ШАРНИРНО-ПОРШНЕВОЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2010 года по МПК F01C1/07 F16D3/26 

Изобретение относится к механизмам кинематической взаимосвязи поршней, циклически меняющих объем рабочих камер в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), в насосах продувки и наддува рабочих объемов ДВС, в компрессорах, вакуумных насосах, в паровых машинах и в пневматических моторах.

Известны шарнирно-поршневые механизмы с кинематической посредством шарнирных звеньев связью поршней с выводным валом, например, по [1], с.148, 287, по [2], с.14 и др.

Недостаток их в том, что резервы совершенствования таких устройств почти исчерпаны, а существенные недостатки неустранимы в принципе. В частности, сложный коленчатый вал, клапанное газораспределение, поршни давят на стенки рабочих камер (цилиндров), неуравновешенность, велика удельная масса и др.

Известен шарнирно-поршневой механизм, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой, при этом промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал, например, по UA 75431 С2, [3] - прототип.

Недостаток его в том, что каждая пара поршней связана с выводным валом или большим количеством универсальных шарниров (больше двух), или универсальными шарнирами с большим углом отклонения от соосности соединяемых ими валов. Компоновка такого шарнирно-поршневого механизма ограничивает диапазон применения возможных углов взаимного отклонения от соосности вилок универсальных шарниров и валов, соединяемых универсальными шарнирами. Кроме того, в известном из [3] шарнирно-поршневом механизме нет возможности регулирования степени сжатия газов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение количества универсальных шарниров до четырех и при этом расширение диапазона возможных углов взаимного отклонения от соосности вилок универсальных шарниров и валов, соединяемых универсальным шарниром, а также вариант шарнирно-поршневого механизма с возможностью регулирования степени сжатия газов.

1. Сущность изобретения в том, что шарнирно-поршневой механизм, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой, при этом промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал, причем по изобретению каждый полувал связан карданным валом с параллельным оси полувала промежуточным инерционным валом и с шестерней-маховиком на нем, находящейся в зацеплении с шестерней-маховиком выводного вала.

2. Сущность изобретения также в том, что механизм по п.1 выполнен с возможностью регулирования расстояния между поршнями в их позиции максимального сближения посредством устройства регулирования угла взаимного отклонения от соосности валов, соединенных универсальным шарниром.

Благодаря этому шарнирно-поршневой механизм содержит всего два карданных вала с возможностью устанавливать и регулировать углы отклонения валов в шарнирах в широком диапазоне. Им вращают поршни по кругу в одном и том же направлении вдоль камер постоянного сечения в кольцевом канале, например, по форме тора. При равномерном вращении инерционных и выводного валов обе пары поршней вращают циклически неравномерно с двумя максимумами и двумя минимумами угловой скорости на каждом полном обороте. Этим поршни циклически сближают и раздвигают в одних и тех же секторах кольцевого канала, всасывают газы через входное окно и вытесняют их через выходное окно в стенке кольцевого канала. Для ДВС необходимо два окна, для компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора - по четыре. Шарнирно-поршневой механизм уравновешен статически и динамически по самой схеме. Угловые ускорения поршней и других неравномерно вращаемых деталей попарно противоположны по знаку и почти равны по модулю, что позволяет уменьшить массу маховика. Поршни не давят на стенки камер кольцевого канала, и все кинематические пары возможно собрать на подшипниках качения.

Устроен шарнирно-поршневой механизм (далее механизм), например, следующим образом.

На фиг.1 изображена принципиальная кинематическая схема механизма.

На фиг.2 - то же, вид сверху.

На фиг.3, 4 и 5 показаны положения поршней через каждые 45° поворота выводного вала ДВС, размещение впускного и выпускного окон.

На фиг.6 показано размещение впускных и выпускных окон в компрессоре, в вакуумном насосе, в паровой машине, в пневматическом моторе.

На фиг.7 изображен вариант механизма с овальным сечением кольцевого канала.

Условные обозначения на фиг.1…7:

1 - первый поршень (далее поршень),

2 - второй поршень (далее поршень),

3 - третий поршень (далее поршень),

4 - четвертый поршень (далее поршень),

5 - с торцевым диском полувал для пары поршней 1 и 3 (далее полувал),

6 - с торцевым диском полувал для пары поршней 2 и 4 (далее полувал),

7 - разъемный корпус кольцевого канала постоянного сечения (далее корпус),

8 - универсальный шарнир Гука (далее шарнир),

9 - карданный вал с двумя шарнирами 8 (далее карданный вал),

10 - промежуточный инерционный вал с шестерней-маховиком (далее вал).

11 - круглая гайка со шлицами и стопорная шайба с лапками (далее гайка),

12 - цилиндрическая шестерня-маховик (далее шестерня),

13 - выводной вал,

ω - угловая скорость пары поршней (далее скорость поршней),

ε - угловое ускорение пары поршней (далее угловое ускорение поршней),

γ - угол отклонения вилок шарниров от взаимной соосности,

V - вход газов в камеру кольцевого канала,

W - выход газов из камеры кольцевого канала,

L - полный объем кольцевого канала (т.е. в 360 градусах и без поршней),

q - объем газов, прокачиваемый за один оборот выводного вала 13 ДВС.

