CN102140959B - 周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件以及与动力缸组件相连的差速驱动组件，所述动力缸组件包括转子I、转子II、动力轴和缸体，所述转子I和转子II同轴且呈交错状安装于缸体内并绕动力轴的转动轴线转动，所述差速驱动组件为一套周摆线机构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组合机构。本发明具有结构简单紧凑、传动平稳、可靠、高效、适用范围广等优点，将其用在发动机上，会得到一种效率高、功率密度大的双转子活塞发动机。

Description

周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置

技术领域

本发明主要涉及到容积式机器领域，特指一种可应用于活塞式内燃机、外燃机、气动机、压缩机、泵等领域的功率传输装置。

背景技术

容积式机器包含活塞式发动机、压缩机、泵等机械设备。本发明具体涉及发动机功率传输部分的改进，所涉及的方法与结构稍作修改也适合气动机、压缩机、泵等设备的改进。

活塞式发动机主要有往复活塞式发动机和旋转活塞式发动机两类。大多数往复活塞式发动机上都利用曲柄连杆机构进行功率传输。100多年来科研人员围绕曲柄连杆机构展开了广泛的研究，同时致力于通过添置一些辅助机构来减小惯性负荷和侧压力、克服运动死点、提高发动机传动效率。这些研究虽然在一定程度上使得往复活塞式发动机的动力性能得到改善，但由于功率传输部分的固有缺陷，未能从根本上改变发动机功率密度低的现状。旋转活塞式发动机研制并应用成功的是1957年由德国人汪克尔（Wankel）发明的三角转子旋转活塞发动机，此发动机功率密度相对较大，应用前景可观，但由于转子形状复杂导致制造成本高昂，并且存在密封困难、低速时动力性能差、燃油经济性差等难以解决的问题，使得旋转活塞式发动机理论上的优越性到目前为止未能得到充分发挥。

较低的功率密度不仅制约着活塞式发动机性能的进一步提高，而且限制了活塞式发动机在许多场合的应用。上述两类活塞式发动机受功率传输部分固有缺陷的限制，功率密度很难达到1（Kw/Kg）。动力源功率密度低已经成为一些装备技术发展的瓶颈。

为了改善传统活塞式发动机的特性，人们提出了多种解决方案，其中双转子活塞发动机是一个非常热门的研究方向，多年来，国内外进行了大量的研究，这些研究都力图在双转子活塞发动机上取得突破，但现有的双转子活塞发动机研究存在如下两个问题难以解决。

首先，约束转子运动的差速驱动组件较复杂。在已查到的文献里，一部分人利用椭圆齿轮、变速齿轮、非圆齿轮、卵圆齿轮等难加工零部件实现差速驱动转子，这些方案不仅成本高，而且可靠性较差，尤其是为了实现发动机的高功率密度而要求动力轴每转作功次数较多时，这些特型部件的形状会变得十分复杂，加工难度太大；另一部分人采用单向器、棘轮、弹簧等非常规部件实现差速驱动转子，众所周知，这些部件作发动机功率传输用的部件时不具备实用价值，在转子作非匀速转动时会有很大冲击，而且运行噪声很大；也有一部分人采用的是齿轮、连杆等常规部件实现差速驱动转子，但机构方案中有的过于复杂、可靠性不够、难以实施，有的零部件数目较多、结构不紧凑。其次，难以实现转子每转一圈的作功次数在10次以上，保证不了发动机的高功率密度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、传动平稳、可靠、高效、适用范围广的功率传输装置，并将其主要应用于双转子活塞发动机，以克服现有活塞式发动机由于功率传输装置的缺陷带来的燃料利用率低、功率密度小的特点。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件以及与动力缸组件相连的差速驱动组件，所述动力缸组件包括转子Ⅰ、转子Ⅱ、动力轴和缸体，所述转子Ⅰ和转子Ⅱ同轴且呈交错状安装于缸体内并绕动力轴的转动轴线转动，其特征在于：所述差速驱动组件为一套周摆线机构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组合机构。

