ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F01B9/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам с зубчато-реечной передачей между валом и поршнем: ДВС, гидромоторам, компрессорам и насосам.

Известна поршневая машина Боннина [1] с передаточным механизмом в виде ползуна, состоящего из двух зубчатых реек, между которыми установлен зубчатый сектор, находящийся попеременно в зацеплении с одной или другой рейкой ползуна. У этой машины зацепление происходит вблизи мертвых точек не по линии зацепления, а вершинами зубьев, что приводит к их поломке. Кроме того, в мертвых точках вообще зацепление отсутствует, что ведет к свободному перемещению поршня без передачи усилия на сектор.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является поршневая машина [2] принципиально выполненная как и машина Боннина, но имеющая различный модуль зубьев, поэтому линия зацепления на концах реек закруглена. Кроме того, на рейках имеются зубья контактные элементы, установленные на пружинах с возможностью утапливания. Эти различия частично компенсируют отмеченные недостатки, присущие машине Боннина, но при подходе ползуна к любой из мертвых точек зуб начала зацепления утапливает зуб с пружиной на рейке, а при выходе ползуна из мертвой точки зуб конца зацепления делает то же на другой рейке. На это затрачивается мощность, снижается КПД машины.

Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения, является повышение мощности КПД и долговечности машины благодаря тому, что зубья начала и конца зацепления зубчатого сектора смещены в параллельную плоскость, а на боковых поверхностях зубчатых реек установлены подвижные и неподвижные контактные элементы, взаимодействующие своими рабочими поверхностями с рабочими поверхностями этих зубьев сектора. Все зубья реек и сектора имеют одинаковый модуль, а рабочие поверхности всех контактных элементов расположены в соответствии с рабочими поверхностями зубьев реек. Эти существенные признаки необходимы во всех случаях.

Установка на рейках различных сочетаний контактных элементов является частным случаем, кроме того, снабжение ползуна направляющими опорами-подшипниками и пружинами для вывода поршня из мертвых точек без ударов деталей, движущихся возвратно-поступательно, а выходного вала подшипниками качения, установленными на коренных шейках, и маховиком, соединенным с валом посредством механизма свободного хода, способствует снижению габаритов и массы, токсичности, энергоемкости.

На фиг. 1 изображен передаточный механизм поршневой машины; на фиг. 2 ползун в нижней мертвой точке (НМТ); на фиг. 3 ползун в верхней мертвой точке (ВМТ); на фиг. 4 вариант двухтактной поршневой машины-двигателя; на фиг. 5 узел соединения маховика с выходным валом; на фиг. 6 поршень двухтактного двигателя с лепестками для перекрытия окон; на фиг. 7 вариант четырехтактного двигателя; на фиг. 8 выходной вал в подшипниках качения; на фиг. 9 разрез А-А на фиг. 8; на фиг. 10 зубчатый сектор, выполненный заодно с выходным валом, в аксонометрии; на фиг. 11 зубчатый сектор из двух частей в аксонометрии.

Поршневая машина (фиг. 1) содержит поршень 5, цилиндр 6, ползун 1, выполненный в виде зубчатых реек, скрепленных между собой, и зубчатого сектора 2. Ползун 1 установлен с возможностью свободного перемещения вверх-вниз по направляющим подшиникам 3 и через стойку 4, поршень 5, по стенке цилиндра 6. На боковых поверхностях ползуна 1 установлены пластины 7 и 8, 9 и 10, между ними установлены с возможностью движения контактные элементы 11 и 12. Они снабжены пружинами 13 и 14, которые выполняют функции стопорных элементов. На ползуне 1 установлены оси 15 и 16, на которые посажены контактные элементы 17 и 18, имеющие пружины 19 и 20. Контактные элементы 17 и 18 имеют установленные на штифтах 21 и 22 стопорные элементы 23 и 24, имеющие пружины 25 и 26. Кроме того, на ползуне 1 имеются неподвижные контактные элементы 27 и 28. На контактных элементах 17 и 18 закруглены кромки, расположенные по центру осей 15 и 16. Контактные элементы 11 и 12 могут быть заменены на такие контактные элементы, как 17 и 18 с зеркальной их установкой. Элементы 7 и 8, 27 и 28 являются неподвижными и могут быть выполнены из пластин или отливкой.

Зубчатый сектор 2 имеет зубья К и d, причем зуб К является началом, а зуб d концом зацепления, считая по ходу их вращения. Эти зубья лежат в параллельной плоскости по отношению к остальным зубьям сектора, называемым основным зацеплением. Этот сектор может быть выполнен одной деталью в виде вала-шестерни, а также раздельно от вала. Кроме того, он может быть выполнен отдельно в виде полушестерни зубьев начала и конца зацепления и полушестерни зубьев основного зацепления (фиг. 10 и 11).

На картере 29 установлены концевые упоры 30 и 31. Поршень 5 выполнен без юбки и крепится к стойке 4 винтом 32 через шайбы 33, предназначенные для изменения объема камеры сгорания.

Поршневая машина работает следующим образом (фиг. 1-3).

Зубчатый сектор 2, вращаясь по часовой стрелке, своими зубьями основного зацепления перемещает ползун 1 вниз. Затем зуб d, взаимодействуя с контактным элементом 17, приводит ползун 1 в НМТ (фиг. 2). Сила, стремящаяся повернуть контактный элемент 17 вокруг оси 15, равна нулю. В этот момент зуб К соприкасется с неподвижным контактным элементом 7. При этом несколько впереди зуб k, надавливая на нижнюю поверхность контактного элемента 11, проходит под ним, а пружина 13 возвращает контактный элемент 11 в исходное положение, она затем выполняет функцию стопорного элемента, удерживая его в зацеплении. Теперь зуб k, воздействуя на неподвижный контактный элемент 7, выводит ползун 1 из НМТ, а в это время зуб d начинает поворачивать контактный элемент 17 вокруг оси 15, так как концевой упор 30 уже вывел из зацепления стопорный элемент 23. При этом закругленная кромка контактного элемента 17 скользит по рабочей поверхности зуба d до полного выхода из зацепления, после чего контактный элемент 17 возвращается в исходное положение под воздействием пружины 19. Следует иметь в виду, что выход стопорного элемента 23 из паза контактного элемента 17 и вход в соприкосновение зуба k и контактного элемента 7 происходят одновременно. Далее ползун 1 таким же образом приводится в ВМТ (фиг. 3).

