Поршневая машина (варианты)

 

Машина предназначена для использования в энергомашиностроении в качестве двигателей, насосов и компрессоров с механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот. Машина содержит корпус, в котором на подшипниках установлен кривошип, а в нем - коромысло с наклонным кронштейном, гибкая герметичная оболочка делит полость корпуса на полости большего и меньшего давления, в первой из которых размещено коромысло с наклонным кронштейном, а во второй - кривошип. Машина содержит гаситель сил инерции, кинематически связанный с наклонным кронштейном. При вращении вала ось кронштейна описывает конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей кривошипа и коромысла. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение надежности и КПД машины. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 16 ил.

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

Наиболее близким аналогом изобретения является поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном (RU 2064598 С1, МПК F 02 B 75/26, 1996).

Однако известная машина характеризуется относительно невысокими КПД и надежностью вследствие значительных механических и гидравлических потерь, сложной конструкции и ее неуравновешенности.

Задачей настоящего изобретения является снижение механических потерь за счет упрощения конструкции и уравновешивание сил инерции, возникающих при движении кронштейна с поршнями, что обеспечивает повышение КПД и надежности машины.

Поставленная задача в части первого варианта решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, согласно изобретению снабжена гибкой герметичной оболочкой, закрепленной на коромысле и корпусе и разделяющей полость последнего на полости большего и меньшего давления, кривошип установлен в полости меньшего давления, а коромысло с кронштейном - в полости большего давления, причем наклонный кронштейн установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что на продолжении второго плеча коромысла может быть установлен с возможностью вращения золотник, выполненный в виде кривошипа и имеющий распределительные окна, расположенные с возможностью их периодического сообщения с соответствующими окнами цилиндров при вращении золотника.

Поставленная задача в части второго варианта решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, согласно изобретению снабжена гасителем сил инерции и крейцкопфами, причем гаситель установлен с возможностью движения, описывающего его продольной осью, пересекающей оси кривошипа и его внутреннего отверстия, конусную поверхность с вершиной в точке пересечения продольной оси гасителя с осью кривошипа, а кронштейн посредством сферических шарниров и крейцкопфов кинематически связан с поршнями блока цилиндров и установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что гаситель сил инерции может быть установлен в корпусе на двух сферических подшипниках, центр сферы одного из которых совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси кривошипа, центр сферы другого подшипника совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси внутреннего отверстия кривошипа, а сам подшипник размещен в торце кронштейна или коромысла.

Поставленная задача решается также тем, что в каждом крейцкопфе могут быть выполнены направляющие в виде шлицов, расположенные на боковой поверхности крейцкопфа вдоль осей поршней и сопряженные с ответными поверхностями, выполненными в блоке цилиндров.

Поставленная задача решается также тем, что кронштейн может быть выполнен в виде шайбы с радиальными выступами, посредством которых шайба связана со сферическими шарнирами крейцкопфов.

Поставленная задача решается также тем, что машина может быть снабжена дополнительным блоком цилиндров, а гаситель сил инерции выполнен в виде кронштейна, кинематически связанного с поршнями дополнительного блока цилиндров.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена описываемая поршневая машина.

На фиг.2 изображена цилиндропоршневая пара в разрезе.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.2.

На фиг.4 изображен вариант разреза А-А на фиг.2.

На фиг.5 изображен вид с торца на блок цилиндров.

На фиг.6 изображен кронштейн в плане.

На фиг.7 изображен продольный разрез кронштейна.

На фиг. 8 и 9 изображены варианты выполнения поршневой машины в виде двигателей внутреннего сгорания.

На фиг.10 изображена схематично центральная часть поршневой машины.

На фиг.11 и 12 изображены варианты выполнения поршневой машины с герметичным картером.

На фиг. 13 изображен вариант выполнения поршневой машины с герметичным картером и одним цилиндром.

На фиг.14 изображена поршневая машина в виде гидромотора.

На фиг.15 и 16 изображены варианты выполнения машины.

Поршневая машина содержит установленный в корпусе 1 на подшипнике 2 кривошип 3, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием 4, ось 5 которого пересекает ось 6 кривошипа 3 под углом α в точке O₁. К одному плечу коромысла 7 прикреплен наклонный кронштейн 8, кинематически связанный посредством сферических шарниров (вкладышей) 9 с крейцкопфами 10 поршней 11 и 12. Коромысло 7 установлено на подшипнике 13 во внутреннем отверстии 4 кривошипа 3. Между дном 14 отверстия 4 кривошипа 3 и торцом коромысла 7 установлен упорный подшипник 15. Второй упорный подшипник 16 установлен между торцом кривошипа 3 и крышкой 17, прикрепленной к корпусу 1. Выходной вал 18 скреплен с кривошипом 3 винтами 19 и штифтами 20. Внутри ступицы 21 кронштейна 8 выполнена сферическая поверхность 22, которая сопряжена со сферой 23 опоры 24, вставленной в отверстие 25 гасителя 26. Ось 27 гасителя 26 пересекает ось 5 внутреннего отверстия 4 и ось 6 кривошипа 3 соответственно в точках О₃ и O₂. Гаситель 26 установлен в сферическом подшипнике 28, прикрепленном к крышке 29 блока цилиндров 30. Для этого он имеет торцевую сферу 31. Корпус 1 скреплен шпильками 32 с крышкой 29.

