Роторно–лопастные машины
Конструктивные особенности

Зубчатый механизм с эллиптическими колесами

Примером механизма с использованием эллиптических колес является роторно-лопастной двигатель Стерка Мартина [36]. Устройство двигателя приведено на рисунке.

Механизм состоит двух роторов с лопастями. Каждый ротор жестко соединен с эллиптической  шестерней. Шестерни сдвинуты на угол 60 град относительно оси вращения. Две дополнительные шестерни обеспечивают синхронизацию вращения шестерен соединенных с роторами.
Механизмы использующие зубчатое зацепление допускают сравнительно малые нагрузки на валы и опоры, требуют высокой точности передачи, имеют сравнительно большую стоимость изготовления. Механизмам присущи шум, вибрации, низкая демпфирующая способность.
Планетарные кривошипные механизмы и механизмы, выполненные с использованием некруглых зубчатых колес, имеют недостаточно малый угол схождения лопастей, что не позволяет обеспечить необходимую степень сжатия. Кривошипно-планетарные механизмы не достаточно уравновешены. При меняющемся моменте на зубчатой передаче имеются проблемы с передачей нагрузки через зубчатое соединение.

Планетарный механизм

Рассмотрим кинематическую схему планетарного механизма на примере механизма предложенного Гридиным [34]. Кинематическая схема механизма приведена на рисунке.

Механизм выполнен в виде зубчатой передачи с внешним или внутренним зацеплением, колесо которой жестко связано с лопастным ротором. Шестеренка располагается с торца двигателя, имеет неподвижную ось вращения и жестко связана с кривошипом, на полуоси которого крепится ползун, скользящий по направляющей, жестко закрепленной на валу, который имеет неподвижную ось вращения, находящуюся между осью шестеренки и полуосью кривошипа, и кинематическое соединение с ведущим валом. Кинематическое соединение осуществляется через жесткое крепление валов с направляющими на выходном валу или через зубчатую передачу двух и более зубчатых колес, одно из которых жестко закреплено на ведущем валу, а другие – на валах с направляющими. Каждая пара лопастных роторов имеет одну и более шестеренок с кривошипом, расположенных на одной торцовой крышке корпуса или на двух противоположных, и соответствующее количество валов с направляющими. Механизм лишен вибраций, так как в его конструкции все детали уравновешиваются.

Эпициклоидальный механизм

В основе данного механизма лежит организация движения основных точек механизма по эпициклоиде [38]. Упрощенная кинематическая схема механизма представлена на рисунке.

Механизм состоит из двух зубчатых шестерен – главной и сателлита. В шестерне сателлита на расстоянии h от центра O1 закреплена вершина A ромбического рычажного механизма. В качестве основного угла в модели принят угол между диагональю AO и осью X – угол поворота.
Для описания движения точек A и C используется каноническое уравнение эпициклоиды

.
где R1 – радиус главной шестерни; R2 – радиус шестерни сателлита; h – расстояние от центра сателлита до точки A; mr – соотношение радиусов R2 и R1.

Анимация движения

Анимация движения

Планетарно-кривошипный механизм

Механизм состоит из планетарной передачи – внешней (главной) и внутренней (сателлит) шестерен с зубчатым зацеплением, шатуна, четырехзвенного равноплечного ромбоида и двух рычагов-лопастей.

Внутренняя шестерня планетарной передачи совершает вращательное движение относительно основного центра механизма (точка О). Кроме того, внутренняя шестерня совершает вращательное движение относительно своего центра (точка О1). Радиусы шестерен R1 и R2 для  внешней и внутренней шестерен соответственно. Центр механизма и центр внутренней шестерни соединены жесткой связью – водилом (O-O1), через которую может осуществляться передача механического момента на выходной вал механизма.
На внутренней шестерне имеется точка закрепления шатуна (точка К) которая находится на расстоянии R3 от центра О1. Другая вершина шатуна имеет соединение в одной из вершин ромбоида (точка C). Конструкция O1-K-C представляет собой кривошипный механизм.
Два рычага-лопасти закреплены в серединах плеч ромбоида. Через рычаги осуществляется передача входного момента через вершину ромбоида внутренней шестерне планетарной передачи.

Рычажный механизм с вращающимися рычагами

В основе механизма положен принцип известного механизма Рейснера  [39]. Была произведена модификация путем добавления второго вращающегося рычага. На рисунке 3.22 представлена упрощенная кинематическая схема механизма.

Механизм состоит из двух рычагов-лопастей (B1-B3 и  B2-B4), которые могут вращаться относительно центра O. C концами рычагов-лопастей шарнирно соединены две тяги-плечи (A-B1, A-B2). Два вращающихся рычага (O1-A и O2-B) имеют центры вращения O1 и O2 соответственно, отстоящие на некотором расстоянии от центра вращения механизма O. Вторые концы вращающихся рычагов шарнирно соединены с точками соединения тяг-плеч.
В качестве основного угла для расчетов принят угол  - угол между вращающимся рычагом O1-A и осью X. Полный цикл механизма имеет период 720 град. Выходной момент в данном механизме снимается с вращающихся рычагов.

Анимация движения

Анимация движения

Рычажно-кулачковый восьмизвенный механизм

Механизм состоит из двух рычагов-лопастей (B1-B3 и B2-B4) и восьми плеч (A-B1, B1-B, B-B2, B2-C, C-B3, B3-D, D-B4, B4-A) и кулачка. Траектория движения точек A, B, C, D определяется формой кулачка. Длина рычагов-лопастей равна 2*L1, длина плеч равна L2. Входной момент подается на рычаги-лопасти, выходной момент может сниматься с диагоналей A-C и B-D.
Анализ данной кинематической схемы показывает, что механизм обеспечивает все основные функциональные требования к преобразователю движения. В траектории движения имеются участки при -70 град< <+70 град, которые приближены к окружности, что позволяет установить на этих участках вместо кулачка подшипники. Однако, при определенных углах скорости и ускорения имеют критические переходы.

Рычажно-кулачковый четырехзвенный механизм

Механизм состоит из ромбоида и кулачка. Ромбоид состоит из четырех шарнирно связанных плеч одинаковой длины L (AB, BC, CD, DA). К серединам плеч шарнирно закреплены рычаги лопастей (С1-С3 и С2-С4). Движение точек A, B, C, В определяется специфической формой кулачка.

Анимация движения

1. Число рабочих тактов при двух оборотах выходного вала (тактность двигателя)
2. Равенство продолжительности рабочих тактов на одном обороте выходного вала
3. Поддержание постоянства угловой скорости выходного вала
4. Степень сжатия – отношение максимального рабочего объема к минимальному рабочему объему
5. Реверсивность механизма, т.е. возможность изменения направления вращения выходного вала
6. Обратимость механизма, т.е. возможность передачи момента как с входа на выход, так и с выхода на вход
7. Плавность хода и безударность (достигается при гармоническом законе изменения перемещений, скоростей и ускорений элементов преобразователя движения)
8. Уравновешенность преобразователя движения (приводит к уменьшению вибрации)
9. Возможность реализации простой схемы газораспределения, т.е. впускные и выпускные окна располагаются в корпусе двигателя, при этом не требуется наличие внешних клапанных систем
10. Простота конструкции, т.е. отсутствие сложных кинематических пар, зубчатых зацеплений, сферических шарниров и т.п.
11. Простота изготовления: отсутствие прецизионных деталей, наибольшее количество однотипных деталей, использование недорогостоящих материалов
12. Значение коэффициента передачи момента, т.е. отношение движущего момента на выходном валу к рабочему моменту на входе преобразователя движения
13. Массогабаритные показатели
14. Механический КПД