作为本发明的进一步改进：

所述差速驱动组件包括行星齿圈、太阳轮、第一杆件、第二杆件、偏心主轴、第三杆件、第四杆件，所述太阳轮固定在缸体上，所述偏心主轴固接于动力轴上，所述行星齿圈在偏心主轴的带动下绕太阳轮啮合旋转，所述第二杆件、第三杆件分别与相应转子I、转子II连接并绕偏心主轴的轴心转动，所述第一杆件、第四杆件一端与行星齿圈铰接，所述第一杆件的另一端与第二杆件铰接，第四杆件的另一端与第三杆件铰接。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明所应用的发动机主轴旋转一周，爆炸作功次数多，且可根据应用领域或者其他需求做出适当的选择。如可以选择差速驱动机构主轴旋转一周，每一个工作腔爆炸4次、5次、6次等，而且爆炸次数在10次以下都不会给设计和加工带来显著的麻烦。主轴旋转一周的过程中爆炸次数增多带来的优点是，本发明所应用的发动机与其他（所有）活塞式发动机比较，在相同的设计重量下，功率密度、升功率等有大幅度的提升，这一特性有着广泛的应用前景；本发明的差速驱动组件中，在实现转子每转一圈的做功次数为10次以上时，齿数比相差很小，这一特点对于齿轮传动来说好处明显。

2、本发明中差速驱动组件结构组成简单、直接采用普通的直齿轮、连杆机构来实现双转子的差速运动，杆件间的连接是经过了许多工程实践的验证铰接方式，没有椭圆齿轮、非圆齿轮等外形复杂的特种零部件，也没有凸轮等易磨损件，因此其零部件数目少、紧凑度高，因此可靠性高，便于密封、无复杂配气机构等；

3、本发明中各部件间采用铰接方式，简单可靠，并且可设计参数多，能够更大范围地控制转子的运动规律，适合发动机不同工况下的长寿命动力输出的要求；

4、本发明的动平衡特性好、工作平稳；本发明的差速驱动机构结构对称布置，转子旋转一周有多次点火作功过程，故理论上本发明能够保证发动机的惯性力冲击和振动较小，工作更为平稳，可以有效地降低各机械零件的磨损，并延长发动机的使用寿命。本发明的动力轴转速低，比转子的平均转速几乎少一个数量级，特别适合于需要低转速输出动力的场合；

5、本发明采取模块化设计。将动力缸组件（工作腔）和差速驱动机构组件分离布置，既可保护驱动部件，又便于拆装和维修，还可沿轴向上方便地组合成多缸工作形式，适应特殊应用场合。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明的三维结构爆炸示意图；

图3为本发明中差速驱动组件构成原理示意图。

图例说明：

1、动力缸组件；10、动力轴；11、转子I；12、转子II；13、缸体；2、差速驱动组件；21、行星齿圈；22、太阳轮；23、第一杆件；24、第二杆件；25、偏心主轴；26、第三杆件；27、第四杆件。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件1以及与动力缸组件1相连的差速驱动组件2，动力缸组件1包括转子Ⅰ11、转子Ⅱ12、动力轴10和缸体13，转子Ⅰ11和转子Ⅱ12同轴且呈交错状（交叉状）安装于缸体13内，并绕动力轴10的转动轴线转动。即，动力缸组件1和差速驱动组件2同轴布置，并通过各自缸体进行组合安装。动力缸组件1中有两个同轴安装在缸体13中的转子，转子上各均布有多个叶片活塞，两组叶片活塞在缸体13内相互间隔，与缸体13共同形成多个密闭的独立工作腔。发动机主轴匀速转动时，在差速驱动组件2的约束下，两转子均以周期性波动的角速度作变速转动，使得两个转子上相邻叶片活塞间的工作腔容积周期性增大、减小。反之，燃料在两转子间爆炸，爆炸压力推动两转子转动，并在差速驱动组件2的约束下，动力被转化为发动机主轴的匀速转动。

