Объемная машина
Объемная машина относится к области компрессоров, насосов, двигателей, например, внутреннего сгорания (ДВС). Новым в устройстве является конструкция привода, основным элементом которого являются кулачок определенной формы, сидящий на приводном валу и обеспечивающий при своем вращении качательное движение полуцилиндров-вытеснителей через ролики, сидящие на осях шарниров полуцилиндров-вытеснителей. Предлагаются также модификации устройства с дополнительным подвижным кулачком или дополнительным неподвижным кулачком. Повышается надежность и долговечность. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к машиностроению и касается усовершенствования объемных машин.
Известно большое количество объемных машин для передачи энергии между сплошной средой и валом, применяемых в качестве компрессоров, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), насосов.
Наиболее распространенные из них - поршневые компрессоры (М.И.Френкель. Поршневые компрессоры. Л., Машиностроение, 1969 г., стр.106) и ДВС. Поршневые ДВС, в отличие от компрессоров, имеют не самодействующие, а управляемые клапаны с системой их привода (распредвал).
К недостаткам поршневых машин относятся: отсутствие компактности и инерционная неуравновешенность как из-за кривошипно-шатунного механизма, так и из-за пикового характера поршневых сил, т.к. при резком изменении давления площадь поршня остается постоянной. Отсюда потребность в маховике. Велико трение скольжения и износ в уплотнительных элементах (поршневых кольцах). Все это снижает надежность и долговечность конструкций. Клапаны и их привод также являются элементом ненадежности.
Более компактные и уравновешенные конструкции - это роторные (ротационные) объемные машины различных типов, например, винтовые (И.А.Сакун. Винтовые компрессоры. Л., Машиностроение, 1970 г., стр.8) или «трохоидные» - двигатели Ванкеля (B.C.Бениович и др. Роторно-поршневые двигатели. - М., Машиностроение, 1968 г., стр.8), компрессоры (P.M.Сухомлинов. Трохоидные роторные компрессоры. - Харьков, Вита школа, 1975 г., стр.20, 34, 36, 37). Но и в этих машинах имеют место либо значительное трение скольжения уплотнительных элементов (трохоидные машины), либо, если уплотнение бесконтактное (малые зазоры), зазоры трудно выдержать малыми из-за сложной формы поверхностей (винтовые компрессоры). Это ограничивает рабочие отношения давлений, снижает КПД, усложняет технологию. Компактность этих машин, характеризуемая отношением вытесняемого за цикл объема к объему рабочей камеры без вытеснителя (поршня, ротора), всегда намного меньше единицы, что снижает компактность.
Известны объемные машины с качающимися вытеснителями (а.с. СССР №1558106 от 16.05.88 и Патент РФ №2052159 от 01.07.92), в цилиндрическую рабочую камеру которых помещены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, связанных между собой шарнирно. Полуцилиндры-вытеснители имеют наружный диаметр, равный половине диаметра расточки цилиндра, по которому они перекатываются (качаются) без скольжения. Конструкция геометрически основана на теореме Коперника (частный случай гипоциклоиды) (Г.И.Берман. Циклоида. - М., Наука, 1980г., стр.61, рис.65).
Патент РФ №2052159 - наиболее близкий аналог предлагаемого устройства. Преимуществами такой конструкции перед известными является динамическая уравновешенность, как инерционная, так и за счет уменьшения при сжатии площади воздействия давления, высокая технологичность, т.к. основные рабочие органы - цилиндры, очень высокая компактность - за цикл может вытесняться более одного объема рабочей камеры.
В случае ДВС, например, можно осуществить четырехтактный цикл в одном цилиндре, используя центральный объем для перекачки охлаждающей среды или смазки, или в качестве газовой пружины, воспринимающей инерционные силы.
Недостатками таких конструкций являются: необходимость в кривошипно-ползунном механизме, что снижает компактность и динамическую уравновешенность. Вытеснители и соединяющие их шарниры нагружены силами, соизмеримыми с поршневыми, что снижает надежность и долговечность. Основное усилие передается через ползун с большим трением и износом, требуется обильная жидкая смазка, что снижает надежность и долговечность. Механизм привода через ползун вносит неравномерность по времени периодов сжатия в двух расположенных под углом 90° парах сжимаемых объемов, что ухудшает динамическую уравновешенность.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются достижение компактности, динамической уравновешенности, надежности, долговечности по сравнению с наиболее близким аналогом (Патент РФ №2052159).
