Аксиально-поршневой двигатель

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Техническая часть

2. Принцип работы двигателя

3. Расчетная часть. Расчет блока цилиндров Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В 1911 году компания Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса выпустила на рынок один из первых аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Это был семицилиндровый двигатель с изменяемой степенью сжатия путём изменения угла наклона шайбы, и регулирования таким образом хода поршней.

Устройство предназначено для использования в области машиностроения, в поршневых пневматических двигателях. Наиболее хорошо известно применение аксиальных двигателей в торпедах, для которых желательна цилиндрическая форма двигателя с маленькой площадью миделева сечения, а также нет проблем с его охлаждением. Например, современные торпеды Mark-48 оборудованы аксиальным двигателем мощностью 500 лошадиных сил.

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Аксиально-поршневой двигатель содержит установленный в корпусе блок цилиндров с поршнями двойного действия, взаимодействующими с двухсторонней волновой дорожкой ротора-распределителя. Ротор-распределитель выполнен в виде вала с радиальными и Z-образными продольными пазами на его цилиндрической поверхности и жестко, неразъемно установленного на нем золотника с двухсторонней волновой дорожкой и окнами, взаимодействующими с соответствующими пазами вала. Вал ротора-распределителя снабжен одним или двумя хвостовиками. Упрощается конструкция и расширяются функциональные возможности.

Ключевое преимущество аксиальных двигателей с шайбовым механизмом состоит в том, что поршни расположены параллельно друг другу по краю шайбы. Это даёт возможность расположить выходной вал параллельно поршням, а не под 90 градусов, как у обычных двигателей с коленчатым валом. В результате двигатель получается очень компактным.

Расположение поршней и принцип действия шайбового механизма позволяет регулировать степень сжатия путём изменения угла наклона шайбы.

Аксиально-поршневой двигатель может быть использован в качестве привода горных машин, таких, как погрузочные и погрузочно-доставочные машины, буровые станки и лебедки, проходческие и другие машины. Двигатель содержит корпус, в котором параллельно оси ротора выполнены цилиндрические полости, в которых размещены поршни двухстороннего действия, взаимодействующие с волнообразным кулачком ротора.

В роторе выполнена система каналов и окон, обеспечивающих впуск и выпуск сжатого газа в камеры цилиндров. Окна ротора имеют противоположное смещение, обеспечивающее равномерное открытие и закрытие камер цилиндрических полостей, которые на конечном участке перемещения поршней при совершении рабочего хода и на начальном при совершении обратного хода соединены с атмосферой через систему дренажных отверстий корпуса. Смещение окон ротора для подачи сжатого газа в рабочие камеры цилиндрических полостей выполнено из условия прекращения подачи сжатого воздуха в указанные камеры при угловом перемещении ротора на 50^o относительно верхней мертвой точки поршня. Повышаются технико-экономические показатели работы двигателя, увеличивается мощность без изменения габаритных размеров, снижается уровень шума и трудоемкость изготовления. 9 ил.

Изобретение относится к поршневым двигателям с осями цилиндров, параллельными к оси коренного вала, предназначено для преобразования энергии сжатого газа в механическую работу и может быть использовано в качестве привода горных машин, таких как погрузочные и погрузочно-доставочные машины, буровые станки и лебедки, проходческие и другие машины.

Известна аксиально-поршневая гидроили пневмомашина двойного действия, поршни которой взаимодействуют с кулачком-копиром ротора и расположены в цилиндрах, оси которых параллельны оси вращения ротора. По сравнению с радиально-поршневыми двигателями известная машина имеет меньшую удельную металлоемкость, повышенную мощность.

Известен аксиально-поршневой пневматический двигатель, в котором поршни помещены в цилиндрах, расположенных параллельно валу двигателя и на равном от него расстоянии. Внутри каждого поршня размещен каток, который взаимодействует с торцевой поверхностью волнообразного кулачка, расположенного на валу двигателя.

Волнообразный кулачок предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала. Распределение рабочего тела — сжатого воздуха, подвод и отвод его от цилиндров осуществляется через систему распределения, представляющую собой совокупность каналов, выполненных в валу и корпусе двигателя. Известный аксиально-поршневой пневматический двигатель по сравнению с радиально-поршневыми имеет меньшие габаритные и весовые показатели, однако возможности увеличения его мощности при неизменных габаритах исчерпаны не до конца.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленной конструкции двигателя является аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, в котором расположены поршни двухстороннего действия и размещен ротор-распределитель. В корпусе выполнены отверстия для подвода и отвода сжатого воздуха от ротора-распределителя. В роторе-распределителе параллельно его оси расположены продольные каналы, а в зоне питания выполнены проточки. Продольные каналы объединены в две группы в чередующемся порядке при помощи радиальных каналов. Продольные каналы снабжены окнами для подвода воздуха к поршням и окнами для отвода воздуха из запоршневых камер. Эти окна имеют противоположное смещение и обеспечивают синхронное открытие и закрытие рабочих и запоршневых камер.

