CN101858275A - 一种无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，该活塞为单作用活塞，与活塞头部相对的另一端设置有辅助导向部，该辅助导向部的外周面和机体的辅助跑道配合，并且辅助导向部和辅助跑道之间的配合间隙小于该活塞的冠部安装油环、气环后与气缸内壁之间的配合间隙。优选的，所述辅助导向部的主体为一段实心柱体。采用上述活塞后，可以有效的降低往复运动的摩擦损失。

Description

一种无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞及其设备

技术领域

本发明涉及一种活塞，具体是一种无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞；本发明同时提供使用上述活塞的设备。

背景技术

采用曲柄圆滑块结构或者端轴-动轴装置的内燃机，其共同特点是不设置连杆，在本发明中所提及的无连杆往复-旋转运动转换机构，具体就是指上述两种形式，当然，也不排除随着技术发展产生的新形式。

上述无连杆结构均可以克服传统的曲柄连杆结构内燃机或者压缩机的缺陷。中国专利文献CN85100358B提供的“曲柄圆滑块往复活塞式内燃机”，中国专利文献CN1067741C提供的“曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机”，中国专利文献CN1144880A提供的“曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机”，均为曲柄圆滑块内燃机。本申请人近期还申请了一种端轴-动轴机构形式的旋转-往复运动转换装置，该申请文件目前尚未公开。

在上述无连杆的旋转-往复运动转换装置中，活塞分为单作用或者双作用两种结构形式。所谓单作用活塞，就是只在活塞的一端设置活塞冠部，而所述双作用活塞，则是在活塞的两端均设置活塞冠部。

现有技术下，单作用活塞未设置冠部的一端没有受机体轨道支撑的部位，一般认为，这样可以减少往复运动中的摩擦力。但是，实际应用中发现，使用这种单作用活塞时，使用一段不长的时间后，活塞就容易出现卡滞。

另外，上述两种无连杆内燃机都可以使用三个往复运动件为一组的结构，例如中国专利文献CN1144880A提供的“曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机”，以及本申请人最近申请的端轴-动轴机构发明专利。其中，两侧的往复运动件的质量相同并且运动轨道相互平行，而中间的往复运动件运动轨道和两侧往复运动件的运动轨道呈90度，并且其质量等于两侧的往复运动件的质量之和。当位于中间位置的往复运动件为活塞时，现有技术下采用和位于两边的活塞相似的结构，这样，在相同的尺寸下，就难以使该活塞的质量满足上述质量关系；为了增加该活塞的质量，就不得不增加该活塞的体积，相应的，也要增加其所在的往复运动轨道的尺寸，造成机体空腔部位体积增加，其刚度和强度显著降低。

由于上述原因，有必要针对曲柄圆滑块机构以及端轴-动轴机构，尤其是在采用三往复运动原件元件成组使用的情况下，为处于中间位置的活塞设计特殊的结构，以解决其质量和体积的矛盾。

发明内容

本发明提供一种无连杆往复-旋转运动相互转换机构使用的活塞，该活塞能够明显推后活塞出现卡滞的时间。

本发明提供的一种无连杆往复-旋转运动相互转换机构使用的活塞，还能够根据整体机构设计对活塞质量的需求，方便的调整活塞的质量，并且该活塞不需要为其往复运动而占据很大的机体空间。

本发明同时提供使用上述活塞的设备，具体是使用曲柄圆滑块机构的内燃机和压缩机，以及使用动轴-端轴机构的内燃机和压缩机。

本发明提供的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞为单作用活塞，与活塞头部相对的另一端设置有辅助导向部，该辅助导向部的外周面和机体的辅助跑道配合，并且辅助导向部和辅助跑道之间的配合间隙小于该活塞的冠部安装油环、气环后与气缸内壁之间的配合间隙。

优选的，所述辅助导向部的主体为一段实心柱体。

优选的，该活塞的辅助导向部的主体为一段从圆滑块容置孔或者动轴销孔下端中心位置伸出的圆柱。

优选的，所述的活塞头部包括上部、支撑部和底部，所述上部包括冠部和裙部，所述支撑部连接在冠部底面和底部之间，所述底部具有向下方开口的第一圆弧口；所述辅助导向部的上部具有向上开口的第二圆弧口，所述第一圆弧口和第二圆弧口相对，共同形成一个完整的圆滑块容置孔或者动轴销孔。

