CN101235727A - 容积式流体机械联动变容机构 - Google Patents

Abstract

容积式流体机械联动变容机构包括外转子(1)、内转子(2)、联动板(3)；内转子(2)的外径小于外转子(1)的内径，内转子(2)位于外转子(1)内部，且内转子(2)与外转子(1)的转动轴不重合；在内转子(2)上设有内铰孔(21)，在外转子(1)上设有外铰孔(11)，联动板(3)的两边分别设有外铰轴(31)、内铰轴(32)，其中外铰轴(31)铰接在外铰孔(11)中，内铰轴(32)铰接在内铰孔(21)中。该机构用于流体工作机械时，驱动方式可演变为外转子推动内转子、外转子带动内转子、内转子推动外转子、内转子带动外转子四种方式。用于流体原动机械时，动力可由外转子输出，也可由内转子输出，如果改变流体供给的方向，即可改变转动方向。

Description

容积式流体机械联动变容机构

技术领域

本发明属于容积式流体机械领域，具体涉及一种联动回转变容机构。可用于流体工作机械和流体原动机械。

背景技术：

流体机械：以流体为工作介质来转换能量的机械。通常包括水轮机、汽轮机、燃气轮机、膨胀机、风力机、泵、通风机、压缩机、风动工具、气动马达和液压马达等。

容积式：根据工作原理，流体机械可分为容积式和叶片式。容积式流体机械依靠运动元件改变工作容积来实现能量转化。

根据结构，容积式流体机械主要有往复式和回转式两种变容方式。

往复式流体机械变容方式结构复杂，活塞的往复运动与气缸的相对运动速度大，能量损失大，磨损严重。

回转式流体机械的变容机构主要有转子式、滑片式、螺杆式和涡旋式等几种。这几种变容机构均存在高速扫膛运动或啮合运动，且螺杆机构和蜗旋机构加工工艺复杂，精度要求高，成本大。

上述几种变容机构均存在因其运动部件的高速相对运动或啮合运动而造成磨损严重，能量损耗大，效率低，或因加工工艺复杂，精度要求高，而导致成本高等问题。回转式变容机构一般仅用于工作机械，鲜有原动机使用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种容积式流体机械联动变容机构，该机构结构简单，零件数量极少，联接和驱动方式灵活。用于流体工作机械时，驱动方式可演变为外转子推动内转子、外转子带动内转子、内转子推动外转子、内转子带动外转子四种方式。用于流体原动机械时，动力可由外转子输出，也可由内转子输出，如果改变流体供给的方向，即可改变转动方向。

技术方案：本发明的容积式流体机械联动变容机构包括外转子、内转子、联动板；内转子的外径小于外转子的内径，内转子位于外转子内部，且内转子与外转子的转动轴不重合；在内转子上设有内铰孔，在外转子上设有外铰孔，联动板的两边分别设有外铰轴、内铰轴，其中外铰轴铰接在外铰孔中，内铰轴铰接在内铰孔中。

外转子呈圆筒状，其内表面开有轴向的、形状似希腊字母“Ω”的外铰孔，孔内可镶衬套或置轴承，并开设油孔、油道。

内转子呈圆柱状，其外表面也开有轴向的呈“Ω”形的内铰孔，孔内可镶衬套或置轴承、开设油孔、油道。

联动板呈板状，其两边为柱形铰轴，与外转子的相连边为外铰轴，与内转子的相连边为内铰轴，外铰轴轴心线与内铰轴轴心线之间的宽度大于外转子的外铰孔圆心线至外转子轴心线的距离加外转子轴心线至内转子轴心线的距离与内转子的内铰孔圆心线至内转子轴心线的距离之差。

工作原理

1、零件间的装配关系内转子置于外转子之中，外转子绕外转子轴心线转动，内转子绕内转子轴心线转动。外转子轴心线与内转子轴心线之间的距离为外转子内径尺寸与内转子外径尺寸之差的一半，以使内转子的外表面与外转子的内表面做相切运动形成的密封带，与联动板共同组成工作腔。联动板置于内转子和外转子之间，其外铰轴置入外转子的外铰孔，使其铰接于外转子的内表面，内铰轴置入内转子的内铰孔，使其铰接于内转子的外表面，内铰轴和外铰轴随着内转子和外转子的转动在一定范围内摆动。铰接部位既保持活动又保证密封，以便与内转子外表面和外转子内表面及其相切形成的密封带共同组成压缩腔和等压腔。

2、各零件的功用：

外转子：

外转子的外铰孔与联动板的外铰轴相铰接，其内表面与内转子的外表面相切，此时，外转子与内转子、联动板共同组成压缩腔和等压腔，并传递或接受动力。

当外转子绕外转子轴心线顺时针方向转动时，外铰孔和外铰轴带动联动板的内铰轴和内转子的内铰孔，使内转子绕内转子轴心线一起作顺时针转动。内转子转动方向与外转子转动方向相同，但轴心线各异。

