专利名称：进动转子发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进动转子发动机，尤其涉及一种由圆盘形状的转子安装在定子 内，实现进动旋转的大功率发动机。
二
背景技术：
目前现有发动机中，技术较成熟的主要为车用的往复活塞式发动机及汪克尔型三 角转子发动机。其中往复式发动机有几种问题是避免不了的。1、往复式运动使发动机的极 限转速较低。2、往复式发动机设置有换气阀门机构，该机构不但增加了整机体积，还增加了 整机重量。3、采用曲轴与连杆进行动力传输，活塞在接近上止点与下止点时气体膨胀力对 曲轴的有效力臂很小，汽缸内的膨胀力不能得到充分的发挥，能量转化率较低。4、整机功率 重量比太小，不适合应用在航空方向。另一类是近几年发展起来的汪克尔型三角转子发动机，该发动机功率大，转速高， 但其也有很多问题是不可能解决的。1、三角转子的偏心转动会产生很大的震动。2、三角转 子与汽缸壁间构成的汽缸形状是狭长的，使燃料燃烧不充分。3、发动机在工作时，汽缸内气 体膨胀后的压力被分解，有效扭矩很小，使该发动机能量转化效率较往复式发动机低，耗油 较高，只有高速赛车或飞机使用，不适合民用化。
三
发明内容
为了制造出一种成本低廉，部件极少，功率重量比超大的发动机。本发明抛弃传动 设计方案，采用全新的设计理念。本发明的设计思路为，采用转子与定子组合形式，且转子 是无偏心转动，在转动中还要实现转子与定子间构成的汽缸的容积变化。容积不但要变化， 还要保证在转子转动360度中，每个独立汽缸的容积要变大与变小两次。根据以上设计要求，本发明采用陀螺进动原理进行设计，其陀螺进动的原理为一 个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为进动。进动是自转 物体之自转轴又绕著另一轴旋转的现象，又可称作旋进。在本发明中，转子被设计成一个圆 盘状，可视它为一个陀螺，圆盘的圆周展开图设置成三次震动的简谐波状或三个连接的余 弦曲线状。定子内腔的顶面也不是平面的，而是一个“V”形的面。当转子安装在定子内部 时，转子与定子间封闭出6个独立的空间，即6个汽缸。在工作时，转子在定子内转动的同 时，转轴绕经过中心点的垂直线进动，且转动与进动比为1 3。即当转子转动360度时，进 动1080度，自此，转子与定子间构成的6个汽缸容积实现变大与变小两次，从而实现上述要 求。动力的传输是在转子中心设置一个带有空洞的球体，在球体内设置有输出轴的万 向器，此时转子即转动也进动，但输出轴仅转动。输出轴转动与转子转动同步。密封是在转 子中心的球体外设置有上下两个密封环，在转子圆周外也设置密封环，另外在定子“V”形面 的顶边位置设置密封条，从而使整机密封良好。本发明的定子圆周的一侧设置有进气口与 排气口，在定子圆周的另一侧设置有火花塞来进行点火，从而实现一个小体积，大功率的6缸发动机。本发明显著的有益效果是。1.整机仅用3大部件构成，即一个定子，一个转子，一个输出轴，运动部件仅有2 个，无曲轴，无齿轮，无气门等机构使其加工与安装容易，成本较低。2.转子在定子内部做无偏心的转动及进动，其转动是连续的，使整机震动很小，极 限转速很高。3.发动机的换气系统是在定子上设计气口即可，整机采用自然吸气与排气式，无 气体阀门机构。4.本发明中圆盘转子上下两个面分别间隔出3个独立空间，使本发明为一个小型 6缸发动机，其功率重量比超大，较适合航空方向。5.本发明输出轴扭矩由转子圆周曲线的曲率决定，且在整个做功行程，其输出扭 矩不同于现有的往复式与三角转子式发动机扭矩曲线。本发明中汽缸在膨胀冲程，其力臂 是一样的。使本发明在膨胀开始阶段，能量的利用率很高，使本发明在传统发动机的基础上 将性能进行了较大的提高。6.输出轴旋转一周过程中，旋转每间隔30度，两个汽缸间重叠做功，又因为汽缸 膨胀时力臂是一样的，所以本发明扭矩曲线在1与2之间变化，而非传统的发动机在0与1 之间变化，本发动机的能量转化效率较比传统发动机高很多。7.本发明压缩比高，可使用压燃动力。因其构件较少，无齿轮，无曲轴，结构坚固， 所以可以承受爆震威力，从而可改为爆震能量的发动机。8.本发明使用圆盘式转子构件，使其密封较容易，且摩擦力较小，能量损耗少。9.定子组成简单，所以本发明冷却容易，可直接在定子构件上设置水道或散热片， 来构成水冷或风冷散热。
