CN101936373B - 无连杆往复与旋转运动相互转换的机构、应用该机构的设备 - Google Patents

Abstract

一种无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构；该机构为曲柄圆滑块机构时；在所述曲轴的两端固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，所述飞轮和皮带轮的质心偏离所述曲轴旋转轴线；在所述机构为端轴-动轴机构时，在其两端轴的外端或两端轴上第一平衡配重和第二平衡配重。本发明无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构不但可以使其旋转惯性力得以平衡，而且还可以平衡往复运动件的往复惯性力以及力矩，具有很好的平衡性能。本发明另外提供一种应用该无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构的内燃机和压缩机。

Description

无连杆往复与旋转运动相互转换的机构、应用该机构的设备

技术领域

本发明涉及运动转换机构，具体涉及一种无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构。本发明同时涉及一种应用所述无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构的设备。 

背景技术

在传统的内燃机和压缩机中，通过曲柄连杆机构实现活塞的往复运动与曲轴的旋转运动之间的转换。然而，由于连杆的存在，曲柄连杆机构的内燃机和压缩机具有体积庞大、笨重、平衡性能差等缺点。 

授权公告日为2001年6月27日、授权公告号为CN1067741C的中国专利公开了一种“曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机”。授权公告日为2001年6月27日、授权公告号为CN1067742C的中国专利公开了一种“曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机”。 

在申请号为200910210785.4的中国专利申请文件中，公开了一种往复运动和旋转运动相互转换的机构(也称为端轴-动轴机构)。 

曲柄圆滑块机构和端轴-动轴机构可以克服曲柄连杆机构的缺点，从而可以取代传统的曲柄连杆机构，作为往复运动与旋转运动相互转换的机构，应用于内燃机和压缩机等机器中。 

然而采用曲柄圆滑块机构和端轴-动轴机构的机器(包括内燃机和压缩机)，取消了连杆，不同于传统的曲柄连杆机构，传统的用于曲柄连杆机构的平衡方法和结构均无法应用于上述的无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构中。 

发明内容

本发明提供一种无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构，本发明的机构具有很好的平衡性能。本发明另外提供一种应用该无连杆往复运动与旋转运动相互转换的机构设备。 

本发明提供一种无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，该机构为曲柄圆滑块机构， 

包括圆滑块、往复运动件、曲轴以及支撑该机构的机架； 

所述曲轴包括位于两端的曲柄以及设置于两曲柄之间并与两曲柄固定连接曲柄销，所述曲柄具有共同的旋转轴，该旋转轴即为曲轴旋转轴，所述曲柄可旋转的支撑于机架上；所述的曲柄销具有平行于所述曲轴旋转轴的轴线，且该轴线偏离所述曲轴旋转轴的距离为e； 

所述圆滑块具有偏心距为e的偏心圆孔，用于曲柄销穿过所述圆滑块的偏心圆孔，使圆滑块可旋转的套接于曲柄销上；在每一曲柄销上套接有至少两个圆滑块，所有圆滑块固为一体，相邻圆滑块相位差呈180度设置； 

往复运动件设置于机架上的往复运动导轨中；往复运动件上设置有圆滑块容置孔，用于容置所述的圆滑块；每一圆滑块均可旋转的设置于一往复运动件的圆滑块容置孔中；相位相同的圆滑块对应的往复运动件的往复运动导轨平行；相位差呈180度的圆滑块对应的往复运动件的往复运动导轨相互垂直； 

其中，在所述曲轴的两端分别固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，用于平衡相互垂直的往复运动件转化至曲柄销的离心力和曲柄销及其上的部件的旋转离心力。 

可选的，所述两平衡配重的质心位于所述曲柄销中心轴线和曲轴旋转轴线所在平面，并与曲柄销中心轴线分设于曲轴旋转轴线的两侧。 

可选的，在所述曲轴的曲柄销上设置有两个圆滑块，每一圆滑块设置于一个往复运动件中； 

所述两圆滑块组成的圆滑块组质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线上； 

所述两往复运动件的质量相同，分别为M，质心落在各自的中心轴线上； 

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为， 

$M_1=\frac{{\mathrm{eL}}_2}{e_1(L_1+L_2)}(2M+M_x+M_r)$

$M_2=\frac{{\mathrm{eL}}_1}{e_2(L_1+L_2)}(2M+M_x+M_r)$

其中，所述M_x为曲柄销的质量；L₁为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离，L₂为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距 离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离。 

