Роторный двигатель Советский патент 1992 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям с вращающимися поршнями типа лопастей, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства в качестве стационарных двигателей или приводов машин, генераторов, транспортных средств.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с полостью в виде прямого круглого цилиндра, две пары поршней, установленных на двух соос- ных валах, соединенных между собой и корпусом с помощью втулки со спиральным и осевым пазами, при этом на валах установлены пальцы для взаимодействия с пазами, храповые колеса и собачки. Втулка с пазами установлена на первом валу и дважды совершает возвратно-поступательное движение за один оборот этого вала. Втулка удерживается с двух сторон прижимными элементами, содержащими коромысло, пружину и кулачковый диск. Храповые колеса и собачки предназначены для предотвращения проворачивания вала в обратную сторону. Палец установлен на втором валу и взаимодействует со спиральным пазом втулки, установленной на первом валу. В результате изменяется угловое соотношение между первым и вторым валами, а следовательно, между лопатками. Таким образом обеспечивается последовательное чередование открытых и закрытых состояний промежутков между первыми и вторыми лопатками, где осуществляется впуск, сжатие, зажигание и выпуск отработанных

Х|

4 OD О) СА) 4

газов. Выходную мощность получают с первого вала.

В известном двигателе существенным недостатком является тот факт, что при вращении вала относительно втулки палец будет работать на подрезание, что может привести к преждевременному выходу из строя двигателя.

Известен также двигатель с вращающимися поршнями, который содержит корпус с полостью в виде прямого круглого сечения и с впускными и выпускными отверстиями, две пары поршней консольно установлены на дисках соосно с центральным валом, а диски соединены с валом с помощью цилиндрических и эллиптических зубчатых колес и двух вспомогательных валов. При этом поршни установлены попарно на дисках с возможностью поворота одной пары поршней относительно другой в цилиндрической полости на концентричной цилиндру и дискам оси, выходной и вспомогательный валы вращаются каждый на своей неподвижной оси, на каждом из них по обе стороны от поршней установлены концентрично цилиндрические и эксцентрично-эллиптические колеса (шестерни). Зубчатые колеса находятся в постоянном зацеплении, соединяя каждую пару поршней с общим валом таким образом, что неравномерное продвижение, в порядке очередности, поршней вокруг оси вращения преобразовывается в постоянную скорость вращения выходного вала.

Конструкция двигателя предполагает использование сложных в изготовлении эксцентричных эллиптических зубчатых колес, которые быстро выходят из строя, так как схема их соединения с партиями предполагает воздействие на них больших импульсных усилий.

Наиболее близким к предложенному является роторный двигатель, содержащий корпус с цилиндрической полостью, в которой выполнены две профилированные поверхности, две пары поршней, выполненных в виде радиальных лопастей, размещенных в полости корпуса, составной вал и кинематически связанный с ним ротор, состоящий из двух уплотнительных дисков, жестко связанных с одной парой поршней, и кинематически - с другой, и двух шарнирных замкнутых четырехзвенных-ме- ханизмов, кинематически связанных промежуточным звеном с составным валом и расположенных с возможностью взаимодействия с профилированными поверхностями.

Конструкция описанного двигателя чрезвычайно сложна. Так, усилия взаимодействия двигателя рабочих газов, поршней, корпуса четырехзвенных замкнутых шарнирных механизмов осуществляются с помощью деталей сложной формы: звеньев

четырехзвенного механизма, имеющих сложные шарнирные и шлицевые соединения, шлицевого составного вала, сухариков и др. Кроме того, все детали двигателя соединены в один сложный блок, что исключает

0 возможность отладки более простых автономных блоков, усложняет сборку и ремонт двигателя, снижает надежность его эксплу- - атации.

Цель изобретения - упрощение конст5 рукции, повышение ее надежности и технологичности.

