ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F02F3/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к области двигателестроения, и может быть использовано при проектировании поршней и шатунов двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Известна поршневая машина, содержащая блок с цилиндром, эксцентричный коленчатый вал, установленный в блоке с возможностью вращения вокруг оси цилиндра, поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и шатун, один конец которого связан при помощи резьбового соединения с поршнем, а другой с коленчатым валом, поршень выполнен в виде усеченной с двух противоположных сторон сферы с плоским сплошным днищем (см. пат. Франции N 2484041, кл. F 16 J 1/00, опубл. 1981 г.).

Однако конструкция известного устройства не обеспечивает высокий КПД.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является поршневая машина, содержащая поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанный с ним одним концом шатун, размещенные в направляющей плоскости, внутренняя поверхность которой имеет контакт с наружной поверхностью поршня по всему его периметру, эксцентричный коленчатый вал, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси направляющей полости, другой конец шатуна связан с эксцентричным коленчатым валом, поршень выполнен с плоским сплошным днищем и имеет полую внутреннюю часть, открытую в сторону эксцентричного коленчатого вала и образующую юбку (см. А.С. СССР N 1638343 кл. F 02 F 3/00, от 18.04.89).

Однако конструкция известного устройства не позволяет обеспечить достаточную литровую мощность при небольших габаритных размерах и весе, особенно для современных сверхскоростных машин.

Техническим результатом является увеличение литровой мощности при сохранении габаритных размеров и веса для современных сверхскоростных машин специального назначения.

Достигается это тем, что в поршневой машине, содержащей поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанный с ним одним концом шатун, размещенные в направляющей полости, внутренняя поверхность которой имеет контакт с наружной поверхностью поршня по всему его периметру, эксцентричный коленчатый вал, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси направляющей полости, другой конец шатуна связан с эксцентричным коленчатым валом, поршень выполнен с плоским сплошным днищем и имеет полую внутреннюю часть, открытую в сторону эксцентричного коленчатого вала и образующую юбку, сечение поршня и направляющей полости выполнено трапецеидальным.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение направляющей полости и наружной поверхности поршня с трапецеидальным сечением позволяет использовать под полезный рабочий объем ту часть объема блока цилиндров, которая ранее не использовалась. При этом прочность конструкции обеспечивается за счет использования ребер жесткости, а также более упругих материалов несущей конструкции.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом позволяет судить о выполнении критерия "новизна", а отсутствие отличительных признаков в аналогах говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания макетной конструкции позволяют судить о возможности промышленного использования.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемой поршневой машины, на фиг. 2 разрез по A-A; на фиг. 3 конструкция поршня; на фиг. 4 вид поршня по B-B; фиг. 5 конструкция поршня с шатуном в жестком соединении; фиг. 6 вид сверху; фиг. 7 разрез по C-C; фиг. 8 варианты выполнения внутренних поверхностей; фиг. 9 трапецеидальная конструкция для случая n=4 секций.

Поршневая машина содержит поршень 1 и шатун 2, размещенные в направляющей полости 3, внутренняя поверхность 4 которой находится в контакте с боковой поверхностью 5 поршня 1 по всему его периметру. Шатун 2 одним концом с помощью пальца 6 связан с поршнем 1, а другим концом с шейкой 7 эксцентричного коленчатого вала 8 с помощью съемной крышки 9 и болтов 10. Вес поршня 1 и шатуна 2 уравновешивается противовесом 11.

Поршень выполнен с плоским днищем 12 и имеет полую внутреннюю часть, открытую в сторону эксцентричного коленчатого вала 8 и образующую юбку.

При шарнирной связи поршня 1 с шатуном 3, конец последнего выполнен в виде головки 13, а при жесткой связи выполнен как представлено на фиг. 7.

Коленчатый вал 8 с шейкой 7 и противовесом 11 расположены в картере 14.

Поршень 1 выполнен с ребрами 15 жесткости и двумя бобышками 16.

Сечение внутренней поверхности 4 направляющей полости 3 и наружной поверхности 5 поршня 1 могут быть выполнены прямоугольной формы при шарнирном соединении поршня 1 с шатуном 2 (фиг. 1-4). При жестком их соединении - сечение внутренней поверхности направляющей полости и наружной поверхности поршня 1 имеют параллельные противоположные стороны 17, 18 и сферические поверхности 19, 20 (фиг. 5, 6). При этом поршень 1 может быть выполнен в виде усеченной с двух противоположных сторон сферы, причем величина срезов выбрана из условия сохранения постоянства нормальной плоскости контакта с полостью при перемещении в ней поршня 1 (фиг. 5-7).