当外转子绕外转子轴心线逆时针方向转动时，外铰孔和外铰轴推动联动板的内铰轴和内转子的内铰孔，使内转子绕内转子轴心线一起作逆时针转动。内转子转动方向与外转子转动方向相同，但轴心线各异。

同样，当内转子绕内转子轴心线顺时针方向转动时，内铰孔和内铰轴推动联动板的外铰轴和外转子的外铰孔，使外转子绕外转子轴心线一起作顺时针转动。外转子转动方向与内转子转动方向相同，但轴心线各异。

当内转子绕内转子轴心线逆时针方向转动时，内铰孔和内铰轴带动联动板的外铰轴和外转子的外铰孔，使外转子绕外转子轴心线一起作逆时针转动。外转子转动方向与内转子转动方向相同，但轴心线各异。

内转子：

内转子的内铰孔与联动板的内铰轴相铰接，其外表面与外转子的内表面相切，与外转子、联动板共同组成压缩腔和等压腔，并传递或接受动力。

其功用分析类同于外转子。

联动板：

联动板的外铰轴铰接于外转子的外铰孔，内铰轴铰接于内转子的内铰孔，其接点既保证联动板能活动，又保证其密封。联动板与内转子等长，并与内转子外表面、外转子内表面及此二表面相切后所形成的密封带共同组成压缩腔和等压腔，同时承受流体压力，并传递动力。

3、工作过程分析：

内转子置于外转子之中，两者均绕各自的轴心线转动。外转子轴心线与内转子轴心线之间的距离为外转子内径尺寸与内转子外径尺寸之差的一半，以保证内转子外表面与外转子内表面做相切运动形成密封带。外转子与内转子间用联动板铰接，内转子、外转子、联动板三者共同组成工作腔。当内转子、外转子转动时，由于有联动板相连，故两者转动一周所需的时间相同，其切点的相对运动距离仅为外转子内径周长与内转子外径周长之差，与非联动旋转方式如滑片式的机构相比，后者相对运动距离为滑片扫膛外径周长，故本机构相对运动小，零件磨损小，效率高。

虽然其工作方式有许多种，但其工作原理基本相同，以下仅以作工作机械时外转子推动内转子作逆时针方向转动时的工作情况加以分析：

在外力作用下，外转子绕外转子轴心线作逆时针方向转动，其作用力作用于外铰轴，方向为外转子的切线方向，且与转动方向一致，该力作用于联动板并通过联动板作用于内转子的内铰孔，由于联动板外铰轴轴心线与内铰轴轴心线之间的宽度大于外转子的外铰孔圆心线至外转子轴心线的距离加外转子轴心线至内转子轴心线的距离与内转子的内铰孔圆心线至内转子轴心线的距离之差，故夹角β始终小于180°，其内铰孔的作用力方向不会经过内转子的轴心线而形成死点，从而使内转子绕其轴心线作逆时针方向转动，联动板也不会出现反向摆动。当α＞0时，等压腔容积逐渐变大，流体进入等压腔，当转动至α＝0时，等压腔容积变至最大值，流入过程结束。随着转动的继续，压缩腔容积变小，压缩开始，流体被压出压缩腔，同时等压腔容积逐渐变大，流体进入等压腔，转动至α＝0时，压缩腔容积变至最小值，压缩过程结束，流体通过排出孔排出，同时等压腔容积又变至最大值，流入过程结束。如此循环，转子每转两周，联动板两侧的工作腔分别完成流进和压缩排出，流体的进入和压缩在联动板两侧同时进行，故工作效率高。

有益效果：本机构结构简单，零件数量极少，联接和驱动方式灵活。因其结构的特殊性，用于流体工作机械时，驱动方式可演变为四种方式，即：1、外转子推动内转子，2、外转子带动内转子，3、内转子推动外转子，4、内转子带动外转子。用于流体原动机械时，动力可由外转子输出，也可由内转子输出，如改变流体供给的方向，即可改变转动方向。

另外，本机构的零件易于加工制造：外转子为圆筒状结构，内转子为圆柱状结构，利用普通的车磨刨钻技术即可完成；联动板的加工利用锻压、焊接技术或直接选用型材，加以磨削加工即可。整个机构装配、维修简单，无需复杂的专用设备，很容易实现流水线批量生产。

附图说明

图1是工作原理静态结构示意图，

图2是工作原理动态结构示意图，

图3是联动板位置原理结构示意图，

图4是整体结构示意图，

图5是联动原理结构示意图。

以上的图中有：外转子1、外铰孔11、外转子轴心线12、内表面13，内转子2、内铰孔21、内转子轴心线22、外表面23，联动板3、外铰轴31、内铰轴32，压缩腔4，切点5，等压腔6。

