ОППОЗИТНЫЙ КРИВОШИПНО-ПЛАНЕТАРНЫЙ ПОРШНЕВОЙ МЕХАНИЗМ БЕСШАТУННОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ОППОЗИТНЫХ КРИВОШИПНО-ПЛАНЕТАРНЫХ ПОРШНЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ БЕСШАТУННОГО ТИПА
OPPOSED CRANK-PLANETARY PISTON RODLESS MECHANISM AND SYSTEM OF OPPOSED CRANK-PLANETARY PISTON RODLESS MECHANISMS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, насосах, а также во всех механизмах преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное перемещение поршней бесшатунным способом и наоборот.
Известен бесшатунный механизм (С.С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972 г.), в котором вместо шатуна используется жестко соединенный с поршнями шток, который возвратно-поступательно перемещается по боковым направляющим, связан с коленчатым валом, вращающимся в цапфах, синхронизированных через промежуточный вал зубчатой передачей.
Однако в известном механизме отсутствует компенсация предельных отклонений размеров межцентровых расстояний в коленчатом вале и радиусах кривошипов, что требует высочайшей точности изготовления и значительно снижает ресурс работы двигателя.
Известны бесшатунные механизмы (патенты РФ №№2256798, 2256799, МПК F01B 9/02, опубл. 20.07.2005), содержащие шарнирно соединенные опорный и поводковый кривошипы с радиусами вращения, равными одной четвертой части хода поршня, и имеющие штоковую шейку, связанную как минимум с одним поршневым штоком.
Известен асинхронный бесшатунный механизм (патент РФ №2256800, МПК F01B 9/02, опубл. 20.07.2005), содержащий два промежуточных вала, на которых жестко насажены вращающиеся шестерни с радиусом начальной окружности, равным одной четверти хода поршней, находящиеся во взаимодействии с парой неподвижных шестерен внутреннего зацепления, имеющих радиус начальной окружности, равный половине хода поршней, механизм снабжен общей опорой для двух промежуточных валов, выполненной в виде эксцентриковой втулки с двумя отверстиями, эксцентриситет которой равен одной четвертой части хода поршня, при этом колена промежуточных валов связаны с поршневыми штоками и установлены в соответствии с заданными фазами движения и, в частности, с возможностью перемещения их в противофазе.
Известно устройство преобразования движения (патент РФ №2280771, МПК F02B 75/32, F02B 75/04, F02D 15/02, опубл. 27.07.2006), содержащее шатун, подвижно соединенный с коленчатым валом через эксцентрик, который имеет свободу вращения на шейке коленчатого вала и жестко соединен с малой цилиндрической шестерней, имеющей совместно с эксцентриком свободу вращения на кривошипе коленчатого вала и образующей пару внутреннего зацепления с шестерней большего диаметра, закрепленной в корпусе устройства.
Известные механизмы имеют сложные конструкции, которые повышают стоимость изделий и снижают эксплуатационный ресурс.
Известен поршневой компрессор бесшатунного типа с кривошипно-планетарным механизмом (патент РФ №96192, МПК F04B 27/00, опубл. 22.03.2010 г.), ближайший по технической сущности и принятый за прототип, включающий корпус с цилиндрами, в котором размещены штоки с поршнями и клапанными головками, коленчатый вал, соединенный через посадочные гнезда одним концом с ведущим кривошипным валом, а вторым концом - с ведомым кривошипным валом, причем на коленчатом валу жестко установлена планетарная шестерня-сателлит, которая находится во внутреннем зацеплении с центральной планетарной шестерней.
Однако в данном поршневом компрессоре недостатком является наличие массивного, составного вала, состоящего из ведущего кривошипа, коленчатого вала и ведомого кривошипа, соединенных для жесткости четырьмя подшипниками качения.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение технико-экономических характеристик путем унификации базового поршневого механизма.
Техническим результатом, достигаемым при использовании данного изобретения, является упрощение конструкции, повышение производительности и КПД.
Основным отличием заявляемого устройства является то, что кривошипы смонтированы оппозитно в корпусе кривошипов, который имеет ведомую шестерню, связанную зубчатым зацеплением с приводным валом. Такая компоновка обеспечивает простоту изготовления, уменьшается количество деталей и их вес, снижаются инерционные силы, уменьшаются энергетические затраты на привод и повышается КПД.
Технический результат достигается тем, что в оппозитном кривошипно-планетарном поршневом механизме бесшатунного типа, включающем картер с цилиндрами, в котором размещены штоки с поршнями, новым является то, что он содержит приводной вал с ведущей шестерней, находящейся в зацеплении с ведомой шестерней, жестко установленной в корпусе кривошипов, в котором также оппозитно установлены кривошипы с возможностью преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное перемещение штоков с поршнями в цилиндрах.
Количество цилиндров, по меньшей мере, равно двум или четырем.
Цилиндры расположены оппозитно, в ряд или по диагонали.
На кривошипах жестко установлены шестерни-сателлиты.
Шипы кривошипов соединены со штоками на скользящей посадке.
Количество кривошипов, шестерней-саттелитов, зубчатых венцов внутреннего зацепления, по меньшей мере, равно двум.
На цилиндрах расположены клапанные головки, соединенные с ресивером.