可选的，所述两往复运动件一为活塞，另一为动平衡滑块。 

可选的，所述曲轴的曲柄销设置有三个圆滑块，每一圆滑块设置于一个往复运动件中； 

所述三圆滑块组成圆滑块组的质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线上；位于两端的所述圆滑块对应的两往复运动件的质量相同，分别为M，位于中间的圆滑块对应的往复运动件的质量为2M，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上； 

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为， 

$M_1=\frac{{\mathrm{eL}}_2}{e_1(L_1+L_2)}(4M+M_x+M_g+M_r)$

$M_2=\frac{{\mathrm{eL}}_1}{e_2(L_1+L_2)}(4M+M_x+M_g+M_r)$

其中，所述M_x为曲柄销的质量；M_g为曲柄销上除圆滑块和往复运动件之外其它部件的质量；所述L₁为曲柄销沿其轴向的中点与质量为M₁的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离，L₂为曲柄销沿其轴向的中点与质量为M₂的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离。 

可选的，所述质量为M的往复运动件为活塞，质量为2M的往复运动件为动平衡滑块。 

优选的，所述第一平衡配重为质心偏离其中心的飞轮，和/或 

所述第二平衡配重为质心偏离其中心的皮带轮； 

本发明还提供一种无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，该机构包括端轴-动轴机构，包括： 

支撑该机构的机架、旋转运动件以及至少两个往复运动件； 

所述旋转运动件包括两个端轴和连接在两个端轴之间的动轴，其中， 

所述端轴可旋转地支撑在机架上，并且两个端轴的旋转轴位于同一直线上，所述端轴上开设有动轴颈容置孔，该动轴颈容置孔的轴线与端轴的旋转轴平行，并且距离该旋转轴的距离为e； 

所述动轴包括动轴颈、动轴销以及动轴臂，所述动轴颈为位于动轴端头的轴段，该动轴的两端各有一个动轴颈，两端的动轴颈的轴线位于同一条直线上；所述动轴销为一段轴段，该动轴共有两个或者两个以上的动轴销，各个动轴销的轴线均平行于所述动轴颈的轴线，并且动轴销轴线距离动轴颈轴线的距离也为e，并且相邻的动轴销在空间上具有180度相位差；动轴颈和动轴销之间以及相邻的动轴销之间通过所述动轴臂连接；与所述端轴组成所述旋转运动件时，动轴两端的动轴颈分别插入相应的端轴的动轴颈容置孔，并与动轴颈容置孔可旋转地连接； 

所述往复运动件可旋转地与相应的动轴销连接，并且置于机架的往复运动导轨中，每个动轴销至少对应一个往复运动件，所述往复运动件具有能够使其在往复运动轨道中进行直线运动的轮廓，其中相邻动轴销对应的往复运动件的往复运动导轨在空间上具有90度相位差； 

其中，在所述两端轴的外端或两端轴上还分别固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，用于平衡相互垂直的往复运动件转化至动轴的离心力和动轴的旋转离心力。 

可选的，所述两平衡配重的质心位于所述端轴旋转轴线和端轴的动轴颈容置孔的轴线所在平面，并与所述动轴颈容置孔的轴线分设于端轴旋转轴线的两侧。 

可选的，所述动轴为具有两个动轴销的两拐动轴；所述动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上； 

所述端轴的质心位于其旋转轴线上； 

所述往复运动件的质量相同，分别为M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上； 

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为， 

$M_1=\frac{{\mathrm{eL}}_2}{e_1(L_1+L_2)}(2M_H+M_D)$

$M_2=\frac{{\mathrm{eL}}_1}{e_2(L_1+L_2)}(2M_H+M_D)$

其中，所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与至质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离。 

可选的，所述动轴为具有三个动轴销的三拐动轴；所述动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上； 

所述端轴的质心位于其旋转轴线上； 

位于两端的所述动轴销对应的往复运动件的质量相同，分别为M_H，位于中间的动轴销对应的往复运动件的质量为2M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上； 

