МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
MOVEMENT CONVERSION MECHANISM 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» (патент на изобретение №2658209, МПК: F16H21/10, F01B7/02, опубл. 19.06.2018г., Бюл. №4).
Вышеуказанный механизм, выбранный за прототип, содержит основной коленчатый вал с механизмом Чебышева, по крайней мере два соосно расположенных цилиндра с установленными в них поршнями. Механизм Чебышева образован коленом вала, качающимся коромыслом и шатуном, представляющим собой равнобедренный треугольник с закрепленными в вершинах шарнирами. Один из шарниров соединен с шатунной шейкой коленчатого вала, второй – с качающимся коромыслом, а третий связан штоком с одним из поршней. При этом механизм преобразования движения содержит дополнительный коленчатый вал с механизмом Чебышева, соединенным штоком со вторым поршнем, при этом основной и дополнительный коленчатый валы связаны между собой шестеренной передачей, обеспечивающей вращение валов в противоположные стороны с равной угловой скоростью, при этом шестеренная передача включает в себя две шестерни с одинаковым количеством зубьев, одна из которых установлена на основном коленчатом валу, а вторая – на дополнительном, при этом шестерни являются рабочей части масляного насоса.
Основным недостатком известного механизма является наличие дополнительного коленчатого вала и соединительного звена между валами шестеренной передачи, что усложняет конструкцию механизма и увеличивает его габариты.
Задачей изобретения является создание механизма преобразования движения для поршневой машины без нормальной составляющей давления газовых сил на стенки 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 из механизма дополнительного коленчатого вала и соединительного звена между валами шестеренной передачи.
Техническим результатом является уменьшение износа в парах поршень-цилиндр.
Технический результат достигается тем, что механизм преобразования движения для поршневой машины, содержащий по крайней мере два цилиндра с установленными в них поршнями, коленчатый вал и механизм Чебышева, 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 штоком с одним из поршней, согласно предлагаемому решению, коленчатый вал содержит по крайней мере второе колено, смещенное относительно первого на 180°, с механизмом Чебышева, соединенным со вторым коленом вала и штоком со вторым поршнем.
Таким образом, коленчатый вал с двумя коленами, взаимно смещенными на 180°, шатунные шейки которых соединены с механизмами Чебышева, обеспечивают прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах без нормальной составляющей давления газовых сил на стенки цилиндров, и, как следствие, уменьшение износа зеркала цилиндров и поверхности поршней.
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, поршни 6, 7 установленные в цилиндрах 4, 5 коленчатый вал 1 с коленами 2, 3 и два механизма Чебышева. При этом каждый механизм Чебышева образован коленами 2, 3 вала, качающимся коромыслом 10, 11 и шатуном 8, 9. Каждый шатун представляет собой равнобедренный треугольник с закрепленными в вершинах шарнирами 14, 15, 16 (для первого механизма Чебышева) и 17, 18, 19 (для второго механизма Чебышева). При этом шарнир 14 соединен с шатунной шейкой 22 вала 1, шарнир 17 соединен с шатунной шейкой 23 вала 1, шарниры 15, 18 соединены с качающимися коромыслами 10, 11, а шарниры 16, 19 соединены штоками 12, 13 с поршнями 6, 7, соответственно. Поршни 6, 7 соединены со штоками 12, 13 шаровыми элементами 20, 21.
Каждое из колен 2, 3 вала 1 обеспечивает прямолинейное возвратно- поступательное движение поршней 6, 7 в цилиндрах 4, 5 без боковых усилий на стенки цилиндров со стороны поршней, с полным уравновешиванием сил инерции движущихся поршней, штоков и элементов механизмов Чебышева.
Предлагаемый механизм преобразования движения для поршневой машины работает следующим образом.
Электродвигатель (на чертежах не показан) передает крутящий момент валу 1. Каждое из колен 2, 3 вала обеспечивает возвратно-поступательное движение поршней 6, 7 внутри цилиндров 4, 5 через шаровые соединения 20,21, штоки 12, 13 и шатуны 8, 9.
При этом шарниры 14, 17, соединяющие колена 2, 3 вала 1 с шатунами 8, 9, совершают круговое вращательное движение вокруг оси вала 1. Шарниры 15, 18, соединяющие коромысла 10, 11 с шатунами 8, 9, совершают вращательное движение на определенный угол вокруг неподвижной оси, расположенной на другом конце коромысел 10, 11. Коромысла при этом воспринимают все нагрузки на поршни со стороны давления газовых сил в цилиндрах. Шарниры 16, 19, соединяющие штоки 12, 13, с шатунами 8, 9, совершают приближенное прямолинейное возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндров 4, 5. В одном из частных вариантов, при заданном радиусе колена 4 мм и ходе поршней 11,6 мм (радиус колена втрое меньше хода поршня) отклонение шарниров 16, 19 от оси цилиндров составляет 0,056 мм. Поршни 6, 7 сочлененные со штоками 12, 13 шаровыми элементами 20, 21, совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах с отклонением от оси цилиндров равным нулю.
Таким образом, в предлагаемом механизме коленчатый вал с двумя коленами, взаимно смещенными на 180°, обеспечивает прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней 6, 7 в цилиндрах 4, 5 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.