ПОДШИПНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО К СИЛОВОМУ МЕХАНИЗМУ Российский патент 2003 года по МПК F16H25/14 F01B9/06 

Изобретение относится к подшипниковым устройствам для силового механизма, предназначенного для преобразования линейного возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Изобретение отличается оригинальной конструкцией подшипникового средства и предназначено для использования прежде всего в силовых механизмах для двигателей внутреннего сгорания, насосов и компрессоров, но не ограничивается этой областью применения.

Передача энергии от возвратно-поступательного движения вращательному движению обычно осуществляется с помощью какого-либо вида коленчатого вала или аналогичного устройства. В некоторых случаях, однако, коленчатые валы не вполне пригодны, в особенности когда во вращательное движение необходимо преобразовать возвратно-поступательные движения, совершаемые в различных, часто противоположных направлениях. Это особенно справедливо для такого типа силовых механизмов, где два поршня одновременно работают друг против друга в общем цилиндрическом канале или в цилиндрических каналах, расположенных на одной линии. В таких случаях применение коленчатых валов влечет за собой использование сложных механических конструкций, необходимых для сложения энергии двух или более попарно расположенных поршней и преобразования ее в общее вращательное движение. Вместо этого можно применять конструкции с кулачковым валом, где используется кулачковый диск. Одна из таких конструкций описана в авторском свидетельстве СССР 1800103, приоритет от 22.04.91, М. кл. F 04 В 27/02, F 01 В 9/06, F 16 Н 21/31.

Устройство по а.с. СССР 1800103 обеспечивает преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и предназначено для компрессоров с двумя камерами сгорания для двух поршней. Это устройство содержит подвижный диск, связанный с выходным валом и имеющий замкнутую криволинейную дорожку с внутренней и внешней кромками, и неподвижный диск, имеющий прямолинейные дорожки, находящийся в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом в замкнутой криволинейной дорожке подвижного диска установлены шарики с держателями, которые жестко соединены с соответствующими шатунами, концы которых снабжены поршнями, имеющими возможность возвратно-поступательного движения, в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, при этом держатели шариков установлены в прямолинейных дорожках с возможностью возвратно-поступательного движения в них.

Устройство работает следующим образом. При вращении диска, связанного с валом двигателя, рабочая грань замкнутой криволинейной дорожки подвижного диска производит давление на шарики в точках контакта, прижимая их к рабочей грани прямолинейной дорожки, а также перемещая шарики и связанные с ними поршни с шатунами в противоположных направлениях. При этом раскрывается зазор между шариками и неработающими гранями дорожек, что способствует качению шариков и передаче движения от вращательного к возвратно-поступательному и наоборот. Замкнутая криволинейная дорожка выполнена в виде овала Кассини. Данное устройство выбрано за прототип.

В известных конструкциях подшипник выполнен так, что подшипники располагаются по обе стороны плоскости, проходящей через центральную линию каждой пары поршней. Из этого следует, что такое устройство должно иметь сквозные валы или соосно расположенные пары валов по обе строны камеры сгорания или аналогичного элемента, общего для поршней.

Предметом настоящего изобретения является подшипниковое устройство к силовому механизму, который предназначен для передачи энергии от линейного возвратно-поступательного движения к вращательному движению. Изобретение и варианты его осуществления охарактеризованы в формуле изобретения.

Подшипниковое устройство к силовому механизму согласно заявляемому изобретению выполнено так, что вращающийся кулачковый диск заключен в неподвижный кожух, причем подшипниковое средство между неподвижной и вращающейся частями устройства расположено только с одной стороны от канала цилиндра. В предпочтительном варианте осуществления изобретения подшипниковое средство содержит два отдельных подшипника. Это могут быть шарикоподшипники с глубокой дорожкой или другие подшипники, не способные (или имеющие лишь ограниченную способность) воспринимать силы с осевым моментом, "консольные силы". В предпочтительном варианте изобретения выходной вал или соединительная деталь, которая соединяет выходной вал с вращающимся кулачковым диском, выполнены полыми; один подшипник установлен снаружи выходного вала, а другой подшипник установлен внутри выходного вала или соединительной детали. Предпочтительно линия, проходящая через центр подшипников, проходит через центр камеры сгорания или соответствующую точку в центре цилиндра.

