МЕХАНИЗМ ПРИВОДА ПОРШНЕЙ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к поршневым машинам и может быть использована при производстве двигателей, насосов и компрессоров.
Известен механизм привода поршней роторно-поршневого двигателя по патенту Российской Федерации №2322596, МКИ: F02B 57/06, приоритет от 03.07.2006, включающий корпус, блок цилиндров с поршнями, которые соединены со штоками, выходной вал и опорную ось. Блок цилиндров установлен в корпусе на оси вращения, соосной с выходным валом, который жестко соединен с блоком цилиндров. При этом блок цилиндров содержит картер, на котором жестко закреплены попарно соединенные между собой рабочий и нагнетающий цилиндры с поршнями. Один конец штоков шарнирно соединен с поршнями, а второй - с неподвижными осями, жестко связанными с опорной осью и параллельно смещенными относительно оси вращения блока цилиндров, что позволяет эффективно преобразовывать возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение блока цилиндров и жестко соединенного с ним выходного вала.
Общими признаками известного механизма и заявляемого решения являются корпус и блок цилиндров со штоками, шарнирно соединенными с поршнями, который установлен в корпусе с возможностью вращения вокруг своей продольной оси относительно корпуса.
Указанный механизм позволяет преобразовывать возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение блока цилиндров и жестко соединенного с ним выходного вала, однако во время работы штоки, двигаясь возвратно-поступательно, вызывают инерционные нагрузки, образующие вибрации, что снижает ресурс устройства.
В качестве ближайшего аналога выбран механизм привода поршней аксиально-поршневого насоса (http://story-technics.ru/article/gidravlicheskii-privod-stroitelnykh-mashin), включающий корпус и размещенные в нем блок восьми расположенных по кругу цилиндров с поршнями, который вращается на подшипнике вокруг своей продольной оси относительно корпуса, а также приводной вал с фланцем, установленный под углом 30° к оси вращения блока цилиндров. Приводной вал, опирающийся на три подшипника, передает вращение блоку цилиндров через универсальный шарнир (карданный вал). Поршни шарнирно соединены с приводным валом посредством штоков, шаровые головки которых завальцованы во фланцевой части вала. Блок цилиндров прижат пружиной к неподвижному распределительному диску, который содержит два дуговых окна, через одно из которых жидкость засасывается из бака, а через другое нагнетается поршнями в напорную магистраль. В устройстве предусмотрена возможность изменения угла наклона блока цилиндров, что дает возможность регулировать подачу жидкости, а также давление насоса.
Общими признаками ближайшего аналога и заявляемого решения являются корпус, блок цилиндров со штоками, шарнирно соединенными с поршнями, который установлен в корпусе на валу с возможностью вращения вокруг своей продольной оси относительно корпуса, приводной вал с фланцем, соединенным со штоками, установленный в корпусе напротив блока цилиндров под углом к последнему, а также соединенный с валом блока цилиндров через универсальный шарнир.
Указанный аналог позволяет за счет изменения угла наклона блока цилиндров регулировать подачу жидкости и давление насоса, однако штоки, которые осуществляют возвратно-поступательное движение во время работы, образуют инерционные нагрузки в устройстве, которые приводят к вибрации, что снижает ресурс механизма.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования механизма привода поршней путем особого выполнения конструктивных элементов и их расположения с тем, чтоб обеспечить снижение массы деталей с возвратно-поступательным движением.
Поставленная задача решается тем, что в механизме привода поршней, включающем корпус, блок цилиндров с поршнями и штоками, шарнирно соединенными между собой, который установлен в корпусе на валу с возможностью вращения вокруг своей продольной оси относительно корпуса, приводной вал, который установлен в корпусе напротив блока цилиндров под углом к оси вращения блока цилиндров, соединенный с валом блока цилиндров через универсальный шарнир и содержит фланец, который соединен со штоками, в соответствии с полезной моделью, шарнирное соединение поршней со штоками выполнено с возможностью поперечного смещения, соединение фланца приводного вала со штоками выполнено жестким, а центр универсального шарнира расположен в точке пересечения осей вращения блока цилиндров и приводного вала, отдаленной от верхнего края блока цилиндров на величину H, что вычисляется по формуле:
, где
R - величина расстояния между осью вращения блока цилиндров и продольной осью цилиндра;
α - угол взаимного расположения осей вращения блока цилиндров и приводного вала;
h - величина расстояния от центра шарнирного соединения поршня со штоком до верхнего края блока цилиндров при положении поршня в верхней мертвой точке.
Перечисленные признаки являются существенными признаками полезной модели и обеспечивают достижение технического результата - снижение массы деталей с возвратно-поступательным движением.