В этом двигателе за счет радиальных каналов, соединяющих продольные каналы для подвода сжатого воздуха в рабочие камеры цилиндрических полостей и продольные каналы для отвода отработанного сжатого воздуха из запоршневых камер цилиндрических полостей, в работе участвуют все продольные каналы. Благодаря этому в момент, когда поршень совершает рабочий ход, обеспечивается максимальный подвод рабочей среды в рабочие камеры, и энергия сжатого воздуха используется более полно на совершение работы, а не на преодоление сопротивления при перемещении по малому сечению каналов.

Однако указанное усовершенствование двигателя не может значительно увеличить коэффициент полезного действия, а синхронное открытие канала подачи сжатого воздуха в рабочие камеры цилиндрических полостей и отвода из запоршневых камер этих полостей не отвечает рациональному распределению энергии сжатого воздуха для ее преобразования в механическую работу двигателя.

Изобретение решает задачу повышения технико-экономических показателей работы двигателя, увеличения его мощности без изменения габаритных размеров, снижения уровня шума и трудоемкости изготовления.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в рациональном использовании сжатого воздуха, заключающемся в том, что сжатый воздух подают в рабочие камеры цилиндрических полостей только в момент наибольшего коэффициента полезного действия преобразования поступательного перемещения поршней во вращательное движение вала двигателя и отсекают, когда указанный коэффициент очень мал или равен нулю.

Указанный технический результат получают за счет того, что в известном аксиально-поршневом двигателе, содержащем корпус, в котором на равном расстоянии от оси ротора и параллельно ей выполнены цилиндрические полости, в каждой из которых с образованием рабочей и запоршневой камер размещен поршень двухстороннего действия, внутри которого установлен, по меньшей мере, один каток с возможностью взаимодействия с волнообразным кулачком, закрепленным на роторе, в котором выполнены две изолированные друг от друга системы продольных каналов, одна — для подвода сжатого воздуха в рабочие камеры цилиндрических полостей, другая — для отвода из запоршневых камер, каждая система соединена с соответствующей зоной подвода и отвода сжатого воздуха, а каждый продольный канал ротора по обе стороны от волнообразного кулачка имеет окна для подвода и отвода сжатого воздуха соответственно в рабочие и из запоршневых камер цилиндрических полостей, причем указанные окна имеют противоположное смещение, окна для подвода и отвода сжатого воздуха в камеры и из камер каждой цилиндрической полости выполнены с угловым смещением относительно друг друга и с возможностью разновременного открытия и закрытия указанных камер, камеры цилиндрических полостей на конечном участке перемещения поршней при совершении рабочего хода и на начальном — при совершении обратного хода, соответствующем /

10^o углового перемещения ротора относительно нижней мертвой точки поршня, соединены с атмосферой через системы дренажных каналов, выполненных в корпусе, а смещение окон ротора для подачи сжатого воздуха в рабочие камеры цилиндрических полостей выполнено из условия прекращения подачи сжатого воздуха в указанные камеры при угловом перемещении ротора на 50^o относительно верхней мертвой точки поршня.

Указанные существенные отличительные признаки двигателя в совокупности с общими известными признаками прототипа позволят повысить кпд преобразования поступательного перемещения поршней во вращательное ротора, снизить уровень шума при работе двигателя, т.к. в конце рабочего хода поршней в рабочие камеры не подается сжатый воздух и они соединены в этот момент через систему дополнительных дренажных каналов с атмосферой. Это же соединение на начальном участке перемещения поршня в исходное положение обеспечит меньшее сопротивление при совершении рабочего хода на момент, когда запоршневая камера становится рабочей и в нее поступает сжатый воздух.

Принципиальная схема данного двигателя представлена на чертежах, где на:

рис. 1 показан продольный разрез двигателя по линии VII-VI рис. 2;

рис. 2 — разрез двигателя по линии I-I рис. 1;

рис. 3 — продольный разрез ротора двигателя по линии II-II рис. 2;

рис. 4 — поперечное сечение ротора двигателя по линии III-III рис. 3;

рис. 5 — поперечное сечение ротора двигателя по линии IV-IV рис. 3:

рис. 6 — поперечное сечение ротора двигателя по линии V-V рис. 3;

рис. 7 — поперечное сечение ротора двигателя по линии VI-VI рис. 3;

рис. 8 — совмещение поперечных сечений ротора двигателя по линиям V-V и VI-VI у прототипа;

