Поршневая машина

 

Изобретение предназначено для использования в энергомашиностроении в качестве двигателя, насоса и компрессора с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот. Машина содержит корпус, вал, установленные на нем, по меньшей мере, два кривошипа, выполненные в виде стаканов с наклонными отверстиями, в которых на подшипниках размещены коромысла с наклонными дисками, связанными посредством сферических шарниров с оппозитными поршнями блоков цилиндров. Кривошипы связаны установленной с ними соосно муфтой, причем муфта установлена неподвижно вдоль оси, а, по крайней мере, один кривошип установлен с возможностью перемещения вдоль оси. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и уменьшение габаритов. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, касается усовершенствования аксиально-поршневых машин и может быть использовано при изготовлении тепловых двигателей, компрессоров, насосов, гидромоторов.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является поршневая машина, содержащая корпус, блоки оппозитно расположенных в нем цилиндров, два наклонных невращающихся диска, установленных с возможностью синхронного колебания относительно друг друга в противофазах и связанных посредством сферических шарниров с оппозитными поршнями, размещенными в цилиндрах блоков вокруг центральной оси корпуса, два кривошипа, посредством коромысел связанных с наклонными дисками, установленных на одной оси в центре корпуса с возможностью вращения и имеющих наклонные внутренние отверстия, оси которых пересекают оси кривошипов (SU 1694934 А1, МПК F 01 В 3/02, 1991).

Однако известная машина характеризуется повышенной сложностью конструкции и значительными габаритами.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции машины и уменьшение ее габаритов.

Поставленная задача решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, блоки оппозитно расположенных в нем цилиндров, два наклонных невращающихся диска, установленных с возможностью синхронного колебания относительно друг друга в противофазах и связанных посредством сферических шарниров с оппозитными поршнями, размещенными в цилиндрах блоков вокруг центральной оси корпуса, два кривошипа, посредством коромысел связанных с наклонными дисками, установленных на одной оси в центре корпуса с возможностью вращения и имеющих наклонные внутренние отверстия, оси которых пересекают оси кривошипов, согласно изобретению снабжена муфтой, связывающей кривошипы между собой и установленной с ними соосно с возможностью синхронного вращения вместе с кривошипами, причем каждый кривошип выполнен в виде стакана, во внутреннем отверстии которого на подшипниках установлено коромысло.

Поставленная задача решается также тем, что машина может быть снабжена шестернями, одна из которых закреплена на муфте, а другая - на валу привода с возможностью зацепления между собой.

Поставленная задача решается также тем, что муфта может быть установлена неподвижно вдоль своей оси, а, по крайней мере, один кривошип установлен подвижно и снабжен средством перемещения вдоль своей оси вращения вместе с наклонным диском и связанными с диском поршнями.

Поставленная задача решается также тем, что средство перемещения кривошипа может быть выполнено в виде шарико-винтовой пары, связанной со сферической опорой наклонного диска, и поворотного гидромотора.

Поставленная задача решается также тем, что каждый наклонный диск может быть снабжен расположенными по кругу радиальными лапками, посредством которых он связан со сферическими шарнирами поршней, и состоит из двух половин с конусными боковыми поверхностями и ребрами жесткости, расположенными по кругу.

Поставленная задача решается также тем, что центры сферических шарниров могут быть расположены в плоскости наклонного диска, перпендикулярной оси коромысла и проходящей через точку пересечения этой оси с осью вращения кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что центр сферического шарнира может быть расположен между осью поршня и боковой его поверхностью.

Поставленная задача решается также тем, что машина может быть снабжена третьим кривошипом, установленным соосно с первыми двумя с возможностью вращения и скрепленным с валом, а одно коромысло выполнено двуплечим и второе его плечо установлено на подшипниках во внутреннем отверстии третьего кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что на наружной боковой поверхности каждого кривошипа могут быть выполнены две проточки для установки на них подшипников.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 показаны варианты выполнения описываемой поршневой машины.

На фиг. 3 изображен местный разрез I в увеличенном масштабе.

На фиг. 4 изображен местный разрез II в увеличенном масштабе.

На фиг. 5 изображена схема поршневой машины.

На фиг. 6 изображен местный разрез III в увеличенном масштабе.

На фиг. 7 схематично изображен наклонный диск.

На фиг. 8 изображен наклонный диск, собранный с коромыслом и кривошипами, а на фиг. 9 - вариант выполнения.

На фиг. 10 изображен наклонный диск, собранный с коромыслом и третьим кривошипом.

