Бесшатунный механизм поршневой машины Российский патент 2024 года по МПК F01B9/02 F02B75/32 F16H21/18 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах и т.д.

Известен бесшатунный механизм со спаренными эксцентриками (см. книгу Баландина стр. 14, рис.11в). Он содержит коленчатый вал, посаженный на подшипниках в корпусе. На колено коленчатого вала с помощью подшипников посажен спаренный эксцентрик, с двумя противоположными эксцентричными участками. 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 коленчатого вала без дополнительного соединительного вала. В этом механизме, учитывая, что спаренный эксцентрик сидит на цельном коленчатом валу, 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. В данном механизме можно использовать подшипники качения, только разрезав внутренний коленчатый вал. Соединение же участков вала между собой резко уменьшает его прочность, что недопустимо.

Известен бесшатунный механизм двигателя внутреннего сгорания, описанный в патенте RU 2222704 и выбранный нами за прототип. Механизм содержит противолежащие цилиндропоршневые группы, попарно жёстко связанные между собой штоками, пары цилиндропоршневых групп со штоками расположены крестообразно. В корпусе на подшипниках размещён рабочий вал с отбором мощности в его средней части. Рабочий вал имеет отверстие, смещённое от его оси вращения. В отверстии рабочего вала на подшипниках, обеспечивающих внутреннюю посадку, установлен коленчатый вал. Коленчатый вал имеет две противоположных шейки, расположенные на концах вала. Шейки выступают за пределы рабочего вала. Шейки коленчатого вала сочленены через подшипники со штоками цилиндропоршневых групп. Этот механизм имеет ту же проблему, что и описанный выше, а именно подшипники, на которых цельный коленчатый вал устанавливается внутри рабочего вала могут быть только разборными подшипниками скольжения со всеми присущими им недостатками.

Таким образом, техническим результатом изобретения является возможность посадки коленчатого вала на подшипниках качения. Дополнительным техническим результатом является снижение габаритов бесшатунного механизма.

Указанные технические результаты достигаются тем, что бесшатунный механизм, как и прототип, содержит противолежащие цилиндропоршневые группы, связанные между собой штоками. Оси противолежащих групп расположены под углом друг к другу. В корпусе на подшипниках размещён рабочий вал с отбором мощности в его средней части. Рабочий вал имеет отверстие, смещённое от оси вращения рабочего вала, в котором с возможностью вращения посажен коленчатый вал, имеющий на разных концах две противоположно расположенных шейки. Шейки сочленены через подшипники со штоками. В отличие от прототипа коленчатый вал с обоих концов снабжён элементами, жёстко соединёнными с валом, и эти элементы обеспечивают возможность посадки коленчатого вала на подшипниках снаружи на рабочий вал. Две противоположно расположенные шейки коленчатого вала выполнены на этих элементах.

Жёсткое соединение элементов наружной посадки с коленчатым валом обеспечено посадкой каждого элемента одновременно на конец вала, и на эксцентричный выступ, выполненный на торце вала.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 приведена схема механизма прототипа, в котором для ясности восприятия вторая цилиндропоршневая группа повёрнута на 90 градусов относительно её реального положения. На фиг. 2 приведён аналогичный вид предлагаемого механизма в тех же масштабах. (На фиг.1 и 2 общие с прототипом элементы обозначены одними и теми же цифрами). На фиг. 3 показано реальное расположение цилиндропоршневых групп в предлагаемом механизме (оси цилиндропоршневых групп 10 и 11 перпендикулярны друг к другу). На фиг. 4 представлен общий вид коленчатого вала с элементами наружной посадки на его концах, а на фиг. 5 дан общий вид и взаимное положение элементов наружной посадки. Фиг. 6 иллюстрирует наружную посадку коленчатого вала на рабочий вал на подшипниках качения. На фиг. 7 изображён бесшатунный механизм в разобранном виде (корпус на рисунке не показан).

