CN102086926B - 一种曲柄圆滑块单缸机构及其内燃机、压缩机 - Google Patents
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Abstract
一种曲柄圆滑块单缸机构，包括分叉式动平衡滑块和单作用活塞；所述分叉式动平衡滑块的导向部被一纵向槽分为相互平行的第一列导向部和第二列导向部；分别设置第一圆滑块容置孔和第二圆滑块容置孔，用于安置第一圆滑块和第二圆滑块；所述单作用活塞的导向部插入所述分叉式动平衡滑块的纵向槽中，与所述分叉式动平衡滑块垂直交叉，该单作用活塞的导向部上设置中间圆滑块容置孔，用于容置中间圆滑块；所述第一圆滑块和第二圆滑块同相安装，所述中间圆滑块夹在上述第一圆滑块和第二圆滑块之间并与上述两个圆滑块以180°相位差安装，三个圆滑块彼此固定连接。本发明提供的曲柄圆滑块单缸机构，可明显降低往复运动件在曲轴轴线上产生的弯矩。
Description
技术领域
本发明涉及曲柄圆滑块机构，特别是涉及一种曲柄圆滑块单缸机构。本发明同时涉及使用上述曲柄圆滑块单缸机构的内燃机、压缩机。
背景技术
传统发动机的运动机构为曲柄连杆机构。在这种运动机构下，活塞的往复运动需要通过与其连接的连杆传递给曲轴，在运动过程中，连杆随着活塞的运动作来回的摆动，使活塞受到以高阶函数变化的周期性侧向力。
由于连杆的存在，曲柄连杆机构内燃机存在体积庞大、笨重、平衡性能差等缺点，为了解决这些问题，中国专利文献CN85100358B公开了一种“曲柄圆滑块往复活塞式内燃机”，这种内燃机的特点是取消了连杆，采用开有偏心圆孔的圆滑块与特殊设计的活塞总成相配合，实现活塞的直线往复运动到旋转运动的转化。
以上述专利文献为基础，中国专利文献CN1067741C公开了一种“曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机”。该内燃机采用活塞与动平衡滑块配对的方式，两者分别在呈90度布置的往复运动轨道上运动，活塞和动平衡滑块之间相互克服活点，可以避免采用齿轮机构克服活点对机构寿命的影响；同时，活塞和动平衡滑块的运动合力形成从曲轴中心指向曲柄销中心的离心力，便于进行平衡，使该机构可以达到理想的动平衡效果。该机构的问题在于，所述活塞和动平衡滑块之间沿曲轴轴线存在距离L，使两者在曲轴上形成弯矩，使整个机构无法完全平衡。
在中国专利文献CN1144880A中，则公开了一种三圆滑块机构，该机构采用三个往复运动元件形成往复运动元件组，三个往复运动元件的往复运动轨道相互垂直，其中位于中间的往复运动元件的质量为其他两个往复运动元件的质量之和，位于中间的往复运动元件中安装的圆滑块的质量为安装在两边的往复运动元件中的圆滑块的质量之和。三个圆滑块相互固定形成圆滑块组，其中位于两侧的圆滑块同相安装，位于中间的圆滑块与两侧的圆滑块以180°相位差安装。上述三个圆滑块的偏心孔套在同一个曲柄销上。上述机构中，所有往复运动惯性力最终可以合成一个旋转惯性力，便于通过设置平衡元件实现平衡。并且，由于中间往复运动元件在尺寸上设置为恰好在两侧的往复运动元件的中间位置，使整个机构在曲轴上不会形成弯矩，也就是说，在理论上，该结构可以实现完全的平衡效果。但是，该机构的良好动平衡效果有赖于其设置的中间往复运动件，整个机构过于复杂，并且增加了往复运动元件的数量，需要增加曲柄销的长度，造成轴系刚度降低。另外，机器的制造成本也显著增加，可靠性也有所下降。对于要求尺寸较小的机器，不可能采用上述机构。尤其是对于体积较小的单缸机，更不可能采用上述结构。
发明内容
本发明提供一种曲柄圆滑块单缸机构，该机构能够使曲柄圆滑块机构的空间布置获得改进，为整个机构实现完全的平衡的效果提供了可能，并保留单缸机构体积小的优势。
本发明同时提供使用上述曲柄圆滑块单缸机构的内燃机和压缩机。
