CN100422522C - 行星齿轮变角转子发动机 - Google Patents

Abstract

行星齿轮变角转子发动机，属机械制造领域，本发明利用两对旋转叶片将一个圆筒形气缸分成四个工作腔，两对叶片在单向旋转过程中角速度同周期、异相位地变化，使叶片夹角——从而工作腔容积——发生周期性变化，以此实现四冲程内燃机的四个冲程。本发明的关键是通过行星齿轮对旋转叶片相位的控制，以及通过行星齿轮向转轴输出扭矩。本发明的转子发动机在单转子形式时即具有相当于四缸往复式活塞发动机的扭矩输出特性，工作腔的各个密封面均为面接触型密封，所涉及结构均为标准结构，从而可实现比三角转子发动机更优的扭矩特性、更好的密封性和更高的压缩比、以及更低的制造成本。

Description

行星齿轮变角转子发动机

1技术领域

本发明涉及一种四冲程旋转式内燃机，属于机械制造领域。

2背景技术

目前在应用中占主流的四冲程内燃机为往复式活塞内燃机，而旋转式四冲程内燃机仅三角转子发动机(Wankel发动机)达到了实用水平。由于三角转子发动机的汽缸内壁型线为旋轮线，不是定曲率曲线，转子与汽缸壁的接触只能是切线型接触，因此转子与汽缸壁间形成的工作腔存在密封上的较大困难，导致三角转子发动机适用压缩比较低、油耗高，且转子磨损较大，使其理论上的优越性得不到充分发挥，还不能取代往复式活塞发动机。目前，全球仅日本Mazda公司生产汽车用三角转子发动机。

转子发动机由于没有活塞、连杆等大质量高速往复运动部件，也不需要气门装置以及与气门配套的正时机构，因此同等功率的转子发动机部件少、体积小、运行平稳、噪声低，能达到更高的转速。由于这一优势，人们对转子发动机的研究从未停止。

要避免切线接触型密封，实现面接触型密封，汽缸内壁型线必须使用定曲率曲线——圆。但刚性转子在圆形汽缸中转动不会发生工作腔容积变化，不能实现四冲程内燃机的冲程循环，因此必须使用可变形转子。可变形转子最常用的实现方案为带有滑片的结构，但滑片方案中滑片与汽缸壁的接触仍是切线型的，难以实现严格密封，不适用于内燃机。但在不需要严格密封的旋转压缩机和旋转泵领域，这类方案运用极为广泛。

3发明内容

为了克服三角转子发动机密封性差的弱点，保留转子发动机的优势，本发明提出了一种工作腔密封边界全部为面接触型密封的旋转式四冲程内燃机方案。本发明方案中，两对交叉的刚性叶片将圆筒形汽缸分成四个工作腔，两对叶片在单向转动过程中角速度同周期、异相位地变化，使叶片夹角——从而工作腔容积——发生周期性变化，以此实现四冲程内燃机的四个冲程。本发明的关键是通过太阳轮-行星轮齿轮副通过突出轴、滑槽等结构对转子叶片相位的控制。

本发明不仅克服了三角转子发动机密封性差的弱点，扭矩输出特性也得到改善：本发明的转子发动机在单转子结构时具有相当于四缸往复式活塞发动机的扭矩输出特性，单转子结构就能满足多数实用要求；三角转子发动机在单转子形式时相当于三缸往复式活塞发动机，因而实用中需要双转子设计。由于本发明的转子发动机涉及的结构表面为圆、平面、标准齿轮，故易于加工制造；而三角转子发动涉及了旋轮线(实际上是圆心沿旋轮线运动的小圆的包络线)，需要专门的机床加工。另外，本发明的转子发动机实现了比三角转子发动机更好的转动平衡性能。