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为， 

$M_1=\frac{{\mathrm{eL}}_2}{e_1(L_1+L_2)}(4M_H+M_D)$

$M_2=\frac{{\mathrm{eL}}_1}{e_2(L_1+L_2)}(4M_H+M_D)$

其中，所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离。 

优选的，所述第一平衡配重为质心偏离其中心的飞轮，和/或 

所述第二平衡配重为质心偏离其中心的皮带轮； 

可选的，在每一所述端轴上还分别设置有第三和第四平衡配重结构；所述第三和第四平衡配重结构设置于与相应端轴的动轴颈容置孔成180°相位差的位置。 

本发明还提供一种设备，该设备为内燃机，包括上述任一技术方案所述的无连杆往复运动件与旋转运动相互转换的机构。 

本发明还提供一种设备，该设备为压缩机，包括上述任一技术方案所述的无连杆往复运动件与旋转运动相互转换的机构。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

通过无连杆往复运动与旋转运动相互转换的部件的曲轴两端或两端轴上分别设置用于平衡相互垂直的往复运动件转化至曲柄销的旋转离心力和曲柄销及其上的部件(包括圆滑块)的旋转离心力的第一平衡配重和第二平衡配重，不但可以平衡曲柄销及其上的部件旋转离心力，而且同时还能够平衡往复惯性力。 

在本发明的优选实施例中，两偏心配重即为偏心皮带轮和偏心飞轮，即所述飞轮和皮带轮的质心偏离均偏离其中心(该中心处于动力输出轴的旋转轴线上)，从而使得两部件还可以承担平衡配重的作用，用于平衡曲柄销的旋转离心力以及通过相互垂直的往复运动件转换到曲柄销的离心惯性力；飞轮以及皮带轮不仅能够起到传统内燃机或压缩机中飞轮和皮带轮自身的作用，而且还能承担平衡配重的作用，作为整个平衡体系的一个组成部分；相对于传统的内燃机和压缩机中单独设置的平衡配重的结构，本发明的机构在满足惯性力和力矩平衡的效果下，还可减少零件数目，缩短轴系的长度，从而可提高轴系的刚度，而且可以使得结构更为紧凑，体积下降，重量减轻，结构稳定性大大提高，并最终降低制造成本；此外，由于飞轮和皮带轮分设于动力输出轴的两端，这也使得整个往复运动与旋转运动相互转换的机构力矩上得以平衡。 

附图说明

图1为本发明的曲柄圆滑块机构的实施例的结构示意图； 

图2为图1所示的机构省略往复运动件和圆滑块之后的结构示意图； 

图3为图1所示的曲柄圆滑块机构简化的受力情况示意图。 

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。 

下面以曲柄圆滑块机构为例来说明本发明的无连杆往复运动与旋转运动相 互转换的机构。 

图1为本发明的曲柄圆滑块机构的实施例的结构示意图；图2为图1所示的机构省略往复运动件和圆滑块之后的结构示意图。 

请参考图1和图2，本发明的曲柄圆滑块机构包括圆滑块、往复运动件、曲轴以及支撑该机构的机架。 

其中曲轴2为单拐曲轴，包括位于两端的曲柄2-1和2-2(也称为主轴颈)以及设置于所述两曲柄2-1和2-2之间的并与该两曲柄固定连接的曲柄销2-3。所述曲柄2-1和2-2具有共同的旋转轴，该旋转轴即为曲轴2的旋转轴(称为曲轴旋转轴)，所述曲轴可通过所述两曲柄2-1和2-2可旋转的支撑于机架上(该机架可以是内燃机或压缩机的机体)。所述曲柄销2-3的轴线平行于所述曲轴旋转轴的轴线，且两轴线之间的距离为e(e即为圆滑块的偏心圆孔的偏心距)。所述两曲柄2-1和2-2之中的任一个与曲柄销2-3之间可以为可拆装的分体式结构，也可以一体成形。 

