КРИВОШИПНО-КУЛИСНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
CRANK-AND-ROCKER PISTON MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к поршневым машинам и механизмам преобразования движения их поршней во вращение вала.
Известна кривошипно-кулисная поршневая машина, содержащая корпус, установленный в нем коленчатый вал с кривошипом, на котором посредством подшипника установлен кулисный камень, рабочие поверхности кулисного камня взаимодействуют с поверхностями кулисы, которая связана с поршнем, перемещающимся возвратно-поступательно внутри цилиндра, закрепленного на корпусе машины, при этом взаимодействующие между собой поверхности камня и кулисы выполнены в виде плоских пар трения (см. И.И.Артоболевский, Механизмы в современной технике, том 2, с.23, М., «Наука», 1979).
Недостатками известной машины являются низкая надежность работы пар трения скольжения из-за невозможности создания стабильного жидкостного слоя между контактными плоскостями при их относительном возвратно-поступательном перемещении, неблагоприятные условия взаимодействия контактных плоскостей кулисы и камня из-за недостаточной жесткости рабочей поверхности кулисы, являющейся следствием значительных габаритов кулисы в направлении, перпендикулярном направлению движения поршня, увеличенные радиальные габариты машины вследствие отдаления цилиндра от оси вращения вала из-за относительно большого размера кулисы в поперечном, указанном выше, направлении, а также повышенные потери на трение из-за неблагоприятного совпадения максимальной относительной скорости взаимодействующих поверхностей кулисы и камня с максимальным механическим воздействием в сопряжении, в частности, при использовании машины в качестве двигателя внутреннего сгорания.
Известна кривошипно-кулисная поршневая машина, содержащая корпус, установленный в нем коленчатый вал с кривошипом, на котором посредством подшипника установлен кулисный камень, рабочие поверхности кулисного камня взаимодействуют с поверхностями кулисы, которая связана с поршнем, перемещающимся возвратно-поступательно внутри цилиндра, закрепленного на корпусе машины, при этом кулисный камень выполнен в виде вращающейся втулки (см. патент США 5546897, опуб. 20.08.1996).
Условия работы катящегося по поверхности кулисы кулисного камня, с одной стороны, лучше, чем при скольжении плоскостей в традиционном кулисном механизме, однако при этом требуется соблюдение гарантированного зазора между поверхностью камня и поверхностью кулисы, противоположной действию рабочей силы, для предотвращения значительных потерь на трение скольжения камня относительно указанной поверхности кулисы. Наличие зазора приводит к снижению надежности и ресурса машины из-за появления удара в контактных поверхностях, а также из-за неизбежного явления проскальзывания камня относительно контактирующей с ним поверхности. Необходимо при этом отметить, что явление проскальзывания возникает всегда при использовании пар качения, вращение которых не синхронизировано относительно контактирующей с ними поверхности.
Известна кривошипно-кулисная поршневая машина, содержащая корпус, установленный в нем коленчатый вал с кривошипом, на котором посредством подшипника установлен кулисный камень, рабочие поверхности кулисного камня взаимодействуют с поверхностями кулисы, которая связана с поршнем, перемещающимся возвратно-поступательно внутри цилиндра, закрепленного на корпусе машины, при этом кулисный камень выполнен в виде поворотной втулки с выступами и впадинами сложной пространственной формы, синхронизированными с положением и формой ответных выступов и впадин на взаимодействующих с ним поочередно поверхностях кулисы (см. патент США 5546821, опуб. 20.08.1996).
Наличие выступов и впадин во взаимодействующих поверхностях кулисы и вращающегося кулисного камня позволяет уменьшить относительное проскальзывание взаимодействующих поверхностей при работе машины, однако, недостатком такого решения является сложность соблюдения формы и размеров контактирующих поверхностей и ненадежность работы, особенно в крайних точках кулисного камня при переходе от контакта с одной поверхностью кулисы к противоположной ее поверхности.
