АКСИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
AXIAL MECHANISM OF PISTON MACHINES

Изобретение относится к механике, в частности к поршневым машинам, и может быть использовано в их конструкциях в качестве механизма преобразования движения.
Известен двигатель, содержащий, по крайней мере, пару параллельных цилиндров, в котором пальцы обоймы, выполненные со сферическими опорными поверхностями, сопряжены со штоками поршней посредством ползунов, совершающих при работе сложное движение - проворачивание на сферических опорах и радиальное смещение внутри штоков поршней, патент США №4489682.
Недостатком механизма является сложность конструкции сферических опорных поверхностей и повышенные требования к точности их исполнения.
Известен бесшатунный механизм с качающейся шайбой, содержащий корпус с цилиндрами, установленные в цилиндрах поршни со штоками, смонтированный в корпусе параллельно цилиндрам с возможностью вращения вал, установленную на валу с возможностью вращения наклонную шайбу, имеющую кинематическую связь со штоками и закрепленный на шайбе опорный палец с осью, проходящей через точку пересечения вала и шайбы, снабженный закрепленным на шайбе параллельно опорному боковым пальцем и установленными в штоках с возможностью вращения опорной и с возможностью вращения и перемещения вдоль своей оси вращения боковой кулисами, при этом оси вращения кулис перпендикулярны штокам, а в кулисах выполнены перпендикулярно их осям вращения цилиндрические отверстия, в которых размещены с возможностью относительного осевого перемещения и вращения соответствующие пальцы, патент RU №2085792, F16H 23/04, 1997 (прототип).
Недостаток прототипа - концентрация боковых сил, передаваемых косой шайбе от всех поршней, участвующих в преобразовании движения в одном пальце, одной опорной кулисе и одном штоке поршней, что может привести к повышенному их износу по сравнению с остальными, не удерживающими косую шайбу от вращения. В прототипе для механизма не предусмотрено многоцилиндровое исполнение и не указан способ динамического балансирования перемещающихся масс.
Задача изобретения состоит в создании простого в исполнении, компактного и сбалансированного механизма преобразования движения (аксиального механизма поршневой машины), в котором боковые силы, передаваемые поршнями косой шайбе были бы распределены равномерно и с низкими потерями на трение, который в процессе работы поршневой машины с целью управления рабочим процессом позволял бы изменять угол наклона косой шайбы и как следствие - величину хода поршней. Такой механизм мог бы найти применение в конструкциях двигателей внутреннего сгорания (ДВС), двигателей с внешним подводом теплоты, компрессоров и других поршневых машин.
Технический результат достигается тем, что аксиальный механизм поршневой машины, содержащий установленный в корпусе с возможностью вращения вал, на котором установлена косая шайба, содержащая одну или несколько параллельных между собой шеек, оси которых пересекаются с осью вала, при этом на них шарнирно, на телах качения, или посредством антифрикционных вкладышей, установлены одна или две обоймы, имеющие в диаметральной плоскости по обе стороны своих осей пальцы с совпадающими осями, пересекающимися с осями обойм, шарнирно сопряженные, посредством кулис, со штоками поршней, помещенных в цилиндры, расположенные в корпусе по обе стороны косой шайбы вдоль оси вала попарно, по числу обойм, вокруг и параллельно ему, каждая пара в одной с ним плоскости, отличающийся тем, что оба пальца обойм, являясь опорными, в сопряжении, посредством кулис, со штоками поршней имеют возможность вращения и перемещения в отверстиях кулис вдоль их осей, а в кулисах, перпендикулярно их осям, выполнены пальцы с возможностью вращения в отверстиях штоков поршней без возможности осевого перемещения.
На фиг.1 изображен аксиальный механизм поршневой машины, вид со стороны вала, исполненный с одной косой шайбой с установленной на ней одной обоймой.
На фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 изображен разрез Б-Б на фиг.1.
На фиг.4 изображен разрез В-В на фиг.3.
На фиг.5 изображен разрез в плоскости, проходящей через ось вала, аксиального механизма поршневой машины, исполненного с одной косой шайбой с установленными на последней двумя обоймами, выполненный с возможностью изменения угла наклона косой шайбы, в положении оси ее шейки выровненной так, что ось шейки совпадает с осью вала.
На фиг.6 изображен разрез Г-Г на фиг.5.
На фиг.7 изображен вид в аксонометрии сборки двух обойм с подшипниками на телах качения, принадлежащих аксиальному механизму поршневой машины, в котором, для наглядности, элементы разнесены.
На фиг.8 изображен разрез в плоскости, проходящей через ось вала, аксиального механизма поршневой машины, исполненного с одной косой шайбой с установленными на последней двумя обоймами, выполненный с возможностью изменения угла наклона косой шайбы, в положении оси ее шейки повернутой на предельный угол.
На фиг.9 изображен аксиальный механизм поршневой машины с двумя косыми шайбами, имеющими по четыре шейки для обойм, в котором встречно движущиеся поршни в цилиндрах с совпадающими осями, установленных (выполненных) в корпусе, имеют общие камеры сжатия, а соседние цилиндры установлены (выполнены) в корпусе на разном уровне.
