ШАРНИРНО-ПОРШНЕВОЙ МЕХАНИЗМ
HINGED-PISTON MECHANISM

Изобретение относится к механизмам кинематической взаимосвязи поршней, циклически меняющих объем рабочих камер в двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), в насосах продувки и наддува рабочих объемов ДВС, в компрессорах, вакуумных насосах, в паровых машинах и в пневматических моторах.
Известны шарнирно-поршневые механизмы с кинематической посредством шарнирных звеньев связью поршней с выводным валом, например, по [1], с.148, 287, по [2], с.14 и др.
Недостаток их в том, что резервы совершенствования таких устройств почти исчерпаны, а существенные недостатки неустранимы в принципе. В частности, сложный коленчатый вал, клапанное газораспределение, поршни давят на стенки рабочих камер (цилиндров), неуравновешенность, велика удельная масса и др.
Известен шарнирно-поршневой механизм, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой, при этом промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал, например, по UA 75431 С2, [3] - прототип.
Недостаток его в том, что каждая пара поршней связана с выводным валом или большим количеством универсальных шарниров (больше двух), или универсальными шарнирами с большим углом отклонения от соосности соединяемых ими валов. Компоновка такого шарнирно-поршневого механизма ограничивает диапазон применения возможных углов взаимного отклонения от соосности вилок универсальных шарниров и валов, соединяемых универсальными шарнирами. Кроме того, в известном из [3] шарнирно-поршневом механизме нет возможности регулирования степени сжатия газов.
Техническим результатом изобретения является уменьшение количества универсальных шарниров до четырех и при этом расширение диапазона возможных углов взаимного отклонения от соосности вилок универсальных шарниров и валов, соединяемых универсальным шарниром, а также вариант шарнирно-поршневого механизма с возможностью регулирования степени сжатия газов.
1. Сущность изобретения в том, что шарнирно-поршневой механизм, содержащий кольцевой канал постоянного сечения с окнами в стенке для входа и выхода газов и в нем две пары поршней, каждый из которых расположен между поршнями другой пары, причем пары поршней жестко соединены с установленными соосно отдельными для каждой пары полувалами, связанными кинематически с выводным валом посредством универсальных шарниров и промежуточных валов так, что плоскости соосных вилок соседних универсальных шарниров расположены под углом менее 180° между собой, при этом промежуточный вал с универсальными шарнирами образует карданный вал, причем по изобретению каждый полувал связан карданным валом с параллельным оси полувала промежуточным инерционным валом и с шестерней-маховиком на нем, находящейся в зацеплении с шестерней-маховиком выводного вала.
2. Сущность изобретения также в том, что механизм по п.1 выполнен с возможностью регулирования расстояния между поршнями в их позиции максимального сближения посредством устройства регулирования угла взаимного отклонения от соосности валов, соединенных универсальным шарниром.
Благодаря этому шарнирно-поршневой механизм содержит всего два карданных вала с возможностью устанавливать и регулировать углы отклонения валов в шарнирах в широком диапазоне. Им вращают поршни по кругу в одном и том же направлении вдоль камер постоянного сечения в кольцевом канале, например, по форме тора. При равномерном вращении инерционных и выводного валов обе пары поршней вращают циклически неравномерно с двумя максимумами и двумя минимумами угловой скорости на каждом полном обороте. Этим поршни циклически сближают и раздвигают в одних и тех же секторах кольцевого канала, всасывают газы через входное окно и вытесняют их через выходное окно в стенке кольцевого канала. Для ДВС необходимо два окна, для компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора - по четыре. Шарнирно-поршневой механизм уравновешен статически и динамически по самой схеме. Угловые ускорения поршней и других неравномерно вращаемых деталей попарно противоположны по знаку и почти равны по модулю, что позволяет уменьшить массу маховика. Поршни не давят на стенки камер кольцевого канала, и все кинематические пары возможно собрать на подшипниках качения.
Устроен шарнирно-поршневой механизм (далее механизм), например, следующим образом.
На фиг.1 изображена принципиальная кинематическая схема механизма.
На фиг.2 - то же, вид сверху.
На фиг.3, 4 и 5 показаны положения поршней через каждые 45° поворота выводного вала ДВС, размещение впускного и выпускного окон.
На фиг.6 показано размещение впускных и выпускных окон в компрессоре, в вакуумном насосе, в паровой машине, в пневматическом моторе.
На фиг.7 изображен вариант механизма с овальным сечением кольцевого канала.
Условные обозначения на фиг.1…7:
1 - первый поршень (далее поршень),
2 - второй поршень (далее поршень),
3 - третий поршень (далее поршень),
4 - четвертый поршень (далее поршень),
5 - с торцевым диском полувал для пары поршней 1 и 3 (далее полувал),
6 - с торцевым диском полувал для пары поршней 2 и 4 (далее полувал),
7 - разъемный корпус кольцевого канала постоянного сечения (далее корпус),
8 - универсальный шарнир Гука (далее шарнир),
9 - карданный вал с двумя шарнирами 8 (далее карданный вал),
10 - промежуточный инерционный вал с шестерней-маховиком (далее вал).
