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 второй 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 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 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 (сателлитным) 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 линией 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, наличие дополнительного к полувалам лопастей выходного вала с дополнительными шестеренчатыми передачами.

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, улучшение массо-габаритных характеристик за счет снижения веса маховика, уменьшения нагрузок на элементы механизма качания лопастей, устранения дополнительной зубчатой передачи с чашкообразного корпуса на выходной вал, упрощения конструкции.

Этот результат достигается тем, что в конструкцию каждого из двух механизмов качания вводится вращающийся в корпусе машины кольцеобразный балансировочный груз, соединенный с саталлитной шестерней с помощью штыря, закрепленного на шестерне, который может проворачиваться и скользить в прорези балансировочного груза, выполненной в плоскости, проходящей через ось вращения лопастей, причем ось штыря проходит через точку пересечения сателлитного вала с осью вращения лопастей, оптимальное угловое расстояние точки закрепления штыря на шестерне от точки приложения силы к шестерне со стороны лопастей составляет 90^о (оптимальный угол). Такое закрепление балансировочного груза при определенном соотношении моментов инерции груза и лопастей с радиусами закрепления на сателлитной шестерне точки приложения силы лопастей и штыря приводит к отсутствию на выходе машины знакопеременных инерционных моментов и отсутствию на шестернях инерционных нагрузок от качания лопастей.

Исполнение выходного вала из двух частей с рамкообразной частью, в которой размещается сателлитный механизм качания лопастей, и соединение этих валов соединительной муфтой позволило устранить дополнительную (к сателлитной) зубчатую передачу. Исполнение сателлитного вала в виде единой жесткой конструкции с противовесом сателлитной шестерни разгружает подшипники сателлитного вала от центробежных сил, уменьшает на них радиальные нагрузки и уменьшает габариты механизма.

На фиг. 1 представлена исходная конструктивная схема машины; на фиг. 2 - вариант машины с использованием сферического шатуна; на фиг. 3 - вариант машины с использованием скользящей опоры для связи лопастей с сателлитной шестерней; на фиг. 4 - вид по стрелке А на фиг. 3; на фиг. 5 - вариант машины с использованием наклонного подшипника на сателлитном валу; на фиг. 6 - разрез Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 - вариант исполнения конструктивной связи балансировочного груза с сателлитной шестерней с помощью сферического шатуна; на фиг. 8 - вариант исполнения балансировочного груза в виде сферического шатуна; на фиг. 9 - разрез В-В на фиг. 8.

Предлагаемая машина содержит цилиндрический корпус 1 с торцовыми крышками 2, две пары лопастей 3 (на схеме показана половина машины, вторая половина симметрична) с боковыми крышками 4 и центральными втулками 5, две части выходного вала 6, которые с помощью соединительной муфты 7 образуют единый вал, два механизма качания лопастей, каждый из которых содержит ведущую вилку 8, внутри которой проходит выходной вал и которая жестко скреплена с лопастями 3, в подшипниках 9 которой на оси 10, перпендикулярной оси 11 вращения лопастей и выходного вала, установлен промежуточный элемент 12, который может вращаться вокруг наклонной части 13 сателлитного вала 14, выполненного в виде косого кривошипа и вращающегося в подшипниках 15, укрепленных на валу 6 в рамкообразной его части так, что ось сателлитного вала перпендикулярна оси выходного вала. На одном конце сателлитного вала 14 закреплена сателлитная шестерня 16, а на другом конце противовес 17, причем на сателлитной шестерне и на противовесе установлены штыри 18, ось которых проходит через точку пересечения осей сателлитного вала и лопастей, штыри 18 входят в прорезь 19 (в которой могут проворачиваться и скользить) кольцеобразного балансировочного груза 20, прорезь выполнена в плоскости, проходящей через ось вращения лопастей, а балансировочный груз может вращаться в корпусе. К корпусу жестко закреплена шестерня 21, находящаяся в зацеплении с сателлитной шестерней 16.

Кроме описанной схемы возможны другие варианты конструктивного исполнения механизма. На фиг. 2 представлен вариант, в котором ведущая вилка 8 лопастей с помощью введенного сферического шатуна 22 шарнирно соединена с эксцентрично расположенными штырями 18 сателлитной шестерни 16 и противовеса, а в прорезь 19 груза 20 входят пальцы 23, закрепленные с помощью кронштейнов 24 на штырях сателлитной шестерни и противовеса. В этой конструкции не требуется рамкообразной части выходного вала и сателлитный вал выполнен в виде обычного прямого вала без наклонной части.

На фиг. 3 ведущая вилка 8 лопастей выполнена в виде кронштейнов с прорезями 25 в плоскости, проходящей через ось лопастей; в прорези могут скользить и проворачиваться штыри 18 сателлитной шестерни 16 и противовеса 17, а сферический шатун 22 (фиг. 2) отсутствует.

На фиг. 4 промежуточный элемент 12 выполнен в виде кольца и закреплен на подшипнике 26, воспринимающем двухсторонние осевые нагрузки, подшипник наклонно установлен на сателлитном валу 14, при этом наклонная часть сателлитного вала отсутствует.

