Бесшатунный механизм поршневой машины Российский патент 2022 года по МПК F01B9/06 F02B75/32 F16H21/18 

Изобретение относится к механизмам для преобразования возвратно-поступательного движения звеньев цилиндропоршневой группы во вращательное движение вала и наоборот, и может быть использовано в поршневых машинах объемного действия для создания бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, поршневых насосов и компрессоров, а также поршневых гидро- и пневмодвигателей.

Принципиальная схема бесшатунного механизма для двигателей внутреннего сгорания описана в книге: Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. Машиностроение М. 1972 г. стр.6. В этой же книге приведены конструктивные варианты бесшатунного механизма (см. рис.11, стр.14). В общем случае в механизме пары поршней противолежащих цилиндров на двух перекрещивающихся осях, соединены штоками. Штоки снабжены ползунами и направляющими ползунов. Два соосных кривошипных вала шарнирно связаны с расположенным между ними коленчатым валом. Опорные (коренные) шейки коленчатого вала посажены в подшипниках кривошипных валов, а поршневые штоки связаны с помощью штоковых подшипников с коленами коленчатого вала. Для предупреждения перекоса и заклинивания опорных шеек коленчатого вала используется дополнительный соединительный вал, который связан с обоими кривошипами посредством одинаковых зубчатых передач. Вал обеспечивает синхронность вращения кривошипов. Наличие дополнительного вала и зубчатых передач увеличивает габариты такого бесшатунного механизма. В аналогичном по схеме бесшатунном механизме по патенту RU2213227 предусмотрены средства для установки направляющих ползунов в положение, обеспечивающее согласованное движение поршней в цилиндрах без дополнительного соединительного вала. Однако все механизмы, построенные по такой схеме, имеют один общий недостаток, а именно, одну избыточную кинематическую связь, которая при изменении размеров деталей от температуры, а также при неточностях в изготовлении деталей приводит к перекосам, задирам деталей и их заклиниванию.

С целью устранения этого недостатка был предложен бесшатунный механизм для поршневого двигателя внутреннего сгорания по патенту RU 154269. В этом механизме пары поршней противолежащих цилиндров на двух перекрещивающихся осях жестко соединены друг с другом пластинами. Каждая пластина имеет поперечную прорезь с направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленвала. Коленчатый вал жестко закреплен в подшипниковых опорах корпуса по обе стороны от пластин. В данном механизме отсутствуют кривошипные валы, функцию ползунов и направляющих выполняют крейцкопфы и прорези в пластинах. По мнению авторов данной полезной модели, крейцкопфы не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД. При этом внутренние подшипники крейцкопфов для шейки коленвала, так же, как и плоские подшипники для направляющих в прорезях пластин выполнены скользящими, что снижает КПД механизма в целом. Кроме того, в положениях мертвых точек на крейцкопфы действует сила, прижимающая их к направляющим прорезей, которая обуславливает повышенные силы трения в плоских подшипниках скольжения. Это в свою очередь еще уменьшает механический КПД бесшатунного механизма, едва ли не сводя на нет преимущества данного механизма.

Известен другой конструктивный вариант бесшатунного механизма (см.книгу Баландина стр. 14, рис.11в), выбранный нами за прототип. Он, как и предыдущие механизмы содержит коленчатый вал, посаженный на подшипниках в корпусе. На колено коленчатого вала с помощью подшипников посажен спаренный эксцентрик, с двумя противоположными эксцентричными участками. Колено коленчатого вала по сути представляет собой эксцентричный участок вала, и в целом вал можно определить, как вал с эксцентричным участком. Один из эксцентриков спаренного эксцентрика с помощью штокового подшипника связан со штоками поршней пары противолежащих цилиндропоршневых групп, лежащих на одной оси. Другой эксцентрик аналогичным образом связан со штоками поршней пары цилиндропоршневых групп, лежащих на скрещивающейся оси. Применение спаренных эксцентриков не только позволяет заметно уменьшить продольные размеры механизма, но и при цельной конструкции коленчатого вала обеспечивается постоянная соосность эксцентриковых подшипников с цапфами вала с эксцентричным участком без дополнительного соединительного вала. В этом механизме значительно возрастают диаметры штоковых подшипников. При этом величина эксцентриситета становится значительно меньше диаметра штоковых подшипников, что приводит к уменьшению влияния неточностей изготовления и температурных градиентов на работоспособность механизма. Однако, учитывая, что спаренный эксцентрик сидит на эксцентричном участке цельного вала, его подшипники могут быть только разборными подшипниками скольжения. При этом резко возрастают скорости скольжения трущихся поверхностей и силы трения, и такой механизм может быть эффективно использован только в двигателях малой мощности с коротким ходом поршня и обильной смазкой. Те же рассуждения применимы и к штоковым подшипникам, которые также являются разборными подшипниками скольжения. В данном механизме можно использовать подшипники качения, только разрезав внутренний вал с эксцентричным участком. Соединение же участков вала между собой резко уменьшает его прочность, что недопустимо.