Наиболее близким техническим решением к заявленной машине является кривошипно-кулисная поршневая машина, содержащая корпус, установленный в нем коленчатый вал с одним кривошипом, на котором посредством подшипника установлен кулисный камень (ползун), противоположные, относительно оси вращения кривошипного подшипника, рабочие поверхности кулисного камня взаимодействуют с соответствующими рабочими поверхностями, расположенными на противоположных относительно оси вращения кривошипного подшипника частях кулисы, которая связана с поршнями, перемещающимися возвратно-поступательно внутри оппозитных цилиндров, закрепленных на корпусе машины, машина снабжена боковыми опорными элементами с контактными поверхностями, передающими на корпус реактивный крутящий момент, в качестве которых используются цилиндр и поршень, причем на взаимодействующих рабочих поверхностях кулисного камня и кулисы установлены рабочие опорные элементы с контактными поверхностями и с зубчатыми рейками, при этом между контактными поверхностями рабочих опорных элементов кулисного камня и кулисы размещены опорные катки, снабженные синхронизирующими зубчатыми колесами, зацепленными с рейками рабочих опорных элементов как кулисы, так и кулисного камня, противоположные части кулисы, на поверхностях которых установлены рабочие опорные элементы, соединены между собой при помощи продольных соединительных элементов, а длина контактной поверхности опорного элемента кулисного камня равна длине контактной поверхности опорного элемента кулисы, при этом длина контактной поверхности определяется, как расстояние в плоскости перемещения кулисного камня между крайними точками участка поверхности, передающей силовое воздействие в паре кулисный камень - кулиса (см. патент США №2312057, опуб. 23.02.1943).
Недостатками известной машины являются малые надежность и ресурс вследствие требовательности ее конструкции к высокой точности изготовления, практически не достижимой в серийном производстве. Необходимо абсолютное совпадение осей противоположных цилиндров и соблюдение условия расположения всех осей цилиндров в одной плоскости. Требуется точность выполнения размеров соединительных элементов для обеспечения перпендикулярности контактных поверхностей оси цилиндров, а также необходимо выполнение условия перпендикулярности коленчатого вала плоскости, в которой расположены оси всех цилиндров.
Техническим результатом заявленного изобретения являются повышение надежности работы машины, ее ресурса, удельных массогабаритных показателей и улучшение экономичности.
Поставленная задача достигается тем, что в кривошипно-кулисной поршневой машине, содержащей корпус, установленный в нем коленчатый вал, по меньшей мере, с одним кривошипом, на котором посредством подшипника установлен кулисный камень (ползун), противоположные, относительно оси вращения кривошипного подшипника, рабочие поверхности кулисного камня взаимодействуют с соответствующими рабочими поверхностями, расположенными на противоположных относительно оси вращения кривошипного подшипника частях кулисы, которая связана, по меньшей мере, с одним поршнем, перемещающимся возвратно-поступательно внутри цилиндра, закрепленного на корпусе машины, машина снабжена боковыми опорными элементами с контактными поверхностями, передающими на корпус реактивный крутящий момент, причем на взаимодействующих рабочих поверхностях кулисного камня и кулисы установлены рабочие опорные элементы с контактными поверхностями и с зубчатыми рейками, при этом между контактными поверхностями рабочих опорных элементов кулисного камня и кулисы размещены опорные катки, снабженные синхронизирующими зубчатыми колесами, зацепленными с рейками рабочих опорных элементов как кулисы, так и кулисного камня, противоположные части кулисы, на поверхностях которых установлены рабочие опорные элементы, связаны между собой при помощи продольных соединительных элементов, а длина контактной поверхности опорного элемента кулисного камня равна длине контактной поверхности опорного элемента кулисы, при этом длина контактной поверхности определяется, как расстояние в плоскости перемещения кулисного камня между крайними точками участка поверхности, передающей силовое воздействие в паре кулисный камень - кулиса,
согласно изобретению, поршень и кулиса соединены между собой при помощи шарнирного узла, по меньшей мере, с плоским шарниром, позволяющего поршню самоустанавливаться по поверхности цилиндра за счет перемещения относительно кулисы в любом направлении в плоскости, пересекающей продольную ось цилиндра, боковые опорные элементы установлены на взаимодействующих частях корпуса и кулисы, кривошипный подшипник выполнен с возможностью углового перемещения кулисного камня в плоскости, проходящей через ось вращения вала и перемещения кулисного камня вдоль оси вращения вала для самоустановки кулисного камня относительно кривошипа, причем связь противоположных частей кулисы и соединительных элементов выполнена с ограничением перемещения одной части кулисы относительно ее противоположной части в сторону от оси вращения вала вдоль возвратно-поступательного движения кулисы для обеспечения заданного расстояния между контактными поверхностями рабочих опорных элементов кулисы во время работы машины, при этом создают предварительную нагрузку между контактирующими поверхностями рабочих опорных элементов и катков.
