МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ ОСЕВОЙ БЕСКРИВОШИПНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTI-CYLINDER AXIAL CRANK-LESS PISTON THERMAL ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть применено на любом виде потребителя механической энергии.
Известны аналоги конструкций бескривошипных тепловых поршневых машин, в частности бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель (RU №2460890 С1, F02B 75/26, F02B 75/32, F01B 9/06, заявл. 12.07.2011, опубл. 10.09.2012), содержащий поршень, соединенный со штоком, посредством подшипника качения. Второй конец штока вставлен в каретку, являющуюся корпусом для оси роликов. С двух сторон оси установлено по одному ролику. Ролики обкатываются по криволинейному синусоидальному пазу, образованному двумя фасонными втулками, установленными в корпусе двигателя, сверху и снизу от роликов. Ролики совершают сложное движение: возвратно-поступательное и одновременно с этим вращательное движение. Возвратно-поступательное движение передается на поршень, позволяя совершать необходимые для рабочего цикла хода, и, наоборот, от поршня к роликам при рабочем ходе поршня. Вращательное движение воспринимается вилкой, выполненной на выходном грузовом валу. Два рожка вилки образуют прямоугольный паз, в котором каретка имеет возможность линейного перемещения, обусловленного ходом поршня, но при этом рожки воспринимают вращательное движение каретки во всей амплитуде хода поршня. Двухопорность поршня позволяет уравновесить нормальную силу и таким образом разгрузить поршень от нее, что уменьшает силы трения в механизме. Основными недостатками данной конструкции двигателя являются следующие: многоцилиндровый вариант возможен только с помощью применения дорогостоящих зубчатых колес, с трудоемкой сборкой, требующей синхронизации отдельных одноцилиндровых модулей между собой и зубчатым колесом выходного вала и увеличивает шумность и вибронагруженность двигателя; беговая дорожка может иметь только четное количество периодов синусоиды, поскольку каретка расположена центрально и имеет два опорных ролика, а это накладывает ограничения на конструкцию; между роликом и двумя фасонными втулками, образующими беговые дорожки, обязателен зазор для свободного перемещения роликов, что создает ударную нагрузку на детали и также увеличивает шумность работы двигателя, и возникает несогласованность в движении роликов, поскольку при обкатывании по одной втулке он будет вращаться в одну сторону, а при обкатывании по другой - в другую сторону.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является конструкция бескривошипной тепловой поршневой машины, в частности бескривошипный двигатель внутреннего сгорания (U.S. Patent 5,992,356 "Opposed piston combustion engine "; November 30, 1999; Howell-Smith; Bradely David (Worongary, AU)), содержащий блок цилиндров, в который вставлены как минимум четыре гильзы, расположенные радиально, внутри которых совершают возвратно-поступательные движения четыре поршня. Два поршня установлены на шток прямоугольного сечения, один с одной стороны, другой со второй стороны, аналогично на второй шток установлены два других поршня. Штоки расположены Х-образно. На штоке установлены два пальца, один с одного конца, рядом с поршнем, другой с другого конца, также рядом с поршнем. На каждый палец с двух концов установлен ролик. С боковой стороны штока между двумя роликами установлен радиальный трехгранный кулачковый вал, ось которого проходит через прорезь в штоке, с другой боковой стороны штока аналогично установлен трехгранный кулачковый вал, но вращающийся в другую сторону. Вращение кулачковых валов обусловлено взаимодействием с роликами, которые обкатываются по беговой дорожке, выполненной на торцевой поверхности кулачковых валов. У каждого трехгранного кулачкового вала на цилиндрической части установлены зубчатые колеса, входящие в зацепление с зубчатыми колесами синхронизирующего вала. Один из кулачковых валов является выходным.
Основными недостатками данного двигателя являются следующие: большая масса деталей, совершающих возвратно-поступательное движение из-за большой длины штока, и двух поршней на двух его концах, что увеличивает силы инерции; увеличенный радиальный размер двигателя; прорезь в штоке ослабляет его сечение, что снижает его прочность; беговая дорожка может иметь только три периода, что накладывает ограничение при проектировании конструкции и увеличивает силы инерции; кулачки могут иметь только один специальный профиль, отличный от синусоидального, что дает несимметричное протекание сил инерции в течение одного хода поршня, ухудшая уравновешенность.
Техническая задача изобретения заключается в увеличении ресурса работы и длительной прочности, расширении диапазона рабочих частот вращения двигателя, увеличении средней скорости поршня.
