RU2405939C2

RU2405939C2 - Hinged-piston mechanism

Info

Publication number: RU2405939C2
Application number: RU2008139828/06A
Authority: RU
Inventors: Феликс Аронович Черняков (UA); Феликс Аронович Черняков; Юрий Феликсович Черняков (UA); Юрий Феликсович Черняков
Original assignee: Феликс Аронович Черняков; Юрий Феликсович Черняков
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-12-10
Also published as: RU2008139828A

Abstract

FIELD: mechanics.

SUBSTANCE: hinged-piston mechanism includes an annular channel of constant cross section with windows in the wall for entry and exit of gases and two pairs of pistons in it. Each of the pistons is located between the pistons of another pair. Pairs of pistons are rigidly connected with the established coaxially separately for each pair of semi-axles connected kinematically with the output axle through universal joints and intermediate axles. Planes of coaxial plugs of adjoining universal joints are located between them at an angle less than 180 degrees. Intermediate axle with universal joints forms a driveshaft. Each semi-axle is connected by the drive shaft with parallel to the axis of semi-axle by intermediate axle and with pinion-flywheel on it located in engagement with the pinion-flywheel of the output axle. The mechanism is made with the possibility of adjustment the distance between the pistons in their position of closest approach by a device of adjustment the angle of relative deviation from the alignment of axles connected by the universal joint.

EFFECT: reducing the number of universal joints, increasing the range of possible angles of relative deviation from the alignment of jaws of universal joints and axles connected by universal joint, providing the possibility to adjust the degree of compression of gases.

1 cl, 7 dwg

Description

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.The invention relates to mechanisms for the kinematic relationship of pistons cyclically changing the volume of the working chambers in internal combustion engines (hereinafter ICE), in the purge and pressurization pumps of the working volumes of ICE, in compressors, vacuum pumps, in steam engines and in pneumatic motors.

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.Known articulated-piston mechanisms with kinematic by means of articulated links coupling the pistons with the output shaft, for example, according to [1], p.148, 287, according to [2], p.14, etc.

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.Their disadvantage is that the reserves for improving such devices are almost exhausted, and significant shortcomings cannot be eliminated in principle. In particular, a complex crankshaft, valve timing, pistons press on the walls of the working chambers (cylinders), imbalance, high specific gravity, etc.

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.Known articulated-piston mechanism containing an annular channel of constant cross-section with windows in the wall for gas inlet and outlet and two pairs of pistons in it, each of which is located between the pistons of the other pair, the pairs of pistons being rigidly connected to the semi-axially mounted axially separate for each pair, kinematically connected to the output shaft by means of universal joints and intermediate shafts so that the planes of the coaxial forks of adjacent universal joints are located at an angle of less than 180 ° to each other, while the fifth shaft with universal joints forms a cardan shaft, for example, according to UA 75431 C2, [3] - prototype.

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.Its disadvantage is that each pair of pistons is connected to the output shaft or a large number of universal joints (more than two), or universal joints with a large angle of deviation from the alignment of the shafts connected by them. The arrangement of such an articulated-piston mechanism limits the range of application of possible angles of mutual deviation from the alignment of the forks of the universal joints and shafts connected by universal joints. In addition, in the articulated piston mechanism known from [3], it is not possible to control the degree of gas compression.

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.The technical result of the invention is to reduce the number of universal joints to four, while expanding the range of possible angles of mutual deviation from the alignment of the forks of universal joints and shafts connected by a universal joint, as well as a variant of the articulated-piston mechanism with the ability to control the degree of gas compression.

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.1. The invention is that the articulated-piston mechanism containing an annular channel of constant cross-section with windows in the wall for gas inlet and outlet and two pairs of pistons in it, each of which is located between the pistons of another pair, and the pairs of pistons are rigidly connected to installed coaxially separate for each pair of semi-shafts kinematically connected to the output shaft by means of universal joints and intermediate shafts so that the planes of the coaxial forks of adjacent universal joints are located at an angle of less than 180 ° between oh, while the intermediate shaft with universal joints forms a cardan shaft, according to the invention, each half shaft is connected by a universal joint shaft with an intermediate inertial shaft parallel to the half shaft and with a flywheel gear on it, meshed with a pinion flywheel.

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.2. The invention also lies in the fact that the mechanism according to claim 1 is configured to adjust the distance between the pistons in their maximum proximity position by means of a device for adjusting the angle of mutual deviation from the alignment of the shafts connected by a universal joint.

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.Due to this, the articulated-piston mechanism contains only two driveshafts with the ability to set and adjust the angles of deviation of the shafts in the joints in a wide range. They rotate the pistons in a circle in the same direction along the cameras of constant cross section in the annular channel, for example, in the shape of a torus. With uniform rotation of the inertial and output shafts, both pairs of pistons rotate cyclically unevenly with two maxima and two minima of the angular velocity at each full revolution. With this, the pistons cyclically pull together and slide apart in the same sectors of the annular channel, suck in the gases through the inlet window and displace them through the outlet window in the wall of the annular channel. For ICE, two windows are needed, for four, for a compressor, a vacuum pump, a steam engine, a pneumatic motor. The articulated piston mechanism is balanced statically and dynamically according to the scheme itself. The angular accelerations of the pistons and other non-uniformly rotated parts are pairwise opposite in sign and almost equal in modulus, which reduces the mass of the flywheel. Pistons do not press on the walls of the annular channel chambers, and all kinematic pairs can be assembled on rolling bearings.

