РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к роторно-поршневому двигателю внутреннего сгорания с находящимся внутри цилиндрического неподвижного корпуса равномерно вращающимся ротором с по меньшей мере четырьмя поршнями, обращенными от цилиндрической внешней стенки ротора внутрь практически радиально, с вращающейся неравномерно соосно ротору втулкой с по меньшей мере четырьмя поршнями, разнесенными друг от друга по втулке на одинаковые углы, выступающими радиально из втулки в промежутки между каждыми двумя ребрами ротора и совершающими относительно них колебательное движение, с по меньшей мере четырьмя проходящими в осевом направлении в поршнях ротора коленчатыми валами, приводимыми колебательными движениями поршней через шатуны во вращение, с ускоренными на коленчатых валах жестко по вращению зубчатыми колесами, которые находятся в зацеплении с зубчатым венцом с внутренними зубьями, упруго соединенными с корпусом.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания этого рода, в котором легкая и компактная конструкция достигается за счет того, что коленчатые валы пропущены насквозь через поршни ротора. Для устранения вибраций коленчатые валы должны быть расположены точно симметрично относительно оси вращения ротора. Таким образом, в двигателе с четырьмя поршнями должны быть предусмотрены четыре коленчатых вала. Коленчатые валы вращаются внутри ротора в подшипниках скольжения. Поэтому для компенсации отклонений размеров при изготовлении и сборке шатунов в механизме синхронизации имеется лишь малый люфт в коленчатых валах. Если отклонения размеров в одном или нескольких шатунах больше имеющегося люфта, то это ведет к неравномерным нагрузкам шатунов и к неравномерному ходу зубчатых колес, поэтому при большой мощности двигателя и повышенных оборотах велика опасность повреждения шестерен. Чтобы избежать этого, нагрузки воспринимаются упругим звеном, установленным между зубчатым венцом и корпусом. В качестве упругого звена в известных роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания служат вставленные в торцовые отверстия зубчатого венца упругие втулки для прохода болтов, которые выступающими над зубчатым венцом концами входят в отверстия крышки корпуса.

Однако исследования показали, что упругие втулки не выдерживают нагрузок, прежде всего в мощных двигателях с большими оборотами. Возникающие при этом повреждения втулок в большинстве случаев возникают под действием слишком высокого давления на поверхности. Причинами этому являются, во-первых, возникающие при работе четырех шестерен ударные нагрузки и, во-вторых, различное тепловое расширение крышки корпуса и зубчатого венца. Различное температурное расширение приводит при работе к постоянному сдавливанию втулок в радиальном направлении, на которое накладывается касательное ударное сжатие поверхностей.

В основе изобретения стоит задача повышения срока службы роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания путем его улучшения так, чтобы можно было в течение длительного времени в нем поглощать возникающие между зубчатым венцом и крышкой корпуса переменные нагрузки.

Для решения этой задачи по первому варианту изобретения предлагается, чтобы входящие в глухие отверстия крышки корпуса части соединительных болтов были покрыты резиноупругим материалом и чтобы выступающие за крышку корпуса части соединительных болтов плотно входили в торцовые отверстия зубчатого венца. За счет этого статически неопределимые нагрузки от более чем трех шатунов длительно воспринимаются упругим покрытием болтов в частях, входящих в глухие отверстия крышки корпуса. Дальнейшее улучшение в этом направлении получают, если выступающие из глухих отверстий крышки корпуса цилиндрические соединительные болты имеют больший диаметр в части, входящей в отверстия зубчатого венца. Резиноупругое покрытие при этом в ненагруженном состоянии при рабочей температуре должно плотно прилегать к дну и бокам глухого отверстия.

Резиноупругое покрытие выполняется несъемным с болта, предпочтительно вулканизируется на нем.

Чтобы уменьшить сжатие поверхностей под действием различного температурного расширения зубчатого венца и крышки корпуса предлагается диаметр по центрам глухих отверстий в крышке корпуса, предпочтительно выполняемой из легкого сплава, при комнатной температуре делать меньше, чем диаметр по центрам отверстий в зубчатом венце из закаленной стали. Целесообразно так выбирать эти диаметры, чтобы при рабочей температуре двигателя они становились равными.

