Механизм преобразования движения поршня во вращение вала поршневой машины

 

Предложен механизм преобразования движения поршня во вращение вала поршневой машины с регулируемым ходом поршня, преимущественно для двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что преобразование возвратно-поступательного движения поршня с вращением вокруг оси в цилиндре во вращение вала проводится с помощью наклонного диска 2, вращающегося в подшипнике 3 и расположенного внутри наклонного диска 2 потока 4 с пальцем, который входит в отверстие вкладыша 7 шарнира, установленного на подшипниках на наклонном диске 2 таким образом, что ось шарнира проходит по хорде окружности, центр которой лежит на оси штока 4. При этом крайние положения при ходе штока 4 равноудалены от центра вращения диска 2. При перемещении штока 4 в направляющей 5 от взаимодействия пальца штока 4 с наклонным диском 2 возникает крутящий момент, который вращает шток 4 вместе с наклонным диском 2 и направляющей 5 штока 4 и передается от направляющей штока к потребителю непосредственно или через зубчатое зацепление. Регулируется ход поршня в необходимом интервале, в крайнем случае от нуля до максимума, путем изменения угла наклона подшипника наклонного диска в корпусе механизма относительно оси штока. Направлено на упрощение конструкции и повышение надежности. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится преимущественно к двигателестроению, а именно к механизму преобразования движения поршня во вращение вала поршневой машины с возможностью регулирования хода поршня.

Регулирование рабочего объема и степени сжатия ДВС является в настоящее время наиболее перспективным направлением в создании более экономичных и экологически чистых двигателей внутреннего сгорания.

В известном кривошипно-шатунном механизме преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращение коленчатого вала попытки регулирования хода поршня приводят к значительному усложнению конструкции узла и снижению надежности. Так в механизме, описанном в [1], между шатуном и кривошипом вводится дополнительно кулиса с пазом, увеличиваются габариты механизма, возрастает масса возвратно-поступательно движущихся деталей. Проблематичным остается регулирование хода поршня при работающем двигателе.

Наиболее близким по технической сущности является механизм [2] для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, позволяющий плавно изменять рабочий объем цилиндров при неизменной частоте вращения вала (прототип). Механизм содержит корпус, размещенный в корпусе вал, наклонный диск, кинематически связанный с валом, направляющие, параллельные оси вала и установленные в направляющих по крайней мере два штока с поршнями, шарнирно связанные с наклонным диском.

Недостатком механизма является сложная и недостаточно надежная связь наклонного диска с валом и система управления углом наклона диска. Использование в современных высокофорсированных ДВС, описанных в авт. св. 1808057, механизма регулирования хода поршня не обеспечивает достаточной точности регулирования из-за большого числа шарнирных соединений, больших суммарных зазоров в передаточных звеньях и достаточной долговечности сопряжения палец - наклонный паз из-за больших удельных нагрузок.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности механизма для преобразования движения поршня во вращение выходного вала поршневой машины с регулируемым ходом поршня. Кроме того, предложенный механизм позволяет конструировать такие поршневые машины, у которых поршень не контактирует со стенкой цилиндра, что открывает новые направления в области машиностроения.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном механизме преобразования движения поршня во вращение вала поршневой машины с регулируемым ходом поршня, содержащем корпус, размещенный в корпусе механизма наклонный диск с подшипником и расположенный внутри наклонного диска шток, по крайней мере, с одним поршнем, по крайней мере, в одной направляющей, шарнир с вкладышем, соединенный с наклонным диском посредством подшипников, для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня с регулируемой амплитудой, шток поршня выполнен с отстоящим под прямым углом к оси штока пальцем, входящим в отверстие вкладыша шарнира наклонного диска, и расположен внутри наклонного диска так, что, в общем случае, ось штока проходит центр вращения наклонного диска. Большая ось шарнира проходит по хорде окружности в сечении наклонного диска, центр которой совпадает с центром вращения наклонного диска. При перемещении штока в направляющей в результате взаимодействия пальца штока через вкладыш шарнира с наклонным диском возникает крутящий момент, вращающий шток вместе с наклонным диском и направляющей штока, от которой крутящий момент передается потребителю. Величина хода штока может регулироваться в необходимом интервале: в предельном случае от нуля до максимума, путем изменения положения подшипника наклонного диска в корпусе механизма относительно оси штока.

Главным отличием от прототипа является иное взаимное расположение и функциональное назначение наклонного диска, штока с направляющей, принцип взаимодействия штока с наклонным диском. Механизм может иметь, по крайней мере, один шток и один поршень.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где на фиг. 1 изображена поршневая машина с механизмом преобразования движения поршня во вращение вала с регулируемым ходом поршня.

Она содержит корпус 1, размещенные в корпусе наклонный диск 2 с подшипником 3 и расположенный внутри наклонного диска шток 4 с отстоящим под прямым углом пальцем и жестко закрепленными поршнями, направляющие штока 5, шарнир 6 с вкладышем 7, соединенный с наклонным диском 2 посредством подшипников 8.

