АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F02B75/26 

Изобретение относится к поршневым машинам, а именно к аксиально-поршневой машине с осями цилиндров, расположенным параллельно оси коленчатого вала.

Наиболее успешно настоящее изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия, применяемых в транспортных средствах.

Преимущества аксиальной компоновки цилиндров в поршневых двигателях внутреннего сгорания заключаются в том, что такие двигатели имеют меньшие массу и габарит. По отношению к традиционным поршневым двигателям с кривошипно-шатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного перемещения поршней во вращение коленчатого вала габарит и масса аксиально-поршневых двигателей уменьшаются в 1,5-2,0 раза и при установке их на автомобиле создаются условия для снижения аэродинамического сопротивления автомобиля за счет уменьшения пространства, занимаемого двигателем под капотом.

Современные требования по уменьшению выбросов токсичных и канцерогенных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания, установленных на транспортных средствах, а также по снижению расхода невосполнимых запасов топлива заставляют машиностроителей обращаться к аксиально-поршневым двигателям с регулируемым рабочим объемом цилиндров. При использовании таких двигателей на автомобилях в условиях городской езды сокращается эксплуатационный расход топлива на 30-40% и снижается пропорционально уменьшению расхода топлива выброс токсичных и канцерогенных веществ по массе.

Однако до настоящего времени не удалось создать надежную работоспособную конструкцию аксиально-поршневого двигателя.

Попытки решения проблемы обеспечения надежной работы аксиально-поршневого двигателя привели к появлению аксиально-поршневой машины (заявка ФРГ N 3420529). В корпусе известной машины размещен блок цилиндров с цилиндрическими полостями, оси которых параллельны продольной оси вала. В них размещены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршни, каждый из которых шарнирно связан с одним концом штока, другой конец которого шарнирно соединен с наклонной шайбой посредством первого цилиндрического пальца, проходящего через проушины вилки, представляющей собой другой конец штока, и через промежуточный элемент, и посредством второго цилиндрического пальца, ось которого перпендикулярна оси первого пальца, проходящего через промежуточный элемент и проушины, выполненные на наклонной шайбе. Последняя установлена через опору на наклонной шейке вала, размещенного на опорах, установленных в корпусе. Наклонная шайба связана универсальным соединением с корпусом. Опора наклонной шайбы на наклонной шейке вала выполнена сферической, что обеспечивает качание шайбы в процессе преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала.

Вилка универсального шарнира размещена в блоке цилиндров с возможностью продольного перемещения, а именно вдоль продольной оси вала. При перемещении вилки происходит перемещение сферической опоры по наклонной шейке вала и уменьшение угла наклона шайбы, что приводит к уменьшению рабочего объема цилиндров двигателя.

Однако применение одного универсального соединения не обеспечивает равномерной прецессии наклонной шайбы из-за изменения ее угловой скорости дважды за один оборот коленчатого вала, происходящего в плоскости, перпендикулярной продольной оси шайбы. Последнее вызывает появление большого инерционного момента от масс шайбы и деталей с ней связанных, усилие от которого приводит к быстрому усталостному разрушению универсального соединения.

Использование универсального соединения в качестве одной из опор наклонной шайбы еще в большей степени снижает его надежность из-за больших знакопеременных нагрузок, воспринимаемых шарниром от шайбы.

Наличие одной сферической опоры шайбы в данном случае приводит к тому, что реактивные усилия, возникающие на шайбе и передаваемые от шайбы к корпусу через вал и универсальное соединение, разрушительны для вала из-за больших изгибающих моментов, действующих на вал, а для универсального шарнира - из-за знакопеременной динамической нагрузки.

В известной конструкции аксиально-поршневого двигателя универсальное соединение вследствие выполнения им функции одной из опор наклонной шайбы имеет значительные размеры, что препятствует развитию сферической поверхности опоры, опирающейся на наклонную шейку вала. Указанная опора воспринимает самые большие усилия, возникающие в двигателе при преобразовании возвратно-поступательного перемещения поршней во вращательное движение вала, и при ограниченных размерах сферической поверхности опоры последняя имеет малую работоспособность из-за ограниченной ее долговечности.