рис. 9 — совмещение поперечных сечений ротора двигателя по линиям V-V и VI-VI у заявленного двигателя.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Аксиально-поршневой двигатель содержит корпус 1, в котором на равном расстоянии от оси ротора 2 и параллельно ей выполнены цилиндрические полости 3, в каждой из которых с образованием рабочей 4 и запоршневой 5 камер размещен поршень 6 двухстороннего действия, внутри которого установлены на осях 7 катки 8 с возможностью взаимодействия с волнообразным кулачком 9, закрепленным на роторе 2, в котором выполнены две изолированные друг от друга системы продольных каналов: одна 10 — для подвода сжатого воздуха в рабочие камеры 4 цилиндрических полостей 3, а другая 11 — для его отвода из запоршневых камер 5. Каждая система 10 и 11 соединена с соответствующей зоной подвода 12 и отвода 13 сжатого воздуха. Зоны образованы кольцевыми проточками 14 и 15, выполненными на роторе по обеим сторонам волнообразного кулачка 9 и поверхностью цилиндрической полости 16, в которой размещен ротор 2 двигателя. В корпусе 1 выполнены отверстие 17 для подвода сжатого воздуха и отверстие 18 для отвода отработанного воздуха. Зоны подвода 12 и отвода 13 сжатого воздуха соединены с соответствующим отверстием 17 и 18 корпуса 1, а через окна 19 и 20 — с продольными каналами 10 и 11 систем подвода и отвода воздуха. Поршни 6 имеют вырезы 21. Катки 8 поршней 6 находятся в контакте с направляющими поверхностями 22 волнообразного кулачка 9, волны которого входят в вырезы 21 поршней 6. Для прохода волн кулачка 9 при вращении ротора 2 в корпусе 1 выполнены пазы 23.

Для впуска сжатого воздуха в рабочие камеры 4 в корпусе 1 выполнены окна 24. При обратном ходе поршня 6 окна 24 служат для выпуска отработанного воздуха из камер 4. Для выпуска отработанного воздуха из запоршневой камеры 5 в корпусе 1 выполнены окна 25. При обратном ходе поршня 6 окна 25 служат для впуска сжатого воздуха в камеру 5. Каждый продольный канал 10 и 11 ротора 2 по обеим сторонам от волнообразного кулачка 9 имеет окна 26 для подвода сжатого воздуха через окно 24 корпуса 1 в рабочие камеры 4 и окна 27 для отвода отработанного воздуха из запоршневой камеры 5 через окна 25 корпуса 1. Окна 26 и 27 ротора 2 по обеим сторонам волнообразного кулачка 9 имеют противоположное смещение, т. е. при впуске сжатого воздуха в рабочую камеру 4 цилиндрической полости 3 окно 26 соединено с продольным каналом 10 системы подвода, а запоршневая камера 5 в этот момент соединена с продольным каналом 11 системы отвода отработанного воздуха. В прототипе расположение окон 26 и 27 выполнено таким образом, что происходит синхронно впуск сжатого воздуха в рабочую камеру 4 и выпуск отработанного воздуха из запоршневой камеры 5. В заявленном двигателе указанные окна имеют угловое смещение относительно друг друга, что обеспечивает возможность разновременного открытия и закрытия указанных камер. аксиальный поршневой насос цилиндр Расчетами, выполненными для трехволнового кулачка 9, определена оптимальная величина углового смещения окон, которая составила 10^o.

На конечном участке перемещения поршней 6 при совершении рабочего хода и на начальном — при совершении обратного хода, камеры цилиндрической полости 3 соединены с атмосферой через систему дренажных каналов 28 и 29 корпуса 1. На указанных участках в рабочую камеру 4 уже прекращается подача сжатого воздуха, а отвод отработанного воздуха осуществляется через указанную систему дренажных каналов, минуя основную систему отвода отработанного воздуха двигателя. Указанные перемещения поршня 6 соответствуют величине углового перемещения ротора относительно нижней мертвой точки поршня 10^o.

Смещение окон 26 и 27 ротора 2 выполнено из условия прекращения подачи сжатого воздуха в камеры 4 и 5 цилиндрических полостей 3 при угловом повороте ротора на 50^o относительно верхней мертвой точки поршня 6.

