Патент на изобретение №2267012

(54) ПОРШНЕВАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

Машина предназначена для использования в двигателях, насосах, компрессорах. Машина содержит поршень, выполненный как одно целое с толкателем и размещенный внутри корпуса-вала; на наружной поверхности поршня-толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие его с приводным валом-корпусом, цилиндрическая полость последнего разделена перегородкой и поршнями на четыре цилиндра, а в оси, связанной с поршнями-толкателями, и в валу-корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела. Изобретение обеспечивает повышение КПД, уменьшение габаритов. 1 н.п., 3 з.п. ф-лы, 4 илл.

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, более конкретно к поршневым моторам, насосам, компрессорам и может быть использовано в различных отраслях техники для придания вращательного движения исполнительным механизмам, перекачки жидкостей или нагнетания газов.

Известен аксиально-поршневой двигатель с противоположно движущимися поршнями (заявка №2001105860 от 27.02.2003), содержащий корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с шатунами-поводками в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными шарнирно с шатунами-поводками, поршни имеют уплотнения с обоих торцов, а рабочие процессы двигателя совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцевыми крышками цилиндров и поршнями с другой.

Недостатками аналога являются большие габариты вследствие наличия несовпадения оси приводного вала и оси цилиндров, повышенных габаритов механизма возвратно-поступательного движения поршней, а также снижение КПД механизма и его долговечности из-за давления поршней на стенки цилиндров.

Прототипом заявляемого изобретения является поршневая машина, патент RU №2073092 С1, содержащая корпус с цилиндрической полостью, размещенный в ней поршень, кинематически связанный толкателем с валом привода, последний выполнен полым, в нем соосно установлен толкатель с возможностью осевого перемещения, на наружной поверхности толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещено передаточное звено в виде поводков, связанное с валом, при этом разворот толкателя ограничен шлицевым соединением с корпусом.

Прототип может работать в режимах мотора, насоса, компрессора, так как в его основе лежит обратимый механизм преобразования движений возвратно-поступательного во вращательное и наоборот. Прототип работает следующим образом. При создании давления в цилиндре, в котором поршень находится в положении, близком к верхней мертвой точке, поршень начинает перемещаться в направлении нижней мертвой точки, воздействуя при этом на толкатель. Перемещаясь, толкатель боковой поверхностью винтовой канавки воздействует на поводки, которые вызывают вращение вала. При достижении поршнем нижней мертвой точки он останавливается, а за счет маховой силы инерции вала поводки переходят на реверсивную ветвь винтовой канавки. Теперь при приложении давления на поршень с обратной стороны начинается его перемещение от нижней мертвой точки к верхней, толкатель боковой стороной реверсивной ветви винтовой канавки давит на поводки, которые вызывают вращение вала в том же направлении. При достижении поршнем верхней мертвой точки силы инерции вращательного движения вала обеспечивают переход поводков в ветвь винтовой канавки, имеющей исходное направление, и цикл повторяется.

Недостатком прототипа является то, что при работе его в режиме мотора возникает необходимость выполнения вала в виде маховика для обеспечения непрерывности вращательного движения вала, а также невозможность запуска механизма без пускового, принудительного вращения приводного вала в момент, когда поршень находится в мертвой точке. При этом наличие маховой массы ведет к увеличению веса, габаритов и снижает КПД машины.

Технической задачей заявляемого устройства является создание компактной, нематериалоемкой, конструктивно простой, технологичной поршневой машины с высоким КПД, имеющей возможность работы в режиме мотора, насоса, компрессора, которая может приводиться в действие без предварительного запуска, и обеспечивающей высокий крутящий момент на выходном валу.

Поставленная задача решается тем, что заявляемая поршневая машина, содержащая корпус с цилиндрической полостью, размещенный в ней поршень, выполненный как одно целое с толкателем, имеющим возможность осевого перемещения внутри полого приводного вала, на наружной поверхности толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие толкатель с приводным валом, при этом проворот толкателя ограничен шлицевым соединением, отличается тем, что вал и корпус выполнены как единое целое, цилиндрическая полость разделена перегородкой и поршнями, которых как минимум два, на четыре цилиндра, на поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки, поршни фиксируются от проворота центральной осью, на которой с возможностью вращения закреплен корпус, приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга. В оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.

Улучшение массогабаритных характеристик машины и повышение ее КПД достигается тем, что вал и корпус выполнены как единое целое, а цилиндрическая полость в корпусе используется как полости рабочих цилиндров. Фиксация поршней от проворота за счет центральной оси уменьшает длину поршней как минимум на величину их хода, а применение двух поршней двухстороннего действия и деление цилиндрической полости корпуса на четыре цилиндра обеспечивает одновременное снижение массогабаритных характеристик и повышение КПД машины.

Кроме того, так как приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга, обеспечивается разно фазное перемещение поршней, что в конечном итоге создает возможность привода машины в действие без предварительного запуска и исключения необходимости выполнения корпуса в виде маховика.

На фигуре 1 схематично представлен вариант выполнения заявляемой поршневой машины. На фигуре 2, 3 вариант расположения мест фиксации поводков привода поршней в корпусе устройства, на фигуре 4 схема поршня с замкнутой винтовой канавкой, которая, например, может быть выполнена в виде синусоиды.