Причем, угол наклона продольной оси наклонной шайбы к продольной оси коленчатого вала составляет 40^о. Это вызывает угловое колебание наклонной шайбы относительно ее оси с большой амплитудой, что обусловливает появление больших инерционных нагрузок, приводящих к разрушению двигателя.

Попытка исключения углового колебания шайбы относительно ее продольной оси привела к появлению аксиально-поршневой машины (патент США N 2424660). В корпусе этой машины размещен блок цилиндров с полостями, оси которых параллельны продольной оси вала и в которых размещены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршни. Каждый из поршней шарнирно связан с одним концом штока, другой конец которого шарнирно соединен с наклонной шайбой. Последняя установлена через опору на наклонной шейке вала, размещенного на опорах в корпусе. Шайба связана через два универсальных соединения с корпусом. Опора наклонной шайбы представляет собой шариковый радиально-упорный подшипник. Внутреннее кольцо подшипника неподвижно связано с наклонной шейкой вала, его наружное кольцо закреплено в наклонной шайбе. Это свидетельствует о наличии только одной опоры, которая воспринимает все нагрузки от наклонной шайбы. Такое одноопорное закрепление наклонной шайбы на наклонной шейке вала препятствует перемещению шайбы вдоль наклонной шейки и изменению угла ее наклона. Таким образом, не представляется возможным выполнить машину с изменяемым рабочим объемом цилиндров.

Несмотря на исключение вышеуказанной функции машины, связь шайбы с корпусом через два универсальных соединения существенно улучшает работу машины, поскольку исключено угловое колебание шайбы вдоль ее продольной оси, что в свою очередь исключает возникновение от них разрушающих инерционных нагрузок.

Каждое универсальное соединение образовано из кольца с четырьмя пальцами, лежащими в одной плоскости и имеющими взаимно перпендикулярные оси. Два соосных пальца одного универсального соединения шарнирно связаны с наклонной шайбой, а два других пальца этого соединения шарнирно связаны с промежуточным элементом, представляющим собой кольцо. Последнее шарнирно связано с соосными пальцами другого универсального соединения.

Взаимно перпендикулярные им пальцы шарнирно связаны с проушинами полой детали, закрепленной в корпусе двигателя. Поскольку в известной конструкции отсутствует фиксация положения биссекторной плоскости, проходящей через точку пересечения продольных осей вала и шайбы и делящей пополам угол, образованный плоскостями, проходящими через взаимно перпендикулярные оси пальцев универсального соединения, то срок службы универсальных соединений значительно уменьшается из-за появления в них дополнительных неуравновешенных нагрузок.

Известна (заявка Франции N 2277233) аксиально-поршневая машина, содержащая корпус, цилиндры с размещенными в них поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, связанную с поршнями при помощи шатунов, размещенную на сферической опоре посредством вкладышей и связанную с наклонной шейкой вала при помощи конусообразного элемента, карданный механизм, связанный с наклонной шайбой и с ее сферической опорой и расположенный внутри последних. В этой аксиально-поршневой машине наклонная шайба выполнена в виде монолитной детали с цилиндрической постелью для упомянутых вкладышей, сопряженных со сферической опорой. У такой аксиально-поршневой машины сравнительно малы размеры рабочей поверхности упомянутых вкладышей, контактирующих со сферической опорой, из-за чего срок службы этих вкладышей и сферической опоры получается невелик.

Цель изобретения - повышение долговечности аксиально-поршневой машины.

Указанная цель достигается тем, что в аксиально-поршневой машине, содержащей корпус, цилиндры с размещенными в них поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, связанную с поршнями при помощи шатунов, размещенную на сферической опоре посредством вкладышей и связанную с наклонной шейкой вала при помощи конусообразного элемента, карданный механизм, связанный с наклонной шайбой и с ее сферической опорой и расположенный внутри них, и распределительный механизм с приводом, упомянутая сферическая опора выполнена в виде тонкостенной чаши, конусообразный элемент наклонной шайбы выполнен в виде купола, в котором расположен один из упомянутых вкладышей, на наклонной шейке вала установлен шаровой элемент, размещенный в конусообразном элементе наклонной шайбы, а привод распределительного механизма выполнен в виде валика, жестко связанного с валом, имеющим наклонную шейку.