На фиг. 5 на кольцеобразном балансировочном грузе 20 установлены цилиндрические выступы 27, которые могут проворачиваться в специально введенном в конструкцию сферическом шатуне 28, который, в свою очередь, шарнирно скреплен с штырями 18 сателлитной шестерни 16 и противовеса 17, в этом случае прорези в балансировочном грузе для штырей 18 отсутствуют.

На фиг. 6 роль балансировочного груза выполняет сферический шатун 20, который может проворачиваться относительно штырей 18 сателлитной шестерни и противовеса, а также с помощью закрепленных на шатуне стержней 29 может проворачиваться в корпусе машины, при этом стержни 29 скользят и проворачиваются в направляющих корпуса, установленных в плоскости, проходящей через ось сателлитного вала и перпендикулярной выходному валу.

Объемная машина работает следующим образом.

При вращении выходного вала 6 (фиг. 1) сателлитная шестерня 16 обкатывается по неподвижной шестерне 21, а так как радиус зацепления шестерни 16 в два раза меньше радиуса зацепления шестерни 21, то за половину оборота выходного вала сателлитный вал 14 делает полный оборот, а с помощью промежуточного элемента 12 ведущая вилка лопастей вместе с парой лопастей 3 осуществляет полный период колебаний относительно выходного вала. Вторая пара лопастей при этом совершает колебания в противофазе. За полный оборот выходного вала 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 выходного вала, что эквивалентно 8-ми цилиндровому двигателю обычной схемы.

При неравномерном вращении лопастей 3 вращательно-инерционные моменты силы от них с ведущей вилкой 8 и приведенной массой промежуточного элемента 12 равны и противоположны по направлению, но они могут быть приведены к приложению через сателлитный вал к сателлитной шестерне 16 в точке пересечения плоскости зацепления шестерни с осью наклонной части сателлитного вала с разными плечами для разных пар лопастей относительно точки зацепления шестерен. Это создает разные крутящие моменты на сателлитной шестерне, которые воспринимаются через ось сателлитного вала 14 выходным валом 6, что и создает на нем знакопеременный инерционно-вращательный момент, нагрузки от которого на элементы конструкции могут в несколько раз превышать нагрузки от газодинамических сил.

При закреплении штыря 18, скользящего и поворачивающегося в прорези балансировочного груза 20, на сателлитной шестерне 16 с угловым смещением 90^о относительно точки пересечения наклонной части сателлитного вала с плоскостью сателлитной шестерни, проходящей через точку зацепления, инерционные моменты пары: лопасть-груз определяются выражением
М_д1 + М_б1= А (cos 2 Q - sin 2 Q),
М_д2 + М_б2 = А (- сos 2 Q + sin 2 Q), где М_л1 и М_л2 - инерционные моменты сил со стороны первой и второй пар соответственно;
М_б1, М_б2 - инерционные моменты сил первого и второго грузов соответственно;
Q - угол поворота выходного вала;
А - конструктивный параметр.

Суммируясь, эти моменты полностью разгрузят выходной вал от знакопеременных инерционных вращающих моментов. Однако, для этого должно соблюдаться условие
J_л tg² α _л=J_бxtg² α_б, где J_л - момент инерции лопастей с присоединенными массами;
J_б - момент инерции балансировочного груза;
α_л - угол между наклонной частью сателлитного вала и осью вращения этого вала;
α_б - угол между осью штыря 18 и осью вращения сателлитного вала.

При соблюдении приведенных условий инерционные моменты сил, действующие на сателлитную шестерню относительного ее оси вращения, создаваемые действующими в плоскости вращения - силами со стороны балансировочного груза 20 через штырь 18 и со стороны лопастей через промежуточный элемент 12 и наклонную часть 13 сателлитного вала 14, равны по величине и противоположны по направлению, т.е. зубья шестерен разгружаются от инерционных сил.

Введенный в машину противовес 17 уравновешивает центробежные силы от шестерни 16 с присоединенными к ней массами, уравновешивание вращающихся масс относительно оси сателлита 14 осуществляется известными способами.

Вращающиеся вокруг сателлитного вала массы при вращении самого сателлитного вала вместе с выходным валом создают на подшипниках сателлитного вала 15, через выходной вал на корпус, 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 16 обоих механизмов одной стороны от оси вращения лопастей при симметричной установке шестерен 21.

Инерционные моменты с каждой пары лопастей со своим балансировочным грузом равны и противоположны по направлениям действия и уравновешиваются на выходном валу с помощью соединительной муфты 7.

Схема работы сохраняется для всех последующих вариантов конструктивных схем машины со следующими отличиями.

В варианте 2 (фиг. 2) введенный в конструкцию сферический шатун 22 взамен наклонной части сателлитного вала и промежуточного элемента 12 при вращении сателлитной шестерни 16 проворачивается вокруг штыря 18 и совершает вращательно-колебательные движения вокруг оси 10 ведущей вилки лопастей 3. Оптимальный угол между осями сателлитного вала 14 и осью вилки 10 составляет 90^о. Оптимальный угол в плоскости сателлитной шестерни, между пальцами 23, взаимодействующими с балансировочным грузом 20, и штырями 18, взаимодействующими непосредственно или через элементы конструкции с ведущей вилкой лопастей, составляет 90^о.

