БЕСКРИВОШИПНАЯ ПОРШНЕВАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА-ДВИГАТЕЛЬ
AXIAL PISTON THERMAL ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии в автомобилях, тракторах и других машинах.
Известны конструкции бескривошипных тепловых поршневых машин, в частности бескривошипный двигатель внутреннего сгорания (RU №2156871, F02B 75/26, F01B 9/06, заявл. 18.05.1999, опубл. 27.09.2000), содержащий гильзу, цилиндр, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня. На выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие. Один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний конец юбки поршня. Основными недостатками данного двигателя являются следующие: сложная конструкция поршня, обусловленная выполнением на его боковой поверхности профилированного паза, образующего беговую дорожку механизма преобразования движения; повышенные тепловые и механические деформации, обусловленные конструкцией поршня, что повышает вероятность клинения тел вращения, перемещающихся по беговой дорожке, и самого поршня. Названное обуславливает повышенные механические потери и снижение механического коэффициента полезного действия двигателя в первую очередь на режимах полных нагрузок, а также может стать причиной выхода из строя механизма преобразования движения на режимах частичных нагрузок, ввиду установки пружины, отрегулированной под номинальный режим работы двигателя.
Наиболее близким решением к заявляемому является конструкция бескривошипного двигателя внутреннего сгорания по патенту (RU №2264546, F02B 75/26, F01B 3/04, заявл. 08.04.2004, опубл. 20.11.2005). Двигатель содержит цилиндр, гильзу, поршень, ступенчатый выходной вал, одна из ступеней которого соединена с поршнем посредством оси. На выходной вал опирается одним из своих концов пружина. Ступень выходного вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень. В стенках стакана выполнен сквозной радиальный канал, сообщающийся с впускной полостью двигателя. Торец стакана выполнен в виде криволинейной поверхности. На противоположных концах оси (цапфах), соединяющей поршень с валом, установлено по два подшипника качения. Внутренние по отношению к поршню подшипники опираются на криволинейную поверхность выходного вала, а наружные расположены в прямолинейных канавках корпуса. Второй конец пружины закреплен на оси подшипников.
Основными недостатками такого двигателя являются: сложная конструкция поршня и увеличенные габариты, что обусловлено достаточно большим количеством подшипников, а также необходимостью соединения поршня посредством пальца и пружины с выходным валом; нагруженность поршня крутящими усилиями; сложная конструкция механизма преобразования движения, повышенная нагрузка на подшипники грузового вала из-за непосредственного воздействия на них усилий со стороны поршня, особенно в период реализации рабочего хода поршня.
В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности работы двигателя за счет снижения тепловых деформаций поршня, а также в упрощении конструкции двигателя и уменьшении габаритов.
Решение технической задачи достигается тем, что в бескривошипной поршневой тепловой машине-двигателе, содержащей поршень, установленный в гильзу цилиндра, закрепленного на корпусе с внутренней цилиндрической вставкой, ступенчатый выходной вал, связанный с поршнем посредством механизма преобразования движения, согласно изобретению поршень выполнен осесимметричным, наружная поверхность которого образована совокупностью линейных образующих, и соединен с механизмом преобразования движения штоком, верхняя головка которого закреплена в подшипнике, установленном на внутренней поверхности днища поршня, а другим концом шток жестко соединен с кареткой механизма преобразования движения, установленной на оси в подшипниках качения, опирающихся на беговую дорожку механизма преобразования движения, при этом одна из поверхностей беговой дорожки выполнена на нижней торцевой поверхности верхней части цилиндрической вставки корпуса, а другая - на верхней торцевой поверхности нижней части цилиндрической вставки корпуса, кроме того, ступень выходного вала, связанная с поршнем через каретку механизма преобразования движения, выполнена в виде вилки.
Выполнение поршня осесимметричной формы и соединение его через упорный подшипник посредством штока с кареткой механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение грузового вала создает при уменьшении габаритов более низкие тепловые деформации поршня, обеспечивает хорошие пусковые качества, практическое отсутствие осевых нагрузок на грузовой вал (вал воспринимает и передает только вращательные нагрузки).
