ДВИГАТЕЛЬ ДВУХВАЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ С ДВУХСТОРОННИМИ РАБОЧИМИ ХОДАМИ
TWO-SHAFT PISTON ENGINE WITH TWO-SIDED WORKING STROKES

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в двигателях внутреннего сгорания, в пневмо- и гидродвигателях, а также в компрессорах, насосах и иных устройствах.
Известно устройство - многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (Моделист-конструктор, выпуск 1, 1986 год, стр.39-40), в котором цилиндры размещены на диске вокруг его вертикальной оси; под этим диском расположен опорный гофрированный диск, в ложбинки которого упираются штоки поршней с роликами на концах; в момент рабочего хода каждого из поршней ролик сбегает по склону волны опорного гофрированного диска, сдвигая диск с цилиндрами вокруг его вертикальной оси.
Основными недостатками данного двигателя являются большая массогабаритность для получения достаточно высоких параметров крутящего момента на валу диска и сложности в обеспечении его быстроходности, то есть угловой скорости.
Известно устройство - пневматический двигатель (Моделист-конструктор, выпуск 1, 1990 год, стр.12), в котором имеется рабочий цилиндр, поршень с двумя установленными на его торце роликами и цилиндрический кулачок, который размещен на одной оси цилиндропоршневой группы; в момент рабочего хода поршня ролики поворачивают кулачок, являющийся также валом двигателя.
Основными недостатками данного двигателя являются большая массогабаритность для получения достаточно высоких параметров крутящего момента на кулачке и сложности в обеспечении его быстроходности (угловой скорости); соосное расположение цилиндропоршневой группы и кулачка не позволяет использовать более двух цилидропоршневых групп; большое удельное давление на кулачке и роликах.
Известна объемно-вытеснительная машина (авт. свидетельство СССР №1694934), содержащая приводной механизм, снабженный неподвижной базой, соосно расположенными в базе цапфами, установленным на цапфах с возможностью поворота вокруг их оси коромыслом, смонтированной на коромысле с возможностями относительного поворота вокруг оси, перпендикулярной оси цапф, и переносного поворота вместе с коромыслом вокруг оси цапф крестовиной, закрепленным в базе с возможностью вращения вокруг собственной оси, перпендикулярной оси цапф, валом, консольно выполненным на валу кривошипом и присоединенным к кривошипу наклонно к оси вала шипом, связанным с крестовиной с возможностью относительного вращения вокруг оси, перпендикулярной оси поворота крестовины относительно коромысла и совпадающей с собственной осью шипа, причем все оси возможных поворотов и вращений пересекаются в общей точке.
Недостатком известной конструкции является наличие избыточных связей в приводном механизме, что повышает требования к точности изготовления и сборки, повышая стоимость изготовления и снижая долговечность.
Задачей предлагаемого изобретения является создание двигателей, компрессов, насосов и иных устройств нового поколения, более мощных, экономичных с малыми массами и габаритами, с низкой себестоимостью.
Данная задача решается с применением предлагаемого устройства с двухсторонним рабочим действием поршней, не имеющее кривошипно-шатунных механизмов, с единым базовым центром, вокруг которого сосредоточены основные рабочие узлы, и имеющее два выходных вала с разными крутящими моментами.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - общий вид.
Фиг.2 - продольное сечение.
Фиг.3 - принцип впуска-выпуска.
Фиг.4 - схема работы устройства (упрощено).
Фиг.5 - диаграмма тактов цилиндров 38, 39, 40, 41.
Фиг.6 - диаграмма тактов цилиндров 14, 35, 36, 37.
Сущность изобретения заключается в использовании неустойчивого положения тел качения на наклонной плоскости под действием силы, и в состав устройства входят (описание четырехтактного двигателя внутреннего сгорания - ДВС - с четыремя парными цилиндрами, количество цилиндров может быть иным) преобразователь 1, блок цилиндров 13, головки 27 (фиг.1, 2).
Преобразователь 1 - сборный узел, представляет собой радиально-упорный подшипник, имеющий несколько опор качения, и состоит из основных частей: наружнее кольцо 2, внутренние кольца 11, опоры качения - одни из которых являются опорой 12 всего преобразователя, другие опорой 8 наружнего кольца 2.