Если поршни установлены с двух сторон, то ползун 1 непрерывно вращает зубчатый сектор 2, но тогда с зубом k взаимодействуют контактные элементы 11 и 12, а с зубом d контактные элементы 27 и 28 (фиг. 4).

При выполнении машины в виде двухтактного двигателя с оппозитным расположением цилиндров 34, 35 и поршней 36, 37 (имеющих лепестки 45 для перекрытия окон), установленных на штоках 38 и 39, последние укреплены на ползуне 1, размещенном в корпусе 40 с перегородками 41 и 42, разделяющими полости картера и цилиндра. Маховик 43 соединен с выходным валом посредством механизма свободного хода, включающего ролики 44.

При замедлении перемещения поршней 36 и 37 с ползуном 1 (что происходит вблизи мертвых точек) маховик 43 сохраняет прежнюю угловую скорость, и поэтому выводит ролики 44 из зацепления с выходным валом, а затем после останова в мертвых точках поршни перемещаются в обратную сторону с мгновенным увеличением скорости, и, достигнув скорости маховика, выходной вал вводит в зацепление ролики 44 с маховиком 43. Таким образом, маховик имеет постоянную угловую скорость (фиг. 5).

Машина может быть выполнена в виде четырехтактного двигателя с блоком цилиндров 46 и картером 29, в котором установлены опоры 47 с подшипниками 3 и пружинами 48. В нижней части ползуна 1 укреплены кронштейны 49, а сверху укреплена стойка 4 с поршнем 5. В картере 29 установлена пружина 50. Выходной вал с зубчатым сектором 2 установлен в подшипниках 51 качения (фиг. 7).

При перемещении ползуна 1 к ВМТ кронштейны 49 сжимают пружины 48, в которых сила от сжатия в ВМТ равна силе инерции деталей, движущихся возвратно-поступательно, а затем вместе с зубом k сообщают ползуну 1 движение обратного направления, возвращая при этом взятую раннее энергию. В НМТ эту работу выполняет пружина 50. Таким образом, пружины 48 и 50 ликвидируют удары в мертвых точках.

Между зубчатыми секторами может быть установлена продольно-разъемная муфта 52, на которую посажены подшипники 51 в корпусе 53. Части муфты 52 соединены винтами 54 (фиг. 8 и 9).

Описанные усовершенствования обеспечивают высокую надежность машины, улучшают условия ее эксплуатации.

Использование: в машиностроении, для усовершенствования поршневых машин: двигателей, насосов, компрессоров. Сущность изобретения: поршневая машина содержит корпус, цилиндр, ползун, выполненный в виде зубчатых реек и жестко связанный с поршнем, и выходной вал с сектором из зубьев начала и конца зацепления и зубьев основного зацепления, установленный с возможностью зацепления с рейками, каждая из которых оснащена контактными элементами, установленным с возможностью взаимодействия с зубьями начала и конца зацепления. Зубья основного зацепления расположены в одной плоскости, а зубья начала и конца зацепления и контактные элементы в другой, параллельной плоскости, причем все зубья имеют одинаковый модуль. Особенность выполнения и расположение контактных элементов ползуна обеспечивает его постоянное зацепление с зубчатым сектором вала и плавный выход из мертвых точек. 15 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус, цилиндр, ползун, выполненный в виде зубчатых реек и жестко связанный с поршнем, и выходной вал с сектором из зубьев начала и конца зацепления и зубьев основного зацепления, установленный с возможностью зацепления с рейками, каждая из которых оснащена контактными элементами, установленными с возможностью взаимодействия с зубьями начала и конца зацепления, отличающаяся тем, что зубья основного зацепления расположены в одной плоскости, а зубья начала и конца зацепления и контактные элементы в другой, параллельной плоскости, причем все зубья имеют одинаковые модули. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с передними рабочими поверхностями зубьев начала и конца зацепления. 3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере один контактный элемент установлен на одной из реек с возможностью взаимодействия с задней рабочей поверхностью зуба начала зацепления. 4. Машина по п.2, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с задней рабочей поверхностью зуба начала зацепления. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с задними рабочими поверхностями зубьев начала и конца зацепления. 6. Машина по п.5, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с передней рабочей поверхностью зуба начала зацепления. 7. Машина по п.5, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с передней рабочей поверхностью зуба конца зацепления. 8. Машина по п.7, отличающаяся тем, что контактные элементы установлены на рейках с возможностью взаимодействия с передней рабочей поверхностью зуба начала зацепления. 9. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что часть контактных элементов установлена на рейках неподвижно. 10. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что часть контактных элементов установлена с возможностью движения и снабжена стопорными элементами. 11. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что ползун снабжен направляющими опорами. 12. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что она снабжена упругой опорой вывода поршня из нижней мертвой точки. 13. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что она снабжена упругими опорами вывода поршня из мертвых точек. 14. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что она снабжена механизмом свободного хода, посредством которого соединены вал и маховик. 15. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что она снабжена подшипниками качения, посредством которых вал установлен в корпусе. 16. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что между полостями картера и цилиндра установлена перегородка.