Таким образом, задача создания работоспособного бесшатунного механизма поршневой машины, пригодного для использования в широком диапазоне мощностей, остается по-прежнему актуальной. Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение силы трения в бесшатунном механизме при сохранении уменьшенного влияния температуры и неточностей изготовления на работоспособность механизма.

Для достижения указанного технического результата бесшатунный механизм поршневой машины с попарно противолежащими поршневыми группами, оси которых расположены под углом друг к другу, как и прототип, содержит вал с эксцентричным участком и спаренный эксцентрик, связанный с помощью подшипников с эксцентричным участком вала. Эксцентрики спаренного подшипника противоположны. Один из эксцентриков с помощью штоковых подшипников и штока связан с подвижными звеньями одной пары противолежащих цилиндропоршневых групп, а другой эксцентрик аналогичным образом связан с другой парой противолежащих цилиндропоршневых групп.

В отличие от прототипа вал с эксцентричным участком выполнен наружным, посажен на подшипниках на внутренний вал и эксцентричный участок расположен внутри этого наружного вала. Спаренный эксцентрик расположен внутри вала и с помощью подшипников связан с его эксцентричным участком. Эксцентрики спаренного эксцентрика выполнены в виде внутренних эксцентричных участков. Внутри каждого из эксцентриков с помощью штоковых подшипников посажены штоки подвижных звеньев соответствующей пары противолежащих цилиндропоршневых групп, т.е. штоки подвижных звеньев в каждой паре цилиндропоршневых групп посажены с помощью штоковых подшипников внутри каждого из эксцентриков.

Если в качестве таковых подвижных звеньев выбраны цилиндры, то поршни поршневых групп жестко связаны с внутренним валом.

Если с внутренним валом связаны поршни, то подвижным звеном становятся цилиндры, которые и связаны штоками и штоковыми подшипниками с эксцентриками.

Для механизма с подвижными поршнями возможно объединение пар цилиндров с образованием единого цилиндра, и объединение пар поршней в единый блок с образованием двустороннего поршня. Такой механизм будет обладать либо большим ходом поршня при тех же радиальных размерах, либо меньшими размерами при том же ходе поршня.

Наружное выполнение вала с эксцентричным участком дает возможность достаточно просто сделать его составным, не уменьшая прочность вала.

При такой обращенной конструкции механизма становится возможным установка спаренного эксцентрика внутри эксцентричного участка вала на подшипниках качения. Установка штоковых подшипников в эксцентричных участках внутри спаренного эксцентрика также позволяет использовать подшипники качения. Они имеют не только намного меньшее трение, менее требовательны к смазке, чем подшипники скольжения в прототипе, но и имеют более высокую надежность.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена в трех проекциях принципиальная схема одного из вариантов бесшатунного механизма. В механизме на этой фигуре цилиндры жестко связаны с центральным валом, а с помощью штоков поршни противолежащих поршневых групп посажены в штоковых подшипниках. Фиг. 2 иллюстрирует второй вариант конкретного выполнения изобретения, когда неподвижными звеньями являются поршни, связанные с центральным валом, а в штоковых подшипниках посажены цилиндры. На фиг. 3 показана схема механизма с объединенными цилиндрами и двусторонним поршнем. На фиг. 2-3 для упрощения показано только одна проекция механизма, представляющая собой продольное сечение вдоль одной пары цилиндропоршневых групп. Вторая пара групп лежит на перпендикулярной оси в параллельной плоскости. На фиг. 4 показан бесшатунный механизм по схеме фиг. 1 в разобранном виде. При этом изображены только те детали, которые являются существенными для данной схемы. На фиг. 5 приведена схема, иллюстрирующая работу предлагаемого механизма.

Следует отметить, что угол между парами противолежащих поршневых групп на всех четырех рисунках составляет 90 градусов. Это самая оптимальная с точки зрения балансировки и равномерности работы геометрия.

