РОТОРНАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК F01C1/73 F02B55/02 

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано в качестве двигателей внутреннего сгорания, пневмо- и гидродвигателей, расширительных машин - детандеров, компрессоров, насосов.

По кинематической структуре машина относится к классу роторных машин с качающимися рабочими органами, в частности с лопастными поршнями, связанными с выходным валом зубчатым механизмом.

Известен двигатель внутреннего сгорания (RU, пат. №2080453, F 01 C 9/00, F 02 B 53/00 за 1997 г.), содержащий корпус, лопастные поршни, соосно размещенные в полости корпуса на двух ступицах, и механизм, соединяющий ступицы с выходным валом и состоящий из коаксиально расположенных валов рычагов, шатунов, кривошипов, связанных с шестернями и центральной шестерней, сцепленной с двумя шестернями и закрепленной на выходном валу. В известном двигателе для взаимной синхронизации движения лопастных поршней и связи с выходным валом использован кривошипно-шатунный механизм в сочетании с зубчатым зацеплением.

Основным недостатком данной конструкции является наличие кривошипно-шатунных связей, не позволяющих развивать высокие скорости рабочих органов, которые являются качественными показателями роторных машин.

Известна объемная машина (RU, пат. №2084641, F 01 C 9/00, F 03 C 4/00 за 1997 г.), содержащая цилиндрический корпус с крышками, втулки с лопастями, установленные внутри корпуса с образованием рабочих камер, с возможностью вращения и кинематически связанные с выходным валом посредством механизма синхронизации, включающего тяги, саттелит с жесткозакрепленными кривошипами, солнечное колесо, связанное с крышкой, водило, жестко соединенное с выходным валом.

В данном изобретении в сочетании с зубчатым механизмом использованы элементы связи, такие как тяги, кривошипы, водило, которые ограничивают возможности данные роторной машины по увеличению скорости движения рабочих органов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является роторный двигатель Трояна (RU, пат. №2131983, F 02 B 53/00, F 01 C 1/077 за 1999 г.), содержащий полый разъемный корпус с торцевыми крышками, в полости которого размещены с возможностью взаимного смещения лопастные поршни, кинематически связанные с валом зубчатым механизмом с возможностью передачи усилия от вала к поршню через промежуточную шестерню с неподвижной осью при этом, при движении одного из поршней кинематическая связь другого поршня с валом разомкнута, на валу жестко закреплен маховик, а корпус содержит фиксаторы поршней.

Недостатком данной конструкции является ее динамическая неуравновешенность в результате действия импульсивно-ударных газовых и инерционных сил, возникающих при остановках поршней, что отрицательно влияет на прочность и надежность деталей конструкции. При данной схеме движения, когда один из поршней периодически фиксируется относительно корпуса, выполняя в этот момент роль опорной стенки для образования камеры сгорания, а кинематическая связь его с валом прерывается, вращение вала не является равномерным. Уравновешивание двигателя возможно как при увеличении количества ободов с лопастными поршнями и промежуточных шестерен, но это приведет к усложнению конструкции, так и за счет снижения скорости движения поршней и возможно за счет увеличения массы маховика.

Предлагаемым изобретением решаются задачи снижения массогабаритных параметров машины, благодаря тому, что рабочие процессы происходят с двух сторон поршня, уравновешивания в зубчатом механизме инерционных сил, возникающих на поршнях, благодаря симметричности этих сил по величине и направлению и, в связи с этим, снижения массы маховика, повышения надежности машины, достижения высокой равномерности вращения вала за счет уравновешивания тангенциальных составляющих инерционных сил и повышения передаваемого на вал крутящего момента за счет преобразования знакопеременных моментов, возникающих в рабочих полостях при качательном движении поршней в однонаправленное на валу машины.

Для достижения указанного технического результата в роторной объемной машине, содержащей полый разъемный корпус с торцевыми крышками, в полости которого соосно размещены с возможностью взаимного смещения лопастные поршни, каждый из которых выполнен как минимум с одной лопастью, и которые кинематически связаны с валом зубчатым механизмом, с возможностью периодического размыкания кинематической связи, маховик, жестко связанный с валом, внутренние и наружные поверхности вращения маховика снабжены рядами зубчатых секторов, при этом зубчатые секторы каждого ряда равномерно расположены по окружности с одинаковым угловым шагом, а зубчатый механизм выполнен по крайней мере в виде двух шестерен, образующих пару, соединенных с одним поршнем, причем каждая из шестерен пары находится в зацеплении с зубчатыми секторами одного из рядов, а зубчатые секторы рядов смещены в окружном направлении относительно друг друга на величину углового шага.