Причинно-следственная связь существенных признаков полезной модели и технического результата, достигаемого при ее использовании, заключается в следующем. Особенностью таких механизмов, является то, что блок поршневых цилиндров и фланец приводного вала синхронно вращаются на разных осях, расположенных под углом друг к другу. При этом поршни вращаются вместе с блоком и одновременно перемещаются вдоль оси цилиндров. Жесткое соединение фланца приводного вала со штоками предотвращает передвижение штоков относительно фланца, в то время, как шарнирное соединение штоков с поршнями позволяет поршням двигаться прецессионно относительно шарнира штока, что не является возвратно-поступательным движением. Выполнение шарнирного соединения поршней со штоками с возможностью поперечного смещения позволяет компенсировать боковой сдвиг поршня относительно оси штока, что может происходить во время вращения блока цилиндров и фланца приводного вала, установленных под углом друг к другу при жестком соединении фланца приводного вала со штоками. Определение местоположения центра универсального шарнира позволяет установить элементы устройства таким образом, чтобы предотвратить смещение штоков за контуры цилиндров. Отличительные признаки полезной модели, а именно то, что шарнирное соединение поршней со штоками выполнено с возможностью поперечного смещения, соединение фланца приводного вала со штоками выполнено жестким, а центр универсального шарнира расположен в точке пересечения осей вращения блока цилиндров и приводного вала, отдаленной от верхнего края блока цилиндров на величину Н, что вычисляется по формуле:
, где
R - величина расстояния между осью вращения блока цилиндров и продольной осью цилиндра;
α - угол взаимного расположения осей вращения блока цилиндров и приводного вала;
h - величина расстояния от центра шарнирного соединения поршня со штоком до верхнего края блока цилиндров при положении поршня в верхней мертвой точке, вместе с признаками, присущими ближайшему аналогу, обеспечивают снижение массы деталей с возвратно-поступательным движением. Таким образом существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Ниже приводится описание механизма привода поршней со ссылкой на графические материалы, на которых схематично показано:
Рисунок 1. Механизм привода поршней.
Механизм привода поршней включает корпус 1, блок цилиндров 2 с поршнями 3 и штоками 4, шарнирно соединенными между собой, который установлен в корпусе 1 на валу 5 с возможностью вращения вокруг своей продольной оси 6 относительно корпуса 1, приводной вал 7, который установлен в корпусе 1 напротив блока цилиндров 2 под углом к оси вращения 6 блока цилиндров 2, соединенный с валом 5 блока цилиндров 2 через универсальный шарнир 8 и содержит фланец 9, который соединен со штоками 4, при этом шарнирное соединение поршней 3 со штоками 4 выполнено с возможностью поперечного смещения, соединение фланца 9 приводного вала 7 со штоками 4 выполнено жестким, а центр 10 универсального шарнира 8 расположен в точке пересечения осей вращения 6 и 11 блока цилиндров 2 и приводного вала 7 соответственно, отдаленной от верхнего края 12 блока цилиндров 2 на величину Н, что вычисляется по формуле: , где R - величина расстояния между осью вращения 6 блока цилиндров 2 и продольной осью цилиндра 13, α - угол взаимного расположения осей вращения 6 и 11 блока цилиндров и приводного вала соответственно, a h - величина расстояния от центра 14 шарнирного соединения поршня 3 со штоком 4 до верхнего края 12 блока цилиндров 2 при положении поршня 3 в верхней мертвой точке.
Механизм может использоваться в двигателях или в насосах и компрессорах. При использовании в двигателе, устройство работает следующим образом. Под действием давления рабочего тела поршень 3, который шарнирно соединен со штоком 4, перемещается вдоль цилиндра 15 по направлению к фланцу 9 приводного вала 7 от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. При этом поршень 3 осуществляет прецессионное движение относительно центра 14 шарнирного соединения поршня 3 со штоком 4, который жестко соединен с фланцем 9 приводного вала 7, установленного напротив блока цилиндров 2 под углом к оси вращения 6 блока цилиндров 2. При перемещении вместе с поршнем 3 относительно цилиндра 15, шток 4, за счет жесткого соединения с фланцем 9, приводит последний к вращению синхронно вместе с блоком цилиндров 2. После поворота фланца 9 вместе с блоком цилиндров 2 на 180°, поршень 3 начинает обратное движение относительно цилиндра 15 от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, завершая цикл и поворачивая при этом фланец 9 вместе с блоком цилиндров 2 до 360°. Жесткое соединение штоков 4 с фланцем 9, установленным на оси вращения 11 под углом относительно оси вращения 6 блока цилиндров 2, позволяет во время работы устройства удерживать поршни 3 от фланца 9 на постоянном расстоянии и осуществлять движение штоков и поршней по кругу, а не возвратно-поступательно, обеспечивая тем самым снижение массы деталей с возвратно-поступательным движением. Использование в устройстве универсального шарнира 8 позволяет синхронизировать вращение блока цилиндров 2 и приводного вала 7. Для компенсации избыточных боковых смещений поршня 3 относительно штока 4, образующихся при вращении блока цилиндров 2 приводного вала 7, установленных под углом друг к другу, шарнирное соединение поршня 3 со штоком 4, выполнено с возможностью поперечного смещения. Расположение центра 10 универсального шарнира 8 в точке пересечения осей вращения 6 и 11 блока цилиндров 2 и приводного вала 7 соответственно, отдаленной от верхнего края 12 блока цилиндров 2 на величину Н, что вычисляется по формуле: , где R - величина расстояния между осью вращения 6 блока цилиндров 2 и продольной осью цилиндра 13, α - угол взаимного расположения осей вращения 6 и 11 блока цилиндров и приводного вала соответственно, a h - величина расстояния от центра 14 шарнирного соединения поршня 3 со штоком 4 до верхнего края 12 блока цилиндров 2 при положении поршня 3 в верхней мертвой точке, позволяет установить элементы устройства таким образом, чтобы предотвратить смещение штоков за контуры цилиндров. При использовании устройства в насосе или компрессоре, вращают приводной вал 7 с фланцем 9, который через жестко соединенные с ним штоки 4 приводит в движение поршни 3, обеспечивая работу механизма с техническим результатом, отмеченным выше.