СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ В МАШИНЕ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ (ВЫТЕСНЕНИЯ) И ОБЪЕМНАЯ МАШИНА ГОРБАНЯ-БРОДОВА Российский патент 1999 года по МПК F01B13/06 F02B57/08 F04B27/06 F04B1/10 F16H21/16 

Изобретение относится к машиностроению, в том числе к моторостроению, компрессоростроению, насосостроению и т.д., и может быть использовано в объемных машинах, преобразующих энергию рабочей среды - жидкости или газа, например, в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания с циклами типа Отто, Дизеля или в трохоидных двигателях типа Ванкеля.

Известен способ преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения), имеющей кулисный механизм, заключающийся в преобразовании линейного возвратно-поступательного движения во вращательное (и наоборот), при этом реализуется линейное сопряжение при биротативном вращении некоторой пары частей машины с исходным и сопряженным профилем вокруг неподвижных осей, сдвинутых относительно друг друга (это т.н. биротативный способ сопряжения вращающейся кулисы и соединительного элемента). (BG, патент N 2038984, A, 1979).

Известен также способ преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения), поршни и цилиндры которой связаны с ползунами и с кулисным элементом, установленным на оси и выполненным в виде по меньшей мере двух непараллельных направляющих, причем ползуны посредством шарниров связаны между собой соединительным элементом, установленным на оси, заключающийся в обеспечении вращения по крайней мере одного из упомянутых элементов вокруг своей оси. (Авторское свидетельство СССР N 1188414, 1985).

Известные способы преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения) обладают ограниченными техническими возможностями, не позволяющими увеличить количество рабочих циклов, осуществляемых за один оборот (период обращения) элементов вытеснительной пары, а также повысить КПД ввиду наличия реактивной силы на опорах неподвижного корпуса машины. Это обусловлено тем, что в биротационных кулисных механизмах объемных машин рабочий ход поршня от одной "мертвой" точки (м.т.) до другой происходит за один оборот коленчатого вала (т.е. за 360^o), что существенно увеличивает рабочий цикл термодинамического процесса в объемной машине;
- в планетарных кулисных механизмах рабочий ход происходит за оборот коленчатого вала на 180^o, что также не удовлетворяет условиям термодинамического процесса, в частности 4-тактного цикла;
- во всех известных способах на корпусе механизма присутствует реактивный момент, отрицательно влияющий на срок службы объемной машины, а для его компенсации требуются дополнительные капиталовложения на дооборудование машины - увеличение массы и габаритов, усиление крепежных средств и т.п.;
- наличием ускорений и вибраций при работе кулисного механизма, которые не всегда удается сбалансировать.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение технических и функциональных возможностей путем увеличения числа независимых степеней свободы вращательного движения до двух и числа рабочих циклов изменения объемов рабочих (вытеснительных) камер за один оборот приводного вала с одновременным уменьшением значений суммарного махового момента и реакций на опорах объемной трохоидной машины. Технический результат, помимо вышеуказанного, заключается также в
- достижении полного статического и динамического баланса вращающихся частей механизма;
- достижении возможности доведения величин суммарных кинетических и реактивных моментов до нулевых значений;
- повышении механического КПД за счет уменьшения боковых сил, действующих между поршнями и цилиндрами, и улучшения условий смазки;
- уменьшении угловой протяженности рабочего хода до 90^o угла поворота выходного вала и, следовательно, реализации проведения 4-тактного цикла термодинамического процесса за один оборот вала, что в итоге интенсифицирует энергетический процесс, улучшает кривую крутящего момента и удельные характеристики объемной машины.

Для достижения указанного выше технического результата в известном способе преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения), в которой по меньшей мере один поршень и цилиндр связаны с ползунами и с кулисным элементом, установленным на оси и выполненным в виде по меньшей мере двух непараллельных направляющих со скользящими в них ползунами, причем ползуны посредством шарниров связаны между собой соединительным элементом, установленным на оси, заключающемся в обеспечении вращения по крайней мере одного из упомянутых элементов вокруг своей оси, осуществляют одновременное вращение оси одного из элементов относительно введенной основной оси и оси другого элемента относительно оси первого элемента и одновременное вращение обеих элементов вокруг своих осей, при этом осуществляют синхронизацию угловых скоростей планетарного и вращательного движений поршней и цилиндров машины.

Кроме этого, при совмещении основной оси с осью вращения одного из упомянутых элементов или с осью шарниров ползунов или с центром масс кулисного механизма сообщают кулисному и соединительному элементам вращение с угловыми скоростями, определяемыми из соотношения
W₀ + W₂ - 2W₁ = 0,
где W₁, W₂ - угловые скорости вращения кулисного и соединительного элементов относительно своих осей,
W₀ - угловая скорость вращения оси одного элемента относительно оси другого элемента.

