ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2003 года по МПК F01B9/00 

Изобретение относится к бесшатунным поршневым машинам и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры с установленными в них поршнями, штоки, соединенные с поршнями и ползунами, и две пары взаимно перпендикулярных прямолинейных направляющих для перемещения ползунов (ж. "Изобретатель и рационализатор", 1981, 8, стр. 6-7). В корпусе установлена втулка, закрепленная в подшипниках с возможностью вращения. Во втулке образовано отверстие, расположенное параллельно ее оси вращения. В отверстии установлен эксцентриковый вал с возможностью вращения. На противоположных концах эксцентрикового вала образованы штоковые шейки, шарнирно соединенные с ползунами. Эксцентриситет отверстия относительно оси вращения втулки равен эксцентриситету штоковой шейки относительно оси вращения эксцентрикового вала и равен четверти хода поршня.

При работе двигателя ползуны перемещаются во взаимно перпендикулярных парах направляющих и приводят во вращение эксцентриковый вал и втулку. При этом эксцентриковый вал, вращаясь вместе с втулкой, совершает планетарное движение. Мощность двигателя снимается с втулки. Двигатель может иметь один, два или четыре цилиндра. Цилиндры располагаются оппозитно и крестообразно.

Недостатками двигателя внутреннего сгорания являются малая вариантность взаимного расположения цилиндров, большая удельная масса на единицу мощности и большие габариты, что сужает область применения двигателя.

Наиболее близкой к предлагаемой поршневой машине по совокупности признаков является принятая за прототип известная бесшатунная машина, содержащая корпус, эксцентриковый вал (кривошипный вал) со штоковыми шейками (плечами кривошипов), цилиндры, поршни, штоки, соединенные со штоковыми шейками и эксцентриковую втулку (ж. "Изобретатель и рационализатор", 1991, 6, стр. 16-17).

Штоковые шейки размещены на концах эксцентрикового вала. Цилиндры располагаются оппозитно и крестообразно. Эксцентриковая втулка установлена в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси и служит выходным валом для отбора мощности в случае использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания. В эксцентриковой втулке образовано отверстие, расположенное параллельно оси ее вращения. В отверстии установлен эксцентриковый вал с возможностью вращения вокруг своей оси. На эксцентриковом валу жестко закреплена малая шестерня, сцепленная с охватывающей ее неподвижной шестерней, прикрепленной к корпусу. Эксцентриситет штоковых шеек относительно оси вращения эксцентрикового вала равен эксцентриситету отверстия в эксцентриковой втулке относительно оси ее вращения и составляет четвертую часть хода поршня. При работе поршневой машины малая шестерня катится внутри неподвижной шестерни. Эксцентриковый вал совершает планетарное движение, а штоковые шейки перемещаются при этом прямолинейно по направлению осей цилиндров и перемещают прямолинейно штоки с поршнями.

Поршневая машина-прототип не содержит направляющих, прикрепленных к корпусу, и ползунов, в связи с чем проще конструктивно и проще в изготовлении в сравнении с вышеописанным двигателем внутреннего сгорания.

Недостатками поршневой машины-прототипа являются узкая вариантность взаимного расположения цилиндров и невозможность съема мощности непосредственно с эксцентрикового вала или подвода мощности непосредственно к эксцентриковому валу, что сужает область применения поршневой машины.

Задача изобретения состоит в том, чтобы расширить вариантность взаимного расположения цилиндров и обеспечить возможность съема мощности непосредственно с эксцентрикового вала или подвода мощности непосредственно к эксцентриковому валу.

Поставленная задача решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, эксцентриковый вал со штоковой шейкой, цилиндр, поршень, шток, соединенный со штоковой шейкой, и эксцентриковую втулку, дополнительно содержит планетарную и солнечную шестерни, причем планетарная шестерня закреплена на эксцентриковой втулке, солнечная шестерня прикреплена к корпусу подвижно, эксцентриковая втулка установлена между штоком и штоковой шейкой эксцентрикового вала, кинематически соединена с эксцентриковым валом через планетарную и солнечную шестерни с возможностью вращения в направлении, противоположном вращению эксцентрикового вала с частотой в два раза выше частоты вращения эксцентрикового вала.