Механизм предлагаемого изобретения на фиг.2, как и механизм прототипа на фиг. 1, содержит корпус 1, в котором на подшипниках 2 размещён рабочий вал 3.

Коленчатый вал 4 в прототипе посажен на подшипниках скольжения 5 в отверстии 6 внутри рабочего вала 3 (см. фиг 1). Отверстие 6 смещено от оси ОО1 рабочего вала 3 на расстояние е. Коленчатый вал 4 имеет на противоположных концах вала две противоположные шейки 7, сочленённые через подшипники 8 со штоками 9 цилиндропоршневых групп 10 и 11. Причём оси цилиндропоршневых групп в данном конкретном примере перпендикуляры друг к другу, как это видно из фиг. 3. Возможен вариант и с большим количеством цилиндропоршневых групп, но тогда угол между ними будет определяться как 360 градусов, делённое на число поршней. На фиг.1 и 2 буквами СС1 обозначены оси коленчатого вала 4, а буквами DD1 оси шеек коленчатого вала 4.

В предлагаемом механизме на фиг. 2 коленчатый вал 4 также проходит сквозь отверстие 6 в рабочем валу 3, смещённое на такое же расстояние е, как и в прототипе. Однако, его посадка в этом отверстии обеспечивается за счёт элементов 12 и 13, жёстко закреплённых на его концах (см. фиг. 4). В данном конкретном устройстве жёсткая посадка обеспечивается тем, что каждый из элементов 12 и 13 посажен одновременно на коленчатый вал 4 и на эксцентричные противоположно расположенные выступы 14, выполненные на торцах коленчатого вала 4. Такая посадка на два смещённых друг относительно друга эксцентрика обеспечивает жёсткую связь элементов 12 и 13 с коленчатым валом 4. В принципе жёсткая посадка элементов 12 и 13 может быть осуществлена и иным известным способом, например, с помощью шлицев.

В свою очередь, каждый из элементов 12 и 13 (см. фиг. 5,6) выполнен в виде двух цилиндрических частей 15 и 16 разного диаметра, эксцентрично смещённых друг относительно друга. Внутренняя поверхность 17 части 16 каждого из элементов 12 и 13 служит для наружной посадки на рабочий вал 3 с помощью подшипников качения 18. Цилиндрические части 15, смещённые относительно оси СС1 коленчатого вала 4 в разные стороны, по сути выполняют функцию шеек коленчатого вала 4. Эти шейки, как и в прототипе сочленяются с помощью подшипников 19 со штоками 9 цилиндропоршневых групп 10 и 11. Отбор мощности от рабочего вала 3 в данной конструкции обеспечивается за счёт шестерни 20, посаженной в средней части вала. 3. Отбор может производиться также с помощью ремённой передачи. Такая конструкция механизма позволяет использовать посадку коленчатого вала 4 внутри рабочего вала 3 на подшипниках качения, что невозможно сделать в прототипе. Замена подшипников обуславливает уменьшение потерь на трение, позволяет повысить число оборотов при той же долговечности работы устройства.

Рассмотрим работу бесшатунного механизма поршневой машины в режиме двигателя, где входным элементом являются цилиндропоршневые группы, в которые поочерёдно подаётся рабочая среда под давлением (гидро- и пневмодвигатели) или происходит воспламенение воздушно-топливной смеси (двигатель внутреннего сгорания).

Обратимся к фигурам 2 и 3. В том положении, как изображено на фиг.2 поршни цилиндропоршневой группы 10 находятся в крайних точках цилиндров, т.е. в «мёртвой зоне». При подаче рабочей среды в объем 21 цилиндропоршневого блока 11 его поршни со штоками 9 перемещаются в сторону объёма 22 на фиг 2. На фиг. 3 стрелкой показано реальное направление перемещения штоков. Штоки 9 благодаря эксцентричному расположению шейки 13 через подшипники 19 смещают шейку, приводя коленчатый вал 4 в орбитальное движение. В свою очередь, орбитальное движение вала 4 благодаря эксцентричной посадке его относительно рабочего вала 3 приводят последний во вращение, т.е. поворачивают его на четверть оборота за один цикл хода поршня. В то же время поршни цилиндропоршневого блока 10 благодаря перемещению шейки коленчатого вала 12 в подшипниках 19 выходят из «мёртвой зоны», и подачу рабочей среды в цилиндропоршневой группе 10 осуществляют в образовавшийся между поршнем и цилиндром объем 23. Далее процессы повторяются, как и в предыдущем случае. Повторение таких циклов вызывает непрерывное вращение рабочего вала 3.

