героторный двигатель с синхронным распределением

Формула изобретения

Героторный двигатель, содержащий корпус, торцевую крышку, статор, выполненный в виде цилиндрической шестерни внутреннего зацепления, ротор, выполненный в виде шестерни внешнего зацепления с меньшим количеством зубьев, размещенной внутри статора, распределитель и преобразователь вращательно-колебательного движения ротора во вращательное движение вала, отличающийся тем, что между распределителем и валом выполнено устройство, преобразующее вращение вала во вращательно-колебательное движение распределителя, синхронное движению ротора и включающее радиальный осесимметричный выступ с закругленными углами на валу, входящий с возможностью перемещения вдоль его большой оси в ответное центральное прямоугольное отверстие распределителя, установленного внутри шестерни в виде кольцевой рейки с внутренними округлыми зубьями, количество которых равно количеству зубьев статора, со стороны торца распределителя выполнен сквозной кольцевой канал для впуска и выпуска рабочего тела с продольными перегородками, количество которых соответствует числу рабочих камер, а ширина канала соответствует высоте зубьев рейки, на боковой поверхности распределителя выполнены закругленные зубья, расположенные диаметрально противоположно по линии большой оси его отверстия и взаимодействующие с зубьями рейки, при этом линия зубьев ориентирована перпендикулярно диаметру, проходящему одновременно через оси статора и ротора двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится преимущественно к области горного машиностроения, но может быть использовано в героторных, или, что тоже самое, планетарных, гипоциклоидных двигателях любого назначения, приводимых в действие сжатым воздухом или жидкостью, действующими на зубчатую поверхность ротора, размещенного внутри шестерни внутреннего зацепления с большим числом зубьев - статора.

Известен героторный двигатель, принятый за ближайший аналог, содержащий корпус, торцевую крышку, статор, выполненный в виде цилиндрической шестерни внутреннего зацепления, ротор, выполненный в виде шестерни внешнего зацепления с меньшим количеством зубьев, размещенной внутри статора, распределитель и преобразователь вращательно-колебательного движения ротора во вращательное движение вала (US 6524087 B1, 25.02.2003, F01C 1/10). Данный двигатель обладает высокой прочностью, надежностью, нетребователен к чистоте рабочего тела, однако имеет невысокую мощность.

Задачей данного изобретения, при сохранении известных преимуществ двигателей героторного типа - высокой прочности, надежности, удельного крутящего момента, нетребовательности к чистоте рабочего тела, является повышение мощности, путем увеличения полезного сечения каналов, питающих рабочие камеры, и улучшение их герметичности.

Кроме того, снижается поперечная вибрация путем уменьшения массы ротора за счет исключения из его конструкции винтового золотника-распределителя.

Последнее относится к широко используемым двигателям с "внутренним" распределением, у которых деталь, снабженная каналами для питания и опорожнения движущихся вместе с ротором рабочих камер - распределитель (винтовой золотник) жестко укрепляется внутри ротора. В результате проблема синхронизации движения распределителя и ротора, без решения которой полноценное питание и опорожнение рабочих камер невозможно, у машин описанного типа отпадает.

Однако стягивание каналов питания и выпуска к центру ротора, уменьшающих их полезное сечение, пересечение этих каналов плоскостью раздела подвижного ротора и неподвижного корпуса с относительно большими допусками движения, а следовательно, утечками рабочего тела, применение наклоненных к оси винтовых каналов, уменьшающих их полезную площадь, существенно снижает мощность и кпд героторных двигателей с внутренним распределителем.

Недостатки внутреннего распределения, которые отсутствуют у систем внешнего распределения, стимулировали работы по совершенствованию последних и в первую очередь решение проблемы синхронизации движения распределителя и ротора, без чего нормальная работа героторного двигателя невозможна. Однако анализ результатов этих работ на основе испытаний промышленных образцов и опубликованных патентных материалов показывает, что полноценного решения проблемы синхронизации еще не найдено.

Это может быть объяснено двумя причинами: относительно сложным характером движения ротора, состоящего из вращательной и колебательной составляющих и, соответственно, сложным порядком наполнения и опорожнения рабочих камер распределителем. Кроме того, существенно осложняет решение проблемы синхронизации то обстоятельство, что вал двигателя, единственная его деталь, связанная с ротором, имеет только вращение, поскольку в интересах эксплуатации он лишен колебательных составляющих, без которых полная синхронизация распределителя с ротором принципиально невозможна.