Второй вариант предусматривает, что между поверхностями зубчатого венца и крышки корпуса, обращенными друг к другу, выполняется зазор, заполняемый перекрывающим этот зазор слоем демпфирующего нагрузки и вибрации материала резиноупругого типа. Выгодно противолежащие поверхности зубчатого венца и крышки корпуса выполнять в виде окружных или осевых зубьев на зубчатом венце и крышке. Демпфирующий слой при этом может быть выполнен из отдельных находящихся на расстоянии друг от друга участков или быть сплошным и простираться по своей окружной щели. Выгодно демпфирующий слой вулканизировать на обе металлические поверхности зубчатого венца и крышки корпуса.

Зубчатый венец фиксируется в окружном пазу крышки корпуса с помощью входящего в паз корпуса стопорного кольца, предпочтительно пружинного, препятствующего осевым перемещениям. При этом паз целесообразно выполняется шириной, вдвое большей толщины кольца.

На фиг. 1 и 2 изображен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, разрезы А-А и Б-Б соответственно; на фиг. 3 вариант роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, продольный разрез; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 3.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из неподвижного, предпочтительно выполненного из алюминия, корпуса 1, вращающегося внутри него с равномерной скоростью ротора 2, а также вращающейся в роторе с неравномерной скоростью втулки 3 с четырьмя выступающими радиально наружу крыльчатыми поршнями 4. Цилиндрическая внешняя стенка 5 ротора, снабженная всасывающими и выхлопными отверстиями 6, ограничивает вместе с двумя соединенными внешней стенкой 5 торцовыми боковыми частями 7 и 8 камеры 9 и 10 сгорания, объемы которых уменьшаются и увеличиваются за счет качательного движения поршней 4 между четырьмя обращенными внутрь поршнями 11 ротора, соединенными с внешней стенкой. Впрыскиваемое одновременно в две противоположные камеры сгорания через впускные отверстия 12 топливо за счет качательного движения между поршнем 4 и боковыми стенками 13 поршней 11 сжимается и поджигается двумя ввернутыми в стенку 14 корпуса запальными свечами 15. Уплотнительные кольца 16 или уплотнительные планки 17 уплотняют камеры 9 и 10 сгорания относительно корпуса 1, а также относительно друг друга.

Расширяющиеся газы сгорания гонят поршни 4 и поршни 11 друг от друга и выходят через выхлопные отверстия 18. Относительное движение между поршнями 4 и ротором 2 с помощью четырех шарнирно связанных с валиками 19 втулки 3 шатунов 20 передается на шейки кривошипов 21 четырех проходящих вдоль оси в поршнях 11 коленчатых валов 22 и приводит их во вращение. Зубчатые колеса 23 на концах коленчатых валов находятся в зацеплении с зубьями 24 зубчатого венца 25 с внутренними зубьями, который соединен с корпусом 1, и за счет вращения коленчатых валов ротор 2 приводится во вращение относительно корпуса 1. Движение ротора посредством стенки боковых частей 8 передается на вал 26 съема мощности, вращающийся в подшипниках 27 и 28 крышек 29 и 30 корпуса.

В соединенных внешней стенкой 5, а также расположенным по оси поршневым валом торцовых стенках боковых частей 7 и 8 ротора вращаются в подшипниках скольжения 31 и 32 коленчатые валы 22. На шейках кривошипов 21 коленчатых валов надеты большие головки 33 шатунов 20, в то время как малые головки 34 шатунов надеты на вставленные во втулку 3 валики 19. Втулка 3 со скольжением установлена на поршневом валу 35. Поршневой вал слегка сужается в направлении к шатунной стороне, так что в части 36 имеется увеличенный люфт в подшипнике по сравнению с частью 37. Чтобы можно было выбрать люфт, отверстие 38 в боковой части 7 имеет соответственно увеличенный размер относительно внешнего диаметра втулки в этой области. За счет увеличенного люфта в подшипнике втулка 3 в области шарнирного соединения шатунов 20 не имеет принудительной центровки. Его ось вращения определяется тремя из четырех шатунов 20 и при наличии отклонений в размерах при изготовлении или сборке она отклоняется на величину этих отклонений размеров от геометрической оси ротора. За счет четвертого шатуна ось вращения втулки 3 становится статически неопределимой. Отклонения размеров шатунов 20 могут приводить к неравномерным нагрузкам на шатуны, коленчатые валы 22 и зубчатые колеса 23 и, таким образом, на зубчатый венец 25 тоже. Чтобы принять и задемпфировать эти нагрузки, зубчатый венец 25 упруго соединен с крышкой 29 корпуса.

