ОБЪЕМНАЯ МАШИНА САВИНА Российский патент 1994 года по МПК F04C2/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторно-лопастным объемным машинам, и может быть использовано в двигателестроении.

Известен двигатель с кольцевой рабочей камерой, в которой размещены две пары лопастей, одна из которых равномерно вращается с выходным валом, а другая пара лопастей кинематически связана с валом механизмом периодического изменения угловой скорости, выполненным в виде кривошипно-шатунной передачи, в которой один конец шатуна закреплен эксцентрично на шестерне, обкатывающейся по неподвижной опорной шестерне, а другой конец шатуна на качающемся элементе и совершает относительно выходного вала возвратно-вращательное движение по дуге окружности.

Недостатком этой конструкции являются значительные инерционно-вращательные нагрузки на выходном валу и шестернях от качающейся моментно-неуравновешенной пары лопастей, несинусоидальный характер колебаний и громоздкость конструкции.

Известен также двигатель, содержащий цилиндрическую полость, размещенные в ней секторные лопасти, установленные на соосных валах, и механизм преобразования движения лопастей, выполненный в виде пары рычагов, соединенных с валами лопастей, и кулисы, установленной на выходном валу и взаимодействующей с роликами рычагов таким образом, что обеспечивается качание пар лопастей в противофазе относительного выходного вала.

К недостаткам этой конструкции относятся низкая надежность взаимодействия роликов с поверхностями обкатки из-за неуравновешенных инерционных моментов на выходном валу и деталях механизма от инерционно-вращательных сил лопастей, малый ресурс работы, большая масса и габариты и т.п.

Известна также среднеосевая ротационно-поршневая машина (прототип) с двумя неравномерно вращающимися внутри кольцеобразного кожуха поршневыми парами, находящимися в противофазе с помощью планетарного механизма, который состоит из укрепленного на корпусе основного конического колеса, сцепленного с планетарным зубчатым колесом внутри чашкообразного корпуса. Каждая пара поршней снабжена валом с планетарным приводом. Между каждым планетарным зубчатым колесом и валом не параллельно к оси колеса находится шарнирный шток, который поворотно размещен в планетарном колесе и таким образом связан с каждым валом, что вращается в той плоскости, которая образуется осью вала и точкой зацепления комплекта зубчатых колес.

Этой конструкции также присущи недостатки, относящиеся к значительным знакопеременным инерционным моментам на выходном валу от лопастей, значительным инерционным нагрузкам на зубчатые пары и элементы механизма.

Технический результат, полученный при использовании данного изобретения, состоит в уравновешивании знакопеременных инерционных моментов сил на выходном валу, возникающих от качания лопастей, устранении инерционных нагрузок на шестерни механизма, улучшении массогабаритных характеристик за счет снижения веса маховика и уменьшения нагрузок на элементы механизма качания лопастей.

Это достигается тем, что в машине, содержащей цилиндрический корпус, в котором размещены две пары лопастей, связанных с выходным валом механизмами их качания, каждый из которых содержит полувал, на котором закреплены лопасти, чашкообразный корпус, вращающийся вокруг полувалов, в котором установлена сателлитная шестерня перпендикулярно оси полувала и находящаяся в зацеплении с неподвижной шестерней, закрепленной на корпусе, при этом в сателлитной шестерне шарнирно укреплен шток с возможностью вращения в плоскости, проходящей через ось полувала, чашкообразный корпус снабжен зубчатым венцом, сцепленным с шестерней, закрепленной на выходном валу. На оси сателлитной шестерни закреплен кронштейн с штырем, установленным с угловым смещением относительно штока и входящим в прорезь введенного кольцеобразного балансировочного груза, вращающегося в корпусе, причем в чашкообразном корпусе установлен свободно с возможностью вращения вокруг оси сателлитной шестерни противовес, в который вход второй конец штока. Оси сателлитных шестерен лежат в одной плоскости, а направление их вращения - противоположное. Точка закрепления штыря на шестерне отстоит по углу шестерни от точки вращения штока на угол, равный 90^о и являющимся оптимальным углом.

Такое закрепление балансировочного груза при определенном соотношении моментов инерции груза и лопастей с радиусами закрепления на сателлитной шестерне штока и штыря приводит к отсутствию на выходе машины знакопеременных инерционных моментов сил и отсутствию на шестернях инерционных нагрузок от качания лопастей.

На фиг. 1 изображена предлагаемая машина; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Машина содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещены две пары лопастей 2, укрепленных на полувалах 3, вращающихся в корпусе 1. В чашкообразном корпусе 4, вращающемся вокруг полувала 3, на оси, перпендикулярной оси полувала, размещена сателлитная шестерня 5, находящаяся в зацеплении с неподвижной шестерней 6, укрепленной на корпусе 1. В шестерне 5 шарнирно закреплен шток 7, который может вращаться в плоскости, проходящей через ось полувала, вокруг оси, закрепленной на полувале. Корпус 4 снабжен зубчатым венцом 8, сцепленным с шестерней 9, закрепленной на выходном валу 10, на оси 11 шестерни 5 закреплен кронштейн 12 с штырем 13, входящим в прорезь кольцеобразного балансировочного груза 14, вращающегося в корпусе 1. В противоположном от шестерни 5 конце штока 7 в корпусе 4 размещен на оси вращения противовес 15 шестерни 5.

Машина работает следующим образом.