Известны устройства, в которых осуществляется бесшатунное преобразование возвратно-поступательного движения в планетарное вращательное (и наоборот). Такое устройство содержит неподвижный корпус с двумя или более непараллельными прямолинейными направляющими, одинарные передний и задний кривошипы, закрепленные концевыми шипами шарнирно в неподвижном корпусе, по меньшей мере два ползуна, каждый из которых размещен в направляющих, и соединительное звено, выполненное в виде двуплечего кривошипа, плечи которого шарнирно соединены с ползунами, а шипы - с одинарными кривошипами (Баландин С. С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1968 и Кожевников С.Н. и др. Механизмы. М.: Машиностроение, 1976, с.90, фиг. 2.117).

Известные устройства преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения) обладают ограниченными техническими возможностями, не позволяющими увеличить количество рабочих циклов, осуществляемых за один оборот (период обращения) элементов вытеснительной пары, а также повысить КПД ввиду наличия реактивной силы на опорах неподвижного корпуса машины. Это обусловлено тем, что в биротационных кулисных механизмах объемных машин рабочий ход поршня от одной "мертвой" точки (м.т.) до другой происходит за один оборот коленчатого вала (т. е. за 360^o), что существенно увеличивает рабочий цикл термодинамического процесса в объемной машине.

Задачей, на решение которой направлено изобретение в виде устройства, является расширение технических и функциональных возможностей путем увеличения числа независимых степеней свободы вращательного движения до двух и числа рабочих циклов изменения объемов рабочих (вытеснительных) камер за один оборот приводного вала с одновременным уменьшением значений суммарного махового момента и реакций на опорах объемной трохоидной машины. Технический результат, помимо вышеуказанного, заключается также в
- достижении полного статического и динамического баланса вращающихся частей механизма;
- достижении возможности доведения величин суммарных кинетических и реактивных моментов до нулевых значений;
- повышение механического КПД за счет уменьшения боковых сил, действующих между поршнями и цилиндрами и улучшения условий смазки;
- уменьшение угловой протяженности рабочего хода до 90^o угла поворота выходного вала и, следовательно, реализации проведения 4-тактного цикла термодинамического процесса за один оборот вала, что в итоге интенсифицирует энергетический процесс, улучшает кривую крутящего момента и удельные характеристики объемной машины.

Для достижения указанного выше технического результата известная машина объемного расширения (вытеснения), содержащая корпус с расположенными в нем по меньшей мере одним цилиндром и поршнем, кулисный механизм, выполненный в виде ползунов, один из которых связан с упомянутыми поршнем или цилиндром, кулисного элемента, установленного на оси и выполненного в виде не менее двух непараллельных направляющих, одна из которых соединена с цилиндром или поршнем, при этом ползуны посредством шарниров связаны с соединительным элементом, установленным на оси, снабжена основным валом и синхронизатором, связанным с одной стороны с основным валом или корпусом, а с другой стороны - по крайней мере с ползуном или кулисным элементом или с соединительным элементом или с двумя из них, и по крайней мере один из упомянутых элементов или ползунов установлен шарнирно в синхронизаторе с возможностью вращения вокруг основного вала и обеспечения при этом дополнительного планетарного вращения любого одного элемента относительно основного вала и планетарного вращения второго элемента относительно оси первого элемента.

Кроме этого, ось основного вала может быть совмещена с осью кулисного элемента или осью соединительного элемента или осью шарнира одного из ползунов или с центром масс кулисного механизма, синхронизатор выполнен в виде по меньшей мере одного звена, а угловые скорости вращений двух вышеупомянутых элементов вокруг своих осей и одного из звеньев синхронизатора определяются из соотношения
k₁W₁+k₂W₂+W₃=0,
где W₁, W₂ - скорости вращения вышеупомянутых элементов вокруг своих осей,
W₃ - скорость вращения звена синхронизатора,
k₁, k₂ - постоянные коэффициенты связи, при этом любые два из трех вышеупомянутых частей механизма - двух элементов и звена синхронизатора, установлены с возможностью независимого вращения друг от друга.

Кроме этого, синхронизатор может иметь дополнительную кинематическую цепь, связанную с любыми двумя из следующих частей механизма - кулисным элементом, соединительным элементом, одним из звеньев синхронизатора, корпусом с возможностью уменьшения количества независимых степеней свободы кулисного механизма на единицу.

Кроме этого, синхронизатор может быть выполнен в виде планетарной зубчатой передачи.

Кроме этого, синхронизатор или ползуны, или кулисный элемент, или соединительный элемент установлены в корпусе с возможностью вращения или заторможены относительно корпуса.

Кроме этого, любые два из следующих вращающихся частей механизма: ползуны, кулисный элемент, соединительный элемент, звено синхронизатора кинематически связаны с двумя вращающимися элементами внешних устройств.

Кроме этого, синхронизатор может иметь механизм относительного кругового поступательного движения, связанный по крайней мере с кулисным элементом или соединительным элементом, или одновременно с обеими этими элементами, или с корпусом.

Сущность способа преобразования движения в кулисном механизме и его конструкция поясняются следующими чертежами.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине с кулисным механизмом.

