Поршневая машина

 

Использования: в машиностроении, энергетике, на транспорте и в других отраслях. Машина содержит цилиндр, поршень со штоком и механизм преобразования, включающий планетарный механизм внутреннего зацепления с неподвижным центральным колесом и сателлитом, подвижно связанным с водилом выходного вала и посредством пальца - со штоком. Диаметр делительной окружности сателлита равен половине диаметра делительной окружности центрального колеса, а продольные оси пальца и сателлита смещены друг от друга на половину диаметра делительной окружности сателлита. Водило образовано двумя дисками, соосными центральному колесу и взаимодействующими с его торцами через узлы качения. Вал сателлита эксцентрично установлен в дисках водила посредством узлов качения, а палец жестко закреплен на опорном элементе вала сателлита. Оба диска водила жестко связаны между собой через компенсатор. Водило связано с выходным валом посредством зубчатого венца на одном из дисков зацепленного с шестерней выходного вала. Изобретение обеспечивает повышение КПД и расширение функциональных возможностей. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к общему машиностроению, в частности к поршневым машинам.

Известна поршневая машина с безшатунным преобразованием возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала и наоборот, авт. свидетельство СССР 1771513, МКИ (5) F 01 В 9/02, публикация 23.10.92 г. (Бюл. 39), содержащая рабочий вал, корпус, размещенные в нем блоки параллельно расположенных цилиндров, в каждом из которых расположены по два связанных между собой штоками оппозитных поршня. Двухколенчатый вал выполнен из двух частей, каждая из которых установлена в отдельной эксцентриковой втулке с возможностью вращения в противоположных друг другу направлениях. Части двухколенчатого вала связаны через свои обращенные друг к другу кривошипные шейки шарнирной муфтой, а вторыми кривошипными шейками части двухколенчатого вала связаны со штоками поршней. Эксцентриковые втулки связаны посредством их зубчатых венцов с зубчатым венцом рабочего вала.

При работе в режиме компрессора или насоса рабочий вал приводится во вращение, через зубчатую передачу вращает эксцентриковые втулки в корпусе в противоположных направлениях. Так как обращенные друг к другу кривошипные шейки частей двухколенчатого вала связаны между собой шарнирной муфтой, то эта муфта строго прямолинейно будет перемещаться в корпусе перпендикулярно плоскости движения штоков в цилиндрах, а вторые кривошипные шейки частей двухколенчатого вала будут прямолинейно перемещаться, перемещая тем самым прямолинейно возвратно-полтупательно штоки поршней без бокового прижима последних к стенкам цилиндров. Происходит это потому, что эксцентриситет каждой втулки равен радиусам колен частей двухколенчатого вала (т.е. радиусам колен кривошипных шеек частей двухколенчатого вала). Образуется эффект инверсии - преобразование кривых в математически точный механизм прямолинейного движения (прямило). При работе поршневой машины в режиме двигателя все происходит в обратной последовательности.

Недостатками данного технического решения является: невозможность применения реализуемого в нем устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот в поршневых машинах с одним поршнем, так как в данном решении необходимое ограничение одной степени свободы кривошипной шейки, связанной со штоком, решается за счет наличия двух поршней, расположенных в соосных цилиндрах, и связи кривошипных шеек между собой шарнирной муфтой, а в случае применения одного поршня данное техническое решение не может это обеспечить; низкий коэффициент полезного действия устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот из-за больших потерь на трение скольжения между его взаимодействующими составляющими; большие габариты устройства преобразования движения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является поршневая машина, патент Франции 1302393, МПК F 16 H 21/36, публикация 31.08.62 г. , содержащая оппозитно расположенные цилиндры, в которых размещены поршни, связанные между собой штоком, который с помощью пальца связан с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движения вала, выполненным в виде зубчатого планетарного механизма внутреннего зацепления, имеющего центральное зубчатое колесо и входящий с ним в зацепление сателлит, установленный на водиле вала и связанный со штоком с помощью пальца, сочлененного с сателлитом. Центральное зубчатое колесо неподвижно установлено относительно цилиндров, а его диаметр делительной окружности равен двум диаметрам сателлита, причем продольная ось пальца расположена с эксцентриситетом относительно продольной оси сателлита, равным половине диаметра делительной окружности последнего, т.е. продольная ось пальца пересекает делительный диаметр окружности сателлита.