Следует заметить, что если поменять местами вход и выход механизма, то есть вращать рабочий вал 3, то поршни цилиндропоршневых групп 10 и 11 будут последовательно совершать возвратно-поступательное движение в цилиндрах, сжимая рабочую среду. При снабжении этого механизма соответствующими клапанами он будет работать в режиме насоса.

При одинаковом с прототипом ходе поршня, который определяется величиной эксцентриситета е, предлагаемый механизм имеет меньший диаметральный размер потому, что при посадке коленчатого вала на подшипниках 5 внутри отверстия 6, как это происходит в прототипе, (см. фиг.1), размер этого отверстия должен быть увеличен на разницу между внешним и внутренним диаметрами подшипника, с соответствующим увеличением диаметра рабочего вала. В предлагаемом устройстве при посадке коленчатого вала в отверстии 6 с помощью подшипников 18 снаружи на рабочий вал 3 диаметр отверстия 6 сопоставим с диаметром коленчатого вала 4. Это позволяет уменьшить диаметр рабочего вала 3 и устройства в целом. При этом несколько увеличивается осевой размер за счёт элементов наружной посадки. Но массогабаритные размеры механизма в целом будут меньше, так как они пропорциональны квадрату радиуса, и линейно зависят от длины.

Изобретение может быть использовано в механизмах преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и насосах. Бесшатунный механизм поршневой машины содержит противолежащие цилиндропоршневые группы (10), (11), корпус (1), рабочий вал (3) и коленчатый вал (4). Цилиндропоршневые группы (10), (11) связаны между собой штоками (9), оси которых расположены под углом друг к другу. В корпусе (1) на подшипниках (2) размещён рабочий вал (3) с отбором мощности в его средней части. Рабочий вал (3) имеет отверстие (6), смещённое от оси вращения рабочего вала. В отверстии (6) с возможностью вращения посажен коленчатый вал (4). Коленчатый вал (4) имеет на разных концах две противоположно расположенных шейки, сочленённые через подшипники со штоками (9). Коленчатый вал (4) с обоих концов снабжён элементами (12) и (13), жёстко соединёнными с валом. Эти элементы (12) и (13) обеспечивают наружную посадку коленчатого вала (4) на рабочий вал (6) с помощью подшипников (18). Две противоположно расположенные его шейки (15) выполнены на этих элементах. Технический результат заключается в обеспечении возможности посадки коленчатого вала на подшипниках качения и в снижении габаритов бесшатунного механизма. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бесшатунный механизм поршневой машины, содержащий противолежащие цилиндропоршневые группы, связанные между собой штоками, оси которых расположены под углом друг к другу, корпус, в котором на подшипниках размещён рабочий вал с отбором мощности в его средней части и имеющий отверстие, смещённое от оси вращения рабочего вала, в котором с возможностью вращения посажен коленчатый вал, имеющий на разных концах две противоположно расположенных шейки, сочленённые через подшипники со штоками, отличающийся тем, что коленчатый вал с обоих концов снабжён элементами, жёстко соединёнными с валом, и эти элементы обеспечивают наружную посадку коленчатого вала на рабочий вал с помощью подшипников, а две противоположно расположенные его шейки выполнены на этих элементах.

2. Бесшатунный механизм по п.1, отличающийся тем, что жёсткое соединение элементов наружной посадки с коленчатым валом обеспечено посадкой каждого элемента на конец вала и на эксцентричный выступ, выполненный на торце вала.