АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F02B75/26 F02D15/02 F01B3/02 

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

Наиболее успешно 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 вещества 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 (патенты США N 2532254, 2539880, заявка ФРГ N 2345225). 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.

Известна аксиально-поршневая машина с регулируемым рабочим объемом (заявка РСТ 92/11450), содержащая корпус с расположенными в нем поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, взаимодействующую с упомянутой наклонной шейкой вала и имеющую связь с поршнями, сферическую опору наклонной шайбы, имеющую ступицу, установленную в корпусе машины с возможностью перемещения вдоль оси упомянутого вала, гидравлический силовой орган для перемещения ступицы сферической опоры наклонной шайбы, распределитель для сообщения рабочей полости гидравлического силового органа с источником давления рабочей жидкости.

В этой аксиально-поршневой машине изменение ее рабочего объема производится простыми средствами путем перемещения сферической опоры наклонной шайбы поршнем гидравлического силового органа вдоль оси вала в ту или иную сторону путем воздействия на поверхность поршня, обращенную в сторону сферической опоры. При этом проблемой является обеспечение регулирования положения поршня гидравлического силового органа в зависимости от нагрузки на машину.

Задачей изобретения, является создание надежного, простого, удобного в размещении и обслуживании распределителя для управления гидравлическим силовым органом, служащим для изменения рабочего объема известной аксиально-поршневой машины, и обеспечение при этом плавного, точного и непрерывного регулирования положения поршня гидравлического силового органа и соответственно связанной с ним сферической опоры наклонной шайбы в зависимости от заданного положения органа управления машиной для обеспечения надлежащего рабочего хода поршней самой машины.

Для решения задачи в известной аксиально-поршневой машине, содержащей корпус, в котором расположены поршни, вал с наклонной шейкой, взаимодействующую с наклонной шейкой вала наклонную шайбу, связанную с поршнями машины и размещенную на сферической опоре, имеющей ступицу, установленную в корпусе машины с возможностью перемещения поршнем гидравлического силового органа, рабочая полость которого сообщена с источником давления рабочей жидкости через распределитель, распределитель содержит зубчатую рейку, с которой связан его подвижный элемент, валик с закрепленным на нем зубчатым элементом, имеющий привод от органа управления аксиально-поршневой машиной, рычаг, расположенный на валике с возможностью поворота относительно него и связанный со ступицей сферической опоры наклонной шайбы, и расположенный на рычаге зубчатый элемент, имеющий зацепление с зубчатой рейкой и с зубчатым элементом, закрепленным на валике.

При таком выполнении системы управления аксиально-поршневой машиной с переменным рабочим объемом обеспечивается достаточно точное соответствие рабочего хода ее поршней задаваемой машине нагрузки за счет осуществления дифференциальной связи сферической опоры наклонной шайбы и органа управления машиной с подвижным элементом распределителя при помощи простых и надежных средств, включающих в себя рычаг и зубатую передачу, состоящую из зубчатой рейки и цилиндрических зубчатых элементов, например обычных зубчатых колес или зубчатых секторов.

Тело зубчатой рейки может быть выполнено в виде скобы, имеющей среднюю часть, расположенную в пазу в корпусе распределителя, и полки, между которыми расположен подвижный элемент распределителя, выполненный в виде золотника, в первом положении сообщающего рабочую полость гидравлического силового органа с источником давления рабочей жидкости через обратный клапан, а во втором положении сообщающего с источником давления рабочей жидкости устройство управления обратным клапаном.

На фиг. 1 схематически 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^o в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала, в увеличенном масштабе, 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^o в плоскости, перпендикулярной продольной оси вала в положении, соответствующем минимальному рабочему объему цилиндров двигателя, в увеличенном масштабе, продольный разрез;
На фиг. 5 разрез двигателя по А-А фиг. 1, в увеличенном масштабе;
На фиг. 6 разрез по Б-Б фиг. 5;
На фиг. 7 разрез по В-В фиг. 5;
На фиг. 8 разрез по Г-Г фиг. 5;
На фиг. 9 разрез по Д-Д фиг. 5.

