Аксиально-поршневой двигатель Советский патент 1992 года по МПК F01B3/00 F02B75/26 

женную на кривошип вала, причем ось симметрии цилиндрической втулки 10 непараллельна оси кривошипа, механизм для дискретного изменения угла наклона качающейся шайбы, вторую цилиндрическую втулку 11. подвижно установленную на цилиндрической втулке 10, с осью симметрии, непараллельной осям первой втулки и кривошипа. Вторая цилиндрическая втулка 11 кинематически связана с механизмом для непрерывного изменения угла наклона качающейся шайбы 14. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение м.б. использовано в двига- телестроении, в компрессоро-и насосостро- ении. Двигатель содержит цилиндры 1, поршни 2, шатуны 8, качающуюся шайбу 14, коленчатый вал 2 с наклонным кривошипом, цилиндрическую втулку 10, подвижно наса

Изобретение относится к двигателест роению, а именно к транспортным энергетическим установкам с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, и может быть использовано также в компрессоре- и насосостроении и в двигателях Стрилинга.

Известны аксиально-поршневые двигатели (АПД), называемые также двигателями барабанного типа (ДБТ), одним из преимуществ которых является возможность изме- нения степени сжатия. Это приводит к снижению эксплуатационного расхода топлива на 20% при перемене степени сжатия в связи с изменением режимов работы данного двигателя и на 30-50% при изменении степени сжатия внутри термодинамического цикла.

Недостатком данного способа изменения степени сжатия является сопутствую- . щее изменение хода поршня. Во втором случае должен применяться механизм преобразования движения поршневой АПД во вращение вала, содержащий профильную кулачковую шайбу, которая конструктивно и технологически является сложной деталью, а ее долговечность трудно обеспечивается.

Наиболее близким к предлагаемому является двигатель, который содержит корпус с неподвижным блоком цилиндров, установленных параллельно коленчатому валу и вокруг него, коленчатый вал с наклонным кривошипом, качающуюся шайбу. Последняя посредством карданного подвеса подвижно сочленяется с неподвижным корпусом и через подвижную втулку также подвижно с кривошипом коленчатого вала.

Поршни подвижно сочленены с шатунами, которые кинематически связаны с качающимися рычагами, контактирующими с корпусом, причем точка контакта может пе- ремещаться относительно корпуса. Качающаяся шайба кинематически связана с дополнительными шатунами посредством шаровых шарниров, связанных с качающимися рычагами, а последние - с шатунами поршней.

В соединении качающейся шайбы с кривошипом коленчатого вала установлена втулка, образующая которой непараллельна оси наклонного кривошипа. Оси симмет-

рии втулки и кривошипа пересекаются в одной точке. В этой же точке оси вращения коленчатого вала и карданного подвеса. При повороте втулки относительно оси наклонного кривошипа изменяется суммарный угол наклона качающейся шайбы относительно корпуса двигателя. В результате этого изменяется величина хода поршня и степени сжатия двигателя. Для возможности независимого регулирования степени сжатия и хода поршня предусмотрено перемещение относительно корпуса двигателя точки контакта с ним (корпусом) рычагов, сочленяющихся и дополнительный шатуны.

Недостатком известного двигателя является возможность изменения хода поршня только при перемене скоростных и нагрузочных режимов его работы. Указанная конструкция не позволяет реализовать переменность степени сжатия в течение термодинамического цикла, что способствует дополнительной экономии топлива и улучшению экологических показателей энергетической установки с двигателем.

Целью изобретения является повышение эффективности рабочего процесса.

Указанная цель достигается тем, что двигатель снабжен механизмом непрерывного изменения угла наклона качающейся шайбы, второй цилиндрической втулкой с наклонной боковой поверхностью, установленной на первой цилиндрической втулке с возможностью их взаимного поворота, причем вторая цилиндрическая втулка кинематически связана с механизмом непрерывного изменения угла наклона качающейся шайбы, а оси симметрии первой и второй втулок пересекаются между собой на оси вращения коленчатого вала а центре карданного подвеса. При этом оси первой и второй цилиндрической втулок непараллельны между собой и приводятся во вращение назависимо одна от другой от механизмов для дискретного и для непрерывного вращений.