优选的，该活塞为分体式活塞，包括活塞头部和辅助导向部两个分别独立制成的部分。

优选的，所述活塞头和辅助导向部之间通过定位连接结构连接为一体。

优选的，所述的辅助导向部的横截面为半圆形或者扇形。

本发明同时提供一种设备，具体是内燃机，该内燃机采用曲柄圆滑块结构形式，该内燃机至少一个活塞采用上述任意一项技术方案所述的活塞。

本发明另外提供一种设备，具体是内燃机，该内燃机采用动轴-端轴结构形式，该内燃机中的至少一个活塞采用上述任意一项技术方案所述的活塞。

本发明另外提供一种设备，具体是压缩机，该压缩机采用曲柄圆滑块结构形式，该压缩机中的至少一个活塞采用上述任意一项技术方案所述的活塞。

本发明另外提供一种设备，具体是压缩机，该压缩机采用动轴-端轴结构形式，该压缩机中的至少一个活塞采用上述任意一项技术方案所述的活塞。

本发明提供的活塞，为具有一个活塞头部的单作用活塞；在与其活塞头部相对的另一端，设置有辅助导向部，该辅助导向部为实心柱体，该辅助导向部外径面和机体的辅助跑道配合，并且辅助导向部和辅助跑道之间的配合间隙小于活塞头部的冠部加装气环、油环以后与气缸内壁的配合间隙。

采用上述活塞后，在活塞的往复运动中，所述活塞将很大程度上依靠所述辅助导向部与机体辅助跑道相配合获得对往复运动轨道的支撑。在往复运动中产生的侧向力，由于辅助导向部和辅助跑道的间隙较小，使辅助导向部和活塞裙部一起，共同承受了主要的侧向力；而活塞冠部基本不承受侧向力，与气缸内壁之间可以始终处于压力油润滑的状态，这样就明显降低了冠部的摩擦损失。而辅助导向部远离燃烧室，在该往复运动的支撑部位可以采用更为充分的润滑手段，所以，该结构可以有效的降低往复运动的摩擦损失。

本发明提供的活塞的另外一个优点是，由于该活塞在其头部和尾部两侧均设置与机体腔体内壁接触的导向部位，即活塞头部的裙部和尾部的辅助导向部，它们在运动过程中，可以从活塞的两端共同支撑该活塞，使活塞能够有效的承受曲轴的变形，从而避免由于曲轴弯曲造成的活塞卡滞。

在该活塞的优选实施方案中，所述辅助导向部为实心柱体，尤其是采用圆柱体。这种辅助导向部具有较为密实的结构，在同样的活塞重量要求下，机体为该辅助导向部提供的辅助跑道所占空间较小，使机体为其提供的往复运动所需要的腔体空间比较小，相应的，机体的刚度和强度受到的削弱较小。这种形式的活塞，特别适用于三个往复运动元件为一个单元，需要中间活塞的重量等于两侧的活塞重量之和的情况。因为这种情况下，对中间活塞的重量要求比两侧活塞高许多，而其占据的空间则不能高许多；通过设置的密实的辅助导向部，可以在占据空间较小的情况下，有效增加活塞重量。另外，该结构还便于根据需要调整活塞的重量，例如，采用截面为半圆形的辅助导向部或者截面为扇形的辅助导向部，或者调整所述辅助导向部的长度等技术措施，均可以有效调整活塞重量。

附图说明

图1是本发明实施例的活塞的立体图；

图2是本发明实施例的活塞头部的立体图；

图3是本发明实施例的活塞的辅助导向部的立体图；

图4是端轴-动轴机构的原理示意图；

图5是图4的左视简图；

图6是具有三个动轴销的动轴的示意图；

图7是由图6所示的动轴销构成的端轴-动轴机构的示意图。

具体实施方式

请参看图1，这图为本发明第一实施例提供的采用曲柄圆滑块机构或者端轴-动轴机构的内燃机使用的活塞。

图1示出，所述活塞为具有一个活塞头部的单作用活塞。从纵向上，该活塞包括活塞头部I、辅助导向部II。在本实施例中，这两个部分分别单独制成，从图1中可以看出，在辅助导向部II上端两侧的耳部分别设置有定位螺纹孔，所述活塞头部I上也设置有相应的定位螺纹孔；通过该定位连接结构，可以将上述活塞头部I和辅助导向部II固定为一体。图2为上述活塞头部I的立体图，图3为上述单独制成的辅助导向部II的立体图。

所述的活塞头部I包括上部I-1、支撑部I-2和底部I-3。

所述上部I-1和普通曲柄连杆机构的活塞类似，包括冠部I-1-1和裙部I-1-2，所述冠部I-1-1与通常技术下活塞的冠部相似，其顶面作为燃烧室的下底面，根据不同的需要，冠部I-1-1的顶面可以制成不同的形状，在这一点上，本发明和现有技术相同，在此不再详述。该冠部I-1-1的外周面从上到下依次设置有气环槽、油环槽。在安装气环和油环以后，能够将气缸中的可燃混合气封闭在燃烧室中。所述裙部I-1-2的外周面和所述气缸的内壁面配合，其间隙小于冠部I-1-1加装气环和油环后与气缸的间隙，但又不能过于紧密，该裙部I-1-2在活塞运动时起导向作用。