Указанное выполнение аксиально-поршневой машины позволило увеличить рабочую поверхность вкладышей, через которые наклонная шайба опирается на сферическую опору, и тем самым повысить их срок службы. При этом удалось простыми средствами осуществить привод распределительного механизма от вала с наклонной шейкой.

Такая аксиально-поршневая машина может быть снабжена гидравлическим механизмом изменения степени сжатия, выполненным в виде поршня, установленного соосно с валом машины и соединенного со сферической опорой, валик привода распределительного механизма может быть расположен коаксиально с поршнем внутри последнего, а шаровой элемент, размещенный в конусообразном элементе наклонной шайбы, при наличии упомянутого гидравлического механизма установлен на наклонной шейке вала с возможностью перемещения вдоль ее оси.

На фиг. 1 изображена аксиально-поршневая машина, в частности аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг.2 - первая и вторая опоры наклонной шайбы и универсальные соединения, повернутые на 90^о в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, продольный разрез; на фиг.3 - конструкция аксиально-поршневого двигателя при положении поршней цилиндров и наклонной шайбы, соответствующем минимальному рабочему объему цилиндров, продольный разрез; на фиг. 4 - первая и вторая опоры наклонной шайбы и универсальные соединения, повернутые на 90^о в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, в положении, соответствующем минимальному рабочему объему цилиндров двигателя, продольный разрез.

Аксиально-поршневая машина, выполненная согласно изобретению и воплощенная в многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания, содержит корпус, включающий соединенные между собой крепежными элементами блок цилиндров 1 и картер 2. К блоку цилиндров и картеру снизу прикреплен поддон 3, спереди к блоку цилиндров прикреплена крышка 4.

В блоке цилиндров 1 выполнены цилиндрические полости 5 с гильзами 6, оси которых параллельны продольной оси коленчатого вала 7. В цилиндрических полостях 5 расположены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршни 8. Каждый поршень 8 шарнирно соединен с одним концом шатуна 9, другой конец которого шарнирно соединен с наклонной шайбой 10. Шарнирная связь шатуна 9 с поршнем 8 образована подпятником с выпуклой сферической поверхностью, взаимодействующей с вогнутой сферической поверхностью торца шатуна 9. Для удержания шатуна 9 в поршне 8 имеется разрезной вкладыш, охватывающий конец шатуна и упирающийся в резьбовую втулку, зафиксированную в поршне 8.

Наклонная шайба 10 охватывает сферическую опору 11, выполненную в виде тонкостенной чаши. Шайба 10 состоит из звездообразного элемента 12 с гнездами 13 для шарниров, соединяющих шатуны 9 с шайбой 10, и конусообразного элемента 14, выполненного в виде купола заодно со ступицей 15 шайбы. Звездообразный и конусообразный элементы наклонной шайбы соединены между собой крепежными элементами, например, винтами.

Шарнирная связь шатуна 9 с звездообразным элементом 12 наклонной шайбы образована шаровым подпятником 16, размещенным в гнезде 13 и взаимодействующим с вогнутой сферической поверхностью торца шатуна 9. В гнезде 13 установлены также разрезной вкладыш 17 с вогнутой сферической поверхностью, сопряженной с выпуклой сферической поверхностью конца шатуна 9, и резьбовая втулка 18, удерживающая вкладыш 1 и вместе с ним конец шатуна 9 в звездообразном элементе наклонной шайбы.

В звездообразном элементе 12 выполнена кольцевая постель для чашеобразного вкладыша 19 подшипника, выполненного из антифрикционного материала и сопряженного со сферической опорой 11 наклонной шайбы. В конусообразном элементе 14 образована постель для другого чашеобразного вкладыша 20 подшипника наклонной шайбы, сопряженного с упомянутой сферической опорой 11. Сферическая опора 11 имеет ступицу 21, расположенную в обойме 22 и имеющую с ней шлицевое соединение. Обойма 22 закреплена в блоке цилиндров 1.