Кинематика механизма качания лопастей обеспечивает за один полный оборот полувалов двойное противофазное синусоидальное качание лопастей относительно чашкообразного корпуса. При этом в каждой из четырех камер осуществляются все четыре цикла четырехтактного двигателя (всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп), рабочий ход осуществляется через каждые 90^о поворота чашкообразного корпуса, что эквивалентно восьмицилиндровому двигателю обычной схемы.

При вращении чашкообразного корпуса лопасти совершают относительно него колебания в противоположных направлениях. Возникающие при этом инерционные вращательные моменты сил со стороны обеих пар лопастей равны и противоположны по направлению относительно оси лопастей. Эти моменты создают одинаковые силы в точках заделки штоков 7 в сателлитных шестернях 5, но плечи точек заделки штоков каждого механизма разные, поэтому эти силы создают разные моменты на сателлитных шестернях относительно линии зацепления с неподвижными шестернями 6, а эти моменты приводят к разным силам, действующим на чашкообразные корпуса со стороны осей 11 сателлитных шестерен, вследствие этого на выходном валу и шестернях возникают инерционные моменты и силы, которые могут в несколько раз превышать нагрузки от газодинамических сил.

Инерционные моменты, действующие со стороны лопастей на выходной вал, определяются выражением
М_л1= А (cos2ϕ+cos2ϕ˙sin2ϕ),
М_л2=А (-cos2ϕ+cos2ϕ˙sin2ϕ), где А - конструктивный параметр;
М_л1 - момент первой пары лопастей;
М_л2 - момент второй пары лопастей;
ϕ - угол поворота чашкообразного корпуса.

При закреплении штыря 13, зацепленного в прорези балансировочного груза 14, на сателлитной шестерне с угловым смещением 90^о относительно штока 7 инерционные моменты пары лопасть-груз определяются выражением
М_л1 + М_б1 = А (cos 2 ϕ-sin2ϕ),
М_л2 + М_б2 = А (-cos 2 ϕ+sin2ϕ), где М_б1 - инерционный момент первого груза;
М_б2 - инерционный момент второго груза.

Суммируясь, эти моменты полностью разгрузят выходной вал от знакопеременных инерционных моментов.

При этом должно соблюдаться условие
I_л ˙tg²α_л=I_б˙tg²˙α_б I_л - момент инерции лопастей с полувалом 3 и штоком 7 относительно оси вращения лопастей;
I_б - момент инерции балансировочного груза;
α_л - угол между осью штока 7 и осью шестерни 5;
α_б - угол между осью штыря 13 и осью шестерни 5.

При соблюдении приведенных условий инерционные моменты, действующие на сателлитную шестерню относительно оси 11, создаваемые силами штока 7 и штыря 13, равны и противоположны по направлению, т.е. зубья шестерен разгружаются от инерционных сил.

Введенный в машину противовес 15 уравновешивает центробежные силы от шестерни 5 с осью 11 и кронштейна 12 с штырем 13. Уравновешивание вращающихся масс относительно оси сателлита 11 осуществляется известными способами.

Вращающиеся вокруг сателлитного вала массы при вращении сателлита вместе с чашкообразным корпусом создают вращающийся гироскопический момент, который уравновешивается гироскопическим моментом от второго сателлитного вала с вращающимися массами. Для этого оси сателлитов устанавливаются в одной плоскости, а направление вращения сателлитов - противоположное путем установки сателлитных шестерен обоих механизмов с одной стороны от оси вращения лопастей при симметричной установке шестерен 6.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: в цилиндрическом корпусе размещены с образованием рабочих камер пары лопастей, кинематически связанные с выходным валом механизмами качания. Каждый механизм содержит полувал с закрепленными на нем лопастями, установленными с возможностью вращения относительно полувала. В стакане перпендикулярно оси полувала размещена сателлитная шестерня, находящаяся в зацеплении с неподвижной шестерней, закрепленной на корпусе. В сателлитной шестерне шарнирно размещен шток с возможностью вращения в плоскости, проходящей через ось полувала. Стакан имеет зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, закрепленной на валу. На оси сателлитной шестерни закреплен кронштейн со штырем, расположенным с угловым смещением относительно штока и входящим в прорезь балансировочного груза, охватывающего стакан. В стакане свободно и с возможностью вращения вокруг оси сателлитной шестерни установлен противовес, имеющий паз, в котором размещен второй конец штока. 2 ил.

Объемная машина, содержащая цилиндрический корпус, размещенные в нем с образованием рабочих камер пары лопастей, кинематически связанные с выходным валом посредством механизмов качания, каждый из которых включает полувал с закрепленными на нем лопастями, установленными с возможностью вращения относительно полувала, стакан, в котором перпендикулярно к оси полувала размещена сателлитная шестерня, находящаяся в зацеплении с неподвижной шестерней, закрепленной на корпусе, при этом в сателлитной шестерне шарнирно размещен шток с возможностью вращения в плоскости, проходящей через ось полувала, а стакан имеет зубчатый венец, взаимодействующий с шестерней, закрепленной на валу, отличающаяся тем, что машина снабжена кольцеобразным балансировочным грузом, на оси сателлитной шестерни закреплен кронштейн со штырем, расположенным с угловым смещением относительно штока и входящим в прорезь балансировочного груза, охватывающего стакан, при этом в последнем свободно и с возможностью вращения вокруг оси сателлитной шестерни установлен противовес, имеющий паз, в котором размещен второй конец штока.