СИСТЕМА РЕВЕРСИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ Российский патент 1998 года по МПК F16H21/36 F02B75/20 

Изобретение относится к системе реверсивного преобразования вращательного движения в самонаправляемое поступательное движение. Вращательное движение может быть получено из прямолинейного движения разными известными способами, которые по-разному являются реверсируемыми. Соединительный механизм шатуна-кривошипа и механизм кулачка-толкателя являются устройствами, которые благодаря своей простоте и симметричности нашли на практике широкое применение.

Одна из областей, в которой эти два механизма нашли основное применение, - создание камер высокого давления переменного объема. В эту область входят как насосы (лопастные, аксиально-поршневые со скошенным днищем и плоским или поршневые, управляемые эксцентриковыми дорожками), так и двигатели внутреннего сгорания. Механизм, который благодаря своей простоте и универсальности является наиболее широко распространенным, представлен поршнем, перемещающимся со скольжением в цилиндрической камере под воздействием и в комбинации шатуна и кривошипа. Этот механизм фактически используется почти во всех двигателях внутреннего сгорания, в компрессорах и насосах высокого давления. Несмотря на это указанный механизм имеет серьезные технические ограничения с точки зрения обеспечения необходимых наклонов, принимаемых шатуном во время вращения кривошипа. В этом смысле наклонное положение создает очень высокое поперечное тяговое усилие на поршень, что приводит к его повреждениям в результате истирания о внутренние стенки цилиндра. Это ведет к значительным потерям мощности из-за трения, к необходимости смазки цилиндра, в котором перемещается поршень, к необходимости использования удлиненных поршней (юбки) для снижения удельного поперечного давления, к увеличению веса поршня в форме стального поршневого пальца, который выполняется вынужденно длинным, так как является диаметральным, к необходимости использования материалов высокого качества, к большим зазорам в местах контактирования, являющихся губительными для герметизации, и к необходимости использования упругих колец, которые по причине своей теоретически недостижимой круглой формы ведут к аппроксимативному контактированию с камерой. В специальном случае двигателей внутреннего сгорания использование механизма шатуна-кривошипа, соединенного с каждым индивидуальным поршнем, влечет за собой значительное завышение размеров деталей, связанных с крутящим моментом на ведущем валу. Это вызвано тем, что тяговое/осевое усилие, оказываемое на поршень взрывом, используется для создания пассивных тактов (всасывания, сжатия, выпуска) в других цилиндрах, проходящих через коленчатый вал.

В случае гидравлических насосов высокого давления все существующие типы технически исходят из использования поверхностей (кулачков), наклоненных относительно траектории движения нормально скользящего толкателя. Поэтому эти типы насосов во всех случаях используют поршень (или лопасть, или толкатель), который подвергается напряжению в поперечном направлении в результате относительного рабочего контакта с вращающимся элементом (наклонный диск, эксцентриковая опорная поверхность, в которой, например, вращаются радиально перемещающиеся поршни, и т.д.) и взаимодействует с поперечными силами в результате трения о стенки камеры или им подобным, в которой он перемещается, чтобы достигнуть нагнетания, причем это трение вызывает износ, потери мощности, снижение эффективности с течением времени и ограничение в отношении максимальной скорости вращения.

В основе изобретения лежит задача устранения всех этих недостатков, типичных для механизма шатуна-кривошипа и устройств, технически основанных на относительном движении наклонной плоскости или кулачков.

Поставленная задача состоит в ознакомлении с последующим описанием системы для реверсивного преобразования вращательного движения в самонаправляемое поступательное движение, получаемое посредством симметричного соединения по крайней мере двух кривошипно-шатунных механизмов, которые взаимодействуют друг с другом посредством осей вращения их небольших концов шатунов и посредством зацепления идентичных зубчатых колес, смонтированных симметрично на двух специальных кривошипах. В описании показано применение этой системы в случае камер переменного объема, в частности для жидкостных насосов, газовых компрессоров, двигателей внешнего и внутреннего сгорания, гидравлических двигателей и пневматических двигателей, содержащих поршни, которым сообщается попеременное поступательное движение и направляемые в ходе работы по крайней мере в двух разных точках от их опорной перемычки, от общих осей вращения для пары идентичных шатунов, симметрично смонтированных на двух идентичных парах кривошипов, соединенных вместе для образования опорной поперечины для одного или множества поршней перемещающихся перпендикулярно к линии соединения осей вращения пар кривошипов, таким образом, что исключается трущее направленное действие о стенки цилиндров, в которых движутся поршни.

