PL169588B1 - Mechanizm tłokowy - Google Patents

Abstract

1. Mechanizm tłokowy, znamienny tym, że promień na którym rozmieszczone są osie czopów wału (2) równyjest odległości osi wału (2) od osi głównej mechanizmu z którą przecinają się osie prowadnic (1).

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm zmiany ruchu posuwisto-zwrotnego na obrotowy, lub odwrotnie. Mechanizm można stosować w silnikach tłokowych, sprężarkach, pompach itp.

Znane są następujące mechanizmy zamieniające ruch posuwisto-zwrotny na obrotowy takie jak: korbowodowy, jarzmowy, krzywkowy. W każdym szybkoobrotowym mechanizmie dąży się do zmniejszenia masy w ruchu zwrotnym. W pierwszych maszynach korbowodowych łańcuch kinematyczny składał się z tłoka, tłoczyska, suwaka, korbowodu i wału korbowego. Bardzo szybko zrezygnowano z tłoczyska, a zdania suwaka przejął tłok. Jeden w silnikach dwusuwowych występowanie uszczelnionego tłoczyska daje znaczne korzyści np. silnik Davi (ABC silnika dwusuwowego Tadeusz Rychter str.160 rys .7.16). Dla zamiany ruchu zwrotnego na obrotowy użyto w nim układu jarzmowego. W silniku Davi cztery tłoki z uszczelnionymi tłoczyskami przekazują siły na dwa jarzma, a te z kolei współpracują ze wspólnym kamieniem osadzonym na osadzonym na wykorbieniu wału o wartości równej połowie skoku. Należy zwrócić uwagę, że wypadkowa przyspieszeń jarzm ma zawsze wartość stałą, skierowaną do środka obrotu wału, przez co silnik jest całkowicie wyważony. Stąd też wynika, że siły bezwładności ruchu zwrotnego po przejściu z jarzma na kamień, sumują się tworząc stałą, co do wartości siłę odśrodkową. Z konstrukcji układu jarzmowego pod względem wytrzymałości, wynika stosunkowo duża masa jarzma, oraz tłoczyska,a dodatkową wadą jest suwliwie zwrotny ruch kamienia w jarzmie.

Mechanizmy krzywkowe są szeroko stosowane w hydraulice, ale istnieje również silnik bezkorbowy (Systemy spalania szybkoobrotowych... A. Kowalewicz str. 97). Jego szczególną zaletą jest mała prędkość zmian objętości w czasie spalania, co przybliża obieg rzeczywisty do obiegu Otto, oraz zwiększa współczynnik wydzielania ciepła.

Istnieje również konstrukcja, w której uzyskano zamkniętą przestrzeń o zmiennej objętości bez użycia elementów w ruchu posuwisto-zwrotnym, jest to silnik z tłokiem wirującym - Wankla. Tłok tego silnika wykonuje określony ruch dzięki przekładni obiegowej. Po nieruchomym zębniku obtacza się wewnętrzny wieniec zębaty tłoka, a stosunek ich średnic podziałowych wynosi dwa do trzech. Wówczas trzy wierzchołki tłoka poruszają się po dwugarbnej krzywej zwanej trochoidą i taki kształt ma wnętrze cylindra. W stosunku do silnika z tłokiem o mchu zwrotnym, silnik Wankla ma większe zużycie paliwa, gorszy skład spalin, oraz większy koszt wytwarzania.

Istota rozwiązania opiera się na spostrzeżeniu, że punkty na okręgu toczącym się bez poślizgu wewnątrz dwukrotnie większego koła, poruszają się po liniach prostych. Linie te przecinają się w środku koła. Proponowany mechanizm posiada wał z czopami o osiach lezących na okręgu. Na czopach osadzone są tłoczyska prowadzone w prowadnicach, a ich osie przecinają się w środku koła. Środek koła leży na osi głównej mechanizmu. Oś wału z środkiem okręgu jest równoległa do osi i oddalona o stałą wartość równą promieniowi okręgu. Odległość tą utrzymują jarzma wału. Względem jarzm zarówno wał, jak i prowadnice wykonują ruch

169 588 obrotowy, przy czym wał ma dwukrotnie większą prędkość obrotową. Ponieważ wał posiada pewną długość, utrudnione jest utrzymanie równoległości jego osi od osi głównej za pomocą pojedynczego węzła obrotowego. Dlatego korzystniej jest na końcach wału ustalić zębniki, których promień podziałowy równy jest odległości osi wału od osi głównej. Zębnik współpracuje z wewnętrznym wieńcem zębatym o dwukrotnie większym promieniu związanym z prowadnicami.

Najprostszą metodą utrzymania równoległości osi jest połączenie ze sobą jarzm na stałe, przez uzależnienie ruchu obejmą otaczającą tłoczyska. Ostatnie połączenie nasuwa się samo dla przypadku, gdy jarzma połączymy z podstawą, a prowadnicom umożliwimy obrót, wówczas zbędne są masy wywarzające związane z jarzmami, oraz możliwy jest bezpośredni odbiór mocy z wału już nie wirującego.

