ПНЕВМОГИДРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F03C5/02 F04B43/00 

Изобретение относится к гидропневмомашиностроению и может найти применение в приводах вращательного действия различных машин.

Известен пневмогидродвигатель, содержащий статор, в котором установлен эксцентриковый ротор и эластичные силовые элементы в виде камер, размещенных в зазоре между ротором и статором, и систему газораспределения.

Эластичные силовые элементы пневмогидродвигателя, деформируясь под действием давления приводной среды, создают усилие, приводящее ротор во вращение. Недостатком этого пневмогидродвигателя является низкий КПД, связанный с большими потерями сжатого воздуха в атмосферу, за счет паразитных объемов и технологических зазоров в системе газораспределения.

Целью изобретения является повышение КПД пневмогидродвигателя.

Поставленная цель достигается тем, что пневмогидродвигатель, содержащий корпус, рабочую камеру с деформируемыми стенками, коленчатый вал и систему газораспределения, включающую впускные и выпускные патрубки, снабжен кривошипно-шатунным механизмом, установленным на коническом кольце, приваренном к корпусу, а в полости рабочей камеры размещены клапаны переднего и заднего хода, педалями, кранами сброса и подачи, баллонами высокого и пониженного давлений, редукторами, предохранительными клапанами, причем впускные и выпускные клапаны установлены с возможностью взаимодействия с соответствующими шатунами кривошипно-шатунного механизма и периодического сообщения полости рабочей камеры с баллоном пониженного давления и атмосферой, кривошипно-шатунный механизм кинематически связан через дополнительный шатун и торцовую стенку рабочей камеры с коленчатым валом, при этом во впускных и выпускных патрубках установлены соответственно перепускные клапаны и клапаны, управляемые силовыми цилиндрами, первые из которых сообщают рабочую камеру с источником сжатого воздуха, а вторые запирают выход сжатого воздуха из рабочей камеры, которая изнутри скреплена с кольцом, одни выпускные патрубки через запорный кран соединены с атмосферой, а другие через клапан, управляемый силовым цилиндром, и перепускные клапаны - с баллоном пониженного давления и компрессором, который перепускной клапан соединен с баллоном высокого давления и кинематически связан с двигателем внутреннего сгорания.

Свойства пневмогидродвигателей совпадают как в известной, так и в заявленной совокупности, но за счет введения в предлагаемый пневмогидродвигатель системы газораспределения он имеет гораздо меньшие потери сжзатого воздуха в атмосферу и более высокий КПД в сравнении с известным пневмогидровдигателем.

На фиг. 1 показан пневмогидродвигатель, продольный разрез, состоящий из корпуса 1 с приваренным коническим кольцом 2, на котором укреплены подшипники 3, в которых находятся концы кривошипно-шатунного механизма 4, прикрепленного через подшипники 5 и шатуны (не показаны) к шляпкам гильз 6, попарно сопряженных с соосными гильзами 7, которые контактируют с колпаками 8, приваренными к выпускным патрубкам 9. Шляпки гильз 6 и 7 подпружинены пружинами 10, охватывающими впускные патрубки 11, которые проходят через отверстия в шляпках гильз 6 и 7. В патрубках 11 находятся впускные клапаны 12. Шатун 13 через подшипник 14 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 4 с одной стороны и торцовой стенкой рабочей камеры 15 с другой, которая через подшипники 16 соединена с коленчатым валом 17. Корпус 1 и торцовая стенкая рабочей камеры 15 соединены между собой рабочей камерой 18. От баллона 19 пониженного давления, заполненного сжатым воздухом, идет впускной патрубок 20 с кранами 21 и 22, управляемыми педалями 23 и 24, соединенный с впускными патрубками 11, в которых находятся перепускные клапаны 25. Впускные патрубки 11, разветвляясь, соединяются с силовыми цилиндрами, управляемыми клапанами 26. Перепускные клапаны 25, пропуская сжатый воздух во впускные патрукби 11, запирают выход из патрубков 11. Клапаны 26, управляемые силовыми цилиндрами, наглухо запирают вход и выход из выпускных патрубков 9. На концах коленчатого вала 17 надеты подшипники 27, наружными обоймами закрепленные к жесткости (не показана). Во впускной патрубок 20, до и после баллона 19 пониженного давления, установлены газовые редукторы 28 и 29, кран 30, управляемый педалью 31. От впускного патрубка 20, за краном 30, отходят патрубки 32 с установленными в них перепускными клапанами 33. Патрубки 32 другими концами соединены с силовыми цилиндрами. В выпускной патрубок 34 установлены перепускной клапан 35 и клапан 36, управляемый силовым цилиндром. От выпускного патрубка 34 отходит патрубок 37, вторым концом соединенный с атмосферой, в котором установлен кран 38, управляемый педалью 39. Выпускной патрубок 34, разветвляясь, вторым концом соединен с перепускным клапаном (не показан) в компрессоре 40, третьим концом через перепускной клапан 41 - с атмосферой, четвертым - с баллоном 19. От второго перепускного клапана (не показан) в компрессоре 40 отходит патрубок 42, в котором установлен перепускной клапан 43. Вторым концом патрубок 42 соединен с баллоном 44 высокого давления. Компрессор 40 соединен и работает от двигателя 45 внутреннего сгорания. В выпускной патрубок 46 вмонтирован запорный кран 47.