На фиг. 2 схематично изображена объемная машина с кулисным механизмом.

На фиг. 3 изображена схема, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью направляющих кулисного элемента при планетарном движении соединительного элемента.

На фиг. 4 - схема, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью кулисного элемента при круговом поступательном движении соединительного элемента.

На фиг. 5 - вариант выполнения объемной машины.

На фиг. 6 - схема, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью шарнира неподвижно ползуна.

На фиг. 7 - схема, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью ползуна, вращающегося совместно с кулисным элементом.

На фиг. 8 - диаграмма, поясняющая способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью ползуна, в случае совершения водилом, образованным соединительным элементом, кругового поступательного движения.

На фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 11 представлены схемы, поясняющие способ преобразования движения в объемной машине при совмещении основной оси с осью соединительного элемента при планетарном (фиг. 9, фиг. 10) и круговом поступательном (фиг. 11) движении кулисного элемента относительно основной оси.

На фиг. 12 - вариант выполнения объемной машины с синхронизатором в виде двух инверторов направления вращения.

На фиг. 13 - вариант выполнения объемной машины с опорной рамой и разгруженным ползуном.

На фиг. 14 - вариант выполнения объемной машины с опорной рамой и синхронизатором в виде одного инвертора направления вращения.

На фиг. 15 - вариант объемной машины с оппозитными поршнями в случае выполнения кулисным элементом кругового поступательного движения.

Изображенная на фиг. 1 схема поясняет способ преобразования движения в объемной машине кулисным механизмом. Основными частями кулисного механизма являются кулисный элемент 1, включающий не менее двух непараллельных направляющих 2, выполненных, например, в виде цилиндров, и скользящими в них по направлениям осей X-X и Y-Y ползунами 3, выполненными в виде поршней, и соединительный элемент 4, выполненный в виде коленчатого вала и шарнирно соединенный своими кривошипными шейками A и B с осями 5 ползунов 3. Оси собственного вращения кулисного элемента 1, соединительного элемента 4 и ползуна 3 проходят через их центры, обозначенные соответственно точками O_к, O_с и O_п. Центр масс кулисного механизма обозначен точкой m. Угол между плечами соединительного элемента O_сA и O_сB равен θ = 2ψ, а расстояния O_сA = O_сB = O_сO_к, т.е. кулисный механизм является предельным.

В объемной машине имеется неподвижная основная ось вращения O_д, которая в общем случае расположена в пространстве произвольно, а в частных случаях может быть совмещена с осями собственного вращения основных звеньев кулисного механизма или с его центром масс.

Сущность способа преобразования движения в объемной машине согласно изобретению заключается в том, что осуществляют одновременно бипланетарное и биротативное движение элементов 1 и 4 кулисного механизма, при котором приводят в движение вокруг дополнительной оси O_д хотя бы одну из осей кулисного или соединительного элементов (O_с или O_к), а другую ось приводят в круговое движение вокруг первой оси и в процессе движений одновременно осуществляют биротативное вращение обоих указанных элементов вокруг их собственных осей. При бипланетарном движении элементы кулисного механизма образуют два последовательно соединенных между собой планетарных механизма, один из которых вращается относительно другого.

Согласно способу ползунам или направляющим кулисного элемента и соединительному элементу сообщают вращение с угловыми скоростями, определяемыми дифференциальной зависимостью
W₀ + W₂ - 2W₁ = 0,
где W₁, W₂ - угловые скорости вращения ползуна или направляющих кулисного элемента и соединительного элемента относительно собственных осей,
W₀ - угловая скорость вращения собственных осей кулисного O_к и соединительного O_с элементов друг относительно друга.

Кроме этого, в объемной машине возможно получение двух независимых степеней свободы, для чего осуществляют вращение двух звеньев кулисного механизма из числа основных и одного, введенного дополнительно, с угловыми скоростями, определяемыми зависимостью
K₁W₁ + K₂W₂ + K₃W₃ = 0,
где K₁, K₂, K₃ - коэффициенты передачи,
W₁, W₂, W₃ - угловые скорости вращения соответствующих звеньев кулисного механизма.

Такой способ преобразования движения в объемной машине расширяет ее функциональные возможности, а также уменьшает угловую протяженность цикла изменения координаты поступательного движения ползунов от минимального до максимального значений, что позволяет повысить КПД, производительность и удельные показатели объемной машины.

На фиг. 2 схематично изображена объемная машина, реализующая изложенный способ преобразования движения, содержащая кулисный элемент 1, включающий не менее двух непараллельных направляющих 2, выполненных в виде цилиндров, и скользящими в них ползунами 3, выполненными в виде поршней, кривошипный соединительный элемент 4, представляющий собой коленчатый вал, кривошипные шейки которого шарнирно соединены с осями 5 ползунов, неподвижный корпус 6 и водило 7. Объемная машина снабжена центральным валом 8 и синхронизатором 9, звенья кулисного механизма кинематически связаны с синхронизатором 9 и неподвижным корпусом 6, и одно их них установлено с возможностью бипланетарного, а другое - планетарного движения, и каждое из них установлено с возможностью биротативного вращения относительно собственных осей.