Для решения этих задач предлагается объемная машина, содержащая приводной вал и рабочую камеру в виде цилиндра и торцевых крышек, в которую помещены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, связанных между собой шарнирно, согласно изобретению на осях шарниров полуцилиндров-вытеснителей помещены ролики, которые опираются на кулачок, сидящий на приводном валу, профиль которого выполнен по внутренней огибающей семейства окружностей, диаметры которых равны диаметру роликов, а центры лежат на кривой, описываемой уравнением:
где ρ, ϕ - полярные координаты;
а - максимум ρ при ϕ=π/2; 1,5π;
b - минимум ρ при ϕ=0; π;
причем a2+b2=d2, где d - наружный диаметр полуцилиндров-вытеснителей.
Кроме того, объемная машина может иметь дополнительный кулачок с профилем, аналогичным основному, сидящий на дополнительном валу, соосном приводному, на который опираются дополнительные ролики, сидящие соосно с основными, причем дополнительный вал связан с приводным зубчатой передачей с передаточным отношением, равным единице.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в повышении динамической уравновешенности, снижении нагрузки на шарниры, уменьшении трения и износа механизма привода и потребности в обильной жидкой смазке.
Кроме того, в объемной машине на тех же осях, что и основные, могут быть посажены дополнительные ролики, опирающиеся на дополнительный кулачок с профилем, аналогичным основному, установленный соосно приводному валу неподвижно на неподвижной торцевой крышке, причем цилиндр и вторая крышка установлены на дополнительном валу, соосном приводному, а на неподвижной торцевой крышке выполнены окна для входа-выхода среды и каждый полуцилиндр-вытеснитель имеет плоский торец, примыкающий к неподвижной торцевой крышке.
Кроме того, приводной вал и вал цилиндра могут быть связаны между собой понижающей зубчатой передачей с передаточным отношением два.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит помимо указанного еще и в том, что позволяет исключить клапанный механизм, ограничивающий надежность и долговечность объемных машин.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг.1 дан продольный разрез устройства (разрез Б-Б).
На Фиг.2 дан поперечный разрез устройства по А-А.
На Фиг.3 дан продольный разрез устройства с дополнительным подвижным кулачком.
На Фиг.4 дан поперечный разрез по А-А устройства с дополнительным подвижным кулачком.
На Фиг.5 дан продольный разрез устройства с дополнительным неподвижным кулачком.
На Фиг.6 дан поперечный разрез по А-А устройства с дополнительным неподвижным кулачком.
Объемная машина (Фиг.1; 2) состоит из цилиндра 1 с цилиндрической внутренней расточкой и двух крышек 2.
Внутри расточки цилиндра помещены четыре полуцилиндра-вытеснителя 3 с наружным диаметром, равным половине диаметра цилиндрической расточки.
Все четыре полуцилиндра-вытеснителя 3 связаны между собой шарнирами 4.
Полуцилиндры-вытеснители 3 контактируют наружной цилиндрической поверхностью с расточкой цилиндра 1, а краями полуцилиндрических поверхностей через ролики 5, сидящие на осях шарниров 4, опираются на кулачок 6.
Кулачок 6 сидит соосно на приводном валу 7, соосном расточке цилиндра.
Во избежание поворота системы полуцилиндров-вытеснителей 3 по отношению к цилиндру 1 конструкция снабжена синхронизирующим устройством, состоящим, например, из диаметрального паза 8 на торце крышки 2, в который входит выступ 9 оси шарнира 4, по крайней мере, одной пары полуцилиндров-вытеснителей 3. На выступ 9 шарнира 4 может быть надет ползун 10.
Вместо этого синхронизирующее устройство может быть выполнено в виде зубчатого зацепления между, по крайней мере, одним из полуцилиндров-вытеснителей 3 и соответствующим ему сектором расточки цилиндра 1 (на чертеже не показано).
В каждой из камер, образуемых соседними полуцилиндрами-вытеспителями, могут быть помещены клапаны 11.
Оси кулачка 6, вала 7 и расточки цилиндра 1 совпадают.
Профиль кулачка 6 выполнен по внутренней огибающей семейства окружностей, диаметр которых равен диаметру роликов 5, а геометрическим местом центров которых является кривая, описываемая уравнением:
где ρ, ϕ - полярные координаты;
а - максимум ρ при ϕ=π/2 или ϕ=1,5π;
b - минимум ρ при ϕ=0 или ϕ=π;
причем a2+b2=d2, где d - наружный диаметр полуцилиндров-вытеснителей 3.