По сравнению с предыдущем техническим решением в данном техническом решении появляется возможность применения реализуемого в нем механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот в поршневых машинах с одним поршнем, так как в данном решении необходимое ограничение одной степени свободы пальца, сочлененного с сателлитом и связанного со штоком, решается за счет выполнения механизма преобразования движения в виде зубчатого планетарного механизма внутреннего зацепления, имеющего центральное зубчатое колесо и входящий с ним в зацепление сателлит, установленный на водиле, а это при условии, что диаметр делительной окружности центрального зубчатого колеса, неподвижно установленного относительно цилиндра (цилиндров), равен двум диаметрам сателлита, и что продольная ось пальца расположена с эксцентриситетом относительно продольной оси сателлита равным половине диаметра его делительной окружности, - позволяет пальцу перемещаться возвратно-поступательно, увлекая за собой шток поршня (или наоборот, штоку поршня перемещать палец возвратно-поступательно и через планетарный механизм преобразования получать вращательное движение на валу водила) без каких либо дополнительных направляющих (функцию направляющих (т.е. ограничителя одной степени свободы пальца) в данном случае выполняет зубчатое зацепление центрального зубчатого колеса с сателлитом), а это дает возможность применить данное техническое решение не только в поршневых машинах с оппозитно расположенными поршнями, но и в поршневых машинах с одним поршнем.

Однако данное техническое решение как и предыдущее имеет такие недостатки, как: определенное ограничение частоты вращения вала водила поршневой машины и низкий коэффициент полезного действия ее механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот из-за больших потерь на трение скольжения между взаимодействующими поверхностями его составляющих (между валом водила и его гнездом, между сателлитом и его осью, между пальцем и гнездом для него в штоке), для которых (взаимодействующих поверхностей) обязательно наличие на них высококачественного масла, подаваемого под давлением; большие осевые нагрузки в выполненном в виде планетарного механизма внутреннего зацепления механизма преобразования движения, так как вал водила и ось сателлита имеют только по одной опоре; сложность применения данного технического решения в случае применения его в поршневой машине с рядным расположением цилиндров, так как при применении нескольких планетарных механизмов внутреннего зацепления, таких как в данном техническом решении, представляет конструктивную сложность соединения их валов водил.

Задача изобретения: уменьшение осевых нагрузок в зубчатом планетарном механизме внутреннего зацепления поршневой машины, повышение ее КПД и создание возможности для работы ее с большей частотой выходного вала за счет уменьшения потерь на трение скольжения между поверхностями ее взаимодействующих составляющих, возможность использования поршневой машины в многопоршневом варианте исполнения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в поршневой машине, включающей по меньшей мере один цилиндр с расположенным в нем поршнем, с которым жестко связан шток, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, имеющий зубчатый планетарный механизм внутреннего зацепления с неподвижным относительно цилиндра центральным зубчатым колесом и входящим с ним в зацепление сателлитом, подвижно связанным с водилом, который связан с выходным валом, и подвижно связанным посредством жестко связанного с ним пальца со штоком, причем диаметр делительной окружности сателлита равен половине диаметра делительной окружности центрального зубчатого колеса, а продольная ось пальца расположена со смещением относительно продольной оси сателлита на расстоянии, равном половине диаметра делительной окружности сателлита, согласно изобретению водило образовано двумя дисками, расположенными соосно своими продольными осями относительно центрального зубчатого колеса напротив его торцов и взаимодействующими с последними через основные подшипниковые узлы качения, соосные с центральным зубчатым колесом, а сателлит жестко соединен со своим валом, который эксцентрично установлен в дисках водила через дополнительные подшипниковые узлы качения, причем палец жестко закреплен на опорном элементе вала сателлита, расположенном на одном из концов вала сателлита, оба же диска водила жестко связаны между собой по меньше мере через один компенсатор, расположенный между ними, а по меньшей мере на одном из дисков водила выполнен зубчатый венец, зацепленный с шестерней выходного вала.

В частном случае выполнения, сателлит выполнен заодно целое в виде единой детали со своим валом.

В частном случае выполнения, на дисках водила выполнены дорожки качения основных и дополнительных подшипниковых узлов качения.

В частном случае выполнения, на свободном конце вала сателлита установлена опорная втулка с дорожкой качения одного из дополнительных подшипниковых узлов качения, а на опорном элементе вала сателлита выполнена дорожка качения одного из дополнительных подшипниковых узлов качения.

В частном случае выполнения, на торцах центрального зубчатого колеса выполнены дорожки качения основных подшипниковых узлов качения.

В частном случае выполнения, основные и дополнительные подшипниковые узлы качения выполнены в виде радиально-упорных шариковых подшипников.