Аксиально-поршневая машина, выполненная согласно изобретению 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, и разрезным вкладышем, упирающимся 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 17 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 универсальных соединения, образующих двойной карданный механизм. Первое 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 за одно 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 гидравлического силового органа 38, служащего для перемещения сферической опоры 11 и вместе с ней наклонной шайбы 10 для изменения рабочего объема цилиндров двигателя.

Внутри ступицы 21 сферической опоры наклонной шайбы закреплена втулка 39, в которой на подшипнике скольжения установлен коленчатый вал 7. Другая опора коленчатого вала 7 выполнена в виде шарикоподшипника 40, 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 41, связанный с приводом распределительного механизма, служащего для перемещения клапанов 42. Кроме того, на хвостовике 41 закреплена ступица шкива привода вспомогательных агрегатов двигателя, установленная в крышке 4 на подшипнике качения. Хвостовик 41 расположен коаксиально с поршнем 37 внутри отверстия, выполненного в поршне.

Рабочая полость 43 гидравлического силового органа 38 через трубопровод 44 подключена к распределителю 45 (фиг. 7), который через трубопровод 46 сообщен с источником давления рабочей жидкости. В качестве источника давления рабочей жидкости используется насос 47 (фиг. 5). Распределитель 45 содержит корпус 48, размещенный в поддоне 3 машины под ее корпусом 1 и прикрепленный к последнему крепежными элементами. Внутри корпуса 48 распределителя установлен подвижный элемент распределителя, представляющий собой золотник 49 (фиг. 8), имеющий три кольцевых пояска 50, 51, 52 и концевые участки 53 и 54, выступающие из крышек 55 и 56. В крышках 55 и 56 размещены пружины 57 и 58, служащие для фиксации золотника в среднем положении. Отверстие в корпусе 48 распределителя, в котором расположен золотник 49, имеет три кольцевые канавки 59, 60 и 61. Канавка 60 сообщена с насосом, а канавки 59 и 61 со сливом. Участок 62 отверстия в корпусе 48 через каналы 63 и 64 (фиг. 9), через подпружиненный шариковый обратный клапан 65 и канал 66 сообщен с трубопроводом 44 (фиг. 1), служащим для подачи рабочей жидкости в рабочую полость 43 гидравлического силового органа 38. Другой участок 67 (фиг. 8) упомянутого отверстия в корпусе 48 через канал 68 сообщен с полостью 69 (фиг. 9) у торца плунжера 70, служащего для управления обратным клапаном 65.

Для перемещения золотника 49 (фиг. 8) распределитель содержит зубчатую рейку 71 (фиг. 6), тело которой имеет П-образную форму в виде скобы с полками 72 и 73 (фиг. 7). Между этими полками 72 и 73 расположен взаимодействующий с ними концевыми участками 53 и 54 (фиг. 8) золотник 49. Часть тела зубчатой рейки, расположенная между полками 72 и 73, имеет в поперечном сечении прямоугольную форму. Она сопряжена боковыми поверхностями с корпусом 48 распределителя, а тыльной поверхностью с фиксирующей пластиной 74 (фиг. 6), соединенной с корпусом 48 винтами.

С зубчатой рейкой 71 находится в зацеплении зубчатый элемент 75, представляющий собой кольцо с двумя зубчатыми секторами, зубчатый элемент 75 свободно установлен на пальце 76 (фиг. 5) с возможностью поворота относительно его. Палец 76 запрессован в отверстие в плече двуплечего рычага 77, другое плечо 78 которого связано со ступицей 21 сферической опоры 11 (фиг. 1) наклонной шайбы 10 за счет того, что конец плеча 78 рычага 77 расположен в радиальном отверстии, выполненном в ступице 21. Рычаг 77 свободно расположен на валике 79 (фиг. 5) с возможностью поворота относительно его. Валик 79 имеет привод от органа управления (не показан) аксиально-поршневой машиной, например от педали подачи топлива, с помощью рычага 80, закрепленного на концевом участке валика 79, выступающем из корпуса 1 машины. На другом концевом участке валика 79 закреплен зубчатый элемент 81 (фиг. 6), представляющий собой зубчатый сектор. Зубчатый элемент 81 имеет зацепление с зубчатым элементом 75.