На фиг.10 изображен упрощенный общий вид в аксонометрии аксиального механизма поршневой машины с одной косой шайбой, которая имеет две шейки для обойм с установленными на каждой шейке двумя обоймами, на котором корпус с установленными (выполненными) цилиндрами одной из сторон, для наглядности, не показан, в котором соседние цилиндры установлены (выполнены) в корпусе на одном уровне, а штоки поршней дополнительно оснащены направляющими прямолинейного движения.
На фиг.11 изображен вид Д (вид со стороны оси вала) аксиального механизма поршневой машины, изображенного на фиг.10.
На фиг.12 изображен разрез Е-Е на фиг.11.
На фиг.13 изображен разрез Ж-Ж на фиг.11.
На фиг.14 изображен выносной элемент З на фиг.11.
Аксиальный механизм поршневой машины, исполненный с одной косой шайбой с установленной на ней одной обоймой, содержит (см. фиг.1 - фиг.4) корпус 1, состоящий из частей 1-1 и 1-2, в котором установлены цилиндры 2. В корпусе 1 на подшипниках (не показаны) помещен вал 3, на котором установлена косая шайба 4, состоящая из частей 4-1 и 4-2. На шейках косой шайбы 4-1 и 4-2 на телах качения (шарики, ролики) 5 установлена обойма 6. Пальцы, выполненные в обойме 6 и являющиеся элементами ее конфигурации, имеют совпадающие оси "Л" и "М", перпендикулярные оси обоймы и пересекающие ее шарнирно сопряжены с кулисами 7, а последние - шарнирно сопряжены со штоками 8 поршней 9 и 10, причем отверстие шарнира в штоках 8 выполнено в их середине.
Аксиальный механизм поршневой машины, исполненный с одной косой шайбой с установленными на последней двумя обоймами, выполненный с возможностью изменения угла наклона косой шайбы, содержит (см. фиг.5 - фиг.8) корпус 1, состоящий из частей 1-1 и 1-2, в котором установлены цилиндры 2. В корпусе 1 на подшипниках (не показаны) помещен вал 3, на котором установлена косая шайба 4, состоящая из частей 4-1 и 4-2. На шейках косой шайбы 4-1 и 4-2 на телах качения (шарики, ролики) 5 установлены обоймы 6 и 22, последняя, состоящая из частей 22-1 и 22-2. Пальцы, выполненные в обойме 6 и являющиеся элементами ее конфигурации, имеют совпадающие оси "Л" и "М", перпендикулярные оси обоймы и пересекающие ее. Пальцы, выполненные в обойме 22, являющиеся элементами конфигурации обоймы 22, имеют совпадающие оси "Н" и "П", перпендикулярные оси обоймы и пересекающие ее. Пальцы обеих обойм шарнирно сопряжены с кулисами 7, а последние - шарнирно сопряжены со штоками 8 поршней 9 и 10. На валу 3 перпендикулярно его оси выполнено отверстие, в которое установлен вал 11, который сопряжен с отверстием, выполненным в косой шайбе 22 перпендикулярно ее оси. В косую шайбу установлены пальцы-вкладыши 12, которые посредством серег 13, тяг 14, проходящих через втулки штоков тяг 15, имеющих уплотнения 16, соединены с поршнем 17, имеющим уплотнения 18. Заглушки 19, 20 герметизируют полости управляющих цилиндров 21.
Аксиальный механизм поршневой машины, исполненный с двумя косыми шайбами, имеющими по четыре шейки для обойм, в котором встречно движущиеся поршни в цилиндрах с совпадающими осями, установленных (выполненных) в корпусе, имеют общие камеры сжатия, а соседние цилиндры установлены (выполнены) в корпусе на разном уровне, содержит (см. фиг.9) те же элементы, что и аксиальный механизм поршневых машин, исполненный с одной косой шайбой (см. фиг.1 - фиг.4), обозначенные поз.1 - поз.10. В данном механизме косая шайба 4 состоит из частей 4-1, 4-2, 4-3, 4-4. На шейках каждой части установлены обоймы 6.
Аксиальный механизм поршневой машины, исполненный с двумя косыми шайбами, в котором встречно движущиеся поршни в цилиндрах с совпадающими осями, установленных (выполненных) в корпусе, имеют раздельные камеры сжатия отличается от механизма, изображенного на фиг.9, тем, что расстояние вдоль вала между противоположными косыми шайбами увеличено. Графическая фигура для иллюстрации такого исполнения механизма не приведена.
Аксиальный механизм поршневой машины, исполненный с одной косой шайбой, которая имеет две шейки для обойм с установленными на каждой шейке двумя обоймами, в котором соседние цилиндры установлены (выполнены) в корпусе на одном уровне, а штоки поршней дополнительно, оснащены направляющими прямолинейного движения, содержит (см. фиг.10 - фиг.14) элементы поз.1 - поз.10, как и механизмы других исполнений. Дополнительные направляющие прямолинейного движения 28 закреплены в частях корпуса 1-1 и 1-2 и сопряжены с вкладышами 29, закрепленными посредством пальцев 30 на штоках 8 поршней 9 и 10. Вкладыши 29 сопряжены также с направляющими гильзами 31. Соседние штоки 8 поршней 9 и 10 сопряжены антифрикционными накладками 32 и 33 в паре, имеющими низкий коэффициент трения и находящимися во взаимном контакте.
