ДВУХВАЛЬНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F01B1/10 F01B9/00 F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания, насосах и компрессорах.

Известна поршневая машина, содержащая неподвижный цилиндр, поршень со штоком, шатун, шарнирно связанный со штоком верхней головкой, а нижней с коленчатым валом, снабженным щеками, направляющий механизм для штока, выполненный в виде колец, размещенных с возможностью скольжения на щеках коленчатого вала, ползуна, установленного в горизонтальных направляющих, и равноплечих коромысел, шарнирно установленных и соединенных с головкой шатуна и с ползуном (SU, авторское свидетельство N 1247574, кл. 6 F 02 B 75/26, 1986).

Такая конструкция машины обеспечивает небольшой ход поршня, что ведет к снижению мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является двухвальный поршневой двигатель, содержащий корпус с картером, цилиндры, размещенные в них поршни, соединенные с двумя коленчатыми валами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. На коленчатых валах выполнены вырезы в виде колена с возможностью размещения в них колен соседнего коленчатого вала при нахождении последних в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров (SU, авторское свидетельство N 1548471, кл. 6 F 01 B 1/10, 1990).

Поршни в таком двигателе также имеют небольшой ход.

Задача, положенная в основу описываемого технического решения, заключается в создании двухвальной поршневой машины с увеличенным ходом поршней.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в двухвальной поршневой машине, содержащей по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, соединенный двумя шатунами с двумя коленчатыми валами, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, поршень снабжен штоком, связанным с шатунами единой осью, на штоке в месте его соединения с шатунами установлен ограничитель степени свободы шатунов, при этом длина шатунов и ход поршня определены следующими зависимостями:

где l длина шатуна, мм,
R радиус окружности кривошипа коленчатого вала, мм.

а расстояние между окружностью траектории, которую описывает кривошипная головка шатуна, и осью штока, мм.

S ход поршня, мм.

Ограничитель степени свободы шатунов выполнен в виде управляющих втулок, охватывающих головки шатунов и насаженных на ось, соединяющую шток с шатунами, и подпружиненных клиновидных фиксаторов, размещенных в пазах штока и установленных с возможностью взаимодействия с управляющими втулками и головками шатунов.

Перечисленная совокупность признаков позволяет по сравнению с известными машинами увеличить ход поршней.

Кроме того, при большом количестве цилиндров коленчатые валы машины выполнены в форме винтовой линии и снабжены втулками, на которые насажены шатуны, причем валы смещены относительно друг друга по оси винтовой линии на длину опорной поверхности головки шатуна.

Такое продольное смещение необходимо для того, чтобы не было сдвига фазы движения шатунов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена кинематическая схема двухвальной поршневой машины; на фиг. 2 ограничитель степени свободы шатунов в разрезе, при работе с одним из шатунов; на фиг. 3 и фиг. 4 динамика движения штока с поршнями вправо и влево соответственно; на фиг. 5 графическая зависимость хода поршней от угла поворота коленчатых валов; на фиг. 6 пояснительная схема для определения зависимостей между звеньями кинематической цепи; на фиг. 7 коленчатый вал в форме винтовой линии.

Поршневая машина содержит оппозитно расположенные цилиндры 1 и 2, поршни 3 и 4, размещенные в цилиндрах 1, 2 и соединенные шатунами 5, 6 с коленчатыми валами 7, 8, на которых установлен механизм синхронизации (не показано). Между собой поршни 3 и 4 соединены штоком 9. В полости штока 9 в месте его соединения с шатунами 5 и 6 установлен ограничитель 10 степени свободы шатунов, управляющие втулки 11 которого надеты на ось 12, охватывают головки 13 шатунов 5, 6 и имеют по два сквозных отверстиях 14, 15, одна из стенок которых выполнена наклонной. В головках 13 шатунов 5, 6 выполнены идентичные углубления 16, 17. В полости штока 9 установлены подпружиненные клиновидные фиксаторы 18, 19 с возможностью взаимодействия с управляющими втулками 11 и головками 13 шатунов. Головки 13 шатунов 5, 6 прикреплены к штоку 9 с помощью оси 12. Коленчатые валы 20 выполнены в форме винтовой линии и снабжены втулками 21, на которые, в случае многоцилиндрового исполнения, крепятся шатуны 5, 6.

Исходными данными при разработке конструкции двухвальной поршневой машины является R-радиус окружности кривошипа коленчатого вала. При этом длина l шатуна и ход S поршня определяются следующим образом (фиг. 6).

R FO OG ОД OE; a BG; l АД BG FB 2R + BG 2R + a
S AC AB + BC 2AB, т. к. АВ ВС
Из треугольника АВО определяем длину АВ:

AO АД + ОД l + R 2R + a + R 3R + a
OB OG + GB R + a
Отсюда:
Указанные зависимости позволяют получить значительно увеличенный ход поршня в поршневой машине.

Поршневая машина работает следующим образом.

