МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
MECHANISM OF MOTION CONVERTION FOR PISTON MACHINE

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к поршневым компрессорам, предназначенным для работы в составе бытового холодильника, а также может быть использовано в машиностроении в поршневых машинах и двигателях внутреннего сгорания.
Известны поршневые компрессоры с кривошипно-шатунным механизмом, содержащим цилиндр с помещенным в нем поршнем и коленвал, сочлененный с поршнем при помощи шатуна.
Известны также поршневые компрессоры с кривошипно-кулисным механизмом, содержащим цилиндр, поршень и кривошипный вал, сочлененный с поршнем при помощи ползуна и кулисы, жестко соединенной с поршнем (Вейнберг Б.С., Вайн Л.Н. Бытовые компрессионные холодильники. - М.: «Пищевая промышленность», 1974 г., стр. 147-151).
Недостатком известных механизмов является наличие нормальной составляющей давления газовых сил на стенку цилиндра со стороны поршня вследствие воздействия боковых усилий на поршень со стороны шатуна – в кривошипно-шатунном механизме, и вследствие воздействия боковых усилий на поршень через кулису со стороны ползуна – в кривошипно-кулисном механизме.
Кроме того, потери на трение в паре поршень-цилиндр достигают 30%, что приводит к перерасходу электроэнергии и преждевременному износу пары поршень-цилиндр. Другой недостаток известных механизмов заключается в том, что силы инерции возвратно движущихся масс, а точнее силы инерции второго порядка, период изменения которых соответствует полуобороту вала, не могут быть уравновешены противовесами, из-за чего известные механизмы имеют повышенную вибрацию и завышенный шум.
Из авторского свидетельства №323562 известна объемная поршневая машина, в которой воздействие боковых усилий на поршень со стороны шатуна устранены за счет сочленения коленвала с поршнем при помощи механизма Чебышева.
Недостатком известной объемной поршневой машины является неуравновешенность штока, жестко соединенного с двумя поршнями на его концах, что приводит к вибрации, повышенному шуму, снижению надежности и долговечности машины.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является «механизм преобразования движения для поршневой машины» (а.с. 1539328, МПК F 01 B 7/02, опубл. 30.01.90, Бюл. №4).
Вышеуказанный механизм, выбранный за прототип, содержит вал, цилиндр, поршни и механизм Чебышева, образованный коленом вала, качающимся коромыслом и шатуном. Шатун представляет собой равнобедренный треугольник с закрепленными в вершинах шарнирами. Шарнир, соединенный с поршнем, совершает приближенно-прямолинейное движение вдоль оси цилиндра (отклонение от оси цилиндра 0,06 мм). Шарнир, соединенный с коромыслом, совершает вращательное движение на ограниченный угол. Шарнир, соединенный с шатунной шейкой вала, совершает круговое вращательное движение. В поршнях перпендикулярно их оси выполнены пазы для перемещения ползунов на величину отклонения шарнира от оси цилиндра. При этом поршни связаны между собой при помощи соединительного звена, включающего шатун и качающуюся кулису.
Основным недостатком известного механизма является неуравновешенность приводного шатуна, качающейся кулисы, что приводит к повышенному износу в парах поршень-цилиндр. Кроме того, известное решение характеризуется сложным устройством поршней, содержащих пазы и ползуны.
Задачей изобретения является создание механизма преобразования движения для поршневой машины без нормальной составляющей давления газовых сил на стенку цилиндров со стороны поршней, что обеспечивает уменьшение износа в парах поршень-цилиндр, позволяет снизить потребляемою мощность, устранить вибрацию, шум, а также повысить надежность и долговечность механизма.
Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию механизма за счет исключения элементов (приводного шатуна, качающейся кулисы, пазов, ползунов), приводящих в движение второй поршень и создающих неуравновешенные силы инерции.
Техническим результатом является уменьшение износа в парах поршень-цилиндр.
Технический результат достигается тем, что механизм преобразования движения для поршневой машины, содержащий основной коленчатый вал с механизмом Чебышева, по крайней мере два соосно расположенных цилиндра с установленными в них поршнями, при этом механизм Чебышева образован коленом вала, качающимся коромыслом и шатуном, представляющим собой равнобедренный треугольник с закрепленными в вершинах шарнирами, один из которых соединен с шатунной шейкой коленчатого вала, второй – с качающимся коромыслом, а третий связан с одним из поршней, согласно предлагаемому решению содержит дополнительный коленчатый вал с механизмом Чебышева, соединенным штоком со вторым поршнем, при этом основной и дополнительный коленчатые валы связаны между собой шестеренной передачей, обеспечивающей вращение валов в противоположные стороны с равной угловой скоростью.
При этом шестеренная передача включает две шестерни с одинаковым количеством зубьев, одна из которых установлена на основном коленчатом валу, а вторая – на дополнительном.