В других вариантах подшипниковое средство и конструкция силового механизма выполнены так, что на выходной вал воздействуют силы, стремящиеся поворачивать его вокруг оси, тогда как другие силы, возникающие в устройстве, взаимно уничтожаются, так что вал не подвержен действию радиально направленных сил, которые можно описательно назвать "консольными силами". Это позволяет использовать подшипники такой конструкции, которая не может воспринимать консольные силы; например, можно использовать сравнительно простые шарикоподшипники с глубокой канавкой. Кроме того, поскольку изгибающие силы отсутствуют, можно применять сравнительно маленькие подшипники для больших механизмов. Силы, которые воспринимаются подшипниками - это только силы тяготения и другие силы, действующие извне. Таким образом, подшипники должны быть устроены так, чтобы центр камеры сгорания или соответствующая точка в иных машинах, нежели двигатели внутреннего сгорания, находился на линии, проходящей через центр подшипников.

Ниже изобретение описывается более подробно на примере варианта его осуществления, показанного на прилагаемых чертежах.

Фиг.1 - перспективный вид поперечного сечения устройства, соответствующего изобретению.

Фиг.1а - вид в плане на устройство, приведенное на фиг.1.

Фиг.2 - поперечное сечение другого варианта устройства, соответствующего изобретению.

Фиг.3 - поперечное сечение варианта, в котором два двигателя имеют общий вал.

Устройство, представленное на чертежах, содержит канал цилиндра 40 с двумя поршнями 42, которые работают в общей камере сгорания. Линейное возвратно-поступательное движение поршней 42 преобразуется во вращательное движение вращающегося кулачкового диска 101, в котором имеется дорожка 12. Близко к этому диску расположен неподвижный диск 102, имеющий две прямые дорожки 11, 24 для каждого передающего энергию узла. К каждому поршню 42 прикреплен шатун 45, на противоположном конце каждого шатуна 45 находится сепараторное средство 17 и 18 для шарика 54, который движется в дорожках и с помощью которого энергия возвратно-поступательного движения передается вращающемуся кулачковому диску 101. Сепараторы 17, 18 шариков специально сконструированы так, чтобы передача энергии происходила с минимальными потерями, а также чтобы исключить неравномерность нагрузки. Конструкция связана главным образом с той фазой работы механизма, когда поршни 42 при сгорании топлива синхронно отталкиваются друг от друга и при этом оказывают на шатуны 45 силовое воздействие, которое, с помощью сепараторных средств 17, 18 и самих шариков 34, передается во вращающийся кулачковый диск 101. В других фазах работы механизма силы, действующие в направлении шатунов, имеют меньшую величину. Дорожка 12, прямые дорожки 11, 24, шарики 34 и сепараторные средства 17, 18 в устройстве имеют такую конструкцию и размеры, что контакт между этими деталями происходит не только в одной точке, а по всей поверхности контакта, как это показано на фиг.2, т.е. когда полукруглая поверхность сепараторного средства 17, 18 охватывает полностью соответствующий шарик 34 сверху, а соответствующая поверхность дорожки 12 охватывает соответствующий шарик 34 снизу, как бы в зеркальном отражении. Форма дорожки 12 вращающегося кулачкового диска 101 может быть выполнена в виде овала, как это показано на фиг. 1а, или, например, в форме кривой Кассини, как это показано на фиг.2 в прототипе по а.с. СССР No. 1800103. С целью достижения максимального КПД, а также во избежание неравномерных нагрузок в дорожках, по которым движутся шарики, поверхности контакта должны повторять форму шариков и быть расположены в одной плоскости или в плоскостях, находящихся под прямым углом друг к другу, что связано с действующими и противодействующими силами. Это достигается благодаря специальной конструкции дорожек и сепараторных средств, которые адаптируются к конкретному случаю применения.

На фиг.1 показано подшипниковое устройство к силовому механизму, соответствующее изобретению. В этом варианте осуществления изобретения выходной вал 104, а также соединительная деталь 107, с помощью которой выходной вал 104 связан с вращающимся кулачковым диском, выполнены полыми. Для применения изобретения выходной вал 104 не обязательно должен быть полым, достаточно, чтобы полой была соединительная деталь 107, которая, например, может иметь форму чашки, как в вариантах, показанных на чертежах.

В варианте, представленном на фиг.1 и 2, имеются два подшипника 105 и 106. Как показано, подшипники 105 и 106 могут содержать множество шарикоподшипников 108, которые имеют возможность вращения, однако удерживаются между внутренней 109 и внешней 110 обоймами. Подшипник 105 расположен на внешней части выходного вала 104 между выходным валом 104 и внутренней стенкой цилиндрического выступа 48 кожуха 103, в котором заключен вращающийся кулачковый диск 101 и соединительная деталь 107. Подшипник 106 расположен во внутренней части полой соединительной детали 107 между соединительной деталью 107 и цилиндрическим выступом 52 неподвижной внутренней конструкции 49 устройства, образующей канал цилиндра 40. Отметим, что центральная линия 50 подшипников 105 и 106 совпадает с центральной точкой канала цилиндра 40 между поршнями 42. Это может быть камера сгорания в двигателе внутреннего сгорания.