Поставленная задача достигается также тем, что соединительные элементы могут быть выполнены либо заодно с противоположными частями кулисы, на которых установлены рабочие опорные элементы, либо в виде отдельных тяг, соединенных с противоположными частями кулисы, на которых установлены рабочие опорные элементы.
Поставленная задача достигается также тем, что, по меньшей мере, один рабочий опорный элемент может быть снабжен механизмом регулирования его пространственного положения для создания, по меньшей мере, предварительной нагрузки в месте контакта катков с контактными поверхностями рабочих опорных элементов.
Поставленная задача достигается также тем, что боковые опорные элементы могут быть снабжены зубчатыми рейками, между контактными поверхностями боковых опорных элементов размещены катки, снабженные синхронизирующими зубчатыми колесами, зацепленными с зубчатыми рейками боковых опорных элементов, при этом, по меньшей мере, один боковой опорный элемент, например, установленный на корпусе, снабжен механизмом регулирования его пространственного положения, по меньшей мере, для создания предварительного натяга во взаимодействующих контактных поверхностях опорных элементов и катков.
Поставленная задача достигается также тем, что шарнирный узел может быть дополнительно снабжен сферическим шарниром, позволяющим поршню изменять угол наклона его продольной оси относительно направления возвратно-поступательного перемещения кулисы.
Поставленная задача достигается также тем, что машина может быть выполнена как двухцилиндровой, при этом с поршнем соединена каждая противоположная часть кулисы, так и четырехцилиндровой, с пересекающимися осями пар цилиндров, а кулисный камень при этом выполнен с двумя парами противоположных рабочих поверхностей.
Заявленное изобретение поясняется при помощи чертежей:
На фиг.1 представлен двухцилиндровый вариант кривошипно-кулисной машины.
На фиг.2 - четырехцилиндровый вариант машины.
На фиг.3 показан вариант выполнения механизма регулирования пространственного положения опорных элементов.
На фиг.4 - вид на катки с синхронизирующими шестернями.
На фиг.5 - узел кривошипного подшипника.
На фиг.6 показан трехмерный вид на механизм в сборе.
На фиг.7 - то же, механизм с элементами.
Описываемая машина содержит корпус 1, установленный в нем коленчатый вал 2 с кривошипом 3, на котором посредством подшипника 4 установлен кулисный камень 5 (ползун). Противоположные, относительно оси 6 вращения кривошипного подшипника 4, рабочие поверхности 7 и 8 кулисного камня 5 взаимодействуют с соответствующими рабочими поверхностями 9 и 10 кулисы 11, расположенными на противоположных относительно оси 6 частях 12 и 13. При этом одна из частей, например, 12 связана с соответствующим поршнем 14, перемещающимся возвратно-поступательно внутри цилиндра 15, закрепленного на корпусе 1 машины. В двухцилиндровом варианте с оппозитным расположением цилиндров 15, каждая часть и 12, и 13 связана с соответствующим поршнем 14.
На рабочих поверхностях 7 и 8 кулисного камня 5 установлены рабочие опорные элементы 16 с контактными поверхностями 17 и зубчатыми рейками 18, а на рабочих поверхностях 9 и 10 кулисы 11 установлены рабочие опорные элементы 19 с контактными поверхностями 20 и зубчатыми рейками 21. Между контактными поверхностями 17 и 20 размещены опорные катки 22, снабженные синхронизирующими зубчатыми колесами 23, зацепленными с рейками 18 и 21.
При этом длина контактной поверхности 17 при использовании катков 22 в сопряжении всегда равна длине контактной поверхности 20. Так как длина контактной поверхности в сопряжении определяется, как расстояние в плоскости перемещения кулисного камня между крайними точками участка поверхности, передающей силовое воздействие в паре кулисный камень - кулиса, то в описываемом сопряжении длина взаимодействующих посредством катков 22 контактных поверхностей 17 и 20 определяется как сумма максимальной величины хода катка 22 между крайними точками и расстояния между осями вращения крайних катков 22 в одном сопряжении.