四
下面结合附图和实施例对本发明进
图1本发明外观示意图
图2本发明剖面示意图
图3转子总成正视图与侧视图
图4转子总成透视图
图5输出轴分解示意图
图6圆盘转子分解示意图
图7定子壳体示意图
图8壳体点火系与换气系示意图
图9定子与转子密封示意图
图10定子与转子圆周展开示意图
图11本发明陀螺进动原理图
图12本发明进动与转动比
图13本发明转子转动原理图
图14本发明做功原理图
图15本发明做功原理表图16本发明扭矩曲线中1.输出轴2.圆盘转子2a.上转子构件2b.下转子构件3.定子壳体4.火 花塞5.壳体螺栓6.万向器构件7.万向器销8.万向器通道9.输出轴销孔10.万向器销 孔11.转子螺栓12.转子螺栓孔13.球形件14.空洞15.万向器轴孔16.转子圆周密封 槽17.壳体螺栓孔18.壳体输出轴孔19.火花塞孔20.壳体密封条21.进气口 22.排气口 23.壳体内腔顶面24.球形凹坑25.壳体密封槽26.球形件密封槽27.球形件密封环28.转 子圆周密封环29.圆盘转子中轴线30.经过转子中心点的垂直线
五
具体实施例方式1.进动转子发动机的各种部件如图1所示为发动机外观示意图，从图中可以了解到本发明的发动机形状是一个 圆柱状，输出轴(1)从圆柱的上下两个顶面中心点位置探出，用于连接负载设备。发动机的 定子是由上下两个壳体构件(3)对置拼合组成，由一圈多个壳体螺栓(5)固定。在圆柱上 下两个顶面上，位于顶面一侧的边缘位置安装有上下两个火花塞(4)，另一侧由上下壳体拼 合成发动机的进气口(21)与排气口(22)。如图2所示为本发明的剖面示意图，图中标示了本发明的几大重要构件，观察示 意图可以了解，在发动机内部，将输出轴(1)插入到圆盘转子(2)内，圆盘转子(2)的形 状很特别，其中心是一个球体，用于密封及传递动力，转子圆周展开后是三次连续的简谐波 状。由输出轴(1)与圆盘转子(2)共同组成的转子总成，安装在由上下壳体(3)组成的定 子内。该上下壳体组成的定子，其内腔顶面是非平面的，而是一个“V”形面。其作用是使转 子安装在定子内时可以间隔出6个独立的空间，并使转子可以在定子内以1 3的转动与 进动比进行旋转。因为转子在转动的同时还要进动，转子的圆周运转轨迹是球面，由上下壳 体拼合成的定子内腔的圆周面也是球面。由壳体螺栓(5)将整机进行固定，由位于壳体上 下两个顶面的火花塞(4)进行点火。如图3、4所示为本发明的转子总成的正交视图与透视图，图3中位于左侧的是圆 盘转子的正视图，位于右侧的是圆盘转子的侧视图，输出轴(1)穿过圆盘转子，位于转子中 心轴线处。圆盘转子由上转子构件(2a)与下转子构件(2b)组合而成。由图3右侧的侧视 图可了解，在设计转子时，需要注意的是在圆盘转子的上下两个面上，位于同侧面的最高点 与最低点可连成一条经过面中心点的直线，其直线上的点都在面上。另外圆盘转子厚度始 终一致，使圆盘上下两个面中，每经过面中心点连成的直线，上下两条直线是两条平行线。 图4中可以清楚的了解到输出轴(1)穿过位于圆盘转子中心的空洞(14)。其空洞的作用是 在其内部设置输出轴的万向器，使转子旋转的扭力通过万向器传递给输出轴。万向器上的 轴由上下转子构件(2a) (2b)进行固定，在每个构件上设置有3个转子螺栓(11)将两个转 子构件对置牢牢固定，由以上构件构成了本发明的转子总成。如图5所示为输出轴的分解示意图，图中可看到在输出轴(1)中心部位设置有万 向器通道(8)，其内部放置输出轴的万向器构件(6)，在输出轴上还设置有输出轴销孔(9)， 在万向器构件(6)上设置有万向器销孔(10)，安装时将万向器销(7)穿过输出轴上的销孔 (9)再穿过万向器构件的销孔(10)将万向器构件(7)固定在输出轴上。