Предлагаемое устройство отличается наличием цилиндрической наклонной втулки, непрерывно приводимой в движение от механизма изменения угла наклона качающейся шайбы в пределах длительности термодинамического цикла.

Втулки сопряжены с шейкой коленчатого вала. Однако их включение в конструкцию в указанной взаимосвязи позволяет изменять угол наклона качающейся шайбы как при переходе с одного скоростного и нагрузочного режима работы двигателя на другой, так и в пределах длительности термодинамического цикла.

На чертеже показана конструкция аксиально-поршневого двигателя, в котором величины степени сжатия и хода поршня изменяются в течение термодинамического цикла и при перемене скоростного или нагрузочного режимов работы независимы друг от друга.

Устройство аксиально-поршневого двигателя содержит цилиндры 1, расположенные параллельно оси вращения коленчатого вала 2 и вокруг него на неподвижном корпусе 3. Корпус 3 содержит также коренные опоры 4, подвижно сопрягаемые с коренными шейками 5 и 6 коленчатого вала. Шейки 5 и 6 выполнены полыми и содержат центральные сквозные отверстия, соосные оси вращения. Внутренняя поверхность этих отверстий может иметь покрытие из подшипникового материала. В цилиндрах 1 содержатся поршни 7, шарнирно сочлененные с шатунами 8. Последние снабжены узлами 9 для шарнирного соединения с поршнями и качающейся шайбой. В частности, такие узлы 9 могут быть выполнены в виде сферических шарниров,

На наклонном кривошипе 2 коленчатого вала подвижно установлены две цилиндрические втулки 10 и 11. Втулка 10 может поворачиваться вокруг оси наклонной кривошипной шейки, а втулка 11 - вокруг втулки 10. Обе цилиндрические втулки выполнены в виде цилиндрических деталей со сквозными отверстиями, посредством которых данная втулка контактирует либо с наружной поверхностью кривошипа, либо с внутренней поверхностью втулки 11 без зазоров. В составе движения- образующая наружной поверхности второй цилиндрической втулки 11 непараллельна оси цилиндрической втулки 10 и оси кривошипа, а ось цилиндрической втулки 10 непараллельна оси кривошипа. Оси обеих втулок и ось кривошипа пересекаются в одной точке, через которую проходят ось вращения коленчатого вала и оси цапф карданного подвеса. Каждая втулка имеет жестко связанный с ней зубчатый венец с коническими зубьями: на цилиндрической втулке Юустановлен венец 12, а на второй цилиндрической втулке 11 - венец 13.

С корпусом 3 двигателя, шатунами В и наружной поверхностью второй цилиндрической втулки 11 подвижно связана качающаяся шайба 14. Ее сочленение с второй

5 цилиндрической втулкой 11 соответствует типу цилиндрический шарнир, с шатунами 8 определяется типом узлов 9 (например, при выполнении последних в виде сферических шарниров осуществляется в виде сфериче10 ских подпятников), а соединение с корпусом реализуется посредством сферического приводного механизма, который определяет особенности движения качающейся шайбы. В частности, такой механизм может быть

15 реализован в виде карданного подвеса, состоящего из двух пар цапф 15 и 16, причем каждая пара цапф имеет общую продольную ось, эти оси перпендикулярны, а обе пары лежат в одной плоскости, и крестови0 ны 17, выполненной в виде кольца. Посредством цапф 15 качающаяся шайба 14 сочленена с крестовиной 17, а при помощи цапф 16 крестовина 17 вместе с качающейся шайбой 14 подвижно присоединена к корпу5 су 3 двигателя.