Коленчатый вал 7 имеет наклонную шейку 23, на которой на втулке 24 установлен шаровой элемент 25, размещенный в конусообразном элементе 14 наклонной шайбы 10. Шаровой элемент 25 установлен на наклонной шейке 23 коленчатого вала 7 с возможностью перемещения вдоль ее оси. Втулка 24 зафиксирована в шаровом элементе 25 с помощью шпонки и стопорного кольца.

Для предотвращения проворачивания наклонной шайбы 10 относительно ее оси имеется кинематическая связь шайбы с блоком цилиндров, содержащая два универсальные соединения, образующие двойной карданный механизм. Пеpвое универсальное соединение образовано пальцами 26 (фиг.2), закрепленными в ушках 27, выполненных на торце ступицы 15 наклонной шайбы, и пальцами 28 (фиг. 1), выполненными на кольце 29, установленном через игольчатые подшипники на упомянутых пальцах 26 (фиг.2). Оси пальцев 26 и 28 расположены взаимно перпендикулярно в одной плоскости. Второе универсальное соединение образовано пальцами 30, выполненными заодно целое с втулкой 31, имеющей шлицевое соединение со сферической опорой 11 наклонной шайбы, и пальцами 32 (фиг. 1), выполненными на кольце 33, установленном через игольчатые подшипники на пальцах 30 (фиг.2).

Оси пальцев 30 и 32 расположены взаимно перпендикулярно в одной плоскости. Пальцы 28 и 32 (фиг.1) установлены на игольчатых подшипниках в соединительном элементе 34, представляющем собой кольцо. Оси пальцев 28 и 32 расположены в одной плоскости параллельно между собой.

Напротив пальцев 30 внутри сферической опоры 11 закреплены штампованные вставки 35, образующие со сферической опорой 11 каналы для подачи смазочной жидкости через отверстия 36 к трущимся поверхностям вкладышей 19 и 20.

На конце ступицы 21 сферической опоры наклонной шайбы закреплен поршень 37, образующий с обоймой 22 гидравлический механизм изменения степени сжатия 38, служащий для перемещения сферической опоры 11 и вместе с ней наклонной шайбы 10 для изменения рабочего объема цилиндров двигателя. Рабочая полость упомянутого гидравлического механизма через трубопровод 39 и распределитель 40, размещенный в поддоне 3, соединен с источником давления жидкости.

Внутри ступицы 21 сферической опоры наклонной шайбы закреплена втулка 41, в которой на подшипнике скольжения установлен коленчатый вал 7. Другая опора коленчатого вала 7 выполнена в виде подшипника 42, внутренние кольца которого зафиксированы от осевого перемещения на коленчатом валу, а наружное кольцо установлено в картере 2 и зафиксировано в нем от осевого перемещения. Коленчатый вал 7 имеет хвостовик, образующий валик 43, связанный с приводом распределительного механизма, служащего для перемещения клапанов 44. Кроме того на валике 43 закреплена ступица шкива привода вспомогательных агрегатов двигателя, установленная в крышке 4 на подшипнике качения. Валик 43 расположен коаксиально с поршнем 37 внутри отверстия, выполненного в поршне.

Аксиально-поршневая машина в режиме двигателя работает следующим образом.

Давление от горячих газов в гильзах 6 блока цилиндров 1 воздействует на поршни 8. Усилия от горячих газов, возникающее на поршнях 8, через шатуны 9 передаются на наклонную шайбу 10 и через ее ступицу 15 воздействуют на наклонную шейку 23 коленчатого вала 7, заставляя его вращаться. Иными словами, усилие, создаваемое давлением горячих газов, перемещает поршни 8 в гильзах 6, при этом поступательное перемещение поршней 8 вызывает сложное качательное движение наклонной шайбы 10, которое преобразуется во вращательное движение вала 7. При работе двигателя наклонная шайба 10 удерживается от вращения с помощью двойного карданного механизма, образованного универсальными соединениями, связывающими ушки 27 (фиг.2) ступицы наклонной шайбы с блоком цилиндров 1 через втулку 31 и ступицу 21 сферической опоры наклонной шайбы. При качании во время работы двигателя наклонная шайба 10 опирается через чашеобразные вкладыши 19 и 20 на сферическую опору 11.