5
如图6所示为本发动机的圆盘转子分解示意图，在图中圆盘转子由上转子构件 (2a)与下转子构件(2b)对置拼合而成。由多个转子螺栓(11)插入转子螺栓孔(12)内进 行固定。位于圆盘转子中心点位置，设置有一个球形件(13)，球形件的中心位置设有上下通 透的空洞(14)，该球形件是由上下转子构件的半球体拼合而成，其是起到密封的作用。在空 洞(14)及两个圆盘内侧设置有万向器轴孔(15)，其作用是固定万向器构件(6)的轴。在上 下转子构件边缘位置，由上下转子对置组成转子圆周密封槽(16)，其内部可放置密封环用 于缸体密封，由以上构件即可组成本发明的圆盘转子(2)。如图7所示为本发明的定子构件示意图，本发明的定子是由上下两个壳体(3)对 置组合而成，上下两个壳体外形一致，在壳外顶面设置有火花塞(4)，火花塞穿过火花塞孔 (19)在壳体内部探出。壳体圆周设置有一圈多个壳体螺栓孔(17)，用于壳体螺栓(5)穿过 将下上壳体进行固定，组成定子。在每个壳体构件的中心位置设置有输出轴孔(18)，在壳体 构件内腔的“V”形面(23)的顶边上设置有壳体密封条(20)用于将汽缸密封。由上下两个 壳体构件组合成定子的进气口(21)与排气口(22)。当设计冷却系时，可直接在壳体上设置 散热片或在壳体上设置水道，构成风冷或水冷散热。如图8所示为本发明的点火构件与换气构件示意图，图中可清楚的看到本发明的 一半壳体样式，在壳体的圆周壁上设置有进气口(21)，排气口(22)。在壳体内腔的“V”形面 (23)上，与两个气口对置180度的位置，设置有火花塞孔(19)。其火花塞与进排气口刚好位 于定子内部“V”形面上顶边的两端。另外该火花塞孔并非与气口完全对称，其要位于壳体 密封槽(25)的一侧，并离排气口稍微近一些，以用于点燃压缩后的气体。在“V”形面(23) 的中心位置，设置有的球形凹坑(24)。当定子被固定后，上下两个面上的球形凹坑(24)组 合后，其形状还是球形面，其中心点与定子腔的正中心重合。该球形凹坑(24)与圆盘转子 中心的球形件(13)相匹配，其作用是对转子与定子间构成的汽缸进行密封，防止气体通过 输出轴孔(18)泄露。如图9所示为定子与转子密封示意图，本发明的密封方式与传统发动机不同，本 发明即在定子上设置密封构件也在转子上设置密封构件。左侧图是在定子上设置的密封构 件，在定子的“V”形面上，位于顶边的位置设置有两条直线状的壳体密封槽(25)，在槽内设 置有壳体密封条(20)。右侧图是在转子上设置的两种密封构件。第一种为在转子中心的球 形件上设置有上下两个球形件密封槽(26)，在槽内设置有球形件密封环(27)，第二种为在 转子的外圈圆周位置设置有转子圆周密封槽(16)，在槽内设置有转子圆周密封环(28)。由 以上三种密封构件构成本发明的密封系统。使本发明的密封容易，且在转子转动时，摩擦阻 力较小，使整机有着很高的能量转化效率。如图10所示为本发明的定子与转子的圆周展开图，图中上下两个图形是定子圆 周展开的延长图(3)，位于中心的波浪状的图形为圆盘转子圆周展开图(2)。当转子在定子 内运转时，就好比本图中的⑵在⑶内横向位移，使其上下所间隔出的独立空间实现容积 周期性变化。需要注意的是，本发明转子圆周是三次简谐波状，而定子顶面是“V”形面，所以 转子在定子腔内转动及进动时，其间隔出的汽缸容积是有顺序变化的，而不是同时变化的。 如图10中的(2)与(3)仅能说明其运动时汽缸的变化原理，但不是完全相同的。如图11、12所示为本发明陀螺进动原理图及本发明转动与进动比。本发明中的圆 盘转子在定子腔内的转动与进动是同时进行的，图11可以了解到本发明圆盘转子的转动是绕转子中轴线(29)进行的。其进动是中轴线又绕经过转子中心点的一条垂直线(30)进 行的。图12表示了其转动与进动比为1 3，即当转子转动120度时，进动了 360度；当转 子转动240度时，进动了 720度；当转子转动360度时，进动了 1080度。通过以上转动与进 动比，本发明即可实现汽缸间容积的周期性变化，实现四冲程原理。