Смещенный кулачок для поршневого насоса

Изобретение относится к поршневым насосам, приводимым в действие вращающимся кулачком. Узел насоса содержит кулачок и поршень. Кулачок вращается в плоскости вокруг эксцентриковой оси и имеет периферийную боковую стенку. Поршень зацепляется с периферийной боковой стенкой кулачка и перемещается вдоль оси поршня, которая лежит в плоскости кулачка. Ось поршня параллельна, но не совпадает с опорной линией, перпендикулярной к эксцентриковой оси и пересекающейся с эксцентриковой осью. Кулачок прикладывает максимальное усилие к поршню, когда ось поршня перпендикулярна к периферийной боковой стенке, где ролик, работающий от кулачка, зацепляется с периферийной боковой стенкой, и максимальное усилие, приложенное кулачком к поршню, действует, по существу, на одной прямой с осью поршня. Уменьшается износ элементов узла насоса и повышается эффективность откачки за счет минимизации ненужного крутящего момента. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Предпосылки изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к поршневым насосам и, более конкретно, к поршневым насосам, приводимым в действие вращающимся кулачком.

Поршневые насосы обычно используются для перемещения текучих сред, таких как масло или консистентная смазка, в широком диапазоне применений в промышленности и на автотранспорте. Поршневые насосы, приводимые в действие вращающимся кулачком, перекачивают приблизительно постоянное количество текучей среды при каждом повороте кулачка.

Поршневые насосы, приводимые в действие вращающимся кулачком, содержат три части: кулачок, поршень, соединенный с кулачком, и цилиндр, вмещающий поршень. Кулачки могут быть круглыми, эллиптическими или дисками неправильной формы, но во всех случаях прикладывают усилие к поршню при повороте кулачка. Поршень поршневого насоса обычно ограничен для перемещения вдоль прямого канала внутри цилиндра и удерживается на наружной периферийной поверхности кулачка. Цилиндр поршневого насоса ограничивает поршень и содержит насосную камеру, в которую всасывается текучая среда, из которой текучая среда откачивается за счет перемещения поршня. Многие поршни являются, по существу, цилиндрическими валами, и большая часть цилиндров представляет собой, по существу, цилиндрические трубки. Поршневые цилиндры включают в себя впускные отверстия, которые обеспечивают прохождение текучей среды в насосную камеру. Эти впускные отверстия являются, по существу, отверстиями на боковых сторонах цилиндра.

При вращении кулачка поршневого насоса поршень проталкивается назад и вперед внутри цилиндра за счет действия пружины к кулачку и от кулачка. Кулачок проталкивает поршень в цилиндр, а пружина возвращает поршень при отводе кулачка. Это возвратно-поступательное движение поршня открывает и закрывает, по меньшей мере, одно впускное отверстие в поршневом цилиндре посредством разблокировки и блокировки впускного отверстия. Когда поршень отводится, текучая среда проходит через открытое впускное отверстие в насосную камеру цилиндра. При прохождении поршня он блокирует впускное отверстие и вытесняет текучую среду, захваченную в насосной камере, через выпускное отверстие насоса.

В поршневых насосах, приводимых в действие кулачком, поршень обычно совмещается с кулачком, так что вал поршня проходит радиально наружу от оси вращения кулачка. Это приводит к вытеснению поршня во время половины поворота кулачка и заполнению цилиндра во время другой половины поворота кулачка. Многие кулачки прикладывают усилие к поршням за счет поворота вокруг эксцентрично расположенной оси. Такие кулачки прикладывают усилия к радиально ориентированным поршням, которые не действуют полностью вдоль направления движения поршня.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к узлу насоса, содержащему кулачок и поршень. Кулачок вращается в плоскости вокруг эксцентриковой оси и имеет периферийную боковую стенку. Поршень зацепляется с периферийной боковой стенкой кулачка и перемещается вдоль оси поршня, которая лежит в плоскости кулачка. Ось поршня параллельна, но не совпадает с опорной линией, перпендикулярной к эксцентриковой оси и пересекающейся с ней.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - перспективный вид узла насоса настоящего изобретения, включающего в себя кулачок, поршень в контакте с кулачком и цилиндр, в котором перемещается поршень;

Фиг.2 - вид в разрезе узла насоса на фиг.1;

Фиг.3A и 3B - упрощенные виды кулачка и поршня известного уровня техники;

Фиг.4A и 4B - упрощенные виды кулачка и поршня на фиг.1 и 2;

Фиг.5 - кривая положения поршня в зависимости от угла кулачка в известном уровне техники; и

Фиг.6 - кривая в увеличенном масштабе положения поршня в зависимости от угла кулачка в настоящем изобретении.