На фиг. 1 и 2 упругое соединение пpоизводится с помощью примерно сорока цилиндрических соединительных болтов 39 из стали, которые одним концом 40 входят в глухие отверстия 41 алюминиевой крышки 29 корпуса, а другим концом 42 входят в осевые отверстия 43 стального зубчатого венца 25. Части 40 болтов 39, входящие в глухие отверстия 41 крышки 29 корпуса, имеют увеличенный диаметр по сравнению с частями 42, плотно входящими в отверстия 43 зубчатого венца 25. Части 40, кроме того, имеют покрытие из резиноупругого материала 44, которое в ненапряженном состоянии плотно прилегает к стенкам и дну глухих отверстий 41, и в части толщины материала и твердости по Шору согласовано с нагрузками. Диаметр по центрам глухих отверстий 41 в крышке 29 корпуса при комнатной температуре выбран немного меньшим, чем диаметр по центрам отверстий 43 в зубчатом венце 25. За счет этого лишь в холодном состоянии двигателя имеет место сжатие упругого материала 44, в рабочем нагретом состоянии вследствие различия температурного коэффициента расширения крышки 29 корпуса и зубчатого венца 25 сжатие компенсируется и ненакладывается на переменные нагрузки в процессе работы двигателя.

По фиг. 3 и 4 зубчатый венец 25 имеет направленные наружу клиновые зубья 45 для крепления, которые входят с зазором во внутренние зубья 46 в крышке 29 картера корпуса, оставляя щель. В щель между наборами зубьев 45, 46 введен демпфирующий слой 47 из эластичного синтетического материала, обеспечивающий упругое соединение между зубчатым венцом 25 и крышкой 29 корпуса. В показанном на фиг.4 примере исполнения предусмотрен сплошной слой 47 демпфирующего материала по всей окружности, который при нагрузке выпучивается в осевом направлении. Однако возможно демпфирующий слой 47 выполнить с оставлением свободных мест в окружном направлении, так что вытесняемый при нагрузке матеpиал может выйти в оставленные свободные места. Демпфирующий слой при этом прежде всего должен иметь достаточную толщину по боковым стенкам зубьев, чтобы выбирать нагрузки на срез при толчках.

Вместо показанного на фиг. 3 и 4 окружного зубчатого исполнения в соединении может применяться не показанное исполнение с зубьями, выступающими из плоскости зубчатого венца 25 и крышки 29 корпуса, если резиноэластичный слой для демпфирования имеет достаточное сцепление в щели за счет вулканизации, при необходимости можно отказаться от зубцового соединения зубчатого венца 25 и крышки 29 корпуса.

Упругое пружинное стопорное кольцо 48 вставлено во вдвое более широкий паз 49 стенки 14 корпуса и опирается на внутреннюю поверхность 50 зубчатого венца 25 так, что венец 25 в осевом направлении удерживается от возможности перемещения, а между неподвижным зубчатым венцом 25 и боковой частью 8 ротора остается в осевом направлении зазор 51.

Для подвода охлаждающего и смазочного масла в обоих примерах исполнения служит осевая трубка 52 двигателя, из которой масло прямо проходит в подшипники 27 и 28 ротора, а также в подшипники 31 и 32 коленчатых валов. Через окружающий осевую трубку 52 кольцевой канал 53 масло попадает в расположенные в поршнях 4 охладительные каналы 54 и в расположенные в наружной стенке ротора 2 охладительные каналы 55. Масло при этом перекачивается выполненным в виде серповидного насоса шестеренчатым насосом 56.