如图13所示为本发明的运动原理图，图中位于左侧的是侧视图，位于右侧的是正 视图。观察图可了解到转子在转动一周过程中，每转动90度，单个汽缸的冲程变化一次。当 转子转动一周后，单个汽缸的冲程变化4次，刚好实现四冲程原理。因为本发明圆盘转子与 定子间共间隔处6汽缸，所以当转子转动一周时，6个汽缸分别实现一次循环，所以本发明 是一个6缸发动机，其功率重量相当大。另外本发明的运动部件少，在加工部件时其部件的 强度很大，可以承受压燃的爆震威力，所以本发明还可以改为压燃的点火方式，使能量利用 率大幅度提高。如图14所示为本发动机的做功原理图，图中所示为圆盘转子转动一周时，转子一 侧的面与定子所间隔出的汽缸的变化过程。其中A、B、C表示三个汽缸，从图中可以看出转 子逆时针转动时，由右侧上方的气口负责进气，右侧下方的气口负责排气。当转子转动一 周，即输出轴转动360度时，圆盘转子与定子所间隔出的汽缸也分别旋转360度。如图表15所示为转子与定子间所构成的6个汽缸间的变化过程，其中A、B、C表示 圆盘转子一侧的汽缸，Al、Bl、C1表示圆盘转子另一侧的汽缸。需要注意的是A1与A是在 圆盘转子上对置的两个汽缸，B1与B是对置的两个汽缸，C1与C是对置的两个汽缸。其转动过程为当转子由0度转动到90度时，汽缸A实现进气过程。当转子由90度 转动到180度时，汽缸A实现压缩过程。当转子由180度转动到270度时，汽缸A实现膨胀 过程。当转子由270度转动到360度时，汽缸A实现排气过程；当转子由0度转动到60度 时，汽缸B实现压缩过程。当转子由60度转动到150度时，汽缸B实现膨胀过程。当转子 由150度转动到240度时，汽缸B实现排气过程。当转子由240度转动到330度时，汽缸B 实现进气过程。当转子由330度转动到360度时，汽缸B实现压缩过程；当转子由0度转动 到30度时，汽缸C实现膨胀过程。当转子由30度转动到120度时，汽缸C实现排气过程。 当转子由120度转动到210度时，汽缸C实现进气过程。当转子由210度转动到300度时， 汽缸C实现压缩过程。当转子由300度转动到360度时，汽缸C实现膨胀过程。当转子由0度转动到90度时，汽缸A1实现膨胀过程。当转子由90度转动到180 度时，汽缸A1实现排气过程。当转子由180度转动到270度时，汽缸A1实现进气过程。当 转子由270度转动到360度时，汽缸A实现压缩过程；当转子由0度转动到60度时，汽缸B1 实现排气过程。当转子由60度转动到150度时，汽缸B1实现进气过程。当转子由150度 转动到240度时，汽缸B1实现压缩过程。当转子由240度转动到330度时，汽缸B1实现膨 胀过程。当转子由330度转动到360度时，汽缸B1实现排气过程；当转子由0度转动到30 度时，汽缸C1实现进气过程。当转子由30度转动到120度时，汽缸C1实现压缩过程。当 转子由120度转动到210度时，汽缸C1实现膨胀过程。当转子由210度转动到300度时， 汽缸C1实现排气过程。当转子由300度转动到360度时，汽缸C1实现进气过程。由以上过程可以分析出6个汽缸的工作过程为每个汽缸持续90度开始下一个冲 程。转子每转动30度，6个汽缸中某2个汽缸开始下一个冲程，且该2个汽缸的冲程是对应 的，即进气或膨胀，排气或压缩。转子运转每间隔30度，6个汽缸中某2个汽缸做功重叠一次，并持续30度，所以本发动机高速运转时有着很高的扭矩输出值。另外因为本发明采用了进动与转动形式实现汽缸容积变化，所以在单个汽缸膨胀 的整段行程，其扭矩始终是相同的，并不像传统发动机那样，其扭矩在0与1之间变化。又 因为做功重叠，所以本发动机扭矩在1与2之间变化，整机能量转化效率相当高。如图16所示为本发明与现有发动机的扭矩曲线图，图中所示当输出轴旋转一周 时各种发动机的扭矩变化形式。曲线1为本发明的发动机扭矩曲线，其扭矩曲线始终无零 点，非余弦形式，因为做功有重叠所以是在1与2之间变化。也可结合图10来理解为何本发 动机扭矩无零点。曲线2为往复式发动机的扭矩变化，曲线3为三角活塞式扭矩变化。由以 上分析可知，本发明在现有发动机的基础上性能有着很大的提高，其能量转化效率相当高。以上所描述的是本发明做为发动机的原理，当将本发明中的火花塞去掉，在定子 的圆周上再设置一对气口时，即将定子的圆周间隔180度设置有对置的两对气口时，本发 明即可改为泵或气液动设备。