Этот вариант функционирования поперечины может применяться во всех случаях, когда требуется получить возвратно-поступательное прямолинейное движение, исходящее от элемента, находящегося во вращательном движении или передаваемое на него, и охватывает диапазон от механических прессов с S-образной станиной, используемых в производстве листового проката, до функционирования клапанов в обычных четырехтактовых двигателях внутреннего сгорания.

На фиг. 1 изображена схема основной концепции изобретения; на фиг. 2 - срединное поперечное сечение четырехцилиндровой системы с многочисленными поршнями одностороннего действия и с узлами шатунов непосредственно по боковым сторонам, что, в частности пригодно для использования в качестве насоса или компрессора; на фиг. 3 - срединное поперечное сечение четырехцилиндровой системы с многочисленными поршнями двустороннего действия и противолежащими узлами шатунов для использования в качестве двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 4 - вид системы на фиг. 3 в направлении, перпендикулярном к предыдущему виду; на фиг. 5 - срединное поперечное сечение другого примера четырехцилиндровой системы с центральными множественными поршнями двустороннего действия и боковыми узлами шатунов, разнесенных друг от друга для использования в качестве двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 6 - срединное поперечное сечение примера системы с четырьмя боковыми цилиндрами с центральными многочисленными поршнями двустороннего действия и продольно противолежащими узлами шатунов.

На фиг. 1 проиллюстрирован принцип, на котором основано изобретение и который применяется в вариантах исполнения, показанных на других фигурах. Кривошип 107A, вращающийся по орбите 109A, взаимодействует с шатуном 108A, имеющим первую малую головку 110A. Указанная головка шатуна соединения с малой головкой второго шатуна 110B, относящегося к шатуну 108B, соединенному с кривошипом 107B, вращающимся по орбите 109B. Соединение между малыми головками двух шатунов образовано общим пальцем 111. Шатуны 108A и 108B являются идентичными, также как и кривошипы 107A и 107B.

Шатун 107A жестко соединен с зубчатым колесом 112A, ось вращения 113A которого является общей с кривошипом 107A. Кривошип 107B жестко соединен с зубчатым колесом 112B, у которого ось вращения 113B является общей с кривошипом 107B.

Зубчатое колесо 112A зацепляется с зубчатым колесом 112B при таком угловом положении, когда два кривошипа 107A и 107B располагаются симметрично относительно центральной оси 114, перпендикулярной к оси 115, соединяющей два центра вращения 113A и 113B. В этом варианте любое вращение 116A одного из двух кривошипов вызывает симметричное вращение 116B на другом кривошипе, тем самым определяя прямолинейное движение центра вращения 111 вдоль той же оси 114. Поэтому вращение кривошипа (107A или 107B) определяет прямолинейное движение малой головки шатуна (110A или 110B) без образования прямолинейного трения для целей направления кроме шарнирного трения (110-111), которое легко понижается посредством обычных антифрикционных средств, типично, подшипников (качения, скольжения), но которое однако не всегда может передаваться (по причине проблем температуры и смазки) прямолинейно скользящим элементам направляющей колодки одной малой головки шатуна (например, движение поршней в обычных двигателях внутреннего сгорания). Поэтому основная конфигурация фиг. 1 могла бы применяться во всех случаях, требующих приложения осевого давления периодического действия, всегда перпендикулярного к поверхности, на которую оно действует, например, на нижнюю часть индивидуальных подпружиненных тарельчатых клапанов двигателей внутреннего сгорания, тем самым устраняя необходимость смазки направляющих седел для перемещения штоков клапанов. В этом отношении при этом варианте функционирования они не могут подвергаться поперечному усилию тяги или осевого давления, образующегося в результате трения их "инвертированных наконечников клапана" о контур кулачка в случае прямого действия (верхние кулачки) или осевого давления, образующегося в результате дугообразного движения клапанного коромысла, если штоки традиционных тарельчатых клапанов функционируют косвенно. Если больше одного клапанного штока приводится в действие одновременно, требуемое усилие может быть получено посредством поперечины, приводимой в движение перпендикулярно к ней парой узлов кривошипов-шатунов двустороннего действия на фиг. 1. Такая двойная пара придает поперечине способность поперечного реагирования (как если бы были образованы прямолинейно движущиеся направляющие), которая проявляется в случае применения этого принципа к движению поршней в системе камер переменного объема, особенно в насосе или двигателе внутреннего сгорания, как показано на фиг. 2. Валы 2 - 5 кривошипов, несущих соответствующие пальцы 6 - 9, монтируются на корпусе 1. Большие головки соответствующих шатунов 10 - 13 смонтированы шарнирно на этих пальцах кривошипа. Малые головки шатунов 10 и 11 и шатунов 12 и 13 шарнирно смонтированы на общих валах 14 и 15 соответственно, соединенных с поперечиной 16. Один или больше поршней 17 - 20 могут присутствовать на этой поперечине, чтобы функционировать в смежных полостях или цилиндрических камерах 21 - 24. В зоне верхней части (крыши) этих камер смонтированы обычные впускной и нагнетательный (или выпускной) клапаны 25A-25B, 26A-26B, 27A-27B, 28A-28B, либо клапаны автоматического подпружиненного типа в случае работы устройства в качестве насоса, либо возбуждаемого типа в случае работы в качестве двигателя.