Подробное описание

Фиг.1 - перспективный вид узла 10 насоса, содержащего кулачок 12, приводной вал 14, поршень 16 (с прямым валом 18 и роликом 20, работающим от кулачка), цилиндр 22, впускное отверстие 24, основание 26, пружину 28 поршня, опору 30 пружины поршня, выпускное отверстие 32, кольцо 36 для закрепления резервуара и съемные прокладочные зажимы 38. Кулачком 12 является диск с наружной периферийной стенкой и эксцентриковой осью вращения, такой как круглый диск с осью вращения, смещенной от геометрического центра окружности. Приводной вал 14 является вращающимся валом, закрепленным в кулачке 12 по оси RA вращения. Поршнем 16 является жесткий поршень, который перемещает кулачок 12. Поршень 16 содержит прямой вал 18 и ролик 20, работающий от кулачка, который слегка закруглен. Цилиндром 22 является, по существу, цилиндрическая трубка, удерживающая поршень 16, так что прямой вал 18 образует уплотнение с внутренней частью цилиндра 22. Цилиндр 22 отличается, по меньшей мере, одним впускным отверстием 24. Как показано, впускным отверстием 24 является отверстие через обе боковые стороны цилиндра 22. Основанием 26 является жесткий корпус, который закрепляет как приводной вал 14, так и цилиндр 22. В изображенном варианте осуществления основанием 26 является изготовленный литьем под давлением пластмассовый элемент, но основанием 26 обычно может быть любой элемент, который закрепляет цилиндр 22 относительно приводного вала 14. Цилиндр 22 ввинчен в основание 26. В других вариантах осуществления цилиндр 22 может быть закреплен с возможностью съема на основании 26 за счет других средств. Пружина 28 поршня проходит между цилиндром 22 и опорой 30 пружины поршня, которая является диском, установленным на поршне 16 рядом с роликом 20, работающим от кулачка. Цилиндр 22 включает в себя выпускное отверстие 32, место выхода для текучей среды, такой как топливо, масло или консистентная смазка. Выпускное отверстие 32 имеет резьбовую внутреннюю поверхность для закрепления шланга или трубки для подачи текучей среды. В альтернативных вариантах осуществления шланги или трубки могут закрепляться в выпускном отверстии 32 за счет других средств. Резервуар для текучей среды (не показан) закреплен сверху узла 10 насоса на кольце 36 для закрепления резервуара. Вместе с основанием 26 этот резервуар образует пространство, которое может заполняться текучей средой. Съемными прокладочными зажимами 38 являются зажимы заданной ширины и могут, например, быть выполнены из штампованного металла. Съемные прокладочные зажимы 38 могут вставляться между цилиндром 22 и основанием 26, как показано, для регулировки положения впускного отверстия 24 относительно оси RA вращения. Вставка или удаление съемных прокладочных зажимов 38 изменяет подачу узла 10 насоса, как описано в одной из заявок, находящейся одновременно на рассмотрении патентного ведомства, №___, под названием «Съемный прокладочный зажим для регулируемого поршневого насоса». Узел 10 насоса может использоваться в любой подходящей системе, например, в заводских и промышленных системах смазки.