Кольцо 62, изнутри скрепленное с рабочей камерой 18, предотвращает деформацию боковых стенок рабочей камеры 18 вовнутрь. Предохранительные клапаны 63, установленные на патрубках, идущих от кранов 22, а также предохранительные клапаны (не показаны), размещенные на патрубках, идущих от кранов 21, предотвращают разрыв рабочей камеры 18 в случае повышения давления воздуха.

На фиг. 2 показан колпак 8 (вид снизу).

На фиг. 3 показан впускной клапан, помещенный в патрубок 11, состоящий из штока 64, прикрепленного к запорному органу 48, к которому приварены четыре ребра 49, расположенные относительно друг друга под углом 90^о и упирающиеся в стенки патрубка 11. Ребра 49 подпружинены пружиной 50.

На фиг. 4 показан клапан, состоящий из запорного органа 65, к которому приварены четыре ребра 51, к которым закреплен шток 52, выходящий из силового цилиндра 53.

На фиг. 5 показан выпускной патрубок 34 (продольный разрез), в котором находится запорный клапан 36, к которому приварены четыре ребра 54, с которыми скреплен шток 55, выходящий из силового цилиндра 56. В боковых стенках между клапаном 36 и силовым цилиндром 56 имеются отверстия (не показаны) для выхода сжатого воздуха в атмосферу.

На фиг. 6 показан патрубок 57 с установленным в нем перепускным клапаном 58, соединяющим выпускные патрубки 34 и 46. От выпускного патрубка 34 отходит патрубок 59 с установленным в него перепускным клапаном 60. В выпускной патрубок 34 вмонтирован перепускной клапан 61. Перепусконой клапан 58 пропускает воздух к выпускному патрубку 34, не пропуская воздух обратно. Перепускной клапан 60 пропускает воздух из атмосферы во впускной патрубок 34, не пропуская воздух обратно. Перепускной клапан 61 пропускает воздух от выпускного патрубка (слева), не пропуская воздух к выпускному патрубку 9 (слева).

Для того чтобы предлагаемый пневмогидродвигатель работал эффективно, необходимо единый коленчатый вал 17 соединить с четырьмя устройствами так, что если в одном устройстве будет начало впуска, в другом - начало выпуска, в третьем - пик впуска, в четвертом - пик выпуска. Рабочая камера 18 выполнена из резинокорда или иного материала, обладающего прочностью и гибкостью. Силовые цилиндры 53 или 56 могут быть аналогичны тормозной камере, применяемой на автомобилях с воздушной тормозной системой. Малые колени кривошипно-шатунного механизма 4 расположены относительно друг друга под углом 180^о, большое колено кривошипно-шатунного механизма 4 расположено относительно малых колен под углом 90^о. Большое колено коленвала кривошипно-шатунного механизма 4 по размеру точно такое же, как колено вала 17. Корпус 1 и наружные обоймы подшипников 27 крепятся на жесткости, при этом угол поворотта колеса вала 17 равен углу поворота кривошипно-шатунного механизма 4.