本发明提供的曲柄圆滑块单缸机构，包括一个分叉式动平衡滑块和一个单作用活塞；所述分叉式动平衡滑块的导向部被一纵向槽分为相互平行的两列分叉，分别称为第一列导向部和第二列导向部；所述第一列导向部上设置第一圆滑块容置孔，所述第二列导向部上设置第二圆滑块容置孔，分别用于安置第一圆滑块和第二圆滑块；所述单作用活塞的导向部插入所述分叉式动平衡滑块的纵向槽中，与所述分叉式动平衡滑块垂直交叉，该单作用活塞的导向部上设置中间圆滑块容置孔，用于容置中间圆滑块；所述第一圆滑块和第二圆滑块同相安装，所述中间圆滑块夹在上述第一圆滑块和第二圆滑块之间并与上述两个圆滑块以180°相位差安装，相邻圆滑块之间彼此固定连接；上述第一圆滑块、中间圆滑块和第二圆滑块组成圆滑块组，它们的偏心孔共同套在曲轴的曲柄销上。
优选的，所述分叉式动平衡滑块的纵向槽开口于导向部底面。
优选的，所述分叉式动平衡滑块的第一列导向部和所述第二列导向部的厚度相同。
优选的，所述分叉式动平衡滑块的第一列导向部和所述第二列导向部具有完全相同的结构。
优选的，所述第一圆滑块和第二圆滑块为相同的圆滑块。
优选的，所述中间圆滑块的质量为上述第一圆滑块和第二圆滑块的质量之和。
优选的，所述圆滑块组的重心落在曲柄销轴线上。
优选的，所述分叉式动平衡滑块的往复运动轨道的中心线和所述单作用活 塞的往复运动轨道的中心线相互垂直共面。
优选的，所述分叉式动平衡滑块的往复运动轨道的中心线和所述单作用活塞的往复运动轨道的中心线的交点位于曲轴的旋转轴上。
优选的，所述纵向槽的深度不小于单作用活塞的导向部宽度与该分叉式动平衡滑块的往复运动行程的和。
优选的，所述分叉式动平衡滑块和所述单作用活塞的质量相同。
优选的，所述分叉式动平衡滑块和所述单作用活塞的重心均位于其各自的轴线上
本发明同时提供一种内燃机，该内燃机采用上述任意一项技术让俺所述的曲柄圆滑块单缸机构。
本发明同时提供一种压缩机，该压缩机采用上述任意一项技术方案所述的曲柄圆滑块单缸机构。
本发明提供的曲柄圆滑块单缸机构，其分叉式动平衡滑块的导向部被纵向槽分为两列，纵向槽可以容纳与该分叉式动平衡滑块配对的单作用活塞的导向部穿过，其槽深和布置位置为该单作用活塞提供了往复运动的行程空间。在分叉式动平衡滑块的两列导向部上的圆滑块容置孔中都安置圆滑块，并和位于两者之间的单作用活塞的圆滑块固定形成圆滑块组。设分叉式动平衡滑块的往复运动中心轴线和曲轴旋转轴线的交点为A，单作用活塞往复运动中心轴线和曲轴旋转轴线的交点为B，上述结构可以使A、B两点之间的距离显著减小，降低由于该距离而在曲轴轴线上产生的弯矩。
在该曲柄圆滑块单缸机构的优选方案中，所述分叉式动平衡滑块的第一列导向部和第二列导向部具有相同的厚度甚至完全相同的结构，相应的，在其圆滑块容置孔中安置的圆滑块也是相同的圆滑块，并且，分别安装在第一列导向部和第二列导向部上的圆滑块容置孔中的两个圆滑块的质量之和，等于所述单作用活塞上安装的圆滑块的质量。这样的结构可以使上述提到的A、B两点重合，并且整个系统的平衡性达到最佳。尤其是沿曲轴轴线的弯矩将不复存在，整个机构的平衡性得到显著提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的曲柄圆滑块单缸机构的立体图；
图2是本发明实施例提供的曲柄圆滑块单缸机构从曲轴一端看过去的正面剖视图；
图3是本发明实施例提供的曲柄圆滑块单缸机构的俯视剖视图；
图4是本发明实施例提供的曲柄圆滑块单缸机构的分叉式动平衡滑块的剖视图。
具体实施方式
请参看图1，该图为本发明提供的曲柄圆滑块单缸机构的立体图。为了突出本发明的特点，该立体图中没有绘出曲轴。当然，该机构还要整体装入相应的机体才能运转。该机构可以应用于单缸式内燃机或者单缸式空压机。请参看图2，该图为本发明实施例提供的曲柄圆滑块单缸机构从曲轴一端看过去的正面剖视图。请同时参看图3，为该实施例的俯视剖视图。请同时参看图4，该图为分叉式动平衡滑块1的正面剖视图。
如上述图所示，该曲柄圆滑块单缸机构包括两个往复运动件，分别是分叉式动平衡滑块1和单作用活塞2，两者分别布置在相互垂直的往复运动轨道上。从图1可以看出，所述分叉式动平衡滑块1的导向部1-2被一纵向槽分为相互平行的两列分叉，所述单作用活塞2的导向部2-2以其厚度方向穿过所述纵向槽1-4，使两个往复运动件实现交叉。从图1可以看出，所述分叉式动平衡滑块1的纵向槽1-4为所述单作用活塞2提供了与分叉式动平衡滑块1交叉的空间，使两个往复运动件的往复运动中心线能够在一个平面上垂直交叉，这一点是该曲柄圆滑块单缸机构的主要特点。以下详细介绍该曲柄圆滑块单缸机构的具体结构。