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权利要求
一种进动转子发动机，由圆盘转子构件与输出轴构件组成转子总成，由上下两个对置的壳体组成圆柱状定子，转子在定子内以1∶3的转动与进动比进行旋转，使转子与定子间构成的6个汽缸容积发生周期性变化，由壳体圆周一侧的一对气口实现进气与排气，由壳体另一侧的火花塞负责打火，实现四冲程原理，构成发动机，也可将本发明改为泵或气液动设备。
2.根据权利要求1所述，其特征在于圆盘转子由上转子构件与下转子构件对置拼合， 由转子螺栓固定而成；当转子运转时，圆盘转子的圆周面运动轨迹是一个球形的面；其放 置的定子内腔圆周面也是一个球形的面。
3.根据权利要求2所述，其特征在于在上下转子构件的中心位置设置有半球形构件， 转子组合后，上下两个半球形够件可拼合成一个球形体；在球体的中心处设有上下通透的 空洞，输出轴穿过此空洞；在该空洞内设置输出轴的万向器，使圆盘转子的转动可以通过该 万向器传递给输出轴。
4.根据权利要求3所述，其特征在于将圆盘转子的扭力通过万向器构件传递给输出 轴，该万向器构件安装在输出轴中心位置的万向器通道内；在输出轴与万向器构件上分别 设置有销孔，用于将万向器销穿过，将万向器固定的在输出轴上；万向器构件两端的轴由上 下转子构件拼合成的轴孔进行固定。
5.根据权利要求1所述，其特征在于本发明中的圆盘转子的圆周展开图是三次简谐波 状或三个连续的余弦曲线状；本发明中的定子内腔的上下两个顶面也不是平面，而是“V” 形面；圆盘转子安装在定子内后，圆盘转子与定子间上下两侧各间隔出3个汽缸，使本发动 机共有6个汽缸。
6.根据权利要求5所述，其特征在于在圆盘转子同侧的面最高点与最低点，且经过中 心点的连线是一条直线，该直线上的点都在圆盘转子的面上；圆盘转子厚度始终一致，使圆 盘上下两个面中，每经过面中心点连成的直线，上下两条直线是两条平行线。
7.据权利要求1所述，其特征在于转子在定子内转动的同时还要进动，其转动与进动 比为1 3;圆盘的转动是以圆盘自身中轴线为轴，进动是转轴以经过圆盘中心点的垂直线 为轴；转子与定子间所构成的汽缸，在转子转动360度时，每个汽缸容积变大与变小两次。
8.据权利要求1所述，其特征在于本发明的密封使用了三种密封构件，第一种是在圆 盘转子中心位置的球形件上设置上下两个密封环；第二种是在圆盘转子的圆周外侧设置一 个密封环；第三种是在定子腔的上下两个“V”形面的顶边处，每个面设置两个密封条。
9.据权利要求1所述，其特征在于本发明的火花塞位于壳体外两个顶面的边缘处，每 个面各设置有一个火花塞；本发明的输出轴孔位于圆柱顶面的中心点位置；以输出轴孔为 轴点与火花塞对置180度的位置，在壳体圆周侧壁上，由上下壳体拼合成定子的进气口与 排气口。
10.据权利要求1、9所述，其特征在于如将本发明中的火花塞去掉，并在定子的圆周 上，间隔180度设置有对置的两对气口时，本发明即可改为泵或气液动设备。
全文摘要
一种进动转子发动机，由圆盘转子构件与输出轴构件组成转子总成，由上下两个对置的壳体组成圆柱状定子，转子在定子内以1∶3的转动与进动比进行旋转，使转子与定子间构成的6个汽缸容积发生周期性变化，由壳体圆周一侧的一对气口实现进气与排气，由壳体另一侧的火花塞负责打火，实现四冲程原理，构成一个功率重量比超大的6缸发动机。
文档编号F02B55/02GK101852124SQ200910104549
公开日2010年10月6日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者尚世群 申请人:尚世群