CN1034406A - 旋转活塞机 - Google Patents

Abstract

一旋转活塞机具有一支承轴的外壳。在一环形 空间设有与其壁密封接触的旋转件，每个旋转件向外 伸出四个扇形叶片。两个旋转件共轴地设置；其叶片 相互接合，使得一旋转件的一叶片总是处于另一旋转 件的两叶片之间。两旋转件的转速及叶片间的距离 呈周期性变化，这是通过一凸轮路径控制装置实现 的。该凸轮路径控制装置对于每个旋转件都有八个 滚动体，它们与内、外凸轮路径无间隙地被动地相互 作用。

Description

本发明涉及旋转活塞机，它具有一个外壳，支承在外壳上的一条轴，一个环形空间，在环形空间中紧靠着壁设有两个旋转件，在旋转件上，设有工作介质进出口，旋转件以密封的方式支承，每个旋转件都有四个径向向外延伸的扇形叶片，这两个旋转件共轴布置，其叶片的相互接合的方式是，一个旋转件的一个叶片总是处在另一个旋转件的两个叶片之间，设有一个凸轮路径控制装置，通过该装置，当轴旋转时，两个旋转件的转动在转速以及在两个旋转件叶片之间的距离都呈周期性变化，凸轮路径控制装置具有内凸轮环，内凸轮环和轴固定连接以防相对转动。

虽然已经有各种旋转活塞机问世，但是都存在各种缺点，特别是常常出现平衡问题，因此已知的旋转活塞机常常发生运转不圆的问题，一方面，这会引起振动和噪音，另一方面也使轴承承受很高的应力。

在英国专利说明书299，767中描述的那种已知的旋转活塞机也存在各种缺点。从简单的几何角度考虑即可看出，如无间隙，内凸轮路径和外滚筒之间的滚动体就不能进行导向。通过各种方式支承的滚筒的力传递很小，因此只能达到很低的效率，这对于被移动的质量来说根本不成比例。在负载变化区域，即在凸轮路径的反向点，无相互作用发生;在那里存在死点。滚筒的支承未见描述，显然该问题未获解决。由于上述这些问题，可以肯定，按照上述专利的旋转活塞机至少运转不稳，效率很低。

本发明的目的是提供一种高效率的，基本不存在运转不平稳问题的旋转活塞机。

按照本发明的技术方案是：凸轮路径控制装置具有外凸轮环，外凸轮环与一旋转件固定连接以防其间的相对转动;四个滚动体总是在一内凸轮环和一外凸轮环之间滚动，可以径向位移的滚动体因有连接在外壳上的隔离环而在周向上不可位移;每个旋转件有两对内/外凸轮环，都装有各自的滚动体。

通过本发明的凸轮路径控制装置，两个旋转件可以下述方式运动：在其两侧的工作空间容积按照进出口呈周期性变化，因此取得理想的运转效果。

在这种情况下，通过两个凸轮路径表面进行的力传递的路径最短，在凸轮路径的各点上都能保证力的传递，此时凸轮几何形状的设计可以得到匀加速度值，因此可以减小加速度力矩。

每个旋转件八个滚动体可以总是积极地而非消极地去除间隙。滚动体的抬起以及在凸轮路径和滚动体之间的牵引力，即滚动体在凸轮路径上的滚动都可以产生力的传递。

在这种情况下，这种旋转活塞机一方面可以用做一压缩机，例如气体压缩机，另一方面，如果使被压缩的气体进入一个分离的燃烧室，在燃烧室内吸入燃料，并把其混合物点燃，然后把气体导回环形工作空间以便推动旋转件，那么这种旋转活塞机也可以用作发动机。

如果轴以及固定在轴上的内凸轮环转动，那么当滚动体的滚动表面在轴转动中沿径向向外时，该凸轮环就推动滚动体向外。因此，由于外凸轮环必须让路从而使滚动体不断趋向一个使滚动路径在外凸轮环的径向上进一步向外的位置，所以外凸轮环被间接地转动。轴的转动以这种方式传递到外凸轮环上，因而也传递到旋转件上。在这种情况下，转速以及转速的变化由凸轮环的路径曲线的形状决定。滚动体一到达最外位置，滚动体就不再能把力矩从内凸轮环传递到外凸轮环。下面的运动靠第二组内/外凸轮环继续，直到第一组内/外凸轮环又能够传递力矩时为止。