Указанная выше задача решается в героторном двигателе, содержащем корпус, торцевую крышку, статор, выполненный в виде цилиндрической шестерни внутреннего зацепления, ротор, выполненный в виде шестерни внешнего зацепления с меньшим количеством зубьев, размещенной внутри статора, распределитель и преобразователь вращательно-колебательного движения ротора во вращательное движение вала, согласно изобретению между распределителем и валом выполнено устройство, преобразующее вращение вала во вращательно-колебательное движение распределителя, синхронное движению ротора и включающее радиальный осесимметричный выступ с закругленными углами на валу, входящий с возможностью перемещения вдоль его большой оси в ответное центральное прямоугольное отверстие распределителя, установленного внутри шестерни в виде кольцевой рейки с внутренними округлыми зубьями, количество которых равно количеству зубьев статора, со стороны торца распределителя выполнен сквозной кольцевой канал для впуска и выпуска рабочего тела с продольными перегородками, количество которых соответствует числу рабочих камер, а ширина канала соответствует высоте зубьев рейки, на боковой поверхности распределителя выполнены закругленные зубья, расположенные диаметрально противоположно по линии большой оси его отверстия и взаимодействующие с зубьями рейки, при этом линия зубьев ориентирована перпендикулярно диаметру, проходящему одновременно через оси статора и ротора двигателя.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 изображен разрез двигателя по оси статора и вала.

На фиг.2 - каналы впуска и выпуска рабочего тела.

На фиг.3 - блок распределителя и его преобразователь.

На фиг.4 - кондуктор каналов силового блока.

На фиг.5 - силовой блок и его преобразователь.

На фиг.6 - кинематика распределителя при поворотах вала.

На фиг.1 показаны: корпус 1, имеющий два кольцевых отверстия 11 и 12, соосных оси корпуса, и центральное круглое отверстие, внутренняя поверхность которого является подшипником вала 9, имеющего радиальный выступ 13; распределитель 2, имеющий форму диска. На внешней боковой поверхности распределитель имеет закругленные зубья, взаимодействующие с внутренними зубьями кольцевой рейки 3, а внутри, в центральной части, прямоугольное отверстие, в котором размещен выступ вала 13. Поскольку толщина кольцевой рейки 3 несколько больше толщины выступа 13 и распределителя 2, последний имеет возможность свободного движения между корпусом 1 и кондуктором 4. В распределителе имеется также кольцевой канал 14 с перегородками, число которых равно числу рабочих камер, образованных внутренней поверхностью статора 5 и ротора 6, представляющими собой шестерни внутреннего и внешнего зацепления соответственно с различным количеством зубьев. По каналу 14 рабочее тело поочередно поступает из отверстия 11 в корпусе 1 через отверстие 15 кондуктора 4 к рабочим камерам 16 и выходит из них через отверстие 12.

Крышка 8 закрывает рабочие камеры со стороны, противоположной корпусу, и имеет центральное отверстие, служащее вторым подшипником вала 9. На внутренней поверхности ротора 6 и наружной поверхности вала имеются зубья, взаимодействие которых позволяет преобразовать колебательно-вращательное движение ротора во вращение вала. Пакет упомянутых выше деталей стягивается болтами 10, размещенными в отверстиях корпуса и крышки 17.

На фиг.2 показан вид на корпус 1 со стороны распределителя 2. Отмечены сквозные концентрические кольцевые отверстия 11 и 12, центры корпуса О и распределителя O₁, отверстия для вала 9, области совпадения кольцевого канала 14 в распределителе 2 с отверстиями впуска 11 и выхлопа 12, имеющие форму полумесяца с толщиной, равной величине смещения а, и радиусами R₁ и R ₂, площади S₁ и S ₂. Области совпадения показаны точками. Формула, определяющая площадь полумесяца, S=( -2)/ ×a×R, где а - смещение центров кольцевых отверстий корпуса и распределителя, R - средний радиус кольцевых отверстий.

Данная конструкция позволит увеличить радиус R до величины радиуса рабочих камер, то есть примерно в 1,5 раза, и во столько же раз повысить мощность героторных двигателей с внутренним распределением, увеличить объем действующих рабочих камер в 2 раза для машин с внешним распределением.

На фиг.3 показан разрез двигателя 3 (см. фиг.1). На разрезе показаны распределитель 2, рейка 3 с внутренними округлыми зубьями, количество которых равно количеству зубьев статора, зубья распределителя 18, количество которых равно двум для статоров с нечетным числом зубьев или трем, если статор имеет четное число зубьев. В этих случаях обеспечивается симметричное взаимодействие рейки и распределителя.

Сквозной кольцевой канал 14 распределителя 2 показан пунктиром. На фиг.3 показан также один из вариантов исполнения этого канала в виде группы малых отверстий, диаметр которых равен ширине кольца. Центры этих отверстий расположены на среднем диаметре канала 14, а количество их должно быть кратно количеству зубьев ротора. Такой вариант исполнения является одним из наиболее технологичных, поскольку требует лишь простейшей механической обработки.

Другие технологические решения - литье, фрезеровка, электрические методы - также способны обеспечить выполнение кольцевых отверстий с перегородками и даже обеспечить получение больших сечений для прохода рабочего тела. Направление вращения распределителя определяется левым или правым начальным положением центра распределителя O ₁ относительно оси A₁-A ₁. Эта ось соответствует начальному диаметру, через который проходят оси ротора и статора при сборке - см. фиг.5.

На фиг.3 показан также выступ вала 13, который, действуя на поверхность 19 прямоугольного отверстия распределителя, придает последнему вращательное движение.