Наружнее кольцо 2 на внешней стороне имеет выступы в виде полых цилиндров - стаканы 3 (имеющие дренажные отверстия, не показаны), в которых расположены ползушки 4. В стаканах 3 и ползушках 4 имеются отверстия - в стаканах 3 они большего диаметра для обеспечения ходов - поворотов поршневых пальцев 5, плотно установленных в отверстиях ползушек 4. Поршневые пальцы 5 передают или воспринимают движения поршней 6. Поршень 6 содержит по комплекту уплотнительных колец (не показаны) с каждой стороны.
Также на внешней стороне наружного кольца 2 в посадочных местах закреплены опорные пальцы 7, оси которых находятся на одной плоскости с осями стаканов 3, и плоскость параллельна плоскостям радиально-упорных движений тел качения опоры 8 наружнего кольца 2, а оси стаканов 3 и опорных пальцев 7 сходятся в базовом центре О. На опорных пальцах 7 на опорах качения (не показаны) установлены конические ролики 9 (вершина образующих конусов сходится в базовом центре О).
На торцевых поверхностях наружного кольца 2 имеются конические зубчатые колеса 10 с внутренним зацеплением. Вершины начальных полюсов колес 10 сходятся на базовом центре О, а плоскости начальных - делительных окружностей параллельны плоскостям радиально-упорных движений тел качения опоры 8 наружного кольца 2.
Внутренние кольца 11 имеют общий шпоночный паз и общую ось вращения каждого ряда радиально упорного движения тел качения опоры 12 преобразователя 1, которая соосна с центральной осью а-а двигателя, проходящей через базовый центр О, а общая ось радиально упорных движений тел качения опоры 8 наружного кольца 2 выполнена со смещением под заданным углом α по отношению к центральной оси а-а двигателя, что образует наклонные плоскости радиально упорных движений тел качения опоры 8 каждого ряда, точкой пересечения осей является базовый центр О.
В сборе преобразователь представляет собой рычажный механизм, где средние радиусы опор качения 8 наружного кольца 2 и средние радиусы ходов поршней 6 имеет разные длины плеч.
Блок цилиндров, сборная конструкция состоит из двух одинаковых парных блоков 13 (теплоотвод не показан), расположенных на центральной оси а-а, образованных цилиндрами 14, 35, 36, 37 и 38, 39, 40, 41, где размещены поршни 6 (фиг.1, 2, 4), и нишами, в виде впадин в которых закреплены профильные пластины 15, на них опираясь, двигаются конические ролики 9, гасящие реактивные силы, возникающие во время работы двигателя, и предотвращают вращение наружного кольца 2. Цилиндры и ниши с профильными пластинами 15 каждого блока 13 соосны друг с другом.
На центральной оси каждого блока 13 расположена гильза 16, внутри которой имеются опоры качения в виде радиального 17 и радиально-упорного 18 подшипников, разграниченных втулкой 19 и удерживающие вторичный вал 20.
На одном из концов вторичного вала 20 имеется зубчатое колесо 21, которое находится в зацеплении с коническим зубчатым колесом 10 наружного кольца 2 преобразователя 1, и вершина начального конуса колеса 21 находится в базовом центре О. Также коническое зубчатое колесо 21 имеет опорную поверхность для тел качения опоры 12 внутреннего кольца 11 преобразователя 1. На другом конце вторичного вала 20 установлен диск 22. На цилиндрической поверхности диска 22 в определенном порядке, соответствующем каждому из тактов работы каждого цилиндра, расположены нажимные ролики (фиг.2, 3; на фиг.5, 6 ролики 23, 46, 47, 48 и 45, 42, 43, 44 показаны в виде пронумерованных кружков, соответствующих цилиндрам 38, 39, 40, 41 и цилиндрам 14, 35, 36, 37 на фиг.4), на каждый цилиндр по четыре ролика (фиг.5, 6), с последующим смещением на половину угла срабатывания φ клапанов выпуска-впуска, эквивалентного одному такту ДВС или повороту внутренних колец 11 преобразователя 1 на π или 180 градусов (на фиг.1, 5, 6 угол срабатывания φ равен 22 градуса 30 минут). Углом срабатывания φ клапанов выпуска-впуска определяются моменты времени открытия-закрытия клапанов 29 выпуска и впуска.
