RZECZPO SPO LITA (12) OPIS PATENTOWY (19) P L (11) 157358 POLSKA (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 273706 (51)IntC l5: F16H 21/18 F16H 1/28 U rząd P atentow y (22) Data zgłoszenia: 12.07.1988 F16H 25/08 Rzeczypospolitej Polskiej (54) Maszyna tłokowa z prostowodem kołowym (43) Z głoszenie ogłoszono: 22.01.1990 BUP 02/90 (73)U praw niony z patentu: Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Urządzeń Chemicznych i Chłodniczych ''C E B E A '', Kraków, PL (72)Tw órca w ynalazku: Jerzy Olczyk, Kraków, PL (45)O udzieleniu p aten tu ogłoszono: 29.05.1992 WUP 05/92 PL 157358 B1 1. Maszyna tłokowa z prostowodem koło- (57)wym, z poruszającym się w cylindrze tłokiem połączonym sworzniem z głową drąga tłokowego, zawierająca poniżej każdego cylindra dwie zębate przekładnie wewnętrzne o położeniu 1:2, służące do zamiany ruchu posuwistozwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału, umieszczone po obu stronach osi podłużnej drąga tłokowego, z odtaczanymi po współosiowych nieruchomych wieńcach satelitami prowadzącymi stopę drąga tłokowego po linii prostej lub po elipsie, znamienna tym, że współosiowe, o pokrywających się uzębieniach zewnętrznych, symetryczne względem osi cylindra (3), umieszczone obrotowo na zębatych kołach nośnych (11), satelity (7) stanowią sztywną całość przez zespolenie ich czopem (5).
Maszyna tłokowa z prostowodem kołowym Zastrzeżenia patentowe 1. Maszyna tłokowa z prostowodem kołowym, z poruszającym się w cylindrze tłokiem połączonym sworzniem z głową drąga tłokowego, zawierająca poniżej każdego cylindra dwie zębate przekładnie wewnętrzne o położeniu 1:2, służące do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału, umieszczone po obu stronach osi podłużnej drąga tłokowego, z odtaczanymi po współosiowych nieruchomych wieńcach satelitami prowadzącymi stopę drąga tłokowego po linii prostej lub po elipsie, znamienna tym, że współosiowe, o pokrywających się uzębieniach zewnętrznych, symetryczne względem osi cylindra (3), umieszczone obrotowo na zębatych kołach nośnych (11), satelity (7) stanowią sztywną całość przez zespolenie ich czopem (5). 2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że zębate koła nośne (11) sprzężone są wzajemnie za pom ocą zazębienia zewnętrznego z kołami odbiorczymi (12) osadzonymi na wspólnym, prostoliniowym wale głównym (14), który umieszczony jest obrotowo w korpusie maszyny i połączony z mechanizmami użytkowymi, a w maszynach wielocylindrowych zawiera odpowiednią liczbę kół odbiorczych (12) zazębionych z kołami nośnymi (11) w poszczególnych cylindrach. 3. Maszyna według zastrz. 2, znamienna tym, że płaszczyzna łącząca oś wału głównego (14) z osią kół nośnych (11) jest odchylona w stosunku do osi cylindra o 10 do 100 w kierunku obrotu kół nośnych lub o 260 do 350. 4. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera dodatkowo przeciwstawne satelitom (7) o 180 satelity (7a) z przeciwciężarami (15) równoważącymi siły bezwładności mas ruchomych elementów maszyny. * * * Przedmiotem wynalazku jest maszyna tłokowa z prostowodem kołowym z poruszającym się w cylindrze tłokiem połączonym sworzniem z głową drąga tłokowego, zawierająca poniżej każdego cylindra dwie zębate przekładnie wewnętrzne o położeniu 1:2, służące do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka na ruch obrotowy wału, umieszczone po obu stronach osi podłużnej drąga tłokowego z odtaczanymi po współosiowych nieruchomych wieńcach satelitami prowadzącymi stopę drąga tłokowego po linii prostej lub po elipsie. W znanych maszynach tłokowych stosowany jest do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego na obrotowy mechanizm korbowy, w skład którego wchodzi tłok poruszający się ruchem posuwistozwrotnym w cylindrze, korbowód połączony z jednej strony obrotowo ze sworzniem tłoka, a z drugiej strony obrotowo z czopem wykorbienia wału korbowego połączonego z mechanizmami użytkowymi jak na przykład skrzynia biegów, prądnica, wentylator itp. Znane są