АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F01B3/02 F01B31/00 F02B75/26 

Изобретение относится к поршневым машинам с осями цилиндров, параллельными или наклонными к оси вала, в частности к аксиально-поршневым двигателям с качающейся наклонной шайбой, и касается уравновешивания такой машины при регулировании ее рабочего объема.

Известна аксиально-поршневая машина с регулируемым рабочим объемом, содержащая поршни, связанные посредством шатунов с качающейся шайбой, опирающейся на сферический кулак, установленный в корпусе двигателя на конце шлицевой втулки с возможностью перемещения вместе с ней вдоль оси вала машины, и противовесы. Хвостовик качающейся шайбы размещен во втулке на консольно расположенном переднем конце вала машины, а противовесы связаны с этой втулкой при помощи двуплечих рычагов и тяг, имеющих сферические шарниры, а также связаны при помощи тяги со втулкой, размещенной на цилиндрической шейке вала [1]
Недостатком этой машины является наличие громоздкой рычажной системы, служащей для перемещения противовесов.

Известна аксиально-поршневая машина с регулируемым рабочим объемом, содержащая поршни, связанные посредством шатунов с качающейся наклонной шайбой, опирающейся на сферическую поверхность подшипника, установленного на косой шейке коленчатого вала с возможностью перемещения вдоль нее, и противовесы. Один противовес размещен внутри щеки, прикрепленной к косой шейке вала под острым углом к оси этой шейки, и связан посредством зубчатой передачи с двумя качающимися противовесами, установленными на осях, закрепленных в щеке. При изменении режима работы машины изменяется положение качающейся шайбы и под воздействием ее перемещающегося подшипника противовес, размещенный в щеке, совершает диагональное перемещение в ней в направлении от оси косой шейки, а также приводит в перемещение пару противовесов, связанных с ним посредством зубчатой передачи [2]
Однако такая аксиально-поршневая машина имеет большой осевой габарит из-за размещения противовеса наклонно в щеке коленчатого вала и перемещения его вдоль вала во время работы машины, а также неудовлетворительную надежность, связанную с возможностью заклинивания противовеса внутри щеки.

Задача, решаемая представленным техническим решением, создание аксиально-поршневой машины с регулируемым рабочим объемом, имеющей простые и надежные средства автоматического ее уравновешивания в процессе изменения рабочего объема машины.

Для решения указанной задачи в аксиально-поршневой машине маховик выполнен в виде барабана с цилиндрической и торцевой стенками, а элементы для уравновешивания вала выполнены подвижными в виде колец, установленных внутри барабана соосно с валом и имеющих внутренние зубья, сопряженные с зубьями зацепленных между собой зубчатых колес, размещенных на торцевой стенке маховика симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены оси вала машины и его наклонной шейки, причем указанные кольца имеют дополнительные массы, расположенные симметрично относительно упомянутой плоскости.

При таком выполнении аксиально-поршневой машины устройство ее уравновешивания получается весьма компактным и не требует особого дополнительного пространства, поскольку оно размещается в объеме, занимаемом маховиком. Причем во время перемещения упомянутой сферической опоры и опирающейся на нее наклонной шайбы, происходящего для изменения рабочего объема машины, расположенные в маховике кольца с дополнительными массами, играющие роль специальных грузов, при частоте вращения вала, превышающей резонансную частоту, самоустанавливаются в положение, при котором эта вибрация исчезает и машина полностью уравновешивается. Кроме того, внутренние зубья на кольцах маховика могут быть выполнены на части их ширины у противоположных сторон и сгруппированы в виде зубчатых секторов, расположенных симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены оси вала и его наклонной шейки, при этом зубья зубчатых колес могут быть сопряжены между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами.

На свободном конце вала машины может быть закреплен шкив в форме барабана, внутри которого рядом расположены два кольца, имеющие выступающие в сторону оси вала участки, образующие дополнительные массы, расположенные симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вала и ось его наклонной шейки, причем в этих кольцах на части их ширины выполнены зубчатые секторы с внутренними зубьями, зацепленные с зубчатыми колесами, расположенными внутри шкива симметрично по разные стороны упомянутой плоскости и находящимися в зацеплении между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами, при этом зубчатые колеса, установленные внутри шкива, и зубчатые колеса, установленные внутри маховика, расположены симметрично относительно оси вала машины по разные стороны от нее.

Причем внутри шкива параллельно оси вала машины может быть установлено пять одинаковых стержней со ступенчатыми концами, расположенными в отверстиях, выполненных в торцевой стенке шкива и в закрепленной в нем крышке, образующих опоры для зубчатых колес и упоры для дополнительных масс при их перемещении в крайнее положение.