В частном случае выполнения, диски водила жестко связаны между собой через один компенсатор, занимающий свободное пространство между ними и выполненный в виде массивной детали.

В частном случае выполнения, части водила жестко связаны между собой посредством по меньшей мере одного стяжного болта, проходящего сквозь компенсатор.

В частном случае выполнения, только на одном из дисков водила выполнен зубчатый венец зацепленный с шестерней выходного вала.

Сравнение заявляемого технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета показывает, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предлагаемое решение имеет признаки, отсутствующие в известных решениях, а их использование в заявляемой совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется на чертежах: фиг.1. - поршневая машина, продольный разрез; фиг.2. - кинематическая схема поршневой машины.

Поршневая машина, в частном случае выполнения содержит один цилиндр 1 с расположенным в нем поршнем 2, с которым жестко связан шток 3, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, имеющий зубчатый планетарный механизм внутреннего зацепления 4 с неподвижным относительно цилиндра 1 центральным зубчатым колесом 5 и входящим с ним в зацепление сателлитом 6, подвижно связанным с водилом 7, который связан с выходным валом 8, и подвижно связанным посредством жестко связанного с ним пальца 9 со штоком 3. Диаметр делительной окружности "d" сателлита 6 равен половине диаметра делительной окружности "D" центрального зубчатого колеса 5, а продольная ось "L" пальца 9 расположена со смещением относительно продольной оси "М" сателлита 6 на расстоянии, равном половине диаметра делительной окружности "d" сателлита 6.

Водило 7 образовано двумя дисками 10 и 11, расположенными соосно своими продольными осями относительно центрального зубчатого колеса 5 напротив его торцов 12, 13 и взаимодействующими с последними через основные подшипниковые узлы качения 14 и 15 соответственно, которые соосны с центральным зубчатым колесом 5.

Сателлит 6 жестко соединен со своим валом 16, который эксцентрично установлен в дисках 10 и 11 водила 7 через дополнительные подшипниковые узлы качения 17 и 18, причем палец 9 жестко закреплен на опорном элементе 19 вала 16 сателлита 6, расположенном на одном из концов вала 16 сателлита 6, в частном случае выполнения опорный элемент 19 вала 16 сателлита 6 расположен на том конце вала 16 сателлита 6, который находится со стороны диска 11 водила 7. В частном случае выполнения сателлит 6 выполнен заодно целое в виде единой детали со своим валом 16, как и опорный элемент 19, также выполненный за одно целое с валом 16 сателлита 6.

Оба же диска 10 и 11 водила 7 жестко связаны между собой в частном случае выполнения через один компенсатор 20, расположенный между ними. В частном случае выполнения (см. фиг. 1) компенсатор 20 занимает свободное пространство между дисками 10 и 11 водила 7 (имеется ввиду свободное пространство от сателлита 6) и выполнен в виде массивной детали. Компенсатор 20 предназначен для уравновешивания вращающихся масс в поршневой машине и для выборки зазоров в основных подшипниковых узлах качения 14 и 15.

Водило 7 связано с выходным валом 8 посредством зубчатого венца 21 на диске 11 водила 7, зацепленного с шестерней 22 выходного вала 8. В частном случае выполнения связь водила 7 с выходным валом 8 из соображений равномерности распределения нагрузок на составляющие детали зубчатого планетарного механизма внутреннего зацепления может осуществляться посредством зубчатых венцов, выполненных на обоих дисках 10 и 11 водила 7.

В частном случае выполнения, основные подшипниковые узлы качения 14 и 15 выполнены в виде радиально-упорных шариковых подшипников, дорожки качения 23 и 24 которых выполнены соответственно на дисках 10, 11 водила 7 и на торцах 12, 13.

В частном случае выполнения дополнительные подшипниковые узлы качения 17 и 18 выполнены в виде радиально-упорных шариковых подшипников, дорожки качения 25 и 26 которых выполнены соответственно на дисках 10 и 11 водила 7, а дорожки 27 и 28 - соответственно на опорном элементе 19 вала 16 сателлита 6 и опорной втулке 29, установленной (прикрученной к валу 16 сателлита 6) на свободном конце вала 16 сателлита 6.

В частном случае выполнения, диски 10 и 11 водила 7 жестко связаны между собой посредством стяжного болта 30, проходящего сквозь компенсатор 20.

Работает поршневая машина следующими образом.

