Поршневая машина

Изобретение относится к области машиностроения. Технический результат заключается в возможности улучшения технико-экономических показателей поршневой машины, а именно в упрощении конструкции, уменьшении внутренних потерь и в повышении КПД. Согласно изобретению поршневая машина содержит цилиндр, гильзу, поршень и выходной вал. На поршне установлена кольцевая траверса с внутренними и наружными беговыми роликами. При этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра. 4 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, к насосо- и компрессоростроению, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - источника механической энергии для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, и детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.

Известны бесшатунные и бескривошипные поршневые тепловые машины, например ДВС Баландина, поршневая машина Лапидуса.

ДВС Баландина (см.: Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит корпус, цилиндры, штоки, попарно жестко связанные с поршнями и шарнирно - с соединительными звеньями, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала происходит посредством соединительных звеньев.

Поршневая машина Лапидуса (А.С. № 1038487, F 01 В 9/08, опубл. 1983) содержит корпус, цилиндры, поршни и выходной вал, связанный с цилиндрами посредством рычагов обгонных муфт, установленных на валу внутри поршней попарно в “противоход” друг другу.

Наиболее близкой к предлагаемой поршневой машине является конструкция бескривошипного ДВС по патенту РФ № 2156871 С1, МПК 7 F 01 В 9/06, F 02 В 75/26. Этот бескривошипный двигатель содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня; на выходном валу установлена предварительно сжатая пружина, один конец которой опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня, что ведет к уменьшению средних удельных давлений в сочленении “тело вращения - криволинейный паз”.

Основными недостатками такого бескривошипного ДВС являются:

- повышенная работа трения из-за высокой скорости вращения поршня, которая равна скорости вращения выходного вала, относительно своей продольной оси, что увеличивает механические потери и уменьшает общий (эффективный) КПД двигателя;

- необходимость установки между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к увеличению затрат мощности на преодоление усилия пружины и ведет к ухудшению показателей работы двигателя;

- усложнение конструкции двигателя, увеличение трудоемкости и ухудшение технологичности процессов монтажа и сборки основных деталей, а также ограничение возможностей его быстрого, легкого и надежного пуска.

В основу изобретения положено решение задачи улучшения технико-экономических показателей двигателя: упрощение конструкции, уменьшение внутренних потерь, повышение КПД.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемой поршневой машине, содержащей цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, согласно изобретению на поршне установлена кольцевая траверса с внутренними и наружными беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.

Главными отличительными особенностями такой поршневой машины являются следующие:

- на поршне установлена кольцевая траверса, на которой, в свою очередь, установлены внутренние беговые ролики, расположенные в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, и наружные беговые ролики, расположенные в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра, вследствие чего из-за редукции скорости вращения поршня по отношению к скорости вращения выходного вала уменьшается работа трения, что уменьшает механические потери, а также увеличивает механический и повышает общий (эффективный) КПД двигателя,

- криволинейные замкнутые пазы, в которых расположены установленные на траверсе внутренние и наружные беговые ролики, выполнены как на поверхности выходного вала, так и на внутренней поверхности цилиндра, что упрощает конструкцию двигателя, уменьшает трудоемкость и улучшает технологичность процессов монтажа и сборки его основных деталей, ведет к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя.

Сущность изобретения (на примере двухтактного ДВС) поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - продольный разрез поршневой машины; на фиг.2 - поперечный разрез поршневой машины; на фиг.3 - схема перемещения оси беговых роликов траверсы в криволинейных замкнутых пазах выходного вала и цилиндра поршневой машины при движении поршня из внутреннего (по отношению к камере сжатия и сгорания) крайнего положения в наружное; на фиг.4 - схема перемещения оси беговых роликов траверсы в криволинейных замкнутых пазах выходного вала и цилиндра поршневой машины при движении поршня из наружного крайнего положения во внутреннее.

Поршневая машина (фиг.1, 2) содержит цилиндр 1 с гильзой 2, в которой расположен поршень 3; на поршне установлена кольцевая траверса 4 с внутренними 5 и наружными 6 беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу 7, выполненном на поверхности выходного вала 8, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу 9, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.

Принцип действия поршневой машины поясняется на примере двухтактного поршневого ДВС (фиг.1-4). В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршень 3 к перемещению из внутреннего (относительно камеры сжатия и сгорания) крайнего положения в наружное (фиг.3). Внутренние беговые ролики 5 и наружные беговые ролики 6 траверсы 4, установленные (в рассматриваемом примере) на одной оси, перемещаются соответственно в криволинейном замкнутом пазу 7, выполненном на поверхности выходного вала 8 (кривая “В” на фиг.3), и в криволинейном замкнутом пазу 9, выполненном на внутренней поверхности цилиндра (кривая “К” на фиг.3). Вследствие силового взаимодействия беговых роликов и криволинейных пазов наряду с осевым перемещением поршня происходит угловое (относительно оси цилиндра) перемещение выходного вала по отношению к поршню и поршня по отношению к неподвижному цилиндру, но с иной угловой скоростью, чем угловая скорость выходного вала. При этом различие в скоростях вращения поршня и выходного вала определяется соотношением числа периодов (“волн”) криволинейных пазов, выполненных на выходном валу и на поверхности цилиндра поршневой машины. Вблизи наружного крайнего положения посредством последовательного открытия поршнем 3 выпускного Вып и продувочного Прод, а затем последовательного закрытия продувочного Прод и выпускного Вып окон гильзы 2 цилиндра 1 осуществляется процесс газообмена. В ходе дальнейшего движения поршня 3 (из наружного крайнего положения во внутреннее - фиг.4) происходит процесс сжатия свежего заряда, в конце которого начинается процесс сгорания. Внутренние 5 и наружные 6 беговые ролики траверсы 4 перемещаются соответственно в криволинейных пазах 7 (кривая “В” на фиг.4) и 8 (кривая “К” на фиг.4), обеспечивая посредством силового взаимодействия с этими пазами наряду с осевым перемещением поршня в обратном направлении непрерывность углового (относительно оси цилиндра) перемещения выходного вала по отношению к поршню и поршня по отношению к неподвижному цилиндру с тем же самым различием в скоростях вращения поршня и выходного вала, определяемым соотношением числа периодов (“волн”) указанных криволинейных пазов. При этом перемещение поршней из наружных крайних положений во внутренние обеспечивается за счет энергии маховых масс (или работы других цилиндров) поршневой машины.

Представленная схема поршневой машины обеспечивает следующие технические преимущества:

- пониженная работа трения вследствие редукции скорости вращения поршня по отношению к скорости вращения выходного вала, что уменьшает механические потери, а также увеличивает механический и повышает общий (эффективный) КПД двигателя;

- отсутствие необходимости в установке между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя;

- упрощение конструкции двигателя, уменьшение трудоемкости и улучшение технологичности процессов монтажа и сборки его основных деталей, а также существенное улучшение технико-экономических характеристик поршневой машины в целом.

Поршневая машина для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу может быть использована в качестве ДВС для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, и детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.

Поршневая машина, содержащая цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, отличающаяся тем, что на поршне установлена кольцевая траверса с внутренними и наружными беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.