只在一个旋转件上安装凸轮路径控制装置而把另一个旋转件装在轴上也是可行的。但是这种技术方案效果不好，原因是旋转活塞机的运转会失去平稳性。因此，每个旋转件都最好装有凸轮路径控制装置。

如果选用圆柱形滚动体，凸轮路径有变化的位移和周向长度，那么圆柱形滚动体在凸轮环上就不能正确地滚动，而不得不进行部分滑动，这就会引起摩擦损失。

两侧的滚动体最好都呈锥形，且凸轮环在径向和轴向上最好具有能够执行一定功能的滚动路径。

这样，通过选择适当的功能就能够实现滚动体的平稳滚动，不作滑动从而避免在内外凸轮环滚动路径上的摩擦损失。在这种情况下，滚动路径的轴向功能是从其径向功能获取的。对于滚动体转动一定角度，必须保证做到滚动体在内，外凸轮环的滚动路径上都做滚动而无滑动。这是通过改变滚动体有效直径来实现的，因为滚动体呈圆锥形，滚动路径可做轴向位移使滚动体有效直径保持适当大小。

滚动体和凸轮环最好是相对于一径向平面镜向对称。因此，滚动体总是坐落在一对滚动路径的两个镜向对称的部分上，不会倾斜。

如果凸轮环由两个镜向对称的半环组成，那么凸轮环的制造就会特别简便。凸轮环的两个半环都基本呈截圆锥形，因此特别是外凸轮环的半环的制造就会更为方便。另外，这也会使整个装置的装配工作简便易行。

在凸轮环的两半环之间有空间，通过轴向的拉力可以使凸轮环的两半环压紧滚动体从而使整个装置消除间隙。这种轴向上的拉紧效果最好通过弹簧加载实现。

如前所述，每个旋转件都必须装有两对凸轮环。如果这对凸轮环中的一组凸轮环与这对凸轮环中的另一组凸轮环相同，但相反地安装，并且如果一组凸轮环的滚动体相对于另一组凸轮环偏置45°，另一方面两组滚动体在轴向上可以安装得十分靠近，这将减小总体尺寸。在上述条件下，平衡状况也会更好。由于使用了两组相同的凸轮环，就减少了不同凸轮环的数目。只需要制造外凸轮环的两半环和内凸轮环的两半环即可。由于第二组凸轮环相反地安装，换言之，一组凸轮环在周向上的运转与另一组凸轮环的运转方向完全相反，因此使力的连续传递成为可能，这样在一组凸轮环上不传递力时，则由另一组凸轮环来传递。

旋转件的叶片，在含有轴的轴线的一个平面内，最好为正方形，其对角线垂直于该轴线，并且外壳最好由两部分拼装，其分界线在环形空间的中央平面内，因此环形空间特别易于制造，旋转活塞机也十分易于组装。如果在外壳的两部分之间也装有一挠性密封和一拉紧装置，那么由于外壳两部分间有了较大的夹紧力，就可以实现较好的密封效果，这是因为倾斜的外壳两部分很好地支承在与轴呈45°运转的旋转件的表面。

另外，如果隔离环相对于外壳的角度位置设计成可变式的，那么进出口的位置也就能够改变。虽然这时两旋转件的周期性运动仍旧是相同的，即使对于他们相互之间来说也是如此，两旋转件或者其间形成的工作空间则在不同时刻都与进、出口保持重合，因此，旋转活塞机的工作方式可以以简单的方式被改变。

在本发明的一实施例中，起码部分径向的外壁是由可移动的，中空的，设有密封的部件构成的，如果叶片的接触压力减弱，而且因此密封效果受到影响，这些部件还紧紧地压在叶片上，以防因此产生泄漏流。这样在旋转件和密封空间的壁之间的密封效果就得到简便易行的自动调整。

在隔离环中的滚动体借助轴承壳保持在位，或者隔离环中的滑块借助齿圈保持在位，其方式是使滑块能够以一方向进行滚动，但是要防止产生垂直于上述方向的运动。

在许多情况下，如果旋转活塞机用做压缩机，则需设有输入传动;如果旋转活塞机用做发动机，则轴即可做为输出传动轴。但是，其两个旋转件也可以刚性地连接在一发动机或发电机的转子上，其静子连接在外壳上。在该实施例中，如果旋转活塞机用做压缩机，输入传动不是作用在轴上，而是直接作用在两个旋转件上。此时，特别是当使用盘式转子发动机时，传动转速可以非常有效地适应旋转件转速的变化。由滚动体及凸轮路径控制，通过轴发生的所有作用就是两旋转件转速的强制补偿或适应。如果旋转活塞机用做发动机，情况也是如此，此时盘式发电机的转子刚性地连接在旋转件上。