Устроен шарнирно-поршневой механизм (далее механизм), например, следующим образом.Arranged articulated-piston mechanism (hereinafter mechanism), for example, as follows.

На фиг.1 изображена принципиальная кинематическая схема механизма.Figure 1 shows a schematic kinematic diagram of the mechanism.

На фиг.2 - то же, вид сверху.Figure 2 is the same, top view.

На фиг.3, 4 и 5 показаны положения поршней через каждые 45° поворота выводного вала ДВС, размещение впускного и выпускного окон.Figure 3, 4 and 5 shows the position of the pistons every 45 ° rotation of the output shaft of the internal combustion engine, the placement of the inlet and outlet windows.

На фиг.6 показано размещение впускных и выпускных окон в компрессоре, в вакуумном насосе, в паровой машине, в пневматическом моторе.Figure 6 shows the placement of the inlet and outlet windows in the compressor, in a vacuum pump, in a steam engine, in a pneumatic motor.

На фиг.7 изображен вариант механизма с овальным сечением кольцевого канала.Figure 7 shows a variant of the mechanism with an oval section of the annular channel.

Условные обозначения на фиг.1…7:Symbols in figure 1 ... 7:

1 - первый поршень (далее поршень),1 - the first piston (hereinafter the piston),

2 - второй поршень (далее поршень),2 - the second piston (hereinafter the piston),

3 - третий поршень (далее поршень),3 - the third piston (hereinafter the piston),

4 - четвертый поршень (далее поршень),4 - the fourth piston (hereinafter the piston),

5 - с торцевым диском полувал для пары поршней 1 и 3 (далее полувал),5 - with an end disk half shaft for a pair of pistons 1 and 3 (hereinafter half shaft),

6 - с торцевым диском полувал для пары поршней 2 и 4 (далее полувал),6 - with an end disk half shaft for a pair of pistons 2 and 4 (further half shaft),

7 - разъемный корпус кольцевого канала постоянного сечения (далее корпус),7 - detachable housing of the annular channel of constant cross-section (hereinafter referred to as the housing),

8 - универсальный шарнир Гука (далее шарнир),8 - universal joint Hook (hereinafter the hinge),

9 - карданный вал с двумя шарнирами 8 (далее карданный вал),9 - cardan shaft with two hinges 8 (hereinafter cardan shaft),

10 - промежуточный инерционный вал с шестерней-маховиком (далее вал).10 - intermediate inertial shaft with a flywheel gear (hereinafter the shaft).

11 - круглая гайка со шлицами и стопорная шайба с лапками (далее гайка),11 - a round nut with slots and a lock washer with tabs (hereinafter the nut),

12 - цилиндрическая шестерня-маховик (далее шестерня),12 - a cylindrical gear-flywheel (hereinafter gear),

13 - выводной вал,13 - output shaft

ω - угловая скорость пары поршней (далее скорость поршней),ω is the angular velocity of the pair of pistons (hereinafter referred to as the speed of the pistons),

ε - угловое ускорение пары поршней (далее угловое ускорение поршней),ε is the angular acceleration of the pair of pistons (hereinafter the angular acceleration of the pistons),

γ - угол отклонения вилок шарниров от взаимной соосности,γ is the angle of deviation of the forks of the hinges from mutual alignment,

V - вход газов в камеру кольцевого канала,V is the gas inlet to the annular chamber chamber,

W - выход газов из камеры кольцевого канала,W is the gas outlet from the annular chamber chamber,

L - полный объем кольцевого канала (т.е. в 360 градусах и без поршней),L is the total volume of the annular channel (i.e., 360 degrees and without pistons),

q - объем газов, прокачиваемый за один оборот выводного вала 13 ДВС.q is the volume of gases pumped per revolution of the output shaft 13 of the internal combustion engine.

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.A pair of odd pistons 1 and 3 is fixed on opposite cylindrical surfaces of the end disk of the half shaft 5, and a pair of even pistons 2 and 4 is fixed on opposite cylindrical surfaces of the end disk of the half shaft 6. Pistons are installed in the torus-shaped channel channel of the housing 7 so that each piston is one pair located between the pistons of another pair, and each half shaft is mounted on bearings along the axis of the torus end-to-end end disks. On the other end of each semi-shaft, one fork of the hinge 8 of the cardan shaft 9 is rigidly mounted, the second hinges of which 8 are connected to the shafts 10. A gear 12 is mounted on each shaft 10, which is engaged with one of two of the same gears 12 mounted on the output shaft 13 The engagement of the gears 12 is made in such a way that, at the mutually perpendicular position of the pairs of pistons 1 and 3, 2 and 4 shown in FIG. 3, the planes of the forks of the hinges 8 are mutually perpendicular. This position is repeated every 90 ° of the rotation of the output shaft 13. In the walls of the annular channel of the engine there are two windows: one inlet window for the entry of gases, another window for the exit of gases displaced by the pistons. The walls of the compressor, vacuum pump, steam engine, pneumatic motor have four windows: two inlet, two exhaust. In figures 3, 5, 6, the arrows V and W show the movement of gases through the windows.