3.1基本工作原理

如图1，图中箭头线长短代表角速度大小，叶片从水平位置向垂直位置转动时逐步加速，从垂直位置向水平位置转动时逐步减速，在水平位置速度最小而在垂直位置速度最大。两对叶片按这种方式运动时，被叶片分隔而成的四个工作腔的容积在叶片转动一周时发生从小到大、从大到小的两个周期的变化，刚好完成吸气、压缩、做功、排气四个冲程。如果叶片完全自由转动，则上述过程无法实现，因此必须建立两对叶片的联动和相位配合机制，以及能量交换机制(如下一节“3.2叶片相位控制原理”所述)。

3.2叶片相位控制原理

如图2，行星齿轮(图中用小圆表示)在2倍齿数的内齿太阳轮(图中用大圆表示)上滚动时，行星齿轮上P点(分度圆内任意点)的轨迹为一椭圆(图中用虚线表示)。当行星齿轮匀速转动时，OP连线(代表叶片角位置)变速转动——在椭圆长轴附近转得慢，短轴附近转得快，这正是“3.1基本工作原理”对单对叶片变速转动方式的要求。如果用两个太阳轮-行星轮齿轮副作为相位齿轮分别控制两对叶片的相位，两个行星齿轮圆心对太阳轮圆心保持90°的恒定张角，则不仅实现了“3.1基本工作原理”所要求的叶片相位控制，同时还实现了叶片(转子)与行星齿轮间的能量交换，并且经由行星齿轮对外输出能量(输出扭矩)。

3.3基本实现方式

在行星齿轮的一侧做一个突出轴(图2的P点)，而在转子上做一个径向滑槽(要求每对叶片与一个圆盘铸成整体，滑槽开凿于该圆盘上)，行星齿轮做匀速圆周运动时，突出轴做椭圆运动并通过滑槽带动叶片做变速圆周运动；控制两对叶片的两个行星齿轮通过转轴相互偶联，在两对叶片间相互传递扭矩，实现了对两对叶片的相位控制，并对外输出扭矩。

3.4基本定量公式

设行星齿轮半径为r，突出轴中心到行星齿轮圆心的距离为a，两对叶片相位差90°(一对叶片转动最慢时另一对叶片刚好转动最快)，则叶片最小夹角α满足公式：tan(α/2)＝(r-a)/(r+a)，最大夹角β＝180°-α，最低压缩比k＝β/α，理论上可以实现大于k的任意压缩比，实际压缩比K＝(β-δ)/(α-δ)，δ为转子叶片的平均角厚度。叶片最小夹角α越小(最大夹角β越大)则空间利用效率越高；但随着α的减小，叶片平均角厚度δ下降，机械强度相应降低。

4附图说明

为简明起见，附图中未标示出全部尺寸，而只标示了各部件装配组合必需之尺寸；另外，工艺性的倒角、间隙配合，与工作原理不直接相关的实用结构如密封槽、润滑油路等也未画出，但在后文有所论述。

4.1图1：基本工作原理。本图说明见前文3.1节。

4.2图2：叶片相位控制原理。本图说明见前文3.2节。

4.3图3：汽缸

图中各部分名称；①筒体；②排气口；③进气口；④螺栓孔；⑤冷却液通道；⑥火花塞或喷油嘴；⑦内壁。

内壁直径、筒体长度为配合所需关键尺寸。螺栓孔的分布与图4汽缸盖有配合的要求，但有关尺寸被省略。进气口和排气口张角与叶片外缘张角相配，是为了让叶片能完全封闭进、排气口。在设计有排气提前量和吸气拖后量时，进、排气口张角可以大于叶片外缘张角。为了用图形简明地说明设计思想，进、排气口都画成了矩形，但实践中需要将进、排气口后缘设计成逐渐收缩的形状，以便将叶片上镶嵌的密封条渐进地压回密封槽(参见后文“5.4密封机构”一节)，避免密封条与排气口后缘发生刮擦或撞击。