Цель достигается тем, что в известном роторном двигателе, содержащем корпус с цилиндрической полостью, в которой вы0 полнены две профилированные поверхности, две пары поршней, выполненных в виде радиальных лопастей, размещенных в полости корпуса, составной вал и кинетически связанный с ним ротор, состоящий из двух

5 уплотнительных дисков, жестко связанных с одной парой поршней и кинематически - с другой, и двух шарнирных замкнутых четырехзвенных механизмов, кинематически связанных промежуточным звеном с состав0 ным валом и расположенных с возможностью взаимодействия с профилированными поверхностями, согласно изобретению, корпус выполнен в виде единой детали, составной вал состоит из трех частей, одна из

5 которых выполнена в виде центральной оси. а две другие выполнены в виде ступенчатых втулок и расположенных по концам первой детали и имеющих радиальные отверстия на цилиндрической поверхности большого ди0 аметра, в полости которой расположены шарнирные замкнутые четырехзвенные механизмы, кинетически связанные, причем промежуточные звенья жестко установлены на центральной оси, с которой жестко свя5 заны поршни, кинематически связанные с дисками.

Такое выполнение средств соединения составного вала с поршнями и корпусом позволяет упростить кинематическую схему

0 передачи усилий с поршнем на выходной вал, уменьшить контактные нагрузки на трущиеся детали и упростить их форму, а следовательно, выполнить их с большой точностью.

5 Кроме того, предлагаемая схема соединения деталей двигателя предполагает предварительное соединение деталей в более простые автономные узлы и последующую сборку отлаженных узлов, что упрощает монтаж двигателя, повышает его

надежность, технологичность и ремонтос- пособность.

В частности, окончательная сборка состоит из соединения двух основных деталей: ротора и корпуса.-

На фиг.1 представлен общий вид двигателя, продольный разрез; на фиг.2 - схемы относительного размещения поршней в положении Рабочий на фиг.З - схема расположения четырехзвенного шарнирно- го механизма в положении Рабочий на фиг.4 - схема относительного размещения поршней в положении Мертвая точка ; на фиг.5 - схема расположения четырехзвенного механизма в положении Мертвая точка.

Двигатель содержит корпус 1 с цилиндрической внутренней полостью 2, внутри ко- торой установлен с возможностью вращения ротор 3. На торцовой части корпуса 1 имеется внутренний кулачок 4, который может быть выполнен за одно целое с корпусом 1. Ротор 3 содержит составной вал 5. Составной вал 5 состоит из трех частей, одна из которых выполнена в виде центральной оси б, а две другие выполнены в виде ступенчатых втулок 7 и 8, расположенных на концах первой детали. На внутренних концах ступенчатых втулок 7 и 8 имеются жестко скрепленные с ними диски 9. На центральной оси 6 жестко установлена первая пара поршней 10 и 11. Вторая пара поршней 12 и 13 с помощью болтов 14 жестко укреплена соосно составному валу 5 между дисками 9, которые могут быть выполнены за одно целое со ступенчатыми втулками 7 и 8. Четырехзвенный шарнирный механизм 15, в вершинах которого имеются опорные ролики 16, вращающиеся на оси 17 шарнирного соединения, установлен внутри кулачка 4 таким образом, чтобы опорные ролики 16 входили в контакт с его поверхностью. Середины первой пары 18 противоположных звеньев шарнирного ме- ханизма 15 шарнирно соединены с центральной осью 6 с помощью дополнительного звена 19, которое может быть выполнено за одно целое с центральной осью 6. Дополнительное звено 19 шар- нирно соединено со срединой звеньев 18 с помощью пальцев 20, Середины второй пары 21 противоположных звеньев шарнирно соединены с помощью пальцев 22 с составным валом 5. В приведенном примере вы- полнения двигателя пары звеньев 18 и 19 выполнены попарно, а ролики 16укреплены на осях 20 между звеньями.

В ступенчатых втулках 7 и 8 выполнены по числу опорных роликов 16 отверстия 23, а в корпусе 1 выполнены окна 24 и 25 для

впуска и выпуска рабочей смеси. Корпус 1 (после сборки) закрывается с двух сторон крышками 26 и 27, одна из которых может быть выполнена цельной, а другая - с отверстием для вывода составного вала 5.

