ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F01B9/04 F01B1/06 F02B75/32 F02B75/22 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам для преобразования как вращательного движения любого направления в возвратно-поступательное, так и возвратно-поступательного во вращательное любого направления и может быть использовано в производстве двигателей внутреннего сгорания, паровых машин, насосов, компрессоров и т.д.

Известна поршневая машина, содержащая корпус, поршень со штоком, прямой рабочий вал и зубчатый передаточный механизм двустороннего действия [1]
К недостаткам известной машины можно отнести наличие бокового давления в паре поршень-цилиндр и невозможность изменять отношение чисел двойных ходов поршня к соответствующему им числу оборотов рабочего вала 1:1.

Известен также поршневой мотор, содержащий корпус, радиально расположенные цилиндры и поршни со штоками, прямой рабочий вал и зубчатый передаточный механизм двустороннего действия [2]
Однако поршневой мотор при отсутствии жесткой связи штока поршня с колесом не может работать в режиме компрессора или насоса, сохраняет боковое давление в паре поршень-цилиндр, а движущееся поступательно по окружности колесо не уравновешено.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение возможности применения поршневой машины и достижение уравновешенности колеса, движущегося поступательно по окружности.

Для решения поставленной задачи поршневая машина, содержащая корпус, по меньшей мере один радиально расположенный цилиндр с поршнем и штоком, рабочий вал и передаточный механизм двустороннего действия, включающий шестерню, неподвижно установленную на рабочем валу, и колесо внутреннего зацепления, установленное в корпусе с возможностью поступательного движения по окружности, снабжена кривошипными валами с одной ступенью, установленными одними шипами в корпусе, а вторыми в колесе параллельно друг другу, причем колесо соединено со штоком поршня с возможностью возвратно-поступательного перемещения поперек его оси. В частности, задача решается тем, что поршневая машина снабжена по меньшей мере одним дополнительным цилиндром с поршнем и штоком и дополнительными кривошипными валами и колесом внутреннего зацепления, установленным на дополнительных параллельно расположенных кривошипных валах с возможностью поступательного движения по окружности и с возможностью взаимодействия с шестерней передаточного механизма и штоком дополнительного поршня, причем полюсы зацепления колес с шестерней расположены диаметрально противоположно.

Выполнение поршневой машины согласно предлагаемому техническому решению позволяет использовать ее как в режиме двигателя, так и в режиме компрессора, при наличии двух колес возможно увеличение числа поршней в два раза при уравновешенности движущихся поступательно по окружности масс, а возможность изменять отношение чисел двойных ходов поршня к соответствующему им числу оборотов рабочего вала в двигателях внутреннего сгорания при отношении 2:1 позволяет исключить приводы газораспределения и зажигания.

На фиг.1 изображена поршневая машина с тремя цилиндрами, поперечный разрез А-А на фиг.2; на фиг.2 то же, продольный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.3 поршневая машина с шестью цилиндрами, поперечный разрез; на фиг.4 сечение В-В на фиг.3.

Поршневая машина содержит корпус 1, в полостях которого радиально к оси рабочего вала установлены поршни 3 со штоками 4. На свободных концах штоков 4 установлены, например, пальцы 5. Рабочий вал 2 с неподвижно закрепленной на нем цилиндрической шестерней 6 установлен в центральном отверстии диска зубчатого колеса внутреннего зацепления 7 и корпусе 1 с возможностью вращения в любую сторону относительно последнего. В корпусе 1 выполнены отверстия, в которые установлены неподвижные шипы кривошипов 8, а их подвижные шипы установлены в отверстия колеса 7, в результате чего колесо имеет возможность поступательного перемещения по окружности радиусом, равным эксцентриситету кривошипов, находясь в постоянном зацеплении с шестерней 6. На ободе колеса 7 дополнительно к отверстиям под кривошипы по числу цилиндров тангенциально их осям выполнены, например, пазы, в которые установлены концы пальцев 5. Вторые концы пальцев установлены в пазы 9 корпуса 1, расположенные радиально к оси рабочего вала 2 и параллельно осям поршней.

Для увеличения числа цилиндров в два раза в корпус 1 на независимых параллельных кривошипах 10 в плоскости, параллельной колесу 7, установлено второе колесо 11 (кривошипы 8, 10 и колеса 7, 11 одинаковы), полюс зацепления которого с шестерней 6 расположен в диаметрально противоположной точке от полюса зацепления колеса 7.

Поршневая машина в варианте трехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, а это наиболее рациональное число цилиндров с точки зрения равномерного чередования фаз газораспределения, работает следующим образом.