4.4图4：汽缸盖

图中各部分名称：①内齿太阳轮；②转轴孔；③行星齿轮；④滑套；⑤突出轴；⑥螺栓孔。

本发明的一个发动机需要二个镜像对称的汽缸盖，装配于汽缸筒的两端。图4只画出了一侧汽缸盖，另一侧汽缸盖因为对称而省略。

所用齿轮副模数m＝5，太阳轮具有2倍于行星轮的齿数。可直接将内齿太阳轮加工在汽缸盖内壁上，或将标准内齿轮嵌入以实现模块化，但图4为了简明，仍按前一种方式画出。汽缸盖内齿轮的齿还担负着压紧转子端盖上推力球轴承(见下文4.5节)的功能。在行星齿轮突出轴上套上滑套，是为了让突出轴与转子滑槽实现面型接触，在作用力相等的情况下减小接触压强。滑套采用正方形，是为了在磨损后可换个方向使用。滑套尺寸与滑槽配合。

4.5图5：“U”形半转子

图中各部分名称：①端盖；②内转筒；③叶片；④推力球轴承；⑤滑槽；⑥滑槽延长端。

两个完全相同的“U”形半转子相互嵌套装配为一个完整转子。

在半转子设计中，将叶片、端盖、内转筒铸成一体，实现了多重目的：首先，这种设计是转子与行星齿轮相互作用所必需的，即开凿滑槽所必需；其次，显著增加结构强度，减少接触面数量，在不增加总重量的情况下增加转子转动惯量(具有飞轮的作用，可改善扭矩输出特性)，以及便于配置润滑油通路。端盖上的推力球轴承可大大减少转子与汽缸盖间的磨擦。为了让滑槽具有足够长度，需要将滑槽向转子中轴线延伸出一部分，由此带来的结构间干涉在图6，图7的设计中做了定量考虑加以消除。

转子叶片断面形状为简明起见画成了标准扇形，实用中可根据对燃烧室形状的要求(如球形、多球形)做成非扇形。在给定最小夹角、压缩比两个参数时，叶片不论采取何种断面形状，其平均角厚度均可由“3.4基本定量公式”唯一确定。

4.6图6：半转轴

图中各部分名称：①输出端；②转盘；③连接端。

两个完全相同的半转轴通过一个连接轴(图7)连接成一个完整转轴。

输出端为圆柱形，用于对外输出扭矩以及用于多转子级联；连接端由于要避免与行星齿轮以及滑槽延长端的干涉被切成了月牙形。

半转轴最独特的设计是月牙形转盘，可精确嵌入汽缸盖内齿太阳轮和行星齿轮的齿顶圆围成的月牙形空间中。该转盘将行星齿轮“含”在月牙中，不仅省去了行星齿轮的转轴，而且可有效平衡对转轴的侧向压力，改善转轴受力状况。

4.7图7：连接轴

图中各部分名称：①月牙形连接孔；②去干涉缺口。

连接轴长度与汽缸筒配套，两端的月牙形连接孔与半转轴的连接端配套。为防止与滑槽延长端相干涉，连接轴两端被部分切除形成去干涉缺口，其尺寸需精心计算，不同设计参数下，尺寸有所不同。

5具体实施方式

“4附图说明”一节在解说各部分结构和功能时已经对具体实施方式进行了初步说明。本节进一步说明具体实施的一些细节。

5.1具体实施中的参数选择

具体实施中的参数可有多种选择，附图3至附图7表达的方案基于如下参数选择：叶片最小夹角α＝42°，最大夹角β＝138°，叶片平均角厚度δ＝30°，设计压缩比K＝(138°-30°)/(42°-30°)＝9；汽缸内径200mm，叶片沿汽缸轴向的长度为120mm，其它参数如各附图所注。