所述分叉式动平衡滑块1采用具有分叉的导向部结构，具体请看图4。所述分叉式动平衡滑块1为具有一个冠部1-1的动平衡滑块，所述冠部1-1和传统曲柄连杆机构下动平衡滑块的结构相同，为圆筒形，或者采用左右对称的鼓形亦可。该冠部1-1与机体提供的滑道配合。
该分叉式动平衡滑块1的导向部1-2被一开口于导向部底面的纵向槽1-4分为相互平行的两列分叉，分别称为第一列导向部1-2-1和第二列导向部1-2-2；所述第一列导向部1-2-1和所述第二列导向部1-2-2具有相同的结构，尤其是具有相同的厚度，以及在相同的位置上设置有相同的圆滑块容置孔。如图所示，所述第一列导向部1-2-1上设置第一圆滑块容置孔1-3-1，所述第二列导向部上设置第二圆滑块容置孔1-3-2，分别用于安置第一圆滑块3-1和第二圆滑块3-2。上述两个圆滑块也是相同结构的圆滑块。
如附图1所示，所述单作用活塞2具有冠部2-1以及导向部2-2。所述冠部2-1和传统活塞的结构相同，为圆筒形，与机体的气缸配合。冠部2-1的顶面为活塞顶，该活塞顶的上表面为工作面，在用于内燃机时为燃烧室的底面，在用于压缩机时，为活塞的工作面。在紧邻活塞顶的柱面的外径面上设置有若干环槽，该设置环槽的区域称为活塞环带，这些环槽用于安置气环、油环等。上述结构与其它曲柄圆滑块机构的活塞相应部位基本相同，在此不再赘述。所述导向部2-2的外廓为长方体，中间设置中间圆滑块容置孔2-2-1。该单作用活塞2的主要特点是，其导向部2-2厚度根据所述分叉式动平衡滑块1的纵向槽1-4的槽宽设计，使其以厚度方向恰好可以插入所述纵向槽1-4，使分叉式动平衡滑块1和所述单作用活塞2能够在两者的导向部位交叉。
上述分叉式动平衡滑块1的纵向槽1-4还需要具有足够的槽深，以使所述分叉式动平衡滑块1的往复运动不会与所述单作用活塞2产生干涉。该槽深根据两个往复运动件的空间布置的距离关系确定。为了使结构紧凑，需要使所述分叉式动平衡滑块1运动到下止点时，其导向部底面能够和所述单作用活塞2外侧的导向面平齐，则纵向槽1-4的深度应当不小于单作用活塞2的导向部宽度与该分叉式动平衡滑块的往复运动行程的和。
从图1可以看出，所述分叉式动平衡滑块1的第一圆滑块容置孔1-3-1中安置第一圆滑块3-1、所述第二圆滑块容置孔1-3-2中安置第二圆滑块3-2，两者为同相设置，所述单作用活塞2上安置的中间圆滑块3-3与上述两个圆滑块反相设置，即以180°相位差设置。三个圆滑块的偏心孔均套在曲轴4的曲柄销上，彼此以定位销或者其他结构相互固定。从图1可以看出，三个圆滑块彼此之间相互贴合，这样可以尽可能节省空间，减小整个结构的尺寸。另外，图1还可以看出，所述第一圆滑块3-1和所述第二圆滑块3-2的厚度较所述中间圆滑块3-3薄，在本实施例中，为了获得最佳的平衡效果，所述第一圆滑块3-1和所述第二圆滑块3-2的厚度均为所述中间圆滑块3-3的厚度的1/2，并且，第一圆滑块3-1和所述第二圆滑块3-2的质量之和等于所述中间圆滑块3-3的质量。实际上，保证上述三个圆滑块组成的圆滑块组的重心落在曲柄销上同样可以达到较佳的技术效果。上述各个圆滑块的结构在背景技术提到的先前专利中已经说明，在本实施例中不再赘述。
如图1、图2所示，该曲柄圆滑块单缸机构中采用的曲轴4为分离式曲轴，所述曲轴4包括一个单拐4-1和一个曲柄4-2，上述圆滑块的偏心孔即共同套在 所述单拐4-1的曲柄销上。
上述机构安装在机体中后，所述单作用活塞2的冠部2-1安置在机体位于垂直上方的气缸中，所述分叉式动平衡滑块1的冠部1-1安置在机体上水平布置的跑道中，并且所述汽缸和所述跑道的轴线相互垂直，并且共面，其交点正好位于曲轴4的旋转轴上。由于上述布置的两个往复运动件的往复运动轨道的中心轴线在曲轴旋转轴线上不存在距离，在曲轴轴线上的扭矩也不复存在，使整个机构获得了更佳的动平衡效果。若保证所述分叉式动平衡滑块1和所述单作用活塞2的质量相同，并且其重心落在各自轴线上，则能够使机构获得最佳的动平衡效果