На фиг.1 показана поршневая машина, выполненная в варианте двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Она содержит блок 33 цилиндров двигателя, картер 34 и блок 30 цилиндров компрессора. Крейцкопф 10 состоит из двух половин, скрепленных шпильками 35. К каждой половине прикреплены поршни: 11 - поршень компрессора и 12 - поршень двигателя. Блок 33 содержит выпускную кольцевую полость 36 (общую для всех цилиндров) и в каждом цилиндре продувочную полость 37, связанную каналом (не показан) с нагнетательной полостью 38. Каждый цилиндр двигателя имеет выпускные окна 39 и продувочные окна 40, которые по высоте меньше выпускных окон. В крышке 29 выполнено отверстие 41 для подачи масла под давлением к сферическим подшипникам. Компрессор снабжен впускным клапаном 42 и нагнетательным клапаном 43 (показаны схематично). Кронштейн 8 получают горячей штамповкой из легированной стали с последующей термообработкой. Блок цилиндров 33 с торца закрыт крышкой 44. Каждый цилиндр двигателя снабжен свечой зажигания 45.

Цилиндропоршневая группа поршневой машины, выполненной в варианте компрессора (фиг. 2), содержит два поршня 46, установленных в цилиндрах 47 и связанных с крейцкопфом 48 посредством шариков 49, которые размещены в канавках 50 поршней 46 и канавках 51 крейцкопфа 48. Выступы крейцкопфа 48 в поршнях 46 и шарики 49 в канавках 51 расположены с зазорами "а" и "б". Шарики 49 засыпают через резьбовые отверстия в штоке каждого поршня, закрываемые заглушками (винтами) 52. Каждый крейцкопф 48 выполнен составным. Две половины 53 крейцкопфа скреплены шпильками 54. Внутренняя поверхность крейцкопфа 48 выполнена сферической и сопряжена со сферическими поверхностями двух вкладышей 55, которые плоскими своими поверхностями контактируют с выступом 56 кронштейна 57. Направляющие 58 и 59 крейцкопфа имеют поверхности 60 и 61, по которым направляются шлицы 62 и 63, выполненные на боковых поверхностях крейцкопфа. Кронштейн 57 составлен из трех частей, склепанных заклепками 64. На фиг.4 показан крейцкопф 65, у которого шлицы 66 смещены относительно оси 67 и соответственно изменены направляющие 68 и 69. Блок цилиндров 30 компрессора двигателя может иметь вставные гильзы 70, водяную рубашку 71 и отверстия 72 для крепежных шпилек. Кронштейн 57 (фиг.6 и 7) связан с двенадцатью поршнями 73 (показаны условно). Плоскость Б симметрии кронштейна 57 (8) пересекается с осью цилиндров 47 (30, 33) в точке О₄.

На фиг. 8 и 9 показаны варианты поршневой машины, выполненной в виде дизельных двигателей с оппозитными поршнями. Внутренняя (картерная) полость 74 (фиг. 9) изолирована от атмосферы с помощью толстой гибкой герметичной оболочки 75, например, в виде мембраны. Гаситель сил инерции 76 выполнен в виде кронштейна 77 и связан с дополнительными поршнями, а опорами для гасителя 76 и кронштейна 77 служат кривошипы 78. По каналам 79 продуваются воздухом (показано стрелками) рабочие цилиндры 80. На фиг.10 показаны основные детали привода поршней и отбора мощности. Кривошип 3 имеет возможность вращения вместе с валом 18. Кронштейн 8 и гаситель сил инерции 26 при вращении вала 18 совершают колебательные движения в противоположных фазах. Компрессор с герметичным картером (фиг.11) содержит корпус 81, в котором на подшипнике 82 установлен кривошип 83, скрепленный с валом 84. Во внутреннем отверстии 85 кривошипа 83 на подшипнике 86 установлено коромысло 87, ко второму плечу которого, размещенному в картере 88, прикреплен винтами 89 кронштейн 90. Между корпусом 81 и прижимом 91 зажата шпильками 92 гибкая герметичная оболочка 93, выполненная из специальной резины, армированной прочными нитями (кордом). На коромысло 87 гибкая герметичная оболочка 93 надета с натягом и зажата между двумя эластичными шайбами 94. В полость с атмосферным давлением помещены стальные шарики 95 диаметром 1,5...2,5 мм. Если давление газа в картере 88 очень высокое, то может быть предусмотрено прокачивание масла через шарики 95 под давлением, но только при работающем компрессоре. Между шариками 95 и гибкой оболочкой 93 установлены секторы 96. Вместо шариков в полости 97 может быть установлена эластичная шайба 98. С кронштейном 99 связаны компрессорные поршни 100 и поршни 101 двигателя. С кронштейном 102 связана сфера 103 штока 104. Корпус 105 закрыт крышкой 106. В полости 107 может быть очень высокое давление газа или жидкости (фиг.12 и 13).