Кроме того, по крайней мере, одна пара шестерен соединена с одним из соосно расположенных поршней посредством синхронизирующей зубчатой передачи.

Отличительными признаками предлагаемой роторной объемной машины от указанной вышеизвестной являются наличие на внутренних и наружных поверхностях вращения маховика, рядов зубчатых секторов, при этом зубчатые секторы каждого ряда равномерно расположены по окружности с одинаковым угловым шагом, выполнение зубчатого механизма по крайней мере, в виде двух шестерен, образующих пару, и соединение их с одним поршнем, причем каждая из шестерен пары находится в зацеплении с зубчатыми секторами одного из рядов, смещением зубчатых секторов рядов в окружном направлении относительно друг друга на величину углового шага, а также соединение по крайней мере одной пары шестерен с одним из соосно расположенных поршней посредством синхронизирующей зубчатой передачи.

Такое выполнение конструкции машины дает возможность снизить массогабаритные параметры машины, уравновесить в зубчатом механизме инерционные силы, действующие на поршни, повысить надежность машины и достигнуть высокой равномерности вращения вала, повысить величину передаваемого на вал крутящего момента.

Предлагаемая роторная объемная машина может конкурировать, например в качестве двигателя с другими типами роторных объемных машин по массогабаритным параметрам, по надежности и по удельным показателям мощности и крутящего момента.

Предлагаемая роторная объемная машина иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 показан продольный разрез роторной объемной машины по линии А-А на фиг.2;

на фиг.2 - поперечный разрез по линии Б-Б на фиг.1;

на фиг.3 - поперечный разрез по линии В-В на фиг.1;

на фиг.4 - схема кинематической связи одного поршня с валом посредством одной пары шестерен;

на фиг.5 - схема кинематической связи двух соосно расположенных поршней с валом посредством двух пар шестерен;

на фиг.6 - схема кинематической связи двух соосно расположенных поршней с валом посредством двух пар шестерен, одна из которых соединена с поршнем через синхронизирующую зубчатую передачу;

на фиг.7 - схема кинематической связи двух соосно расположенных поршней с валом посредством двух пар шестерен, каждая из которых соединена с поршнем через синхронизирующую зубчатую передачу.

Роторная объемная машина содержит корпус 1 (фиг.1), крышки 2 и 3, лопастные поршни 4 и 5 (фиг.1, 2), соосно размещенные в полости корпуса 1 с возможностью взаимного смещения при их качательном движении вокруг оси вращения. Лопастные поршни 4 и 5 установлены на подшипниках 6 и 7 (фиг.1), которые закреплены на корпусе 1 и крышке 3, а также центрируются относительно друг друга на подшипниках 8 и 9 (фиг.1, 2). Лопастные поршни 4 и 5 кинематически связаны с валом 10 (фиг.1), зубчатым механизмом, выполненным в виде двух шестерен 11 и 12 (фиг.1, 3), образующих пару, соединенных с поршнем 4 и двух шестерен 13 и 14 (фиг.1), также образующих пару и соединенных с поршнем 5. Каждая шестерня 11, 12, 13 и 14 находится в зацеплении соответственно с зубчатыми секторами одного из рядов 16, 17, 18 и 19 и имеют одинаковые передаточные отношения. Так, шестерни 11 и 12 пары находятся в зацеплении соответственно с зубчатыми секторами рядов 16 и 17, образуя внутреннее зацепление 20 и внешнее зацепление 21, а шестерни 13 и 14 пары находятся в зацеплении соответственно с зубчатыми секторами рядов 18 и 19, образуя внешнее зацепление 22 и внутреннее зацепление 23. Зубчатые секторы каждого ряда 16, 17, 18 и 19 равномерно расположены по окружности на внутренних и наружных поверхностях вращения, выполненных во внутренней полости маховика 15, с одинаковым угловым шагом (фиг.3). При этом зубчатые секторы рядов 16 и 17, а также 18 и 19 смещены каждые в окружном направлении относительно друг друга на величину углового шага. Внутренние и наружные поверхности вращения маховика 15, на которых расположены ряды зубчатых секторов 16, 17, 18 и 19, могут быть выполнены цилиндрическими или коническими. Поршень 4 (фиг.1, 2) представляет собой ступицу, на которой закреплены две лопасти 25, расположенные диаметрально противоположно. На хвостовике поршня 4 закреплена пара шестерен 11 и 12, а во внутренней расточке поршня 4 установлены жестко подшипники 8 и 9. Поршень 5 представляет собой вал с диском 24 и накладкой 26, между которыми закреплены две диаметрально противоположные лопасти 27. Лопасти 25 и 27 поршней 4 и 5 при сборе их в корпусе 1, входят друг в друга и образуют между лопастями четыре замкнутые рабочие полости 28 и 29, расположенные попарно и диаметрально противоположно. Количество лопастей и соответственно рабочих камер может быть больше или меньше двух, а лопасти могут быть выполнены различной формы, отличной от указанных на фиг.1 и 2. Маховик 15, выполняющий в сочетании с шестернями 11, 12, 13 и 14, функции зубчатого механизма, представляет собой единый узел с выходным валом 10 и установлен на подшипниках 30 и 31. Для защиты подшипников 30 и 7 от воздействия внешней среды установлены крышки 32 и 33. Газораспределительные элементы, а также уплотнения лопастей на чертежах не показаны.

