ПОРШНЕВАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F01B3/02 F02B75/26 

Изобретение относится к энергомашиностроению, касается усовершенствования аксиально-поршневых машин и может быть использовано при изготовлении тепловых двигателей, компрессоров, насосов, гидромоторов.

Наиболее близким аналогом изобретения является поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном (RU 2064598 С1, МПК F 02 B 75/26, 1996).

Однако известная машина характеризуется относительно невысокими КПД и надежностью вследствие значительных механических и гидравлических потерь, сложной конструкции и ее неуравновешенности.

Задачей настоящего изобретения является снижение механических потерь за счет упрощения конструкции и уравновешивание сил инерции, возникающих при движении кронштейна с поршнями, что обеспечивает повышение КПД и надежности машины.

Поставленная задача в части первого варианта решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, согласно изобретению снабжена гибкой герметичной оболочкой, закрепленной на коромысле и корпусе и разделяющей полость последнего на полости большего и меньшего давления, кривошип установлен в полости меньшего давления, а коромысло с кронштейном - в полости большего давления, причем наклонный кронштейн установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что на продолжении второго плеча коромысла может быть установлен с возможностью вращения золотник, выполненный в виде кривошипа и имеющий распределительные окна, расположенные с возможностью их периодического сообщения с соответствующими окнами цилиндров при вращении золотника.

Поставленная задача в части второго варианта решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, согласно изобретению снабжена гасителем сил инерции и крейцкопфами, причем гаситель установлен с возможностью движения, описывающего его продольной осью, пересекающей оси кривошипа и его внутреннего отверстия, конусную поверхность с вершиной в точке пересечения продольной оси гасителя с осью кривошипа, а кронштейн посредством сферических шарниров и крейцкопфов кинематически связан с поршнями блока цилиндров и установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа.

Поставленная задача решается также тем, что гаситель сил инерции может быть установлен в корпусе на двух сферических подшипниках, центр сферы одного из которых совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси кривошипа, центр сферы другого подшипника совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси внутреннего отверстия кривошипа, а сам подшипник размещен в торце кронштейна или коромысла.

Поставленная задача решается также тем, что в каждом крейцкопфе могут быть выполнены направляющие в виде шлицов, расположенные на боковой поверхности крейцкопфа вдоль осей поршней и сопряженные с ответными поверхностями, выполненными в блоке цилиндров.

Поставленная задача решается также тем, что кронштейн может быть выполнен в виде шайбы с радиальными выступами, посредством которых шайба связана со сферическими шарнирами крейцкопфов.

Поставленная задача решается также тем, что машина может быть снабжена дополнительным блоком цилиндров, а гаситель сил инерции выполнен в виде кронштейна, кинематически связанного с поршнями дополнительного блока цилиндров.

Поставленная задача решается также тем, что центры сферических шарниров крейцкопфов могут быть расположены в плоскости, перпендикулярной оси коромысла и проходящей через точку пересечения этой оси с осью кривошипа.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображена описываемая поршневая машина.

На фиг.2 изображена цилиндропоршневая пара в разрезе.

На фиг.3 изображен разрез А-А на фиг.2.

На фиг.4 изображен вариант разреза А-А на фиг.2.

На фиг.5 изображен вид с торца на блок цилиндров.

На фиг.6 изображен кронштейн в плане.

На фиг.7 изображен продольный разрез кронштейна.

На фиг. 8 и 9 изображены варианты выполнения поршневой машины в виде двигателей внутреннего сгорания.

На фиг.10 изображена схематично центральная часть поршневой машины.

На фиг.11 и 12 изображены варианты выполнения поршневой машины с герметичным картером.

На фиг. 13 изображен вариант выполнения поршневой машины с герметичным картером и одним цилиндром.

На фиг.14 изображена поршневая машина в виде гидромотора.

На фиг.15 и 16 изображены варианты выполнения машины.