Уменьшение рабочего объема двигателя производится с помощью гидравлического механизма изменения степени сжатия 38 (фиг.1) путем подачи в него жидкости под давлением для перемещения сферической опоры 11 в сторону блока цилиндров в положение, показанное на фиг.3 и 4. При перемещении сферической опоры 11 и вместе с ней наклонной шайбы 10 ступица 15 последней перемещается в сторону оси коленчатого вала, в результате чего амплитуда качания наклонной шайбы и соответственно ход поршней 8 уменьшаются и, значит, уменьшается рабочий объем двигателя. Для увеличения рабочего объема двигателя жидкость частично выпускается из гидравлического механизма изменения степени сжатия 38, поршень 37 и вместе с ним сферическая опора 11 наклонной шайбы под действием усилия, действующего на наклонную шайбу со стороны поршней 8 блока цилиндров, отодвигаются от блока цилиндров, а ступица 15 наклонной шайбы перемещается вдоль наклонной шейки 23 коленчатого вала дальше от его оси, в результате чего амплитуда качаний наклонной шайбы 10, ход поршней 8 и соответственно рабочий объем цилиндров увеличиваются.

Благодаря тому, что наклонная шайба состоит из звездообразного и конусообразного элементов, образующих постели для чашеобразных вкладышей, сопряженных со сферической опорой, удалось выполнить последнюю сравнительно большого диаметра с большой опорной поверхностью для упомянутых вкладышей, а также представилось возможным разместить универсальные соединения, образующие двойной карданный механизм, внутри сферической опоры, что уменьшило диаметральный размер соединительного элемента универсальных соединений и тем самым уменьшило его массу, вследствие чего снизилась динамическая нагрузка, возникающая из-за неравномерного движения упомянутого соединительного элемента. Это повысило надежность аксиально-поршневой машины.

Использование: двигателестроение. Сущность: машина содержит блок цилиндров 1 с поршнями 8, связанными при помощи шатунов 9 с наклонной шайбой 10, взаимодействующей через шаровой элемент 25 с наклонной шейкой 23 вала 7. Шайба 10 имеет сферическую опору 11, выполненную в виде тонкостенной чаши, и связана с корпусом машины посредством двойного карданного механизма. Шайба 10 состоит из звездообразного элемента 12 и конусообразного элемента 14, в которых расположены вкладыши 19 и 20, через которые шайба 10 опирается на опору 11. Привод распределительного механизма осущетсвляется с помощью валика 43, жестко соединенного с валом 7. Машина может быть снабжена гидравлическим механизмом изменения степени сжатия 38. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус, цилиндры с размещенными в них поршнями, вал с наклонной шейкой, сферическую опору, установленную в корпусе соосно с валом, наклонную шайбу, связанную с поршнями при помощи шатунов, размещенную на сферической опоре посредством вкладышей и связанную с наклонной шейкой вала при помощи конусообразного элемента, карданный механизм, связанный со сферической опорой и наклонной шайбой и расположенный внутри последних, и распределительный механизм с приводом, отличающаяся тем, что, с целью повышения долговечности, сферическая опора выполнена в виде тонкостенной чаши, конусообразный элемент наклонной шайбы выполнен в виде купола, в котором расположен один из упомянутых вкладышей, на наклонной шейке вала установлен шаровой элемент, размещенный в конусообразном элементе наклонной шайбы, а привод распределительного механизма выполнен в виде валика, жестко связанного с валом с наклонной шейкой. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена гидравлическим механизмом изменения степени сжатия, выполненным в виде поршня, установленного соосно с валом машины и соединенного со сферической опорой, валик привода распределительного механизма расположен коаксиально с поршнем внутри последнего, а шаровый элемент, размещенный в конусообразном элементе наклонной шайбы, установлен на наклонной шейке вала с возможностью перемещения вдоль ее оси.