Поршневая машина Потапова
POTAPOV PISTON MACHINE

Изобретение относится к поршневым машинам с механизмом прямого или обратного преобразования возвратно-поступательных движений поршней во вращательное движение рабочего вала. Предложенное техническое решение может быть использовано в конструкциях поршневых двигателей, компрессоров, насосов, а также во всех устройствах, использующих механизм для указанного преобразования.
Известен бесшатунный механизм, преобразующий возвратно-
поступательное движение поршней во вращательное движение выходного вала, содержащий корпус, оппозитно расположенные поршни с общим штоком и ведущей шестерней (а.с. СССР №164756, опубл. 19.08.1964). Недостатком данного бесшатунного механизма является высокое внутреннее трение, возникающее вследствие наличия избыточных кинематических связей, которые при невысокой точности изготовления основных деталей, могут привести к задиру поршней в гильзах цилиндров или даже к стопорению механизма.
Известны бесшатунные механизмы (патент РФ №№2256798, опубл. 27.07.2005, патент РФ 2256799, опубл. 27.07.2005), содержащие шарнирно соединенные опорный и поводковые кривошипы с радиусом вращения, равный одной четвертой части хода поршня, и имеющие только штоковую шейку, связанную как минимум с одним поршневым штоком. Данному техническому решению в полной мере присущи недостатки, указанные для предыдущего аналога
Известен асинхронный бесшатунный механизм содержащий два промежуточных вала, на которых жестко насажены вращающиеся шестерни с радиусами начальной окружности, равный 1/4 хода поршней, находящихся во взаимодействии с парой неподвижных шестерен внутреннего зацепления, имеющих радиус начальные окружности, равной половине хода поршней (патент РФ №2256800, опубл. 27.07.2005). Этот механизм снабжен одной опорой для двух промежуточных валов, выполненный в виде эксцентриковой втулки с двумя отверстиями, эксцентриситет который равен 1/4 хода поршня, при этом колено промежуточных валов связаны с поршневыми штоками и установлены в соответствии с заданными фазами движения и, в частности, с возможностью перемещение их в противофазе. Данное техническое решение подразумевает компенсацию составляющей бокового усилия, действующего на поршневой шток, радиальными усилиями со стороны вращающихся шестерен, что крайне неблагоприятно для работы зубчатой пары и неизбежно приводит к ее быстрому износу и, затем, к заклиниванию.
Известно устройство, преобразующее возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала поршневой машины (патент РФ №2280771, опубл. 27.07.2006). Устройство содержит шатун, который подвижно соединен с коленчатым валом и жестко соединен с малой цилиндрической шестерней, имеющий совместно с эксцентриком свободу вращения на кривошипе коленчатого вала, образуя пару внутреннего зацепления с шестерней большого диаметра, закрепленной в корпусе устройства. Данное устройство имеет сложную конструкцию, в которой также как и в предыдущем аналоге зубчатая пара несет значительную радиальную нагрузку, что снижает ее ресурс.
За ближайший аналог - прототип заявленного изобретения принимается бесшатунный механизм поршневой машины известный из статьи В.А. Воргушин, «Новые бесшатунные механизмы поршневых машин» в журнале «Двигатель» №6 (72) 2010 г., рис. 1 (http://engine.aviaport.ru/issues/72/page50.html). В стенках картера машины-прототипа, в подшипниках соосно установлены две цапфы - полувала, связанные с выходным валом машины и синхронизированные с ним и между собою посредством двух идентичных зубчатых передач. В этих цапфах, также в подшипниках, установлен своими коренными шейками планетарный коленчатый вал, снабженный шатунными шейками, с установленными на них штоками, на концах которых жестко укреплены поршни, с возможностью их перемещения в цилиндрах, укрепленных на картере. Расстояние от оси шатунной шейки коленчатого вала до оси его коренной шейки и расстояние от оси коренной шейки до оси вращения цапф-полувалов с очень высокой точностью равны между собою, а рабочий ход поршня при этом в четыре раза превышает это расстояние. Для прототипа характерно наличие ползунов (крейцкопфов), которые воспринимают на себя боковую нагрузку, передаваемую с коленчатого вала на шток, разгружая от этой нагрузки пару цилиндр-поршень. Картер машины частично заполнен жидкой смазкой, поэтому крейцкопфы работают в благоприятных условиях смазки. Недостаток прототипа, характерный также и для всех аналогов, объединенных родовым понятием «бесшатунный», обусловлен жестким креплением поршней к штокам, что является избыточной кинематической связью и имеет свои следствием необходимость выполнения, как уже указывалось, основных деталей механизма с очень высокой точностью. В противном случае размерные цепи в сопряжениях этих подвижных деталей могут образовывать жесткие замкнутые контуры, что при неблагоприятном сочетании размеров, в пределах даже умеренных допусков, имеет своим результатом местные натяги, ведущие к заклиниванию механизма или к задирам поршней.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и улучшение технико-экономических характеристик поршневой машины.