Противоположные части 12 и 13 кулисы 11 связаны между собой при помощи продольных соединительных элементов 24, при этом указанная связь выполнена с ограничением перемещения части 12 относительно части 13 в сторону от оси вращения вала 2 вдоль возвратно-поступательного движения кулисы 11. Такое ограничение необходимо для обеспечения заданного расстояния между контактными поверхностями 19 рабочих опорных элементов 12 и 13 кулисы 11 во время работы машины. При этом создают предварительную нагрузку или натяг в направлении возвратно-поступательного перемещения кулисы 11 между поверхностями 17 и 20 рабочих опорных элементов 16 и 19 и катков 22.
Поршень 14 и, например, часть 12 кулисы 11 соединены между собой при помощи шарнирного узла, по меньшей мере, с плоским шарниром 25, позволяющим поршню 14 самоустанавливаться по поверхности цилиндра 15 за счет перемещения относительно кулисы 11 в любом направлении в плоскости, пересекающей продольную ось цилиндра 15. Шарнир 25 с указанными степенями свободы может быть выполнен в виде байонетного соединения с радиальным зазором в соединении.
На корпусе 1 установлены боковые опорные элементы 26 с контактными поверхностями 27, снабженные зубчатыми рейками 28, а на соответствующих частях кулисы установлены боковые опорные элементы 29 с контактными поверхностями 30, снабженные зубчатыми рейками 31. Между контактными поверхностями 27 и 30 размещены катки 32, снабженные синхронизирующими зубчатыми колесами 33, зацепленными с зубчатыми рейками 28 и 31. Боковые опорные элементы 26, установленные на корпусе 1, снабжены механизмом 34 регулирования их пространственного положения. Механизм 34 позволяет создавать предварительный натяг во взаимодействующих контактных поверхностях 27, 30 и катков 32, а также корректировать положение контактных поверхностей 27 и 30 относительно траектории возвратно-поступательного перемещения кулисы 11.
Соединительные элементы 24 могут быть выполнены заодно с противоположными частями 12 и 13 кулисы 11, либо в виде отдельных тяг, скрепленных с частями 12 и 13 при помощи, например, штифтов 35.
Рабочий опорный элемент, например, 19 может быть снабжен механизмом (на чертежах не показан) регулирования его пространственного положения для создания, например, предварительной нагрузки в месте контакта катков 22 с контактными поверхностями 17 и 20 рабочих опорных элементов 16 и 19.
Шарнирный узел связи поршня 14 с кулисой 11 может быть дополнительно снабжен сферическим шарниром 36, позволяющим поршню 14 изменять угол наклона его продольной оси относительно направления возвратно-поступательного перемещения кулисы 11.
Описываемая машина работает следующим образом. Возвратно-поступательные перемещения поршней 14 преобразуются во вращение вала 2 при помощи кулисного механизма, состоящего из кулисы 11 с частями 12 и 13, соединенными при помощи элементов 24 и кулисного камня 5. При этом узлы с боковыми опорными элементами 26 и 29 воспринимают реактивный момент, возникающий при работе машины. Из-за замыкания действия реактивного момента на корпус 1 именно посредством кулисы 11, внутренняя поверхность цилиндра 15 освобождена от силовых функций передачи боковых нагрузок на корпус 1, а поршень 14 самоустанавливается по внутренней поверхности цилиндра 15, независимо от механических и термических деформаций всего механизма и корпуса 1, а также точности позиционирования частей механизма относительно корпуса 1. Такое решение особенно необходимо при введении в конструкцию регулировочного узла, например, механизма 34, а в совокупности с применением в качестве кривошипного подшипника 4, имеющего степени свободы по углу качания и в осевом направлении (тороидальные подшипники CARB фирмы SKF), оно позволяет занять кулисе 11 любое, назначенное ей при сборке пространственное положение относительно корпуса 1, не зависящее также и от деформаций и точности изготовления коленчатого вала 2. По существу машина имеет узел коленчатого вала 2, узел кулисы 11, взаимодействующей с корпусом 1, и узел цилиндропоршневой группы. Деформации деталей в каждом из указанных узлов, а также погрешности при их изготовлении не оказывают влияния на характер взаимодействия элементов в соседних узлах. И каждый узел осуществляет те функции, для которых он наилучшим образом приспособлен.
Так как длина контактных поверхностей, как рабочих, так и боковых опорных элементов, минимальна, то габариты машины во всех направлениях также минимальны. По существу при работе описываемой машины кулисный камень 5 в своих крайних положениях выходит за пределы габаритов рабочих опорных элементов 19, проходя между соединительными элементами 24. При таком выполнении кулисного механизма кулиса 11 представляет собой максимально жесткую пространственную конструкцию, позволяющую обеспечить надежность работы подвижного сопряжения при минимальном весе.
