ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТОВ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1998 года по МПК B25D9/10 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в устройствах ударного действия с возратно-поступательным движением рабочего органа, например, в отбойных молотках, перфораторах, вибраторах, трамбовках, и т.п., для применения в строительстве, горном деле и других отраслях народного хозяйства.

Известен ДВС для инструментов ударного действия [1], содержащий корпус, боек, ударный инструмент, шток с поршнем, цилиндр с головкой, взрывную камеру и свечу зажигания. Поршень снабжен подпружиненным клапаном, а головка выполнена в виде корпуса, в вершине которого смонтирована детонационная трубка с электрической свечой зажигания. Кран детонационной трубки снабжен клапаном от смесителя и соединен через рычаг с блоком автоматического управления. Последний соединен с управляющей тягой, взаимодействующей с инструментом.

Недостаток ДВС [1] заключается в том, что он имеет низкий КПД, т. к. для обеспечения работы двигателя необходим сжатый воздух, на что затрачивается энергия, а так же жидкое топливо для увеличения силы удара. На каждом этапе преобразования и передачи энергии происходят ее потери, что и приводит к повышенным затратам энергии (топлива, эл. энергии) на единицу произведенной полезной работы. Низкий КПД двигателя обусловлен также применением нескольких звеньев (поршень со штоком, боек, ударный инструмент) для передачи энергии взрыва горючей смеси к разрушаемой породе. Потери энергии происходят как в длинном и тонком штоке вследствие его вибрации, так и на границах от одной детали к другой [6].

Известен ДВС для инструментов ударного действия [2], содержащий муфту, которая с тыльного конца соединена с поршнем. Движущийся возвратно-поступательно ударник имеет удлиненный передний участок, который образует с корпусом амортизирующую камеру, возвращающую ударник после рабочего хода. Концевой участок ударника образует с корпусом кольцевой зазор. Камера сгорания имеет с тыльной стороны входные и выходные каналы. Каналы сообщаются через прорези с наружней стороны муфты пазы с первым и вторым отверстиями. Концевой участок ударника периодически закрывает отверстия и отсекает камеру сгорания от входного и выходного каналов. Кольцевой зазор соединен с амортизирующей камерой отдельной прорезью.

Недостатки ДВС [2] заключаются в том, что он имеет низкий КПД, т. к. для обеспечения работы двигателя необходим сжатый воздух, на что затрачивается энергия, а так же жидкое топливо для увеличения силы удара. Ненадежность работы двигателя, выражающаяся в том, что уже при небольших утечках воздуха в амортизирующей камере ударник не будет досылаться в камеру сгорания до требуемой степени сжатия топливо-воздушной смеси (ТВС), что за несколько циклов приведет к остановке инструмента, к тому же отсутствует пусковое устройство и требуется дополнительная система для подготовки ТВС.

Известен ДВС для инструментов ударного действия [3], включающий цилиндр с выхлопными окнами, поршень-боек, установленный в цилиндре между передней и задней головками, камеру сгорания, буферную камеру, канал для подвода сжатого воздуха, породоразрушающий инструмент, насос-форсунку со штоком, установленную в одном из сквозных отверстий задней головки, и приспособления для управления перемещением штока насоса-форсунки, расположенное в другом сквозном отверстии задней головки. Устройство снабжено диафрагменным пневмодвигателем для перемещения штока насоса-форсунки и приспособлением управления перемещением штока насоса-форсунки.

Недостаток ДВС [3] заключается в том, что он имеет низкий КПД. Для обеспечения работы устройства необходим сжатый воздух, на что затрачивается энергия, а так же жидкое топливо для увеличения силы удара.

Известен ДВС для инструментов ударного действия [4], содержащий цилиндрический корпус с закрепленной в нем гильзе. В гильзу помещен поршень, шарнирно соединенный с шатуном. На другом конце шатуна имеется головка с осевым буфером-стволом. В последний свободно установлена меньшая ступень двухступенчатого корпуса пневматического амортизатора. Механизм пуска выполнен в виде клиновидного бокового выступа, размещенного на головке шатуна, толкателя в виде двуплечего рычага, большее плечо которого взаимодействует с боковой поверхностью шатуна, а скошенный торец периодически контактирует с клиновидным боковым выступом. Механизм подъема выполнен в виде двух соосных зубчатых колес, храповой собачки и рейки, жестко связанной с боковой поверхностью шатуна.