При использовании заявленного технического решения достигается совокупность двух важных первичных технических результатов, а именно:
1. Снижение требований к точности изготовления основных деталей.
2. Снижение контактных нагрузок в зоне скользящего сопряжения поршня с цилиндром.
Сущность заявленного технического решения, обеспечивающая достижение заявленной совокупности технических результатов, раскрывается следующими существенными признаками:
Поршневая машина, содержит картер, в стенках которого в подшипниках соосно установлены две цапфы, связанные с выходным валом и синхронизированные с ним и между собою посредством двух идентичных зубчатых передач, в цапфах и в подшипниках, установлен планетарный коленчатый вал, снабженный, по меньшей мере, одной шейкой, поршень, установленный с возможностью его перемещения в укрепленном на картере цилиндре, причем расстояние от оси шейки коленчатого вала до оси его коренной шейки и расстояние от оси коренной шейки до оси вращения цапф равны между собою, а картер машины частично заполнен жидкой смазкой. От прототипа и других аналогов заявленное техническое решение отличается тем, что
- машина снабжена шатуном
- шатун соединен с поршнем посредствам сферического шарнира двухстороннего действия
- шатун установлен на шатунную шейку коленчатого вала при помощи сферического подшипника, внешняя обойма которого укреплена в шатуне, а внутренняя его обойма охватывает шатунную шейку.
- шатун охвачен направляющим элементом, обеспечивающим возможность углового смещения шатуна относительно оси цилиндра, причем направляющий элемент укреплен относительно цилиндра и картера в зоне сопряжения их внутренних поверхностей
- длина шатуна между его опорами более чем в четыре раза превышает расстояние от оси шатунной шейки коленчатого вала до оси его коренной шейки и имеет размер достаточный для совершения поршнем полного рабочего хода между его двумя крайними положениями
В рамках сущности изобретения, определенной указанными выше существенными признаками, признак «направляющий элемент» сформулирован на уровне функционального обобщения он уточняются следующими дополнительными зависимыми признаками, характеризующими частные варианты исполнения этого элемента:
- внутренняя поверхность направляющего элемента, сопрягающаяся с шатуном, выполнена как внутренняя поверхность тора.
- внутренняя поверхность направляющего элемента, сопрягающаяся с шатуном, выполнена из антифрикционного материала.
- внутренняя поверхность направляющего элемента, сопрягающаяся с шатуном, снабжена опорами качения.
Перечисленные существенные признаки предложенного технического решения обеспечивают получение заявленной совокупности технических результатов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем его правовой охраны как изобретения.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 предоставлена конструктивная схема одноцилиндровой поршневой машины
На Фиг. 2 предоставлена конструктивная схема двухцилиндровой поршневой машины с оппозитным расположением цилиндров.
На Фиг. 3 предоставлена схема движения кинематических звеньев одноцилиндровой поршневой машины в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения цапф.
Поршневая машина содержит картер (не показан), в стенках которого, в подшипниках (1) соосно установлены две цапфы (2), связанные с выходным валом (3) и синхронизированные с ним и между собою посредством двух идентичных зубчатых передач (4). В цапфах (2), также в подшипниках (позиция не показана), установлен своими коренными шейками (5) планетарный коленчатый вал (6), снабженный, по меньшей мере, одной шатунной шейкой (7) и установленным на нее шатуном (8), на конце которого установлен поршень (9), с возможностью его перемещения в цилиндре (10). Расстояния R от оси шатунной шейки (7) коленчатого вала (6) до оси его коренной шейки (5) и расстояние от оси коренной шейки (5) до оси (11) вращения цапф (2) равны между собою, а длина L шатуна (9) между его опорами более чем в четыре раза превышает указанное расстояние и имеет размер достаточный для совершения поршнем полного рабочего хода между его двумя крайними положениями, обозначенными на Фиг. 3 как ВМТ и НМТ. Рабочий ход поршня составляет при этом величину 4R. Картер машины частично заполнен жидкой смазкой (на чертежах смазка не показана). Шатун (8) соединен с поршнем (9) посредствам сферического шарнира (12) двухстороннего действия. Шатун (8) установлен на шатунную шейку (7) при помощи сферического подшипника (13), внешняя обойма которого укреплена в шатуне (8), а внутренняя его обойма охватывает шатунную шейку (7) планетарного коленчатого выла (6). Шатун (8) охвачен направляющим элементом (14), обеспечивающим возможность