如图3所示，本发明中，差速驱动组件2是一套“周摆线机构”与两套“双曲柄机构”组合在一起形成的自由度为1的组合机构。双曲柄机构负责约束两转子做不等速转动，实现工作腔容积的变化。周摆线机构则负责将这种容积的变化进行周期性拓展，使得工作腔容积在转子转动一周的过程中重复变化多次。周摆线机构具体可采用内啮合行星齿轮机构。采用周摆线机构作周期性拓展有两个原因，一是采用周摆线机构的功率传输装置与采用内、外摆线的相比，齿数比不为整数，更利于装置的持久可靠传动；二是采取这种结构的差速驱动机构紧凑，形成同样摆线形状时两齿轮齿数相差较小，因此同等功率下采用周摆线机构的功率传输装置的体积、重量均较小。不足之处是，与采用内摆线机构的功率传输装置相比，作功次数有所下降。本实施例中差速驱动组件2包括行星齿圈21、太阳轮22、第一杆件23、第二杆件24、偏心主轴25、第三杆件26、第四杆件27。其中，太阳轮22固定在缸体13上，偏心主轴25固接于动力轴10上，行星齿圈21在偏心主轴25的带动下绕太阳轮22啮合旋转；第二杆件24、第三杆件26分别与相应转子I11、转子II12连接，并绕偏心主轴25的轴心转动。第一杆件23、第四杆件27一端与行星齿圈21铰接，第一杆件23的另一端与第二杆件24铰接，第四杆件27的另一端与第三杆件26铰接。燃料在转子I11、转子II12组成的工作腔里爆炸，其动力通过第二杆件24、第三杆件26传递到差速驱动组件2中，并通过差速驱动组件2的转换最终带动偏心主轴25旋转输出。

进一步可知，行星齿圈21、太阳轮22和偏心主轴25组成“外摆线内啮合行星齿轮机构”，行星齿圈21绕太阳轮22周转相当于一动圆绕一定圆的纯滚动转动，其上任意固定点的轨迹是一条外摆线。如将偏心主轴25固定，则OAB₁C₁和OAB₂C₂是两套双曲柄机构。其中，杆件OA（偏心主轴25）为最短杆、杆件B₁B₂（行星齿圈21）旋转一周，杆件OC₁和OC₂旋转一周。

设定行星齿圈21与太阳轮22的齿数比为（i+1）/(i)，假定偏心主轴25顺时针旋转，在其旋转(i+1)周过程中，行星齿圈21（杆件B₁B₂）、第二杆件24（杆件OC₁）、第三杆件26（杆件OC₂）各顺时针自转1周，并且都相对于偏心主轴25逆时针旋转i周。

在双曲柄机构中，偏心主轴25是最短杆，行星齿圈21每相对于偏心主轴25转一周，其速度将由快而慢、然后再由慢而快。行星齿圈21相对于偏心主轴25转i周，则速度由快而慢、然后由慢而快的过程将进行i次。第二杆件24（杆件OC₁）、第三杆件26（杆件OC₂）也一样。由此，将转子分别连接在第二杆件24、第三杆件26后，两转子的追赶过程在其旋转一周的过程中重复了i次。

与太阳轮22和行星齿圈21的齿数比相对应，两转子周向上一般均匀布置有i个叶片活塞，两者间形成2i个工作腔。发动机工作时，2i个工作腔中总有间隔分布的i个工作腔容积在周期性地增大，另外i个工作腔容积对应地周期性减小。工作腔容积变化呈周期性交替的特点，且每个工作腔在转子旋转一周的过程中各自先后完成i次容积变化（定义一次“容积变化”为起、止时刻容积状态相同的容积变化过程，主要指工作腔容积由最大值经过一些变化回复到最大值的过程或由最小值经过一些变化回复到最小值的过程）。