Поршневая машина в варианте дизельного двигателя или бензинового с впрыском топлива в цилиндры содержит блок 1 цилиндров для двигателя и блоки 2 и 3 цилиндров компрессора, закрытых с торцов крышками 4. Вокруг центральной оси 5 расположены одиннадцать цилиндров 6, в которых размещены поршни 7 двигателя и поршни 8 компрессора. Каждая пара поршней 7 и 8 скреплена шпильками 9, при этом между поршнями образована полость со сферической поверхностью, в которую вставлены вкладыши - сферические шарниры 10. Каждая пара вкладышей 10 своими сферическими поверхностями сопряжена со сферической поверхностью указанной выше полости. Центры сферических шарниров - вкладышей 10 размещены в плоскости диска 11, перпендикулярной оси 13 или 15 коромысла 12 или 14 и проходящей через точку 22 или 23 пересечения этой оси с осью наружной боковой поверхности кривошипа 16 или 17. Центр сферического шарнир - вкладыша 10 может быть расположен между осью поршня 7 или 8 и боковой его поверхностью (не показано). Плоскими поверхностями полусферы вкладышей 10 прилегают к плоским поверхностям наклонных дисков 11, закрепленных на коромыслах 12 и 14, оси 13 и 15 которых наклонены к оси 5 под острыми углами α и α₁. Углы α и α₁ могут быть равны или не равны друг другу. Кривошипы 16 и 17 установлены соосно с осью 5. Кривошип 17 (фиг. 1) скреплен с коническим зубчатым колесом 18, а на фиг. 2 он скреплен с муфтой 19. Кривошип 16 имеет направляющие штифты 20 (фиг. 3), которые входят в отверстия 21, выполненные в муфте 19. Между кривошипом 16 и муфтой 19 имеется зазор а. Оси 13 и 15 коромысел 12 и 14 пересекают ось 5 соответственно в точках 22 и 23. Через эти точки проходят две плоскости 24, в которых лежат центры 25 сферических поверхностей вкладышей 10. Вал 26 на фиг. 1 предназначен для запуска двигателя и отбора мощности при его работе. Он расположен между двумя, рядом стоящими цилиндрами блока 1 и скреплен с шестерней 27, которая зацеплена с зубчатым колесом 18, установленным на кривошипе 17 или муфте 19. В данном варианте опорами для двух коромысел 14 служат пальцы 28 и 29 со сферами 30.

Запуск двигателя и отбор мощности может производиться от вала 31, скрепленного с кривошипом 32 (фиг. 2 и 4). Двигатель имеет водяную рубашку 33 для охлаждения и полость 34, в которую выпускаются отработанные газы через окна 35 в цилиндрах 36 двигателя. Каждый цилиндр 36 имеет полость 37, сообщающуюся с продувочными окнами 38 и двумя полостями 39 через каналы 40. Кривошипы 16 и 17 установлены на подшипниках качения 41 в корпусе 42. Кривошип 32 установлен на подшипнике качения 43 в блоке компрессора 2. Все кривошипы установлены соосно с осью 5. Каждый цилиндр 36 снабжен камерой сгорания 45 и форсункой 46 для впрыска топлива, размещенными во впадинах между двумя рядом стоящими цилиндрами.

Для смазки трущихся поверхностей вкладышей 10 в каждом поршне 7, 8 выполнена полость 47, куда закладывают специальную густую смазку. Смазка поступает к поверхности вкладыша по капиллярному отверстию. Полость 47 закрыта резьбовой пробкой 48. Каждый наклонный диск 11 посажен на свое коромысло с гарантированным натягом. Диск 11 состоит из двух одинаковых половин 49, каждая из которых внутри полая и имеет ребра жесткости 50 и конусные боковые поверхности (фиг. 4). Внутри кривошипов 16, 17 и 32 коромысла 12 и 14 посажены на подшипники качения 51 и 52. Между дном кривошипа 32 и торцом коромысла 12 установлен упорный подшипник 53, а между торцом кривошипа 32 и крышкой 54 с уплотнением 44 - подшипник 55. Вал 31 прикреплен к кривошипу 32 штифтами 56 и винтами 57. Смазка трущихся поверхностей комбинированная с использованием масляного тумана и густой смазки, помещенной в специальные пустоты (полости), выполненные в поршнях и коромыслах. Может быть применен картер для жидкого масла (не показан). Например, полость 58 (фиг. 3) заполнена смазкой, которая смазывает вкладыш 59 сферы 30 и подшипник качения 52, установленный во внутреннем отверстии 60 кривошипа 16. Кривошипы 16, 17 и 32 выполнены (каждый) в виде стаканов с наклонными внутренними отверстиями 60, оси которых пересекают оси кривошипов (наружных цилиндрических поверхностей) в точках 22 и 23 (фиг. 1, 2). Кривошип для привода и отбора мощности может быть выполнен снаружи двухступенчатым. Длина L плеча 62 коромысла, посаженного в роликовые подшипники 63, и диаметр D этого плеча связаны неравенством: L≥1,5D (фиг. 6).

Маховик 61 жестко скреплен с кривошипами 16 и 17 (фиг. 5). Поршни показаны схематично. Наклонный диск 11 (фиг. 5 и 7) имеет одиннадцать (по числу цилиндров) радиальных лапок 64, каждая из которых с двух сторон прилегает к вкладышам 10 (фиг. 7).