Достигается это тем, что в гильзы, смещенные от оси симметрии и расположенные по кругу, установлены поршни. Каждый отдельный поршень жестко связан со штоком прямоугольного сечения, на втором конце которого закреплено два пальца один под другим. На каждый палец консольно с двух сторон надеты ролики. Ролики взаимодействуют с двумя осевыми кулачковыми валами. Два осевых кулачковых вала выполнены в виде полых разных размеров, вставленных один в другой цилиндров, при этом у внутреннего осевого кулачкового вала беговая дорожка выполнена на внешней цилиндрической стороне, а у внешнего осевого кулачкового вала беговая дорожка выполнена на внутренней цилиндрической стороне, в форме двухпериодной синусоидальной замкнутой консольной полки. Два внутренних, верхний и нижний, ролика охватывают двухпериодную синусоидальную замкнутую консольную полку внутреннего осевого кулачкового вала, а два внешних, верхний и нижний, ролика охватывают двухпериодную синусоидальную замкнутую консольную полку внешнего осевого кулачкового вала. У внутреннего осевого кулачкового вала торцевая часть является толстостенным дном, переходящим в грузовой вал. Внешний осевой кулачковый вал в торцевой части имеет толстостенное дно с отверстием для прохождения грузового вала, а с внешней стороны дна выполнены заплечики под установку подшипника для грузового вала. В верхней внешней части внешнего осевого кулачкового вала выполнены заплечики под установку подшипника, устанавливаемого в корпусе. Грузовой вал как продолжение внутреннего осевого вала зафиксирован в подшипнике, установленном в заплечиках дна внешнего осевого кулачкового вала, и в двух подшипниках, находящихся в корпусе синхронизирующего механизма. Синхронизирующий механизм включает в себя зубчатое колесо, посаженное на полый вал внешнего осевого кулачкового вала и входящее в зацепление с зубчатым колесом с тем же диаметром, на валу которого закреплено зубчатое колесо с меньшим диаметром, входящее в зацепление с зубчатыми колесами того же диаметра, одно из которых промежуточное, а другое с помощью шпонки связано с грузовым валом.
Два осевых кулачковых вала вращаются в разные стороны, за счет чего возникают две нормальные силы, действующие от центра роликов по нормали к касательной проведенной к поверхности беговой дорожки синусоидальной замкнутой консольной полки. Это позволяет поршню двигаться прямолинейно и без воздействия на его боковую поверхность нормальной силы, прижимающей его к гильзе цилиндра. Как следствие этого уменьшаются силы трения в паре поршень-гильза. Нормальная сила действует на ролики, которые находятся в условиях низких температур и обильной смазки и участвуют в трении качения. Вращение осевых кулачковых валов синхронизируется с помощью зубчатых колес.
Данная конструкция многоцилиндрового осевого бескривошипного поршневого теплового двигателя обладает следующими преимуществами:
- уменьшенные силы трения в паре поршень-гильза, вызванные тем, что поршень свободен от нормальной силы, что увеличивает ресурс двигателя, повышает механический КПД механизма двигателя;
- повышенное значение максимальных рабочих частот вращения двигателя, вызванное отсутствием нормальной силы в паре поршень-гильза, поскольку при ее наличии силы трения в данной паре возрастают с их увеличением;
- увеличенная величина средней скорости поршня вследствие повышенных рабочих частот вращения двигателя;
- возможность увеличения количества цилиндров в одном блоке цилиндров с использованием одного синхронизирующего механизма;
- малая масса штока вследствие его малой длины, вызванная тем, что поршень расположен с одной стороны беговых дорожек кулачковых валов, что в свою очередь уменьшает силы инерции, действующие на шток механизма преобразования движения, и уменьшает механические напряжения в его сечении, повышая его длительную прочность;
- уменьшенные силы инерции позволяют расширить диапазон рабочих частот вращения двигателя и увеличить среднюю скорость поршня;
- шток имеет цельную конструкцию, что повышает его длительную прочность;
- возможность использования одного периода беговой дорожки выполненных в виде замкнутых консольных полок на осевых кулачковых валах, без использования дополнительных роликов на штоке с опорой в корпус, или специального профиля беговых дорожек, выполненных на двух, вращающихся в разные стороны, радиальных кулачках;
- расширенный диапазон рабочих частот вращения двигателя при применении одного периода беговой дорожки, вследствие того что в многопериодных двигателях силы инерции возрастают в квадрате от количества периодов, а высокие силы инерции ограничивают максимальные частоты вращения.