За исходное положение примем положение деталей, изображенное на фиг.1, 2, а именно: колесо 7 занимает крайнее нижнее положение, при этом полюс его зацепления с шестерней 6 находится вверху, кривошипы 8 своими подвижными шипами повернуты вниз. Первый (верхний) поршень 3 со штоком 4 находится в нижней мертвой точке, второй (правый) смещен по фазе на 120^о от первого, а третий (левый) на 240^о и занимают промежуточное положение между мертвыми точками, ближе к верхним. При вращении прямого рабочего вала 2 с шестерней 6 от пускового момента или от момента инерции вращающихся частей машины например, по часовой стрелке колесо 7 на кривошипах 8 по теории зубчато-кривошипного механизма (Крайнов А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М. Машиностроение, 1987, с. 127) движется, не поворачиваясь вокруг своей оси, поступательно по окружности.

Вертикальная относительно оси каждого поршня составляющая этого движения тангенциально расположенными пазами колеса 7 через пальцы 5 передается на возвратно-поступательное перемещение штоков 4 с поршнями 3, а горизонтальная составляющая компенсируется скольжением пальцев 5 относительно образующих этих пазов. Пальцы 5, находясь одновременно своими вторыми концами в пазах 9 корпуса 1, своим взаимодействием с образующими пазов компенсируют силу трения от перемещения колеса 7 относительно пальцев и удерживают поршни со штоками от поворота вокруг собственных осей.

За счет вертикальной составляющей движения колеса 7 первый поршень начинает движение в направлении к верхней мертвой точке, второй завершает такое движение, а третий продолжает движение к своей нижней мертвой точке. Каждый из поршней достигает своих мертвых точек, когда вращающийся полюс зацепления зубчатой пары пересекает ось соответствующего поршня.

Под действием рабочих процессов в камерах сгорания (на чертежах не показаны) при выходе поршней из верхних мертвых точек на колесо 7 действует вращающий момент, под действием которого кривошипы 8 синхронно вращаются относительно осей своих неподвижных шипов против часовой стрелки, а колесо 7 движется поступательно по окружности также против часовой стрелки, вращая шестерню 6 с рабочим валом 2 по часовой стрелке.

Рабочий вал может вращаться в любую сторону в зависимости от направления действия пускового момента.

В остальном работа поршневой машины полностью соответствует работе машины на основе кривошипно-ползунного механизма.

Поступательное движение по окружности колеса 7 с динамической точки зрения можно охарактеризовать как вращение сосредоточенной массы в центре колеса вокруг оси вращения рабочего вала 2, что является источником дисбаланса всей машины. Учитывая, что центр колеса относительно оси рабочего вала всегда расположен с противоположной стороны от полюса зацепления зубчатой пары, работа поршневой машины со вторым колесом 11 с полюсом зацепления с шестерней 6 в диаметрально противоположной точке отличается своей уравновешенностью. Двигаясь поступательно по окружности в одну сторону и будучи смещенными по фазе на 180^о, колеса 7,11 имеют равные по величине, но противоположно направленные мгновенные скорости, уравновешивая друг друга. Наличие второго колеса 11 на независимых кривошипах 10 позволяет увеличить число цилиндров в два раза.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам с преобразованием возвратно-поступательного перемещения во вращательное и наоборот. Сущность изобретения: машина снабжена кривошипными валами, одни шипы которых закреплены в корпусе, другие в колесах внутреннего зацепления, установленных с возможностью поступательного движения по окружности и с возможностью взаимодействия с шестерней передаточного механизма и штоками поршней. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус, по меньшей мере один радиально расположенный цилиндр с поршнем и штоком, рабочий вал и передаточный механизм двустороннего действия, включающий шестерню, неподвижно установленную на рабочем валу, и колесо внутреннего зацепления, установленное в корпусе с возможностью поступательного движения по окружности, отличающаяся тем, что она снабжена кривошипными валами с одной ступенью, установленными одними шипами в корпусе, а вторыми в колесе параллельно друг другу, причем колесо соединено со штоком поршня с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно его оси. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным цилиндром с поршнем и штоком и дополнительными кривошипными валами и колесом внутреннего зацепления, установленным на параллельно расположенных дополнительных кривошипных валах с возможностью поступательного движения по окружности и с возможностью взаимодействия с шестерней передаточного механизма и штоком дополнительного поршня, причем полюсы зацепления колес с шестерней диаметрально противоположно расположены.