圆滑块具有偏心距为e的偏心圆孔，偏心圆孔用于穿过曲轴的曲柄销2-3，使得圆滑块可套接于曲柄销上。本实施例中，以三圆滑块组成的圆滑块组为例说明本发明的曲柄圆滑块机构。当然，套接于曲柄销2-3的圆滑块的数目并不限于三个，其也可以是两个或者三个以上的多个。 

本实施例中，三个圆滑块固为一体，相邻圆滑块之间的相位差呈180度设置。其中，三个圆滑块可以通过多种方式固为一体，构成圆滑块组，例如，通过销子与圆滑块上的通孔配合，或者通过键与键槽的配合等等，这里不再一一列举，任何能够将圆滑块固为一体并保持相邻圆滑块之间固定相位差的技术方案均可应用于此。 

每一圆滑块均设置于一往复运动件中，而往复运动件设置于机架上的往复运动导轨中，例如在内燃机中，将活塞或者动平衡滑块等往复运动件设置于气缸或者跑道之中。本实施例中，包括三个往复运动件：活塞1-1和1-2以及动平衡滑块1-3。三个圆滑块设置于上述的三个往复运动件之中。两活塞1-1和1-2均为双作用活塞，且往复运动方向平行，即两活塞对应的往复运动导轨即气缸平行(中心轴线平行)；而动平衡滑块1-3对应的跑道与所述的两气缸垂直。也就是说，动平衡滑块1-3与活塞1-1、1-2的往复运动方向相互垂直。 

在本发明的实施例中，在所述曲轴的两端还分别装配有第一平衡配重和第 二平衡配重，所述两平衡配重用于平衡相互垂直的往复运动件转化至曲柄销的旋转离心力和曲柄销及其上的部件(包括圆滑块)的旋转离心力。也就是说，在本实施例的曲柄圆滑块机构中，由于活塞1-1、1-2和动平衡滑块1-3往复运动方向相互垂直，故其往复惯性力可转化为曲柄销上的离心力；在曲轴两端设置两平衡配重，平衡配重的质量根据往复惯性力转化的离心力以及曲柄销及其上的部件的旋转离心力的大小而决定。通过该平衡配重，不但可以平衡曲柄销及其上的部件旋转离心力，而且同时还能够平衡往复惯性力。 

此外，为取得较佳的平衡效果，所述第一平衡配重第二平衡配重可以如下设置：所述两平衡配重的质心位于所述曲柄销中心轴线和曲轴旋转轴线所在平面，并与曲柄销中心轴线分设于曲轴旋转轴线的两侧。 

所述第一平衡配重、第二平衡配重可以是单独设置的配置块，其也可以与飞轮、皮带轮一体成型；或者将飞轮和/或皮带轮设置成偏心结构(即质心偏离其中心)，从而飞轮、皮带轮既可以起到传统飞轮、皮带轮的作用，还可以具有平衡配重的作用。本实施例中以偏心飞轮、皮带轮为例进行说明。 

请继续参考1和图2，在所述曲轴2的两端还固定装配有与该曲轴2同轴同步旋转的飞轮4和皮带轮3(需要说明的是，本说明书的皮带轮3应当做广义的理解，在使用皮带传送动力时，其为皮带轮，在使用链条或者借助中间惰轮传递动力时，其应当为齿轮)，其中所述飞轮4的质心和皮带轮3的质心均偏离其质心。例如，在图1和图2中，通过在飞轮4和皮带轮3的部分区域设置去重孔和/或去重槽的方式，改变质心分布，使得飞轮4和皮带轮3成为偏心部件。 

由于所述飞轮4和皮带轮3的质心偏离其曲轴旋转轴线所在直线，故而两部件可以承担平衡配重的作用，用于平衡曲柄销的旋转离心力以及通过相互垂直的往复运动件转换到曲柄销的离心惯性力。 

飞轮以及皮带轮不仅能够起到传统内燃机或压缩机中飞轮和皮带轮的作用，而且还能承担平衡配重的作用，作为整个平衡体系的一个组成部分。相对于传统的内燃机和压缩机中单独设置的平衡配重的结构，上述实施例在达到惯性力和力矩平衡的效果下，还可减少零件数目，缩短轴系的长度，从而可提高轴系的刚度，而且可以使得结构更为紧凑，体积下降，重量减轻，结构稳定性大大提高，并最终降低制造成本。此外，由于飞轮4和皮带轮3分设于曲轴的两端，这也使得整个往复运动与旋转运动相互转换的机构力矩上得以平衡。 