α：外铰孔11与切点5之间相对于外转子轴心线之间的夹角。

β：联动板3围绕内铰孔21摆动，其内铰轴32轴心线与外铰轴31轴心线之间的连线与内转子内铰孔21圆心线至内转子轴心线22之间的夹角。

具体实施方式：

外转子：外转子呈圆筒状。其直径及长度尺寸系根据排量、压缩比和转动速度以及其它相关因素计算确定。其内表面开有轴向的、形状似希腊字母“Ω”的铰接槽，称外铰孔，孔内可镶衬套或置轴承，并开设油孔、油道。该槽的切边尺寸及其相位，与内转子外径尺寸、外转子内径尺寸、联动板的截面形状、受控容积的大小以及流体介质的种类有关，其上可有一至多个孔道以供流体流进或排出，亦可根据需要在流体流入口或流出口各安置阀门。

内转子：内转子呈圆柱状。其直径及长度尺寸也是根据排量、压缩比、转动速度以及其它相关因素计算确定。其外表面也开有轴向的呈“Ω”形的铰接槽，称内铰孔，孔内也可镶衬套或置轴承、开设油孔油道。该槽的切边尺寸及其相位，与内转子外径尺寸、外转子内径尺寸、联动板的截面形状、受控容积的大小以及流体介质的种类有关。其上可有一至多个孔道以供流体流进或排出，亦可根据需要在流体流入口或流出口各安置阀门。

联动板：联动板呈板状，其横截面可以是直的，也可以是“S”形等异型状。长度与内转子等长，也可多段设计。其两边为柱形铰轴，与外转子的相连边称外铰轴，与内转子的相连边称内铰轴。外铰轴轴心线与内铰轴轴心线之间的宽度应大于外转子的外铰孔圆心线至外转子轴心线的距离加外转子轴心线至内转子轴心线的距离与内转子的内铰孔圆心线至内转子轴心线的距离之差。铰轴柱面及板体两头可设置油孔、油道、减磨圈、密封圈等，用以进行密封、减压和润滑。

理论分析：

本机构的实质是：外转子轴心线、内转子轴心线、内铰孔、外铰孔四点间的关系是一个双曲柄机构，将外转子轴心线与内转子轴心线间视为机架，外铰孔与外转子轴心线间视为曲柄一、内铰孔与内转子轴心线间视为曲柄二，联动板视为连杆。如果曲柄二的长度加连杆的长度大于曲柄一的长度加机架的长度，机构就不会形成自锁(死点)，系统就能稳定地运行。

因其结构的特殊性，本机构用作流体工作机械时驱动方式可演变为四种方式，即：1、外转子推动内转子，2、外转子带动内转子，3、内转子推动外转子，4、内转子带动外转子。用于流体原动机械时，动力可由外转子输出，也可由内转子输出，如果改变流体供给的方向，即可改变转动方向。

解决几个具体问题的措施：

本机构的内转子绕内转子轴心线转动、外转子绕外转子轴心线转动，内转子轴心线与外转子轴心线相距为外转子内径尺寸与内转子外径尺寸之差的一半，从而使内转子外表面与外转子内表面相切。由于两者轴心线相对位置固定不变，那么，置于内转子、外转子之间并联结内转子、外转子的联动板如何通过切点处呢？

本机构采取了以下措施：

1、内转子、外转子的联接点分别嵌于其内转子外表面、外转子内表面内。

2、以内转子、外转子各自的联接点为中心，向联动板方向开挖“V”型切口，与转子壁内圆形联接孔形成“Ω”形铰接孔槽，该槽的开口角度及相位，可由内转子、外转子直径尺寸差、轴头尺寸和联动板厚度尺寸等参数计算获得，以保证内转子、外转子转动时联动板的自由摆动。如将联动板横截面设计成“S”形等异型状，可改变内转子外表面、外转子内表面“Ω”形槽切边的尺寸和相位，从而使切口最短，应力分布更加合理，效率更高。

3、由于联动板的外铰轴轴心线与内铰轴轴心线之间的宽度大于外转子的外铰孔圆心线至外转子轴心线的距离加外转子轴心线至内转子轴心线的距离与内转子的内铰孔圆心线至内转子轴心线的距离之差，故能构成稳定的运转机构，其夹角β始终会小于180°，联动板在随内转子、外转子运动时，不会出现反向摆动，其摆动幅度不会大于180°，内铰孔、外铰孔的切口宽度均会小于其直径，故能构成类似于汽车转向机构拉杆球头状的联接。