także warianty mechanizmu korbowego jak na przykład mechanizm korbowy z przesuniętym torem środka sworznia tłokowego, mechanizm korbowy z wodzikiem, mechanizm korbowy z wycinkami zamiast wodzika, mechanizm korbowy z przekładnią łańcuchową, mechanizm mimośrodowy, mechanizm z wahliwym cylindrem, a także szereg odmian wymienionych rozwiązań. Rozmaitość wariantów podstawowego układu jest między innymi wynikiem wielu prób usunięcia następujących wad mechanizmu korbowego: występowanie nacisku tłoka na cylinder w wyniku rozkładu siły tłokowej na sworzniu tłoka, co powoduje: straty energetyczne wynoszące na przykład w silnikach spalinowych od 10 do 20%, a w sprężarkach gazowych od 5 do 15%, konieczność zwiększenia powierzchni tłoka dla utrzymania w normie dopuszczalnych nacisków jednostkowych, a więc zwiększenie masy tłoka, straty eksploatacyjne wywołane szybkim wycieraniem powierzchni cylindra i tłoka połączone z owalizacją poprzecznego przekroju cylindra, co zmusza do remontów i wymiany tłoków; występowanie poprzecznych oporów bezwładności korbowodu powodujących naprężenia zginające, co zmusza do zwiększenia poprzecznych przekrojów korbowodu i jest przyczyną awarii w postaci pęknięcia korbowodu mimo wysokiej jakości materiałów i starannego wykonawstwa;
157 358 3 występowanie kolizji między trzonem korbowodu a dolną krawędzią cylindra, co znacznie ogranicza dobór proporcji wymiarowych między długością korbowodu, skokiem tłoka a średnicą cylindra; trudności zrównoważenia sił bezwładności mas elementów ruchomych, co zmusza do stosowania skomplikowanego systemu podwójnych lub poczwórnych wałków wyważających; asymetryczne przenoszenie siły tłokowej tylko przez jedno ramię wykorbienia, co prowadzi, zwłaszcza w układach wielocylindrowych, do stosowania bardzo ciężkich wałów wykorbionych. W znanych odmianach maszyn tłokowych usunięcie niektórych wad powoduje pogorszenie innych parametrów. Na przykład w mechanizmie korbowym z wodzikiem wyeliminowanie nacisku tłoka na cylinder powoduje przeniesienie nacisku na wodzik i znaczny wzrost mas w ruchu posuwisto-zwrotnym przy pozostawieniu pozostałych wad. Zastosowanie na przykład mechanizmu z wahliwym cylindrem pozwala na eliminację nacisku tłoka na cylinder, ale pociąga za sobą poważną rozbudowę układu i wzrost masy cylindra. Znane jest także użycie zamiast mechanizmu korbowego, mechanizmu Cardana z przekładnią wewnętrzną. W mechanizmie tym, na ramieniu r obracającej się w korpusie korby, umieszczone jest koło zębate odtaczane o średnicy podziałowej 2r zazębione z zamocowanym w korpusie kołem o uzębieniu wewnętrznym o średnicy podziałowej 4r. Do koła odtaczanego przymocowany jest czop, którego oś leży na kole podziałowym koła odtaczanego. Czop prowadzi wtedy tłoczysko po linii prostej. Umieszczenie czopa wewnątrz koła podziałowego lub na zewnątrz powoduje, że stopa tłoczyska opisuje elipsę. Mechanizm ten ma szereg wad, które w poważnym stopniu ograniczają jego zastosowanie w maszynach tłokowych, a zwłaszcza w silnikach: jednostronne podparcie; obciążenie poprzecznym momentem zginającym działającym na dużym ramieniu, przy czym wielkość tego mom entu w pobliżu zwrotnych położeń czopa wielokrotnie przewyższa wartość momentu obrotowego, obciążając nadmiernie łożyska czopa koła odtaczanego i osi korby, co powoduje sumowanie się luzów, odchylenie koła odtaczanego i nieprawidłową pracę zazębienia wewnętrznego; brak możliwości dwustronnego podparcia; brak możliwości zwielokrotnienia mechanizmu w układzie rzędowym, na przykład w maszynie wielocylindrowej. Usunięcie wady wynikającej z jednostronnego podparcia, na przykład za pomocą podparcia czopa z drugiej strony tłoczyska na kole odtaczanym bliźniaczego mechanizmu nie jest możliwe, gdyż trzon tłoczyska w czasie ruchu od zwrotu zewnętrznego do zwrotu wewnętrznego całkowicie odgradza od siebie mechanizmy położone po dwóch stronach tłoczyska, nie pozwalając na bezpośrednie połączenie obu ramion korbowych i synchronizację ich obrotów, co