Рассмотрим механизм, изображенный на фиг.1 и фиг. 4. Цилиндры 1 этого механизма, и поршни 2 образуют одну пару противолежащих цилиндропоршневых групп, лежащих вдоль оси О1О1. Вторая пара цилиндропоршневых групп образована цилиндрами 3 и поршнями 4 и располагается вдоль оси ОО, которая перпендикулярна оси О1О1 первой пары. Оси ОО и О1О1 лежат в параллельных плоскостях, т.е. оси являются скрещивающимися. Цилиндры 1, и 3 всех поршневых групп жестко связаны с центральным валом 5. На центральном валу 5 на подшипниках 6 установлен наружный вал 7, состоящий из двух отдельных половин 7а и 7б. Наружный вал 7 имеет на внутренней поверхности эксцентричный участок 8 с эксцентриситетом еk относительно оси СС центрального вала 5. На этом участке на подшипниках 9 установлен спаренный эксцентрик 10. Спаренный эксцентрик 10 имеет два внутренних эксцентричных участка 11 и 12, имеющих одинаковый по величине, но противоположный эксцентриситет е. Внутри эксцентрика 11 на штоковых подшипниках 13 посажены штоки 14 поршней 2 пары цилиндрапоршневых групп 1-2. Внутри эксцентрика 12 на штоковых подшипниках 15 посажены штоки 16 поршней 4 пары цилиндропоршневых групп 3-4. Для обеспечения такой посадки противолежащих штоков используется промежуточные детали - кольцо 17 и кольцо 18. Штоки 14 и 16 жестко закреплены в соответствующих кольцах. А кольца 17 и 18 в свою очередь посажены в подшипниках 13 и 15.

В механизме на фиг. 2 наружный вал 7 также посажен на подшипниках 6 на центральном валу 5. В отличие от механизма на фиг. 1, эксцентричный участок наружного вала 7 образован выступами 8а и 8б на каждой из половин вала 7, расположенными внутри наружного вала 7 эксцентрично относительно оси СС центрального вала с эксцентриситетом еk. На этих участках на двух подшипниках 9 эксцентрично относительно центрального вала 5 установлен спаренный эксцентрик 10. При такой посадке спаренного эксцентрика 10 механизм имеет меньший радиус подшипников 9, но увеличенный осевой размер по сравнению с механизмом на фиг. 1. Меньший радиус подшипников упрощает их выбор и уменьшает их стоимость. Второе отличие механизма на фиг.2 от вышеописанного заключается в том, что с центральным валом 5 жестко связаны поршни 2 и 4 всех цилиндропоршневых групп, а цилиндры 1 и 3 являются подвижными. Цилиндры с помощью штоковых подшипников 13 и 15 посажены внутри эксцентричных участков 11 и 12 спаренного эксцентрика 10. Для этого противолежащие цилиндры 1, одной пары цилиндропоршневых групп жестко связаны с кольцом 17, а цилиндры 3 другой пары - с кольцом 18. Как и в предыдущей схеме кольца посажены в штоковых подшипниках 13 и 15. Функцию штоков здесь выполняют участки цилиндров, прилегающие к соответствующим кольцам.

В механизме на фиг. 3 противолежащие цилиндры в каждой паре цилиндропоршневых групп объединены в единые цилиндры 19 и 20, жестко связанные с центральным валом 5. Соответственно и поршни объединены в единый поршневой блок, образуя двусторонний поршень 21. На фигуре показано объединение поршней только для одной пары, объединенный поршень второй пары на этой проекции не виден.

На фиг. 5 показано сечение механизма, изображенного на фиг. 1, в плоскости первой пары цилиндропоршневых групп 1,2. Здесь для большей информативности центральный вал 5 условно изображен неподвижным, а наружный вал 7 условно показан посаженным на подшипниках 22 в корпусе 23, который заменяет центральный неподвижный вал 5. Остальные позиции обозначают те же элементы, что и на других фигурах.

Следует отметить, что предлагаемое техническое решение может быть реализовано как для цилиндропоршневых групп, лежащих в параллельных плоскостях, как это приведено на фиг. 1-4, так и для цилиндропоршневых групп, лежащих в одной плоскости, в котором оси О1О1 и ОО пар противолежащих цилиндропоршневых групп пересекаются. Принцип действия и работа механизма при этом остаются прежними.