На валах 2 - 5 разных кривошипов также вращаются идентичные зубчатые колеса 29 - 32, которые жестко соединены с кривошипами и взаимно зацепляются. В результате этого любое вращение, вызываемое на зубчатом колесе (или на любом кривошипе, жестко соединенным с зубчатыми колесами), передается в равной степени всем остальным зубчатым колесам. В итоге любое прямолинейное движение поршня 17, или 18, или 19, или 20 образует одинаковое прямолинейное движение в других поршнях. Это связано с фактом, что поперечина 16, на которой они установлены, всегда движется параллельно себе самой, т.е. перпендикулярно к линии 33, соединяющей два общих пальца 14 и 15. Эти два общих пальца 14 и 15 поэтому всегда движутся вдоль прямолинейной траектории и на равные количества благодаря эффекту соединения, производимого разными идентичными зубчатыми колесами 29 - 32 между разными кривошипами 6 - 9, которые управляют положением пальцев 14 и 15, общих для шатунов 10 - 11 и 12 - 13 соответственно. Поперечные компоненты тяговых/осевых усилий, действующих на эти шатуны, всегда взаимно компенсируют друг друга, так что результирующие силы находятся всегда и только в одном направлении 34, которое совпадает с направлением, в котором движутся поршни. Любая гипотетическая поперечная сила, действующая на поперечину 16, не будет изменять траекторию поршней, которые тем самым могут двигаться в своих цилиндрических камерах с нулевым зазором без вынужденного контакта, обязательно возникающего между ними. Это гипотетическое несбалансированное условие будет возникать в результате удаления из описанной конфигурации шатуна 13, кривошипа 9 и шестерни 32. Несбалансированное условие будет в этом случае включать в себя шатуны 10 - 11 в равнобедренной конфигурации, взаимодействующие с дальнейшим шатуном 12 с его собственным кривошипом, которые все соединены вместе посредством шестерен 29 - 31 и поперечины 16 с ее отдельными пальцами 14 и 15. Подобное несбалансированное условие является условием минимальной возможности для самонаправляемой поршневой системы. Этот несбалансированный вариант явно менее предпочтителен, чем сбалансированный вариант, включающий в себя две пары шатунов, показанных на фиг. 2, за исключением, когда существуют особые экономические требования. На фиг. 3 показан вариант системы согласно изобретению, содержащий две симметричные пары шатунов 35 - 36, 37 - 38, которые шарнирно смонтированы на пальцах 39 и 40 на поперечине 41 не бок-о-бок, как на фиг. 2, а в противолежащем положении. Пальцы 39 и 40 имеют свои оси 42 и 43, разнесенные друг от друга на расстояние, необходимое для образования реагирующего рычага в отношении любых поперечных сил, присутствующих в поперечине 41. Исходя из данного наклонного положения, в каком эти шатуны функционируют относительно оси симметрии 44, они образуют разные углы по отношению друг к другу, в результате только одна пара их соединена с выходным или входным приводным валом таким, как вал 45, жестко соединенный с кривошипом 46. Другая пара свободно вращается вхолостую, чтобы просто выполнять геометрическую направляющую функцию. Пара шатунов 37 и 38 смонтирована своими соответствующими большими головками на пальцах кривошипов 46 и 47.

Каждый из валом указанных кривошипов жестко соединен со своим зубчатым колесом 48, 49, которые идентичны и взаимно зацепляются. Пара шатунов 35 и 36 смонтирована своими соответствующими большими головками на пальцах кривошипов 50 и 51. Каждый из валов этих кривошипов жестко соединен со своим зубчатым колесом 52, 53, которые идентичны и взаимно зацепляются. В результате две пары шатунов направляют поперечину 41 вдоль прямолинейной траектории в том же направлении, что и ось симметрии 44.