При подаче сжатого воздуха в силовой цилиндр 56 (см. фиг. 5) клапан 36 открывается, а патрубок 34 соединяется с атмосферой. При отсутствии сжатого воздуха в силовом цилиндре 56 возвратная пружина в последнем (не показана) закрывает клапан 36, закрывая выход сжатого воздуха в атмосферу, перепускной клапан 35 пропускает воздух от патрубков 9 к баллону 19, не пропуская воздух братно, перепускной клапан 43 пропускает воздух в баллон 44, не пропуская обратно. Перепускные клапаны 33 пропускают воздух от крана 30 к силовым цилиндрам 53, не пропуская воздух в обратном направлении, перепускной клапан 41 пропускает воздух от атмосферы в патрубок 34, не пропуская возудх в обратном направлении. Патрубки 9, расположенные слева (см. фиг. 1), соединены с патрубком 34, а патурбки 9, расположенные справа (см. фиг. 1), соединены с атмосферой. Отверстия на патрубках 9 находятся между цилиндром 53 и клапаном 26 (см. фиг. 4).

В боковых стенках гильз 6 и 7 имеются отверстия в виде окон (не показаны), благодаря которым масса гильз уменьшена.

Пневмогидродвигатель работает следующим обарзом.

При нажатии на педаль 23 сжатый воздух из баллона 19 пониженного давления идет через впускной патрубок 20, кран 21, впускной патрубок 11 и открытый клапан 12 в рабочую камеру 18. Под давлением сжатого воздуха торцовая стенка рабочей камеры 15 движется вниз до нижней мертвой точки; поднимает торцовую стенку рабочей камеры 15 к верхней мертвой точке коленчатый вал 17, на который действует такое же устройство сбоку и снизу, при этом корпуса 1 на всех устройствах остаются неподвижными, так как закреплены к жесткости. Вместе с вращением вала 17 вращаются кривошипно-шатунные механизмы 4, которые при движении торцов рабочих камер 15 от верхней мертвой токи к нижней открывают впускные клапаны 12, при движении торцовых стенок рабочих камер 15 от нижней мертвой точки к верхней впускные клапаны 12 закрыты, а выпускные патрубки 9 открыты.

На автомобилях предложенный пневматический двигатель работает следующим образом.