Сущность изобретения: в роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания с колебательным движением поршней 4, которое посредством шатунов 20 передается на коленчатые валы 22 и зубчатые колеса 23, зубчатые колеса находятся в зацеплении с зубчатым венцом 25 корпуса с внутренними зубьями, за счет чего движение поршней преобразуется во вращательное движение ротора 2. Система из четырех шатунов 20 образует статическую неопределимость положения средней оси соединения поршней 4 и втулки. Чтобы устранить возникающие при этом нагрузки, между зубчатым венцом 25 и корпусом 1 предусмотрено упругое соединение. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный цилиндрический корпус с зубчатым венцом, имеющим внутренние зубья и сквозные торцевые отверстия, с крышкой, имеющей глухие отверстия, и с внутренней полостью, полый ротор, установленный в полости корпуса с возможностью равномерного вращения и имеющий на внутренней поверхности по меньшей мере четыре радиально расположенные лопасти, втулку с по меньшей мере четырьмя радиально выступающими поршнями, установленную в роторе, и механизм синхронизации движения ротора и втулки, кинематически связанный шатунами с коленчатыми валами и зубчатыми колесами, соединенными с последними жестко и кинематически с зубчатым венцом корпуса, и соединительные болты, причем поршни и лопасти на втулке и роторе установлены параллельно оси двигателя и размещены между собой в чередующемся порядке с возможностью совершения втулкой с поршнями относительно ротора колебательного движения, соединительные болты расположены в корпусе на заданном равном угловом расстоянии один от другого с возможностью размещения в торцевых отверстиях зубчатого венца и в глухих отверстиях крышки корпуса с возможностью упругого соединения зубчатого венца и крышки корпуса, отличающийся тем, что части соединительных болтов, входящие в глухие отверстия крышки корпуса, снабжены покрытием из резиноупругого материала, а их остальные части соединены с торцевыми отверстиями венца по плотной посадке. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что крышка корпуса выполнена из легкого сплава, зубчатый венец корпуса из стали, причем они связаны между собой нежестко через резиноупругое покрытие соединительных болтов, которые размещены в глухих отверстиях крышки корпуса с возможностью взаимного изменения радиального положения центров указанных отверстий относительно отверстий для соединительных болтов, выполненных в зубчатом венце. 3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что части соединительных болтов, входящие в глухие отверстия крышки корпуса, выполнены с диаметром, большим, чем части, входящие в отверстия зубчатого венца. 4. Двигатель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в крышке корпуса установлено по меньшей мере тридцать соединительных болтов, предпочтительно сорок, которые размещены в корпусе на одинаковом угловом расстоянии один от другого. 5. Двигатель по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что резиноупругое покрытие соединительных болтов соединено с ними неразрывно, предпочтительно навулканизировано на них. 6. Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный цилиндрический корпус с зубчатым венцом, имеющим внутренние зубья и сквозные торцевые отверстия, с крышкой, имеющей глухие отверстия, и с внутренней полостью, полый ротор с лопастями, установленный в полости корпуса с возможностью равномерного вращения, втулку, установленную в полости ротора с по меньшей мере четырьмя расположенными радиально поршнями, и механизм синхронизации движения ротора и втулки, кинематически связанный шатунами с коленчатыми валами и зубчатыми колесами, соединенными с последними жестко и кинематически с зубчатым венцом корпуса, причем на втулке и роторе поршни и лопасти размещены параллельно оси двигателя на равном угловом расстоянии в чередующемся порядке с возможностью совершения втулкой с поршнями относительно ротора колебательного движения, а зубчатый венец связан с корпусом упругой связью, отличающийся тем, что зубчатый венец корпуса снабжен по меньшей мере одним демпфирующим покрытием из резиноупругого материала в один слой, размещенным в щели между сопряженными поверхностями зубчатого венца и крышки корпуса с возможностью ее перекрытия и упругой связи венца и корпуса. 7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что сопряженные поверхности зубчатого венца и крышки корпуса выполнены зубчатыми с клиновидными зубьями, расположенными преимущественно радиально или аксиально. 8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что демпфирующее покрытие размещено в щели между зубчатым венцом и корпусом с возможностью перекрытия ее по всей длине или по всему объему. 9. Двигатель по одному из пп.6-8, отличающийся тем, что демпфирующий слой связан с зубчатым венцом и крышкой корпуса путем вулканизации. 10. Двигатель по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что корпус выполнен из алюминия. 11. Двигатель по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что втулка с лопастями установлена в роторе со стороны шатунов с технологическим зазором, превышающим допуск на установочные размеры шатунов. 12. Двигатель по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что двигатель снабжен поршневой осью, имеющей коническое сужение со стороны шатунов и установленной коаксиально втулке, которая размещена на оси с возможностью вращения. 13. Двигатель по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что зубчатый венец снабжен стопорным кольцом, установленным в окружном внутреннем пазу корпуса с возможностью фиксирования зубчатого венца от осевых перемещений. 14. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что окружной паз имеет ширину, вдвое большую, чем ширина стопорного кольца.