На валу 7 может быть помещен распределительный диск 12, находящийся в контакте со штоками клапанов 11.
Вышеописанная объемная машина может иметь помимо вышеописанных основных конструктивных элементов дополнительный кулачок 6 (Фиг.3; 4), аналогичный основному, сидящий на дополнительном валу 13, соосном приводному валу 7, на который опираются дополнительные ролики 5, сидящие на тех же осях, что и основные, причем валы 7 и 13 связаны между собой зубчатой передачей 14 с передаточным отношением, равным единице.
Распределительный диск 12 может быть установлен на одном из валов 7, 13 или на обоих.
Помимо основных вышеописанных конструктивных элементов (Фиг.1; 2) объемная машина (Фиг.5; 6) может иметь дополнительный кулачок 6 с профилем, аналогичным основному, установленный соосно основному неподвижно на неподвижной торцевой крышке 2, закрепленной на корпусе 15, и дополнительные ролики 5, сидящие соосно основным и опирающиеся на этот дополнительный кулачок 6, причем цилиндр 1 и вторая крышка 16 установлены на дополнительном валу 13, соосном приводному валу 7. На неподвижной крышке 16 выполнены окна для входа и выхода среды 17 и 18, и каждый полуцилиндр-вытеснитель 3 имеет плоский торец 19, которым он примыкает к плоскости торцевой крышки 2.
Оба вала 7 и 13, один из которых может быть установлен соосно внутри другого, могут быть связаны между собой зубчатой передачей 20 с передаточным отношением 2, понижающей по отношению к приводному валу 7, без изменения направления вращения.
В случае применения дополнительных кулачков и роликов отпадает необходимость в устройствах синхронизации, т. к. два кулачка 6, находящиеся в относительном встречном вращении, исключают возможность поворота системы полуцилиндров-вытеснителей 3 по отношению к цилиндру 1.
Во всех вариантах конструкции из-за наличия вала и роликов всегда a<d, т.е. полуцилиндры-вытеснители не могут достичь своих крайних теоретически возможных положений в «мертвых точках». Это создает «мертвый объем» в конце вытеснения, который можно устранить, выполняя профиль расточки цилиндра в зоне верхних «мертвых точек» по диаметрам d, соответствующим крайнему верхнему положению полуцилиндров-вытеснителей (на чертежах не показано).
При вращении приводного вала 7 (Фиг.L 2) вместе с кулачком 6 ролики 5 на краях каждого из полуцилиндров-вытеснителей 3 перекатываются по поверхности кулачка. При этом каждый из полуцилиндров-вытеснителей 3 перекатывается без скольжения по внутренней цилиндрической расточке корпуса 1. При этом образуются 4 переменных объема между соседними полуцилиндрами-вытеснителями 3 и расточкой цилиндра 1.
В этих объемах могут быть установлены клапаны 11. Клапаны могут быть самодействующими, если устройство выполняет функцию компрессора, или управляемыми, если устройство выполняет функцию ДВС.
В последнем случае клапанами может управлять распределительный диск 12, сидящий на валу 7. Угловое положение кулачка однозначно связано с фазами всасывания, сжатия, вытеснения.
Возможность углового поворота системы полуцилиндров-вытеснителей 3 предотвращена тем, что торцевой выступ 9 оси шарнира 4, по крайней мере, одной пары полуцилиндров-вытеснителей 3 скользит в диаметральном пазу 8 крышки 2, совершая возвратно-поступательное движение при качательном движении полуцилиндров-вытеснителей 3. На выступ 9 может быть надет шарнирно ползун 10. Вместо выступа 9 и паза 8 можно, по крайней мере, между одним из полуцилиндров-вытеснителей 3 и соответствующим ему сектором расточки корпуса 1 выполнить зубчатое зацепление (на чертеже не показано). Оно будет выполнять функции синхронизатора.
Эти синхронизирующие устройства могут отсутствовать во второй и третьей модификации конструкции объемной машины.
Во второй модификации устройства (Фиг.3, 4) при вращении одного из валов 7, приводного, вместе с сидящим на нем кулачком 6 второй вал 13 вместе с его кулачком 6 вращается встречно с той же угловой скоростью за счет передачи 14. При этом ролики 5 полуцилиндров-вытеснителей 3 контактируют с обоими кулачками б, чем предотвращается смещение полуцилиндров-вытеснителей 3.
В остальном работа устройства аналогична вышеописанному.