11 - круглая гайка со шлицами и стопорная шайба с лапками (далее гайка),
12 - цилиндрическая шестерня-маховик (далее шестерня),
13 - выводной вал,
ω - угловая скорость пары поршней (далее скорость поршней),
ε - угловое ускорение пары поршней (далее угловое ускорение поршней),
γ - угол отклонения вилок шарниров от взаимной соосности,
V - вход газов в камеру кольцевого канала,
W - выход газов из камеры кольцевого канала,
L - полный объем кольцевого канала (т.е. в 360 градусах и без поршней),
q - объем газов, прокачиваемый за один оборот выводного вала 13 ДВС.
Пара нечетных поршней 1 и 3 закреплена на противоположных цилиндрических поверхностях торцевого диска полувала 5, а пара четных поршней 2 и 4 закреплена на противоположных цилиндрических поверхностях торцевого диска полувала 6. Поршни установлены в кольцевом по форме тора канале корпуса 7 так, что каждый поршень одной пары расположен между поршнями другой пары, а каждый полувал установлен на подшипниках по оси тора торцевыми дисками встык. На другом конце каждого полувала жестко установлены по одной вилке шарнира 8 карданного вала 9, вторые шарниры 8 которого соединены с валами 10. На каждом валу 10 установлена шестерня 12, находящаяся в зацеплении с одной из двух таких же шестерен 12, установленных на выводном валу 13. Зацепление шестерен 12 выполнено таким образом, что при взаимно перпендикулярной позиции пар поршней 1 и 3, 2 и 4, изображенном на фиг.3, плоскости вилок шарниров 8 взаимно перпендикулярны. Эта позиция повторяется через каждые 90° поворота выводного вала 13. В стенках кольцевого канала ДВС имеются два окна: одно окно впускное для входа газов, другое окно выпускное для выхода газов, вытесняемых поршнями. В стенках компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора имеются четыре окна: два впускных, два выпускных. На фиг.3, 5, 6 стрелками V и W показано движение газов через окна.
Работой механизма преобразуют равномерное вращение выводного вала 13 в циклически неравномерное вращение полувалов 6 и 5 с нечетными 1 и 3, а также с четными 2 и 4 парами поршней в кольцевом канале корпуса 7. И наоборот - преобразуют циклически неравномерное вращение пар поршней 1 и 3, 2 и 4 в равномерное вращение выводного вала 13. При этом неравномерное вращение поршней взаимно смещено на полфазы цикла: при минимальной скорости ω min пары нечетных поршней 1 и 3 пара четных поршней 2 и 4 имеют максимальную скорость ω max и наоборот, что чередуется через каждые 90° поворота выводного вала 13. Так происходит благодаря свойству шарнира 8 [4], с.137…144, и соединению шарниров 8 в единую кинематическую цепь механизма.
В ДВС пара поршней 1 и 3 в позиции, изображенной на фиг.3, имеет минимальную скорость ω min, а пара поршней 2 и 4 - максимальную ω max. Объем камеры между поршнями 1 и 2, а также объем камеры между поршнями 3 и 4 уменьшают. Одновременно объем камеры между поршнями 1 и 4, а также объем камеры между поршнями 2 и 3 увеличивают. Через входное окно в корпусе 7 заполняют камеру между поршнями 2 и 3 воздухом, что показано стрелкой V, а в камере между поршнями 1 и 2 - сжимают воздух, заполнивший ее раньше. При максимальном сближении поршней 1 и 2 (фиг.4) их скорости ω равны, а ускорения ε равны по модулю, но противоположны по знаку. В камеру между поршнями 1 и 2 (фиг.5) впрыскивают топливо. Оно воспламеняется, горячие газы расширяются и увеличивают объем камеры между поршнями 1 и 2. В этой камере происходит рабочий ход, а из камеры между поршнями 1 и 4 ранее отработавшие газы вытесняют наружу через выпускное окно, что показано стрелкой W (фиг.5). За один оборот выводного вала 13 происходит четыре рабочих хода, что адекватно четырехтактному восьмицилиидроваму двигателю с кривошипами коленчатого вала через каждые 90°.
Работа компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора (фиг.6) пояснений не требует, так как с учетом изложенного понятна из чертежа.
В ДВС объем газа, прокачиваемый за один оборот выводного вала 13, зависит от величины угла γ отклонения вилок шарниров 8 от соосности. Например, если γ=25°, то q=0,25L; если γ=35°, то q=0,5L; если γ=50°, то q=1,0L. Для компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора прокачиваемый объем соответственно вдвое больше.
Во втором варианте механизма карданный вал 9 выполнен телескопическим. Этот вал вращением гаек 11 несколько удлиняют-укорачивают. Этим уменьшают-увеличивают угол отклонения вилок шарнира 8 от соосности и соответственно увеличивают-уменьшают расстояние между поршнями в позиции наибольшего их сближения, следовательно, уменьшают-увеличивают степень сжатия газов.
Литература
1. Крайнер А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981, 438 с.
2. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1959, 341 с.
3. UA 75431 C2, МПК F02B 77/00. Механiзм взаємозв'язку поршнiв. Бюл. №4, 2006.
4. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 1. М.: Машгиз, 1960, 655 с.