Пара нечетных поршней 1 и 3 закреплена на противоположных цилиндрических поверхностях торцевого диска полувала 5, а пара четных поршней 2 и 4 закреплена на противоположных цилиндрических поверхностях торцевого диска полувала 6. Поршни установлены в кольцевом по форме тора канале корпуса 7 так, что каждый поршень одной пары расположен между поршнями другой пары, а каждый полувал установлен на подшипниках по оси тора торцевыми дисками встык. На другом конце каждого полувала жестко установлены по одной вилке шарнира 8 карданного вала 9, вторые шарниры 8 которого соединены с валами 10. На каждом валу 10 установлена шестерня 12, находящаяся в зацеплении с одной из двух таких же шестерен 12, установленных на выводном валу 13. Зацепление шестерен 12 выполнено таким образом, что при взаимно перпендикулярной позиции пар поршней 1 и 3, 2 и 4, изображенном на фиг.3, плоскости вилок шарниров 8 взаимно перпендикулярны. Эта позиция повторяется через каждые 90° поворота выводного вала 13. В стенках кольцевого канала ДВС имеются два окна: одно окно впускное для входа газов, другое окно выпускное для выхода газов, вытесняемых поршнями. В стенках компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора имеются четыре окна: два впускных, два выпускных. На фиг.3, 5, 6 стрелками V и W показано движение газов через окна.

Работой механизма преобразуют равномерное вращение выводного вала 13 в циклически неравномерное вращение полувалов 6 и 5 с нечетными 1 и 3, а также с четными 2 и 4 парами поршней в кольцевом канале корпуса 7. И наоборот - преобразуют циклически неравномерное вращение пар поршней 1 и 3, 2 и 4 в равномерное вращение выводного вала 13. При этом неравномерное вращение поршней взаимно смещено на полфазы цикла: при минимальной скорости ω min пары нечетных поршней 1 и 3 пара четных поршней 2 и 4 имеют максимальную скорость ω max и наоборот, что чередуется через каждые 90° поворота выводного вала 13. Так происходит благодаря свойству шарнира 8 [4], с.137…144, и соединению шарниров 8 в единую кинематическую цепь механизма.

В ДВС пара поршней 1 и 3 в позиции, изображенной на фиг.3, имеет минимальную скорость ω min, а пара поршней 2 и 4 - максимальную ω max. Объем камеры между поршнями 1 и 2, а также объем камеры между поршнями 3 и 4 уменьшают. Одновременно объем камеры между поршнями 1 и 4, а также объем камеры между поршнями 2 и 3 увеличивают. Через входное окно в корпусе 7 заполняют камеру между поршнями 2 и 3 воздухом, что показано стрелкой V, а в камере между поршнями 1 и 2 - сжимают воздух, заполнивший ее раньше. При максимальном сближении поршней 1 и 2 (фиг.4) их скорости ω равны, а ускорения ε равны по модулю, но противоположны по знаку. В камеру между поршнями 1 и 2 (фиг.5) впрыскивают топливо. Оно воспламеняется, горячие газы расширяются и увеличивают объем камеры между поршнями 1 и 2. В этой камере происходит рабочий ход, а из камеры между поршнями 1 и 4 ранее отработавшие газы вытесняют наружу через выпускное окно, что показано стрелкой W (фиг.5). За один оборот выводного вала 13 происходит четыре рабочих хода, что адекватно четырехтактному восьмицилиидроваму двигателю с кривошипами коленчатого вала через каждые 90°.

Работа компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора (фиг.6) пояснений не требует, так как с учетом изложенного понятна из чертежа.

В ДВС объем газа, прокачиваемый за один оборот выводного вала 13, зависит от величины угла γ отклонения вилок шарниров 8 от соосности. Например, если γ=25°, то q=0,25L; если γ=35°, то q=0,5L; если γ=50°, то q=1,0L. Для компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора прокачиваемый объем соответственно вдвое больше.

Во втором варианте механизма карданный вал 9 выполнен телескопическим. Этот вал вращением гаек 11 несколько удлиняют-укорачивают. Этим уменьшают-увеличивают угол отклонения вилок шарнира 8 от соосности и соответственно увеличивают-уменьшают расстояние между поршнями в позиции наибольшего их сближения, следовательно, уменьшают-увеличивают степень сжатия газов.

Литература

1. Крайнер А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981, 438 с.

2. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1959, 341 с.

3. UA 75431 C2, МПК F02B 77/00. Механiзм взаємозв'язку поршнiв. Бюл. №4, 2006.

4. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 1. М.: Машгиз, 1960, 655 с.

Изобретение относится к механизмам кинематической взаимосвязи поршней. Шарнирно-поршневой механизм содержит кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней. Каждый из поршней расположен между поршнями другой пары. Пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов. Плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой. Промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал. Каждый полувал связан карданным валом с параллельным оси полувала промежуточным инерционным валом и с шестерней-маховиком на нем, находящейся в зацеплении с шестерней-маховиком выводного вала. Механизм выполнен с возможностью регулирования расстояния между поршнями в их позиции максимального сближения посредством устройства регулирования угла взаимного отклонения от соосности валов, соединенных универсальным шарниром. Техническим результатом является уменьшение количества универсальных шарниров, расширение диапазона возможных углов взаимного отклонения от соосности вилок универсальных шарниров и валов, соединяемых универсальным шарниром, а также обеспечение возможности регулирования степени сжатия газов. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Шарнирно-поршневой механизм, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой, при этом промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал, отличающийся тем, что каждый полувал связан карданным валом с параллельным оси полувала промежуточным инерционным валом и с шестерней-маховиком на нем, находящейся в зацеплении с шестерней-маховиком выводного вала.

2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью регулирования расстояния между поршнями в их позиции максимального сближения посредством устройства регулирования угла взаимного отклонения от соосности валов, соединенных универсальным шарниром.