所述支撑部I-2连接在所述冠部I-1-1的底面和所述底部I-3的顶面之间，起到连接和支撑的作用。其横截面采用工字型，类似于曲柄连杆机构的连杆中间部位的结构。

所述底部I-3中间为拱形I-3-1，该拱形I-3-1两侧具有伸出的第一耳部I-3-2。该底部I-3的上端面具有拱形I-3-1的凸出面，该上端面连接所述支撑部I-2的下端，该底部I-3的下端面中部为所述拱形I-3-1的凹入面，该拱形的凹入面形成向下方开口的第一圆弧口I-3-3，该第一圆弧口I-3-3一般为半圆形。所述第一耳部I-3-2的底面为与辅助导向部II上表面的贴合面，并且，两侧的第一耳部I-3-2上各自设置有第一定位连接孔I-3-4(见图3)。

请同时参看图1、图3示出的所述辅助导向部II。所述辅助导向部II的上部具有向上开口的第二圆弧口II-1，该第二圆弧口II-1为一个半圆形。在第二圆弧口II-1两侧具有第二耳部II-3，这两个第二耳部II-3的上表面可以与所述活塞头部I的第一耳部I-3-2的底面贴合；并且，在两侧的第二耳部II-3上，分别设置有第二定位连接孔II-4，上述第二定位连接孔II-4和所述第一定位连接孔I-3-4分别相对，通过螺栓等连接元件即可将两者连接为一体。在上述定位连接孔中，可以通过阶梯孔形成定位套孔，使用定位套实现定位。该辅助导向部II的主体是一个实心圆柱体II-2，该实心圆柱体II-2的轴线和所述冠部I-1-1的轴线同轴，其直径明显小于活塞头部I的冠部I-1-1的直径，但是由于其为实心圆柱，因此其重量比较重。由于其直径比较小，相应的，缸体为该实心圆柱体II-2提供的辅助跑道为一个直径比较小的圆形空腔，由于该辅助跑道占据的空腔的直径比较小，该空腔对缸体的刚度和强度的影响也比较小。另外，所述实心圆柱体II-2与辅助跑道之间的配合间隙和所述裙部I-1-2相同，既要能够保证其顺畅的往复运动，同时又能够较好的承受活塞可能承受的侧向力。

在所述实心圆柱体II-2和所述第二耳部II-3交接的部位，还设置有加强肋II-5，该加强肋II-5为第二耳部II-3提供支撑，避免其从该部位断裂。

本实施例提供的活塞为一种组合式活塞，使用时，将圆滑块或者动轴销置入所述第一圆弧口I-3-3或者第二圆弧口II-1中，再将另一个圆弧口从另一端卡在圆滑块或者动轴销上；此时，所述活塞头部I的下端面和辅助导向部II的上端面相对，具体就是所述第一耳部I-3-2下表面和所述第二耳部II-3上表面相对，使用螺栓以及定位销等通过上述耳部的定位连接结构将活塞头部I和辅助导向部II定位并连接为一体即可。所述第一圆弧口I-3-3和所述第二圆弧口II-1相对并形成的完整圆孔即为圆滑块容置孔或者动轴销孔4。

本实施例中使用的是组合是活塞，这种形式对于圆滑块和动轴销装入容置孔比较方便。实际上，也可以设计为整体式活塞，此时只能采用分离式曲轴，才能进行安装。不论活塞采取何种形式，该活塞均具有一个实心柱体作为辅助导向部的主体。该实心柱体的作用既包括导向也包括提供活塞需要的质量。

上述实施例中，所述辅助导向部的主体部位为圆柱形。实际上，该辅助导向部主体部分的横截面可以采用其它的形状，尤其是根据不同的活塞重量需求，该辅助导向部的主体部位的横截面可以为半圆形或者扇形，或者具有两个相对对称的外凸圆弧的形状；另外，该辅助导向部主体部分的长短也可以调整。总之，该活塞形式可以根据需要通过调整所述辅助导向部的实心圆柱体II-2的横截面或者长短，以调整活塞的整体质量，以便和机构的整体设计需要相匹配。

将上述活塞使用在内燃机或者压缩机上，就可以得到使用该活塞的内燃机和压缩机的实施例。

本发明提及的端轴-动轴机构为本申请人新近提出的一种无连杆的旋转-往复运动相互转换机构。该结构已经向中国专利局提交专利申请，但是，在本申请递交之时尚未公开。为了社会公众便于理解本文所述的端轴-动轴机构的概念，在此将上述端轴-动轴机构详细说明如下。该机构本身并非本发明保护的重点，本发明主要是为其提供一种活塞。