В варианте 3 (фиг. 3 и 4) штырь 18 сателлитной шестерни 16, которые может скользить и проворачиваться в прорези ведущей вилки, непосредственно воздействует на ведущую вилку лопастей, заставляя их совершать вращательно-колебательное движение относительно выходного вала.

В варианте 4 (фиг. 5 и 6) колебания ведущей вилки 8 осуществляется за счет колебаний шарнирно скрепленного с вилкой промежуточного элемента 12, скрепленного с внешним кольцом подшипника 26, наклонно установленного внутренней обоймой на сателлитном валу.

В варианте 5 (фиг. 7) введенный в конструкцию сферический шатун 28 совершает вращательно колебательные движения относительно балансировочного груза с помощью цилиндрических выступов 27 и проворачивается относительно штырей 18 сателлитной шестерни 16. Оптимальный угол между осями цилиндрических выступов 27 и 18 составляет 90^о.

В варианте 6 (фиг. 8 и 9) стержни 29, заделанные в сферический шатун, скользят и проворачиваются в направляющей корпуса, лежащей в плоскости, проходящей через сателлитный вал перпендикулярно выходному валу, а штыри 18 сателлитной шестерни и противовес проворачиваются в шатуне, а сам шатун является балансировочным грузом. Оптимальный угол между осями штырей 18 и стержнями 29 в плоскости сателлитной шестерни составляет 90^о.

Сущность изобретения: каждый механизм качания лопастей снабжен кольцеобразным грузом, установленным в корпусе с возможностью вращения относительно оси вращения лопастей. Лопасти жестко соединены с ведущей вилкой, в подшипниках которой на оси, перпендикулярной оси вращения лопастей, установлен промежуточный элемент с возможностью вращения относительно наклонного участка сателлитного вала, выполненного в виде косого кривошипа. На одном конце сателлитного вала закреплена сателлитная шестерня, а на другом - противовес. Шестерня и противовес снабжены штырями, оси которых проходят через точку пересечения осей сателлитного вала и лопастей, входящими в прорезь груза. Прорезь расположена в плоскости, проходящей через ось вращения лопастей. Валы отбора мощности соединены между собой муфтой и образуют выходной вал. Оси сателлитной и неподвижной шестерен расположены в одной плоскости с обеспечением возможности противоположного вращения сателлитных валов. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Объемная машина, содержащая корпус, две пары лопастей с боковыми крышками и центральными втулками, размещенные в корпусе с образованием рабочих камер и кинематически связанные с выходным валом посредством механизмов качания лопастей, каждый из которых включает сателлитный вал с сателлитной шестерней, установленный в подшипниках, закрепленных на валу с осью вращения, перпендикулярной к этому валу, при этом на корпусе закреплена неподвижная шестерня, отличающаяся тем, что каждый механизм качания лопастей снабжен кольцеобразным грузом, установленным в корпусе с возможностью вращения относительно оси вращения лопастей, последние жестко соединены с ведущей вилкой, в подшипниках которой на оси, перпендикулярной к оси вращения лопастей, установлен промежуточный элемент с возможностью вращения относительно наклонного участка сателлитного вала, выполненного в виде косого кривошипа, на одном конце сателлитного вала закреплена сателлитная шестерня, а на другом - противовес, при этом сателлитная шестерня и противовес снабжены штырями, оси которых проходят через точку пересечения осей сателлитного вала и лопастей и входящими в прорезь кольцеобразного балансировочного груза, расположенную в плоскости, проходящей через ось вращения лопастей, а валы отбора мощности соединены между собой посредством муфты и образуют выходной вал, причем оси сателлитной и неподвижной шестерен расположены в одной плоскости с обеспечением возможности противоположного вращения сателлитных валов. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что ведущая вилка лопастей посредством сферического шатуна шарнирно соединена со штырями сателлитной шестерни и противовеса, при этом в прорези кольцеобразного балансировочного груза размещены пальцы, закрепленные на штырях сателлитной шестерни и противовеса посредством малых кронштейнов. 3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что ведущая вилка лопастей выполнена в виде кронштейнов с прорезями, расположенными в плоскости, проходящей через ось лопастей, при этом в прорези с возможностью скольжения и проворачивания размещены штыри сателлитной шестерни и противовеса. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный элемент закреплен на подшипнике, наклонно установленном на сателлитном валу. 5. Машина по п.4, отличающаяся тем, что на кольцеобразном грузе закреплены цилиндрические выступы, шарнирно соединенные со штырями сателлитной шестерни и противовеса посредством дополнительного сферического шатуна. 6. Машина по п.5, отличающаяся тем, что кольцеобразный балансировочный груз выполнен в виде наружного сферического шатуна, шарнирно соединенного со штырями сателлитной шестерни и противовеса, при этом на шатуне закреплены стержни с возможностью скольжения и проворачивания в направляющей корпуса в плоскости, проходящей через ось сателлитного вала перпендикулярно к оси выходного вала.