5.2装配次序

①两个“U”形半转子对扣(必须于此时将连接轴预装在转子内转筒中，否则之后将因滑槽延长端的干涉而无法放入)形成一个完整转子；

②将完整转子放入汽缸筒；

③将两个半转轴的连接端插入连接轴的月牙形连接孔；

④将两个汽缸盖装上去(保证初始相位正确：一对叶片水平，另一对叶片垂直)并拧上螺栓。

5.3转动平衡

行星齿轮的转动平衡：可在突出轴一侧合适位置钻孔以平衡突出轴与滑套的质量，使行星齿轮实现转动平衡；

转轴的转动平衡：通过在月牙形转盘的适当位置钻孔，在连接轴的适当位置切去部分质量，使转轴与行星轮装配在一起后能达到转动平衡；

转子的转动平衡：在端盖上对称于滑槽开凿平衡槽(平衡槽无延长端)，或者将远高滑槽的端盖部分做得薄一些，以平衡因开凿滑槽而被去除的质量，实现转子的转动平衡。

通过对以上各部件分别和整体的平衡加工，所有运动部件都能达到完美的转动平衡。为了简明起见，附图中未画出这些平衡结构。

5.4密封机构

转子端盖与汽缸筒内壁、两个半转子内转筒的接触密封采用一道或多道“O”形环，嵌“O”形环的密封槽在附图中为了简明未画出；叶片与汽缸内壁、叶片与对侧半转子端盖及内转筒间的接触密封采用一道或多道密封条，嵌密封条的密封槽在附图中为了简明也未画出。省略不画的另一重要原因是所涉密封机构属一般性技术。

5.5润滑机构

相位控制机构及转轴的润滑：汽缸盖行星齿轮腔可充满润滑油，并接到润滑油通路中(连接通道为简明计未在附图中画出)，这样行星齿轮、转轴、滑槽所涉及的接触面都得到了润滑。

转子的润滑：行星齿轮腔中的润滑油可直接对端盖推力球轴承、端盖与汽缸筒的接触面、两个半转子内转筒接触面进行润滑。叶片各接触面的润滑可通过如下方式实现：从半转子端盖侧或内转筒侧(或两者同时)开凿深入叶片内部的通道，则齿轮腔中的润滑油可进入叶片内通道，叶片内通道再以细孔连通到叶片各接触面。

5.6多转子设计

本发明的转子发动机，由于包括多个较大质量的转动部件，因此具有较大转动惯量，其扭矩输出特性优于无飞轮的四缸往复式活塞发动机，能够满足大多数需要。如需要更加平稳的扭矩输出，则可通过将前述方案的转子发动机多个串联实现多转子发动机，在双转子结构时即可获得相当于或优于八缸往复式活塞发动机的扭矩输出特性。

在串联中，除了两端的汽缸盖保留盖板，中间的汽缸盖只保留内齿轮；中间的半转轴两端均为月牙形连接端；连接中各转子的相位按做功冲程均匀分布的原则安排，与多缸往复式活塞发动机的相位分布原理相同。因多转子设计属单转子设计的简单组合，在此不做进一步的细节描述。

Claims (2)

1. 行星齿轮变角转子发动机，一种四冲程旋转式内燃机，利用交叉的两对叶片将圆筒形汽缸分隔成四个工作腔，两对叶片的夹角在转动过程中发生周期性变化，导致各个工作腔容积发生周期性变化从而实现四冲程内燃机的四个冲程，其技术特征是：

(1)具有圆筒形汽缸，汽缸壁上有进气口和排气口；

(2)具有由两个相同的“U”形半转子嵌套而成的转子，“U”形半转子由叶片、内转筒和端盖做成整体，端盖上开有径向滑槽并在端盖外缘安装有推力球轴承；

(3)具有两个带太阳轮-行星轮齿轮副的汽缸盖，汽缸盖中心有转轴孔，太阳轮为内齿轮且具有2倍于行星轮的齿数，行星轮的一个侧面非圆心位置处有圆柱形突出轴，突出轴上套有滑套，装配时突出轴插入“U”形半转子端盖上的径向滑槽中实现叶片相位控制；

(4)具有一根转轴，由两个相同的带月牙形转盘的半转轴和一根连接轴装配而成，行星轮嵌于月牙形转盘中实现转子与转轴间的扭矩传递。

2. 如权利要求1所述的行星齿轮变角转子发动机，其转子与汽缸筒内壁的接触、两个半转子之间的接触均属易于密封的“面”型接触。

Images