CN102146837B - 凸轮和多杆机构组合的功率传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮和多杆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，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同轴且交叉安装于缸体内并绕动力轴轴线转动，差速驱动组件包括凸轮与多杆机构，凸轮与多杆机构组合形成自由度为1的驱动组件，驱动组件包括两个输入端和一个输出端，驱动组件的两个输入端分别与转子I和转子II连接，驱动组件的输出端与动力轴连接。本发明具有结构简单、布置方式完全对称、零部件数量少，动力轴每转一圈的作功次数较多等优点。

Description

凸轮和多杆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，特指一种可应用于高功率密度双转子活塞发动机上的功率传输装置。

背景技术

容积式机器包含活塞发动机、压缩机、泵等机械设备，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，但机构方案要么过于复杂、难以实施，要么零部件数目较多，结构不对称，整机难以平衡。

其次，难以实现动力轴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在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、布置方式完全对称、零部件数量少、动力轴每转一圈的作功次数较多的凸轮和多杆机构组合的功率传输装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种凸轮和多杆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，并绕动力轴转动，所述差速驱动组件包括凸轮和一多杆机构，所述凸轮和多杆机构组合形成自由度为1的驱动组件，所述驱动组件的输入端与动力轴固定连接。

所述凸轮上加工有曲线槽，所述多杆机构为一套以上的四边形机构的组合。

作为本发明的进一步改进：

所述凸轮连接于差速驱动组件的缸体上，所述四边形机构包括输出杆件、第一输入杆件、第二输入杆件、第一连接件、第二连接件、导块和铰接于导块上的滚子，所述输出杆件与动力轴固接并滑设于所述导块上，所述第一输入杆件与转子I固定连接，所述第二输入杆件与转子II固定连接，所述第一连接件的一端铰接于导块上，另一端与第一输入杆件铰接，所述第二连接件的一端铰接于导块上，另一端与第二输入杆件铰接，所述滚子设于所述曲线槽内并可沿所述曲线槽滚动。

所述凸轮上的曲线槽为极径长度呈周期性变化的曲线及其变异曲线形状的凹槽，所述曲线槽可由方程式ρ(θ)＝a+bsin(iθ)来描述，该方程式中θ＝[0，360°)，i为曲线槽的瓣数，取正整数，a、b为大于零的常量，a＞b。

所述功率传输装置设有两套以上的四边形机构时，所述两套四边形机构沿动力轴轴心线呈对称分布布置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的差速驱动组件的结构简单、通过凸轮和连杆机构进行简单的组合即可实现转子的差速运动要求，没有齿轮件，并且最重要的一个特点是结构布置方式完全对称，平衡性非常好；

2、凸轮上的曲线槽的实施曲线多样，因此具有产生广泛变化的非均匀运行的能力，能够更大范围地控制转子的运动规律，适应不同场合下发动机对差速驱动组件的要求，如可轻易实现保证膨胀腔的容积是三倍以上的进气腔容积，实现高效节能的热力学循环；

3、本发明发动机在一个缸体中的工作腔数目是曲线槽的瓣数的两倍，动力轴旋转一周过程中每一个工作腔的爆炸作功次数是瓣数的一半，也就是动力轴每转一周的总共作功次数是瓣数的平方倍。即瓣数为4时，作功次数为16次，瓣数为6时，作功次数为36次。因此可以在不显著改变发动机整体尺寸、重量以及制造成本的前提下，能够实现动力轴旋转一周，作功次数随瓣数成平方倍变化，从而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；

3、本发明的转子的平均转速与动力轴相同，即动力轴每旋转一周，转子也完成一个回转运动，同时每一瞬间都有2个以上的工作腔处于作功冲程，作功频率也高于其他活塞式发动机，故理论上本发明工作更为平稳，从而有效地降低各机械零件的磨损，并延长发动机的使用寿命；