В этом и нижеприведенных вариантах выполнения объемной машины ось основного вала 8 является дополнительной осью O_д-O_д, упомянутой в изложенном способе. В данном случае эта ось совмещена с центром масс "m" кулисного механизма, расположенного на середине отрезка O_к-O_с (фиг. 1). Соединительный элемент 4, выполненный в виде двойного эксцентрика, шарнирно установлен на водило 7, которое установлено с возможностью вращения в корпусе 6. В общем случае синхронизатор может быть выполнен в виде механизма, обеспечивающего относительное круговое поступательное движение звеньям, соединяемым посредством этого механизма. Синхронизатор может быть снабжен механизмами передачи вращения от одного из звеньев кулисного механизма на валы, соосные с осями вращения других звеньев кулисного механизма. В данном случае синхронизатор 9, обеспечивающий согласование угловых скоростей вращения кулисы 1 относительно оси O_к-O_к и соединительного элемента 4 относительно оси O_с-O_с, включает пару зубчатых колес внутреннего зацепления, одно 10 из которых соединено с кулисным элементом 1, а другое 11 - с корпусом.

Работа объемной машины, показанной на фиг. 2, происходит следующим образом. При вращении основного вала 8 совместно с водилом 7 соединительный элемент 4 совершает планетарное движение. При этом ползуны 3 скользят в направляющих 2 кулисного элемента 1, совершая в процессе вращения соединительного элемента 4 возвратно-поступательное движение относительно кулисного элемента 1, который в свою очередь посредством связанного с ним зубчатого колеса 10 синхронизатора 9 обкатывается по неподвижному зубчатому колесу 11 и совершает бипланетарное и биротативное движение относительно соединительного элемента и основного вала. В подобной объемной машине ползуны и направляющие выполнены в виде поршней и цилиндров соответственно.

Такое выполнение объемной машины с кулисным механизмом преобразования движения позволяет получить новый положительный эффект, заключающийся в повышении КПД, производительности (мощности) машины за счет сокращения угловой протяженности цикла изменения объема рабочих камер от минимального до максимального (сжатие-расширение рабочего тела).

На фиг. 3 и фиг. 4 показаны варианты, в которых основная ось O_д-O_д совмещена с осью кулисного элемента O_к-O_к.

На фиг. 3 кулисный элемент 1 объемной машины совершает вращательное движение, а соединительный элемент 4 - планетарное движение, при этом угловая скорость вращения W₁ кулисного элемента 1 и угловая скорость вращения W₀ центра C соединительного элемента 4 относительно центра O_к могут быть различными или одинаковыми как по величине, так и по направлению вращения. Например, при W₀ = - W₁ угловая скорость вращения соединительного элемента W₂ = 3W₁. Соосно расположенные звенья 1 и 7 могут быть использованы для связи с подсоединяемыми внешними устройствами.

При таком способе преобразования вращения цикл изменения координаты поступательного движения ползуна 3 от своего минимального значения до максимального (или изменение объема сжимаемого рабочего тела от минимального значения до максимального в объемных машинах) составляет 90^o по углу поворота кулисы 1 относительно собственной оси O_к-O_к. В прототипе, при неподвижной кулисе, такой цикл протекает за 180^o угла поворота центра соединительного элемента.

В объемных машинах, приведенных на фиг. 3, 7, 9, 10, 12 и 14, угловая протяженность рабочих циклов по углам поворота ведущего звена соответственно водила 7, кулисного элемента 1, соединительного элемента 4 и ползуна 3, сокращается до 90^o, что позволяет провести 4-тактный цикл, например, двигателя внутреннего сгорания за один оборот ведущего вала, в то время как в известных объемных машинах с кривошипно-шатунным или кулисным механизмом такой полный цикл проводится за два оборота ведущего вала.

Частным случаем планетарно-биротативного движения является круговое поступательное движение одного из звеньев кулисного механизма. Это случаи, представленные на фиг. 4, 6, 8, 11 и 15, где круговое поступательное движение совершают соответственно соединительный элемент 4, ползун 3, водило 7, кулисный элемент 1. Во всех случаях круговое поступательное движение звена обеспечивается синхронизатором 9, выполненным, например, в виде механизма параллельных кривошипов или подобного ему механизма, именуемого в дальнейшем - механизмом W 12. В частных случаях синхронизатор 9, выполненный в виде механизма W, связывает одно из звеньев кулисного механизма с корпусом 17 синхронизатора или корпусом 6 механизма (фиг. 4, 8, 11, 15).

В варианте, показанном на фиг. 4, угловая скорость вращения водила 7 в два раза выше угловой скорости вращения кулисного элемента 1 относительно оси O_к-O_к.