двухплоскостного углового смещения (перекоса) шатуна (8) относительно оси цилиндра (10). Направляющий элемент (14) укреплен относительно цилиндра (10) и картера в зоне сопряжения их внутренних поверхностей как это показано на Фиг. 1 и Фиг. 2. Если направляющий элемент (14) расположен от оси вращения (11) цапф (2) на расстоянии 2R+h, где h это кратчайшее расстояние от оси шатунной шейки (7) до верхней кромки направляющего элемента (14), то для беспрепятственного совершения рабочего хода поршня (9) длина шатуна должна быть не менее величины 4R+h (Фиг. З). Направляющий элемент (14) может представлять собою втулку, у которой внутренняя поверхность скольжения, сопрягающаяся с шатуном (8), выполнена профилированной, например, как тороидальная поверхность. Эта поверхность может быть изготовлена из антифрикционного материала, например, баббита, или же иметь антифрикционное покрытие. Направляющий элемент (14) может также быть снабжен внутренними опорами качения (этот вариант на чертежах не показан). Особенность конструкции предлагаемой машины, в которой нет избыточных кинематических связей между сопрягающимся коленчатым валом (6), шатуном (8), поршнем (9) имеет своим важным конструкционным следствием «плавающее» положение поршня (9) относительно цилиндра (10) в конструкционном зазоре между этими деталями. Следует заметить, что, как и в любой машине, в заявленной конструкции по умолчанию предусмотрены необходимые зазоры во всех сопрягающихся подвижных парах, в т.ч. учитывающие тепловую деформацию ее элементов. Соответственно, за счет увеличения степеней свободы шатуна (6) и поршня (9) важным технологическим следствием предложенной конструкции является снижение требований к точности изготовления размера R в цапфах (2) и коленчатом вале (6). Таким образом, достигается первый из заявленных технических результатов. Заявленная как изобретение, поршневая машина может быть многоцилиндровой, с различным расположением цилиндров (рядный, V-образный, оппозитный), что также отвечает заявленной сущности предлагаемого технического решения. На Фиг. 2, в качестве примера, изображена схема двухцилиндровой машины с оппозитным расположением цилиндров.
Поршневая машина работает следующим образом. Движение поршня (9) в цилиндре (10) через шатун (8) шатунной шейкой (7) коленчатого вала (6) передается этому валу, который совершает сложное плоско - параллельное движение перпендикулярно оси (11) вращения цапф (2), при этом его коренные шейки (5) совершают синхронное планетарное (круговое) движение вокруг оси (11). Таким образом, осуществляется преобразование возвратно-поступательное движение поршня (9) во вращательное движение цапф (2), которые синхронно передают это вращательное движение выходному валу (3) через две идентичные зубчатые передачи (4). В своей основе, принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршня (9) во вращение вала (3) в патентуемой машине ничем не отличается от такового в бесшатунном ее прототипе. Поэтому, также как и в прототипе, в предлагаемом механизме возникают значительные боковые составляющие усилия, действующие на шатун (8) со стороны планетарного коленчатого вала (6) через шатунную шейку (7). Но в прототипе, за счет избыточной кинематической связи между подвижными деталями эти составляющие только частично уравновешиваются крейцкопфом и частично - упором поршня в стенку цилиндра, а в предлагаемом решении они полностью уравновешиваются направляющим элементом (14), который обеспечивает возможность двухплоскостного углового смещения (перекоса) шатуна (8) относительно оси цилиндра (10). Конструктивная возможность двухплоскостного «перекоса» шатуна (8), а также сферические опоры (12) и (13) обеспечивают «плавающее» положение поршня (9) в зазоре между ним и цилиндром (10). Это позволяет ему самоустановливаться по оси цилиндра (10), скользя по масляной пленке и не прижимаясь своими краями к стенкам цилиндра с избыточным контактным усилием, которое превосходило бы несущую способность этой пленки, как это имеет место во всех бесшатунных аналогах. Таким образом, достигается второй из заявленных технических результатов. Связанное с этим результатом снижение негативных трибологических эффектов взаимодействия пары поршень (9) - цилиндр (10) имеет своими важными следствиями такие вторичные технические результаты как уменьшение потерь на трение в машине, и, неразрывно связанное с этим фактом, увеличение ее к.п.д. и ресурса работы.
Заявленная, как изобретение, поршневая машина может быть изготовлена промышленным способом из известных стандартных материалов и компонентов, с применением известного в мировой практике технологического оборудования, на современных предприятиях машиностроительного профиля.