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.The operation of the mechanism converts the uniform rotation of the output shaft 13 into cyclically uneven rotation of the half-shafts 6 and 5 with odd 1 and 3, as well as with even 2 and 4 pairs of pistons in the annular channel of the housing 7. And vice versa, they cyclically uneven rotation of the pairs of pistons 1 and 3, 2 and 4 to uniform rotation of the output shaft 13. In this case, the non-uniform rotation of the pistons is mutually shifted by the half-phases of the cycle: at a minimum speed ω min, the pairs of odd pistons 1 and 3, the pair of even pistons 2 and 4 have a maximum speed ω max and vice versa, which alternates through to zhdye 90 ° rotation of the output shaft 13. This happens because of the property of the hinge 8 [4], ... p.137 144, and hinge connection 8 into a single kinematic chain mechanism.

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°.In the internal combustion engine, a pair of pistons 1 and 3 in the position shown in Fig. 3 has a minimum speed ω min, and a pair of pistons 2 and 4 has a maximum speed ω max. The volume of the chamber between the pistons 1 and 2, as well as the volume of the chamber between the pistons 3 and 4 are reduced. At the same time, the volume of the chamber between the pistons 1 and 4, as well as the volume of the chamber between the pistons 2 and 3 are increased. Through the inlet window in the housing 7 fill the chamber between the pistons 2 and 3 with air, as shown by arrow V, and in the chamber between the pistons 1 and 2, compress the air that filled it earlier. With the maximum approximation of the pistons 1 and 2 (Fig. 4), their velocities ω are equal, and the accelerations ε are equal in absolute value, but opposite in sign. Fuel is injected into the chamber between the pistons 1 and 2 (FIG. 5). It ignites, hot gases expand and increase the volume of the chamber between the pistons 1 and 2. In this chamber, a working stroke occurs, and previously exhaust gases are forced out of the chamber between the pistons 1 and 4 through the exhaust window, as shown by the arrow W (Fig. 5). Four working strokes occur during one revolution of the output shaft 13, which is equivalent to a four-stroke eight-cylinder engine with crankshaft crankshafts every 90 °.

Работа компрессора, вакуумного насоса, паровой машины, пневматического мотора (фиг.6) пояснений не требует, так как с учетом изложенного понятна из чертежа.The operation of the compressor, vacuum pump, steam engine, pneumatic motor (Fig.6) does not require explanation, since taking into account the above is clear from the drawing.

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.In ICE, the volume of gas pumped per revolution of the output shaft 13 depends on the angle γ of the deviation of the forks of the hinges 8 from the alignment. For example, if γ = 25 °, then q = 0.25L; if γ = 35 °, then q = 0.5L; if γ = 50 °, then q = 1,0L. For a compressor, a vacuum pump, a steam engine, a pneumatic motor, the pumped volume is correspondingly twice as large.

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.In the second version of the mechanism, the driveshaft 9 is made telescopic. This shaft by rotation of the nuts 11 is somewhat lengthened, shortened. This reduces, increases the angle of deviation of the forks of the hinge 8 from the alignment and, accordingly, increases and decreases the distance between the pistons in the position of their closest approach, therefore, they decrease and increase the degree of compression of the gases.

ЛитератураLiterature

1. Крайнер А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981, 438 с.1. Krainer A.F. Dictionary reference to mechanisms. M.: Mechanical Engineering, 1981, 438 p.

2. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1959, 341 с.2. Morgulis Yu.B. Internal combustion engines. M .: Mashgiz, 1959, 341 p.

3. UA 75431 C2, МПК F02B 77/00. Механiзм взаємозв'язку поршнiв. Бюл. №4, 2006.3. UA 75431 C2, IPC F02B 77/00. Mechanism for interchange of pistons. Bull. No. 4, 2006.

4. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 1. М.: Машгиз, 1960, 655 с.4. Reference designer agricultural machines. Volume 1. M.: Mashgiz, 1960, 655 p.

Claims

1. A swivel-piston mechanism comprising an annular channel of constant cross-section with windows in the wall for gas inlet and outlet and two pairs of pistons in it, each of which is located between the pistons of the other pair, the pairs of pistons being rigidly connected to the semi-axially mounted axially separate for each pair kinematically connected to the output shaft by means of universal joints and intermediate shafts so that the planes of the coaxial forks of adjacent universal joints are at an angle of less than 180 ° with each other, while the intermediate shaft with it forms a universal joint with universal joints, characterized in that each half shaft is connected by a universal joint shaft with an intermediate inertial shaft parallel to the half shaft and with a flywheel gear on it, which is engaged with the output shaft flywheel gear.

2. The mechanism according to claim 1, characterized in that it is arranged to adjust the distance between the pistons in their maximum proximity position by means of a device for adjusting the angle of mutual deviation from the alignment of the shafts connected by a universal joint.