Поршневая машина содержит установленный в корпусе 1 на подшипнике 2 кривошип 3, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием 4, ось 5 которого пересекает ось 6 кривошипа 3 под углом α в точке O₁. К одному плечу коромысла 7 прикреплен наклонный кронштейн 8, кинематически связанный посредством сферических шарниров (вкладышей) 9 с крейцкопфами 10 поршней 11 и 12. Коромысло 7 установлено на подшипнике 13 во внутреннем отверстии 4 кривошипа 3. Между дном 14 отверстия 4 кривошипа 3 и торцом коромысла 7 установлен упорный подшипник 15. Второй упорный подшипник 16 установлен между торцом кривошипа 3 и крышкой 17, прикрепленной к корпусу 1. Выходной вал 18 скреплен с кривошипом 3 винтами 19 и штифтами 20. Внутри ступицы 21 кронштейна 8 выполнена сферическая поверхность 22, которая сопряжена со сферой 23 опоры 24, вставленной в отверстие 25 гасителя 26. Ось 27 гасителя 26 пересекает ось 5 внутреннего отверстия 4 и ось 6 кривошипа 3 соответственно в точках О₃ и O₂. Гаситель 26 установлен в сферическом подшипнике 28, прикрепленном к крышке 29 блока цилиндров 30. Для этого он имеет торцевую сферу 31. Корпус 1 скреплен шпильками 32 с крышкой 29.

На фиг.1 показана поршневая машина, выполненная в варианте двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Она содержит блок 33 цилиндров двигателя, картер 34 и блок 30 цилиндров компрессора. Крейцкопф 10 состоит из двух половин, скрепленных шпильками 35. К каждой половине прикреплены поршни: 11 - поршень компрессора и 12 - поршень двигателя. Блок 33 содержит выпускную кольцевую полость 36 (общую для всех цилиндров) и в каждом цилиндре продувочную полость 37, связанную каналом (не показан) с нагнетательной полостью 38. Каждый цилиндр двигателя имеет выпускные окна 39 и продувочные окна 40, которые по высоте меньше выпускных окон. В крышке 29 выполнено отверстие 41 для подачи масла под давлением к сферическим подшипникам. Компрессор снабжен впускным клапаном 42 и нагнетательным клапаном 43 (показаны схематично). Кронштейн 8 получают горячей штамповкой из легированной стали с последующей термообработкой. Блок цилиндров 33 с торца закрыт крышкой 44. Каждый цилиндр двигателя снабжен свечой зажигания 45.

Цилиндропоршневая группа поршневой машины, выполненной в варианте компрессора (фиг. 2), содержит два поршня 46, установленных в цилиндрах 47 и связанных с крейцкопфом 48 посредством шариков 49, которые размещены в канавках 50 поршней 46 и канавках 51 крейцкопфа 48. Выступы крейцкопфа 48 в поршнях 46 и шарики 49 в канавках 51 расположены с зазорами "а" и "б". Шарики 49 засыпают через резьбовые отверстия в штоке каждого поршня, закрываемые заглушками (винтами) 52. Каждый крейцкопф 48 выполнен составным. Две половины 53 крейцкопфа скреплены шпильками 54. Внутренняя поверхность крейцкопфа 48 выполнена сферической и сопряжена со сферическими поверхностями двух вкладышей 55, которые плоскими своими поверхностями контактируют с выступом 56 кронштейна 57. Направляющие 58 и 59 крейцкопфа имеют поверхности 60 и 61, по которым направляются шлицы 62 и 63, выполненные на боковых поверхностях крейцкопфа. Кронштейн 57 составлен из трех частей, склепанных заклепками 64. На фиг.4 показан крейцкопф 65, у которого шлицы 66 смещены относительно оси 67 и соответственно изменены направляющие 68 и 69. Блок цилиндров 30 компрессора двигателя может иметь вставные гильзы 70, водяную рубашку 71 и отверстия 72 для крепежных шпилек. Кронштейн 57 (фиг.6 и 7) связан с двенадцатью поршнями 73 (показаны условно). Плоскость Б симметрии кронштейна 57 (8) пересекается с осью цилиндров 47 (30, 33) в точке О₄.