В кулисном механизме в ряде вариантов выполнения объемной машины используется опорная рама, в которую устанавливается с возможностью вращения одно из звеньев кулисного механизма, и синхронизатор, выполняемый в виде механизма W, связывающего раму с другим звеном кулисного механизма и обеспечивающего их относительное круговое поступательное движение.

В частных случаях функции синхронизатора выполняет опорная рама 14, установленная с возможностью вращения на одном из звеньев кулисного механизма и посредством механизма W 12 связанная с другим подвижным звеном, с корпусом или с корпусом. Опорная рама 14 используется в схемах, показанных на фиг. 5, 6, 7, 13, 14.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения объемной машины с опорной рамой, содержащей неподвижный кулисный элемент 1, соединительный элемент 4, выполненный в виде коленчатого вала, срединные шейки 13 которого установлены шарнирно в опорной раме 14, которая связана с неподвижным кулисным элементом 1 посредством механизма W 12 (механизма параллельных кривошипов), обеспечивающего круговое поступательное движение рамы 14 относительно оси O_к-O_к. Соединительный элемент 4 своими концами посредством синронизаторов - механизмов W связан с двумя соосными, расположенными с противоположных концов соединительного элемента 4 выходными валами 15. Коаксиально им расположены дополнительные валы 16, соединенные с шипами центральных кривошипов 12, соосных с осью O_к-O_к.

В объемной машине кулисный механизм обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения ползунов 3 во вращательное движение выходных валов 15(и обратно). При прямом преобразовании: возвратно-поступательное движение ползунов 3 приводит в планетарное движение вокруг своих срединных шеек 13 соединительный элемент 4, который своими срединными шейками связан с опорной рамой 14, совершающей круговое поступательное движение, которое посредством механизмов W вызывает вращение выходных валов 15. Аналогично осуществляется обратное преобразование. При вращении любого из валов 15 опорная рама 14, совершая круговое поступательное движение, приводит соединительный элемент 4 в планетарное движение, вызывающее возвратно-поступательное движение ползунов 3. К достоинствам такого выполнения механизма относятся двухопорное крепление всех звеньев силового преобразователя (соединительный элемент 4 может иметь и большее число опор), отсутствие консольных элементов, выполнение всех подвижных звеньев цельными.

При выполнении кинематических пар ползун-кулиса в виде поршень-цилиндр энергия рабочей топливной смеси в рабочих камерах, образованных поршнями и цилиндрами, заставляет поршни 3 линейно перемещаться вдоль осей X-X, Y-Y направляющих 2 кулисного элемента 1. Возникающее при этом планетарное движение соединительного элемента приводит в конечном счете к вращению выходного вала 15. В рассмотренном варианте реализован способ преобразования движения, когда кулисный элемент 1 неподвижен, однако в общем случае он может вращаться относительно оси O_к-O_к.

В объемной машине, изображенной на фиг. 5, кулисный механизм может работать как преобразователь возвратно-поступательного движения ползунов 3 в контрроторное вращение звеньев, расположенных коаксиально с двух сторон преобразователя (и обратно). При контрроторном преобразовании возвратно-поступательного движения ползунов 3, осуществляемом, например, в объемных машинах за счет энергии рабочей среды в замкнутых объемах рабочих камер, ползуны 3 возвратно-поступательно перемещаются в направляющих 2 корпуса 1, а ось O_с-O_с соединительного элемента движется по окружности относительно оси кулисного элемента O_к-O_к. Соединительный элемент 4 совершает планетарное движение и приводит опорную раму 14 в круговое поступательное движение. При этом вращения кривошипов 12 и выходного вала 15 происходят с одинаковыми угловыми скоростями, но в противоположных направлениях. Таким образом осуществляется контрроторное вращение коаксиально расположенных вала 15 и вала 16, соединенного с шипом среднего из кривошипов 12, выведенных по обе стороны устройства. Потери на трение в таком устройстве меньше, чем в известных кривошипно-шатунных или кулисных механизмах, что является его преимуществом.

На фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8 показаны варианты выполнения объемной машины, в которых основная ось O_д-O_д совмещена с осью 5 одного из ползунов 3.

В варианте выполнения объемной машины с кулисным механизмом, показанной на фиг. 6, основная ось O_д-O_д совмещена с осью 5 неподвижного ползуна 3, закрепленного на корпусе 6. Соединительный элемент 4 вращается относительно центра 5. С центром O_с - срединной шейкой соединительного элемента 4 шарнирно соединена опорная рама 14, которая посредством механизма W 12 связана с кулисным элементом 1. Последний в данном случае установлен с возможностью возвратно-поступательного движения относительно закрепленного ползуна 3.

Кулисный механизм объемной машины работает следующим образом. При перемещении другого ползуна 3 в направляющей 2 по оси X-X опорная рама 14, совершая круговое поступательное движение относительно оси O_д-O_д, приводит кулисный элемент 1 посредством кривошипного механизма W 12 в возвратно-поступательное перемещение вдоль оси Y-Y относительно неподвижного ползуна 3, а соединительный элемент 4 приходит во вращательное движение относительно оси O_д-O_д.