Недостатки ДВС [4] заключаются в том, что он имеет низкую надежность работы. В основе работы лежит принцип действия дизель-молота для забивания свай, в котором энергия падающего тяжелого цилиндра (или поршня) используется как для совершения полезной работы, так и для воспламенения ТВС для совершения нового цикла. Для этого необходим большой запас кинетической энергии, чтобы довести степень сжатия в камере сгорания до величины 1215, для надежного самовоспламенения ТВС и совершения полезной работы [7]. Поэтому поршень в ДВС [4] должен быть либо большой массы, либо падать с большой высоты. То и другое исключает ДВС [4] из класса ручных инструментов. Поскольку в описании ДВС [4] представлен как ручной инструмент, то вышеназванные причины приводят к ненадежности работы этого двигателя. Герметичность камеры сгорания обеспечивается тремя подвижными уплотнениями, в случае нарушения любого из них снижается надежность самовоспламенения ТВС. КПД ДВС [4] значительно снижается в результате того, что падающий поршень совершает удар не непосредственно по поршню-бойку, а передает свою энергию через газовую подушку в камере сгорания. Пусковая шестерня постоянно находится в зацеплении с поршнем, что снижает КПД и надежность работы в результате увеличения пар трения и износа. Надежность работы дизель-молотка снижается при отклонениях его продольной оси от вертикали.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ДВС для инструментов ударного действия [5], содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно ей хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие в дне наружу, установленные в крышке впускные и выпускные клапаны, выполненные в виде тарелки со штоком, и электрическую цепь зажигания, в крышке установлены механизмы взвода впускного и выпускного клапанов, каждый из которых выполнен в виде двух рычагов, своими концами соответственно шарнирно связанных с крышкой и штоком клапана, и пружин, размещенных на рычагах между их шарнирными осями, и механизмом зажигания, выполненным в виде шарнирно закрепленных на крышке подпружиненного рычага, с которым периодически взаимодействует впускной клапан, и стержня, подвижно установленного в крышке, взаимодействующего с рычагом и предназначенного для включения и выключения электрической цепи, а шток впускного клапана выполнен с осевым каналом и отверстиями в тарелке, сообщенными между собой и служащими для подачи топлива в камеру сгорания.

Недостатки ДВС [5] заключаются в том, что, во-первых, он имеет низкий КПД работы, который вызван следующими причинами: степень сжатия равна нулю, т.е. ТВС начинает гореть при атмосферном давлении, поэтому выделение энергии будет небольшим по отношению к единице объема ТВС и, как следствие, будет слабый удар поршня-ударника по рабочему инструменту; герметичность камеры сгорания, кроме неподвижных, обеспечивается двумя подвижными соединениями, при этом увеличивается вероятность утечек и уменьшается сила удара, и во-вторых, в ненадежности его работы, которая обусловлена следующими причинами: многоэлементностью газораспределительного механизма, что в условиях динамических нагрузок приводит к отказам по причине перекосов, заклиниваний, износа и т. п. ; сложностью настройки механизма взвода впускного и выпускного клапанов, т. к. в результате температурных воздействий, смолистых отложений, нагара, износа изменяются усилия открытия и закрытия клапанов; закоксовыванием канала, управляющего открытием выпускного клапана; ненадежностью работы узла зажигания, выражающаяся в заклинивании подвижных частей механизма удержания в результате нагара, возможностью сваривания контактов, сложностью регулировки момента зажигания; отсутствием пускового механизма; отсутствием охлаждения поршня, что приводит к выгоранию смазки; прекращением работы в случае пропуска зажигания, т.к. ход сжатия возвратной пружины равен полному ходу поршня. Несгоревшая ТВС не сможет продвинуть поршень до открытия выпускного канала вследствие постоянного противодействия пружины, поэтому не произойдет зарядки свежей ТВС.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение КПД и надежности работы ДВС для инструментов ударного действия.

