют 120^o, причем внутренние диски сочленены жестко между собой и имеют коренные подшипники, а внешние диски сочленены с выходными валами, кроме того, диски установлены с образованием зубчатого зацепления с шестернями, жестко насаженными на отдельный общий вал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7