按照本发明每个旋转件八个滚动体的设计，旋转件的支承效果很好，可以消除间隙。因此，除了上述运转噪音小、高效的优点外，旋转件可以完全无需另外的轴承。

现参照以下附图，通过最佳实施例，对本发明做详细的说明。

图1是带有两旋转件的环形空间的径向平面剖视图;

图2表示处于不同位置的两旋转件;

图3表明按照本发明的凸轮路径控制装置的原理;

图4是内凸轮环，滚动体和外凸轮环的轴向平面剖视图;

图5是从外面径向看，滚动体和隔离环的视图;

图6是内凸轮环的侧视图;

图7是图6凸轮环的平面图;

图8是外凸轮环的侧视图;

图9是图8外凸轮环的平面图;

图10是表示隔离环和滚动体细节的轴向视图;

图11是本发明旋转活塞机的剖视图;

图12是本发明另一种实施例的环形工作空间的轴向剖视图;以及

图13是本发明另一种实施例的剖视图。

图1表示包围在外壳（2）各部件之中的环形空间（1）。在环形空间（1）中有两个相互接合的旋转件，它们被设计成叶轮（3和4）。叶轮（3）上有叶片（3a，3b，3c和3d），叶轮（4）上有叶片（4a，4b，4c和4d）。两叶轮都由位于中心的轴（5）驱动，其驱动方式下面将详细说明。（6a～6h）代表环形空间（1）的前壁上的各进气口和排气口。

下面介绍其工作方式。如果轴（5）逆时针转动，叶轮（3和4）则以不同的转速顺时转动，细节下文将说明。例如在图1所示位置，叶轮（4）的转速大于叶轮（3）。此时，叶片（3d和4a）之间的工作空间将增加，因此气体通过进气口（6a）吸入。在下一时刻，该进气口（6a）则被缓慢随后的叶片（3d）封闭，大约从这一时刻开始，叶片（3d）的转速开始大于叶片（4a），因此，这两个叶片之间的工作空间变小，气体被压缩直到这两个叶片的运动使该工作空间复盖到排气口（6b），因而可使气体从中排出。此时，叶片（3d）可以运动到叶片（4a），使气体完全压出。

这种工作方式可应用于压缩机也可应用于内燃机，只要设有燃烧空间、燃油管等等即可。

图2表明上述工作周期的四个相位，两旋转件每转动90°即开始一个新的工作周期。

图3表明按照本发明的凸轮路径控制装置的原理。图3是一径向剖视图，其内部是一固定在轴（5）上不能与轴（5）发生相对转动的内凸轮环（7），其外部环绕着一连接旋转件（3、4）的外凸轮环（8）。在内、外凸轮环之间有相互间隔90°的滚动体（9）。该滚动体由一隔离环牢固地保持在外壳（2）上，这些滚动体只能径向地内、外运动，而不能在轴或内、外凸轮环的转动方向上运动。

在从图3的左图向中图的过渡中可以看出，如果内凸轮环（7）逆时针转动，由于其外部轮廓，滚动体（9）被向下压，因此，外凸轮环（8）则顺时针转动，这是由于外凸轮环（8）要在顺时针方向上给滚动体（9）让出空间的结果。当达到图3中图的位置时，转动是靠另一组内凸轮环，滚动体和外凸轮环的相应运动继续的，直至达到图3右图的位置，这一位置又相应于图3左图的位置。以这种方式，轴（5）的转动转化成环形空间中的旋转件（3、4）的转动，但是这种转动是不均匀平稳的，并取决于内、外凸轮环（7、8）的曲线形状。

假如滚动体（9）是圆柱形的，它们就无法在内、外凸轮环（7、8）上平稳地滚动，而是倾向于产生滑动，这是由于路径曲线不同的原因。如图4所示，按照本发明，滚动体（9）呈双圆锥形，这就可以避免滚动体产生滑动。从图中可以看出，在滚动过程中，滚动体（9）可以有不同的有效直径。例如，在图4中左侧的位置（10），示出了在外凸轮环（8）上滚动的平均滚动半径，而在右侧的位置（11）则示出在内凸轮环（7）上滚动的平均滚动半径。这里所说滚动半径显然是与凸轮环和滚动体之间的接触面有关，它具有一定的宽度，而不是数学上的线。

