ОБЪЁМНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F01C9/00 

Изобретение относится к машиностроению и касается усовершенствования объемных машин.

Известно большое количество объемных машин для передачи энергии между сплошной средой и валом, применяемых в качестве компрессоров, двигателей внутреннего сгорания (ДВС), насосов.

Наиболее распространенные из них - поршневые компрессоры (М.И.Френкель “Поршневые компрессоры”. - Л.: Машиностроение, 1969 г., стр. 106) и ДВС. Поршневые ДВС в отличие от компрессоров имеют не самодействующие, а управляемые клапана с системой их привода (распредвал).

К недостаткам поршневых машин относятся: отсутствие компактности и инерционная неуравновешенность как из-за кривошипно-шатунного механизма, так и из-за пикового характера поршневых сил, т.к. при резком изменении давлений площадь поршня остается постоянной. Отсюда потребность в маховике. Велико трение скольжения и износ в уплотнительных элементах (поршневых кольцах). Все это снижает надежность и долговечность конструкций. Клапана и их привод также являются элементом ненадежности.

Более компактные и уравновешенные конструкции - это роторные (ротационные) объемные машины различных типов, например винтовые (И.А.Сакун “Винтовые компрессоры”. Л.: Машиностроение, 1970 г., стр.8), или “трохоидные” - двигатели Ванкеля (В.С. Бениович и др. “Роторно-поршневые двигатели. - М.: Машиностроение, 1968 г., стр. 8), компрессоры (Р.М.Сухомлинов “Трохоидные роторные компрессоры”, Харьков: “Вища школа”, 1975 г., стр. 20, 34, 36, 37). Но и в этих машинах имеют место либо значительное трение скольжения уплотнительных элементов (трохоидные машины), либо, если уплотнение бесконтактное (малые зазоры), зазоры трудно выдержать малыми из-за сложной формы поверхностей (винтовые компрессоры). Это ограничивает рабочие отношения давлений, снижает КПД, усложняет технологию. Компактность этих машин, характеризуемая отношением вытесняемого за цикл объема к объему рабочей камеры без вытеснителя (поршня, ротора), всегда намного меньше единицы, что снижает компактность.

Известны объемные машины с качающимися вытеснителями (US 1558106 A2, 30.11.1991 и RU 2052159 C1, 10.01.1996), в цилиндрическую рабочую камеру которых помещены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, связанных между собой шарнирно. Полуцилиндры-вытеснители имеют наружный диаметр, равный половине диаметра расточки цилиндра, по которому они перекатываются (качаются) без скольжения. Конструкция геометрически основана на теореме Коперника (частный случай гипоциклоиды) (Г.Н.Берман “Циклоида”. М.: Наука, 1980 г., стр.61, рис.65).

Патент RU 2052159 C1 - наиболее близкий аналог предлагаемого устройства. Преимуществами такой конструкции перед известными являются динамическая уравновешенность, как инерционная, так и за счет уменьшения при сжатии площади воздействия давления, высокая технологичность, т.к. основные рабочие органы - цилиндры, очень высокая компактность - за цикл может вытесняться более одного объема рабочей камеры.

В случае ДВС, например, можно осуществить четырехтактный цикл в одном цилиндре, используя центральный объем для перекачки охлаждающей среды или смазки, или в качестве газовой пружины, воспринимающей инерционные силы.

Недостатками таких конструкций являются: необходимость в кривошипно-шатунном механизме, что снижает компактность и динамическую уравновешенность, а также необходимость в механизме, предотвращающем поворот системы вытеснителей по отношению к корпусу (ползунном или зубчатом). Вытеснители и соединяющие их шарниры нагружены силами, соизмеримыми с поршневыми, что снижает надежность и долговечность. Основное усилие передается через ползун с большим трением и износом, требуется обильная жидкая смазка, что снижает надежность и долговечность. Механизм привода через ползун вносит неравномерность по времени периодов сжатия в двух, расположенных под углом 90⁰ парах сжимаемых объемов, что ухудшает динамическую уравновешенность.

Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются достижение компактности, динамической уравновешенности, надежности, долговечности по сравнению с наиболее близким аналогом (RU 2052159 C1).

Объемная машина заявляется в двух вариантах, объединенных назначением и общим конструктивным замыслом.