Приводной вал 14 вращается под действием движущей силы для поворота кулачка 12. Например, приводной вал 14 может вращаться под действием движущей силы пневматического двигателя или электродвигателя. При вращении кулачка 12 вокруг эксцентриковой оси RA вращения, пружина 28 поршня удерживает ролик 20, работающий от кулачка, поршня 16 на наружной периферийной стенке кулачка 12 за счет усилия пружины. При вращении кулачка 12 он прикладывает усилие к поршню 16, сжимая пружину 28 поршня. При продолжении вращения кулачка 12 пружина поршня удерживает ролик 20, работающий от кулачка, в контакте с кулачком 12, в то время как наружная периферийная стенка кулачка 12 отдаляется. Прямой вал 18 поршня 16 перемещается назад и вперед вдоль оси PA поршня (см. фиг.2) через цилиндр 22, приводимый в движение кулачком 12.

Текучая среда из резервуара, закрепленного на кольце 36 для закрепления резервуара, заполняет область, окружающую кулачок 12, поршень 16 и цилиндр 22. При повороте кулачка 12 поршень 16 перемещается вдоль канала, образованного цилиндром 22. Перемещение поршня 16 влево создает вакуумную полость внутри цилиндра 22, в то время как впускное отверстие 24 закрыто (см. фиг.2). При открытии впускного отверстия 24 посредством вакуума текучая среда всасывается в цилиндр 22 через впускное отверстие 24. Перемещение поршня 16 вправо вытесняет текучую среду из цилиндра 22 через выпускное отверстие 32, таким образом, выкачивая текучую среду из резервуара. Для максимизации эффективности откачки ось поршня 16 не пересекается с осью RA вращения, а вместо этого смещена на фиксированное расстояние в направлении вращения кулачка 12, как будет описано более подробно со ссылкой на фиг.2.

Фиг.2 - вид в разрезе узла 10 насоса по линии 2-2 сечения на фиг.1. Фиг.2 изображает кулачок 12, приводной вал 14, поршень 16 (с прямым валом 18, роликом 20, работающим от кулачка, и поверхностью 21 поршня), цилиндр 22, впускное отверстие 24, основание 26, пружину 28 поршня, опору 30 пружины поршня, выпускное отверстие 32, съемные прокладочные зажимы 38, пробку 42, клапанную пружину 44 и опору 46 клапанной пружины. Как описано со ссылкой на фиг.1, приводной вал 14 вращает кулачок 12 и закреплен на основании 26. Поршень 16 перемещается внутри цилиндра 22 и удерживается на кулачке 12 за счет пружины 28, совершая возвратно-поступательное движение вдоль оси PA поршня. Цилиндр 22 имеет впускное отверстие 24, через которое текучая среда проходит в цилиндр 22, и выпускное отверстие 32, через которое текучая среда выходит из цилиндра 22. Кроме того, клапан 25 образует уплотнение внутри цилиндра 22. Клапан 25 является тарельчатым клапаном, содержащим пробку 42, пружину 44 пробки и опору 46 пружины пробки. Пробкой 42 является пробка с формой и размером для уплотнения цилиндра 22 от прохождения текучей среды при удержании на месте (как показано) пружиной 44 клапана. Пружина 44 клапана является низкопрочной пружиной, которая проходит от пробки 42 к опоре 46 пружины пробки и возвращает пробку 42 в положение уплотнения при отсутствии других усилий. Опора 46 пружины пробки включает в себя отверстия или каналы для текучей среды (не показаны) для обеспечения прохождения текучей среды через опору 46 пружины пробки к выпускному отверстию 32. В одном варианте осуществления опора 46 пружины пробки имеет резьбу для зацепления с резьбой выпускного отверстия 32.