Proponowany mechanizm posiada szereg zalet. Głównym celem tej konstrukcji jest zmniejszenie do minimum masy w ruchu zwrotnym. Uzyskano go dzięki prostolinowemu ruchowi czopa wału. Pozwala to za zespolenie tłoka z tłoczyskiem, uszczelnienie tłoczyska obciążonego tylko siłami rozciągającymi i ściskającymi, przez co każdy gram materiału w ruchu zwrotnym pracuje efektywnie i bez strat. Ponadto siły bezwładności od ruchu zwrotnego są przenoszone przezjeden tylko węzeł obrotowy na wał wirujący, gdzie znoszą się z bezwładnością innych tłoków, lub przeciwciężaru. Również masa całego silnika jest mała, dzięki działaniu na jeden czop dwóch tłoczysk oraz dwukrotnie mniejszym wykorbieniem wału, zwłaszcza dla wersji z obracającymi się prowadnicami, w której znikają przeciwwagi wału. Należy zaznaczyć, że pod względem masowym korzystne dla silnika jest posiadanie pomiędzy podparciami conajmniej dwóch czopów. Z drugiej strony należy dążyć do zmniejszania odległości pomiędzy jarzmami, co zmniejsza momenty gnące w wale. Natomiast odległość pomiędzy zębnikami należy, co poprawia pracę uzębień przez zmniejszenie kąta zwichrowania osi uzębień, także przez zmniejszenie luzów międzyzębnych.

Mechanizm jest całkowicie wyważony, gdyż masę tłoczyska można zredukować do osi czopa wału, a wyważenie bryły w ruchu obrotowym nie stanowi trudności. Z tego samego względu wynika, ze wyważony mechanizm cechuje się stałym momentem bezwładności przy każdym kącie obrotu wału. Cecha ta zwiększa równomierność ruchu i pozwala na zrezygnowanie z koła zamachowego. W klasycznym układzie korbowodowym np. powszechnie stosowanych czterocylindrowych silnikach występuje zmniejszenie momentu bezwładności w okolicach zwrotów tłoka wywołujące zwiększenie prędkości kątowej. Dodatkowo geometria układu zwiększa prędkość zmian objętości przy zwrocie zewnętrznym, w czasie którego przebiega proces spalania najistotniejszych dla pozyskania energii. Dlatego mechanizm wirującego wału umożliwia spalanie przy mniejszych zmianach objętości, przybliżając obieg do obiegu Otto, co zwiększa sprawność pozyskania energii ze spalin.

We wszystkich parach ciernych silnika występuje ruch jednostajny, przy którym łatwo utrzymać tarcie płynne. Natomiast tłok, prowadzenie, lub uszczelnienie, teoretyczne ze względu na brak sił bocznych nie wywołują tarcia, a więc i strat. Porównując silniki czterocylindrowe z podparciem wału, co drugi czop otrzymujemy, w silniku z wirującym wałem sześć par ciernych, a w silniku klasycznym korbowodowym siedem par ciernych na wale korbowym, plus pary cierne sworzni tłokowych, a więc sześć do jedenastu. Natomiast do owych sześciu można dodać dwie przekładnie wymuszające ruch wirowy, lub w wersji z obrotowymi cylindrami dwie prowadnice tłoczysk. Jak widać z rysunków przestrzeń mechanizmu może być całkowicie odizolowana od czynnika otaczającego tłoczyska np. silnik spalinowy o tłokach bez pierścieni olejowych, niespalający oleju w całym okresie eksploatacji, pozwala na stosowanie olejów przekładniowych i ich dłuższy okres eksploatacji. Mechanizm juz przy dwóch czopach wykazuje brak położeń martwych, co umożliwia pracę z dowolnie małą prędkością. Dla silnika spalinowego cecha ta, oraz wspomniany mały moment bezwładności znacznie ułatwia uruchomienie silnika oraz zmiany prędkości obrotowych co jest szczególnie istotne dla systemów oszczędnościowych pracy przerywanej. Tłoczyska przeciwległych cylindrów połączone są ze sobą na stałe co sprawia że praca sprężania ładunku dostarczana jest prosto z przeciwległego cylindra. Cecha ta daje tym większe korzyści im większy stopień sprężania, oraz upodabnia silnik do tłokowej wytwornicy spalin. Wpływa to na wyjątkową przydatność silnika z wirującym

169 588 wałem do współpracy z turbiną czyli tworzenia silników turbo-zespolonych. W silnikach tych dąży się do wzrostu energii spalin przez stosowanie materiałów o małej przewodności cieplnej, jak ceramika, cermetale. Dotychczas od materiałów tych wymagało się małego współczynnika tarcia i dużej odporności na ścieranie, głównie ze względu na siły boczne przenoszone przez tłok. Przy wirującym wale od materiałów tych można wymagać cech głównych jak duża odporność na wysoką temperaturę przy małej przewodności cieplnej.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunkach, na których fig. nr 1 przedstawia przekrój wzdłuż osi mechanizmu, fig. nr 2 przedstawia przekrój poprzeczny fig. 1, w której obrócono jarzma 4 o około 24°, fig. 3 przedstawia przekrój wzdłuż osi mechanizmu, w którym jarzma 4 połączone są na stałe, a fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny fig. 3 po obrocie wału 2 o kąt 48°.