2
Зубчатое коническое колесо 21 вторичного вала 20 находится в зацеплении с коническим зубчатым колесом 10 наружного кольца 2 преобразователя 1, образуя кинематическую цепь планетарного редуктора, обеспечивающего увеличенный крутящий момент вторичного вала 20 и его необходимую угловую скорость ω для совершения каждого такта в работе ДВС и определяемую из соотношений:
2
1
, где φ - угол срабатывания клапанов выпуска-впуска; π=3,14; i - передаточное отношение угловой скорости ωвторичного вала 20 и угловой скорости ω внутренних колец 11 преобразователя 1;
а число зубьев конических колес 10 и 21
10
21
, где z и z - числа зубьев конических колес 10 и 21.
На центральной оси а-а каждого из дисков 22 установлены подшипники качения 25, на которые опираются первичный вал 24, связанный шпонкой 26 с внутренними кольцами 11 преобразователя 1 и передающая вращение от внутренних колец 11 первичному валу 24.
Смазка ДВС обеспечивается разбрызгиванием масла возвратно-поступательными движениями конического ролика 9 преобразователя 1 в одной из ниш блока 13, исполняющей роль картера, куда стекает масло, в том числе со стенок цилиндров, снимаемых кольцами поршней 6, по круговой выточке (кольца поршней 6 и круговые выточки не показаны) на граничащих поверхностях блоков 13.
Две одинаковые головки 27, каждая соосно закреплена на одном из блоков 13 и имеет каналы подвода и отвода газов 28 и механизм для их распределения. Механизм распределения в совокупности с диском 22 с нажимными роликами, закрепленного на вторичном вале 20, состоит из типовых: клапанов 29 выпуска и впуска, пружин сжатия 30, толкателей 31 (фиг.2, 3) и парных лепестков 32, находящиеся на торцевой поверхности головок 27.
Клапаны 29 выпуска и впуска с пружинами сжатия 30 и толкателями 31 расположены так, что отвечают моменту времени открытия-закрытия и соответствуют углу срабатывания φ клапанов выпуска-впуска, который эквивалентен одному такту ДВС или повороту внутренних колец 11 преобразователя 1 на % или 180 градусов (на фиг.1, 5, 6 он равен 22 градуса 30 минут).
Лепестки 32 соответствуют количеству клапанов 29 выпуска и впуска по два на цилиндр, и каждый имеет форму кольцевого сектора, центральный угол которого находится на центральной оси а-а и равен углу срабатывания φ клапанов выпуска-впуска.
Лепесток 32 своими осями вращения 33 установлен на бобышках 34, закрепленных на торцевой поверхности головки 27, попарно на один цилиндр. Каждая пара лепестков 32 имеет общую рабочую поверхность (фиг.1, 2, 3, 5, 6) в виде дуг, соответствующих радиусам движения нажимных роликов 23 диска 22, а на рабочей поверхности каждого лепестка 32 имеется одного типоразмера профильный выступ (фиг.2, 3). Профильный выступ лепестка 32 осуществляет открытие клапанов 29 нажимом от наезжающего на него нажимного ролика 23 диска 22 и закрытие клапанов 29 при их съезжании с профильного выступа - в соответствии с очередностью каждого такта для всех цилиндров ДВС.
В корпусе каждой головки 27 на центральной оси а-а находится упорно-регулировочная плашка 35, препятствующая осевому смещению внутренних колец 11 с устранением люфтов в опорах качения 8 и 12 преобразователя 1.
Сборка устройства осуществляется со сборки однотипных узлов, в том числе механизма распределения (фиг.1, 2, 3).
1. В два одинаковых блока 13 устанавливают по гильзе 16, имеющей на подшипниках качения 17 и 18, разграниченных втулкой 19, вторичный вал 20.
2. Затем на каждый из блоков 13 устанавливают по головке 27 соосно с блоком 13 за счет гильзы 16, на которой установлена упорно-регулировочная плашка 35 и клапаны 29 выпуска-впуска, с пружинами сжатия 30, с толкателями 31, а также установлены попарно своими осями вращения 33 лепестки 32 на бобышках 34 (в соответствии каждой пары определенному цилиндру фиг.4, 5, 6).