图4为一种端轴-动轴机构的结构示意图。图5为图4左视图的简图，该图用于说明该实施例的两个往复运动件的位置关系，图4中表示的一些元件没有示出。

请参考图4，该往复运动和旋转运动相互转换的机构包括往复运动件14a和14b、旋转运动件以及支撑该机构的机架。

所述旋转运动件为一个轴系，包括位于两端的两个端轴10a和10b以及以转动副连接在所述的两个端轴10a和10b之间的动轴12。所述往复运动件14a和14b分别套接于所述的动轴12的两个相邻的动轴销上，并与相应的动轴销构成转动副。

请继续参考图4，所述的两个端轴10a和10b具有共同的轴线m。当所述的两个端轴10a和10b沿图4中箭头11所示的方向沿其轴线m转动时，往复运动件14可沿图4中箭头13的方向做往复运动，而往复运动件14b可沿垂直于所述往复运动件14a运动方向做往复运动(如图5所示)。利用图4所示的结构，可实现沿箭头11所示的旋转运动与图4中的箭头13和图5中的箭头13b所示的往复运动之间的相互转换。

上述旋转-往复运动转换机构的另外一种形式，是采用具有三段动轴销段的结构形式。以下实施例即为该种形式的例子。请参看图6。

与上述第一实施例中动轴销为两段(分别为6a和6b)所不同的是，本实施例二中动轴销共有三段，比第一实施例中的多出第三动轴销6c，相应的往复运动件至少多出一个，即对应该第三动轴销设置的往复运动件。

图6示出的动轴具有三段动轴销6a、6b以及6c，三段动轴销6a、6b以及6c依次由动轴臂5b和5d连接。该例子中的动轴的其它方面与上述的具有两个动轴销的动轴相同。

图7为图6的动轴构成的往复运动和旋转运动相互转换的机构的实施例的结构示意图。

请参考图7，本实施例的往复运动和旋转运动相互转换的机构与实施例一所不同的是，利用具有三段动轴销的动轴，在每一动轴销上分别安装有往复运动件。此外，为了获得最佳的动平衡效果，对应第二动轴销6b的往复运动件的质量设置为第一动轴销6a和第三动轴销6c所对应的往复运动件的质量之和。所述第二动轴销6b对应的往复运动件可以是专门起动平衡效果的动平衡滑块，也可以是活塞，或者其它形式的往复运动件。本发明提供的活塞特别适合作为对应第二动轴销6b的活塞。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，该活塞为单作用活塞，与活塞头部相对的另一端设置有辅助导向部，该辅助导向部的外周面和机体的辅助跑道配合，并且辅助导向部和辅助跑道之间的配合间隙小于该活塞的冠部安装油环、气环后与气缸内壁之间的配合间隙。

2.根据权利要求1所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，所述辅助导向部的主体为一段实心柱体。

3.根据权利要求2所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，该活塞的辅助导向部的主体为一段从圆滑块容置孔或者动轴销孔下端中心位置伸出的圆柱。

4.根据权利要求2所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，所述的活塞头部包括上部、支撑部和底部，所述上部包括冠部和裙部，所述支撑部连接在冠部底面和底部之间，所述底部具有向下方开口的第一圆弧口；所述辅助导向部的上部具有向上开口的第二圆弧口，所述第一圆弧口和第二圆弧口相对，共同形成一个完整的圆滑块容置孔或者动轴销孔。

5.根据权利要求4所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，该活塞为分体式活塞，包括活塞头部和辅助导向部两个分别独立制成的部分。

6.根据权利要求5所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，所述活塞头和辅助导向部之间通过定位连接结构连接为一体。

7.根据权利要求2所述的无连杆往复-旋转运动转换装置使用的活塞，其特征在于，所述的辅助导向部的横截面为半圆形或者扇形。

8.一种设备，具体是内燃机，其特征在于，该内燃机采用曲柄圆滑块结构形式，该内燃机至少一个活塞采用权利要求1到权利要求7任意一项所述的活塞。

9.一种设备，具体是内燃机，其特征在于，该内燃机采用动轴-端轴结构形式，该内燃机中的至少一个活塞采用权利要求1-权利要求7任意一项所述的活塞。

10.一种设备，具体是压缩机，其特征在于，该压缩机采用曲柄圆滑块结构形式，该压缩机中的至少一个活塞采用权利要求1-权利要求7任意一项所述的活塞。

11.一种设备，具体是压缩机，其特征在于，该压缩机采用动轴-端轴结构形式，该压缩机中的至少一个活塞采用权利要求1-权利要求7任意一项所述的活塞。

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