Водитель нажимает ногой на педаль 23, сжатый воздух из баллона 19 через впускной патрубок 20 и кран 21 поступает в рабочие камеры 18, и автомобиль, трогаясь с места, начинает движение. Чем больше смещается педаль 23, тем больше открывается кран 21 и выше скорость автомобиля. Если водитель убрал ногу с педали 23, пружина, которая находится под педалью (не показана), возвращает педаль 23 в исходное положение, кран 21 закрывается. Если водитель переносит ногу с педали 23 на педаль 24 и при этом нажимает на нее, происходит торможение двигателя, а после остановки - движение автомобиля назад, так как пневматический двигатель вращается в обратную сторону. Чтобы после остановки пневматического автомобиля исключить движение его накатом, имеется педаль 31, при нажатии на которую открывается кран 30 и сжатый воздух поступает в рабочие камеры 18, а также в патрубки 32 через перепускные клапаны 33 и силовые цилиндры 53 (см. фиг. 4), поэтому сжатый воздух из патрубков 9 не выходит, в результате чего предлагаемый пневмодвигатель оказывается неспособным вращаться ни в одну, ни в другую сторону. Чтобы не произошло разрыва рабочих камер 18, имеется газовый редуктор 29, ограничивающий давление сжатого воздуха. Чтобы ограничить скорость движения пневмоавтомбиля, имеется второй газовый редуктор 28, который также ограничивает давление сжатого воздуха, поступающего из баллона 44 высокого давления. При нажатии на педаль 23 сжатый воздух подается также и на силовые цилиндры 53, в результате выпускные патрубки 9 (на фиг. 1 справа) закрываются; при нажатии на педаль 24 сжатый воздух подается на силовые цилиндры 53 (см. фиг. 4), в результате выпускные патрубки 9 (на фиг. 1 слева) закрываются. Лучше всего на автомобиль устанавливать два предлагаемых пневматических двигателя. Один пневматический двигатель соединить с задним мостом, другой - с передним. Они работают от единого баллона 19 пониженного давления и управляются едиными педалями 23 и 24. От крайних кранов 21 и 22 (см. фиг. 1), управляемых крайними педалями 23 и 24, сжатый воздух поступает во второй пневматический двигатель (не показан). Обе педали 23 соединены между собой пластиной (не показана); аналогично соединение педалей 24. При нажатии ногой на педаль 23 или 24 синхронно открываются оба крана 21 или 22. При необходимости пластины с педалей можно снять. Это позволяет улучшить проходимость автомобиля, сократить длину карданных валов, кроме того, если пневматические двигатели установлены не на кузовах, а на самих мостах, можно обойтись без карданных валов и крестовин, которые создают вибрацию и часто выходят из строя. Это позволит также обходиться без тормозной системы, в которую входят тормозные барабаны, колодки, накладки, трубопроводы и т. д. Кроме того, преимущество автомобилей с предлагаемым двигателем перед автомобилями с поршневым двигателем заключается в отсутствии систем охлаждения, смазки, приготовления рабочей смеси, сцепления, коробки передач, датчиков масла, воды, стартера, выхлопной трубы. Следствием ликвидации указанных частей является уменьшение веса автомобиля и появление свободного пространства, которое можно заполнить баллонами со сжатым воздухом.

Климатические условия СССР таковы, что на автомобиле необходимо иметь систему отопления кабины, поэтому на автомобиль устанавливается небольшой двигатель 45 внутреннего сгорания, радиатор охлаждения которого (не показан) установлен в кабине водителя. Чтобы двигатель 45 не работал вхолостую, к нему подсоединен компрессор 40. Таким образом, двигатель 45 обогревает кабину водителя, одновременно осуществляя дозаправку сжатым воздухом, вращая компрессор 40. При движении автомобиля на сокрости, когда водитель убирает ноги с педалей 23 и 24 и оба крана 21 и 22 закрыты, автомобиль продолжает движение, пневмодвигатель превращается в компрессор, через патрубки 9 (справа) происходит засасывание воздуха из атмосферы, а через патрубки 9 (слева) выход воздуха, клапан 36 в этот момент запирает выход воздуха из патрубка 34 в атмосферу и пневмодвигатель-компрессор нагнетает сжатый воздух в компрессор 40, усиливая его работу, а также пополняет запасы сжатого воздуха в баллоне 19. Движение накатом осуществляется открытием запорного крана 38 педалью 39, когда патрубок 34 соединяется с атмосферой.

В теплых широтах или в теплое время года, когда в отоплении кабины водителя нет нужды, компрессор 40 и двигатель 45 внутреннего сгорания снимают, чтобы облегчить вес автомобиля, патрубки 34 и 42 соединяются между собой напрямую, минуя компрессор 40, и пневмодвигатель-компрессор закачивает воздух напрямую - в баллоны 19 и 44. При поставноке автомобиля на длительную стоянку включается стояночный тормоз путем закрытия запорного крана 47 или нажатия на педаль 31, зафиксировав ее в отжатом положении. При наличии компрессора 40 с двигателем 45 при нажатии на педали 24 с помощью рычага (не показан) на педале 24 синхронно отжимается педаль 39, оба крана 22 и 38 открываются, в то же время при открытии крана 38 кран 22 остается закрытым.

Можно использовать предлагаемый пневмоавтомобиль в городском транспорте для перевозки пассажиров. Для этого необходимо двигатель 45 внутреннего сгорания заменить на электродвигатель. На каждой остановке устанавливают участки проводов под напряжением электрического тока (такие же примерно, как троллейбусные или трамвайные). На крыше пневматических автомобилей будут установлены контакты (примерно такие, как на троллейбусах или трамваях). При подъезде к остановке провода под напряжением тока смыкаются с контактами, установленными на крыше пневмоавтомобиля, ток поступает на электродвигатель 45, соединенный с компрессором 40, который начинает вращаться. Пока пассажиры делают посадку и высадку, компрессор 40 закачивает сжатым воздухом баллон 44 и так на каждой остановке.