此外，为更好的平衡效果，可以设置所述飞轮4的质心和皮带轮3的质心相对于所述曲轴旋转轴的对称点位于曲轴的曲柄销中心轴线所在直线上。飞轮4质心以及皮带轮3质心偏离其中心的距离以及各自的质量可以根据需要平衡的惯性力的大小而确定。下面以上述的三圆滑块组成的圆滑块组为例说明。 

图3为图1所示的曲柄圆滑块机构简化的受力情况示意图。 

其中O₁O₂可视为简化的曲轴2，O为曲柄销沿其轴向的中心于曲轴旋转轴上的投影点；L₁为O点至质量为M₁的部件中心的距离，L₂为O至质量为M₂的部件中心的距离。 

M₁和M₂分别为设置为曲轴2两端的飞轮或者皮带轮的质量。当一个为飞轮时，另一个即为皮带轮。所述e₁为质量为M₁的部件的质心偏离其中心的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心偏离其中心的距离。 

若所述三圆滑块组成圆滑块组的质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线(即曲柄销的轴线)上；所述活塞1-1和1-2的质量相同，分别为M，动平衡滑块1-3的质量为2M，活塞1-1和1-2以及动平衡滑块1-3的质心落在各自的中心轴线上(即沿往复运动方向的中心轴线上)。 

若曲轴的旋转角速度为ω，相互垂直的往复运动件将其往复惯性力转化为离心惯性力，其大小为F₁＝4Meω²； 

将位于曲柄销上的圆滑块、曲柄销(质量为M_x)以及曲柄销上除圆滑块之外的其它部件(质量为M_g)质量之和视为旋转质量，其旋转离心力大小为F₂＝(M_r+M_x+M_g)eω²。 

其中，F₁和F₂的方向相同，都是沿曲轴旋转轴线指向曲柄销的轴线的方向。可将F₁和F₂均简化为作用于曲轴2曲柄销的中心位置； 

而质量为M₁的偏心部件产生的旋转离心力大小为F_a＝M₁e₁ω²，方向与F₁和F₂相反。 

质量为M₂的偏心部件产生的旋转离心力大小为F_b＝M₂e₂ω²，方向与F₁和F₂相反。 

则根据整个体系惯性力和力矩平衡的原理； 

F₁+F₂＝F_a+F_b；(1) 

(F₁+F₂)L₂＝F_aL；(2) 

根据(1)和(2)可的， 

$M_1=\frac{e{L}_2}{e_1(L_1+L_2)}(4M+M_x+M_g+M_r)---\left(3\right)$

$M_2=\frac{e{L}_1}{e_2(L_1+L_2)}(4M+M_x+M_g+M_r)---\left(4\right)$

可见，可以根据上述的公式(3)和(4)选择M₁和M₂、e₁和e₂。也就是说，可以通过调整飞轮4以及皮带轮3的质量以及偏心距，来对曲柄圆滑块机构的惯性力进行平衡，从而达到这个体系惯性力和力矩的平衡。需要说明的是，上述的公式决定的飞轮和皮带轮质量以及偏心距离(e₁和e₂)可以有合理的误差。 

此外，在所述曲柄圆滑块机构的曲轴曲柄销上设置有两个圆滑块时，也可以在相应的曲轴的两端设置飞轮和皮带轮，且可以应用上述的简化模型获得飞轮和皮带轮的质量如下： 

$M_1=\frac{e{L}_2}{e_1(L_1+L_2)}(2M+M_x+M_r)---\left(5\right)$

$M_2=\frac{e{L}_1}{e_2(L_1+L_2)}(2M+M_x+M_r)---\left(6\right)$

其中，所述两圆滑块组成的圆滑块组质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线上；所述两往复运动件的质量相同，分别为M，质心落在各自的中心轴线上；所述M_x为曲柄销的质量；所述L₁为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离，L₂为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心偏离其中心的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心偏离其中心的距离。这里不再赘述。 

