CN101566074A - 一种可变活塞行程的机械传动方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变活塞行程的机械传动方法及其装置。它是在曲柄摇杆式平面4杆机构的基础上增加第二连杆并设定摇杆支点的移动轨迹，第二连杆的一端与活塞相连，另一端安装在曲柄摇杆机构的连杆和摇杆的节点上，形成一个活动的公共节点，当曲柄旋转时连杆和摇杆的节点形成的回转运动通过第二连杆牵引活塞在缸套内作往复直线运动，摇杆支点沿特定的移动轨迹移动到不同位置，使活塞获得不同距离的往复运动行程，同时也使活塞运动的上止点处于所设定的高度位置。本发明可适时调整汽车用内燃机的最大功率，实现汽车低负荷状态下节约燃油的目的。本发明还可用于往复活塞式流体压缩、输送的泵机，可适时改变流体输出时流量或压力，减少能源或资源浪费。

Description

一种可变活塞行程的机械传动方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种机械传动方法及其装置，特别是涉及一种可变活塞行程的往复活塞式机械传动方法及其装置。

背景技术

旋转的曲柄连杆机构推动活塞在圆柱形缸套内往复直线运动是往复活塞式内燃机和活塞式流体压缩、输送泵机的典型传动机构。活塞行程的上、下位置极限点之间在缸内形成的容积变化量称之为排量，由于活塞直径也是不可改变的，曲柄连杆机构是刚性的、不可调整的，因此这类往复活塞式传动机构的排量都是固定的、不可变化的，目前往复活塞式内燃机和往复活塞式流体压缩、输送泵机的传动机构都属于这一范畴。

往复活塞式内燃机是一种以燃油、燃气为燃料的热力发动机，往复活塞式内燃机最大功率是与其排量大小直接相关，如果往复活塞式内燃机的排量不发生变化其最大功率也是固定不变的，目前汽车用内燃机绝大多数为往复活塞式内燃机。在汽车设计过程中都是按最大的负载质量、最高的车速、最短时间的加速性能、最大的爬坡角度等极限指标配置内燃机的最大功率。虽然车用内燃机的最大功率满足了汽车在上述极限负荷情况下的行驶要求，而汽车实际使用过程中在相当多的情形下并非处于这种极限状态，例如在市区内中、低速行驶的汽车，空载或少载的行驶汽车等等。汽车在这种低负荷状态下行驶所需要的功率就小得多，这时由设计配置的车用内燃机最大功率就有着很大富余，这就迫使内燃机只能在低转速、低负荷状态下工作。往复活塞式内燃机在低负荷状态工作时燃料消耗高且污染严重是由其特性决定的，往复活塞式内燃机的特性显示：内燃机在低转速、低负荷工作状态的燃料消耗和排气污染远高于转速较高的、负荷较大的经济运行区域，这种内燃机的特性也是造成汽车用内燃机热效率低、污染严重的重要原因。因此，根据汽车实际使用过程中负荷的大小变化，适时调整内燃机活塞的行程即调整内燃机的最大功率，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域，才能从根本上消除内燃机在低负荷状态下燃油消耗高、污染严重的性能缺陷。

目前往复活塞式流体压缩、输送泵机的最大排量和压力都是恒定不变的，工业项目在选配这类机械设备时都是按所需的最高压力和最大流量配置的，设备运行时当系统不需要最高压力和最大流量时，只能通过溢流排出或停机再启动的办法解决，这就势必造成能源或资源的浪费。如果往复活塞式流体压缩、输送泵机能根据系统压力和流量的需要，通过改变活塞的行程适时调整输出流体的压力和流量并保持其连续运行，必将取得节约能源和资源的效果。

发明内容

本发明的目的一是提供一种可变活塞行程的机械传动方法，它是通过改变活塞行程达到改变往复活塞式内燃机最大功率、改变往复活塞式流体压缩、输送泵机排量和压力的机械传动装置。

本发明的目的二是提供一种实现上述方法的机械传动装置。

本发明的目的一是通过以下途径实现的，它是在曲柄摇杆式平面4杆机构的基础上增加第二连杆并设定摇杆支点的移动轨迹；第二连杆的一端与活塞相连，另一端安装在曲柄摇杆机构的连杆和摇杆的节点上，形成一个活动的公共节点，当曲柄旋转时连杆和摇杆的节点形成的廻转运动通过第二连杆牵引活塞在缸套内作往复直线运动；摇杆支点沿特定的移动轨迹移动到不同位置，使活塞获得不同距离的往复运动行程，同时也使活塞运动的上止点处于所设定的高度位置。