这些独立工作腔的容积周期性变化过程对应于四冲程发动机的的进气、压缩、爆炸与排气冲程。其中，进气和压缩冲程共同占用一次容积变化过程，爆炸和排气冲程也共同占用一次容积变化过程。所以，缸体13上应均布有i/2个排气口，i/2个进气口和i/2个爆炸点。考虑到结构参数的实际工程含义，i只能为偶数（如2，4，6，8等）。

在缸体13上合适位置设置进、排气口以及点火系统，则可以实现发动机的进气、压缩、爆炸、排气等过程。本发明构成发动机的每个工作腔的作功冲程、排气冲程、吸气冲程、压缩冲程与普通四冲程内燃机无异。

在转子旋转一周的过程中，本发明构成发动机的每个工作腔都将完成i/2次四冲程工作循环，两个转子构成的2i个工作腔将总共完成i²个四冲程工作循环，实现i²次爆炸作功。

本实施例中，太阳轮22与行星齿圈21的齿数比等于7/6。相应地，两转子上均布有六个叶片活塞。两个转子上都均布有六个叶片活塞。

例如，当给出了i＝6时，发动机各工作腔任意时刻的工作循环，即六叶片转子活塞发动机转子旋转一周，偏心主轴25旋转7周，发动机有36次作功冲程，理论上功率密度得到较大提高。

本实施例提供了一种差速驱动机构的实现方法，即将差速驱动机构分解为周摆线机构和两套双曲柄机构，尽管本实施例只优选并详细描述了“内啮合行星齿轮机构”和“双曲柄机构”的组合，但在不背离本发明这种实现方法情况下进行的部分改变和修改，如采用其他方式实现周摆线，将双曲柄机构修改为反平行四边形机构，以及改变两套四杆机构的相位差、布置方位以及布置数目等，都应受到本发明保护。

发动机是一种有许多机构和系统组成的复杂机器。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，必须具备必备的一些机构和系统。本发明发动机属于活塞式发动机，基本原理类同其他活塞式发动机，因此，除本发明着重修改的功率传输部分外，还须配置燃料供给系，润滑系，冷却系，起动系等，这些系统的技术可以完全参考现有往复活塞式或三角转子旋转活塞式发动机的技术，在此就不再赘述。本实施例功率传输装置的其他部分与背景技术里其他双转子活塞发动机所述一致，每个工作腔的作功冲程、排气冲程、吸气冲程、压缩冲程与普通四冲程内燃机无异。普通内燃机上的配气、点火、润滑等系统稍加修改也可直接用在本实施例形成的发动机上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，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前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件（1）以及与动力缸组件（1）相连的差速驱动组件（2），所述动力缸组件（1）包括转子Ⅰ（11）、转子Ⅱ（12）、动力轴（10）和缸体（13），所述转子Ⅰ（11）和转子Ⅱ（12）同轴且呈交错状安装于缸体（13）内并绕动力轴（10）的转动轴线转动，其特征在于：所述差速驱动组件（2）为一套周摆线机构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组合机构；所述差速驱动组件（2）包括行星齿圈（21）、太阳轮（22）、第一杆件（23）、第二杆件（24）、偏心主轴（25）、第三杆件（26）、第四杆件（27），所述太阳轮（22）固定在缸体（13）上，所述偏心主轴（25）固接于动力轴（10）上，所述行星齿圈（21）在偏心主轴（25）的带动下绕太阳轮（22）啮合旋转，所述第二杆件（24）、第三杆件（26）分别与相应转子I（11）、转子II（12）连接并绕偏心主轴（25）的轴心转动，所述第一杆件（23）、第四杆件（27）一端与行星齿圈（21）铰接，所述第一杆件（23）的另一端与第二杆件（24）铰接，所述第四杆件（27）的另一端与第三杆件（26）铰接。

Images