Валом снятия мощности, т.е. приводным валом, может быть вал любого одного из четырех кривошипов, а остальные три будут приводиться в движение указанным валом. Поршни 54 - 57, предусмотренные на двух концах поперечины 41, перемещаются в соответствующих смежных камерах 58 - 61 для попеременного сжатия и расширения текучих сред, содержащихся в них. Вариант по фиг. 3 наиболее приемлем при использовании в качестве двигателя внутреннего сгорания. В этом отношении его поршни 54 - 55 и 56 - 657 выравнены соосно, расположены напротив друг друга и выполнены в одном корпусе, включающем в себя фактическую поперечину 41, т.е. когда камера 59 завершила впуск (всасывание), камера 58 завершила выпуск (выхлоп) газообразных продуктов сгорания предшествующего такта, камера 60 завершила рабочее расширение в результате взрыва (зажигания) и камера 61 завершила сжатие, предшествующее следующему взрыву.

Каждая камера 58 - 61 поэтому выполняет все необходимые четыре такта с последовательным смещением на один такт от такта другой камеры. Это представляет огромное преимущество в том смысле, что приводной вал, например, вал 45, принимает только полезную силу (нагрузку), вытекающую из вычитания остальных пассивных сил. В противоположность этому в традиционных многоцилиндровых двигателях приводной вал подвергается воздействию силы всего взрыва в каждой камере, которое затем используется этим валом через другие узлы шатуна-кривошипа для выполнения пассивных тактов, т.е. впуска, сжатия и выпуска в других цилиндрах. Поэтому традиционные двигатели содержат приводной вал, который, чтобы передавать очень небольшой полезный выходной крутящий момент, должен иметь размер для очень небольшого крутящего момента. Дополнительно, для достижения этого необходимо рассеивать значительную фрикционную энергию, связанную с движениями узлов обычных шатунов-кривошипов, имеющих обычные подвижные направляемые поршни.

Работа шатунов 35 - 38 выгодно отличается от работы шатунов в традиционных двигателях в том смысле, что им нужно передавать взрывную силу менее силы, необходимой для выполнения пассивных тактов в других цилиндрах, причем передаваемая сила составляет лишь 1/4 от всей силы, которая делится между четырьмя шатунами. Это ведет к значительно более легкому, более экономичному и более мощному двигателю. Такие двигатели могут быть более мощными по двум причинам: они меньше подвергаются трению и из-за отсутствия трения между средствами поршней и камер, что означает, что двигатель может функционировать при значительно более высоких температурах, а это, как хорошо известно, повышает эффективность термодинамического цикла. Отсутствие трения поршней означает, что не требуется смазка, в результате очевидны экономическое и экологическое преимущества ввиду устранения распыления масла в воздухе и в итоге устранения ухудшения масла, вызываемого горючими углеводородами и остаточными продуктами сгорания. Единственным маслом, приемлемым в этом варианте согласно изобретению, является консистентная смазка для смазывания кривошипов, зубчатых колес и пальцев, причем смазка функционирует в закрытом картере и никогда не поступает в камеры сгорания, поэтому масло (смазка) никогда не расходуется и не ухудшается. Предполагается следующая последовательность работы разных поршней: 59 - впуск, 58 - выпуск, 60 - расширение, 61 - сжатие. Эта последовательность взята только в качестве примера и эта симметричная последовательность с одновременным сгоранием в двух камерах 50 и 60 и т.д. в отношении остальных тактов может считаться более действенной с результирующими силами, проходящими через ось симметрии и поэтому не создающими на поперечине 41 пар сил, которые действуют в поперечном направлении на пальцы 39 и 40. При таком двойном функционировании, симметричном относительно оси 44, двигатель получается не только более сбалансированным (благодаря компенсации, получаемой в результате симметричного наклона пар шатунов по сравнению с одинарным шатуном, типичным для традиционных двигателей), но и более легким, так как он не подвергается напряжению со стороны бесполезных сил. Клапаны, присутствующие в разных камерах, не показаны на фиг. 3 и на др. Это вызвано тем, что они представляют известный уровень техники, и разные системы могут использоваться для разных функций, требующих клапаны специфического типа. Как на фиг. 3, так на фиг. 5 и 6 поршни показаны как целостные цилиндры, к которым приварена поперечина. Это означает, что могут использоваться тонкостенные и тем самым очень легкие трубы. Поперечина может быть выполнена из рифленой пластины и поэтому быть очень легкой, так что, учитывая небольшой размер шатунов, видно, что при возвратно-поступательном действии часть этой системы имеет меньшую инерцию, чем традиционные двигатели, которые становятся тяжелыми из-за значительно более крупных шатунов, более массивных поршней и большего числа более толстых и более длинных стальных поршневых пальцев. Поршни системы согласно изобретению имеют следующие преимущества: у них нет трения с их камерами, работают теоретически с нулевым зазором и без стука, который характерен для традиционных узлов шатуна-кривошипа из-за реверсирования наклона шатунов и вытекающих из этого сил.