Продольные каналы 10 системы подвода сжатого воздуха могут быть соединены между собой радиальными каналами 30 в районе окон 19 и 26, а продольные каналы 11 системы отвода отработанного воздуха — радиальными каналами 31 в районе окон 20 и 27.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. Через отверстие 17 (рис.1) сжатый воздух поступает в зону подвода 12, а из нее через окна 19 в продольные каналы 10, по которым поступает через окна 26 и 24 в рабочую камеру 4 цилиндрической полости 3. Под действием сжатого воздуха поршень 6 начинает рабочий ход от верхней мертвой точки влево (по чертежу). Усилие поршня 6 через каток 8 передается на направляющую торцевую поверхность 22 кулачка 9 и, благодаря криволинейности поверхности 22, заставляет кулачок 9, а следовательно, и ротор 2 совершать поворот. Запоршневая камера 5 на начальном этапе обратного хода, соответствующем угловому повороту ротора 2 на 10^o, соединена с атмосферой через систему дренажных каналов 28 и 29 и оказывает минимальное сопротивление перемещению поршня 6 под действием усилия, развиваемого в рабочей камере 4. На остальном этапе обратного хода запоршневая камера отсекается от системы дренажных отверстий и выпуск отработанного воздуха из нее осуществляется через систему отвода, т. е. окна 25, 27, продольные каналы 11, окна 20 и отверстия 18. При повороте ротора 2 на 50^o происходит закрытие окон 24 и сжатый воздух в рабочую камеру 4 не поступает. Этот момент соответствует положению катка 8 на участке торцевой поверхности 22 кулачка 9 с минимальной крутизной, при которой осевое усилие поршня 6 преобразуется в усилие на вращение ротора с минимальным кпд, а в нижней мертвой точке поршня 6 это преобразование вообще равно нулю. После отсечки сжатого воздуха от рабочей камеры 4 происходит подготовка этой камеры к совершению следующего этапа — холостого хода. Для этого указанная камера через систему дренажных каналов 28 и 29 соединяется с атмосферой и происходит сброс давления в камере. В прототипе сжатый воздух подается в камеру до конца рабочего хода, что не отвечает условию рационального использования энергии сжатого воздуха.

При повороте ротора 2 на угол 60^o камеры 4 и 5 меняются местами. Камера 5 становится рабочей, а камера 4 — запоршневой, при этом они соединяются с соответствующими окнами подвода и отвода воздуха. На начальном участке холостого хода поршня 6 запоршневая камера 5 через систему дренажных отверстий 28 и 29 также соединена с атмосферой.

Перемена направления вращения ротора 2 осуществляется путем присоединения подвода сжатого воздуха к отверстию 18 вместо отверстия 17.

Указанные существенные отличительные признаки совместно с существенными признаками прототипа, общими с данным двигателем, обеспечат решение поставленной задачи.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ. РАСЧЕТ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ Определяем дезаксиал аксиально-поршневого насоса по формуле [1]:

(3.1)

где — угол наклона оси блока цилиндров относительно оси вала;

Диаметр поршня :

(3.2)

где — рабочий объем насоса;

z =7 — число поршней;

 — безразмерные коэффициенты (; - для стали), принимаем,

Полученный результат округляем по ГОСТ 6540–68 до

Диаметр разноски отверстий в блоке цилиндров (рис. 10) по формуле:

(3.3)

Ход поршня [1]:

(3.4)

Толщина условной толстостенной трубы a и размера перемычки b [1]:

(3.5)

(3.6)

Рис 10. Основные расчетные размеры блока цилиндров Определение геометрических размеров блока цилиндров (рис. 10):

Наружный диаметр блока цилиндров [1]:

(3.7)

Внутренний диаметр расточки в блоке цилиндров [1]:

(3.8)

Высота блока цилиндров [1]:

(3.9)

где — ход поршня;

— ширина технологической проточки;

— ширина дна блока цилиндров;

Максимальное давление [1]:

(3.10)

Проверка блока цилиндров прочность [1]:

(3.11)

где — напряжения растяжения стенок толстостенной трубы.

Проверка выполнения условия жесткости [1]:

(3.12)

где — расчетное значение деформации;

— модуль упругости материала блока цилиндров, ;

— коэффициент Пуассона, .

Сравниваем полученные значения и со значениями []и [] соответственно. Из принимаем: []=100МПа; []=8мкм.

Рис. 11 Блок цилиндров СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутенев В. Ф., ЗленкоМ.А., Тер-Мкртчьян Г. Г. Управление движением поршней — неиспользованный резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля // Автомобильная промышленность. — 1998 — № 11. — с. 25−29.

2. Тер-Мкртчьян Г. Г. Двигатели ВАЗ: современный технический уровень и перспективы развития за счет регулирования степени сжатия // Автомобильная промышленность. — 2008. — № 10 — с.17−19.

3. Зленко И. А., Кутенев В. Ф., Романчев Ю. А. Аксиальные двигатели. Особенности конструкции. // Автомобильная промышленность. — 1993. — № 5 — с. 6−9

4. Илей Л. Двигатель с переменным рабочим объемом // Автомобильная промышленность США. — № 8. — 1986. — с.8.

5. Патент RU20732436C1, МПК F02B75/26 — Аксиально-поршневая машина F02B75/26, авторы Зленко М. А., Кутенев В. Ф., Романчев Ю. А., Бродягин Ю.В.