Rysunki fig. 1 i fig. 2 przedstawiają przykład wykonania mechanizmu z wirującym wałem 2 poruszającym czterema tłoczyskami 6 przy sprzężeniu jarzm 4 przekładniami obiegowymi, którego nieruchome prowadnice 1 posiadają wewnętrzne wybranie stanowiące bryłę obrotową o jednej osi głównej. W osi głównej znajdują się dwa koła uzębione wewnętrznie oraz dwa łożyska, w których obracają się jarzma 4 posiadające masy wyważające 5. Jarzma 4 posiadają otwory będące łożyskami dla wału 2. Zębniki na osi wirującego wału 2 i z nimi są związane oraz zazębiają się z kołami wewnętrznymi 3. Wał 2 posiada dwa czopy rozmieszczone na promieniu równym odległości osi wału 2 od osi głównej.

Przy czym spełnione są zależności wymiarowe, promień wirowania osi wału 2 wokół osi głównej jest równy promieniowi podziałowemu zębnika, który jest dwukrotnie mniejszy od promienia podziałowego kół uzębionych wewnętrznie.

Każdy z czopów współpracuje z dwoma tłoczyskami 6, połączonymi z sobą. Tłoczyska 6 poruszają się w prowadnicach 1. Wał 2 przypomina kształtem wał korbowy klasycznego silnika dwucylindrowego, podpartego na dwóch czopach głównych. Dlatego wał można nazwać wirującym wałem tłoczyskowym, gdyż taki ruch wykonuje on względem prowadnic 1 wywołując dwukrotnie większy od klasycznego skok czterech tłoczysk 6. Nacisk na tłoczysko 6 wywołuje przemieszczenie wału 2 po okręgu wyznaczonym przez jarzma 4 i ich obrót. Przemieszczeniu wału 2 w wyniku zazębienia z kołem wewnętrznym 3 towarzyszy jego obrót przez co czop tłoczyska 6 porusza się po linii osi tłoczyska 6. Osie tłoczysk 6 przecinają się z osią główną w pewnej odległości stąd powstaje moment obrotowy działający w płaszczyźnie osi czopów tłoczysk. Moment przeciwstawny - wyważający dwie przeciwwagi wału 2. Natomiast siłę odśrodkową wirowania wału po promieniu likwidują przeciwwagi 5 związane z jarzmami 4.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest odtworzony na rysunkach fig. 3 i fig. 4 na których jarzma 4 poruszają się. Wał 2 i prowadnice 1 wykonują ruch obrotowy przy czym prędkość obrotowa wału jest dwukrotnie większa. Nacisk wzdłuż osi na tłoczysko 6 wywołuje w wale moment skręcający względem stałego jarzma 4. Obrót wału 2 wywołuje przesunięcie tłoczyska 6 prostopadle do jego osi to z kolei wywołuje obrót prowadnic 1 oraz tłoczyska 6 w nowe położenie. Chociaż w przedstawionym przykładzie obrót prowadnic wywołany jest przez nacisk na nie tłoczysk poddanych wówczas zginaniu, to rozumie się samo przez się, że możliwe jest przemieszczenie tego oddziaływania w rejon czopa przez co stopy tłoczysk stają się wodzikiem wywołującym obrót. Oczywiście obrót prowadnic 1 może wywołać przekładnia o przełożeniu dwa. Siła obracająca prowadnice 1 jest niewielka i wynika np. ze zmian prędkości, oporów powietrza, uszczelnień itp.

Układ wirującego wału bądź obrotowych cylindrów można stosować do wszelkich maszyn tłokowych. Można sądzić ze najwięcej zalet rozwiązania będzie wykorzystanych przy budowie silnika dwutaktowego, czterocylindrowego w układzie krzyża. W silniku takim np. w wersji z obrotowymi cylindrami dodatkowe korzyści przyniosłyby oddzielnie głowicy od cylindrów. Głowica przyjęłaby kształt koła z kanałami wlotu i wylotu, strefą zapłonu, dostarczenia paliwa, itp. Przy wykorzystaniu mechanizmu do budowy sprężarki, obustronna praca tłoka zwiększa blisko dwukrotnie wydatek a uzyskane powietrze zawiera znacznie mniej cząstek oleju co jest istotne np. przy pracach stomatologicznych.

169 588

169 588

Fig. 3

169 588

Fig. 4

169 588

Fig ί

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Mechanizm tłokowy, znamienny tym, że promień na którym rozmieszczone są osie czopów wału (2) równy jest odległości osi wału (2) od osi głównej mechanizmu z którą przecinają się osie prowadnic (1).

2. Mechanizm tłokowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wał (2) posiada zębnik o promieniu podziałowym równym promieniowi na którym leżą osie czopów, zazębiający się z kołem wewnętrznym (3) o dwukrotnie większym promieniu związanym z prowadnicami (1).

3. Mechanizm tłokowy według zastrz. 1, znamienny tym, że jarzma (4) wału (2) połączone są z sobą na stałe.

* * *