4、采取模块化设计。将动力缸组件和差速驱动组件分离布置，既可保护让差速驱动组件远离高温、高压等复杂环境，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；

5、本发明结构对称布置，且零件数目少、工作腔便于密封、无复杂配气机构。

附图说明

图1为本发明一种实例中功率传输装置的原理结构示意图；

图2为本发明另一种实例中六叶片双转子活塞发动机的结构示意图；

图3为本发明另一种实例中六叶片双转子活塞发动机的三维结构爆炸示意图；

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；202、四边形机构；21、输出杆件；22、凸轮；23、第一连接件；24、第一输入杆件；25、第二输入杆件；26、第二连接件；27、滚子；28导块。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种凸轮和多杆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，其中动力缸组件1包括转子I 11、转子II 12、动力轴10和缸体13，转子I 11和转子II 12同轴且呈交错状(交叉状)安装于缸体13内，并可绕动力轴10转动。差速驱动组件2包括凸轮22以及一个多杆机构，该凸轮22和多杆机构组合形成自由度为1的驱动组件。该驱动组件包括两个输入端和一个输出端，驱动组件的两个输入端分别与转子I 11和转子II 12连接，驱动组件的输出端与动力轴10连接。该凸轮22上可以加工出曲线槽，该多杆机构可以设计为一套以上四边形机构202的组合。

参见图1，凸轮22固接于差速驱动组件2的缸体上，多杆机构是一套四边形机构202，四边形机构202包括输出杆件21、第一输入杆件24、第二输入杆件25、第一连接件23、第二连接件26、导块28和固设于导块上的滚子27，输出杆件21与动力轴10固接并滑设于导块28上；其中，第一输入杆件24和第二输入杆件25作为驱动组件的两个输入端，输出杆件21作为驱动组件的输出端，第一输入杆件24与转子I 11固定连接，第二输入杆件25与转子II 12固定连接。第一连接件23的一端铰接于导块28上，另一端与第一输入杆件24铰接；第二连接件26的一端铰接于导块28上，另一端与第二输入杆件25铰接；滚子27设于凸轮22上的曲线槽内并可沿曲线槽滚动。在具体实施中，第一连接件23、第一输入杆件24、第二输入杆件25、第二连接件26的具体机构尺寸可根据实际设计要求而定。凸轮22上的曲线槽为极径长度呈周期性变化的曲线及其变异曲线形状的凹槽，实施曲线多样，如玫瑰线、椭圆曲线、摆线等极径长度呈周期性变化的各类曲线或这些曲线的变异，具有产生广泛变化的非均匀运行的能力，能够更大范围地控制转子的运动规律，适应不同场合下发动机对差速驱动组件的要求，如可轻易实现保证膨胀腔的容积是三倍以上的进气腔容积，实现高效节能的热力学循环。

本发明的基本原理是通过改变四边形连杆机构中四边形对角线长度控制其内角的变化，四边形对角线长度的变化由凸轮22上的凸轮槽的曲线形状控制。各杆件长度不一定相等，具体结构尺寸可根据设计要求而定。该四边形的对角线长度受凸轮曲线槽的形状约束并呈周期性变化，从而第一输入杆件24、第二输入杆件25间的夹角也周期性地变大、变小。凸轮槽形状的实施曲线多样，凸轮槽的曲线形状约束着四边形内角大小的周期性变化，两转子间的夹角与四边形内角相关。在凸轮和多杆机构组合构成的差速驱动组件约束下，两转子以周期性波动的角速度作变速转动，并实现工作腔容积在动力轴旋转一周的过程中重复变化多次。工作腔容积的变化显然可被用来完成发动机的工作循环。