此外，本发明还另外提供一种无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，该机构包括端轴-动轴机构，至少两个往复运动件、旋转运动件以及支撑该机构的机架； 

所述旋转运动件包括两个端轴和连接在两个端轴之间的动轴，其中， 

所述端轴可旋转地支撑在机架上，并且两个端轴的旋转轴位于同一直线上，所述端轴上开设有动轴颈容置孔，该动轴颈容置孔的轴线与端轴的旋转轴平行，并且距离该旋转轴的距离为e； 

所述动轴包括动轴颈、动轴销以及动轴臂，所述动轴颈为位于动轴端头的轴段，该动轴的两端各有一个动轴颈，两端的动轴颈的轴线位于同一条直线上；所述动轴销为一段轴段，该动轴共有两个或者两个以上的动轴销，各个动轴销的轴线均平行于所述动轴颈的轴线，并且动轴销轴线距离动轴颈轴线的距离也为e，并且相邻的动轴销在空间上具有180度相位差；动轴颈和动轴销之间以及相邻的动轴销之间通过所述动轴臂连接；与所述端轴组成所述旋转运动件时，动轴两端的动轴颈分别插入相应的端轴的动轴颈容置孔，并与动轴颈容置孔可旋转地连接； 

所述往复运动件可旋转地与相应的动轴销连接，并且置于机架的往复运动导轨中，每个动轴销至少对应一个往复运动件，所述往复运动件具有能够使其在往复运动轨道中进行直线运动的轮廓，其中相邻动轴销对应的往复运动件的往复运动导轨在空间上具有90度相位差； 

在本发明的端轴-动轴机构中，在所述两端轴的外端还分别固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，用于平衡相互垂直的往复运动件转化至动轴的离心力和动轴的旋转离心力。 

所述第一平衡配重、第二平衡配重可以是单独设置的配置块，其也可以与飞轮、皮带轮一体成型；或者将飞轮和/或皮带轮设置成偏心结构(即质心偏离其中心)，从而飞轮、皮带轮既可以起到传统飞轮、皮带轮的作用，还可以具有平衡配重的作用。本实施例中以偏心飞轮、皮带轮为例进行说明。通过设置所述飞轮和皮带轮的质心偏离其端轴旋转轴线所在直线，故而两部件可以承担平衡配重的作用，用于平衡动轴的旋转离心力以及通过相互垂直的往复运动件转换到动轴的离心惯性力。飞轮以及皮带轮不仅能够起到传统内燃机或压缩机中飞轮和皮带轮自身的作用，而且还能承担平衡配重的作用，作为整个平衡体系的一个组成部分。相对于传统的内燃机和压缩机中单独设置的平衡配重的结构，本发明的端轴-动轴机构可减少零件数目，缩短轴系的长度，从而可提高轴系的刚度，而且可以使得结构更为紧凑，体积下降，重量减轻，结构稳定性大大提高，并最终降低制造成本。 

此外，为取得更佳的平衡效果，所述两平衡配重的质心位于所述端轴旋转轴线和端轴的动轴颈容置孔的轴线所在平面，并与所述动轴颈容置孔的轴线分设于端轴旋转轴线的两侧。 

在所述动轴可以是具有连个动轴销的两拐动轴，也可以是具有三个动轴销的三拐动轴。 

在所述动轴为两拐动轴时，若所述端轴的质心位于其旋转轴线上，所述飞轮和皮带轮中，其中一个质量为M₁时，另一个质量为M₂，参照上述曲柄圆滑块机构的简化模型，可得 

$M_1=\frac{e{L}_2}{e_1(L_1+L_2)}(2M_H+M_D)---\left(7\right)$

$M_2=\frac{e{L}_1}{e_2(L_1+L_2)}(2M_H+M_D)---\left(8\right)$

其中，所述两拐动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上；两拐动轴的动轴销对应的两往复运动件的质量相同，分别为M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上；所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与至质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心偏离其中心的距离。 