Предлагаемая бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель обеспечивает следующие преимущества:
- создание условий для снижения уровня тепловых и механических деформаций поршня машины-двигателя, что способствует снижению трения и механических потерь в двигателе, повышает его механический и эффективный кпд;
- поршень машины-двигателя разгружен от усилий, формирующих крутящий момент двигателя, что способствует повышению его надежности;
- упрощение конструкции поршня и механизма преобразования движения способствует снижению массы и габаритов машины-двигателя;
- снижение тепловых и механических напряжений, обусловленное осесимметричной конструкцией поршня, повышает надежность работы машины-двигателя.
Особенность машины-двигателя в том, что поршень связан с кареткой механизма преобразования движения посредством штока, верхняя головка которого жестко закреплена в подшипнике, установленном на внутренней поверхности днища поршня, что позволяет реализовать при возвратно-поступательном движении поршня вращательное движение оси и каретки механизма преобразования движения и выходного вала машины-двигателя. При этом поршень не нагружен крутящими усилиями.
Конструкция предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез поршневой тепловой машины; на фиг.2 представлена схема конструкции выходного вала.
Бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель содержит поршень 1, установленный в гильзу 2 цилиндра 3, закрепленного на корпусе 4 с внутренней цилиндрической вставкой 5, ступенчатый выходной вал 6, связанный с поршнем посредством механизма преобразования движения. Поршень соединен с механизмом преобразования движения штоком 7, верхняя головка которого закреплена в подшипнике 8, установленном на внутренней поверхности днища поршня. Другим концом шток жестко сочленен с кареткой 9 механизма преобразования движения, установленной на оси 10 в подшипниках качения 11, опирающихся на беговую дорожку механизма преобразования движения. Одна поверхность а беговой дорожки выполнена на нижней торцевой поверхности верхней части 12 цилиндрической вставки 5 корпуса 4, а другая поверхность б беговой дорожки выполнена на верхней торцевой поверхности нижней части 13 цилиндрической вставки 5 корпуса 4. Выходной вал 6 установлен на двух подшипниках 14 и 15 в корпусе 4 и крышке корпуса 16.
Запрессованная в корпус 4 цилиндрическая вставка 5 выполнена из двух частей 12 и 13, торцевые поверхности а и б которых, обращенные друг к другу, выполнены криволинейными и образуют замкнутый криволинейный паз беговой дорожки. Упорный подшипник 8 фиксируется в поршне крышкой 17.
В совокупности подшипники качения 11, криволинейный профиль торцев верхней 12 и нижней 13 частей вставки 5, каретка 9 на оси 10 представляют собой механизм преобразования движения.
Предлагаемая бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель работает по двухтактному циклу с петлевой щелевой системой газообмена.
Принцип действия машины-двигателя заключается в следующем. В процессе сгорания вследствие высокого давления рабочего тела в цилиндре 2 поршень 1 перемещается из ВМТ к НМТ. При этом его движение передается через упорный подшипник 8 на шток 7, который своим нижним концом соединен с кареткой 9 механизма преобразования движения. Ось 10 каретки механизма преобразования движения размещена своими концами (цапфами) в подшипниках качения 11, установленных в профилированном криволинейном пазу беговой дорожки, побуждает каретку механизма преобразования движения к вращательному движению. В связи с тем что корпус каретки имеет возможность перемещаться вдоль паза, образованного стержнями 18 и 19 вилки ступени выходного вала, вращательное движение передается на выходной вал 6.
Поскольку поршень связан с механизмом преобразования движения штоком 7, верхняя головка которого соединена с поршнем через подшипник 8, установленный на внутренней поверхности поршня, последний оказывается разгруженным от крутящих усилий (воспринимает только осевые нагрузки), что способствует повышению его работоспособности.
Предлагаемая бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель может быть использована в качестве источника механической энергии для привода транспортных машин и стационарных потребителей энергии (насосов, компрессоров, вентиляторов, транспортеров и др.) в различных отраслях промышленности. Существенным преимуществом предлагаемой конструкции является ее простота и технологичность, повышенный моторесурс и надежность, за счет придания основным деталям, прежде всего поршню, простых конструктивных форм, снижения нагрузок и хорошей ремонтопригодности.