Рассмотрим работу механизма, изображенного на фиг.1 и 4 в качестве преобразователя вращательного движения входного звена в возвратно-поступательное движение поршней, что требуется для насоса. Входным звеном выберем наружный вал 7, вращающийся вокруг неподвижного центрального вала 5. Для рассмотрения работы устройства обратимся также к фиг. 5. Центром вращения наружного вала 7 является точка С. Центром вращения эксцентричного участка 8 внутри наружного вала 7 является точка В. Спаренный эксцентрик 10, посаженный в эксцентричном участке 8 на подшипнике 9 начнет совершать планетарное движение относительно оси СС центрального вала 5, т.е. центр эксцентрика (точка В) будет вращаться вокруг точки С на фиг. 5 по окружности радиуса еk. Эксцентрик 10 одновременно своими внутренними эксцентричными участками 11 и 12 через подшипники 13 и 15 связан с кольцами 17 и 18. На фиг. 5 показан только один внутренний эксцентричный участок 11 спаренного эксцентрика 10, одно кольцо 17 и одна пара противолежащих цилиндропоршневых групп 1, 2. Центр эксцентричного участка 11, он же центр кольца 17, обозначен буквой А. Кольцо 17 не может вращаться, так как его угловое положение зафиксировано поршнями 2, в неподвижных цилиндрах 1. В результате такого взаимодействия эксцентрик 10 начнет вращаться вокруг собственной оси В противоположную от вращения наружного вала 7 сторону. А кольцо 17 будет совершать возвратно поступательное перемещение вдоль оси О1О1, вызывая тем самым перемещение поршней 2 в цилиндрах 1. Наличие второго эксцентричного участка 12 в спаренном эксцентрике 10, а также второй пары 3 и 4 цилиндропоршневых групп вызовет аналогичное возвратно поступательное перемещение кольца 18 и поршней 4 вдоль оси ОО. Это обеспечивает плавность и непрерывность работы устройства.

Работа механизма, изображенного на фиг.3 происходит аналогичным образом, но этот механизм за счет объединения противолежащих цилиндров в единый цилиндр 19 и двухстороннего поршня 21 имеет больший ход.

Выше была рассмотрена работа механизма при неподвижном центральном вале 5 и входном наружном вале 7. Однако следует отметить, что предлагаемый механизм является дифференциальным, и может работать при неподвижном наружном вале 7, и входном центральном вале 5.

Таким образом, механизм, как и прототип, имеет уменьшенное влияние неточностей изготовления и температурного градиента на его работоспособность. Но при этом в нем используются только подшипники качения. По сравнению с прототипом, где возможно применение только подшипников скольжения, предлагаемый бесшатунный механизм имеет более высокий КПД, может работать с большими скоростями, имеет больший ресурс работы.

Изобретение может быть использовано в поршневых машинах объемного действия. Бесшатунный механизм поршневой машины с попарно противолежащими поршневыми группами (2), (4), оси которых расположены под углом друг к другу, содержит вал (7), состоящий из частей (7а), (7б) с эксцентричным участком, и спаренный эксцентрик (10), связанный с эксцентричным участком вала (7) с возможностью вращения. Спаренный эксцентрик (10) имеет два противоположных эксцентричных участка (11), (12), связанных с помощью штоковых подшипников и штока с подвижными звеньями цилиндропоршневых групп (1), (2), (3), (4). Вал (7) с эксцентричным участком выполнен наружным, посажен на подшипниках (6) на внутренний центральный вал (5). Эксцентричный участок расположен внутри вала (7). Противоположные эксцентричные участки спаренного эксцентрика (10) выполнены на его внутренней поверхности. Штоки (14), (16) подвижных звеньев в каждой паре цилиндропоршневых групп (1), (2), (3), (4) посажены с помощью штоковых подшипников (13) (15) внутри каждого из эксцентриков. Технический результат заключается в снижении трения в механизме и в увеличении ресурса работы механизма при снижении требований к смазке. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Бесшатунный механизм поршневой машины с попарно противолежащими поршневыми группами, оси которых расположены под углом друг к другу, содержащий вал с эксцентричным участком и спаренный эксцентрик, связанный с эксцентричным участком вала с возможностью вращения, спаренный эксцентрик имеет два противоположных эксцентричных участка, связанных с помощью штоковых подшипников и штока с подвижными звеньями цилиндропоршневых групп, отличающийся тем, что вал с эксцентричным участком выполнен наружным, посажен на подшипниках на внутренний центральный вал, эксцентричный участок расположен внутри вала, противоположные эксцентричные участки спаренного эксцентрика выполнены на его внутренней поверхности, причем штоки подвижных звеньев в каждой паре цилиндропоршневых групп посажены с помощью штоковых подшипников внутри каждого из эксцентриков.

2. Бесшатунный механизм по п. 1, отличающийся тем, что подвижными звеньями противолежащих поршневых групп являются цилиндры, а соответствующие поршни жестко связаны с центральным валом.

3. Бесшатунный механизм по п. 1, отличающийся тем, что подвижными звеньями противолежащих поршневых групп являются поршни, а соответствующие цилиндры жестко связаны с центральным валом.

4. Бесшатунный механизм по п. 3, отличающийся тем, что цилиндры противолежащих групп объединены в единый цилиндр, а их поршни объединены в единый блок и образуют двухсторонний поршень.