Корпус 48 распределителя имеет расположенный сбоку от поперечной стенки корпуса 1 (фиг. 5), выполненный заодно с ним участок 82, выступающий внутрь картера 2 (фиг. 1) и имеющий отверстие для опоры валика 79 (фиг. 5) в этом участке корпуса 48.

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, возникающие 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 спирается через чашеобразные вкладыши 19 и 20 на сферическую опору 11.

Для уменьшения рабочего объема двигателя в случае уменьшения нагрузки на двигатель с помощью органа управления двигателем поворачивают валик 79 (фиг. 5). При повороте валика 79 закрепленный на нем зубчатый элемент 81 поворачивает другой зубчатый элемент 75, который перемещает зубчатую рейку 71. Вместе с зубчатой рейкой 71 перемещается ее полкой 73 (фиг. 8) находящийся между полками 72 и 73 золотник 49. При перемещении золотника 49 открывается проход для рабочей жидкости под давлением из трубопровода 46 (фиг. 5), сообщенного с насосом 47, через кольцевую канавку 60 (фиг. 8) мимо кольцевого пояска 51 золотника в участок 62 отверстия в корпусе 48, откуда рабочая жидкость через канал 63 и через канал 64 (фиг. 9) поступает к шариковому обратному клапану 65. Под давлением жидкости шариковый клапан 65 открывается и перепускает жидкость в канал 66 и далее в трубопровод 44 (фиг. 1), по которому она направляется в рабочую полость 43 гидравлического силового органа 38. Под давлением рабочей жидкости в полости 43 поршень 37 перемещается в противоположную сторону от наклонной шайбы 10 и тянет за собой ступицу 21 и соответственно саму сферическую опору 11 наклонной шайбы. Вместе со сферической опорой 11 перемещается и сама наклонная шайба 10, при этом ее ступица 15 перемещается по наклонной шейке 23 вала 7 в сторону его оси вращения. При смещении ступицы наклонной шайбы в сторону оси вала 7 амплитуда колебаний наклонной шайбы становится меньше и соответственно уменьшается рабочий ход поршней 8. Во время перемещения ступицы 21 сферической опоры 11 вместе с ней перемещается связанное с ней плечо 78 рычага 77, вследствие чего рычаг 77 поворачивается вокруг валика 79 (фиг. 6) вместе с зубчатым элементом 75, который при перемещении вокруг оси валика 79 перемещает вместе с собой зубчатую рейку 71 в такое положение, при котором закрывается проход для рабочей жидкости через золотник 49 (фиг. 8) в рабочую полость 38 (фиг. 1) гидравлического силового органа, и тогда поршень 37 останавливается, а шариковый клапан 65 (фиг. 9) закрывается, запирая жидкость в рабочей полости 38 (фиг. 1). Величина хода поршня 37 и соответственно величина изменения рабочего объема аксиально-поршневой машины зависят от угла поворота валика 7 (фиг. 5).

Для увеличения рабочего объема в случае увеличения нагрузки на него с помощью органа управления двигателем поворачивают в обратную сторону валик 79. При повороте валика 79 зубчатый элемент 81 поворачивает зубчатый элемент 75, который перемещает зубчатую рейку 71 в соответствующую сторону. Совместно с зубчатой рейкой 71 перемещается ее полкой 72 золотник 49. При перемещении золотника 49 открывается проход для рабочей жидкости из канавки 60, где она находится под давлением, в участок 67 отверстия в корпусе 48 и далее в канал 68. Из канала 68 рабочая жидкость поступает в полость 69 (фиг. 9) у торца плунжера 70. Давление, оказываемое жидкостью на торец плунжера 70 со стороны полости 69, перемещает плунжер 70 в сторону шарикового клапана 65 и, преодолевая усилие его возвратной пружины, отводит шариковый запорный элемент этого клапана от его седла. При открытии шарикового клапана 65 жидкость из рабочей полости 43 (фиг. 1) гидравлического силового органа 38 выходит по трубопроводу 44 через канал 66 (фиг. 9), через отверстие, открытое в седле шарикового клапана 65, через каналы 64 и 63 (фиг. 8) и через щель, открытую у торца пояска 52 золотника 49, на слив. При выходе жидкости из рабочей полости 43 (фиг. 1) поршень 37 перемещается в сторону наклонной шейки 23 вала 7 под действием усилия, приложенного к сферической опоре 11 со стороны наклонной шайбы 10. При этом вместе с поршнем 37 и сферической опорой 11 перемещается ее ступица 21, с которой связано плечо 78 рычага 77 распределителя 45 (фиг. 7). При повороте рычага 77 (фиг. 6) расположенный на нем зубчатый элемент 75 передвигает зубчатую рейку 71, которая перемещает золотник 49 (фиг. 8) в среднее положение, при котором закрывается проход рабочей жидкости под давлением из кольцевой канавки 60 в канал 68 и далее к торцу плунжера 70 (фиг. 9). Плунжер 70 прекращает оказывать усилие на шариковый клапан 65 и этот клапан закрывается под действием возвратной пружины, плотно прижимающей шариковый запорный элемент к седлу. Выход жидкости из рабочей полости 43 (фиг. 1) гидравлического силового органа 38 прекращается, жидкость в ней запирается и тогда поршень 37, а с ним сферическая опора 11 наклонной шайбы 10 и соответственно сама наклонная шайба останавливаются в определенном положении, зависящем от положения органа управления машиной.