“Ω”切槽的作用：

1、铰接安装联动板，传递或接受动力，承受拉力或压力。

2、与联动板内铰轴和外铰轴相互铰接，以使联动板能与内转子、外转子组成等压腔和压缩腔。

3、在内转子外表面、外转子内表面相切处形成一个似矩形的空间(见图1)以容纳联动板，使联动板随内转子、外转子转动时能顺利通过切点。

4、在“Ω”直线切边上可布置流体进出孔或阀门，解决使流体按要求流动的问题。一般情况下，内转子长切边上布置流进孔，外转子长切边上布置排出孔。

关于本机构的应用：

本机构结构简单，零件数量极少，联接方式灵活。因其结构的特殊性，用于流体工作机械时，驱动方式可演变为四种方式，即：1、外转子推动内转子，2、外转子带动内转子，3、内转子推动外转子，4、内转子带动外转子。当动力通过外转子输入时，甚至可以将外转子设计成电机的转子直接驱动。用于流体原动机械时，动力可由外转子输出，也可由内转子输出，如改变流体供给的方向，即可改变转动方向。

内转子、外转子绕各自的轴心线转动，其平衡问题无需特别措施。

内转子、外转子直径及长度尺寸根据排量、压缩比、转动速度以及其它相关因素计算确定。

外转子外表面可增加环状或轴向加强筋，内转子内部可开挖减重工艺孔，这样做不仅可以增加强度，节省材料，减轻重量，而且对零部件及系统的平衡更为有利。

能较容易地解决润滑、密封、减压和减磨问题：内铰孔和外铰孔内可镶衬套或置轴承、设油孔、油道，内转子、外转子两端亦可设置油孔、油道、安置减磨圈、密封圈；联动板内铰轴、外铰轴柱面及联动板两头部位也同样可安放减磨圈、密封圈、设置油孔、油道。

内转子、外转子“Ω”切槽切边的角度及相位可通过计算得到。

内转子、外转子根据工况需要，在其上不同部位可开出一至多个孔道以供流体流进或排出，并可根据需要设置安装阀门，流体流进或排出容易连接。

联动板长度尺寸与内转子相同，外铰轴轴心线与内铰轴轴心线之间的宽度大于外转子的外铰孔圆心线至外转子轴心线的距离加外转子轴心线至内转子轴心线的距离与内转子的内铰孔圆心线至内转子轴心线的距离之差，联动板横截面可以是直的，也可以是“S”形等异型状，以改变内转子、外转子表面“Ω”形槽切边的尺寸大小和相位，从而改善受力和减小过渡行程，进一步提高效率。

联动板也可多段设计，以分别承受拉力和压力，改善应力分布，进一步提高可靠性。

本机构可分级或多级串联，以适应不同的工况要求，进一步优化和提高系统效率。

作原动机时，可用两组以上本机构错位布置，以消除死角。

虽然本机构用途广泛，但因其结构及应用简单，可以较为准确地建立本机构的功能模型、效率模型、应力模型、泄漏模型、磨损模型等相关模型，从而方便地建立本机构装置的规格化、模块化、系列化。

另外，本机构的零件易于加工制造：外转子为圆筒状结构，内转子为圆柱状结构，利用普通的车磨刨钻技术即可完成；联动板的加工利用锻压、焊接技术或直接选用型材，加以磨削加工即可。整个机构装配、维修简单，无需复杂的专用设备，很容易实现流水线批量生产。

Claims (5)

1.一种容积式流体机械联动变容机构，其特征在于该机构包括外转子(1)、内转子(2)、联动板(3)；内转子(2)的外径小于外转子(1)的内径，内转子(2)位于外转子(1)内部，且内转子(2)与外转子(1)的转动轴不重合；在内转子(2)上设有内铰孔(21)，在外转子(1)上设有外铰孔(11)，联动板(3)的两边分别设有外铰轴(31)、内铰轴(32)，其中外铰轴(31)铰接在外铰孔(11)中，内铰轴(32)铰接在内铰孔(21)中。

2.根据权利要求1所述的容积式流体机械联动变容机构，其特征在于外转子(1)呈圆筒状，其内表面开有轴向的、形状似希腊字母“Ω”的外铰孔(11)，孔内镶衬套或置轴承，并开设油孔、油道。

3.根据权利要求1所述的容积式流体机械联动变容机构，其特征在于内转子(2)呈圆柱状，其外表面也开有轴向的呈“Ω”形的内铰孔(21)，孔内镶衬套或置轴承、开设油孔、油道。

4、根据权利要求1所述的容积式流体机械联动变容机构，其特征在于联动板(3)的外铰轴(31)轴心线与内铰轴(32)轴心线之间的宽度大于外转子(1)的外铰孔(11)圆心线至外转子轴心线(12)的距离加外转子轴心线(12)至内转子轴心线(22)的距离与内转子(2)的内铰孔(21)圆心线至内转子轴心线(22)的距离之差。

5、根据权利要求1所述的的容积式流体机械联动变容机构，其特征在于联动板(3)沿内铰轴(32)轴心线方向的长度与内转子(2)沿其轴心线方向的长度相同。

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