При этом на упомянутых кольцах между их торцевыми поверхностями и наружной цилиндрической поверхностью могут быть выполнены канавки с тороидальной поверхностью, в которых расположены тела качения в виде шариков. Это обеспечивает надлежащее базирование колец с дополнительными массами в маховике и шкиве и возможность плавного их перемещения для уравновешивания машины при изменении положения наклонной шайбы во время регулирования рабочего объема машины, то есть повышает чувствительность системы уравновешивания машины и тем самым способствует ликвидации малейшей ее вибрации.

На фиг. 1 изображена регулируемая аксиально-поршневая машина со средствами ее уравновешивания, продольный разрез; на фиг.2 маховик машины в увеличенном виде, продольный разрез; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 отдельно шкив машины в увеличенном виде, продольный разрез; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 поперечный разрез шкива при другом положении внутри него колец с дополнительными массами.

Аксиально-поршневая машина содержит корпус 1 с цилиндрами 2, в которых расположены поршни 3, имеющие возможность совершать возвратно-поступательные перемещения. Поршни 3 посредством шатунов 4 связаны с качающейся наклоненной шайбой 5, имеющей ступицу 6, взаимодействующую с наклонной шейкой 7 вала 8 машины через подшипник скольжения 9, размещенный в сферическом вкладыше 10. Наклонная шайба 5 имеет сферическую опору 11, имеющую ступицу 12, с которой посредством карданного механизма связана ступица 6 наклонной шайбы. Ступица 12 сферической опоры установлена в корпусе 1 с возможностью ее осевого перемещения вдоль оси вала 8 поршнем 13 гидравлического силового цилиндра 14. Рабочая полость 15 упомянутого силового цилиндра может быть сообщена с источником давления жидкости при помощи трубопровода 16.

Передняя часть вала 8 машины установлена в корпусе 1 на подшипнике качения 17, а задняя часть вала установлена в корпусе 1 на подшипнике 18.

На конце вала 8 закреплен болтами 19 маховик 20, выполненный в виде барабана с цилиндрической стенкой 21 и торцевой стенкой 22. Внутри маховика для уравновешивания перемещающихся масс машины установлены подвижные элементы в виде колец 23, 24, расположенных соосно валу 8 машины. Кольца 23 и 24 размещены рядом друг с другом между торцевой стенкой 22 и обечайкой 25, зафиксированной между уступом в цилиндрической стенке 21 и пружинным разрезным упорным кольцом 26. На периферии колец 23 и 24 у обоих их торцов выполнены канавки с тороидальной поверхностью, в которых расположены тела качения, представляющие собой шарики 27, 28, 29. Эти шарики установлены в три ряда. Шарики 27 первого ряда имеют контакт с обечайкой 25 и с цилиндрической стенкой 21 маховика. Шарики 28 среднего ряда отделяют кольца 23 и 24 друг от друга и находятся в контакте со стенкой 21 маховика. Шарики 29 третьего ряда имеют контакт с канавкой, выполненной между цилиндрической и торцевой стенками 21 и 22 маховика и имеющей поверхность, представляющую собой часть тора.

Кольца 23 и 24 на части их окружности имеют внутренние зубья 30 и 31 соответственно, сгруппированные в виде зубчатых секторов, расположенных симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены ось вала 8 и ось его наклонной шейки 7. Зубья 30 и 31 выполнены на кольцах 23 и 24 на части их ширины у противоположных сторон, обращенных соответственно в сторону обечайки 25 и торцевой стенки 22 маховика. Внутренние зубья 30 кольца 23 сопряжены с зубьями цилиндрического зубчатого колеса 32, а внутренние зубья 31 кольца 24 находятся в зацеплении с зубьями другого цилиндрического зубчатого колеса 33. Эти зубчатые колеса 32 и 33 имеют зацепление между собой, причем их зубья сопряжены между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами, то есть в промежутке между зубьями 30 и 31. Зубчатые колеса 32 и 33 установлены на цилиндрических втулках 34 и 35, которые вставлены в отверстия, выполненные в стенке 22 маховика, и закреплены болтами 36 и 37. Болты 36 и 37, а вместе с ними зубчатыми колеса 32 и 33, расположены симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены оси вала и его наклонной шейки 7.

На кольцах 23 и 24 имеются дополнительные массы соответственно 38 и 39, расположенные симметрично относительно упомянутой плоскости.

Дополнительные массы 38 и 39 образованы непосредственно в кольцах 23 и 24 за счет местного радиального их утолщения, но могут быть выполнены также в виде отдельных элементов, прикрепляемых изнутри к кольцам 23 и 24 любыми известными крепежными средствами.