В первом варианте задача решена в объемной машине, содержащей неподвижный корпус с торцевыми крышками и цилиндрической расточкой, в которой установлены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, соединенных между собой шарнирно, и расположенные диаметрально звенья-водила, установленные с возможностью поворота относительно центральной оси расточки корпуса, а также клапаны, согласно изобретению в каждом полуцилиндре-вытеснителе выполнена концентрическая расточка, в которую помещается ролик, причем оси каждой из двух пар противоположных роликов закреплены на концах звена-водила, установленного на валу, соосном с цилиндрической расточкой корпуса, а эти валы связаны между собой кинематически, например, шестеренной передачей с передаточным отношением, равным единице.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в повышении динамической уравновешенности, снижении нагрузки на шарниры, уменьшении трения и износа механизма привода и потребности в обильной жидкой смазке.

Кроме того, в объемной машине, по крайней мере, на одном из двух валов может быть установлен распределительный диск, находящийся в контакте с клапанами. Этим достигается простота конструкции распределительного механизма.

Во втором варианте задача решена в объемной машине, содержащей неподвижный корпус, цилиндр и торцевые крышки, причем во внутренней расточке цилиндра установлены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, соединенных между собой шарнирно, и расположенные диаметрально звенья-водила, одно из которых установлено с возможностью поворота относительно центральной оси расточки цилиндра, согласно изобретению в каждом полуцилиндре-вытеснителе выполнена концентрическая расточка, в которую помещается ролик, причем оси одной пары диаметрально расположенных роликов установлены на концах звена-водила, установленного на приводном валу, соосном с расточкой цилиндра, оси другой пары роликов установлены на концах звена-водила, закрепленного на неподвижной торцевой крышке, а цилиндр с другой торцевой крышкой установлен на другом валу, также соосном с расточкой цилиндра.

Кроме того, в объемной машине на неподвижной торцевой крышке могут быть выполнены отверстия для входа и выхода среды.

Кроме того, в объемной машине приводной вал и вал цилиндра могут быть связаны между собой кинематически понижающей передачей, например шестеренной, с передаточным отношением два.

Технический результат, достигаемый таким решением, помимо указанного технического результата первого варианта устройства состоит еще и в том, что позволяет исключить клапанный механизм, ограничивающий надежность и долговечность объемных машин.

Изобретения поясняется чертежами:

На Фиг.1 дан продольный разрез первого варианта устройства.

На Фиг.2 дан поперечный разрез первого варианта устройства.

На Фиг.3 дан продольный разрез второго варианта устройства.

На Фиг.4 дан поперечный разрез второго варианта устройства.

На Фиг.5 дан вид с торца в момент перехода роликов в соседние полуцилиндры-вытеснители (“верхняя мертвая точка”).

Объемная машина по первому варианту предлагаемого устройства (Фиг.1, 2) состоит из корпуса 1 с цилиндрической расточкой, двух крышек 2 и 3, двух диаметрально расположенных звеньев-водил 4 и 5. Внутри расточки корпуса помещены четыре полуцилиндра-вытеснителя 6 с наружным диаметром, равным половине диаметра расточки корпуса 1. Полуцилиндры-вытеснители 6 контактируют цилиндрической поверхностью с расточкой корпуса 1 и по линиям взаимного пересечения наружных цилиндрических поверхностей соединены между собой шарнирами 7. Эти линии и есть оси шарниров 7.

В каждом из полуцилиндров-вытеснителей 6 выполнена концентрическая расточка, в которую помещен ролик 8. Оси каждой пары диаметрально расположенных роликов 8 закреплены на концах одного из звеньев-водил 4 или 5. Каждое из звеньев-водил 4 и 5 установлено на валу 9 или 10, соосном с расточкой корпуса 1. Оба вала связаны между собой шестеренной передачей 11 с передаточным отношением, равным единице, с вращением валов 9 и 10 в противоположных направлениях.

На валах 9 или 10 может быть установлен распределительный диск 12, контактирующий своими выступами со штоками клапанов 13, если клапана не самодействующие.

Объемная машина по второму варианту предлагаемого устройства (Фиг.3 и 4) имеет цилиндр 14, помещенный в корпус 1 с возможностью вращения вокруг оси своей расточки. Крышка 2 неподвижно связана с корпусом 1, а крышка 3 с цилиндром 14. Звено-водило 4, как и в первом варианте, расположено диаметрально внутри цилиндра 14 на соосном с ним валу 9. Звено-водило 5 неподвижно закреплено на крышке 2 (корпуса 1) и расположено также диаметрально внутри расточки цилиндра 14.

Полуцилиндры-вытеснители 6 расположены внутри цилиндра 14, контактируя с его расточкой, и также соединены между собой шарнирами 7. Так же, как и в первом варианте устройства, расположены ролики 8. Оси одной пары роликов 8 закреплены на концах звена-водила 4, а оси второй пары роликов 8 закреплены на концах неподвижного звена-водила 5. Звено-водило 4 установлено на приводном валу 9, соосном с осью расточки цилиндра 14, а цилиндр 14 с крышкой 3 установлены на своем валу 10, также соосном с осью расточки цилиндра 14. Полуцилиндры-вытеснители 6 имеют со стороны крышки 2 плоские полудиски 15, а на крышке 2 расположены нагнетательные 16 и всасывающие 17 отверстия.