如图2、3所示，多杆机构设有两套四边形机构202，两组四边形机构202沿发动机的动力轴10轴心线呈对称分布。本实施例中，凸轮上的曲线槽的形状为玫瑰线的变异，具体可由方程式ρ(θ)＝a+bsin(iθ)来描述，该方程式中θ＝[0，360°)，i为曲线槽的瓣数，取正整数，本实施例等于6，a、b为大于零的常量，a＞b。本实施例中的差速驱动组件的结构简单、通过凸轮和连杆机构进行简单的组合即可实现转子的差速运动，没有齿轮件，并且最重要的一个特点是结构布置方式完全对称，平衡性非常好，故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，并延长发动机使用寿命。

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。

工作原理：当匀速驱动发动机的动力轴10(输出杆件21)旋转一周时，滚子27带动导块28沿凸轮曲线槽22的轨迹非匀速转动一周，假设i＝6，则第一输入杆件24和第二输入杆件25的角速度由大变小再由小变大的过程将进行6次，即转子旋转一周其角速度由大变小再由小变大的过程也进行6次，故而由凸轮与多杆机构构成的差速驱动组件能够约束两个转子周期性的作不等速运动。

作为本发明发动机工作原理的进一步说明，发动机的动力轴10匀速转动时，在自由度为1的差速驱动组件2的约束下，两转子均以周期性波动的角速度作变速转动，使得两个转子间的工作腔容积周期性增大、减小。反之，燃料在工作腔内爆炸，爆炸压力推动两转子转动，并在差速驱动组件2的约束下，转子的差速转动转化为动力轴的匀速转动。本发明所应用的发动机在一个缸体中的工作腔数目是前述凸轮22上曲线槽的瓣数的两倍，而且在动力轴旋转一周过程中每一个工作腔的爆炸作功次数是前述曲线槽的瓣数的一半，也就是转子旋转一周本发明发动机的爆炸作功次数是曲线槽的瓣数的平方倍，因此可以在不显著改变发动机整体尺寸、重量以及制造成本的前提下，能够实现动力轴旋转一周，作功次数随瓣数成平方倍变化，从而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。

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 (3)

1.一种凸轮和多杆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）转动，其特征在于：所述差速驱动组件（2）包括凸轮（22）和多杆机构，所述凸轮（22）和多杆机构组合形成自由度为1的驱动组件，所述驱动组件包括两个输入端和一个输出端，所述驱动组件的两个输入端分别与转子Ⅰ（11）和转子Ⅱ（12）固定连接，所述驱动组件的输出端与动力轴（10）固定连接；所述凸轮（22）上开设有曲线槽，所述多杆机构为一套以上的四边形机构（202）的组合；所述凸轮（22）连接于差速驱动组件（2）的缸体上，所述四边形机构（202）包括输出杆件（21）、第一输入杆件（24）、第二输入杆件（25）、第一连接件（23）、第二连接件（26）、导块（28）和铰接于导块（28）上的滚子（27），所述输出杆件（21）与动力轴（10）相连并连接于所述导块（28）上，所述第一输入杆件（24）与转子Ⅰ（11）连接，所述第二输入杆件（25）与转子Ⅱ（12）连接，所述第一连接件（23）的一端铰接于导块（28）上，所述第一连接件（23）的另一端与第一输入杆件（24）铰接，所述第二连接件（26）的一端铰接于导块（28）上，所述第二连接件（26）的另一端与第二输入杆件（25）铰接，所述滚子（27）设于所述凸轮（22）上的曲线槽内并可沿所述曲线槽滚动。

2.根据权利要求1所述的凸轮和多杆机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述凸轮（22）上的曲线槽为极径长度呈周期性变化的曲线形状的凹槽；所述凸轮（22）的曲线槽由方程式ρ(θ)＝a+bsin(iθ)来描述，该方程式中θ＝[0,360°)，i取正整数，a、b为大于零的常量，a＞b。

3.根据权利要求1所述的凸轮和多杆机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述功率传输装置设有两套以上的四边形机构（202）时，所述两套以上的四边形机构（202）沿动力轴（10）轴心线呈对称分布布置。

Images