БЕСШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ
MECHANISM OF ROTARY PISTON MACHINE WITHOUT PISTON ROD

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании роторно-поршневых машин: бесклапанных насосов и компрессоров, двигателей внутреннего сгорания.
Конструкций роторно-поршневых машин разработано много. Наиболее из них известны машины, нашедшие реальное воплощение в металле, в них используются механизмы, разработанные Феликсом Ванкелем и Ральфом Саричем. Механизм, разработанный Ванкелем, был применен в двигателе внутреннего сгорания, патент на него автор получил еще в 1929 г. Японскими инженерами были разработаны и реально используются в настоящее время двигатели для автомобилей. Механизм, разработанный австралийским инженером Саричем в 1973 г., также нашел реальное воплощение в металле. Обе конструкции двигателей страдают очень трудноустранимыми недостатками, из них самая главная - это недолговечность уплотняющих элементов и некоторая трудность их смазки. Именно поиску лучшей конструкции уплотнения и материала трущегося элемента ротора и посвятил многие годы сам Ванкель и заинтересованные фирмы. Попытки разработать машину, которая бы совмещала в себе достоинства чисто поршневой машины, а также легкость и простоту конструкции роторных машин, пока не дали серьезных результатов.
Одной из таких попыток является разработанный изобретателем Володько В.Е. бесшатунный механизм роторно-поршщневой машины с вращающимся ротором, с двумя парами установленных в его корпусе и оппозитно распроложенных цилиндропоршневых пар, оси которых скрещиваются по углом 90° и перпендикулярны к его оси вращения, валом, ось вращения которого параллельна оси вращения ротора (RU 2030593 C1, 10.03.1995).
Механизм, примененный в этой машине, страдает серьезными недостатками:
1. Механизм не обладает достаточной жесткостью, поэтому при работе механизма могут возникнуть перекосы в зубчатом зацеплении, что может привести к заклиниванию и поломке механизма.
2. Дугообразные элементы с закрепленными на них цилиндрами, а также крестовина с закрепленными на ней поршнями, кроме вращения вокруг своей оси, совершают планетарное движение на расстоянии эксцентриситета вокруг центральной оси, это может привести к серьезным проблемам с балансировкой механизма и, как результат, к утяжелению машины.
3. Вращение вала, на котором закреплена крестовина и штоки поршней, происходит за счет давления стенок цилиндров на боковые поверхности поршней в насосном варианте и наоборот в двигательном варианте. В любом случае это приведет к дополнительному боковому трению между стенками цилиндров и боковой поверхностью поршней.
Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение надежности.
На фиг.1 изображена проекция продольного разреза по оси вращения ротора механизма; на фиг.2 - проекция поперечного разреза по оси цилиндра механизма; на фиг.3 - графическое построение, описывающее работу механизма, для одной цилиндровой пары.
В жесткой раме 1 установлены опоры 3 и 4 с подшипниковыми узлами 5 и 6. На подшипниках вращается ротор 2, ось симметрии ротора совпадает с его осью вращения. На корпусе ротора установлены две пары оппозитно расположенных цилиндров, оси которых скрещиваются под углом 90° (см. Фиг.1, 2). Оси цилиндров перпендикулярны к оси вращения ротора. Внутри ротора установлено жестко закрепленное зубчатое колесо 10, центр делительной окружности его совпадает с осью вращения ротора. С зубчатым колесом в постоянном зацеплении находится вал-шестерня 9, ось вращения его параллельна оси вращения ротора. Межцентровое расстояние между осями равно 1/4 диаметра делительной окружности колеса 10, отношение диаметра делительной окружности колеса 10 к диаметру делительной окружности вала-шестерни 9-2:1, т.е. количество зубьев колеса в два раза больше количества зубьев вала-шестерни. Вал вращается в подшипниках 11, 12, установленных в опорах 3 и 4, подшипниковые узлы закрыты щитами 13, 14. Вал-шестерня является коленчатым валом, коренная шейка которого является шестерней данного механизма, величина эксцентриситета кривошипов равна 1/2 диаметра делительной окружности шестерни. Кривошипные шейки коленчатого вала механизма имеют шарнирное соединение с центрами поршневых штоков 7, 8.
Работает механизм следующим образом. Синхронное движение поршней внутри цилиндров посредством поршневых штоков, имеющих шарнирное соединение с кривошипными шейками коленчатого вала, приводит его во вращение, шестерня, которая находится в постоянном зацеплении с колесом, приводит ротор во вращение. При движении поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки вал совершает полный оборот. Полный цикл происходит за два оборота коленчатого вала (Фиг.3).
Для правильного понимания возможности создания такого механизма необходимо рассмотреть теоретические основы работы данного механизма (см. Фиг.3):
OB - радиус делительной окружности вала-шестерни,
1
BB - длина штока вместе с поршнем одной цилиндровой пары,
α - угол между радиусом делительной окружности и осью X,
φ - угол поворота ротора при повороте кривошипа на угол α, т.е угол который образует ось, проходящую через центр поршневого штока и ось X,
1
О - центр делительной окружности ротора (точка, через которую проходит ось вращения ротора),
АВ - проекция радиуса делительной окружности вала-шестерни на ось Y,
1
ОВ - расстояние от центра делительной окружности колеса (центра вращения ротора),
AB=r·Sin{α),
1
Длина штока BB не может быть меньше диаметра делительной окружности колеса, т.к. это максимальный ход поршня.
1
1
1
1
OB=OB+BB,
Если принять k=1, т.е. длина штока вместе с поршнями равна диаметру длительной окружности колеса ротора, мы получим следующие уравнения, описывающие работу механизма (см. фиг.3):
Проверим, соответствуют ли полученные формулы графическому построению:
α=0, X=6·r, Y=0;
α=180°, X=0, Y=4·r;
α=360°, x=-2·R, Y=0;
α=720°, X=6·r, Y=0.
Выведенные формулы соответствуют графическому построению и показывают, что такой механизм имеет право на сосуществование.
Рассмотренный механизм обладает следующими достоинствами, а именно:
1. Мощность, снимаемая поршнями, передается исполнительному механизму коленчатым валом без всяких дополнительных передаточных звеньев.
2. Вращение кривошипов коленчатого вала по круговой траектории с радиусом вращения, равным радиусу делительной окружности шестерни и правильно выбранному передаточному числу, позволяет синхронизировать передвижение поршней внутри цилиндров с поворотом ротора, что позволяет поршням двигаться свободно без дополнительных боковых усилий.
3. Обеспечена высокая жесткость механизма, поэтому возможно наращивание мощности за счет кратного увеличения цилиндров, причем углы скрещивающихся осей должны быть одинаковыми.
4. Механизм при правильном расчете и изготовлении хорошо сбалансирован, что позволит уменьшить вибрацию при работе.