Двигатель содержит дополнительно механизм для дискретного изменения угла наклона шайбы при переходе двигателя с одного режима работы на другой, а также

0 механизм для непрерывного изменения угла наклона шайбы по углу поворота коленчатого вала в пределах продолжительности термодинамического цикла. Механизм для непрерывного изменения уг5 ла наклона шайбы в пределах термодинамического цикла содержит ось 18. подвижно установленную в полости коренной шейки 6 коленчатого вала и имеющую возможность совершать вращение относительно шейки

0 6. В частности ось 18 может опираться на внутреннюю поверхность коренной шейки 6 как на подшипник. Ось 18 на обоих концах содержит жестко скрепленные с ней конические зубчатые колеса 19 и 20. Зубчатое

5 колесо 19 сцеплено с коническим зубчатым

венцом 13 второй цилиндрической втулки

шестерней 21, насаженной на один конец

промежуточного валика 22, на противопо0 ложном конце которого неподвижно по от- - ношению к нему установлена другая шестерня 23. находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 24 на торце полой коренной шейги 6 коленчатого вала. Промежуточ5 ный валик 22 подвижно установлен в корпусе двигателя 3.

Механизм для дискретного изменения угла наклона качающейся шайбы при перемене режимов работы двигателя содержит ось 25, проходящую в полости коренной

шейки 5 коленчатого вала соосно последнему и может опираться на внутреннюю поверхность коренной шейки 5 как на подшипник. На обоих концах оси 25 неподвижно по отношению к ней установлены конические зубчатые колеса 26 и 27. Колесо 26 сцеплено с зубчатым венцом 12 цилиндрической втулки 10, з колесо 27 находится в зацеплении с шестернями 30, жестко насаженными на промежуточные валики 31. Последние с противоположной стороны имеют жестко насаженные шестерни 32, которые сцеплены с коническим венцом зубчатого колеса 33. Последнее содержит цилиндрический венец с внутренней нарезкой зубьев, а обод колеса 33 подвижно контактирует с неподвижным корпусом двигателя, причем в этом контакте установлены подшипниковые элементы 34.

Внутренняя зубчатая нарезка колеса 33 сцеплена с промежуточными шестернями 35, подвижно насаженными на оси 36, которые жестко закреплены в неподвижном корпусе двигателя. Промежуточные шестерни 35 сцеплены с зубчатым колесом 37, жестко установленным на торце коренной шейки-5 коленчатого вала. Промежуточные валики 31 подвижно установлены в рычагах водила 38 соосного коленчатому валу, имеющему на своей оси зубчатое колесо 39, связанное через шестерню 40 и валик управления 41 с органом 28 управления. Крутящий момент передается потребителю фланцем 29.

Двигатель работает следующим образом.

При расширении в цилиндрах 1 продуктов сгорания топлива поршни 7 движутся в сторону нижних мертвых точек и через шатуны 8 передают усилия на качающуюся шайбу 14. Последняя суммирует усилия всех поршней и преобразует их движение во вращение коленчатого вала 2, совершая при этом сферическое движение. Последнее при сочленении шайбы с корпусом двигателя карданным подвесом складывается из двух вращений вокруг пересекающихся осей. В относительном движении шайба 14 вращается вокруг оси цапф 15 относительно крестовины 17, а в переносном движении шайба 14 вместе с крестовиной 17 вращается относительно корпуса 3 двигателя вокруг оси цапф 16. При сферическом движении качающейся шайбы ее элемент, соединяемый с второй цилиндрической втулкой 11, совершает движение по окружности и через цилиндрические втулки 10 и 11 приводит во вращение вал.