Поршень 1 с шарнирным соединением шатуна 2 может быть использован во всех конструктивных выполнениях поршневой машины, а с жестким соединением лишь при конструкции поршня 1 со сферическими противоположными поверхностями юбки.

При использовании поршневых машин в n-полостном (секционном) исполнении квадратное и прямоугольное сечение поршня 1 и направляющей полости 3 может быть использовано при четном и нечетном значении n, а трапецеидальное сечение может быть использовано лишь при четном значении n, причем параллельные стороны трапеции перпендикулярны оси вращения коленчатого вала 8 (фиг. 9). С внутренней стороны две боковые противоположные стенки юбки поршня 1 обработаны таким образом, что контур внутренней поверхности соответствует контуру наружной поверхности противоположных скошенных поверхностей юбки.

Днище 12 поршня 1 для повышения механической прочности и улучшения теплопередачи выполнено более толстым по сравнению с его боковой стенкой.

При работе двигателя днище 12 поршня 1 обращено к камере сгорания, а боковые стенки 5 во время его движения остаются в контакте с внутренней поверхностью 4 направляющей полости 3, обеспечивая герметизацию камеры сгорания. Нижний конец шатуна 2, связанный с коленчатым валом 8, во время возвратно-поступательного движения поршня 1 совершает движение по круговой траектории и вследствие этого его наклона относительно оси направляющей полости 3 периодически изменяется.

Выполнение поршня 1 с утолщенным днищем 12 и с ребрами 15 жесткости обеспечивает достаточную жесткость при увеличенном рабочем объеме.

Кроме того, жесткость устройства, может быть увеличена выбором соответствующих материалов.

Выбор формы сечения внутренней поверхности 4 направляющей полости 3 и наружной поверхности 5 поршня 1 зависит от выбранной конструкции устройства, в котором используется поршневая машина.

При выполнении поршневой машины в жестком соединении поршня 1 с шатуном 2 согласно фиг. 5-7 можно увеличить КПД устройства путем уменьшения трения наружной поверхности поршня 1 с внутренней поверхностью направляющей полости (на фиг. 5-7 не показаны) за счет сферической конструкции боковых поверхностей 19, 20 поршня 1. При этом в момент нахождения поршня 1 в верхней мертвой точке (ВМТ) линии контакта боковых сферических поверхностей 19, 20 поршня 1 с соответствующими поверхностями направляющей полости параллельны горизонтали, а масляный тепловой зазор между стенкой и нижней кромкой боковой стенки на всем ее протяжении имеет одинаковую ширину. Периметр усеченной сферической поверхности 19 (20) должен обеспечивать непрерывный контакт поршня и направляющей полости при полном обороте коленчатого вала.

Таким образом, выполнение внутренней поверхности 4 направляющей полости 3 и наружной поверхности 5 поршня 1 с сечением не круглой формы, особенно трапецеидальным при четном количестве секций, позволяет увеличить литровую мощность устройства при сохранении габаритных размеров и веса.

Использование: изобретение относится к области машиностроения, в частности, к двигателестроению. Сущность изобретения: поршневая машина содержит поршень, размещенный в направляющей полости, внутренняя поверхность которой имеет контакт с наружной поверхностью поршня по всему его периметру, поршень выполнен с плоским сплошным днищем и имеет полую внутреннюю часть, открытую в сторону эксцентричного коленчатого вала и образующую юбку, сечение поршня и направляющей полости выполнено трапецеидальным. 9 ил.

Поршневая машина, содержащая поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения и связанный с ним одним концом шатун, размещенные в направляющей полости, внутренняя поверхность которой имеет контакт с наружной поверхностью поршня по всему его периметру, эксцентричный коленчатый вал, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к оси направляющей полости, другой конец шатуна связан с эксцентричным коленчатым валом, поршень выполнен с плоским сплошным днищем и имеет полую внутреннюю часть, открытую в сторону эксцентричного коленчатого вала и образующую юбку, отличающаяся тем, что сечения поршня и направляющей полости выполнены трапецеидальными.