本发明的目的二是通过以下途径实现的。它含机体、缸套、曲轴、第一连杆、公共节点销、活塞、活塞销、第二连杆、摇杆、摇杆销、滑槽、滑块等零件。曲轴设置在机体中心的一侧，摇杆及控制摇杆支点移动的滑槽设置在机体中心的另一侧。第一连杆的下端安装在曲轴的曲柄销上，第二连杆的上端通过活塞销与活塞连接，摇杆通过摇杆销和滑块将摇杆的支点端安装在滑槽中，公共节点销将第一连杆的上端、第二连杆的下端、摇杆的廻转端同轴地连接在一起形成一个活动的公共节点。滑槽被加工固定在机体上，摇杆的支点通过摇杆销、滑块在滑槽中沿移动轨迹移动。滑槽的移动轨迹是按活塞行程的变动量大小、不同排量的活塞上止点位置变化要求设计确定的，移动轨迹既保证了排量变化的幅度也保证了排量变化时活塞所需要的上止点位置。

本发明的有益效果是：1.本发明的原理应用于汽车用往复活塞式内燃机，通过改变活塞的行程实时调整内燃机的最大功率，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域，达到汽车低负荷状态下行驶节约燃油和降低污染的目的。2.本发明运用到往复活塞式内燃机上只是改变了内燃机机体和机体内的传动方式和零件结构，现代车用内燃机的配气机构、进排气系统、燃油供给系统、燃烧方式、冷却系统、润滑系统、电器系统以及缸盖、活塞、汽缸套等零部件均可直接沿用，有利于充分利用现代内燃机先进技术和现成零部件，降低制造成本和缩短研发周期。3.本发明的原理适应于所有负荷变化较大的以往复活塞式内燃机为动力的其他机动车、船等运输工具和工程机械、农业植保机械等。4.本发明的原理可广泛应用于往复活塞式流体压缩、输送的泵机等。

附图说明

图1是本发明的传动方法原理图。

图2是本发明传动装置的结构图。

图3、图4是本发明传动装置的活塞最大行程时的传动原理图。

图5、图6是本发明传动装置的活塞最小行程时的传动原理图。

图中：1.机体，2.曲柄，3.第一连杆，4.摇杆，5.公共节点销，6.第二连杆，7.活塞，8.活塞销，9.缸套，10.拨叉轴，11.拨叉，12.摇杆销，13.滑槽，14.滑块，15.移动轨迹，A.活塞最大行程控制点，B.活塞最小行程控制点，r.曲轴曲柄销偏心距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明是在曲柄摇杆式平面4杆机构的基础上增加第二连杆并设定摇杆支点的移动轨迹。第二连杆的一端与活塞相连，另一端安装在曲柄摇杆机构的连杆和摇杆的节点上，形成一个活动的公共节点，当曲柄旋转时连杆和摇杆的节点形成的廻转运动通过第二连杆牵引活塞在缸套内作往复直线运动。摇杆支点沿特定的移动轨迹移动到不同位置，使活塞获得不同距离的往复运动行程，同时也使活塞运动的上止点处于所设定的高度位置。

如图1所示，本发明含有曲柄2、第一连杆3、摇杆4，公共节点销5，第二连杆6、活塞7、缸套9、摇杆销12、滑槽13、滑块14等零件。曲柄2设置在缸套9中心线的一侧，摇杆4、滑块14和滑槽13设置在缸套9中心线的另一侧。摇杆4的支点端安装在滑块14中，滑块14安装在滑槽13中；第一连杆3的下端安装在曲柄2的曲柄销上，第二连杆6的上端通过活塞销8与活塞7连接。公共节点销5将第一连杆3的上端、第二连杆6的下端、摇杆4的廻转端连接在一起形成一个活动的公共节点。摇杆4的支点端通过滑块14在滑槽13中沿移动轨迹在活塞最大行程控制点A和活塞最小行程控制点B之间移动。滑槽13的移动轨迹是按活塞7行程的变动量大小和不同排量的活塞上止点高度变化要求确定的，因此将滑块14在滑槽13中移动到不同的位置可使活塞7获得不同距离的往复运动行程也可使活塞7运动的上止点处于所设定的高度位置。

不论处于工作状态还是停止状态，均可对活塞行程距离进行无极的、可连续的调整。当曲柄2顺时针方向旋转时，由于安装在滑槽13中的摇杆4限制了公共节点销5的运动自由度，曲柄2通过第一连杆3、公共节点销5、第二连杆6、驱动活塞7在缸套9中作往复运动，曲柄2旋转1周驱动活塞7在缸套9内完成1个往复运动。

如图2所示，本发明含有机体1、曲柄2、第一连杆3、公共节点销5、活塞7、活塞销8、第二连杆6、摇杆4、摇杆销12、滑槽13、滑块14等零件，其中机体1与缸套9为一体零件。曲柄2设置在机体1中心的一侧，摇杆4和滑槽13设置在机体1中心的另一侧。滑槽13固定在机体1上，摇杆4的支点端安装在摇杆销12上，摇杆销12和滑块14安装在滑槽13中；第一连杆3的下端安装在曲柄2的曲柄销上，第二连杆6的上端通过活塞销8与活塞7连接，公共节点销5将第一连杆3的上端、第二连杆6的下端、摇杆4的廻转端连接在一起形成一个活动的公共节点。

