ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1994 года по МПК F02B75/32 F01B9/06 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания.

Известна поршневая машина, содержащая корпус с цилиндрами, поршни со штоками, размещенные в цилиндрах, цилиндрический кулачок с криволинейным пазом, установленный на валу. Шток поршня через ролики взаимодействует с криволинейным пазом цилиндрического кулачка (патент Великобритании N 2135384, кл. F 01 B 9/06, 1984).

Недостатками этой поршневой машины особенно при применении ее в качестве двигателя внутреннего сгорания являются высокая надежность в работе кулачковой пары вследствие высоких контактных напряжений, возникающих в паре рабочий ролик - криволинейный паз, а также возникновение больших боковых нагрузок на поршни, вызванных особенностями контакта ролика с криволинейной поверхностью паза.

Наиболее близким к предлагаемому является поршневая машина, содержащая корпус с цилиндрами и направляющими поверхностями, поршни со штоками. На штоках поршней установлены направляющие элементы в виде роликов и рабочие ролики, взаимодействующие соответственно с направляющими поверхностями и криволинейным пазом цилиндрического кулачка (патент Германии N 255413, кл. 46a¹⁰ 7/03, 1912).

Недостатком прототипа является невысокая надежность в работе поршневой машины по указанным причинам.

Целью изобретения является повышение надежности в работе пары рабочий ролик - криволинейный паз путем подбора оптимальных геометрических размеров цилиндрического кулачка, рабочего ролика и криволинейного паза, поршневой группы машины вследствие разгрузки ее от боковых усилий.

Поставленная цель достигается тем, что в поршневой машине, содержащей корпус с цилиндрами и основными направляющими поверхностями, поршни со штоками, размещенные в цилиндрах, выходной вал, ось вращения которого параллельна осям цилиндров, цилиндрический кулачок с замкнутым криволинейным пазом на его боковой поверхности, установленный на выходном валу, направляющие элементы, кинематически связанные со штоками с возможностью взаимодействия с основными направляющими поверхностями, основные рабочие ролики, кинематически связанные со штоками с возможностью взаимодействия с криволинейным пазом, размеры радиуса наружной цилиндрической поверхности кулачка, радиуса рабочего ролика и разности между глубиной криволинейного паза и шириной рабочего ролика связаны между собой следующими соотношениями
2(R/r_r) > 1+
и ΔC/R > (r_p/R)²/2[1+(R/K·S)²] , где R - радиус наружной цилиндрической поверхности кулачка;
r_р - радиус рабочего ролика;
S - величина хода поршня;
К - число двойных ходов поршня за один оборот выходного вала;
ΔС - разность между глубиной криволинейного паза и шириной рабочего ролика.

Кроме того, поршневая машина снабжена каретками, жестко соединенными со штоками соседних поршней, причем направляющие элементы установлены на каретках. Плоскость симметрии основных направляющих поверхностей перпендикулярна плоскости, проходящей через оси цилиндров, и параллельна плоскости, проходящей через оси цилиндров. Поршневая машина также дополнительно снабжена направляющими поверхностями, плоскость симметрии которых перпендикулярна плоскости симметрии основных направляющих поверхностей. Каждая каретка двух соседних поршней снабжена траверсой, установленной на оси каретки с возможностью поворота относительно оси в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через оси цилиндров, причем основные рабочие ролики смещены на траверсе. Поршневая машина снабжена дополнительными рабочими роликами, причем оси вращения основных и дополнительных рабочих роликов пересекаются между собой в центре вращения цилиндрического кулачка. Кроме того, направляющие элементы выполнены в виде роликов или в виде ползунов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поршневая машина отличается от него по ряду существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию "новизна".

В результате анализа технических решений той же задачи при проведении патентных исследований не обнаружено технических решений с признаками, сходными с отличительными признаками заявляемого решения, поэтому заявляемое предложение обладает "существенными отличиями".

На фиг. 1 показана поршневая машина с кареткой с основными и дополнительными направляющими поверхностями; на фиг. 2 - установка траверсы с основными и дополнительными роликами на оси каретки.

Поршневая машина содержит корпус с цилиндрами 1, в которых размещены поршни 2 со штоками 3. Со штоками 3 соединены направляющие элементы 4 и рабочие ролики 5, входящие во взаимодействие с криволинейным пазом 6 цилиндрического кулачка 7, соединенного с выходным валом 8, на котором в случае необходимости устанавливается маховик 9. Направляющие элементы 4 могут быть выполнены в виде роликов 10 или ползунов, взаимодействующих с основными направляющими в виде роликов 10 или ползунов, взаимодействующих с основными направляющими поверхностями 11. Плоскость симметрии 12 основных направляющих поверхностей 11 может быть перпендикулярна плоскости, проходящей через оси цилиндров 1, или параллельна последней.

На фиг. 1 показан пример конкретного выполнения поршневой машины, когда штоки 3 поршней 2 соединены между собой кареткой 14. С кареткой 14 соединены два направляющих элемента 4, выполненных в виде роликов 10, контактирующих с основными 11 и дополнительными 15 направляющими поверхностями. Плоскость симметрии 12 основных напpавляющих поверхностей 11 перпендикулярна к плоскости, проходящей через оси цилиндров, проходящей через оси цилиндров, а плоскость симметрии 16 дополнительных направляющих поверхностей 15 параллельна плоскости, проходящей через оси цилиндров, причем плоскость симметрии 16 дополнительных направляющих поверхностей 15 перпендикулярна плоскости симметрии 12 основных направляющих поверхностей 11.