Заявленный двигатель работает следующим образом. Поршни 10-13 цилиндрической полости 2 осуществляют такое движение, которое приводит к образованию камер между лопастями, объем которых постоянно меняется. Это обеспечивается тем, что движение обеих пар поршней непрерывно ускоряется или замедляется относительно друг друга. Термодинамические циклы протекают следующим образом. На фиг.4 камеры обозначены 28-31.

В камере 28, образованной полостью 2 и поршнями 11 и 13, в положении на фиг,4 начинается, а на фиг.2 продолжается процесс всасывания рабочей смеси через окно 24. В камере 29, образованной полостью 2 и поршнями 11 и 12, на фиг.4 начинается, а на фиг.2 продолжается процесс сжатия. В камере 30, образованной полостью 2 и поршнями 10 и 12, на фиг.4 начинается, а на фиг.2 продолжается процесс сгорания и расширения рабочей смеси. В случае карбюраторного выполнения зажигание в камере происходит от свечи, в случае дизельного исполнения зажигание происходит в результате высокой степени сжатия воздуха, а следовательно, существенного погашения его температуры и впрыскивания в камеру 30 топлива. В камере 31, образованной полостью 2 и поршнями 10 и 14, на фиг.4 начинается, а на фиг.2 продолжается процесс выхода продуктов сгорания через окно 25.

Вращающий момент на составной вал 5 передается следующим образом. Когда в камере 30 происходит процесс сгорания рабочей смеси, в результате чего давление газов значительно возрастает, что создает усилие на поршень 10 и 12. и, в свою очередь, вызывает увеличение камеры 30 и увеличение угла поворота поршней 10 и 11 относительно поршней 12 и 13. Поскольку поршни 10 и 11 и дополнительное звено 19 с пальцами 20 жестко закреплены на центральной оси 6, а поршни 12 и 13 и пальцы 22 жестко закреплены на ступенчатых втулках, 8 вала 5, то усилия от поршней 10 и 12 передаются на пальцы 20 и 22, которые шарнирно соединены со звеньями 18 и 21, и на ось 17 и ролики 16, которые катятся по поверхности кулачка 4. При качении роликов 16 по поверхности кулачка 4 происходит изменение угла поворота между парами звеньев 18 и 21 шарнирного механизма 15

и он из положения Мертвая точка (фиг.5) переходит в положение Рабочий ход (фиг.З). При переходе шарнирного механизма 15 из одного положения (фиг.5) в другое положение (фиг.З) ролики 16 катятся по наклонной поверхности и их усилие на поверхность кулачка 4 направлено под углом, что создает вращающий момент, который передается на ротор 3, а следовательно, на составной вал 5, Вращающий момент создается в результате противодействия кулачка 4 на ролики 16, и его величина (см.фиг.З) будет равна произведению величины усилия Р кулачка 4 на плечо I.

Ролики 16 взаимодействуют с кулачком 4 через отверстия 23, выполненные в составном валу 5, и частично выступают за его пределы.

При вращении ротора 3 ролики 16 катятся по рабочей поверхности кулачка 4, при этом угол поворота центральной оси 6 относительного составного вала 5 будет периодически меняться, достигая экстремального значения через каждые четверть оборота составного вала. Так как кулачок 4 жестко закреплен относительно корпуса, то экстремумы относительного угла между поршнями фиксированы относительно корпуса, что обеспечивает осуществление процессов выпуска, сжатия, сгорания, расширения и впуска в фиксированных относительно корпуса 1 местах.

Таким образом, усилия расширяющихся газов посредством шарнирного механизма 15, роликов 16 и кулачка 4 преобразуются во вращательный момент составного вала 5 относительно корпуса 1.