На фиг. 2 изображен наклонный диск 2, на котором установлен шарнир 6 на подшипниках 8.

Шарнир выполнен с внутренней сферической поверхностью и имеет сквозную прорезь, через которую внутрь шарнира вставляется вкладыш. Снаружи на оси шарнира расположены два шипа подшипников.

На фиг. 3 изображен вкладыш шарнира, представляющий собой диск с наружной сферической поверхностью и отверстием в центре, в которое входит палец штока.

Подшипник наклонного диска сопряжен с корпусом механизма таким образом, например своей внешней поверхностью по скользящей посадке, либо с помощью двух опор, оси которых лежат на продолжении диаметра наклонного диска, перпендикулярного оси штока, что может изменять угол наклона относительно оси штока с помощью червячного, гидравлического или другого исполнительного механизма, связывающего подшипник наклонного диска с корпусом механизма.

Направляющая штока установлена в корпусе на подшипниках и имеет в сопряжении со штоком профиль, позволяющий воспринимать крутящий момент от штока. Максимальный ход штока определяется расстоянием от центра наклонного диска до оси шарнира и минимально возможным углом между плоскостью вращения наклонного диска и осью штока, который зависит от условий нагружения поршневой машины, прочностных характеристик используемых материалов, конструктивных особенностей поршневой машины.

Работает механизм следующим образом: при перемещении штока в направляющей от давления поршня палец штока через шарнир воздействует на наклонный диск. При нахождении штока между крайними положениями и угле между наклонным диском и осью штока, отличном от прямого, возникает крутящий момент, вращающий шток вместе с направляющей и наклонным диском. От штока крутящий момент передается на направляющую и далее - к потребителю непосредственно или через зубчатое зацепление. Крайние положения шток проходит под действием сил инерции вращающихся масс. Ход штока регулируется путем изменения угла между подшипником наклонного диска и осью штока с помощью исполнительного механизма.

Предложенное техническое решение отличается простотой, надежностью в работе и является высокоэффективным средством регулирования ДВС с целью повышения экономичности и экологической чистоты эксплуатации поршневой машины, дает возможность использовать бензин с различными октановыми числами. Вращение поршня при перемещении в цилиндре окажет положительное влияние на протекание рабочего процесса. Поскольку положение поршня относительно оси цилиндра может определяться зазором как между штоком и направляющей штока, так и между поршнем и цилиндром, то в первом случае поршень не соприкасается с цилиндром и при использовании вместо поршневых колец лабиринтного уплотнения появляется возможность отказаться от смазки цилиндра и значительно снизить механические потери, применять для цилиндров и поршней материалы со специальными свойствами, например керамику. Срок службы смазочного масла значительно увеличивается, так как масло не подвергается воздействию высоких температур продуктов сгорания.

Механизм обладает свойством обратимости и может использоваться в компрессорах и насосах для регулирования давления и подачи без изменения частоты вращения вала.

На основе механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня с вращением в цилиндре во вращение вала поршневой машины с регулируемым ходом поршня могут быть реализованы различные схемы двигателей внутреннего сгорания.

Формула изобретения

1. Механизм преобразования движения поршня во вращение вала поршневой машины с регулируемым ходом поршня, содержащий корпус, в котором размещен наклонный диск с подшипником, отличающийся тем, что шток с по крайней мере одним жестко закрепленным поршнем, перемещающийся в по крайней мере одной направляющей, установленный в корпусе, связан с наклонным диском через палец штока и вкладыш шарнира наклонного диска, при этом ось шарнира наклонного диска расположена на хорде окружности с центром, совпадающим с центром вращения наклонного диска, ось штока проходит в общем случае через центр вращения наклонного диска, которым является точка, относительно которой вращается наклонный диск при различных положениях подшипника наклонного диска в корпусе механизма.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что палец штока расположен под прямым углом к оси штока и входит в отверстие вкладыша шарнира, соединенного с наклонным диском посредством подшипников.

3. Механизм по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что подшипник наклонного диска сопряжен с корпусом механизма таким образом, что может изменять свой угол наклона относительно оси штока с помощью исполнительного механизма, соединяющего корпус с подшипником наклонного диска, при этом ход поршня изменяется в крайнем случае от нуля до максимума.

4. Механизм по пп.1 - 3, отличающийся тем, что направляющая штока установлена в корпусе на подшипниках и имеет в сопряжении со штоком профиль, позволяющий воспринимать крутящий момент от штока, возникающий при его перемещении.

5. Механизм по пп.1 - 4, отличающийся тем, что шарнир, связывающий шток с наклонным диском, выполнен со сферической внутренней поверхностью, имеет посредине сквозную прорезь, через которую внутрь шарнира вставляется вкладыш, и с расположенными снаружи на оси двумя шипами подшипников, посредством которых он соединен с наклонным диском, при этом вкладыш выполнен со сферической наружной поверхностью и отверстием, ось которого проходит через центр вкладыша.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3