В варианте изобретения, представленном на фиг.5, два двигателя 44 и 46 работают с общим валом 20, приводя механизм 30, расположенный между двигателями, например генератор электроэнергии. Двигатели и механизм встроены в единый блок с воздушным охлаждением; направление потоков воздуха на чертеже показано стрелками. В данном варианте воздух поступает из пространства вокруг цилиндра каждого двигателя и направляется через полый вал 20 и дальше внутрь кожуха, который окружает механизм, приводимый двигателями. Подшипник является общим для обоих двигателей и содержит два внутренних подшипника 26, 28, расположенных вблизи механизма 30, и два внешних подшипника 25, 27, расположенных вблизи двигателей 44 и 46. Кожух механизма 30 неподвижно прикреплен к кожухам 31, 32, которые частично окружают каждый из двигателей 44 и 46. Кожухи 31, 32 своими частями образуют часть кожуха 103 (см. фиг.1 и 2), который жестко прикреплен к неподвижным частям соответствующего двигателя 44, 46 или является их частью. Кожухи 31, 32 имеют соответствующие цилиндрические выступы 21, 22, которые жестко соединены с упомянутыми кожухами и примыкают своей нижней частью к подшипникам 25,27.

Кроме того, в данном варианте подшипник для двигателей связан только с выходным валом и расположен только с одной стороны канала цилиндра. Такой вариант осуществления изобретения позволяет получить очень компактный, занимающий мало места электрический генератор с приводом от двух двигателей внутреннего сгорания, который можно использовать в различных целях, например, в гибридных транспортных средствах.

Приведенное выше описание относится к вариантам изобретения, показанным на чертежах. В других вариантах вращающийся кулачковый диск и соединительная деталь могут быть выполнены, например, в виде одной детали, а подшипниковое средство может располагаться полностью между этой деталью и неподвижными частями. Дорожки в некоторых вариантах могут быть заменены приподнятыми кромками с контактными поверхностями для роликовых подшипников и подшипников скольжения по сторонам кромки. Далее, несколько двигателей могут быть расположены по-другому и приводить, например, вал гребного винта подвесного лодочного мотора. В этом случае целесообразно, чтобы выходной вал каждого двигателя заканчивался зубчатым колесом, включенным в общую червячную передачу.

Изобретение представляет собой подшипниковое устройство к силовому механизму, который предназначен для передачи энергии при преобразовании линейного возвратно-поступательного движения во вращательное или наоборот и имеет оригинальную конструкцию подшипникового средства. Подшипниковое средство установлено только с одной стороны от канала цилиндра и включает два отдельных друг от друга подшипника. При этом один подшипник установлен снаружи выходного вала, а второй подшипник установлен внутри выходного вала или соединительной детали, связывающей выходной вал с вращающимся кулачковым диском. Оба подшипника не способны или имеют очень малую способность воспринимать вращающие силы с осевым моментом. Причем на линии, проходящей через центр подшипникового средства, расположен центр общего канала цилиндра, а вращающийся кулачковый диск, который охвачен неподвижным диском, жестко соединен с кожухом. Изобретение позволяет упростить конструкцию самого силового механизма за счет исключения необходимости делать валы сквозными. 3 ил.

Подшипниковое устройство к силовому механизму, содержащему два поршня, установленных в общем канале цилиндра и имеющих возможность линейного возвратно-поступательного движения, работающих синхронно друг против друга, с прикрепленными шатунами, на противоположных концах которых находится шарик, помещенный в сепараторное средство, а также средство, передающее энергию от линейного возвратно-поступательного движения поршней к вращательному движению выходного вала, с вращающимся кулачковым диском, имеющим дорожку, и неподвижный диск, имеющий прямые дорожки, по которым движутся шарики, передающие возвратно-поступательное движение поршней к вращающемуся кулачковому диску, связанному с выходным валом, снабженное подшипниковым средством, отличающееся тем, что подшипниковое средство установлено только с одной стороны от канала цилиндра и включает два отдельных друг от друга подшипника, при этом один подшипник установлен снаружи выходного вала, а второй подшипник установлен внутри выполненных полыми (оба или один из них) выходного вала или соединительной детали, связывающей выходной вал и вращающийся кулачковый диск, который охвачен неподвижным диском, жестко соединенным с кожухом, причем оба подшипника не способны или имеют очень малую способность воспринимать вращающие силы с осевым моментом, кроме того, на линии, проходящей через центр подшипникового средства, расположен центр общего канала цилиндра.