Вращение кулачка 12 приводит в движение поршень 16 назад и вперед вдоль оси PA поршня, как описано выше. Прямой вал 18 иногда блокирует впускное отверстие 24, закрывая впускное отверстие 24 и предотвращая выход текучей среды из цилиндра 22 через выпускное отверстие 32. В то время как поршень 16 перемещается влево из своего крайнего правого выдвижения внутри цилиндра, клапан 25 уплотняет цилиндр 22, предотвращая выход текучей среды из уплотнения 22 через выпускное отверстие 32. Перемещение поршня 16 создает частичный вакуум между поверхностью 21 поршня и пробкой 42 клапана 25. Клапан 25 удерживается в уплотнении за счет уплотнительной пружины 44 и вакуума. Перемещение влево за счет поршня 16 отводит прямой вал 18 из впускного отверстия 24, разблокируя и открывая впускное отверстие 24, так что текучая среда может проходить в цилиндр 22. Когда отверстие 24 открыто, посредством вакуума текучая среда всасывается в цилиндр 22 до тех пор, пока поршень 16 не достигнет своего крайнего левого положения. Затем, поршень 16 перемещается вправо, вытесняя текучую среду через впускное отверстие 24 до тех пор, пока впускное отверстие 24 не будет заблокировано прямым валом 18 поршня 16. Непрерывное перемещение вправо оказывает давление на текучую среду, захваченную между поверхностью 21 поршня и пробкой 42 клапана 25, открывая клапан 25. Перемещение вправо поршня 16 из впускного отверстия 24 в крайнее правое выдвинутое положение поршня 16, таким образом, откачивает текучую среду из цилиндра 22 через выпускное отверстие 32. Общий объем текучей среды, вытесняемой во время каждого цикла кулачка и поршня 16, определяется расстоянием между впускным отверстием 24 и крайним правым выдвинутым положением прямого вала 18 поршня 16.

Съемные прокладочные зажимы 38 вставляются между цилиндром 22 и основанием 26, регулируя положение цилиндра 22 и, следовательно, впускного отверстия 24 относительно кулачка 12, и крайнее правое выдвижение прямого вала 18. Цилиндр 22 завинчен до отказа, удерживая съемные прокладочные зажимы 38 на месте. Внутренняя поверхность цилиндра может иметь резьбу для обеспечения закрепления трубок или шлангов с резьбой в выпускном отверстии 32.

Как изображено, кулачок 12 содержит круглый диск с геометрическим центром GC кулачка, смещенным от оси RA вращения, которая проходит через центр приводного вала 14. Ось PA поршня не пересекается с осью RA вращения, а точнее проходит от оси RA вращения на расстоянии, описанном ниже со ссылкой на фиг.3 и 4. Геометрический центр GC кулачка вращает по орбите приводной вал 14 в направлении по часовой стрелке, так что кулачок 12 вытесняет поршень вправо, когда геометрический центр GC кулачка поршня, по существу, совпадает с поршнем 16.

Фиг.3A и 3B изображает конфигурации известного уровня техники кулачка 12 и поршня 16. Фиг.3A изображает приводной вал 14 и кулачок 12, и фиг.3B показывает направление усилий, приложенных кулачком 12 к поршню 16. В поршневых насосах известного уровня техники поршень 16 ориентирован непосредственно на одной линии с приводным валом 14, чтобы проходить радиально наружу от оси вращения кулачка 12. Результирующее усилие, приложенное кулачком 12 к поршню 16 во время сжатия пружины 28, в основном действует вдоль оси перемещения поршня 16, но имеет составляющую в направлении вращения, перпендикулярную к оси перемещения поршня 16. Эта составляющая усилия не действует (и, следовательно, является потерянной энергией) и может способствовать износу поршня 16 или цилиндра 22.

Фиг.4A и 4B изображает конфигурацию настоящего изобретения для кулачка 12 и поршня 16. Фиг.4A изображает приводной вал 14 и кулачок 12, и фиг.4B показывает направление усилий, приложенных кулачком 12 к поршню 16. Геометрический центр GC кулачка отделен от оси RA вращения расстоянием X₁. Фиг.4A показывает ось PA поршня, которая лежит в плоскости кулачка 12, и опорную линию RL, линию, параллельную оси PA поршня, которая также лежит в плоскости кулачка 12, но которая проходит через ось RA вращения кулачка 12. Поршень 16 не ориентирован на одной линии с приводным валом 14, как в известном уровне техники, а точнее смещен на расстояние X₂ в направлении, противоположном вращению кулачка и перпендикулярном к оси PA поршня, для обеспечения увеличенной эффективности. Соответственно, ось PA поршня и опорная линия RL отделены расстоянием X₂. В одном варианте осуществления X₁=X₂. Путем сравнения расстояние X₁ равно нулю на фиг.3A, так как ось PA поршня и опорная линия RL совпадают в известном уровне техники. Если кулачок 12 круглый, максимальное усилие, приложенное кулачком 12 к поршню 16 во время сжатия пружины 28, полностью ориентировано вдоль оси перемещения поршня 16 с незначительным усилием в любом другом направлении. Это максимальное усилие возникает, когда большая ось кулачка 12 перпендикулярна к оси PA поршня. Кулачок 12, в качестве альтернативы, может иметь другие формы (например, эллиптическую или любые сложные формы), в этом случае смещение оси PA поршня от опорной линии RL будет повышать эффективность, но не исключают полностью усилия, действующие не на одной линии с осью PA поршня. Эффективность данной конфигурации преобразует вращательную энергию приводного вала 14 в поступательное движение поршня 16 и предотвращает воздействие бесполезных напряжений и износов на поршень 16 или цилиндр 22, как описано выше со ссылкой на фиг.3A и 3B.