На свободном конце вала 8 (фиг.1) закреплен шкив 40 для привода навесного оборудования машины, имеющий гладкую либо зубчатую наружную поверхность, с которой сопряжен обычный либо зубчатый ремень (не показан). Шкив 40 выполнен в форме барабана, имеющего наружную стенку 41 с цилиндрической внутренней поверхностью, торцевую стенку 42 и ступицу 43, на которой расположен подшипник качения 17. Внутри шкива 40 рядом друг с другом расположены кольца 44 и 45, представляющие собой подвижные элементы для уравновешивания вала машины, размеры которых меньше размеров аналогичных колец 23, 24 маховика благодаря тому, что они удалены на значительное расстояние от наклонной шейки 7 вала 8. На кольцах 44 и 45 имеются выступающие в сторону оси вала 8 участки соответственно 46 и 47, образующие дополнительные массы, служащие для уравновешивания машины. Участки 46 и 47 колец 44 и 45 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось вала 8 и ось его наклонной шейки 7. В кольцах 44 и 45 на части их ширины выполнены зубчатые секторы с внутренними зубьями соответственно 48 и 49, длина которых меньше ширины колец. Внутренние зубья 48 кольца 44 имеют зацепление с зубчатым колесом 50, а внутренние зубья 49 кольца 45 зацеплены с зубчатым колесом 51. Зубчатые колеса 50 и 51 зацеплены между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами, то есть в пространстве между зубьями 48 кольца 44 и зубьями 49 кольца 45. Зубчатые колеса 50 и 51 расположены внутри шкива 40 симметрично по pазные стороны плоскости, в котоpой расположены оси вала 8 и его наклонной шейки 7. Пpичем зубчатые колеса 50 и 51, установленные внутри шкива 40, и зубчатые колеса 32 и 33, установленные внутри маховика 22, расположены симметрично относительно оси вала 8 машины по разные стороны от нее.

Внутри шкива 40 параллельно оси вала 8 установлены пять одинаковых стержней 52 56, имеющих ступенчатые концы 57 и 58, расположенные в отверстиях, выполненных в торцевой стенке 42 шкива и в крышке 59, закрепленной внутри шкива с помощью разрезного упругого кольца 60. На стержнях 54 и 55 установлены зубчатые колеса 50 и 51, а стержни 53, 56 и 52 служат в качестве упоров для дополнительных масс при их перемещении в крайнее положение при повороте колец 44 и 45.

На кольцах 44 и 45 между их торцевыми поверхностями и наружной цилиндрической поверхностью выполнены канавки с тороидальной поверхностью, в которых расположены тела качения в виде шариков 61 63, расположенных в три ряда.

При работе аксиально-поршневой машины давление текучей среды, создаваемое в цилиндрах 2, действует на поршни 3, создавая на них толкающее усилие, которое через шатун 4 передается к наклонной шайбе 5. Шайба 5 своей ступицей 6 воздействует на наклонную шейку 7 вала 8, заставляя его вращаться. Амплитуда колебаний наклонной шайбы 5 и соответственно рабочий ход поршней 3 определяется положением ступицы 6 наклонной шайбы 5 на наклонной шейке 7 вала 8, которое зависит от расстояния между упомянутой шейкой 7 вала 8 и сферической опорой 11 шайбы 5. При смещении сферической опоры 11 в сторону шейки 7 вала 8 амплитуда колебаний наклонной шайбы 5 и соответственно рабочий ход поршней 3 увеличиваются. При смещении сферической опоры в обратную сторону подшипник 9, через который ступица 6 шайбы 5 опирается на шейку 7 вала 8, перемещается по наклонной шейке 7 в сторону оси вала 8, в результате чего амплитуда колебаний наклонной шайбы 5 и, значит, рабочий ход поршней 3 уменьшаются. Чем меньше радиус, на котором на шейке 7 вала 8 располагается ступица 6 наклонной шайбы 5, тем меньше получается амплитуда колебаний шайбы 5 и соответственно тем меньше рабочий ход поршней 3. Смещение сферической опоры 11 и вместе с ней наклонной шайбы 5 от наклонной шейки 7 вала 8 производится с помощью гидравлического силового цилиндра 14 путем подачи рабочей жидкости под давлением в его рабочую полость 15 через распределитель (не показан) по трубопроводу 16. Для обратного перемещения сферической опоры 11 наклонной шайбы 5 рабочая жидкость выпускается из рабочей полости 15 силового цилиндра 14 через трубопровод 16.

При смещении наклонной шайбы 5 вибрация, возникающая в машине от появления неуравновешенных масс, передается к подвижным элементам, находящимся внутри маховика 20 и шкива 40. Поскольку вращение вала 8 во время работы машины происходит с достаточно большой частотой, превышающей резонансную частоту, то более легкая часть подвижных элементов, расположенных внутри маховика 20, при появлении вибрации располагается дальше от оси вращения вала 8. Вследствие этого в сторону более легкой части маховика смещаются находящиеся внутри него на кольцах 23 и 24 дополнительные массы 38 и 39, причем они смещаются до тех пор, пока центр всех масс, расположенных поблизости от маховика, не совпадает с осью вращения вала 8. Перемещение дополнительных масс 38 и 39 происходит согласованно между собой, при этом синхронизация их перемещения обеспечивается с помощью зубчатых колес 32 и 33, которые находясь в зацеплении между собой и с внутренними зубьями 30 и 31 колец 23 и 24 не позволяют кольцам 23 и 24 поворачиваться на неодинаковый угол.