При таком выполнении система управления аксиально-поршневой машиной с регулируемым рабочим объемом получается достаточно простой и надежной со стабильными характеристиками, а ее распределитель получается весьма компактным. Он удобно размещается в аксиально-поршневой машине, не увеличивая ее габарита. При этом к нему обеспечивается легкий и удобный доступ для технического обслуживания.

Использование: аксиально-поршневые машины с осями, цилиндров расположенными параллельно оси коленчатого вала. Сущность изобретения: аксиально-поршневая машина для регулирования ее рабочего объема содержит гидравлический силовой орган 38, служащий для перемещения ступицы 21 сферической опоры 11 наклонной шайбы 10, взаимодействующей с наклонной шейкой 23 вала 7. Для сообщения рабочей полости 43 силового органа 38 с источником давления рабочей жидкости имеется распределитель, содержащий золотник, имеющий привод от зубчатой рейки 71, установленной в корпусе 48 распределителя. Зубчатая рейка 71 кинематически связана с органом управления машиной через дифференциальную зубчатую передачу, состоящую из двух цилиндрических зубчатых элементов. Первый зубчатый элемент закреплен на валике, поворачиваемом при помощи органа управления машиной. Второй зубчатый элемент, находящийся в зацеплении с первым зубчатым элементом и с рейкой 71, расположен на рычаге, связанном со ступицей 21. От распределителя жидкость поступает в рабочую полость 43 через управляемый этим распределителем обратный клапан. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Аксиально-поршневая машина, содержащая корпус с расположенными в нем поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, взаимодействующую с упомянутой наклонной шейкой вала и имеющую связь с поршнями, сферическую опору наклонной шайбы, имеющую ступицу, установленную в корпусе машины с возможностью перемещения вдоль оси упомянутого вала, гидравлический силовой орган для перемещения ступицы сферической опоры наклонной шайбы, распределитель для сообщения рабочей полости гидравлического силового органа с источником давления рабочей жидкости, отличающаяся тем, что распределитель содержит зубчатую рейку, с которой связан его подвижный элемент, валик с закрепленным на нем зубчатым элементом, имеющий привод от органа управления машиной, рычаг, расположенный на упомянутом валике с возможностью поворота относительно него и связанный со ступицей сферической опоры наклонной шайбы, и расположенный на упомянутом рычаге с возможностью поворота относительно него зубчатый элемент, имеющий зацепление с упомянутой зубчатой рейкой и с зубчатым элементом, закрепленным на валике. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что тело упомянутой зубчатой рейки выполнено в виде скобы, имеющей среднюю часть, расположенную в пазу в корпусе распределителя, и полки, между которыми расположен подвижный элемент распределителя, выполненный в виде золотника, в первом положении сообщающего рабочую полость гидравлического силового органа с источником давления рабочей жидкости через обратный клапан, а во втором положении сообщающего с источником давления рабочей жидкости устройство управления обратным клапаном.