Аксиальный механизм поршневой машины на примере механизма, исполненного с одной косой шайбой с установленной на ней одной обоймой, работает следующим образом (см. фиг.1, фиг.4).
Поршни 9 и 10, скрепленные штоками 8, совершая возвратно-поступательные движения в цилиндрах 2, установленных (выполненных) в корпусе 1, посредством кулис 7, сопрягающих штоки 8 и пальцы, являющиеся элементами конфигурации обоймы 6, выполненные в совпадающих осях "Л" и "М", воздействуют на обойму 6, шарнирно установленную на шейках косой шайбы 4, насаженной на вал 3. Обойма, совершая движения качания вдоль оси вала 3 и возвратно-вращательные вокруг совпадающих осей "Л" и "М", принадлежащих ей пальцев, вращает косую шайбу 4, а с ней и вал 3. В обратной последовательности, вращающийся вал 3 с насаженной на него косой шайбой 4, посредством качающейся с вращением обоймы 6, в которой в совпадающих осях "Л" и "М" выполнены пальцы и кулис 7 передает движения на штоки 8 поршней 9 и 10, заставляя их совершать возвратно-поступательные движения в цилиндрах 2, установленных (выполненных) в корпусе 1.
Работа аксиального механизма поршневой машины, изображенного на фиг.5 - фиг.8 отличается тем, что с целью управления рабочим процессом в нем предусмотрена возможность изменения угла наклона косой шайбы и как следствие - величины хода поршней, что, например, в поршневой машине ДВС позволяет управлять степенью сжатия или даже останавливать движения поршней в цилиндрах при вращающемся вале, когда косая шайба выровнена и ее ось вращения совпадает с осью вращения вала. Управление углом наклона косой шайбы происходит следующим образом. По каналам "а" или "б" управляющее рабочее тело (жидкость) подается в полости 21 над или под поршнями 17. Поршни 17, перемещаясь, заставляют связанную с ними посредством тяг 14, серег 13 и пальцев-вкладышей 12 косую шайбу 4 изменять угол наклона по отношению к оси вала 3. Привод тяг 14 может быть гидравлическим, рычажным или иным, обеспечивающим их осевое перемещение в теле вала 3. Механизм в крайних положениях, когда косая шайба выровнена или повернута на предельный угол, обеспечивает устойчивое состояние составляющих его элементов ввиду примыкания боковых поверхностей серег 13 к соответствующим поверхностям гнезд для них, выполненных в теле вала 3.
Работа поршневой машины с аксиальным механизмом преобразования движения, изображенным на фиг.9, динамически сбалансирована встречными движениями перемещающихся масс (поршней в цилиндрах с совпадающими осями). Машина в таком исполнении отличается компактностью. Две косые шайбы с четырьмя шейками для обойм установлены на вал таким образом, что они имеют одинаковые углы наклона по отношению к оси вала, при этом их биссектральная плоскость перпендикулярна оси вала, а движения поршней в цилиндрах с совпадающими осями происходит в противофазе.
Работа аксиального механизма поршневой машины с одной косой шайбой, которая имеет две шейки для обойм с установленными на каждой шейке двумя обоймами, в котором соседние цилиндры установлены (выполнены) в корпусе на одном уровне (см. фиг.10 - фиг.14) отличается тем, что штоки поршней дополнительно оснащены направляющими прямолинейного движения, что позволяет снять боковые силы со стенок поршней и равномерно перераспределить их между направляющими прямолинейного движения, установленными в корпусе, сопряженными с антифрикционными накладками, установленными на штоках поршней. Дополнительные направляющие прямолинейного движения 28 закреплены в частях корпуса 1-1 и 1-2 и сопряжены с вкладышами 29, закрепленными посредством пальцев 30 на штоках 8 поршней 9 и 10. Вкладыши 29 сопряжены также с направляющими гильзами 31. Соседние штоки 8 поршней 9 и 10 сопряжены антифрикционными накладками 32 и 33 в паре, имеющими низкий коэффициент трения и находящимися во взаимном контакте. При этом взаимодействие между ними происходит на меньших взаимных скоростях, чем взаимодействие с направляющими, установленными в корпусе, что уменьшает потери на трение от воздействия боковых сил в цепи: пальцы обойм - кулисы - штоки поршней - поршни. В данном исполнении механизма отверстие шарнира в штоках 8 смещено от середины штоков на расстояние, равное половине расстояния между совпадающими осями "Л", "М" и "Н", "П" пальцев, являющихся элементами конфигурации обойм 6 и 22, установленных на соседних шейках косой шайбы 4, состоящей из частей 4-1 и 4-2, причем отверстия шарниров в штоках поршней 9 и 10, принадлежащих цепи обойм разного уровня, смещены противоположно.