Указанная задача решается тем, что в ДВС для инструментов ударного действия, содержащем цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно ей хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие в дне наружу, в отличие от прототипа на боковой поверхности поршня-ударника продольно нанесены кулачковый профиль и зубчатая рейка, которая в паре с шестерней, установленной в корпусе напротив рейки, образует пусковой механизм, причем часть зубьев шестерни удалена для обеспечения расцепления с рейкой после запуска, а зубья на рейке и шестерне ступенчато и ответно укорочены по длине для обеспечения правильного зацепления после остановки поршня-ударника в произвольном месте, в теле поршня-ударника выполнен перепускной канал с возможностью сообщения в конце рабочего хода поршня-ударника подпоршневой полости последовательно с камерой сгорания и атмосферой, посредством выполненных в корпусе продувочного и выпускного каналов, причем ход сжатия возвратной пружины равен ходу поршня-ударника после открытия выпускного канала, а подпоршневая полость дополнительно сообщается с атмосферой через карбюратор с обратным клапаном, на корпусе с возможностью перемещения относительно его продольной оси и взаимодействия с кулачковым профилем на поршне-ударнике установлены контакты управления моментом зажигания, а блок зажигания электрически соединен со свечой зажигания, установленной в крышке корпуса и с контактами управления моментом зажигания.

Конструкция предлагаемого ДВС обеспечивает повышение КПД его работы тем, что обеспечивается необходимая степень сжатия и точная регулировка момента зажигания для сообщения поршню-ударнику большей энергии при ударе.

Увеличение надежности работы предлагаемого двигателя достигается за счет того, что уменьшено число лижущихся частей, для чего применено газораспределение поршнем, вследствие этого отсутствуют клапаны, рычаги и т.п., снижено количество подвижных уплотнений камеры сгорания до одного, применено охлаждение поршня-ударника, что улучшает условия его смазки, уменьшен ход сжатия возвратной пружины по отношению к полному ходу поршня-ударника, что позволяет в случае пропуска зажигания совершить продувку и зарядку свежей ТВС камеры сгорания для следующего рабочего цикла в результате колебаний поршня-ударника с гарантированным открытием выпускного и перепускного каналов, применен пусковой механизм с расцеплением шестерни и рейки после запуска, что уменьшает число подвижных деталей и трущихся пар во время работы.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания для инструментов ударного действия; на фиг.2 - схематичный вид шестерни и рейки.

Двигатель состоит из цилиндрического корпуса 1, закрытого с одного конца крышкой 2, с другого конца дном 3, размещенного в корпусе подпружиненного в осевом направлении поршня-ударника 4, камеры сгорания 5, образованной торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневой полости 6, образованной вторым торцом и дном, установленных в подпоршневой полости возвратной пружины 7 и соосно ей хвостовика рабочего инструмента 8, выходящего через отверстие в дне наружу. На боковой поверхности поршня-ударника продольно нанесены кулачковый профиль 9 и зубчатая рейка 10, которая в паре с шестерней 11, установленной в корпусе напротив рейки, образует пусковой механизм, причем часть зубьев шестерни удалена для обеспечения расцепления с рейкой после запуска, а зубья на рейке и шестерне ступенчато и ответно укорочены по длине для обеспечения правильного зацепления после остановки поршня-ударника в произвольном месте, в теле поршня-ударника выполнен перепускной канал 12 с возможностью сообщения в конце рабочего хода поршня-ударника подпоршневой полости последовательно с камерой сгорания и атмосферой, посредством выполненных в корпусе продувочного 13 и выпускного каналов 14, причем ход сжатия возвратной пружины равен ходу поршня-ударника после открытия выпускного канала, а подпоршневая полость дополнительно сообщается с атмосферой через карбюратор 15 с обратным клапаном 16, на корпусе с возможностью перемещения относительно его продольной оси и взаимодействия с кулачковым профилем на поршне-ударнике установлены контакты управления моментом зажигания 17, а блок зажигания 18 электрически соединен со свечой зажигания 19, установленной в крышке корпуса, и с контактами управления моментом зажигания.