Солнечная шестерня может быть установлена с возможностью вращения, причем ось ее вращения совпадает с осью вращения эксцентрикового вала.

Поршневая машина может содержать водило, закрепленное на эксцентриковом валу, причем на солнечной шестерне образована беговая дорожка, свободно охватывающая водило и контактирующая с ним.

Кроме того, солнечная шестерня может быть снабжена поводком с образованным в нем радиально направленным пазом и прикреплена к корпусу посредством пальца, установленного в пазу.

Кроме того, солнечная шестерня может быть снабжена направляющими отверстиями, расположенными вокруг ее оси, и прикреплена к корпусу посредством пальцев, свободно установленных в направляющих отверстиях.

Кроме того, поршневая машина может быть снабжена рамой, горизонтальными и вертикальными направляющими, причем солнечная шестерня выполнена в виде ползуна, установленного в горизонтальныx направляющих, горизонтальные направляющие закреплены на раме, рама установлена в вертикальных направляющих, а вертикальные направляющие закреплены на корпусе.

Кроме того, поршневая машина может содержать неподвижный венец внутреннего зацепления, охватывающий солнечную шестерню, причем солнечная шестерня сцеплена с неподвижным венцом с возможностью его обкатывания.

Планетарная шестерня, закрепленная на эксцентриковой втулке, солнечная шестерня, прикрепленная к корпусу подвижно, и эксцентриковая втулка, установленная между штоком и штоковой шейкой эксцентрикового вала, обеспечивают не только оппозитное и крестообразное расположение цилиндров, но и рядное вдоль оси эксцентрикового вала, а также V-образное, веерообразное и звездообразное расположение, что расширяет область применения поршневой машины. При этом одновременно достигается возможность съема мощности непосредственно с эксцентрикового вала или подвода мощности непосредственно к эксцентриковому валу, что упрощает соединение поршневой машины с потребителем или источником энергии. Число цилиндров при их рядном или ином расположении может быть любым в зависимости от потребности. При этом достигаются малые габаритные размеры поршневой машины.

Кинематическая связь эксцентриковой втулки с эксцентриковым валом через планетарную и солнечную шестерни обеспечивают возможность вращения эксцентриковой втулки с частотой в два раза выше частоты вращения эксцентрикового вала и в противоположном направлении. В результате шток может перемещаться прямолинейно по оси цилиндра без перекоса поршня и его давления на стенки цилиндра.

Кинематическая передача вращения от эксцентрикового вала к эксцентриковой втулке может быть осуществлена через солнечную шестерню, закрепленную на оси эксцентрикового вала с возможностью вращения или через водило, контактирующее с беговой дорожкой солнечной шестерни. В последнем случае солнечная шестерня может быть выполнена с поводком или с направляющими отверстиями и прикреплена к корпусу посредством пальцев. Солнечная шестерня может быть выполнена и в виде ползуна, установленного в горизонтальных направляющих подвижной рамы, или сцеплена с неподвижным венцом, охватывающим солнечную шестерню. Необходимый вариант конструктивного исполнения может быть выбран с учетом назначения поршневой машины.

Примеры осуществления поршневой машины представлены на чертежах:
на фиг.1 изображена четырехцилиндровая поршневая машина с рядным расположением цилиндров и приводом вращения эксцентриковой втулки в первом примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг. 2 - двухцилиндровая поршневая машина с рядным расположением цилиндров и приводом вращения эксцентриковой втулки во втором примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг. 3 - трехцилиндровая поршневая машина с крестообразным расположением цилиндров, оси которых расположены в радиальной плоскости, и приводом вращения эксцентриковой втулки во втором примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг.4 - сечение А-А;
на фиг.5 - сечение Б-Б;
на фиг. 6 - трехцилиндровая поршневая машина с крестообразным расположением цилиндров, оси которых расположены в радиальной плоскости, и приводом вращения эксцентриковой втулки к третьем примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг.7 - сечение B-В;
на фиг. 8 - одноцилиндровая машина с приводом вращения эксцентриковой втулки в четвертом примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг.9 - сечение Г-Г;
на фиг.10 - сечение Д-Д;
на фиг. 11 - трехцилиндровая поршневая машина с веерным расположением цилиндров и приводом вращения эксцентриковой втулки в пятом примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг.12 - сечение Е-Е;
на фиг.13 - сечение Ж-Ж;
на фиг. 14 - трехцилиндровая поршневая машина с веерным расположением цилиндров и приводом вращения эксцентриковой втулки в шестом примере конструктивного исполнения, продольный разрез;
на фиг.15 - сечение З-З.