Аналогичным образом происходит автоматическое уравновешивание передней части вала 8 с помощью подвижных элементов, установленных внутри шкива 40.

Базирование колец 23 и 24 внутри маховика 20 может производиться различным образом. Например, кольца 23 и 24 могут непосредственно контактировать с внутренней поверхностью цилиндрической стенки 21 маховика в случае покрытия их внешней поверхности износостойким материалом. Однако их износ все равно будет больше, чем в случае их базирования с помощью тел качения, а точность балансировки масс получится хуже, чем при наличии тел качения между кольцами 23 и 24 и маховиком 20.

Представленная регулируемая аксиально-поршневая машина благодаря компактности и вследствие этого возможности удобного ее размещения может использоваться в качестве двигателя на транспортных средствах. Она имеет компактность и надежные средства ее уравновешивания, включающие легко встраиваемые в ее узлы самоустанавливающиеся, синхронизированные между собой по перемещению кольца с дополнительными массами, играющими роль противовесов, которые сами следят за состоянием двигателя и автоматически его уравновешивают на всех режимах его работы, в том числе на холостом ходу.

Использование: в машиностроении при проектировании аксиально-поршневых машин, например двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: машина содержит корпус, цилиндры с поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, кинематически связанную с поршнями и шейкой вала, сферическую опору шайбы со ступицей. На конце вала закреплен маховик в виде барабана, внутри которого установлены подвижные элементы для уравновешивания машины, выполненные в виде колец с дополнительными массами, имеющие внутренние зубья, сопряженные с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении между собой и служащими для синхронизации перемещения дополнительных масс. На свободном конце вала закреплен шкив с аналогичными подвижными элементами. Зубчатые колеса маховика и шкива расположены по разные стороны оси вала, а дополнительные массы на кольцах, размещенных в маховике и в шкиве, расположены симметрично по разные стороны плоскости, проходящей через оси вала и его наклонной шейки. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Аксиально-поршневая машина, содержащая корпус с расположенными в нем поршнями, вал с наклонной шейкой, наклонную шайбу, связанную с наклонной шейкой вала, шатуны для связи наклонной шайбы с поршнями, сферическую опору наклонной шайбы, имеющую ступицу, установленную в корпусе с возможностью осевого перемещения вдоль оси вала, маховик, соединенный с валом машины, и элементы для уравновешивания, отличающаяся тем, что маховик выполнен в виде барабана, а элементы для уравновешивания выполнены в виде колец, установленных внутри маховика с возможностью поворота в нем вокруг оси вала и имеющих внутренние зубья, сопряженные в зубьями зацепленных между собой зубчатых колес, размещенных на торцевой стенке маховика симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены оси вала машины и его наклонной шейки, причем указанные кольца имеют дополнительные массы, расположенные симметрично относительно упомянутой плоскости. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренние зубья на упомянутых кольцах выполнены на части их ширины у противоположных сторон и сгруппированы в виде зубчатых секторов, расположенных симметрично по разные стороны плоскости, в которой расположены оси вала и его наклонной шейки, при этом зубья упомянутых зубчатых колес сопряжены между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами. 3. Машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на свободном конце вала машины закреплен шкив в форме барабана, внутри которого рядом расположены два кольца, имеющие выступающие в сторону оси вала участки, образующие дополнительные массы, расположенные симметрично от плоскости, проходящей через ось вала и ось его наклонной шейки, причем в этих кольцах на части их ширины выполнены зубчатые секторы с внутренними зубьями, зацепленные с зубчатыми колесами, расположенными внутри шкива симметрично по разные стороны упомянутой плоскости и находящимися в зацеплении между собой в промежутке между упомянутыми зубчатыми секторами, при этом зубчатые колеса, установленные внутри шкива, и зубчатые колеса, установленные внутри маховика, расположены симметрично относительно оси вала машины по разные стороны от нее. 4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что внутри шкива параллельно оси вала установлено пять одинаковых стержней со ступенчатыми концами, расположенными в отверстиях, выполненных в торцевой стенке шкива и в закрепленной в нем крышке, образующих опоры для зубчатых колес и упоры для дополнительных масс при их перемещении в крайнее положение. 5. Машина по п. 3 или 4, отличающаяся тем, что на упомянутых кольцах между их торцевыми поверхностями и наружной цилиндрической поверхностью выполнены канавки с тороидальной поверхностью, в которых расположены тела качения в виде шариков.