powoduje różnicę kąta obrotu między ramionami, zależną od luzów niezbędnych ze względów konstrukcyjnych w układzie, i w związku z tym wywołuje skośne zazębianie wewnętrzne, duże opory ruchu i zakleszczanie układu. Próby pracy prototypu tego rodzaju dały wyniki negatywne. Zastosowanie zębów baryłkowych lub śrubowych nie popraw ia sytuacji. Z tej samej przyczyny, to jest z powodu przechodzenia trzonu tłoczyska przez środek układu, mechanizm Cardana w znanej formie nie może być użyty w maszynie wielocylindrowej. Celem wynalazku jest takie ukształtowanie maszyny tłokowej, aby drąg tłokowy poruszał się po linii prostej, co powoduje korzystny zanik nacisku tłoka na cylinder i w związku z tym redukcję strat energetycznych i eksploatacyjnych, umożliwia swobodny dobór proporcji długości drąga, skoku tłoka i średnicy cylindra, a także wpływa na znaczne zmniejszenie mas posuwisto-zwrotnych, oraz aby siła działająca na drąg tłokowy była podzielona równomiernie na dwie siły symetryczne względem osi cylindra, przekazane następnie do dalszych elementów układu, co umożliwia znaczną redukcję wymiarów wielu elementów maszyny i obniżenie kosztów produkcji z jednoczesnym podwyższeniem stopnia niezawodności, przy czym celem wynalazku jest także takie ukształtowanie układu konstrukcyjnego, aby mechanizm prostowodowy mógł być dwustronnie podparty i zastosowany w wielocylindrowych maszynach tłokowych. Istota wynalazku polega na tym, że odtaczane satelity dwóch wewnętrznych przekładni o przełożeniu 1:2, znajdujących się poniżej każdego cylindra maszyny tłokowej i rozstawionych
4 157 358 symetrycznie względem osi cylindra, są zespolone za pomocą czopa, prowadzącego jednocześnie stopę drąga tłokowego po odpowiednim prostoliniowym lub eliptycznym torze, w związku z czym stanowią sztywną całość. Zespolone satelity umieszczone są obrotowo na zębatych kołach nośnych, które sprzęgnięte są wzajemnie za pomocą zazębienia zewnętrznego z kołami odbiorczymi zamocowanymi na wspólnym zewnętrznym wale głównym połączonym z mechanizmami użytkowymi. Oś wału głównego jest odpowiednio usytuowana względem osi podłużnej i osi cylindra maszyny tłokowej. Siły bezwładności mas elementów ruchomych zrównoważone są za pomocą przeciwciężarów umieszczonych na przeciwstawnych satelitach. Dzięki temu uzyskuje się: dwustronne podparcie czopa; podział siły działającej na czop równomiernie na dwie siły przenoszone następnie przez koła nośne i odbiorcze na zewnętrzny wał główny i likwidację w ten sposób poprzecznego momentu zginającego; możliwość budowy maszyn wielocylindrowych, w których koła nośne w poszczególnych cylindrach sprzężone są ze sobą za pomocą kół odbiorczych na wspólnym prostoliniowym wale głównym; możliwość wykorzystania mechanizmu do zrównoważenia sił bezwładności mas elementów ruchomych; dwukierunkowe działanie mechanizmu, który służy zarówno do zmiany ruchu posuwistozwrotnego na obrotowy jak i obrotowego na posuwisto-zwrotny. Zastosowanie wynalazku przynosi następujące korzyści: wzrost sprawności użytecznej - w silnikach spalinowych około 20%, w sprężarkach gazowych około 5%; spadek jednostkowego zużycia energii o 10 do 15%; wielokrotne zwiększenie okresu eksploatacji zespołu tłoka z cylindrem i podwyższenie wskaźnika niezawodności; zmniejszenie masy tłoka i drąga tłokowego; zmniejszenie maksymalnych przyspieszeń mas posuwisto-zwrotnych o około 20%; uzyskanie symetrycznego rozkładu obciążeń i korzystne pod względem wytrzymałościowym ukształtowanie elementów maszyny; wyeliminowanie wału wykorbionego i zastąpienie go wałem prostoliniowym, przy jednoczesnym podziale funkcji na funkcje spełniane przez elementy współpracujące z drągiem tłokowym i funkcje wału połączonego z mechanizmami użytkowymi; korzystne zrównoważenie sił bezwładności mas elementów ruchomych, zwłaszcza w maszynach 4-cylindrowych; swobodne projektowanie wzajemnych proporcji długości drąga tłokowego, skoku tłoka i średnicy cylindra, a w związku z tym możliwość budowy takich maszyn tłokowych, które przy obecnym stanie techniki są nieosiągalne ze względów technicznych lub ekonomicznych; obniżenie ciężaru całości maszyny; zmniejszenie kosztów produkcji. Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia maszynę tłokową w przekroju poprzecznym, fig. 2 - przekroje podłużne 4-cylindrowej maszyny tłokowej, przy czym przekrój z lewej strony, oznaczony A-B i przekrój z prawej A-C wyznaczone są liniami osiowymi na fig. 1, fig. 3 - przedstawia przekrój podłużny jednocylindrowej maszyny tłokowej z przeciwciężarami na przeciwstawnych satelitach, a fig. 4 - różne układy konstrukcyjne satelitów zespolonych i kół nośnych. Jak ukazano na fig. 1 i 2 maszyna tłokowa ma tłok 1 ze sworzniem 2 umieszczony w cylindrze 3. Sworzeń 2 połączony jest obrotowo z głową drąga tłokowego 4, którego stopa połączona jest obrotowo z czopem 5 łączącym ramiona ze sworzniami 6, na których zamocowane są spoczynkowo współosiowe, o pokrywających się uzębieniach zewnętrznych, satelity 7 odtaczane po wieńcach 8 o uzębieniu wewnętrznym, osadzonych nieruchomo za pomocą wpustu 9 w korpusie maszyny dwuczęściowym 10 i 13. Satelity tworzą z wieńcami przekładnie zębate wewnętrzne o położeniu 1:2, rozmieszczone po obu stronach drąga tłokowego 4, symetrycznie względem osi cylindra 3. Sworznie ramion 6 zespolonych satelitów 7 umieszczone są obrotowo na kołach nośnych 11, które
157 358 5 umieszczone są za pomocą sworzni obrotowo w korpusie 10, 13, współosiowo z wieńcami 8. Koła nośne 11 są sprzężone ze sobą za pomocą zazębienia zewnętrznego z kołami odbiorczymi 12 osadzonymi spoczynkowo na prostoliniowym wale głównym 14 umieszczonym obrotow o w łożyskach korpusu 10, 13 równolegle do osi kół nośnych 11 i wieńców 8, przy czym płaszczyzna łącząca oś wału głównego 14 z osią kół nośnych 11 i wieńców 8, stanowiącą oś podłużną maszyny tłokowej, jest odchylona w stosunku do osi cylindra o 10 do 100 w kierunku obrotu kół nośnych lub o 260 do 350. Wał główny 14 ma koła odbiorcze, których liczba odpowiada liczbie kół nośnych w maszynie, i połączony jest z innymi częściami maszyny na przykład z kołem zamachowym oraz z mechanizmami użytkowymi jak na przykład z prądnicą, skrzynią biegów, wentylatorem itp. Prostoliniowy wał główny według wynalazku może być zastosowany również jako element współpracujący z konwencjonalnym mechanizmem korbowym w celu przeniesienia momentu obrotowego równomiernie poprzez dwa ramiona wykorbienia. Jak uwidoczniono na fig. 3, w układzie jednocylindrowym umieszczone są dwa dodatkowe koła nośne 11 i dwie pary kół o zazębieniu wewnętrznym o przełożeniu 1:2, z tym, że na satelitach 7a, przeciwstawnych o 180 w stosunku do satelitów 7 prowadzących stopę drąga tłokowego 4, umieszczone są zamiast czopa 5 przeciwciężary 15 równoważące siły bezwładności mas biorących udział w ruchu posuwisto-zwrotnym. Układ zrównoważenia sił bezwładności za pomocą przeciwciężarów, zamocowanych na satelitach przekładni wewnętrznej o położeniu 1:2, może być także zastosowany w konwencjonalnym mechaniźmie korbowym. W układzie 4-cylindrowym, jak na fig. 2, w którym w skrajnych cylindrach drągi tłokowe i tłoki poruszają się w przeciwnych kierunkach w stosunku do drągów tłokowych i tłoków w dwóch środkowych cylindrach, możliwe jest zrównoważenie sił bezwładności mas biorących udział w ruchu prostoliniowym i obrotowym bez dodatkowych przeciwciężarów, gdyż w każdej fazie ruchu i przy każdej prędkości obrotów równoważą się wzajemnie siły bezwładności mas elementów przeciwstawnych. Maszyna tłokowa według wynalazku zastosowana w silniku spalinowym lub innym urządzeniu tłokowym, może być rozwiązana w układach konstrukcyjnych według fig. 4, gdzie a przedstawia satelity ze sworzniami wewnątrz kół nośnych, b satelity obracające się na sworzniach kół nośnych I koła nośne ze sworzniem obracającym się w korpusie, II koła nośne obracające się na czopie wystającym z korpusu.
157358 przekrój A - B przekrój A - C FIG. 2 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 5000 zł.