Вал 9 может быть связан с валом 10 шестеренной передачей 18, понижающей по отношению к валу 9, с передаточным отношением два.

В расточках корпуса 1 или цилиндра 14 могут быть выполнены выемки 19 (Фиг.2 и 4), куда помещаются шарниры 7 в крайних положениях. Это увеличивает угол поворота полуцилиндров-вытеснителей 6 и производительность.

При вращении приводного вала 9 (Фиг.1, 2) вал 10 с помощью передачи 11 вращается в обратном направлении с той же частотой вращения. При этом звенья-водила 4 и 5 каждое со своей парой роликов 8 вращаются встречно вместе со своими валами. Каждый ролик 8 заставляет полуцилиндр-вытеснитель 6, с которым он в данный момент контактирует, поворачиваться вокруг их общей оси, перекатываясь без скольжения по расточке корпуса 1.

Если пара соседних вытеснителей, связанная общим шарниром 7, поворачивается встречно, то ось шарнира 7 перемещается по диаметру расточки корпуса 1 к ее поверхности.

В крайнем положении шарнира 7 (Фиг.5), когда он максимально приближается к расточке корпуса 1 (“верхняя мертвая точка”), ролики 8 “меняются местами”, т.е. полуцилиндрами-вытеснителями 6, заставляя их перекатываться в обратную сторону, а их общий шарнир 7 двигаться в обратную сторону по тому же диаметру.

При движении шарнира 7 в сторону поверхности расточки объем, замкнутый между соседними полуцилиндрами-вытеснителями 6 и расточкой, уменьшается (теоретически до 0), при обратном движении увеличивается (теоретически до четверти объема цилиндра).

Синхронизирующая передача 11 передает половину общего силового момента.

При управляемых клапанах 13 (ДВС) распределительный диск 12 с необходимыми выступами (аналогичными кулачкам распредвала) может быть посажен непосредственно на валы 9 или 10, т.к. угловое положение валов синхронизировано с фазами сжатия-всасывания в рабочих полостях.

Во втором варианте устройства, при вращении приводного вала 9 (Фиг.3 и 4), звено-водило 4 со своей парой роликов 8 вращается по отношению к неподвижному звену-водилу 5 с его парой роликов 8. Так же, как и в первом варианте устройства, пары роликов 8 попеременно сходятся и расходятся по отношению друг к другу, заставляя полуцилиндры-вытеснители 6 перекатываться без скольжения по внутренней расточке цилиндра 14, совершая качательные движения.

В отличие от первого варианта система полуцилиндров-вытеснителей 6, связанных шарнирами 7, вращается в том же направлении, что и вал 9, но с половинной частотой. При этом полуцилиндры-вытеснители 6 увлекают за собой цилиндр 14, свободно вращающийся на своих опорах, т.к. кроме незначительного момента трения в них, другого момента, тормозящего цилиндр, нет.

Если представить себе всю картину в относительном движении по отношению к системе полуцилиндров-вытеснителей 6 и цилиндру 14, то получится аналогия с работой первого варианта.

Каждому положению звена-водила 4 (вала 9) по отношению к неподвижному звену-водилу 5 (корпусу 1 и крышке 2) соответсвует определенное угловое положение системы полуцилиндров-вытеснителей 6 и их взаимное положение, т.е. определенная фаза сжатия-всасывания среды в рабочих полостях, что дает возможность осуществить бесклапанное, золотниковое распределение, т.е. на поверхности крышки 2 расположить пару нагнетательных 16 и всасывающих 17 отверстий, периодически открываемых и закрываемых поверхностями полудисков 15 полуцилиндров-вытеснителей 6.

Для гарантированного совпадения вращения цилиндра 14 с системой полуцилиндров-вытеснителей можно применить понижающую передачу 18, например шестеренную, от вала 9 к валу 10 цилиндра 14 с передаточным отношением 2.

В отличие от передачи 11 эта передача не силовая, а выполняет только функцию синхронизации и не является обязательным элементом конструкции.

В обеих вариантах единственными элементами, совершающими периодическое (“качательное”) движение, является система полуцилиндров-вытеснителей 6, валы же и ролики 8 движутся с постоянными угловыми скоростями каждый в одном направлении и поэтому могут быть установлены на опорах качения.