При обратной передаче движения вращение ведущего соединительного элемента 4 относительно оси O_д-O_д преобразуется в возвратно-поступательное движение "разгруженного" ползуна 3 вдоль оси X-X. Соединительный элемент 4 и кривошипы механизма W 12 при этом вращаются в противоположных направлениях.

В варианте выполнения объемной машины с кулисным механизмом, показанной на фиг. 7, опорная рама 14 также связана посредством механизма W 12 с кулисным элементом 1. Ползун 3, через ось 5 которого проходит ось O_д-O_д, установлен с возможностью вращения в корпусе 6. Этот ползун и соединительный элемент 4 вращаются относительно оси 5 в противоположных направлениях, а водило 7 и разгруженный второй ползун 3 совершают планетарное движение. При этом угловая скорость вращения водила 7 относительно оси O_c-O_c в три раза выше угловой скорости вращения ползуна 3 относительно оси O_д-O_д.

В варианте выполнения кулисного механизма, показанном на фиг. 8, водило 7 посредством механизма W 12 связано с корпусом 6. Здесь водило 7 совершает круговое поступательное движение относительно оси, совпадающей с осью 5 ползуна 3 и неподвижной осью O_д. Угловая скорость вращения соединительного элемента 4 в этом случае в два раза выше угловой скорости вращения ползуна 3 вокруг оси 5.

На фиг. 9, фиг. 10 и фиг. 11 представлены варианты выполнения кулисного механизма объемной машины, в которых основная ось O_д-O_д совмещена с неподвижной осью O_с-O_с соединительного элемента 4. Соединительный 4 и кулисный 1 элементы и водило 7 установлены с возможностью вращения относительно собственных осей. В вариантах фиг. 9 и фиг. 10 кулисный элемент 1 движется планетарно, в варианте фиг. 11 - он посредством механизма W 12 связан с корпусом 6 и совершает круговое поступательное движение относительно оси O_д-O_д.

Варианты фиг. 9 и фиг. 10 отличаются только реализуемыми в них соотношениями угловых скоростей кулисного 1 и соединительного 4 элементов. Так, в первом случае W₀= -3W₂, а во втором W₂ = -3W₀. Циклы изменения рабочих камер объемной машины, изображенной на фиг. 9 и 10, одинаковые и равны 90^o, но с учетом отсчета углов поворота: на фиг. 10 - водила 7, а на фиг. 9 - соединительного элемента 4.

Кулисный механизм в варианте, показанном на фиг. 11, работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении ползунов 3 в направляющих 2 кулисного элемента 1 соединительный элемент 4 и водило 7 вращаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, а заторможенный от вращения кулисный элемент 1, связанный посредством механизма W с корпусом 6, совершает круговое поступательное движение относительно оси O_д-O_д. При обратном преобразовании движения вращение водила 7 приводит к возвратно-поступательному движению ползунов 3.

На фиг. 12 представлен вариант выполнения кулисного механизма в виде объемной роторной поршневой машины, в которой ползуны 3 выполнены в виде поршней, а направляющие 2 в виде цилиндров. Поршни 3 имеют общие штоки, шарнирно установленные на выполненном в виде коленчатого вала соединительном элементе 4, оси Y-Y и X-X цилиндров и расположены под углом, например, 90^o в кулисном элементе 1, водило 7 выполнено в виде двух, установленных с возможностью вращения в корпусе 6 кривошипных валов 18 и 19, которые шарнирно соединены с противоположными по оси вращения концевыми срединными шейками соединительного элемента 4, а синхронизатор 9 выполнен в виде двух инверторов направления вращения 20 и 21, посредством которых кривошипные валы 18 и 19 связаны с кулисным элементом 4. Кулисный элемент 1 установлен шарнирно в корпусе 6 с возможностью вращения относительно оси O_д-O_д, совмещенной с осью O_к-O_к кулисного элемента. Коренные шейки каждого из кривошипных валов 18 и 19 связаны с входами инвертора и с выходным валом 15. Выходы инверторов 20 и 21 с двух сторон связаны с кулисным элементом 1. В качестве инвертора может быть использован возвратный ряд, составленный из конических колес (Кожевников С.Н. и др. Механизмы. М.: Машиностроение, 1976, с.90, фиг.2.117, стр.172).

Работа объемной машины происходит следующим образом. При движении поршней - ползунов 3 в направляющих 2, выполненных в виде цилиндров, под действием рабочей среды, образованной в замкнутых объемах рабочих камер машины, возникают силы, стремящиеся повернуть кривошипы 18 и 19 вокруг оси O_к-O_к. Т.к. эти кривошипы соединены через инверторы 20 с кулисным элементом 1, то последний приводится во вращение в направлении, противоположном направлению вращения кривошипов 18, 19. Кинематические соотношения и цикл предельных изменений объема рабочего тела в цилиндрах соответствуют варианту, показанному на фиг. 3 (цикл составляет 90^o).