Механизм может содержать масляный насос для смазки пар трения механизма, при этом шестерни являются рабочей частью масляного насоса.
Таким образом, использование второго механизма преобразования движения, соединенного с ведомым валом, и соединительного звена между валами в виде шестеренной передачи обеспечивает движение поршней без нормальной составляющей давления газовых сил на стенки цилиндра и, как следствие, уменьшение износа зеркала цилиндра.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен механизм преобразования движения для поршневой машины, вид спереди, на Фиг.2 - механизм преобразования движения для поршневой машины, вид сверху.
Механизм преобразования движения для поршневой машины содержит по крайней мере, два соосно расположенных поршня 5, 6, установленные в цилиндрах 3, 4, основной коленчатый вал 1 (ведущий) и дополнительный коленчатый вал 2 (ведомый), связанные с механизмами Чебышева. При этом каждый из механизмов Чебышева образован коленом 11, 12 вала, качающимся коромыслом 15, 16 и шатуном 13, 14. Каждый из шатунов 13, 14 представляет собой равнобедренный треугольник с закрепленными в вершинах шарнирами 17, 19, 21 (для первого механизма Чебышева) и 18, 20, 22 (для второго механизма Чебышева). При этом шарниры 21, 22 соединены с шатунной шейкой коленчатых валов 1 и 2, соответственно шарниры 19, 20 - с качающимися коромыслами 15, 16, а шарниры 17, 18 соединены штоками 7, 8 с поршнями 5, 6 соответственно. Поршни 5,6 соединены со штоками 7,8 шаровыми элементами 23, 24 (шаровое соединение). Основной 1 и дополнительный 2 коленчатые валы связаны между собой соединительным звеном в виде шестеренной передачи, обеспечивающей вращение валов в противоположные стороны с равной угловой скоростью и, как следствие, прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней 5, 6 в цилиндрах (без боковых усилий на стенки цилиндров со стороны поршней с полным уравновешиванием сил инерции движущихся поршней, штоков и элементов механизма Чебышева). При этом шестеренная передача представляет собой две шестерни 9,10, выполненные с одинаковым числом зубьев, одна из которых расположена на основном коленчатом валу 1, а вторая – на дополнительном 2. При этом шестеренная передача движения от ведущего вала к ведомому может быть использована в качестве рабочей части масляного насоса (шестеренного насоса) для смазки пар трения механизма.
Предлагаемый механизм преобразования движения для поршневой машины работает следующим образом.
Электродвигатель (на чертежах не показан) передает крутящий момент коленчатому валу 1. Вращательное движение вала 1 передается валу 2 через шестеренную передачу, вал 2 вращается в противоположную сторону с той же угловой скоростью, что и вал 1 (Крутящий момент от электрического двигателя передается поршням через механизмы Чебышева, штоки и шаровые соединения 23, 24.).
При этом шарниры 21,22, соединяющие колена 11,12 валов 1,2 с шатунами 13,14, совершают круговое вращательное движение вокруг оси валов 1 и 2, соответственно. Шарниры 19,20, соединяющие коромысла 15,16 с шатунами 13,14, совершают вращательное движение на определенный угол вокруг неподвижной оси, расположенной на другом конце коромысел 15,16. Коромысла при этом воспринимают все нагрузки на поршни со стороны давления газовых сил в цилиндрах. Шарниры 17,18, соединяющие штоки 7,8, с шатунами 13,14, совершают приближенное прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндров 3,4. В одном из частных вариантов, при заданном радиусе колен 4 мм и ходе поршней 11,3 мм, отклонение шарниров 17,18, от оси цилиндров 3, 4, составит 0,056 мм. Поршень 5,6, соединенный со штоком 7,8 шаровым элементом 23,24, совершает движение в цилиндре с отклонением от оси цилиндров, равным нулю.
Механизмы Чебышева, связанные с каждым из валов через их колено, обеспечивают ход поршней с радиусом колена вала втрое меньшим хода поршней, а также возвратно-поступательное движение соосно расположенных поршней в противоположные стороны с равным периодом без нормальной составляющей давления газовых сил на стенки цилиндров, при этом силы инерции возвратно движущихся масс полностью уравновешены.
Таким образом, в предлагаемом механизме с шестеренной передачей между ведущим и ведомым валами движение поршней 5,6 внутри цилиндров 3,4 обеспечивается без нормальной составляющей давления газовых сил на стенки цилиндров со стороны поршней, силы инерции движущихся масс поршней, штоков и элементов механизмов Чебышева полностью уравновешены, вследствие чего уменьшается потребляемая мощность, износ зеркала цилиндров и поверхности поршней, снижается вибрация, шум, повышается надежность и долговечность механизма.