На фиг.4-7 схематично показаны различные исполнения кинематических связей поршней с валом 10.

Однопоршневая машина с одним поршнем 34 с одной парой шестерен 35 (фиг.4) проста по конструкции, но при этом имеет в сравнении с другими схемами машин, представленными на фиг.5, 6 и 7, недостаток, заключающийся в неуравновешенности инерционных сил и моментов, действующих в окружном направлении, которая может найти применение, например в качестве тихоходного двигателя для привода режущего инструмента в буровых станках и других тихоходных устройствах, где требуется большие крутящие моменты на валу и низкие скорости вращения.

Двухпоршневая машина с двумя соосными поршнями 4 и 5 и с двумя парами шестерен 11, 12 и 13, 14 (фиг.5) представлена в описании и иллюстрирована на фиг.1, 2 и 3.

Двухпоршневые машины с двумя соосными поршнями 4 и 5 и с двумя парами шестерен 35 и 36 и с синхронизирующими зубчатыми передачами 37 и 38 (фиг.6, 7) могут передавать на вал высокие значения крутящих моментов. Кроме того, машина с двумя парами синхронизирующих зубчатых передач 37 и 38 (фиг.7) дает возможность выполнить конструкцию машины с соосным расположением маховика 15 и поршней 4 и 5, что уменьшает диаметральные размеры машины, а синхронизирующие зубчатые передачи могут выполнять функции дополнительной повышающей или понижающей ступени передач.

Роторная объемная машина работает следующим образом.

При качательном движении каждого из поршней 4 и 5 на угол, равный α (фиг.2), замкнутые рабочие полости 28 и 29 изменяют свой объем. При этом в каждых диаметрально расположенных рабочих полостях 28 и 29 происходят одинаковые термодинамические циклы. Крутящие моменты, возникающие от действия газовых сил, например в двигателях, передаются от поршней 4 и 5 на вал 10 следующим образом.

При повороте поршня 4, например по часовой стрелке, шестерня 12 вступает в контакт с зубчатым сектором ряда 17 (фиг.1, 2) и будет передавать крутящий момент через зубья внутреннего зацепления 20 маховику 15 и валу 10 по часовой стрелке. В это же время, шестерня 11, также вращаясь по часовой стрелке, не имеет контакта с зубчатым сектором ряда 16, находясь в зоне между зубчатыми секторами. При повороте поршня 4 в одну сторону на угол, равный α в крайнее свое положение (фиг.2, 3), шестерня 12 повернет маховик 15 на угол, равный α/i, где i является передаточным отношением зубчатого механизма, и зубья внутреннего зацепления 20 (фиг.3) выйдут из контакта, разрывая кинематическую связь. В тот же момент, шестерня 11 вступит в контакт с зубчатым сектором ряда 16, который при повороте маховика 15 подойдет к зубьям шестерни 11 и при повороте поршня 4 в обратном направлении, против часовой стрелки, крутящий момент будет передаваться маховику 15, валу 10 через зубья внешнего зацепления 21, продолжая их вращение по часовой стрелке (фиг.1, 3).

Таким образом, при качательном движении поршня 4, вращение маховика 15 и вала 10 будет происходить в одном направлении, воспринимая крутящий момент, возникающий на поршне 4, поочередно через зацепления 20 и 21. Внутреннее и внешнее зацепления выполнены с учетом безразрывного плавного перехода одного зацепления в другое при смене направления движения поршня 4.