Настоящее изобретение также обеспечивает приведение в движение кулачком 12 поршня 16 в большем диапазоне углов вращения кулачка. Фиг.5 - кривая положения поршня в зависимости от угла кулачка в известном уровне техники. В известном уровне техники рабочий цикл поршня, приведенного в действие таким круглым кулачком, является равномерным: поршень перемещается в одном направлении во время половины каждого периода вращения кулачка и в противоположном направлении во время другой половины. Соответственно, узлы насосов известного уровня техники откачивают во время половины каждого цикла вращения и заполняют во время остальной половины. Фиг.6 - кривая положения поршня в зависимости от угла кулачка в настоящем изобретении. Фиг.6 выполнено в увеличенном масштабе, а не в действительном масштабе, чтобы подчеркнуть разницу между рабочим циклом настоящего изобретения и рабочим циклом известного уровня техники. В настоящем изобретении поршень 12 тратит более половины каждого периода вращения кулачка на перемещение в цилиндр 22, и менее половины на отвод из цилиндра 22. Соответственно, узел 10 насоса откачивает во время более половины каждого цикла вращения и заполняет во время менее половины. Поскольку узел 10 насоса выполняет только работу во время откачивания, данная конфигурация позволяет поршню откачивать одинаковое количество текучей среды при одной и той же скорости приводного вала, что и в известном уровне техники, требуя меньший крутящий момент по сравнению с конфигурациями известного уровня техники от приводного вала 114. В общем, узел 10 насоса может быть выполнен для заданного режима откачки, описывающего периоды заполнения и откачки за счет смещения оси PA поршня на соответствующее расстояние от оси RA вращения.

Посредством смещения поршня от одной линии с осью вращения кулачка 12 настоящее изобретение уменьшает износ элементов узла 10 насоса и повышает эффективность откачки за счет минимизации ненужного крутящего момента. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает приведение в движение поршня 16 за счет вращения при меньшем крутящем моменте приводного вала 14, таким образом, дополнительно повышая энергетический кпд.

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на пример осуществления (примеры осуществления), специалистам в данной области техники следует понимать, что возможны различные изменения, и эквиваленты могут быть использованы вместо их элементов без отхода от объема настоящего изобретения. Кроме того, возможны многие модификации для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям настоящего изобретения без отхода от его основного объема. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается раскрытым конкретным вариантом осуществления (вариантами осуществления) и может включать в себя все варианты осуществления, входящие в объем прилагаемой формулы изобретения.

1. Узел насоса, содержащий:
кулачок, который вращается в плоскости вокруг эксцентриковой оси и имеет периферийную боковую стенку; и
поршень, зацепляющийся с периферийной боковой стенкой кулачка, и который перемещается вдоль оси поршня;
причем ось поршня лежит в плоскости кулачка и параллельна, но не совпадает с опорной линией, перпендикулярной к эксцентриковой оси и пересекающейся с эксцентриковой осью, и
кулачок прикладывает максимальное усилие к поршню, когда ось поршня перпендикулярна к периферийной боковой стенке, где ролик, работающий от кулачка, зацепляется с периферийной боковой стенкой, и максимальное усилие, приложенное кулачком к поршню, действует, по существу, на одной прямой с осью поршня.

2. Узел насоса по п.1, в котором кулачком является круглый кулачок, и эксцентриковая ось смещена на первое расстояние от геометрического центра кулачка.