Описание технического решения конструкции двигателя поясняется чертежами, где на фиг. 1 дан продольный разрез многоцилиндрового осевого бескривошипного поршневого теплового двигателя; на фиг. 2 - объемное изображение внутреннего осевого кулачкового вала; на фиг. 3 - объемное изображение внешнего осевого кулачкового вала.
Многоцилиндровый осевой бескривошипный поршневой тепловой двигатель содержит блок цилиндров 1 со вставленными в него поршнями 2, 3; поршни 2, 3 жестко связаны со штоками прямоугольного сечения 4, 5 с закрепленными в них верхними пальцами 6, 7, с двух сторон верхнего пальца 6 надеты ролики 8, 9, аналогично на верхний палец 7 надеты ролики 10, 11. Ролики 8, 10 взаимодействуют с верхней торцевой поверхностью беговой дорожки двухпериодной синусоидальной замкнутой консольной полки внешнего осевого кулачкового вала 12, ролики 9, 11 опираются на верхнюю торцевую поверхность беговой дорожки двухпериодной синусоидальной замкнутой консольной полки внутреннего осевого кулачкового вала 13, который опирается на подшипник 14, установленный во внутренних заплечиках 15 внешнего осевого кулачкового вала 12, сидящий за счет заплечиков 16 в подшипнике 17, смонтированный в корпусе 18, соединенный с блоком цилиндров 1. Для обратной связи осевых кулачковых валов 12, 13 со штоками прямоугольного сечения 4, 5, в шток прямоугольного сечения 4 вставлен нижний палец 19 с двумя роликами 21, 22, и в шток прямоугольного сечения 5 вставлен нижний палец 23 с двумя роликами 24, 25. Вследствие этого ролики 21, 22 и ролики 24, 25 взаимодействуют с нижними торцевыми поверхностями беговых дорожек двухпериодных синусоидальных замкнутых консольных полок осевых кулачковых валов 12, 13. В нижней части внешнего осевого кулачкового вала 12 выполнен полый вал 26, на который посажено зубчатое колесо 27, входящее в зацепление с зубчатым колесом 28, сидящее на валу 29, на котором установлено зубчатое колесо 30, передающее вращение на зубчатое колесо 31 промежуточного вала 32, суммирующее крутящий момент на зубчатое колесо 33, установленное на грузовом валу 34 внутреннего осевого кулачкового вала 13, который является выходным.
Многоцилиндровый осевой бескривошипный поршневой тепловой двигатель работает по четырехтактному циклу и имеет два клапана на цилиндр.
Принцип действия. Высокое давление рабочего тела, образующееся в процессе сгорания топлива, внутри цилиндра блока цилиндров 1 передается поршню 2, заставляя его двигаться от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход. Вместе с поршнем 2 движется жестко связанный с ним шток прямоугольного сечения 4, на котором закреплен палец 6 с двумя роликами 8, 9. Ролики 8, 9 опираются на верхние торцевые поверхности беговых дорожек двухпериодных синусоидальных замкнутых консольных полок двух осевых кулачковых валов 12, 13, заставляя их поворачиваться вокруг своей оси, но в разные стороны. Для совершения такта впуска и обратной связи на штоке прямоугольного сечения 4 под пальцем 6 закреплен второй палец 19, со второй парой роликов 21, 22, опирающихся на нижние торцевые поверхности беговых дорожек двухпериодных синусоидальных замкнутых консольных полок осевых кулачковых валов 12, 13. Поворот осевых кулачковых валов 12, 13, связанных кинематически с роликами 24 и 25, сидящих на нижнем пальце 23 штока 5, вызывает линейное перемещение штока 5 и связанного с ним поршня 3 вниз, внутри цилиндра блока цилиндров 1. Таким образом, совершается такт впуска. На полом валу 26 внешнего кулачкового вала 12 установлено зубчатое колесо 27, передающее вращение на зубчатое колесо 28, сидящее на валу 29 с зубчатым колесом 30, входящим в зацепление с зубчатым колесом 31, меняющим направление вращения и передающим крутящий момент на зубчатое колесо 33, связанное шпонкой с грузовым валом 34, который является продолжением внутреннего кулачкового вала 13.
Предлагаемый многоцилиндровый осевой бескривошипный поршневой тепловой двигатель может быть использован в качестве источника механической энергии на любом виде транспорта и для привода стационарных потребителей механической энергии, также может быть использован в пневмо- и гидротехнике в качестве насосов и моторов.