При движении поршня 2 в цилиндре 1 (см. фиг.1 и 2) шток 3 давит на палец 9 опорного элемента 19 вала 16 сателлита б зубчатого планетарного механизма внутреннего зацепления 4, при этом палец 9 будет перемещаться возвратно-поступательно, а при наличии зубчатого зацепления сателлита 6 с неподвижным зубчатым колесом 5 и при условии что диаметр делительной окружности "d" сателлита 6 равен половине диаметра делительной окружности "D" центрального зубчатого колеса 5, а продольная ось "L" пальца 9 расположена со смещением относительно продольной оси "М" сателлита 6 на расстоянии, равном половине диаметра делительной окружности "d" сателлита 6, происходит вращение водила 7 (т.е сателлит 6, обкатывая центральное зубчатое колесо 5, заставляет через вал 16 сателлита вращать диски 10 и 11 водила 7). А так как диск 11 водила 7 зацеплен своим зубчатым венцом 21 с шестерней 22 выходного вала 8, то крутящий момент от водила 7 будет передаваться на этот выходной вал 8.

При возвратно-поступательном движении пальца 9 он одновременно вращается относительно своей продольной оси "L".

За счет применения в заявляемом техническом решении поршневой машины зубчатого планетарного механизма внутреннего зацепления 4, в котором применена двухопорная схема установки водила 7 относительно его центрального зубчатого колеса 5, а также за счет применения в качестве опор водила 7 и вала 16 сателлита 6 именно подшипниковых узлов качения (а не скольжения - как в прототипе), решается задача изобретения: уменьшение осевых нагрузок в зубчатом планетарном механизме внутреннего зацепления поршневой машины, повышение ее КПД и создание возможности для работы ее с большей частотой выходного вала за счет уменьшения потерь на трение скольжения между поверхностями ее взаимодействующих составляющих.

Кроме того применение на одном из дисков (или на обоих в одном из частных случаях) водила зубчатого зацепления позволяет в конструктивно простом решении производить отбор мощности на выходной вал в многопоршневом варианте выполнения поршневой машины.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, включающая по меньшей мере один цилиндр с расположенным в нем поршнем, с которым жестко связан шток, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, имеющий зубчатый планетарный механизм внутреннего зацепления с неподвижным относительно цилиндра центральным зубчатым колесом и входящим с ним в зацепление сателлитом, подвижно связанным с водилом, который связан с выходным валом, и подвижно связанным посредством жестко связанного с ним пальца со штоком, причем диаметр делительной окружности сателлита равен половине диаметра делительной окружности центрального зубчатого колеса, а продольная ось пальца расположена со смещением относительно продольной оси сателлита на расстоянии, равном половине диаметра делительной окружности сателлита, отличающаяся тем, что водило образовано двумя дисками, расположенными соосно своими продольными осями относительно центрального зубчатого колеса напротив его торцов и взаимодействующими с последними через основные подшипниковые узлы качения, соосные с центральным зубчатым колесом, а сателлит жестко соединен со своим валом, который эксцентрично установлен в дисках водила через дополнительные подшипниковые узлы качения, причем палец жестко закреплен на опорном элементе вала сателлита, расположенном на одном из концов вала сателлита, оба диска водила жестко связаны между собой по меньшей мере через один компенсатор, расположенный между ними, а по меньшей мере на одном из дисков водила выполнен зубчатый венец, зацепленный с шестерней выходного вала.

2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что сателлит выполнен за одно целое в виде единой детали со своим валом.

3. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на дисках водила выполнены дорожки качения основных и дополнительных подшипниковых узлов качения.

4. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на свободном конце вала сателлита установлена опорная втулка с дорожкой качения одного из дополнительных подшипниковых узлов качения.

5. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на опорном элементе вала сателлита выполнена дорожка качения одного из дополнительных подшипниковых узлов качения.

6. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на торцах центрального зубчатого колеса выполнены дорожки качения основных подшипниковых узлов качения.

7. Поршневая машина по любому из пп.3-6, отличающаяся тем, что основные и дополнительные подшипниковые узлы качения выполнены в виде радиально-упорных шариковых подшипников.

8. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что диски водила жестко связаны между собой через один компенсатор, занимающий свободное пространство между ними и выполненный в виде массивной детали.

9. Поршневая машина по п.1 или 8, отличающаяся тем, что части водила жестко связаны между собой посредством по меньшей мере одного стяжного болта, проходящего сквозь компенсатор.

10. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что только на одном из дисков водила выполнен зубчатый венец, зацепленный с шестерней выходного вала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.05.2007

Извещение опубликовано: 10.05.2007        БИ: 13/2007

---