如图所示，凸轮环（7和8）不是设计成整体的，它们分别由两个凸轮半环（7a，7b和8a，8b）组成，这两个半环是镜向对称的。只是在滚动路径的区域（7c和8c）内，滚动体（9）才与这两个半环接触。

滚动体是保持在一隔离环中的，在图4中可以想象隔离环是在滚动体（9）的前、后。在图5（平面图）中画出了这个隔离环的一部分。

滚动体（9）由两个轴承壳（12）所保持，滚动体在其中可以滑动地转动。在轴承壳的外侧具有齿圈与隔离环（14）的相应齿条接合。这样，图5的滚动体（9）可以前后移动，也就是说在旋转活塞机的径向，即图4中的上下方向上移动。但是，滚动体（9）相对于外壳只能做角度运动，也就是在图5中做左右方向的运动。

图6是内凸轮环的半环（7a）的侧视图;

图7是同一半环（7a）的平面图。

在上述两图中可以看到倾斜的运转外表面，设计成截锥形，在该截锥形上，滚动体（9）的滚动路径（7c）则规定为凸起的部位。

从图6和7中可以看到，在径向和轴向上，滚动体（9）的滚动路径（7c）都是符合所需要的路径控制性能的运行路径。

图8是外凸轮环半环（8a）的剖视图，图（9）是其平面图。从这两个图中可以看到滚动路径（8c）。

图10部分剖开，表示滚动体（9）在隔离环（14）中支承情况的细节。图中也画出了凸轮环及滚动路径。

图11的轴向剖视图是本发明旋转活塞机的一半，其另一半与画出的一半镜象对称。

借助隔离套筒（15），径向和轴向轴承（16，17）以及一外壳凸缘（18），轴（5）可转动地支承在外壳（2）上。在隔离套筒（15）外侧，还毗邻着一联结法兰（19）和一螺母（20）。在隔离套筒（15）内侧安装着两对内凸轮环（7），隔离环（21）在其左侧，隔离环（21）通向另一侧相应的内凸轮环（7），该内凸轮环（7）是为驱动两旋转件之中的另一个旋转件而设置的。

旋紧螺母（20），通过隔离套筒（15和21）并借助旋转活塞机左侧的一相应的背压件（未画出），内凸轮环（7）的两个半环压在一起，因此滚动体（9）被向外压，精确地靠紧在外凸轮环（8）上。外凸轮环同样由两个半环构成，并固定在套筒（22）内以防和套筒发生相对转动，套筒（22）连接于旋转件（3）。密封法兰（23）不仅牢固地固定外凸轮环（8），而且也使其相互挤压以便产生一个滚动体（9）的压力的反压力。此处也可以采用弹簧使内凸轮环或者外凸轮环的两个半环压在一起。

内装滚动体（9）的隔离环（14）最后固定在外壳凸缘（18）上，并通过齿条（24）从另一侧固定地连接于该隔离环以防其间产生相对转动。因此，隔离环在周向上与外壳之间是固定不动的。隔离环（14）相对于外壳（2）的角度调整也可以改成外壳凸缘（18）相对于壳（2）的角度调整，做法是调整轴承（25）。

图中还示出密封装置（26-30），在外壳的两半部之间也有密封装置（31）。在隔离环（14）和转子（3）之间设有滑套（32）。

如上所述，外壳（2）由两部分拼装而成，在其分界线（33）上设有密封装置（31）。如果旋转件（3、4）的叶片和环形空间（1）的壁之间的密封效果变坏，旋紧穿过孔（34）的螺栓，就可使外壳的两部分之间更加紧密，使外壳的壁和旋转件（3、4）之间更好地接触，从而改善密封效果。

在图12的实施例中，旋转件（3和4）的叶片（刚好在图12的图幅之外）不与外壳（2）直接接触，而是与挠性和密封方式支承的壁（35）直接接触。如果壁（35）发生弹性形变，旋转件（3）和壁（35）之间的密封间隙（36）或者旋转件（4）和壁（37）之间的密封间隙就会变宽。因此，在压力作用下，气体就会进入密封间隙（30）（或另一侧的密封间隙），并能通过开口（38）进入壁（35）之后的空穴，从而以箭头（39）的方向使壁（35）向内压在旋转件的叶片上。这样就可以实现密封的自动调整。

