Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала в аксиальных машинах
MECHANISM FOR CONVERTING RECIPROCATING MOTION OF PISTONS INTO ROTATIONAL MOTION OF THE SHAFT IN AXIAL MACHINES

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к аксиальному поршневому моторостроению, а именно к механизмам преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала в аксиальных двигателях и компрессорах, у которых цилиндры расположены вокруг оси вращения коленчатого вала.
Аксиальная схема объемной поршневой машины позволяет изменять ход поршня - рабочий объем и степень сжатия (Журнал Автомобильная промышленность «Аксиальный ДВС», № 6 / 1992 г., № 5 / 1993 г.). Более ста лет инженеры пытаются воплотить данную схему двигателя в жизнь. Причинами неудач являются порочные механизмы преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, применяемые в данных моторах, поршни в цилиндре работают штатно. С точки зрения удельных нагрузок в контактных парах, наиболее перспективными являются механизмы с качающейся шайбой. С 70-х годов прошлого века в теоретической механике стали четко различать механизмы с косой или наклонной шайбой и качающейся шайбой. Во всех аксиальных машинах поршни с качающейся шайбой связаны штоками - шатунами через сферические шарниры, а коленчатые валы выполнены с наклонной кривошипной шейкой.
Известна аксиально-поршневая машина (патент РФ 2030610, МПК F02B 75/26, опубл. 10.03.1995), в механизме которой применена чашеобразная качающаяся шайба с опорой на сферу, вокруг центра которой происходит прецессия, на некотором расстоянии от центра прецессии - в области дна чаши находится сферический подшипник, через который качающаяся шайба передает усилия на наклонную шейку коленчатого вала.
Применять сферу в качестве опоры качающейся шайбы нецелесообразно, т.к. образуется лишняя степень свободы - вращение вокруг оси двигателя. В данном устройстве ее парируют двойным шарниром Гука - универсальным. Недостаток данной конструкции усиливается отверстием в опорной сфере для прохода через нее коленчатого вала, что существенно снижает полезную площадь опоры качающейся шайбы, т.е. в данном месте возникнут высокие удельные нагрузки.
Наиболее близким по набору существенных признаков является механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала в аксиальных машинах (патент РФ 2503818, МПК F01B 3/02, F02B 75/26, опубл. 10.01.2014 г.), согласно которому механизм содержит серьгу крестовины, которая крепится к блоку цилиндров, в проушины серьги крестовины через подшипники качения вставлены цапфы крестовины, другая пара цапф крестовины через подшипники качения вставлена в проушины качающейся шайбы, вокруг центра крестовины происходит прецессия качающейся шайбы, на некотором расстоянии от центра прецессии - в области дна чаши находится сферический подшипник через который качающаяся шайба передает усилия на наклонную шейку коленчатого вала.
В абсолютном большинстве механизмов крестовина является деталью, через которую передается крутящий момент в карданных валах и входит в конструкцию шарнира Гука, который в свою очередь соединен с валом посредством шлиц, и силы, действующие на цапфы, лежат в плоскости пересекающихся осей цапф. В конструкции аналога крестовина воспринимает дополнительно нагрузку от газовых сил, действующих на поршни вдоль оси двигателя и в конечном итоге на пару цапф, входящих в качающуюся шайбу. Другая пара цапф крестовины, входящая в проушины серьги крестовины, парирует данные силы силами, равными по величине, но направленными в противоположном направлении. В центре крестовина имеет отверстие для свободного прохождения коленчатого вала, что вынуждает разнести цапфы друг от друга. Массив металла между цапфами крестовины должен надежно передавать силы, действующие на цапфы. Этими факторами обусловлены габариты крестовины.