Одновременно скользя по зубьям рейки собственными зубьями 18, распределитель совершает высокочастотные колебания относительно оси статора О, преодолевая силы трения между зубьями. Это определяет особые требования к материалу распределителя, который должен быть легким, твердым на поверхностях скольжения и достаточно прочным.

На фиг.4 изображен вид кондуктора 4 со стороны распределителя. Кондуктор имеет ступенчатые отверстия 15, по которым рабочая жидкость из распределителя поступает в рабочие камеры.

Количество отверстий равно числу зубьев статора. Промежутки между отверстиями ориентируются по зубьям статора при помощи стяжных болтов.

На фиг.5 изображен разрез двигателя по сечению 5. На разрезе показан блок рабочих камер 16, расположенных между ротором 6 и статором 5, и зубчатый преобразователь вращательно колебательного движения ротора во вращение вала 9.

Преобразование достигается за счет попеременного взаимодействия зубьев вала 7 с пазами на внутренней поверхности ротора.

На фиг.5 показан один из вариантов исполнения статора - цевочный вариант, когда в корпус статора закладываются зубья ролики 20. Однако предложенная конструкция не исключает применения цельной конструкции.

На разрезе обозначена также линия диаметра статора, проходящего через оси ротора и статора, и одновременно - и эта же линия после поворота ролика на угол =360°/(2Z), где Z - количество зубьев статора - линия Б₁-Б₁ при перекатывании ротора в статоре. Благодаря преобразователю на этот же угол поворачиваются вал и распределитель, сохраняя взаимную угловую синхронизацию.

На фиг.6 (разрез фиг.1) показано движение распределителя 2 при повороте выступа 13 вала 9, что соответствует повороту начальной оси ротора A₁-A₁ на угол =360°/(2Z). В результате линия зубьев распределителя А-А заняла положение Б-Б, а осевой зазор между выступом 19 и распределителем 2 оказался с противоположной стороны от оси машины, совершив радиальное перемещение, равное высоте зуба рейки. При этом перпендикулярность между новой линией распределителя Б-Б и ротора Б₁-Б₁ сохранилась. При дальнейшем повороте на тот же угол линии займут положении С-С и C₁-C ₁, сохранив взаимную перпендикулярность, а распределитель совершит полное колебание относительно главной оси О, необходимое для синхронизации.

Героторный двигатель работает следующим образом.

Рабочее тело (сжатый воздух или жидкость под давлением), по отверстию 11 в корпусе 1, кольцевому каналу 14 распределителя 2 и отверстиям 15 в кондукторе 4, поступает в рабочие камеры 16, расположенные между статором 5 и ротором 6 справа от диаметральной линии А₁-А₁, проходящей через оси ротора и статора (фиг.1 и 5). Одновременно с этим отверстие 12 через канал 14 распределителя и отверстия 15 кондуктора 4 соединяет рабочие камеры, расположенные с левой стороны от линии А₁-А₁ с атмосферой или зоной пониженного давления. Таким образом, эта линия становится границей раздела, справа от которой находится зона высокого давления, а слева низкого. Каждую из них составляет половина общего количества рабочих камер машины.

2. Под действием разности давлений в рабочих камерах на боковую поверхность ротора, последний поворачивается вокруг центра зубца ротора, расположенного между двумя зубьями статора на линии А₁-А₁ (на фиг.5 - сверху). Одновременно нижний зубец ротора скользит влево и вниз по нижнему зубцу статора, а сам ротор поворачивается направо и одновременно перемещается в радиальном направлении вниз. Линия раздела также поворачивается и принимает положение Б₁-Б₁ (фиг.5). При этом внутренняя впадина ротора, действуя на зубец вала 7, поворачивает вал 9 с выступом 13, который в свою очередь через поверхность 19 поворачивает распределитель (линия Б-Б на фиг.5 и 6).

3. При этом зубья распределителя 18 скользят по впадинам и выступам внутренней поверхности рейки 3, вынуждая распределитель перемещаться в радиальном направлении влево, скользя по поверхности 19 выступа вала 13 (фиг.6). Вместе с распределителем вращается и перемещается влево его канал 14, в результате чего левая часть канала совместится с отверстием 11, а правая - с отверстием 12 (фиг.1, 2, 6). В результате рабочее тело под напором через кондуктор заполнит рабочие камеры - находящиеся слева от линии раздела давлений Б₁-Б₁ (фиг.5), а камеры низкого давления окажутся справа от этой линии. Положение вращающегося ротора в этот момент на фиг.5 показано пунктиром. Таким образом, равнодействующая сил давления, действующих на ротор, в тот же момент будет направлена слева направо и сможет повернуть его лишь направо вокруг центра зуба ротора, находящегося между двумя зубьями статора, что соответствует, как и прежде, правому вращению вала. Анализ кинематики и динамики полного цикла взаимодействия ротора и распределителя конструкции героторного двигателя с внешним распределением подтвердил принципиальную устойчивость его работы при одновременном участии всех рабочих камер и отсутствии "мертвых" положений.