在图13的实施例中，发动机或发电机（40）的转子（42）直接地连接于旋转件（3、4）。图13表明，发动机或发电机的转子（42）通过套筒（22）固定地连接于旋转件（3）。第二个发动机或发电机（40）（未画出）的情况相同，其转子也固定地连接于旋转件（4）。在这种情况下，发动机或发电机的静子（41）固定地连接于外壳（2）。在此实施例中，输入/输出传动不再由轴（5）承担，恰恰相反，旋转件（3、4）直接由发动机（40）驱动，或者旋转件（3、4）直接驱动发电机（40），旋转件（3和4）转动的强制控制配合则由轴（5）承担。

Claims (14)

1、一种旋转活塞机，它具有一外壳(2)，支承在外壳(2)上的一条轴(5)，一环形空间(1)，在该空间里紧贴其壁设有两旋转件(3，4)，在旋转件上设有工作介质的进、出口(6a-6h)，旋转件(3，4)以密封方式支承，每个旋转件(3，4)都有四个径向向外延伸的扇形叶片(3a-3d，4a-4d)，两旋转件(3，4)共轴布置，并且其叶片相互接合的方式是，一旋转件的一叶片总是处于另一旋转件两叶片之间，设有一凸轮路径控制装置，通过该凸轮路径控制装置，当轴(5)转动时，使两旋转件转动的转速以及两旋转件叶片间的距离都呈周期性变化，该凸轮路径控制装置具有与轴(5)固定连接以防止其间产生相对转动的内凸轮环(7)，这种旋转活塞机的特征在于：该凸轮路径控制装置具有与一旋转件(3，4)固定连接以防止其间产生相对转动的外凸轮环(8)；在任何形况下四个滚动体(9)都在一内凸轮环(7)和一外凸轮环(8)之间滚动，在径向上可以位移的滚动体(9)，由一隔离环(14)保持，不能作周向位移；以及每个旋转件(3，4)都为相应的滚动体(9)设置两对内外凸轮环(7，8)。

2、按照权利要求1所述的旋转活塞机，其特征在于：每个旋转件（3，4）都设有一凸轮路径控制装置（7，8，9）。

3、按照权利要求1或2所述的旋转活塞机，其特征在于：两侧滚动体（9）都呈圆锥形，而且凸轮环（7，8）在径向和轴向都具有执行一定功能的滚动路径（7c，8c）。

4、按照权利要求3所述的旋转活塞机，其特征在于：相对于轴（5）的一径向平面，滚动体（9）和凸轮环（7，8）是镜象对称的。

5、按照权利要求4所述的旋转活塞机，其特征在于：凸轮环（7，8）是由两个镜象对称的半环（7a，7b;8a，8b）构成的。

6、按照权利要求5所述的旋转活塞机，其特征在于：凸轮环（7，8）在轴向上可以被拉紧。

7、按照权利要求6所述的旋转活塞机，其特征在于：凸轮环（7，8）在轴向上是弹簧加载的。

8、按照权利要求1至7中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：一成对凸轮环（7，8）与另一成对凸轮环（7，8）形状一样，但是安装方向相反，而且一凸轮环（7，8）的滚动体（9）与另一凸轮环（7，8）偏置45°。

9、按照权利要求1至8中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：在一包含该轴的轴线的平面内，旋转体（3，4）的叶片（3a-3d;4a-4d）具有方形横截面，其对角线垂直于该轴线，而且外壳（2）由两部分组成，其分界线（33）在环形空间（1）的中央平面内。

10、按照权利要求1至9中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：隔离环（14）相对于外壳（2）的角度位置是可以变化的。

11、按照权利要求1至10中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：环形空间（1）的径向外壁的至少一部分是由可移动的，中空的，设有密封装置的部件（35）构成的，而且如果叶片上的接触压力下降，因而密封效果变坏时，部件（35）被因此斐傻男孤┝飨蚧匮菇粼谝镀稀?

12、按照权利要求1至11中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：滚动体（9）借助轴承壳或滑块（12）保持在隔离环（14）中，轴承壳或滑块（12）又借助齿圈（13）以下述方式安装在隔离环（14）中，即它们可以沿一个方向滚动。

13、按照权利要求1至12中任何一项权利要求所述的旋转活塞机，其特征在于：一发动机或发电机（40）的转子（42）可以刚性地连接于每个旋转件（3，4）上，发动机或发电机（40）的静子（41）连接在外壳（2）上。

14、按照权利要求13的旋转活塞机，其特征在于：该发动机或发电机（40）是盘式转子发动机或发电机。

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