Преимущество предлагаемого технического решения перед автобусом заключается в экологической чистоте, а преимущество перед троллейбусом и трамваем в том, что не нужна сплошная протяженность электропроводов на всем протяжении маршрута за исключением коротких отрезков электропроводки непосредственно на остановках, уменьшается износ между контактами (на крышах пневмоавтомобиля) и электропроводами, по которым скользят контакты, упрощается конструкция и уменьшается металлоемкость контактов на крыше пневмоавтомобиля, особенно по сравнению с троллейбусными контактами. Схема управления, показанная на фиг. 6, может быть применена на транспортных средствах, которые движутся на дальние расстояния как передним, так и задним ходом, например на локомотивах. Например, локомотив проехал со сцепленными вагонами 1000 км в одном направлении, затем, подъехав к заднему вагону и зацепившись, повез эту же сцепку в обратном направлении. Вращение пневмодвигателя также осуществляется в обратном направлении. Тогда при вдижении на скорости, когда педали 23 и 24 не отжаты, через патрубок 59 и перепускной клапан 60, патрубки 9 (слева) засасывается атмосферный воздух и выдавливается через патрубки 9 (справа), патрубок 57, клапан 58, в патрубок 34, если, конечно, будет закрыт запорный кран 47.

Технико-экономическая эффективность заключается в том, что пневмодвигатель обладает высоким КПД за счет уменьшения ненужных потерь сжатого воздуха в атомсферу.

Сущность изобретения: кривошипно-шатунный механизм установлен на коническом кольце, приваренном к корпусу. В полости рабочей камеры размещены клапаны переднего и заднего хода. Впускные и выпускные клапаны установлены с возможностью взаимодействия с соответствующими шатунами механизма и периодического сообщения полости с баллоном пониженного давления и атмосферой. Механизм кинематически связан через шатун и торцовую стенку камеры с коленчатым валом. В впускных и выпускных патрубках установлены соответственно перепускные клапаны и клапаны, уъправляемые силовыми цилиндрами, первые из которых сообщают камеру с источником сжатого воздуха, а вторые запирают выход сжатого воздуха из камеры, стенки которой закреплены на кольце. Часть выпускных патрубков через запорный кран соединена с атмосферой, другая - через клапаны с баллоном и компрессором, связанным с двигателем внутреннего сгорания. 6 ил.

ПНЕВМОГИДРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, рабочую камеру с деформируемыми стенками, коленчатый вал и систему газораспределения, включающую впускные и выпускные патрубки, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия, он снабжен кривошипно-шатунным механизмом, установленным на коническом кольце, приваренном к корпусу, а также педалями, кранами сброса и подачи, баллонами высокого и пониженного давления, рудукторами и предохранительными клапанами, в полости рабочей камеры размещены клапаны переднего и заднего хода, причем впускные и выпускные клапаны установлены с возможностью взаимодействия с соответствующими шатунами кривошипно-шатунного механизма и периодического сообщения полости рабочей камеры с баллоном пониженного давления и атмосферой, кривошипно-шатунный механизм кинематически связан через дополнительный шатун и торцевую стенку рабочей камеры с коленчатым валом, при этом во впускных и выпускных парубках установлены соответственно перепускные клапаны и клапаны, управляемые силовыми цилиндрами, первые из которых сообщают рабочую камеру с источником сжатого воздуха, а последние запирают выход сжатого воздуха из рабочей камеры, стенки которой внутри закреплены на кольце, при этом часть выпускных патрубков через запорный кран соединена с атмосферой, а другая - через клапан, управляемый силовым цилиндром и перепускные клапаны соединена с баллоном пониженного давления и компрессором, который через перепускной клапан соединен с баллоном высокого давления и кинематически связан с двигателем внутреннего сгорания.