Так как поршни 12 и 13 жестко закреплены на ступенчатых втулках 7, 8,то скорость их вращения одинакова и постоянна, центральная ось 7, жестко связанные с ней поршни 10 и 11 вращаются по отношению к ступенчатым втулкам 7, 8 с переменной скоростью, что обеспечивает увеличение или уменьшение камер 28-31 между поршнями. Образующая внутреннего кулачка 4 может быть выполнена по следующей параметрической зависимости радиуса кулачка рот угла поворота р (см.фиг.З):

р - Ч + arcsin-Ј- sin Ч7:

cos2 + (sin p +у)2 , где

p а1Г+Рсоз У;ф arctg ;

а,р,у- постоянные параметры, зависящие от размеров и соотношений четырех- звенного механизма и кулачка;

ХР- переменный параметр параметрической зависимости р от р в виде: р -fiCP): (4/).

Поскольку основные силы, действую- 5 щие в двигателе, замыкаются на шарнирном механизме в кулачке, то они используются в качестве основных подшипников ротора, что также позволяет уменьшить габариты двигателя.

0 Существенным преимуществом заявляемого двигателя по сравнению с прототипом является то, что при небольших контактных нагрузках в деталях обеспечивается значительная выходная мощность.

5 Снижение контактных нагрузок в деталях двигателя обеспечивается упрощением схемы передачи усилий с поршней на составной вал, что обуславливает снижение механических потерь и повышение надеж0 ности работ. Поскольку все детали механизма связи просты по форме, это обеспечивает их выполнение с большой точностью и улучшает технологичность изготовления двигателя.

5 Упрощается ремонт двигателя, в частности замена наиболее изнашиваемых деталей, уплотнений и роликов, может быть осуществлена без разборки всего ротора. Уплотнения просто вынимаются из пазов и

0 вставляются в них новые.

Формула изобретения

Роторный двигатель, содержащий кор5 пус с цилиндрической полостью, в которой выполнены две профилированные поверхности, две пары поршней, выполненных в виде радиальных лопастей, размещенных в полости корпуса, составной выходной вал и

0 кинематически связанный с ним ротор, состоящий из двух уплотнительных дисков, жестко связанных с одной парой поршней, и кинематически - с другой, и двух шарнирных замкнутых четырехзвенных механиз5 мов, кинематически связанных промежуточным звеном с выходным валом и расположенных с возможностью взаимодействия с профилированными поверхностями, отличающийся тем, что, с целью

0 упрощения конструкции и повышения ее надежности и технологичности, корпус выполнен в виде единой детали, составной вал состоит из трех частей, одна из которых выполнена в виде центральной оси, а две

5 другие выполнены в виде ступенчатых втулок, расположенных по концам первой детали и имеющих радиальные отверстия на цилиндрической поверхности большего диаметра, в полости которой расположены

шарнирные замкнутые четырехзвенные ной оси, с которой жестко связаны поршни, механизмы, причем промежуточные а поршни кинематически связаны с диска- звенья жестко установлены на централь- - ми.

Сущность изобретения: роторный двигатель содержит корпус с цилиндрической полостью и двумя профилированными поверхностями, две пары поршней в виде лопастей, составной выходной вал и кинематически связанный с ним ротор, состоящий из двух уплотнительных дисков. Ротор жестко связан с одной парой поршней и кинематически - с другой через два шарнирных замкнутых четырехзвенных механизма. Последние связаны через промежуточное звено с выходным звеном и расположены с возможностью взаимодействия с профилированными поверхностями. Корпус выполнен в виде единой детали, составной вал состоит из трех частей, одной центральной оси и двух ступенчатых втулок, расположенных по концам центральной оси. Ступенчатые втулки имеют радиальные отверстия на цилиндрической поверхности большего диаметра. В их полостях расположены шарнирные замкнутые четырехзвен- ные механизмы. Промежуточные звенья жестко установлены на центральной оси, с которой жестко связаны поршни, кинематически связанные с дисками. 5 ил.

26

П

13

Фиг.

30

лад я

Ш

Si si at

г /

и

м

и

и

8-8

ШШ

21 22 23

19 20 18

Фиг. 5

в- в

1 3 ft 5

17 16 Я