3. После чего со стороны головок 27 на вторичный вал 20 крепятся диски 22 с имеющимися на них подшипниками качения 25, а на цилиндрической поверхности с нажимными роликами (в соответствии с тактностью цилиндров по фиг.4, 5, 6).
Далее производят сборку преобразователя 1 с размещением на шпонке 26 первичного вала 24 внутреннего кольца 11 до упора в буртик с последующей установкой на него опор качения 8 и наружного кольца 2 с размещенными на нем опорными пальцами 7 с коническими роликами 9, после чего устанавливают на первичный вал другое внутренне кольцо 11 с опорой качения 8.
Затем в стаканы 3 наружного кольца 2 устанавливают ползушки 4 так, чтобы беспрепятственно установить поршни 6 с фиксацией последних поршневыми пальцами 5; после чего на внутренние кольца 11 устанавливают опоры качения 12.
Следующий этап начинается с установки первичного вала 24 с собранными на нем преобразователя 1 с поршнями 6, в один из ранее собранных блоков 13 с головками 27 до упора опор качения 12 преобразователя 1 в опорную поверхность тел качения конического зубчатого колеса 21 вторичного вала 20; при этом до ввода в зацепление конического зубчатого колеса 10 преобразователя 1 с коническим зубчатым колесом 21 вторичного вала 20 положение поршней 6 в цилиндрах блока 13 должно соответствовать тактам ранее установленного механизма распределения - вторичный вал 20, диск 22 с нажимными роликами и лепестками 32 (в соответствии с фиг.4, 5, 6). Затем в ниши блока 13 устанавливают профильные платины 15, после чего производят установку другого ранее собранного блока 13 с головкой 27 до упора опор качения 12 преобразователя 1 в опорную поверхность тел качения конического зубчатого колеса 21 вторичного вала 20 (в соответствии с фиг.4, 5, 6).
После сборки всего устройства производят подтяжку упорно-регулировочных плашек 35, находящиеся на центральной оси а-а в головках 27, с устранением люфтов в опорах качения 8 и 12 преобразователя 1, с определенным усилием препятствующих осевому смещению внутренних колец 11 преобразователя 1.
Правильность и тактность сборки устройства определяют вращением первичного вала 24.
Принцип работы предлагаемого устройства (фиг.1, 2) определяется двухсторонним рабочим действием цилидропоршневых групп с преобразование возвратно-поступательных движений поршней 6 при действии на них знакопеременных сил давления газов во вращательные на первичном 24 и с редуцированием на вторичном 20 валах при использовании неустойчивых положений тел качения 8 на наклонной плоскости.
А именно, поршни 6, двигаясь под действием сил давления газов, передают усилия через поршневые пальцы 5 на ползушки 4 в стаканах 3 наружного кольца 2 преобразователя 1. Наружное кольцо 2 в свою очередь давит через тела качения опоры 8 на внутренние кольца 11 преобразователя 1, имеющие смещенную ось под углом α к центральной оси а-а, что образует наклонные плоскости поверхностей для тел качения опор 8 и их неустойчивые положения под действием сил давления. Вследствие неустойчивых положений тела качения опоры 8, стремясь занять устойчивость, поворачивают внутренние кольца 11 преобразователя 1 на π или 180 градусов, занимая устойчивое положение, что указывает на завершение такта. При этом внутренние кольца 11 через шпонку 26 передают вращение первичному валу 24 также на π или 180 градусов.
Далее, при действии на поршень 6 противоположных (знакопеременные силы) сил давления тела качения опоры 8 снова находятся в неустойчивом положении на наклонных плоскостях поверхностей внутренних колец 11 и, занимая устойчивые положения, поворачивают внутренние кольца 11 преобразователя 1 на π или 180 градусов, соответственно поворачивают и первичный вал 24, завершая еще один такт хода поршней 6.
Следующее, при вращении внутренних колец 11 их смещенная под углом α ось к центральной оси а-а с точкой пересечения в базовом центре О совершает двухсторонние конусообразные движения, что соответственно заставляет совершать качающие движения наружного кольца 2 (связанные телами качения опоры 8 с внутренними кольцами 11) вокруг базового центра О без его вращения за счет удерживающих конических роликов 9 на опорных пальцах 7, установленных на наружном кольце 2 и опирающихся на профильные пластины 15 блоков 13.