Поршневая машина содержит: корпус 1, эксцентриковый вал 2 со штоковой шейкой 3, цилиндр 4, поршень 5, шток 6, соединенный со штоковой шейкой 3, эксцентриковую втулку 7, планетарную шестерню 8 и солнечную шестерню 9. Планетарная шестерня 8 закреплена на эксцентриковой втулке 7. Солнечная шестерня 9 прикреплена к корпусу 1 подвижно, эксцентриковая втулка установлена между штоком 6 и штоковой шейкой 3 эксцентрикового вала 2 и кинематически соединена с эксцентриковым валом через планетарную 8 и солнечную 9 шестерни. Солнечная шестерня 9 в первом примере поршневой машины установлена на эксцентриковом валу 2 с возможностью вращения вокруг его оси и кинематически соединена с эксцентриковым валом 2 через внешний венец 10, шестерни 11, 12 и охватывающий венец 13, образованный на маховике 14, закрепленном на эксцентриковом валу 2. Поршневая машина во втором, третьем, четвертом и пятом примерах содержит водило 15, закрепленное на эксцентриковом валу 2, и беговую дорожку 16, образованную на солнечной шестерне 9. Солнечная шестерня 9 во втором примере поршневой машины снабжена поводком 17 с образованным в нем радиально направленным пазом 18 и прикреплена к корпусу 1 посредством пальца 19, установленного в пазу 18. Солнечная шестерня 9 в третьем примере поршневой машины снабжена направляющими отверстиями 20 и прикреплена к корпусу 1 посредством пальцев 21, свободно установленных в направляющих отверстиях 20. Солнечная шестерня 9 в четвертом примере поршневой машины выполнена в виде ползуна 22, установленного в горизонтальных направляющих 23, закрепленных па раме 24. Рама 24 установлена в вертикальных направляющих 25, закрепленных на корпусе 1. Поршневая машина в пятом примере содержит неподвижный венец 26 внутреннего зацепления, охватывающий солнечную шестерню 9 и сцепленный с ней. Солнечная шестерня 9 в шестом примере поршневой машины кинематически соединена с эксцентриковым валом 2 через внешний венец 27, шестерни 28 и 29 и венец 30, образованный на маховике 31, закрепленном на эксцентриковом валу 2.

Работает поршневая машина в качестве двигателя внутреннего сгорания следующим образом.

При перемещении поршня 5 шток 6 приводит во вращение эксцентриковый вал 2, от которого вращается эксцентриковая втулка 7 во встречном направлении с частотой в два раза выше частоты вращения эксцентрикового вала 2. При этом шток 6 перемещается по оси цилиндра 4, а поршень 5 перемещается в цилиндре 4 без перекосов и бокового давления на его стенки. В первом примере поршневой машины (фиг.1) принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 передается от эксцентрикового вала 2 через маховик 14, охватывающий венец 13, шестерни 12 и 14, солнечную шестерню 9 с внешним венцом 10 и планетарную шестерню 8. Во втором примере, изображенном на фиг.2-5, принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 передается от эксцентрикового вала 2 через водило 15, беговую дорожку 16, солнечную шестерню 9 и планетарную шестерню 8.

При этом солнечная шестерня 9 удерживается от вращения вокруг оси эксцентрикового вала 2 за поводок 17 и совершает маятниковые возвратно-поступательные движения относительно пальца 19, перемещающегося в радиально направленном пазу 18. В третьем примере поршневой машины (фиг.6, 7) принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 также передастся от эксцентрикового вала 2 через водило 15, беговую дорожку 16, солнечную шестерню 9 и планетарную шестерню 8. При этом солнечная шестерня 9 удерживается от вращения вокруг оси эксцентрикового вала 2 пальцами 21, свободно установленными в направляющих отверстиях 20.