При постоянном режиме работы двигателя втулка 10 сохраняет неизменное положение по отношению к кривошипу 2

коленчатого вала. Тем самым определяется среднее значение степени сжатия, величина которого определяет эксплуатационный режим топлива. Вместе с вращением коленчатого вала в связи с зацеплением колес 37 и 35 приводится во вращение шестерня 33. При постоянности режима работы двигателя водило 38 неподвижно, тогда при вращении колес 32 и 30 на осях 31 во вращение

0 приводится колесо 27 на оси 25. Колесо 26 на противоположном конце оси 25, будучи сцепленным с зубчатым венцом 12, приводит во вращение цилиндрическую втулку 10 относительно неподвижного корпуса так,

5 что ее положение относительно оси наклонного кривошипа остается неизменным.

Одновременно при зафиксированном значении средней степени сжатия на данном постоянном режиме работы двигателя

0 изменяется текущее значение степени сжатия в пределах длительности термодинамического цикла. При этом от шестерни 24 на торце коленчатого вала приводится колесо 23 с-промежуточным валиком 22 и шестер5 ней 21. Благодаря зацеплению последней с колесом 20 на оси 18 приводится во вращение шестерня 19, а от нее через зубчатый венец 13 - вторая цилиндрическая втулка 11. Последняя и на установившемся режиме

0 работы двигателя совершает вращение относительно кривошипа. При этом в пределах цикла меняется угол наклона шайбы к оси вращения вала и, следовательно, текущее значение степени сжатия.

5 Передаточные отношения всех зубчатых зацеплений выбраны таким образом, что на установившемся режиме работы угловая скорость цилиндрической втулки 10 равна угловой скорости коленчатого вала, а

0 угловая скорость второй цилиндрической втулки 11 относительно кривошипа в четырехтактном двигателе в 2 раза меньше, а в двухтактном двигателе равна угловой скорости коленчатого вала.

5

При перемене скоростного или нагрузочного режима работы двигателя изменяется среднее значение степени сжатия. При этом растормаживается валик 41 управле0 ния с колесом 40 и сообщается некоторая угловая скорость водилу 38. Благодаря этому нарушается равенство угловых скоростей коленчатого вала и цилиндрической втулки 10 относительно корпуса двигателя.

5 При этом цилиндрическая втулка 10 изменяет свое положение относительно кривошипа, что.соответствует изменению среднего значения угла наклона шайбы к оси вращения вала. Работа второй цилиндрической втулки 11 при этом не изменяется.

Применение предлагаемого двигателя позволит расширить сортамент использованных топлив, повысить эффективность их использования в условиях относительно несложной конструкции, улучшить тяговые соойства энергетической установки с аксиально-поршневым двигателем.

Формула изобретения 1. Аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус с неподвижным блоком цилиндров, поршнями, шатунами, коленчатый вал с наклонным кривошипом, качающуюся шайбу, установленную в корпусе при помощи карданного подвеса и кинематически связанную с шатунами и наклонным кривошипом, цилиндрическую втулку, размещенную соосно с качающейся шайбой с возможностью их взаимного поворота относительно общей оси и подвижно установленную на наклонном кривошипе так, что ось отверстия цилиндрической втулки совпадает с осью наклонного кривошипа и пересекается с осью симметрии цилиндрической втулки и качающейся шайбы в центре карданного подвеса, причем цилиндрическая втулка соединена с механизмом дискретного изменения угла наклона качающейся шайбы, а шатуны шарнирно связаны с поршнями и качающейся шайбой, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности рабочего процесса, двигатель снабжен механизмом непрерывного изменения угла наклона качающейся шай- бы, второй цилиндрической втулкой, установленной на первой цилиндрической втулке с возможностью их взаимного поворота, причем вторая цилиндрическая втулка кинематически связана с механизмом непрерывного изменения угла наклона качающейся шайбы, а оси симметрии первой и второй цилиндрических втулок пересекзются между собой в центре карданного подвеса.

установленным внутри полой коренной

шейки коленчатого вала, причем один конец

центрального вала кинематически соединен

с второй цилиндрической втулкой, а другой конец центрального вала кинематически связан с коленчатым валом.