При этом начальные конусы зубьев колес 10 обкатывают начальные конусы зубьев колес 21 (без вращения) вокруг базового центра О, а из-за меньшего количества зубьев колес 21 вторичных валов 20, чем у колес 10 наружного кольца 2 преобразователя 1, происходят вращения вторичных валов 20 в противоположных направлениях по отношению к вращениям внутренних колец 11 преобразователя 1, в том числе и первичного вала 24, более того, с разными крутящими моментами и угловыми скоростями, а точнее, вторичный вал 20 имеет увеличенный крутящий момент, но меньшую угловую скорость.
Обеспечение очередности тактов в устройстве осуществляется механизмом распределения подачи и отвода газов (на фиг.1-6 четырехтактный ДВС с четырьмя парными цилиндрами) и связано с положениями поршня - тактом каждого цилиндра. Так, при положении поршней 6 по фигуре 4 в соосных цилиндрах 38-14 поршень 6 находится в крайнем положении (мертвая точка) с переходом на впуск в цилиндре 38 и на выпуск в цилиндре 14, соответственно нажимных роликов 23 и 45 (фиг.5, 6 - нажимные ролики в виде пронумерованных кружков, соответствующих номеру цилиндра) находятся на границах тактов выпуск-впуск цилиндра 38 и тактов рабочий ход - выпуск цилиндра 14.
Противолежащие им соосные цилиндры 40-36 с крайним положением (мертвая точка) поршня 6 и соответственно положения нажимных роликов 47 и 43 находятся на границах тактов впуск-сжатие цилиндра 40 и тактов сжатия - рабочий ход цилиндра 36.
Радиусы прохождения каждой четверки нажимных роликов (по 4 на один цилиндр) равны радиусам общей рабочей поверхности только определенной паре лепестков 32 для каждого цилиндра (на фиг.5, 6 общая рабочая поверхность пары лепестков в виде дуговых полос, разделенных пополам для каждого клапана 29, что соответствует углу срабатывания φ клапанов выпуска-впуска).
Другие парные цилиндры 39-35 и 41-37 со средними положениями поршней в цилиндрах указывают на совершения половин тактов (фиг.4), а точнее, в цилиндре 39 на половину впуск, а в цилиндре 35 на половину выпуск, что соответствует положениям нажимных роликов 46 и 42, находящихся на середине такта (фиг.5, 6), - на фиг.3 указано положение нажимного ролика 23, диска 22, наехавшего на лепесток 32 с открытием клапана впуска 29, что соответствует положению поршня 6 в цилиндре 39 на фиг.4.
В паре цилиндров 41-37 половины такта сжатия в цилиндре 41 и половина такта рабочего хода в цилиндре 37, то есть их клапаны 29 выпуска и впуска закрыты, а положение нажимных роликов 48 и 44 на фиг.5, 6 вне зоны рабочих поверхностей лепестков 32 и находится на серединах соответствующих тактов.
По мере прохождения каждым нажимным роликом диска 22 угла срабатывания φ выпуска-впуска происходит смена того или иного такта, а так как цилиндр 38-14 и цилиндр 40-36 имеют расхождения на полтакта с цилиндром 39-35 и с цилиндром 41-37, то значения крутящих моментов и угловых скоростей вторичного 20 и первичного 24 валов постоянны (при наличие четырех пар цилиндров ДВС), что исключает применение массивных маховиков.
Основной отличительной особенностью и преимуществом предлагаемого устройства являются:
- наличие двух сторонних рабочих ходов поршней с возвратно-поступательными движениями и преобразователя, видоизменяющего движение поршней во вращательные на двух выходных валах, с разными крутящими моментами и угловыми скоростями, использование которых (вместе или порознь) увеличивают области применения устройства при его увеличенной мощности и значительно сниженных массогабаратных показателях,
- наличие опор качения (вместо опор скольжения), имеющих минимальные затраты на трение и взаимозаменяемость в преобразователе, в механизмах распределения и в устройстве в целом повышают надежность и КПД при сниженной себестоимости изготовления, а также ремонте устройства, в том числе отсутствие кривошипно-шатунных механизмов, имеющих высокие требования при их изготовлении-ремонте,
- и многое другое.