Заявляемая поршневая машина состоит из оси 1, поршней 2; 3 на поверхности которых выполнены замкнутые винтовые канавки 12, корпуса 4, ограничителей проворота поршней 5; 6 относительно оси 1, поводков 7; 8. Внутри корпуса 4 имеется перегородка 9, которая разделяет его внутреннюю полость вместе с поршнями 2; 3 на четыре цилиндра I; II III; IV. Поршень-толкатель 2 и корпус-вал 4 выполнены как одно целое каждое.

Ось 1 имеет каналы 10, а в корпусе 4 выполнены радиальные и продольные каналы 11, обеспечивающие подачу и выталкивание рабочего тела в цилиндры и из них. Совокупность соответствующих каналов, выполненных в оси и корпусе заявляемого устройства, образует золотник, который управляет подачей и вытеснением рабочего тела в цилиндры I; II; III; IV и из них по заданному циклу.

Заявляемая поршневая машина работает следующим образом. При подаче рабочего тела под давлением, например, гидравлического масла, по одному из каналов 10 оно через золотниковое устройство и каналы 11 поступает в цилиндр I и III и давит на поршни 2 и 3, что вызывает их поступательное движение вдоль оси 1 и слив масла из цилиндров II и IV. При поступательном перемещении поршней происходит воздействие боковой поверхности винтовых канавок 12, нарезанных на наружной поверхности поршней, на поводки 7; 8, что вызывает вследствие невозможности проворота поршней относительно оси 1 за счет действия ограничителей проворота 5; 6, вращательное движение корпуса 4 относительно оси 1. Вследствие наличия смещения поводков 7 и 8 (фиг.2, 3 сечения А-А, Б-Б) поршень 3 достигает крайнего правого положения раньше поршня 2, останавливается, а за счет того, что поршень 2 продолжает поступательное движение и вызывает вращательное движение корпуса 4, поводок 8 перемещается в реверсивную ветвь канавки 12 поршня 3, и он начинает движение в обратную сторону навстречу поршню 2. Одновременно через золотниковое устройство масло под давлением начинает поступать в цилиндр IV, и поршень 3 включается в рабочий цикл вращения корпуса 4. При достижении поршнем 2 крайнего правого положения также происходит его остановка, и за счет продолжения рабочего цикла в цилиндре IV уже поводки 7 переходят на реверсивную ветвь канавки 12 поршня 2, и поршень 2 начинает движение в обратную сторону. Одновременно масло через золотниковое устройство под давлением подается в цилиндр II (рабочий цикл) и вытесняется из цилиндра I. При достижении поршнем 3 крайнего левого положения за счет продолжающегося рабочего цикла в цилиндре II, а следовательно, продолжающегося вращательного движения корпуса 4, происходит переход поводков 8 на ветвь канавки 12, имеющей начальное направление, поршень 3 изменяет направление движения, в цилиндр III под давлением подается масло, и начинается рабочий цикл и слив масла из цилиндра IV, что обеспечивается золотниковым устройством. При достижении поршнем 2 крайнего левого положения за счет перехода поводков 7 на ветвь канавки 12, имеющей начальное направление, поршень 2 изменяет направление движения и цикл повторяется. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршней, вызываемое давлением на них рабочего тела, преобразуется во вращательное движение корпуса, которое может быть использовано для привода исполнительного механизма.

При фиксации корпуса 4, подачи и слива масла через него вращательное движение будет совершать ось 1, выполняющая в этом случае функцию приводного вала, что существенно расширяет возможные варианты конструктивного оформления исполнительного механизма.

В случае приложения вращательного движения к корпусу 4 или при фиксированном корпусе к оси 1, поршни начинают совершать принудительное возвратно-поступательное движение, что обеспечивает перекачку рабочего тела и его нагнетание, т.е. поршневая машина переходит в режим гидронасоса или компрессора, что определяется видом рабочего тела. При этом устройство работает как четырехцилиндровая машина с поршнями двухстороннего действия, что обеспечивает отсутствие холостых ходов – максимальный КПД, минимальную пульсацию рабочего тела и возможность создания высоких давлений рабочего тела.

Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, содержащая корпус с цилиндрической полостью, размещенный в ней поршень, выполненный как одно целое с толкателем, имеющим возможность осевого перемещения внутри полого приводного вала, на наружной поверхности толкателя выполнена замкнутая винтовая канавка, в которой размещены поводки, кинематически связывающие толкатель с приводным валом, при этом проворот толкателя ограничен шлицевым соединением с корпусом, отличающаяся тем, что вал и корпус выполнены как единое целое, цилиндрическая полость разделена перегородкой и двумя поршнями на четыре цилиндра, на поверхности поршней выполнены замкнутые винтовые канавки, порами зафиксированы от проворота центральной осью, на которой с возможностью вращения закреплен корпус, приводные поводки поршней зафиксированы в корпусе со смещением относительно друг друга, в оси и корпусе выполнены отверстия и полости, образующие золотниковое устройство, обеспечивающее подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из цилиндров по заданному циклу.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что количество поршней может быть три и более.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что количество замкнутых винтовых канавок, выполненных на поршнях, может быть две и более.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что винтовая канавка выполнена в виде синусоиды.

РИСУНКИ