Технический результат также достигается тем, что в оппозитном кривошипно-планетарном поршневом механизме бесшатунного типа, включающем картер с цилиндрами, в котором размещены штоки с поршнями, новым является то, что он содержит приводной вал с ведущей шестерней, связанной с ведомой шестерней корпуса кривошипов с помощью зубчатой передачи, причем в корпусе кривошипов также оппозитно установлены кривошипы с возможностью преобразования вращательного движения приводного вала в возвратно-поступательное перемещение штоков с поршнями в цилиндрах.
Количество цилиндров, по меньшей мере, равно двум или четырем.
Цилиндры расположены оппозитно, в ряд или по диагонали.
На кривошипах жестко установлены шестерни-сателлиты.
Шипы кривошипов соединены со штоками на скользящей посадке.
Количество кривошипов, шестерней-саттелитов, зубчатых венцов внутреннего зацепления, по меньшей мере, равно двум.
На цилиндрах расположены клапанные головки, соединенные с ресивером.
Технический результат также достигается тем, что система оппозитных кривошипно-планетарных поршневых механизмов бесшатунного типа содержит по меньшей мере два механизма, установленных в общем картере зеркально по отношению друг к другу и связанных своими ведомыми шестернями с ведущей шестерней общего приводного вала.
Механизмы установлены по отношению друг к другу под углом.
Количество цилиндров равно восьми.
Заявленное устройство поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема 4-цилиндрового оппозитного кривошипно-планетарного поршневого механизма бесшатунного типа (вид сбоку).
На фиг.2 представлена схема 4-цилиндрового оппозитного кривошипно-планетарного поршневого механизма бесшатунного типа (вид сверху).
На фиг.3 представлена схема производного унифицированного 8- цилиндрового оппозитного кривошипно-планетарного поршневого механизма бесшатунного типа с одним приводным валом и одной ведущей шестерней (вид сбоку), скомпонованного из унифицированных деталей представленного на фиг.2 базового механизма.
Здесь 1 - приводной вал, 2 - ведущая шестерня, 3 - ведомая шестерня, 4 - корпус кривошипов, 5 - кривошипы, 6 - шестерни-саттелиты, 7 - картер механизма, 8 - зубчатые венцы внутреннего зацепления, 9 - штоки, 10 - поршни, 11 - цилиндры, 12 - клапанные головки.
Ведомая шестерня 3 связана зубчатым зацеплением с ведущей шестерней 2 приводного вала 1 и соединена с корпусом кривошипов 4, в котором установлены кривошипы 5.
На кривошипах 5 жестко установлены шестерни-сателлиты 6, которые обкатываются по закрепленным в картере механизма 7 зубчатым венцам внутреннего зацепления 8.
Шипы кривошипов 5 соединены со штоками 9.
Штоки 9 с поршнями 10 установлены в оппозитно расположенных цилиндрах 11 с клапанными головками 12.
Если устройство содержит только два цилиндра, они могут быть расположены оппозитно, в ряд или по диагонали.
Если устройство содержит четыре цилиндра и более, они могут быть расположены только оппозитно попарно.
Наибольший КПД будет достигаться при оппозитном расположении 4-х цилиндров, однако в зависимости от поставленной задачи можно сконструировать 2-цилиндровый агрегат с рядным расположением цилиндров (например, компрессор для Камаза или ДВС для а/м ОКА) или с расположением цилиндров по диагонали (например, ДВС для моторной лодки).
Устройство работает следующим образом.
При вращении приводного вала 1 ведущая шестерня 2 через ведомую шестерню 3 задает круговое движение корпусу кривошипов 4 вместе с кривошипами 5, при этом жестко установленные на кривошипах шестерни-сателлиты 6 обкатываются по закрепленным в картере механизма 7 зубчатым венцам внутреннего зацепления 8, заставляя кривошипы 5 совершать вращательное движение, а шипы кривошипов 5 совершать строго прямолинейное возвратно-поступательное движение совместно с установленными на них штоками 9 с поршнями 10. Поршни 10, строго прямолинейно, перемещаясь в цилиндрах 11, совершают ход от нижней «мертвой» точки (НМТ) до верхней «мертвой» точки (ВМТ), равный учетверенному радиусу кривошипов, и посредством клапанных головок 12 всасывают атмосферный воздух (или другое рабочее текучее вещество) в цилиндры, сжимают его и нагнетают в ресивер до заданного давления.
Для создания на базе исходной модели механизма бесшатунного типа ряда производных механизмов с различными показателями мощности, производительности и т.д. достаточно установить зеркально или под некоторым углом к базовому механизму дополнительный аналогичный по конструкции механизм, связанный своей ведомой шестерней с ведущей шестерней приводного вала исходной модели (см. фиг.3).
Например, для объединения двух механизмов используют унифицированный картер, в котором размещают оба механизма на общем приводном валу.
Полученный таким образом 8-цилиндровый механизм позволяет в два раза повысить производительность такой системы механизмов при сохранении габаритов и всех комплектующих деталей 4-цилиндрового механизма, при этом снижаются затраты на производство нового изделия.
Использование заявленного изобретения позволит значительно увеличить производительность и КПД поршневых механизмов, а также снизить затраты на их изготовление и эксплуатацию.