Таким же образом происходит передача крутящего момента маховику 15 и валу 10 от поршня 5, который совершает качательное движение в противофазе движению поршня 4. При этом передача крутящего момента поочередно происходит через внешнее зацепление 22 (фиг.1) от шестерни 13 к зубчатым секторам ряда 18 и через внутреннее зацепление 23 от шестерни 14 к зубчатым секторам ряда 19. Для синхронной передачи крутящих моментов от поршня 4 и поршня 5 к валу 10, зубчатые секторы рядов 16 и 17, а также рядов 18 и 19 смещены каждые в окружном направлении, относительно друг друга на величину углового шага, равного α/i.

В связи с этим, при одновременном движении поршней 4 и 5 в противоположных направлениях, происходит передача крутящих моментов маховику 15 и валу 10 в одном направлении от обоих поршней 4 и 5.

При этом крутящие моменты передаются от обоих поршней 4 и 5 одновременно через внутреннее 20 и внешнее 22 зацепления, а затем при смене направления движения поршней 4 и 5 также одновременно, через внешнее 21 и внутреннее 23 зацепления. При движении поршней 4 и 5 из одного крайнего положения в другое, на каждом из них возникают переменные инерционные силы, которые уравновешиваются в зубчатом механизме в связи с тем, что движение поршней 4 и 5 происходит в противофазе относительно друг друга, а инерционные силы являются симметричными, т.е. в любой момент времени эти силы равны между собой по величине и противоположны по направлению. Газовые силы, возникающие в диаметрально противоположных рабочих полостях 28 и 29 и действующие на поршни 4 и 5 в радиальном и осевых направлениях, уравновешаны относительно друг друга, в связи с чем подшипники машины несут незначительные нагрузки. Окружные составляющие газовых сил создают крутящие моменты.

Роторная объемная машина с синхронизирующей зубчатой передачей, соединяющей по крайней мере одну пару шестерен с одним из соосно расположенных поршней по принципу действия и кинематическим связям в зубчатом механизме не отличаются от описанной выше.

В исполнении машины, показанной на фиг.6., передаточное отношение в синхронизирующей зубчатой передаче равно единице. Передаточные отношения в синхронизирующих зубчатых передачах машины, показанной на фиг.7, равны между собой и могут иметь значения больше и меньше единицы.

Таким образом предлагаемая роторная объемная машина с указанными преимуществами по сравнению с прототипом и с другими известными роторными машинами, например двигателями, позволяет создать надежный, малогабаритный уравновешенный двигатель с возможностью передачи от поршней к валу значительных крутящих моментов. При этом зубчатый механизм выполняет функцию преобразователя знакопеременного качательного движения поршней в однонаправленное вращательное движение вала с одновременным выполнением функции коробки передач, которая может быть выполнена как в качестве редуктора, так и в качестве мультипликатора при сохранении изложенного принципа преобразования движения поршней.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение удельных массогабаритных параметров машины. Сущность изобретения заключается в том, что машина содержит размещенные соосно в полости корпуса лопастные поршни, связанные с возможностью периодического зацепления с валом, на котором закреплен маховик. Согласно изобретению поверхности вращения маховика снабжены рядами зубчатых секторов внутреннего и внешнего зацепления. При этом зубчатые секторы каждого ряда равномерно расположены по окружности с одинаковым угловым шагом, а зубчатый механизм выполнен, по крайней мере, в виде двух шестерен, образующих пару, соединенных с одним поршнем. Одна из шестерен пары находится в зацеплении с зубчатыми секторами ряда внутреннего зацепления, а другая шестерня пары - с зубчатыми секторами ряда внешнего зацепления. Причем зубчатые секторы рядов смещены в окружном направлении друг относительно друга на величину углового шага. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторная объемная машина, содержащая полый разъемный корпус с торцевыми крышками, в полости которого соосно размещены с возможностью взаимного смещения лопастные поршни, каждый из которых выполнен как минимум с одной лопастью и которые кинематически связаны с валом зубчатым механизмом с возможностью периодического размыкания кинематической связи, и маховик, жестко связанный с валом, отличающаяся тем, что поверхности вращения маховика снабжены рядами зубчатых секторов внутреннего и внешнего зацепления, при этом зубчатые секторы каждого ряда равномерно расположены по окружности с одинаковым угловым шагом, а зубчатый механизм выполнен, по крайней мере, в виде двух шестерен, образующих пару, соединенных с одним поршнем, причем одна из шестерен пары находится в зацеплении с зубчатыми секторами ряда внутреннего зацепления, а другая шестерня пары - с зубчатыми секторами ряда внешнего зацепления, причем зубчатые секторы рядов смещены в окружном направлении относительно друг друга на величину углового шага.2. Роторная объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна пара шестерен соединена с одним из соосно расположенных поршней посредством синхронизирующей зубчатой передачи.