Работа двигателя. При вращении вала 31, скрепленного с кривошипом 32, ось 13 коромысла 12 описывает конусную поверхность с вершиной в точке 22 (фиг. 5, 8, 9). Поскольку одно плечо 62 коромысла 12 расположено в роликовых подшипниках 63, то второе плечо 70, установленное во внутреннем отверстии кривошипа 17 на шарикоподшипниках 68, приводит во вращение маховик 61 и кривошип 16. Ось 15 коромысла 14 движется по конусной поверхности с вершиной в точке 23 (фиг. 5). Диски 11 (каждый) совершают колебательные движения, не вращаясь вокруг собственной оси. Поршни 7 и 8 в цилиндрах 6 и 36 движутся в противоположных направлениях. После запуска двигателя поршни 7 действуют на лапки 64 (фиг. 5) дисков 11, вынуждая последние колебаться и вращать кривошипы 16, 17 и 32. Для получения переменной степени сжатия двигатель снабжен шарико-винтовой парой, связанной с поворотным гидромотором (не показаны). Это устройство имеет возможность перемещать палец 29 и связанные с ним кривошип 16 и наклонный диск 11 вместе с поршнями 7, 8 вправо. Зазор а при этом ликвидируется, а степень сжатия двигателя увеличивается.

Можно установить второе такое же устройство с противоположной стороны двигателя для перемещения пальца 28 и связанных с ним узлов влево. В этом случае открывается возможность не только почти мгновенно изменять степень сжатия, но и изменять фазы газораспределения двигателя, что позволит увеличить его экономичность (фиг. 1, 3, 5). В предложенной поршневой машине поршни почти не давят на стенки цилиндров в процессе работы. По компактности машина превосходит многие известные поршневые машины, полностью уравновешена и имеет минимальное количество деталей.

В предложенной поршневой машине относительные скорости между трущимися поверхностями сравнительно небольшие. Например, для машины с рабочим объемом цилиндров 10 литров расстояние А между цилиндрами будет 360 мм. Если скорость вращения вала 31 принять n=3600 об/мин, то средняя скорость поршня будет 6 м/сек, скорости V₂ и V₁ соответственно равны 0,4 м/сек и 0,74 м/сек. Мощность бензинового двигателя будет ≈500 л.с. (фиг. 5).

Кривошип 32 может иметь буртик 65 для повышения его прочности и жесткости. Буртик 65 размещен в месте, где максимально сближаются две поверхности: боковая наружная цилиндрическая и поверхность внутреннего отверстия кривошипа (фиг. 9).

На фиг. 10 изображен вариант выполнения сборки кривошипа диска и коромысла. Диск 66 имеет буртик 67, который входит во внутреннее отверстие 60 кривошипа. Буртик 69 коромысла фиксирует диск 66 от перемещения вдоль оси 13. Снаружи кривошип имеет цилиндрическую боковую поверхность 71 и две проточки 72, на которых установлены подшипники 73. Вокруг центральной оси 5 расположены оси 74 цилиндров и поршней. Коромысло имеет снаружи вид прямого кругового цилиндра, в средней части которого расположен буртик 69, размещенный в плоскости 24 разъема половинок диска.

Таким образом, изобретение обеспечивает упрощение конструкции машины и уменьшение ее габаритов.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, содержащая корпус, блоки оппозитно расположенных в нем цилиндров, два наклонных невращающихся диска, установленных с возможностью синхронного колебания относительно друг друга в противофазах и связанных посредством сферических шарниров с оппозитными поршнями, размещенными в цилиндрах блоков вокруг центральной оси корпуса, два кривошипа, посредством коромысел, связанных с наклонными дисками, установленных на одной оси в центре корпуса с возможностью вращения и имеющих наклонные внутренние отверстия, оси которых пересекают оси кривошипов, отличающаяся тем, что она снабжена муфтой, связывающей кривошипы между собой и установленной с ними соосно с возможностью синхронного вращения вместе с кривошипами, причем каждый кривошип выполнен в виде стакана, во внутреннем отверстии которого на подшипниках установлено коромысло.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена шестернями, одна из которых закреплена на муфте, а другая - на валу привода с возможностью зацепления между собой.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что муфта установлена неподвижно вдоль своей оси, а, по крайней мере, один кривошип установлен подвижно и снабжен средством перемещения вдоль своей оси вращения вместе с наклонным диском и связанными с диском поршнями.

4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что средство перемещения кривошипа выполнено в виде шарико-винтовой пары, связанной со сферической опорой наклонного диска, и поворотного гидромотора.

5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что каждый наклонный диск снабжен расположенными по кругу радиальными лапками, посредством которых он связан со сферическими шарнирами поршней, и состоит из двух половин с конусными боковыми поверхностями и ребрами жесткости, расположенными по кругу.

6. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что центры сферических шарниров расположены в плоскости наклонного диска, перпендикулярной оси коромысла и проходящей через точку пересечения этой оси с осью вращения кривошипа.

7. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что центр сферического шарнира расположен между осью поршня и боковой его поверхностью.

8. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена третьим кривошипом, установленным соосно с первыми двумя с возможностью вращения и скрепленным с валом, а одно коромысло выполнено двуплечим и второе его плечо установлено на подшипниках во внутреннем отверстии третьего кривошипа.

9. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что на наружной боковой поверхности каждого кривошипа выполнены две проточки для установки на них подшипников.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10