同样的，在动轴为三拐动轴时，若所述端轴的质心位于其旋转轴线上，所述飞轮和皮带轮中，其中一个质量为M₁时，另一个质量为M₂，可得 

$M_1=\frac{e{L}_2}{e_1(L_1+L_2)}(4M_H+M_D)---\left(9\right)$

$M_2=\frac{e{L}_1}{e_2(L_1+L_2)}(4M_H+M_D)---\left(10\right)$

其中，三拐动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上；所述， 三拐动轴中位于两端的动轴销对应的往复运动件的质量相同，分别为M_H，位于中间的动轴销对应的往复运动件的质量为2M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上；所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心偏离其中心的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心偏离其中心的距离。 

此外，还可以在每一端轴上还分别设置第三和第四平衡配重结构；所述第三和第四平衡配重结构设置于与相应端轴的动轴颈容置孔成180°相位差的位置。所述端轴上的平衡配重结构可减轻设置于飞轮和皮带轮上的偏心质量。 

可见，在端轴-动轴机构中，可以通过设置偏心飞轮以及偏心皮带轮的质量以及飞轮大小，使得整个端轴-动轴机构惯性力和力矩得以平衡。 

上述的无连杆往复运动件与旋转运动相互转换的机构(包括曲柄圆滑块机构和端轴-动轴机构)可以应用于内燃机或压缩机中，应用该机构的内燃机和压缩机平衡性能好，结构紧凑，体积小，重量轻，结构稳定性高。 

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 (15)

1.一种无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，该机构为曲柄圆滑块机构，

包括圆滑块、往复运动件、曲轴以及支撑该机构的机架；

所述曲轴包括位于两端的曲柄以及设置于两曲柄之间并与两曲柄固定连接曲柄销，所述曲柄具有共同的旋转轴，该旋转轴即为曲轴旋转轴，所述曲柄可旋转的支撑于机架上；所述的曲柄销具有平行于所述曲轴旋转轴的轴线，且该轴线偏离所述曲轴旋转轴的距离为e；

所述圆滑块具有偏心距为e的偏心圆孔，用于曲柄销穿过所述圆滑块的偏心圆孔，使圆滑块可旋转的套接于曲柄销上；在每一曲柄销上套接有至少两个圆滑块，所有圆滑块固为一体，相邻圆滑块相位差呈180度设置；

往复运动件设置于机架上的往复运动导轨中；往复运动件上设置有圆滑块容置孔，用于容置所述的圆滑块；每一圆滑块均可旋转的设置于一往复运动件的圆滑块容置孔中；相位相同的圆滑块对应的往复运动件的往复运动导轨平行；相位差呈180度的圆滑块对应的往复运动件的往复运动导轨相互垂直；

其中，在所述曲轴的两端分别固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，用于平衡相互垂直的往复运动件转化至曲柄销的离心力和曲柄销及其上的部件的旋转离心力。

2.根据权利要求1所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：所述两平衡配重的质心位于所述曲柄销中心轴线和曲轴旋转轴线所在平面，并与曲柄销中心轴线分设于曲轴旋转轴线的两侧。

3.根据权利要求1所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：在所述曲轴的曲柄销上设置有两个圆滑块，每一圆滑块设置于一个往复运动件中；

所述两圆滑块组成的圆滑块组质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线上；

所述两往复运动件的质量相同，分别为M，质心落在各自的中心轴线上；

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为，

其中，所述M_x为曲柄销的质量；L₁为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离，L₂为曲柄销沿其轴向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离。

4.根据权利要求3所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：所述两往复运动件一为活塞，另一为动平衡滑块。

5.根据权利要求1所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：所述曲轴的曲柄销设置有三个圆滑块，每一圆滑块设置于一个往复运动件中；

所述三圆滑块组成圆滑块组的质量为M_r，质心位于其偏心圆孔的中心轴线上；位于两端的所述圆滑块对应的两往复运动件的质量相同，分别为M，位于中间的圆滑块对应的往复运动件的质量为2M，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上；

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为，

其中，所述M_x为曲柄销的质量；M_g为曲柄销上除圆滑块和往复运动件之外其它部件的质量；所述L₁为曲柄销沿其轴向的中点与质量为M₁的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离，L₂为曲柄销沿其轴向的中点与质量为M₂的部件的质心分别在曲轴旋转轴线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和曲轴旋转轴线之间的距离。