本实施例提供的是优选的实施例。实际上，对采用双列导向部的分叉式动平衡滑块1不一定严格要求上述尺寸结构关系，所述三个圆滑块的尺寸和质量关系也不一定严格遵循上述要求，只要能够使在纵向槽1-4交叉的单作用活塞和分叉式动平衡滑块不出现干涉即可达到减小曲轴轴向上的弯矩的作用。
将采用上述结构用于内燃机，即获得本发明内燃机的实施例，将上述结构用于压缩机，即获得本发明压缩机的实施例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，包括一个分叉式动平衡滑块和一个单作用活塞；所述分叉式动平衡滑块的导向部被一纵向槽分为相互平行的两列分叉，分别称为第一列导向部和第二列导向部；所述第一列导向部上设置第一圆滑块容置孔，所述第二列导向部上设置第二圆滑块容置孔，分别用于安置第一圆滑块和第二圆滑块；所述单作用活塞的导向部插入所述分叉式动平衡滑块的纵向槽中，与所述分叉式动平衡滑块垂直交叉，该单作用活塞的导向部上设置中间圆滑块容置孔，用于容置中间圆滑块；所述第一圆滑块和第二圆滑块同相安装，所述中间圆滑块夹在上述第一圆滑块和第二圆滑块之间并与上述两个圆滑块以180°相位差安装，相邻圆滑块之间彼此固定连接；上述第一圆滑块、中间圆滑块和第二圆滑块组成圆滑块组，它们的偏心孔共同套在曲轴的曲柄销上。
2.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块的纵向槽开口于导向部底面。
3.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块的第一列导向部和所述第二列导向部的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块的第一列导向部和所述第二列导向部具有完全相同的结构。
5.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述第一圆滑块和第二圆滑块为相同的圆滑块。
6.根据权利要求5所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述中间圆滑块的质量为上述第一圆滑块和第二圆滑块的质量之和。
7.根据权利要求5所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述圆滑块组的重心落在曲柄销轴线上。
8.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块的往复运动轨道的中心线和所述单作用活塞的往复运动轨道的中心线相互垂直共面。
9.根据权利要求8所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块的往复运动轨道的中心线和所述单作用活塞的往复运动轨道的中心线的交点位于曲轴的旋转轴上。
10.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述纵向 槽的深度不小于单作用活塞的导向部宽度与该分叉式动平衡滑块的往复运动行程的和。
11.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块和所述单作用活塞的质量相同。
12.根据权利要求1所述的曲柄圆滑块单缸机构，其特征在于，所述分叉式动平衡滑块和所述单作用活塞的重心均位于其各自的轴线上。
13.一种内燃机，其特征在于，采用上述权利要求1-权利要求12任意一项所述的曲柄圆滑块单缸机构。
14.一种压缩机，其特征在于，采用上述权利要求1-权利要求12任意一项所述的曲柄圆滑块单缸机构。
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Granted publication date: 20120725 |
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