На фиг. 13 представлен вариант выполнения кулисного механизма применительно к оппозитной бесшатунной объемной машине, содержащей неподвижный корпус 17, выполняющий функцию корпуса 6, опорную раму 14, шарнирно связанную со срединными шейками соединительного элемента 4. В корпусе 17 выполнена направляющая 2 в виде цилиндрической расточки и соосная с ней дополнительная направляющая 22, кулисный элемент выполнен в виде штока 23 с парой оппозитных ползунов 3 в виде поршней, скользящих в цилиндрической расточке корпуса 17, и дополнительной направляющих 22 и скользящего в направляющих штока разгруженного ползуна 24, шарнирно связанного с коленной шейкой "A" соединительного элемента 4. Синхронизатор 9 выполнен в виде механизма параллельных кривошипов, связывающего опорную раму 14 со штоком 23. Вторая коленная шейка "B" соединительного элемента 4 соединена с центральным валом 15, установленным с возможностью вращения в корпусе 6.

Работа объемной машины (фиг. 13) в качестве двигателя внутреннего сгорания (или компрессора), использующей кулисный механизм, происходит следующим образом. Под действием энергии топливной рабочей среды в рабочих камерах системы "поршень-цилиндр" оппозитно расположенные ползуны 3, выполненные в виде поршней, и разгруженный ползун 24 перемещаются в направляющих и приводят во вращение соединительный элемент 4 и кривошипы синхронизатора 9, причем в противоположные стороны. При этом опорная рама 14 совершает круговое поступательное движение, а вращение соединительного элемента 4 передается центральному валу 15.

На фиг. 14 представлена объемная машина, которая имеет те же основные части и выполнена так же, как машина, показанная на фиг. 13. Отличие ее заключается в том, что синхронизатор 9 выполнен в виде одного инвертора 20 направления вращения, связывающего соединительный элемент 4 с корпусом 17 синхронизатора 9, который установлен в корпусе 6 с возможностью вращения относительно основной оси O_д-O_д, и с которым соединен основной вал 15. При этом инвертор 20 преобразует (инвертирует) вращения соединительного элемента 4 и передает его на корпус 17, выполняющий функцию вращающегося корпуса объемной машины. Выходными валами в данном случае являются вал 15 соединительного элемента 4 и вал корпуса 17, которые вращаются в противоположных направлениях.

Кулисный механизм объемной машины работает следующим образом.

При движении ползунов 3 в виде поршней и штока под действием горючих газов, образованных в рабочих камерах машины, возникают силы, которые вызывают вращение соединительного элемента 4. От него вращение передается на вал 15 и через инвертор 20 - на корпус 17.

Такое выполнение кулисного механизма способствует его полному статическому и динамическому уравновешиванию и уменьшению потерь на трение скольжения в паре разгруженный ползун 24 - шток 23 и в цилиндро-поршневой группе, а также сокращает угловой цикл предельного изменения объема рабочей камеры до 90^o.

На фиг. 15 представлен вариант выполнения кулисного механизма в виде бесшатунной роторной поршневой объемной машины по схеме, показанной на фиг. 11. Машина содержит ползуны 3, выполненные в виде цилиндрических поршней с общими штоками 23, шарнирно установленными на соединительном элементе 4, который выполнен в виде коленчатого вала; кулисный элемент 1, связанный с корпусом 6 посредством механизма W 12, выполненного в виде механизма параллельных кривошипов. Центральным валом 15, выведенным по обе стороны механизма, служат концевые срединные шейки соединительного элемента 4.

Подобная роторно-поршневая объемная машина работает следующим образом (в режиме двигателя). Под действием энергии рабочей среды (топливной смеси) в рабочих камерах системы "поршни-цилиндры" ползуны 3 со штоками 23 перемещаются в направляющих 2, выполненных в виде цилиндров, и приводят во вращение соединительный элемент 4 и связанный с ним вал 15. При этом кулисный элемент 1 благодаря механизму W совершает круговое поступательное движение.

Изобретение соответствует условию охраноспособности "промышленная применимость", поскольку осуществимо с использованием известных средств производства и существующих технологий.