На каретке 14 установлены основные рабочие ролики 5.

На фиг. 2 показана траверса 17, которая устанавливается на оси 18 каретки 14 с возможностью поворота траверсы 17 относительно оси 18 в плоскости, параллельной плоскости проходящей через оси цилиндров. На траверсе 17 установлены основной рабочий ролик 5 и дополнительный рабочий ролик 19, оси вращения которых пересекаются между собой в центре вращения цилиндрического кулачка 7.

Для уменьшения динамических нагрузок криволинейный паз 6 цилиндрического кулачка 7 может быть выполнен такой конфигурации, при которой поршни 2 движутся по гармоническому (косинусоидальному) закону.

Для повышения надежности в работе пары рабочий ролик 5 - криволинейный паз 6, геометрические размеры радиуса наружной цилиндрической поверхности кулачка R, радиуса рабочего ролика r_р и разность ΔС между глубиной криволинейного паза и шириной рабочего ролика или гармоническом законе движения поршней должны быть связаны между собой следующими неравенствами
2(R/r_r) > 1+
и ΔC/R > (r_p/R)²/2[1+(R/K·S)²] , где S - величина хода поршня; К - число двойных ходов поршня за один оборот выходного вала.

Поршневая машина работает, например, в качестве двигателя внутреннего сгорания следующим образом.

При сгорании топлива в цилиндрах 1 продукты сгорания воздействуют на поршни 2, перемещая последние в цилиндрах. Направляющие элементы 4 взаимодействуют с направляющими поверхностями и уменьшают боковые нагрузки на стенки цилиндров. Поршни 2 через рабочие ролики 5 воздействуют на поверхности криволинейного паза 6 цилиндрического кулачка 7, поворачивая последний совместно с выходным валом 8. Закон перемещения поршней 2 в цилиндрах 1 задается конфигурацией криволинейного паза 6.

Повышение надежности в работе пары рабочий ролик - криволинейный паз осуществляется подбором геометрических размеров цилиндрического кулачка, криволинейного паза и рабочего ролика по приведенным неравенствам. (56) Патент Германии N 255413, кл. 46a¹⁰ 7/03, опубл. 1912.

Использование: в машиностроении, а именно в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: поршневая машина содержит корпус с цилиндрами 1, в которых размещены поршни 2 со штоками 3, с последними соединены направляющие элементы 4 и рабочие ролики 5, входящие во взаимодействие с криволинейным пазом 6 цилиндрического кулачка 7, соединенного с выходным валом 8, на котором установлен маховик 9. Направляющие элементы 4 могут быть выполнены в виде роликов 10 или ползунов, взаимодействующих с основными направляющими поверхностями 11. Штоки 3 поршней 2 соединены между собой кареткой 14, с последней соединены два направляющих элемента 4, контактирующих с основными 11 и дополнительными 15 направляющими поверхностями. Траверса устанавливается на оси 18 каретки 14 с возможностью поворота относительно оси 18 в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через оси цилиндров 1. На траверсе установлены основной 5 и дополнительный рабочие ролики, оси вращения которых пересекаются между собой в центре вращения кулачка 7. Для уменьшения динамических нагрузок криволинейный паз 6 цилиндрического кулачка 7 может быть выполнен такой конфигурации, при которой поршни 2 движутся по гармоническому (косинусоидальному) закону. 8 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус с цилиндрами и основными направляющими поверхностями, поршни со штоками, размещенные в цилиндрах, выходной вал, ось вращения которого параллельна осям цилиндров, цилиндрический кулачок с замкнутым криволинейным пазом на его боковой поверхности, установленный на выходном валу, направляющие элементы, кинематически связанные со штоками с возможностью взаимодействия с основными направляющими поверхностями, основные рабочие ролики, кинематически связанные со штоками с возможностью взаимодействия с криволинейным пазом, отличающаяся тем, что размеры радиуса R наружной цилиндрической поверхности кулачка, радиуса r_р рабочего ролика и разности ΔC глубины криволинейного паза и ширины рабочего ролика связаны между собой следующими соотношениями:
2 > 1++1 и >
где S - величина хода поршня;
K - число двойных ходов поршня за один оборот выходного вала. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена каретками, жестко соединенными со штоками соседних поршней, причем направляющие элементы установлены на каретках. 3. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плоскость симметрии основных направляющих поверхностей перпендикулярна плоскости, проходящей через оси цилиндров. 4. Машина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плоскость симметрии основных направляющих поверхностей параллельна плоскости, проходящей через оси цилиндров. 5. Машина по пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что снабжена дополнительными направляющими поверхностями, плоскость симметрии которой перпендикулярна плоскости симметрии основных направляющих поверхностей. 6. Машина по пп. 1 - 5, отличающаяся тем, что каждая каретка двух соседних поршней снабжена траверсой, установленной на оси каретки с возможностью поворота относительно оси в плоскости, параллельной плоскости, проходящей через оси цилиндров, причем основные рабочие ролики размещены на траверсе. 7. Машина по пп. 1 и 6, отличающаяся тем, что снабжена дополнительными рабочими роликами, причем оси вращения основных и дополнительных рабочих роликов пересекаются в центре вращения цилиндрического кулачка. 8. Машина по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что направляющие элементы выполнены в виде роликов. 9. Машина по пп. 1 - 6, отличающаяся тем, что направляющие элементы выполнены в виде ползунов.