В третьей модификации устройства (Фиг.5, 6) подвижный кулачок 6, сидящий на приводном валу 7, вращается по отношению к неподвижному кулачку 6. В относительном движении (по отношению к цилиндру 1) кулачки перемещаются встречно, так же как и во второй модификации устройства, заставляя полуцилиндры-вытеснители 3 качаться без скольжения по отношению к расточке цилиндра 1.
Однако в отличие от второй модификации, поскольку один из кулачков неподвижен, в абсолютном движении система полуцилиндров-вытеснителей вращается в том же направлении, что и приводной вал 7, но с половинной частотой.
При этом полуцилиндры-вытеснители 3 увлекают за собой цилиндр 14, свободно вращающийся на своих опорах, т.к., кроме незначительного момента трения в опорах, другого момента, тормозящего цилиндр, нет.
Каждому угловому положению вращающегося кулачка 6 по отношению к неподвижному кулачку 6 соответствует определенное угловое положение системы полуцилиндров-вытеснителей 3 и определенное их взаимное положение, т.е. определенная фаза всасывания-сжатия-вытеснения в каждой из рабочих полостей. Это дает возможность осуществить бесклапанное, золотниковое распределение, расположив пару нагнетательных 18 и пару всасывающих 17 отверстий на торце неподвижной крышки 2, периодически открываемых и закрываемых торцами 19 полуцилиндров-вытеснителей 3.
Для гарантированного совпадения вращения цилиндра 1 и системы полуцилиндров-вытеснителей 3 может служить понижающая передача 20. В отличие от передачи 14 во второй модификации она не силовая и не является обязательным элементом конструкции.
За один оборот вала 7 во всех модификациях конструкции цикл всасывания-вытеснения в каждой из четырех полостей проходит дважды. Это говорит о высоком объемном коэффициенте и компактности конструкции. Кроме того, есть еще 5-й переменный объем между всеми полуцилиндрами-вытеснителями 3, изменяющийся с двойной частотой.
В поперечном сечении диаметры полуокружностей полуцилиндров-вытеснителей 3 (соединяющие их крайние точки) образуют ромб со сторонами d (Фиг.2). При всех положениях полуцилиндров-вытеснителей меняется только соотношение его диагоналей. Более правильно было бы представить картину поворота системы полуцилиндров-вытеснителей по отношению к неподвижному кулачку.
При этом все вершины этого ромба всегда лежат на кривой, уравнение которой упомянуто выше. Половинки диагоналей ромба ρ(ϕ) и ρ(ϕ±π/2) образуют прямоугольные треугольники с гипотенузами d, т.е. указанная кривая отвечает условию:
Преимуществами предложенных конструкций объемной машины являются компактность, динамическая уравновешенность, трение качения между основными рабочими органами вместо скольжения (ролики можно установить на опорах качения), что обеспечит долговечность, высокую технологичность конструкций, т.к. основные рабочие органы, кроме кулачка, имеют профили-окружности.
1. Объемная машина, содержащая приводной вал и рабочую камеру в виде цилиндра и торцевых крышек, в которую помещены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, связанных между собой шарнирно, отличающаяся тем, что на осях шарниров полуцилиндров-вытеснителей помещены ролики, которые опираются на кулачок, сидящий на приводном валу, профиль которого выполнен по внутренней огибающей семейства окружностей, диаметры которых равны диаметру роликов, а центры лежат на кривой, описываемой уравнением:
где
ρ, ϕ - полярные координаты;
а - максимум ρ при ϕ=π/2; 1,5π ;
b - минимум ρ при ϕ=0; 
;
причем, а2+b2=d2, где d - наружный диаметр полуцилиндров-вытеснителей.
2. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что имеет дополнительный кулачок с профилем, аналогичным основному, сидящий на дополнительном валу, соосном приводному, на который опираются дополнительные ролики, сидящие соосно с основными, причем дополнительный вал связан с приводным зубчатой передачей с передаточным отношением, равным единице.
3. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что на тех же осях, что и основные, посажены дополнительные ролики, опирающиеся на дополнительный кулачок с профилем, аналогичным основному, установленный соосно приводному валу неподвижно на неподвижной торцевой крышке, причем цилиндр и вторая крышка установлены на дополнительном валу, соосном приводному, а на неподвижной торцевой крышке выполнены окна для входа и выхода среды и каждый полуцилиндр-вытеснитель имеет плоский торец, примыкающий к неподвижной торцевой крышке.
4. Объемная машина по п.3, отличающаяся тем, что приводной вал и вал цилиндра связаны между собой понижающей зубчатой передачей с передаточным отношением два.