Ролики 8 в своем встречном движении задают системе полуцилиндров-вытеснителей 6 определенное относительное положение и поэтому в отличие от аналогов нет необходимости в синхронизирующих ползунах или зубчатых секторах.

Основное силовое воздействие от давления среды передается непосредственно от полуцилиндров-вытеснителей 6 роликам 8, минуя шарниры 7, которые лишь синхронизируют взаимное положение полуцилиндров-вытеснителей, т.е. последние могут быть более легкими, уменьшая инерционные силы, а шарниры 7 более долговечными.

Теоретически каждый полуцилиндр-вытеснитель может поворачиваться на 90°. Практически этот угол меньше, т.к. звенья-водила 4 и 5 и шарниры 7 ограничивают полный поворот (Фиг.5). Поэтому концевые участки внутренних расточек полуцилиндров-вытеснителей 6 могут быть выполнены по некоторым кривым, по которым ролики 8 будут перекатываться без скольжения в “верхних мертвых точках”, например, по дугам окружностей, концентричных расточке корпуса 1 или цилиндра 14. Это необходимо и для уменьшения инерционных сил, чтобы смена направления качения происходила более плавно.

Для ограничения поворота полуцилиндров-вытеснителей в “верхней мертвой точке” могут быть выполнены ограничители, например, в виде выступов на полуцилиндрах-вытеснителях или на расточке цилиндра в зоне выемок 19.

За один оборот вала 9 полуцилиндры-вытеснители 6 совершают два цикла качания и вытесняют (теоретически) 8 четвертей объема цилиндра, т.е. теоретический коэффициент использования объема цилиндра достигает двух, что не достигнуто ни в одной из объемных машин. Это без учета пятого переменного объема внутри системы полуцилиндров-вытеснителей. Этот объем изменяется с двойной частотой по сравнению с четырьмя другими. Его можно использовать для прокачки охлаждающей среды или смазки, или в качестве газового буфера для аккумулирования и возврата кинетической энергии качающихся рабочих органов.

Изобретение относится к машиностроению и касается усовершенствования объемных машин. Новым в устройстве является конструкция привода, основным элементом которого являются две пары диаметрально установленных роликов, каждый из которых входит в концентрическую расточку одного из полуцилиндров-вытеснителей. Оси одной пары роликов движутся по отношению к осям другой пары роликов встречно, заставляя систему полуцилиндров-вытеснителей совершать качательные движения, вытесняя среду из четырех объемов снаружи полуцилиндров-вытеснителей и одного - внутри полуцилиндров-вытеснителей. В одном варианте устройства обе пары роликов на своих валах двигаются встречно относительно неподвижного цилиндра, в другом - оси одной из пар роликов неподвижны, а другая пара роликов и цилиндр вращаются. Достигается компактность, надежность и долговечность. 2 н. и 3 з.п. ф-лы,5 ил.

1. Объемная машина, содержащая неподвижный корпус с торцевыми крышками и цилиндрической расточкой, в которой установлены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, соединенных между собой шарнирно, и расположенные диаметрально звенья-водила, установленные с возможностью поворота относительно центральной оси расточки корпуса, а также клапаны, отличающаяся тем, что в каждом полуцилиндре-вытеснителе выполнена концентрическая расточка, в которую помещается ролик, причем оси каждой из двух пар противоположных роликов закреплены на концах звена-водила, установленного на валу, соосном с цилиндрической расточкой корпуса, а эти валы связаны между собой кинематически, например, шестеренной передачей с передаточным отношением, равным единице.2. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, на одном из двух валов установлен распределительный диск, находящийся в контакте с клапанами.3. Объемная машина, содержащая неподвижный корпус, цилиндр и торцевые крышки, причем во внутренней расточке цилиндра установлены четыре одинаковых полуцилиндра-вытеснителя, соединенных между собой шарнирно, и расположенные диаметрально звенья-водила, одно из которых установлено с возможностью поворота относительно центральной оси расточки цилиндра, отличающаяся тем, что в каждом полуцилиндре-вытеснителе выполнена концентрическая расточка, в которую помещается ролик, причем оси одной пары диаметрально расположенных роликов установлены на концах звена-водила, установленного на приводном валу, соосном с расточкой цилиндра, оси другой пары роликов установлены на концах звена-водила, закрепленного на неподвижной торцевой крышке, а цилиндр с другой торцевой крышкой установлен на другом валу, также соосном с расточкой цилиндра.4. Объемная машина по п.3, отличающаяся тем, что на неподвижной торцевой крышке выполнены отверстия для входа и выхода среды.5. Объемная машина по п.3, отличающаяся тем, что приводной вал и вал цилиндра связаны между собой кинематически понижающей передачей, например шестеренной, с передаточным отношением два.