В четвертом примере поршневой машины (фиг.8-10) принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 передается от эксцентрикового вала 2 через водило 15, ползун 22, перемещающийся в горизонтальных направляющих 23, раму 24, перемещающуюся в вертикальных направляющих 25, солнечную шестерню 9 и планетарную шестерню 8. При этом солнечная шестерня 9 удерживается от вращения вокруг оси эксцентрикового вала 2 горизонтальными 23 и вертикальными 25 направляющими. В пятом примере поршневой машины (фиг.11-13) принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 передается от эксцентрикового вала 2 через водило 15, солнечную шестерню 9, которая своим внешним венцом прокатывается по неподвижному венцу 26, далее через планетарную шестерню 8, сцепленную с солнечной шестерней 9. В шестом примере поршневой машины (фиг.14, 15) принудительное вращение эксцентриковой втулке 7 передается от эксцентрикового вала 2 через маховик 31, венец 30, шестерни 29 и 28, внешний венец 27, солнечную шестерню 9 и планетарную шестерню 8.

Поршневая машина предназначена для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах. Содержит корпус, эксцентриковый вал со штоковой шейкой, цилиндр, поршень, шток, соединенный со штоковой шейкой, эксцентриковую втулку, планетарную и солнечную шестерни. Планетарная шестерня закреплена на эксцентриковой втулке. Солнечная шестерня прикреплена к корпусу подвижно. Эксцентриковая втулка установлена между штоком и штоковой шейкой эксцентрикового вала, кинематически соединена с эксцентриковым валом через планетарную и солнечную шестерни с возможностью вращения в направлении, противоположном вращению эксцентрикового вала с частотой в два раза выше частоты вращения эксцентрикового вала. Позволяет расширить вариантность взаимного расположения цилиндров и обеспечивает возможность съема мощности непосредственно с эксцентрикового вала или подвода мощности непосредственно к эксцентриковому валу. 6 з.п.ф-лы, 15 ил.

1. Поршневая машина, содержащая корпус, эксцентриковый вал со штоковой шейкой, цилиндр, поршень, шток, соединенный со штоковой шейкой, и эксцентриковую втулку, отличающаяся тем, что дополнительно содержит планетарную и солнечную шестерни, причем планетарная шестерня закреплена на эксцентриковой втулке, солнечная шестерня прикреплена к корпусу подвижно, эксцентриковая втулка установлена между штоком и штоковой шейкой эксцентрикового вала, кинематически соединена с эксцентриковым валом через планетарную и солнечную шестерни с возможностью вращения в направлении, противоположном вращению эксцентрикового вала, с частотой в два раза выше частоты вращения эксцентрикового вала. 2. Поршневая машина по п. 1, отличающаяся тем, что солнечная шестерня установлена с возможностью вращения, причем ось ее вращения совпадает с осью вращения эксцентрикового вала. 3. Поршневая машина по п. 1, отличающаяся тем, что содержит водило, закрепленное на эксцентриковом валу, причем на солнечной шестерне образована беговая дорожка, свободно охватывающая водило и контактирующая с ним. 4. Поршневая машина по п. 3, отличающаяся тем, что солнечная шестерня снабжена поводком с образованным в нем радиально направленным пазом и прикреплена к корпусу посредством пальца, установленного в пазу. 5. Поршневая машина по п. 3, отличающаяся тем, что солнечная шестерня снабжена направляющими отверстиями, расположенными вокруг ее оси, и прикреплена к корпусу посредством пальцев, свободно установленных в направляющих отверстиях. 6. Поршневая машина по п. 3, отличающаяся тем, что снабжена рамой, горизонтальными и вертикальными направляющими, причем солнечная шестерня выполнена в виде ползуна, установленного в горизонтальных направляющих, горизонтальные направляющие закреплены на раме, рама установлена в вертикальных направляющих, а вертикальные направляющие закреплены на корпусе. 7. Поршневая машина по п. 3, отличающаяся тем, что содержит неподвижный венец внутреннего зацепления, охватывающий солнечную шестерню, причем солнечная шестерня сцеплена с неподвижным венцом с возможностью его обкатывания.