Опыт изготовления, сборки и эксплуатации показал некоторые слабые места конструкции - сложность центровки, регулировки зазора-натяга по коническим роликам и главное - удержание полученных результатов в исходном состоянии при работе. Нарушение регулировок происходило в большей степени по вине вспомогательных деталей. Основные детали сохраняли свою работоспособность. При всем при этом, массивная крестовина с отверстием в центре для прохода коленчатого вала и подшипники на цапфах определяют габариты остальных деталей - серьги крестовины и качающейся шайбы, что не дает сделать механизм более компактным.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является увеличение компактности двигателя, снижения его массы и миделя, что особенно важно для авиационных моторов, повышения механического КПД - шатуны отклоняются от оси цилиндра на угол близкий к 1°, т.е. поршень практически не прижимается газовыми силами к стенке цилиндра. Проблема становится решаемой за счет того, что в силовой схеме появляются принципиально две новые детали в сравнении с прототипом: база и корпус подшипников взамен серьги крестовины и крестовины.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение надежности и эффективности работы механизма за счет снижения габаритов и массы ввиду сокращения расстояний между цапфами, а значит и изгибных напряжений, т.к. плечи действия сил уменьшаются - механизм становится более жестким.
Технический результат достигается за счет того, что механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала в аксиально-поршневой машине, содержащий коленчатый вал с наклонной шейкой, опору, установленную в корпусе соосно с валом и качающуюся шайбу, связанную с поршнями и с наклонной шейкой вала, дополнительно содержит корпус подшипников с гнездами для их установки, причем качающаяся шайба также имеет гнезда для установки подшипников, а в качестве опоры использована база, имеющая фланец с отверстиями для крепления к блоку цилиндров аксиально-поршневой машины, ступенчатый цилиндрический участок с усилением, в котором размещены пара соосных цапф для посадки внутренних обойм подшипников, через наружные обоймы подшипников цапфы базы связаны с гнездами корпуса подшипников, а на оси перпендикулярной оси гнезд корпуса подшипников также выполнены цапфы для посадки внутренних обойм подшипников, через наружные обоймы подшипников цапфы корпуса подшипников связаны с гнездами качающейся шайбы, при этом качающаяся шайба имеет две степени свободы вокруг осей корпуса подшипников и возможность равномерной прецессии относительно оси вала.
Наличие базы с фланцем и цапфами позволяет разместить подшипники более компактно, что повышает эффективность работы механизма.
Совокупность использования базы, корпуса подшипников и качающейся шайбы, а также их эффективного расположения друг относительно друга с помощью подшипников, позволяет также повысить надежность данного технического решения.
Заявленное техническое решение характеризуется следующими чертежами:
на фиг. 1 изображен аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез;
на фиг. 2 представлен механизм преобразования;
на фиг. 3 представлена основная составляющая (база) механизма;
на фиг. 4 представлен корпус подшипников механизма (основная составляющая);
на фиг. 5 представлена качающаяся шайба механизма;
на фиг. 6 представлен коленчатый вал механизма.
Конструкция аксиально-поршневого двигателя внутреннего сгорания состоит из блока цилиндров (1) с размещенными в них поршнями (2). Каждый поршень шарнирно соединен с одним концом шатуна (3), другой конец которого шарнирно соединен с качающейся шайбой (4) механизма преобразования. Механизм содержит базу (5), корпус подшипников (6) и коленчатый вал (7). База (5) состоит из фланца (8) для крепления с блоком цилиндров, цилиндрического участка (9) и усиления (10) с цапфами (11) для посадки внутренних обойм подшипников. Корпус подшипников (6) содержит гнезда (12) для установки наружных обойм подшипников и цапфы (13), выполненные на оси перпендикулярной оси гнезд (12) для подшипников. Качающаяся шайба (4) содержит также гнезда (14) для установки наружных обойм подшипников, в которые установлены цапфы (13) корпуса подшипников (6).
Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала аксиально-поршневой машины в режиме двигателя работает следующим образом.
Давление от горячих газов в блоке цилиндров (1) воздействует на поршни. Усилия от горячих газов, возникающие на поршнях, через шатуны (3) передаются на качающуюся шайбу (4) и через нее воздействуют на наклонную шейку (15) коленчатого вала (7), заставляя его вращаться. Поступательное перемещение поршней вызывает сложное качательное движение качающующейся шайбы (4), которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала (7). Вокруг точки пересечения осей корпуса подшипников (6), происходит прецессия качающейся шайбы (4), на некотором расстоянии от центра прецессии - в области дна шайбы (16) находится сферический подшипник через который качающаяся шайба (4) передает усилия на наклонную шейку (15) коленчатого вала (7), таким образом механизм обеспечивает равномерную прецессию при равномерном вращении коленчатого вала.