На фиг. 8 и 9 показаны варианты поршневой машины, выполненной в виде дизельных двигателей с оппозитными поршнями. Внутренняя (картерная) полость 74 (фиг. 9) изолирована от атмосферы с помощью толстой гибкой герметичной оболочки 75, например, в виде мембраны. Гаситель сил инерции 76 выполнен в виде кронштейна 77 и связан с дополнительными поршнями, а опорами для гасителя 76 и кронштейна 77 служат кривошипы 78. По каналам 79 продуваются воздухом (показано стрелками) рабочие цилиндры 80. На фиг.10 показаны основные детали привода поршней и отбора мощности. Кривошип 3 имеет возможность вращения вместе с валом 18. Кронштейн 8 и гаситель сил инерции 26 при вращении вала 18 совершают колебательные движения в противоположных фазах. Компрессор с герметичным картером (фиг.11) содержит корпус 81, в котором на подшипнике 82 установлен кривошип 83, скрепленный с валом 84. Во внутреннем отверстии 85 кривошипа 83 на подшипнике 86 установлено коромысло 87, ко второму плечу которого, размещенному в картере 88, прикреплен винтами 89 кронштейн 90. Между корпусом 81 и прижимом 91 зажата шпильками 92 гибкая герметичная оболочка 93, выполненная из специальной резины, армированной прочными нитями (кордом). На коромысло 87 гибкая герметичная оболочка 93 надета с натягом и зажата между двумя эластичными шайбами 94. В полость с атмосферным давлением помещены стальные шарики 95 диаметром 1,5...2,5 мм. Если давление газа в картере 88 очень высокое, то может быть предусмотрено прокачивание масла через шарики 95 под давлением, но только при работающем компрессоре. Между шариками 95 и гибкой оболочкой 93 установлены секторы 96. Вместо шариков в полости 97 может быть установлена эластичная шайба 98. С кронштейном 99 связаны компрессорные поршни 100 и поршни 101 двигателя. С кронштейном 102 связана сфера 103 штока 104. Корпус 105 закрыт крышкой 106. В полости 107 может быть очень высокое давление газа или жидкости (фиг.12 и 13).

На фиг.14 изображен гидравлический мотор-насос. К корпусу 108 прикреплен блок цилиндров 109 с поршнями 110. На коромысле 111 закреплен наклонный кронштейн 112, имеющий фланец 113, кинематически связанный со сферическими концами 114 поршней 110. Наклонный кронштейн 112 крепится посредством втулки 115 и винта 116 на втором плече 117 коромысла 111. Поршни 110 размещены равномерно по кругу вокруг оси 6 кривошипа 83 и прижаты к фланцу 113 пружинами 118. Полость каждого цилиндра соединена окном 119 со сверлением 120, которое закрыто резьбовой заглушкой 121. Два распределительных окна 122 размещены на золотнике 123, который выполнен в виде кривошипа 83. Во внутреннее отверстие 124 золотника 123 запрессован подшипник 125, охватывающий втулку 115. Распределительное окно 122 золотника сообщается с отверстием 126 и отверстием 127 крышки 128. Канавка 129 в золотнике сообщается со вторым распределительным окном золотника и с отверстием 130 крышки 128. Между двумя распределительными окнами 122 золотника 123 выполнены разделительные перемычки 131. Крышка 128 прикреплена к блоку 109 болтами 132.

Поршневая машина работает следующим образом.

При вращении кривошипа 83 вместе с валом 84 (фиг.11) продольная ось 5 кронштейна 90 совершает движение по конусной поверхности с вершиной в точке О₁, при этом поршни 133 совершают возвратно-поступательное движение. Гибкая герметичная оболочка 93 подвергается кососимметричной, циклической по окружности, деформации под действием коромысла 87, ось которого совмещена с продольной осью 5 кронштейна 90. Шарики 95 совершают очень малое перемещение относительно друг друга.