Таким образом, система согласно изобретению может использовать поршни, применяемые для нагнетания жидкостей даже при очень высоких температурах без использования прокладок. Система может содержать поршни, выполненные из относительно хрупкого материала (такой, как керамика), который является легким и стойким к очень высоким температурам, так как поршни не подвергаются воздействию удара или истирания.

На фиг. 5 изображен вариант устройства, используемый не только в качестве традиционного двигателя внутреннего сгорания, но также в качестве системы, в которой обычная последовательность тактов поршней может изменяться. В этом отношении в противоположность варианту на фиг. 3 поршни 61 - 63 и 62 - 64 имеют свои оси, близко расположенные друг к другу, так что они имеют небольшие рычаги действия относительно оси симметрии 65, образуя лишь небольшие поперечные крутящие моменты на своих опорных поперечинах 66A-66B в отношении одинакового осевого давления на каждую поршневую головку. Дополнительно поперечина 66A-66B имманентно очень длинная и поэтому содержит большие рычаги реагирования, приводя к небольшим несбалансированным силам для съема нагрузок на пальцах 67 и 68, которые несут необходимые пары шатунов 69 - 70, 71 - 72. Эти шатуны также взаимодействуют с пальцами кривошипов 73 - 76, жестко соединенными с идентичными взаимнозацепляющимися шестернями 77 - 80, которые вращаются в направлении, обозначенном стрелкой f. Для обеспечения непрерывности взаимного зацепления в указанных направлениях вращения они функционируют посредством двух вставленных холостых шестерен 81 и 82. Все шестерни 77, 78, 81, 82, 79, 80 могут функционировать в одной и той же плоскости, внешней по отношению к структурным контурам камер сгорания и кривошипов, причем кривошипы могут крепиться к их шестерням посредством валов любой длины.

На фиг. 6 изображена модификация системы, содержащая две пары шатунов (соединенных по два) 83 - 84 и 85 - 86, расположенных один над другим. Их пальцы кривошипов 87 - 90 жестко соединены с шестернями, которые зацепляются попарно, т. е. 91 с 92 и 93 с 94. Шестерня 91 также зацепляется с шестерней 93 через холостую шестерню 95, а шестерня 92 зацепляется с шестерней 94 через холостую шестерню 96. Это обеспечивает синхронизацию, используемую в других вариантах и необходимую, чтобы побудить поперечину 97 двигаться в направлении 98, одновременно оставаясь всегда перпендикулярной к этому направлению. Поперечина может тем самым вызывать одинаковую траекторию движения на своих противолежащих концевых поршнях 99 - 102, которые движутся в своих собственных смежных камерах 103 - 106, чтобы обеспечивать в них требуемое изменение объема.

Использование: в камерах высокого давления и переменного объема. Сущность изобретения: поршни двух пар соосных противолежащих цилиндров, расположенных смежно, жестко соединены поперечиной. С выступами поперечины при помощь пальцев соединены пары идентичных кривошипно-шатунных механизмов, приводимых во вращение зубчатыми колесами. 6 ил.

Система реверсивного преобразования вращательного движения в линейное, содержащая соосные противолежащие цилиндры (58А;61А;59А;60А), жестко соединенные поршни (61,63,62,64), каждый из которых размещен в одном из указанных цилиндров с возможностью скольжения, четыре кривошипно-шатунных механизма (69,73; 70,74; 71,75; 72,76), соединенные с поршнями (61-64) и друг с другом через идентичные зубчатые колеса (77-82), отличающаяся тем, что содержит:
две пары (58А;61А;59А;60А) соосных противолежащих цилиндров, расположенных смежно и симметрично относительно центральной оси симметрии (65);
две пары жестко соединенных поршней, причем каждая пара объединена с другой;
поперечины (66А, 66В), соединенные с двумя парами (61-64) поршней и выполненные в виде противолежащих выступов (66А,66В);
две пары идентичных кривошипно-шатунных механизмов, каждая из которых содержит кривошипы, выполненные с возможностью вращения в противоположном направлении и размещенные на зубчатых колесах (77,80), вращающихся в противоположных направлениях, причем каждая из указанных пар кривошипов имеет два симметричных шатуна (69,70;71,72), основания двух из которых соединены общими пальцами (67; 68) с выступом (66А,66В) указанной поперечины, причем два пальца (67,68) расположены симметрично относительно центральной оси симметрии (65), и вращение всех зубчатых колес (77-80), вращающихся в противоположных направлениях, синхронизирвоано промежуточными зубчатыми колесами (81,82).