На фиг.14 изображен гидравлический мотор-насос. К корпусу 108 прикреплен блок цилиндров 109 с поршнями 110. На коромысле 111 закреплен наклонный кронштейн 112, имеющий фланец 113, кинематически связанный со сферическими концами 114 поршней 110. Наклонный кронштейн 112 крепится посредством втулки 115 и винта 116 на втором плече 117 коромысла 111. Поршни 110 размещены равномерно по кругу вокруг оси 6 кривошипа 83 и прижаты к фланцу 113 пружинами 118. Полость каждого цилиндра соединена окном 119 со сверлением 120, которое закрыто резьбовой заглушкой 121. Два распределительных окна 122 размещены на золотнике 123, который выполнен в виде кривошипа 83. Во внутреннее отверстие 124 золотника 123 запрессован подшипник 125, охватывающий втулку 115. Распределительное окно 122 золотника сообщается с отверстием 126 и отверстием 127 крышки 128. Канавка 129 в золотнике сообщается со вторым распределительным окном золотника и с отверстием 130 крышки 128. Между двумя распределительными окнами 122 золотника 123 выполнены разделительные перемычки 131. Крышка 128 прикреплена к блоку 109 болтами 132.

Поршневая машина работает следующим образом.

При вращении кривошипа 83 вместе с валом 84 (фиг.11) продольная ось 5 кронштейна 90 совершает движение по конусной поверхности с вершиной в точке О₁, при этом поршни 133 совершают возвратно-поступательное движение. Гибкая герметичная оболочка 93 подвергается кососимметричной, циклической по окружности, деформации под действием коромысла 87, ось которого совмещена с продольной осью 5 кронштейна 90. Шарики 95 совершают очень малое перемещение относительно друг друга.

Поскольку гаситель 26 совершает такое же движение, что и кронштейн 8, но в противоположной фазе (фиг.10), то силы инерции, возникающие от движения кронштейна 8 и поршней, связанных с ним, гасятся противоположными силами инерции, возникающими от движения массы гасителя.

Поршневая машина (фиг.1), выполненная в варианте ДВС, имеет пятикратное превосходство перед традиционными ДВС по рабочему объему цилиндров. В варианте компрессора это превосходство доходит до восьмикратной величины.

Настоящее изобретение обеспечивает повышение надежности и КПД машины за счет снижения механических и гидравлических потерь, упрощения конструкции и обеспечения ее уравновешенности.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, отличающаяся тем, что она снабжена гибкой герметичной оболочкой, закрепленной на коромысле и корпусе и разделяющей полость последнего на полости большего и меньшего давления, кривошип установлен в полости меньшего давления, а коромысло с кронштейном - в полости большего давления, причем наклонный кронштейн установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на продолжении второго плеча коромысла установлен с возможностью вращения золотник, выполненный в виде кривошипа и имеющий распределительные окна, расположенные с возможностью их периодического сообщения с соответствующими окнами цилиндров при вращении золотника.

3. Поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, отличающаяся тем, что она снабжена гасителем сил инерции и крейцкопфами, причем гаситель установлен с возможностью движения, описывающего его продольной осью, пересекающей оси кривошипа и его внутреннего отверстия, конусную поверхность с вершиной в точке пересечения продольной оси гасителя с осью кривошипа, а кронштейн посредством сферических шарниров и крейцкопфов кинематически связан с поршнями блока цилиндров и установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

4. Машина по п.3, отличающаяся тем, что гаситель сил инерции установлен в корпусе на двух сферических подшипниках, центр сферы одного из которых совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси кривошипа, центр сферы другого подшипника совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси внутреннего отверстия кривошипа, а сам подшипник размещен в торце кронштейна или коромысла.

5. Машина по п.3, отличающаяся тем, что в каждом крейцкопфе выполнены направляющие в виде шлицов, расположенные на боковой поверхности крейцкопфа вдоль осей поршней и сопряженные с ответными поверхностями, выполненными в блоке цилиндров.

6. Машина по п.3, отличающаяся тем, что кронштейн выполнен в виде шайбы с радиальными выступами, посредством которых шайба связана со сферическими шарнирами крейцкопфов.

7. Машина по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным блоком цилиндров, а гаситель сил инерции выполнен в виде кронштейна, кинематически связанного с поршнями дополнительного блока цилиндров.

8. Машина по любому из п.3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что центры сферических шарниров крейцкопфов расположены в плоскости, перпендикулярной оси коромысла и проходящей через точку пересечения этой оси с осью кривошипа.

РИСУНКИ

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, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16