Поскольку гаситель 26 совершает такое же движение, что и кронштейн 8, но в противоположной фазе (фиг.10), то силы инерции, возникающие от движения кронштейна 8 и поршней, связанных с ним, гасятся противоположными силами инерции, возникающими от движения массы гасителя.

Поршневая машина (фиг.1), выполненная в варианте ДВС, имеет пятикратное превосходство перед традиционными ДВС по рабочему объему цилиндров. В варианте компрессора это превосходство доходит до восьмикратной величины.

Настоящее изобретение обеспечивает повышение надежности и КПД машины за счет снижения механических и гидравлических потерь, упрощения конструкции и обеспечения ее уравновешенности.

Машина предназначена для использования в энергомашиностроении в качестве двигателей, насосов и компрессоров с механизмами преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот. Машина содержит корпус, в котором на подшипниках установлен кривошип, а в нем - коромысло с наклонным кронштейном, гибкая герметичная оболочка делит полость корпуса на полости большего и меньшего давления, в первой из которых размещено коромысло с наклонным кронштейном, а во второй - кривошип. Машина содержит гаситель сил инерции, кинематически связанный с наклонным кронштейном. При вращении вала ось кронштейна описывает конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей кривошипа и коромысла. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение надежности и КПД машины. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 16 ил.

1. Поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, отличающаяся тем, что она снабжена гибкой герметичной оболочкой, закрепленной на коромысле и корпусе и разделяющей полость последнего на полости большего и меньшего давления, кривошип установлен в полости меньшего давления, а коромысло с кронштейном - в полости большего давления, причем наклонный кронштейн установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на продолжении второго плеча коромысла установлен с возможностью вращения золотник, выполненный в виде кривошипа и имеющий распределительные окна, расположенные с возможностью их периодического сообщения с соответствующими окнами цилиндров при вращении золотника. 3. Поршневая машина, содержащая корпус, установленные в нем на подшипниках выходной вал и кривошип, выполненный в виде стакана с наклонным внутренним отверстием, ось которого пересекает ось кривошипа, коромысло, одно плечо которого установлено на подшипнике в отверстии кривошипа, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно валу вокруг кривошипа, прикрепленный ко второму плечу коромысла наклонный кронштейн, ось которого совмещена с осью коромысла, и поршни, расположенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонным кронштейном, отличающаяся тем, что она снабжена гасителем сил инерции и крейцкопфами, причем гаситель установлен с возможностью движения, описывающего его продольной осью, пересекающей оси кривошипа и его внутреннего отверстия, конусную поверхность с вершиной в точке пересечения продольной оси гасителя с осью кривошипа, а кронштейн посредством сферических шарниров и крейцкопфов кинематически связан с поршнями блока цилиндров и установлен с возможностью движения, описывающего его осью конусную поверхность с вершиной в точке пересечения осей коромысла и кривошипа. 4. Машина по п.3, отличающаяся тем, что гаситель сил инерции установлен в корпусе на двух сферических подшипниках, центр сферы одного из которых совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси кривошипа, центр сферы другого подшипника совмещен с точкой пересечения продольной оси гасителя и оси внутреннего отверстия кривошипа, а сам подшипник размещен в торце кронштейна или коромысла. 5. Машина по п.3, отличающаяся тем, что в каждом крейцкопфе выполнены направляющие в виде шлицов, расположенные на боковой поверхности крейцкопфа вдоль осей поршней и сопряженные с ответными поверхностями, выполненными в блоке цилиндров. 6. Машина по п.3, отличающаяся тем, что кронштейн выполнен в виде шайбы с радиальными выступами, посредством которых шайба связана со сферическими шарнирами крейцкопфов. 7. Машина по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным блоком цилиндров, а гаситель сил инерции выполнен в виде кронштейна, кинематически связанного с поршнями дополнительного блока цилиндров. 8. Машина по любому из п.3, или 4, или 5, отличающаяся тем, что центры сферических шарниров крейцкопфов расположены в плоскости, перпендикулярной оси коромысла и проходящей через точку пересечения этой оси с осью кривошипа.