Способ преобразования и объемная машина могут быть использованы в машиностроении в таких механизмах, как редукторы, дифференциалы, инверторы, в двигателях внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и т.д. Способ преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения), в которой по меньшей мере один поршень и цилиндр связаны с ползуном и с кулисным элементом, установленным на оси и выполненным в виде по меньшей мере двух непараллельных направляющих со скользящими в них ползунами, причем ползуны посредством шарниров связаны между собой соединительным элементом, установленным на оси, заключаются в обеспечении вращения по крайней мере одного из упомянутых элементов вокруг своей оси, при этом осуществляют одновременное вращение оси одного из элементов относительно введенной основной оси и оси другого элемента относительно оси первого элемента и одновременное вращение обоих элементов вокруг своих осей, и синхронизацию угловых скоростей планетарного и вращательного движений поршней и цилиндров машины. Особенностью выполнения упомянутой машины является то, что она снабжена основным валом и синхронизатором, связанным с одной стороны с основным валом или корпусом, а с другой стороны - по крайней мере с ползуном, или кулисным элементом, или с соединительным элементом, или с двумя из них, и по крайней мере один из упомянутых элементов или ползунов установлен шарнирно в синхронизаторе с возможностью вращения вокруг основного вала и обеспечения при этом дополнительного планетарного вращения любого одного элемента относительно основного вала и планетарного вращения второго элемента относительно оси первого элемента. Использование изобретения обеспечивает расширение технологических и функциональных возможностей, увеличение КПД. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ преобразования движения в машине объемного расширения (вытеснения), в которой по меньшей мере один поршень и цилиндр связаны с ползуном и с кулисным элементом, установленным на оси и выполненным в виде по меньшей мере двух непараллельных направляющих со скользящими в них ползунами, причем ползуны посредством шарниров связаны между собой соединительным элементом, установленным на оси, заключающийся в обеспечении вращения по крайней мере одного из упомянутых элементов вокруг своей оси, отличающийся тем, что осуществляют одновременное вращение оси одного из элементов относительно введенной основной оси и оси другого элемента относительно оси первого элемента и одновременное вращение обоих элементов вокруг своих осей, при этом осуществляют синхронизацию угловых скоростей планетарного и вращательного движений поршней и цилиндров машины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при совмещении основной оси с осью вращения одного из упомянутых элементов или с осью шарниров ползунов или с центром масс кулисного механизма сообщают кулисному и соединительному элементам вращение с угловыми скоростями, определяемыми из соотношения
W₀ + W₂ - 2W₁ = 0,
где W₁, W₂ - угловые скорости вращения кулисного и соединительного элементов относительно своих осей;
W₀ - угловая скорость вращения оси одного элемента относительно оси другого элемента. 3. Машина объемного расширения (вытеснения), содержащая корпус с расположенными в нем по меньшей мере одним цилиндром и поршнем, кулисный механизм, выполненный в виде ползунов, один из которых связан с упомянутыми поршнем или цилиндром, кулисного элемента, установленного на оси и выполненного в виде не менее двух непараллельных направляющих, одна из которых соединена соответственно с цилиндром или поршнем, при этом ползуны посредством шарниров связаны с соединительным элементом, установленным на оси, отличающаяся тем, что она снабжена основным валом и синхронизатором, связанным с одной стороны с основным валом или корпусом, а с другой стороны - по крайней мере с ползуном, или кулисным элементом, или с соединительным элементом, или с двумя из них, и по крайней мере один из упомянутых элементов или ползунов установлен шарнирно в синхронизаторе с возможностью вращения вокруг основного вала и обеспечения при этом дополнительного планетарного вращения любого одного элемента относительно основного вала и планетарного вращения второго элемента относительно оси первого элемента. 4. Машина по п.3, отличающаяся тем, что ось основного вала совмещена с осью кулисного элемента, или осью соединительного элемента, или осью шарнира одного из ползунов или с центром масс кулисного механизма, синхронизатор выполнен в виде по меньшей мере одного звена, а угловые скорости вращений двух вышеупомянутых элементов вокруг своих осей и одного из звеньев синхронизатора определяются из соотношения
K₁W₁ + K₂W₂ + W₃ = 0,
где W₁, W₂ - скорости вращения вышеупомянутых элементов вокруг своих осей;
W₃ - скорость вращения звена синхронизатора;
K₁, K₂ - постоянные коэффициенты связи, при этом любые два из трех вышеупомянутых частей механизма - двух элементов и звена синхронизатора - установлены с возможностью независимого вращения друг от друга. 5. Машина по п.3 или 4, отличающаяся тем, что синхронизатор имеет дополнительную кинематическую цепь, связанную с любыми двумя из следующих частей механизма - кулисным элементом, соединительным элементом, одним из звеньев синхронизатора, корпусом с возможностью уменьшения количества независимых степеней свободы кулисного механизма на единицу. 6. Машина по п.3 или 4, или 5, отличающаяся тем, что синхронизатор выполнен в виде планетарной зубчатой передачи. 7. Машина по п.3 или 4, или 5, или 6, отличающаяся тем, что синхронизатор, или ползуны, или кулисный элемент, или соединительный элемент установлены в корпусе с возможностью вращения или заторможены относительно корпуса. 8. Машина по п.3 или 4, или 5, или 6, или 7, отличающаяся тем, что любые два из следующих вращающихся частей механизма ползуны, кулисный элемент, соединительный элемент, звено синхронизатора кинематически связаны с двумя вращающимися элементами внешних устройств. 9. Машина по п.3 или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающаяся тем, что синхронизатор имеет механизм относительного кругового поступательного движения, связанный по крайней мере с кулисным элементом, или соединительным элементом, или одновременно с обоими этими элементами, или с корпусом.