3. Узел насоса по п.1, в котором ось поршня смещена на второе расстояние от опорной линии.

4. Узел насоса по п.3, в котором первое расстояние между геометрическим центром кулачка и эксцентриковой осью равно второму расстоянию.

5. Узел насоса по п.1, дополнительно содержащий цилиндр, имеющий отверстие для впуска текучей среды и отверстие для выпуска текучей среды, и через который перемещается поршень.

6. Узел насоса, содержащий:
круглый кулачок, вращающийся в плоскости, причем круглый кулачок содержит
эксцентриковую ось вращения;
периферийную боковую стенку, параллельную эксцентриковой оси вращения; и
геометрический центр; и
поршень, лежащий в плоскости, причем поршень содержит
ролик, работающий от кулачка, зацепляющийся с периферийной боковой стенкой, так что при вращении круглый кулачок прикладывает усилие к поршню; и
вал, который перемещается вдоль оси поршня;
причем
круглый кулачок прикладывает максимальное усилие к поршню, когда ось поршня перпендикулярна к периферийной боковой стенке, где ролик, работающий от кулачка, зацепляется с периферийной боковой стенкой; и
максимальное усилие, приложенное круглым кулачком к поршню, действует, по существу, на одной прямой с осью поршня.

7. Узел насоса по п.6, в котором эксцентриковая ось круглого кулачка расположена на первом расстоянии от геометрического центра кулачка.

8. Узел насоса по п.7, в котором второе расстояние между осью поршня и опорной линией, параллельной оси поршня и проходящей через эксцентриковую ось круглого кулачка, равно первому расстоянию.

9. Узел насоса по п.6, дополнительно содержащий полый цилиндр с впускным отверстием и выпускным отверстием, и, причем поршень перемещается внутри цилиндра таким образом, что
цилиндр заполняется текучей средой через впускное отверстие, в то время как поршень отводится из цилиндра; и
поршень откачивает текучую среду из цилиндра через выпускное отверстие, в то время как поршень проходит в цилиндр.

10. Узел насоса по п.9, в котором поршень использует большую часть каждого поворота кулачка на перемещение в цилиндр, чем на отвод из цилиндра.

11. Узел насоса, содержащий:
основание;
кулачок, установленный на основании для вращения в плоскости, причем кулачок имеет ось вращения;
периферийную боковую стенку, параллельную оси вращения; и
геометрический центр, смещенный от оси вращения;
цилиндр для перемещения текучей среды, который закрепляется на основании, и который имеет впускное отверстие и выпускное
отверстие;
поршень, расположенный в цилиндре для перемещения текучей среды и приводимый в движение вследствие вращения кулачка, причем поршень содержит
вал, проходящий вдоль оси поршня, лежащей в плоскости, причем ось поршня параллельна, но не совпадает с опорной линией, перпендикулярной к оси вращения кулачка и пересекающейся с осью вращения кулачка;
ролик, работающий от кулачка, зацепляющийся с периферийной боковой стенкой;
причем текучая среда входит в цилиндр через впускное отверстие и вытесняется из цилиндра за счет перемещения поршня через цилиндр, и
кулачок прикладывает максимальное усилие к поршню, когда ось поршня перпендикулярна к периферийной боковой стенке, где ролик, работающий от кулачка, зацепляется с периферийной боковой стенкой, и максимальное усилие, приложенное кулачком к поршню, действует, по существу, на одной прямой с осью поршня.

12. Узел насоса по п.11, дополнительно содержащий пружину, которая удерживает поршень на кулачке.

13. Узел насоса по п.12, в котором пружина проходит между цилиндром для перемещения текучей среды и опорой на поршне.

14. Узел насоса по п.11, в котором усилие, приложенное кулачком к поршню, действует, по существу, на одной линии с единственной осью перемещения поршня.

15. Узел насоса по п.11, в котором кулачок является круглым, и ось вращения отделена первым расстоянием от геометрического центра кулачка.

16. Узел насоса по п.15, в котором ось поршня и опорная линия разделены вторым расстоянием, равным первому расстоянию.