Двигатель работает следующим образом. Вращают шестерню 11 по часовой стрелке. Происходит зацепление шестерни и рейки 10 той парой зубьев, длины которых соответствуют друг другу в данном положении поршня-ударника. Поршень-ударник перемещается в сторону подпоршневой полости 6, после открытия выпускного канала 14 начинает сжимать возвратную пружину 7. После того, как последний зуб перед срезанным сектором шестерни выйдет из зацепления с последним зубом рейки, поршень-ударник освобождается и под действием сжатой пружины движется в сторону камеры сгорания, перекрыв выпускной и продувочный каналы. В подпоршневой полости создается разряжение, клапан 16 открывается и подпоршневая полость заполняется ТВС через карбюратор 15. Непосредственно перед тем моментом, когда поршень-ударник израсходует свою энергию на сжатие ТВС, находящуюся перед тем в камере сгорания, и остановится, кулачковый профиль 9 воздействует на контакты управления моментом зажигания 17. Блок зажигания 18, получив сигнал от контактов управления зажиганием, посылает электрический импульс на свечу зажигания 19. Начинается рабочий ход. Поршень-ударник движется в сторону подпоршневой полости. При открытии выпускного канала происходит выпуск отработанных газов. Поршень-ударник начинает сжимать возвратную пружину и в конце хода ударяет по хвостовику рабочего инструмента 8, совершая полезную работу. При рабочем ходе поршня-ударника давление в подпоршневой полости увеличивается, обратный клапан 16 закрывается. В момент открытия выпускного и продувочного каналов сжатая в подпоршневой полости ТВС проходит через перепускной канал 12, охлаждает поршень, производит очистку цилиндра от остаточных газов и зарядку цилиндра свежей смесью. Далее цикл повторяется.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Авторское свидетельство СССР N 279527, кл. E 21 C 37/16, 1970.

2. Патент Великобритании N 1398739, кл. B 25 D 9/10, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР N 1335692, кл. E 21 C 3/18, 1987.

4. Авторское свидетельство СССР N 1523331, кл. B 25 D 9/10, 1987.

5. Авторское свидетельство СССР N 656825, кл. B 25 D 9/10, 1979.

6. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М. Наука, 1969.

7. Орлин А. С.. Круглов М.Г. Теория поршневых и комбинированных двигателей. М:, Машиностроение, 4-е изд., переработанное и дополненное, 1984.

Двигатель внутреннего сгорания для инструментов ударного действия относится к машиностроению и может быть использован в устройствах ударного действия с возвратно-поступательным движением рабочего органа, например, в отбойных молотках, перфораторах, вибраторах, трамбовках и т.п. Двигатель содержит цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно ей хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие на дне наружу. На боковой поверхности поршня-ударника продольно нанесены кулачковый профиль и зубчатая рейка, которая в паре с шестерней, установленной в корпусе напротив рейки, образует пусковой механизм, причем часть зубьев шестерни удалена. Зубья на рейке и шестерне ступенчато и ответно укорочены по длине. В теле поршня-ударника выполнен перепускной канал с возможностью сообщения в конце рабочего хода поршня-ударника подпоршневой полости последовательно с камерой сгорания и атмосферой, посредством выполненных в корпусе продувочного и выпускного каналов. Применение предлагаемого двигателя внутреннего сгорания позволит повысить коэффициент полезного действия и надежности работы двигателя в инструментах ударного действия. 2 ил.

Двигатель внутреннего сгорания для инструментов ударного действия, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и дном, размещенный в корпусе подпружиненный в осевом направлении поршень-ударник, камеру сгорания, образованную торцом поршня-ударника и крышкой, подпоршневую полость, образованную вторым торцом и дном, установленные в подпоршневой полости возвратную пружину и соосно с ней хвостовик рабочего инструмента, выходящий через отверстие в дне наружу, отличающийся тем, что на боковой поверхности поршня-ударника продольно нанесены кулачковый профиль и зубчатая рейка, которая в паре с шестерней, установленной в корпусе напротив рейки, образует пусковой механизм, причем часть зубьев шестерни удалена, а зубья на рейке и шестерне ступенчато и ответно укорочены по длине, в теле поршня-ударника выполнен перепускной канал с возможностью сообщения в конце рабочего хода поршня-ударника подпоршневой полости последовательно с камерой сгорания и атмосферой посредством выполненных в корпусе продувочного и выпускного каналов, причем ход сжатия возвратной пружины равен ходу поршня-ударника после открытия выпускного канала, а подпоршневая полость дополнительно сообщается с атмосферой через карбюратор с обратным клапаном, на корпусе с возможностью перемещения относительно его продольной оси и взаимодействия с кулачковым профилем на поршне-ударнике установлены контакты управления моментом зажигания, а блок зажигания электрически соединен со свечой зажигания, установленной в крышке корпуса, и с контактами управления моментом зажигания.