Под воздействием рабочей среды происходит перемещение поршней 3, 4 в цилиндрах 1, 2, штока 9 и вращение коленчатых валов 7, 8 в противоположные стороны. При движении штока 9 с поршнем 4 от точки 1 до точки 9 коленчатые валы 7, 8 совершают оборот на 480^o (фиг. 3). При воздействии рабочей среды на поршень 3 (или за счет вращения коленчатых валов) происходит перемещение поршней 3, 4 и штока 9 в обратном направлении, от точки 9 до точки 15 (фиг. 4) и поворот коленчатых валов 7, 8 на 240^o (фиг. 4, 5).

Точки 5 и 12 являются критическими, при прохождении которых возникает неопределенность взаимного движения коленчатых валов 7, 8 и шатунов 5, 6. При приближении штока 9 к точке 9 шатун 5 давит на поверхность 22 управляющей втулки 11, которая отжимает клиновидный фиксатор 18, и в то же время клиновидный фиксатор 19 заходит в отверстие 14 управляющей втулки 11 и фиксирует ее положение. В этот момент клиновидный фиксатор 19 упирается в поверхность головки 13 шатуна 5, 6. При движении штока 9 от точки 9 до точки 15 головка 13 шатуна 5, 6 проворачивается вокруг оси 12, и клиновидный фиксатор 19 под действием пружины заходит в паз 16 головки 13 и своей клиновидной поверхностью давит на шатун 5, 6 в направлении его вращения, препятствуя его вращению в обратную сторону. После прохождения точки 12 шатун 5, 6 наклонной поверхностью углубления 16 выдавливает фиксатор 19 из углубления 16 и при дальнейшем вращении шатуна 5, 6 давит на поверхность 23 управляющей втулки 11. Наклонная поверхность отверстия 14 управляющей втулки 11 выдавливает клиновидный фиксатор 19 из отверстия 14 и при дальнейшем проворачивании головки 13 фиксатор 19 упрется в наружную поверхность управляющей втулки 11. В это время фиксатор 18 попадает в отверстие 15 управляющей втулки 11 и фиксирует ее положение при достижении точки 15.

Таким образом, за одно возвратно-поступательное движение поршней коленчатые валы совершают 2 оборота. При a R ход поршня . Так как в прототипе ход поршней равен 2R, то, следовательно, в предлагаемом техническом решении ход поршней увеличивается в 3,5 раза.

При а R 30 мм длина шатуна l 3R 90 мм, а ход поршней составит 210 мм.

Конструкция коленчатых валов 20 в форме винтовой линии с размещенными на ней втулками 21 упрощает изготовление коленчатых валов и улучшает балансировку машины.

Использование: в машиностроении, а именно в поршневых двигателях внутреннего сгорания, насосах и компрессорах. Сущность изобретения: машина содержит оппозитно расположенные цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах и соединенные двумя шатунами с двумя коленчатыми валами. Между собой поршни соединены штоком. Длина шатунов и ход поршней определены следующими зависимостями: l = 2R + a; , где l - длина шатуна, мм, R - радиус окружности кривошипа коленчатого вала, мм, а - расстояние между окружностью кривошипа коленчатого вала и осью штока, мм, S - ход поршня, мм. Машина снабжена ограничителем степени свободы шатунов, имеющим управляющие втулки, надетые на ось, соединяющую головки шатунов со штоком. В полости штока установлены подпружиненные фиксаторы с возможностью взаимодействия с управляющими втулками и головками шатунов. Коленчатые валы выполнены в форме винтовой линии и снабжены втулками. 1 с. и 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1.Двухвальная поршневая машина, содержащая по меньшей мере один цилиндр, размещенный в нем поршень, кинематически связанный двумя шатунами с двумя коленчатыми валами, расположенными перпендикулярно оси цилиндра, отличающаяся тем, что она снабжена штоком, соединенным с поршнем и шатунами, и ограничителем степени свободы шатунов, установленным на штоке в месте соединения его с шатунами, при этом длина шатуна и ход поршня определены следующими зависимостями:
l 2R+a;

где l длина шатуна, мм;
R радиус окружности кривошипа коленчатого вала, мм;
a кратчайшее расстояние между окружностью траектории, которую описывает кривошипная головка шатуна, и осью штока, мм;
S ход поршня, мм. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степени свободы шатунов выполнен в виде управляющих втулок, надетых на ось, соединяющую шток с шатуном, и охватывающих головки шатунов, и подпружиненных клиновидных фиксаторов, размещенных в пазах штока и установленных с возможностью взаимодействия с управляющими втулками и головками шатунов. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что коленчатые валы выполнены в форме винтовой линии и снабжены втулками, образующая наружной поверхности каждой втулки параллельна оси винтовой линии, при этом шатуны насажены на втулки, а валы смещены относительно друг друга по оси винтовой линии на длину опорной поверхности головки шатуна.