6.根据权利要求5所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征 在于：所述质量为M的往复运动件为活塞，质量为2M的往复运动件为动平衡滑块。

7.根据权利要求1至6任一所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：

所述第一平衡配重为质心偏离其中心的飞轮，和/或

所述第二平衡配重为质心偏离其中心的皮带轮。

8.一种无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，该机构包括端轴-动轴机构，包括：

支撑该机构的机架、旋转运动件以及至少两个往复运动件；

所述旋转运动件包括两个端轴和连接在两个端轴之间的动轴，其中，

所述端轴可旋转地支撑在机架上，并且两个端轴的旋转轴位于同一直线上，所述端轴上开设有动轴颈容置孔，该动轴颈容置孔的轴线与端轴的旋转轴平行，并且距离该旋转轴的距离为e；

所述动轴包括动轴颈、动轴销以及动轴臂，所述动轴颈为位于动轴端头的轴段，该动轴的两端各有一个动轴颈，两端的动轴颈的轴线位于同一条直线上；所述动轴销为一段轴段，该动轴共有两个或者两个以上的动轴销，各个动轴销的轴线均平行于所述动轴颈的轴线，并且动轴销轴线距离动轴颈轴线的距离也为e，并且相邻的动轴销在空间上具有180度相位差；动轴颈和动轴销之间以及相邻的动轴销之间通过所述动轴臂连接；与所述端轴组成所述旋转运动件时，动轴两端的动轴颈分别插入相应的端轴的动轴颈容置孔，并与动轴颈容置孔可旋转地连接；

所述往复运动件可旋转地与相应的动轴销连接，并且置于机架的往复运动导轨中，每个动轴销至少对应一个往复运动件，所述往复运动件具有能够使其在往复运动轨道中进行直线运动的轮廓，其中相邻动轴销对应的往复运动件的往复运动导轨在空间上具有90度相位差；

其中，在所述两端轴的外端或两端轴上还分别固定装配有第一平衡配重和第二平衡配重，用于平衡相互垂直的往复运动件转化至动轴的离心力和动轴的旋转离心力。

9.根据权利要求8所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征 在于：所述两平衡配重的质心位于所述端轴旋转轴线和端轴的动轴颈容置孔的轴线所在平面，并与所述动轴颈容置孔的轴线分设于端轴旋转轴线的两侧。

10.根据权利要求8所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：所述动轴为具有两个动轴销的两拐动轴；所述动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上；

所述端轴的质心位于其旋转轴线上；

所述往复运动件的质量相同，分别为M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上；

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为，

其中，所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与至质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离。

11.根据权利要求8所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：所述动轴为具有三个动轴销的三拐动轴；所述动轴的质量为M_D，质心位于其动轴颈的轴线所在直线上；

所述端轴的质心位于其旋转轴线上；

位于两端的所述动轴销对应的往复运动件的质量相同，分别为M_H，位于中间的动轴销对应的往复运动件的质量为2M_H，每一往复运动件的质心落在各自的中心轴线上；

所述第一平衡配重和第二平衡配重的质量分别为，

其中，所述L₁为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₁的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离，L₂为动轴沿其动轴颈轴线方向的中心与质量为M₂的部件的质心分别在端轴旋转轴线所在直线上的投影点之间的距离；所述e₁为质量为M₁的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离，e₂为质量为M₂的部件的质心和端轴旋转轴线之间的距离。

12.根据权利要求8至11任一所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：

所述第一平衡配重为质心偏离其中心的飞轮，和/或

所述第二平衡配重为质心偏离其中心的皮带轮；

13.根据权利要求8所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构，其特征在于：在每一所述端轴上还分别设置有第三和第四平衡配重结构；所述第三和第四平衡配重结构设置于与相应端轴的动轴颈容置孔成180°相位差的位置。

14.一种设备，该设备为内燃机，其特征在于包括上述权利要求1至13任一所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构。

15.一种设备，该设备为压缩机，其特征在于包括上述权利要求1至13任一所述的无连杆往复与旋转运动相互转换的机构。 

Images