滑槽13被加工固定在机体1上，摇杆4的支点端通过摇杆销12和滑块14在滑槽13中沿移动轨迹15移动。移动轨迹15是按活塞7行程的变动量大小和不同行程的活塞上止点高度变化要求确定的，既保证了行程变化的幅度也保证了行程变化时活塞7所需要的上止点位置。安装在机体1上的拨叉轴10旋转时驱动拨叉11推动摇杆销12和滑块14在滑槽13中移动。当曲柄2顺时针方向旋转时，曲柄2通过第一连杆3、公共节点销5、第二连杆6、活塞销8驱动活塞7在缸套9中作往复运动。活塞7的最大行程为曲柄销偏心距r的2倍；活塞7的最小行程为曲柄销偏心距r的1倍，且可在曲柄销偏心距r的1-2倍之间的任意调整。

在图3、图4中，当拨叉轴10驱动拨叉11顺时针方向旋转时，拨叉11推动摇杆销12、滑块14将摇杆4的支点中心沿滑槽13移动至活塞最大行程控制点A处，图3是活塞7处于上止点位置时运动状态、图4是活塞7处于下止点位置时运动状态，这时活塞7行程为曲柄销偏心距r的2倍。

在图5、图6中，当拨叉轴10驱动拨叉11逆时针方向旋转时，拨叉11推动摇杆销12、滑块14将摇杆4的支点中心沿滑槽13移动至活塞最小行程控制点B处，，图5是活塞7处于上止点位置时运动状态、图6是活塞7处于下止点位置时运动状态，这时活塞7行程为曲柄销偏心距r的1倍。

本发明原理应用于往复活塞式内燃机，所设定的摇杆支点的弧形移动轨迹符合压缩比恒定不变的条件要求，通过改变活塞行程适时调整内燃机的最大功率，使内燃机始终工作在相适应的功率范围和较低的油耗区域，达到降低油耗减少污染排放的目的。应用本发明原理的往复活塞式内燃机最大功率变化在100％-65％的范围内之间较为合适，当内燃机在低负荷状态下运行时其最小排量可调至最大排量的65％，例如：最大排量为2.0L的内燃机最小排量可调至1.3L；最大排量为1.3L的内燃机最小排量可调至0.85L。不论内燃机处于工作状态还是停止状态，摇杆支点的移动装置随时都可对活塞行程进行调整，这种调整是无极的、可连续的。在内燃机工作过程中，活塞行程变化可根据内燃机负荷变化自动控制也可通过手动操作控制。

本发明原理应用于往复活塞式流体压缩、输送的泵机，将摇杆支点移动装置的移动轨迹设置为特定的曲线，应用本发明原理的往复活塞式流体压缩、输送的泵机其排量变化范围在100％-50％之间较为合适，通过移动将摇杆支点可适时改变流体输出的流量或压力，满足供气、供液系统的需要，减少能源或资源的浪费。

Claims (5)

1、一种可变活塞行程的机械传动方法，其特征在于，它是在曲柄摇杆式平面4杆机构的基础上增加第二连杆并设定摇杆支点的移动轨迹，第二连杆的一端与活塞相连，另一端安装在曲柄摇杆机构的连杆和摇杆的节点上，形成一个活动的公共节点，当曲柄旋转时连杆和摇杆的节点形成的廻转运动通过第二连杆牵引活塞在缸套内作往复直线运动，摇杆支点沿特定的移动轨迹移动到不同位置，使活塞获得不同距离的往复运动行程，同时也使活塞运动的上止点处于所设定的高度位置。

2、根据权利要求1所述的一种可变活塞行程的机械传动方法，其特征在于不论处于工作状态还是停止状态，均可对活塞行程距离进行无极的、可连续的调整。

3、一种实现如权利要求1所述的一种可变活塞行程的机械传动方法的装置，它含机体(1)、曲柄(2)、第一连杆(3)、摇杆(4)、公共节点销(5)、第二连杆(6)、活塞(7)、活塞销(8)、摇杆销(12)、滑槽(13)、滑块(14)等，其特征在于：

A)所述的曲柄(2)设置在机体(1)中心的一侧，摇杆(4)、滑槽(13)设置在机体(1)中心的另一侧，滑槽(13)固定在机体(1)上，摇杆(4)的支点端安装在摇杆销(12)上，摇杆销(12)和滑块(14)安装在滑槽(13)中；

B)第一连杆(3)的下端安装在曲柄(2)的曲柄销上，第二连杆(6)的上端通过活塞销(8)与活塞(7)连接，公共节点销(5)将第一连杆(3)的上端、第二连杆(6)的下端、摇杆(4)的廻转端连接在一起形成一个活动的公共节点。

4、根据权利要求3所述的一种可变活塞行程的机械传动装置，其特征在于所述的活塞的最大行程为曲柄销偏心距的2倍；活塞的最小行程为曲柄销偏心距的1倍。

5、根据权利要求3所述的一种可变活塞行程的机械传动装置，其特征在于所述的活塞行程可在曲柄销偏心距的1-2倍之间的任意调整。

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