Возможность обеспечения предварительного напряжения в контактных узлах кулисы 11, камня 5 и корпуса 1 позволяет исключить удары катков 22 и 32 по соответствующим контактным поверхностям и продлить ресурс машины. При этом величина напряжения варьируется в зависимости от режимов работы машины, в частности от частоты вращения вала 2, определяющей значение инерционной силы, растягивающей части 12 и 13 кулисы 11 и уменьшающей предварительное напряжение в контактном узле кулисы 11 и камня 5. Минимальное значение предварительного напряжения при сборке машины соответствует условию выборки зазора в сопряжении.
При изготовлении кулисы 11 заодно с ее частями 12 и 13 сборка кулисы 11 с камнем 5 может осуществляться с использованием дополнительных приспособлений (на чертежах не показаны) путем, например, упругого или термического деформирования соединительных элементов 24 перед сборкой и вкатывания катков 22 между рабочими опорными элементами 16 и 19. При этом предварительный натяг создается за счет соблюдения заданного расстояния между контактными поверхностями 20, меньшего суммарного размера между поверхностями 17 и двух диаметров катков 22.
То же условие соблюдается и при сборке конструкции с раздельным выполнением соединительных элементов 24 и частей 12 и 13.
Возможно и использование в обоих вариантах выполнения кулисы 11 механизма 36, позволяющего осуществить операцию по поджатию контактного сопряжения за счет перемещения рабочего опорного элемента 19 навстречу каткам 32 и рабочему опорному элементу 16. При этом возможна и коррекция положения плоскости контактной поверхности 20, нивелирующая погрешности при изготовлении деталей кулисной группы.
В случае использования описываемой машины в качестве двухтактного двигателя внутреннего сгорания проявляется эффект компенсации газовых сил инерционными. Узким местом в традиционных двигателях при увеличении инерционной нагрузки является кривошипный подшипник (подшипник нижней головки шатуна). Если во время сгорания на него действует разница между газовой и инерционной силами, то в других мертвых точках поршня он воспринимает максимальную инерционную нагрузку. В четырехтактных двигателях это происходит в конце тактов расширения, выпуска и впуска. В случае, если установить два поршня на противоположных сторонах суммирующего механизма, функции которого в описываемом двигателе выполняет кулиса 11, и проведении в цилиндрах 15 двухтактного рабочего процесса, то в каждом крайнем положении поршней 14 на подшипник 4 будет действовать разница между газовой силой от сгорания заряда в одном цилиндре 15 и инерционной силой от перемещающихся масс двух поршней 14 и кулисы 11. То есть кривошипный подшипник 4 в двигателе с описываемой компоновкой не испытывает пиковых значений нагрузок, характерных для двигателей с классической компоновкой.
Кроме того, следует обратить внимание на проблему кривошипного подшипника в шатунном механизме. Относительная скорость взаимодействующих поверхностей подшипника шатуна является переменной из-за возвратно-качательного углового перемещения шатуна относительно оси кривошипа. Это приводит к дестабилизации масляного клина в случае применения жидкостной смазки и к разрушению сепаратора в случае применения подшипника качения.
В описываемом механизме подшипник 4 не испытывает подобного воздействия и работает в гораздо лучших условиях по сравнению с шатунными механизмами, воспринимая при этом осредненную за цикл нагрузку, т.е. нагрузку, соответствующую, практически, среднему эффективному давлению.
Таким образом, конструкция механизма преобразования описываемой машины, а также компоновка с оппозитным поршнем, позволяют значительно отодвинуть предел ее работы по частоте вращения вала и по значениям рабочих нагрузок, действующих на поршень, при приемлемом ресурсе машины.
В описываемой машине только одна пара трения скольжения: поршневое кольцо - цилиндр. В остальных взаимодействующих парах - только трение качения, что значительно уменьшает механические потери при работе машины, особенно в качестве двигателя внутреннего сгорания. При этом не требуется подача смазки под давлением. Последнее обстоятельство позволяет значительно облегчить запуск двигателя, особенно в экстремальных условиях севера и после авиационной перевозки боевой техники.
Компоновка с двумя парами цилиндров позволяет использовать всего один кривошип для привода четырех поршней, что значительно улучшает удельные массогабаритные параметры машины.