CN102168747B - 定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定轴轮系与非匀速传动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，差速驱动组件为由一套定轴轮系和两套非匀速传动机构组合形成的自由度为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、传动平稳、整机易于平衡、动力轴每转一圈的作功次数较多等优点。

Description

定轴轮系与非匀速传动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，但机构方案要么过于复杂、难以实施，要么行星齿轮数目较多，不易于整机平衡。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、传动平稳、整机易于平衡、动力轴每转一圈的作功次数较多的定轴轮系与非匀速传动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： 

一种定轴轮系与非匀速传动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同轴且呈交叉状安装于缸体内并绕动力轴转动，其特征在于：所述差速驱动组件为由一套定轴轮系和两套非匀速传动机构组合形成的自由度为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和转子Ⅱ连接，所述驱动组件的输出端与动力轴连接。

作为本发明的进一步改进： 

所述定轴轮系包括输出齿轮、第一输入大齿轮、第二输入大齿轮、第一中间小齿轮、第二中间小齿轮、第一中间大齿轮、第二中间大齿轮，所述第一输入大齿轮与第一中间小齿轮啮合连接，所述第二输入大齿轮与第二中间小齿轮啮合连接，所述输出齿轮同时与第一中间大齿轮和第二中间大齿轮啮合连接。所述第一输入大齿轮和第二输入大齿轮空套在动力轴上，并绕动力轴的轴心线转动。

所述两个输入端指第一输入大齿轮和第二输入大齿轮，所述第一输入大齿轮与转子Ⅰ固定连接并随转子Ⅰ绕动力轴转动，所述第二输入大齿轮与转子Ⅱ）固定连接并随转子Ⅱ绕动力轴转动，所述一个输出端指输出齿轮，输出齿轮与动力轴固定连接。

所述差速驱动组件包含两套非匀速传动机构，所述非匀速传动机构指反平行四边机构或回转导杆机构。

所述两套非匀速传动机构中的第一套的主动件与第一中间小齿轮固定连接，从动件与第一中间大齿轮固定连接，第二套的主动件与第二中间小齿轮固定连接，从动件与第二中间大齿轮固定连接。

所述两套非匀速传动机构沿动力轴轴心线呈对称分布布置。

所述两套非匀速传动机构呈主动件相位相差180°设置。

所述两套反平行四边机构包括第一固结杆Ⅰ、第二固结杆Ⅰ、第一连接杆、第二连接杆、第一固结杆Ⅱ、第二固结杆Ⅱ，第一固结杆Ⅰ、第一连接杆、第一固结杆Ⅱ组成第一套反平行四边形机构，第二固结杆Ⅰ、第二连接杆、第二固结杆Ⅱ组成第二套反平行四边形机构，所述两套反平行四边形机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ、第二固结杆Ⅰ，从动件分别指第一固结杆Ⅱ、第二固结杆Ⅱ。

所述反平行四边机构的第一连接杆的一端与所述第一固结杆Ⅰ铰接，另一端与所述第一固结杆Ⅱ铰接，第二连接杆的一端与所述第二固结杆Ⅰ铰接，另一端与所述第二固结杆Ⅱ铰接。

所述两套回转导杆机构包括第一固结杆Ⅰ、第二固结杆Ⅰ、第一导块、第二导块、第一固结杆Ⅱ、第二固结杆Ⅱ。第一固结杆Ⅰ、第一导块、第一固结杆Ⅱ组成第一套回转导杆机构，第二固结杆Ⅰ、第二导块、第二固结杆Ⅱ组成第二套回转导杆机构，所述两套回转导杆机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ、第二固结杆Ⅰ，从动件分别指第一固结杆Ⅱ、第二固结杆Ⅱ。

所述回转导杆机构的第一导块铰接于所述第一固结杆Ⅰ上，所述第一固结杆Ⅱ滑设于第一导块上，所述第二导块铰接于所述第二固结杆Ⅰ上，所述第二固结杆Ⅱ滑设于第二导块上。

所述定轴轮系的单级齿数比相等，第一输入大齿轮与第一中间小齿轮的齿数比与第一中间大齿轮与输出齿轮的齿数比相等，第二输入大齿轮与第二中间小齿轮的齿数比与第二中间大齿轮与输出齿轮的齿数比相等。

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、可靠，采用齿轮、连杆等普通零件进行常规的组合即可实现转子的差速运动要求，并且最重要的一个特点是所有齿轮作定轴转动，结构布置也对称，有利于平衡，因此发动机的整机平稳性会得到极大提高。

2、本发明发动机在一个缸体中的工作腔数目是定轴轮系单级齿数比的两倍，动力轴旋转一周过程中每一个工作腔的爆炸作功次数是齿数比的一半，也就是动力轴每转一周的总共作功次数是齿数比的平方倍。即齿数比为2时，作功次数为4次，齿数比为4时，作功次数为16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，能够实现转子旋转一周，作功次数随齿数比成平方倍变化，从而适应各种不同的应用场合。

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为本发明功率传输装置的结构示意图；

图2为本发明第一种实施例的传动原理示意图；

图3为本发明第一种实施例的差速驱动组件的结构示意图；

图4为本发明第二种实施例的传动原理示意图；

图5为本发明第二种实施例的差速驱动组件的结构示意图。

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；200、输出齿轮；201、第一输入大齿轮；202、第二输入大齿轮；211、第一中间小齿轮；212、第二中间小齿轮；221、第一固结杆Ⅰ；222、第二固结杆Ⅰ；231、第一连接杆；232、第二连接杆；241、第一固结杆Ⅱ；242、第二固结杆Ⅱ；251、第一中间大齿轮；252、第二中间大齿轮；261、第一导块；262、第二导块。 

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、图2、图3所示，在第一实施例中，本发明定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置, 包括动力缸组件1、动力轴10以及与动力缸组件1相连的差速驱动组件2，该动力缸组件1包括转子Ⅰ11、转子Ⅱ12和缸体13，转子Ⅰ11和转子Ⅱ12同轴且呈交叉状安装于缸体13内，并可绕动力轴10的轴心线转动。差速驱动组件2包括一套定轴轮系和两套非匀速传动机构，该定轴轮系和非匀速传动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Ⅰ11和转子Ⅱ12连接，驱动组件的输出端与动力轴10连接。

本实施例中，定轴轮系包括输出齿轮200、第一输入大齿轮201、第二输入大齿轮202、第一中间小齿轮211、第二中间小齿轮212、第一中间大齿轮251以及第二中间大齿轮252，其中第一输入大齿轮201与第一中间小齿轮211啮合连接，第二输入大齿轮202与第二中间小齿轮212啮合连接，输出齿轮200同时与第一中间大齿轮251和第二中间大齿轮252啮合连接。第一输入大齿轮201和第二输入大齿轮202空套在动力轴10上，并可绕动力轴10的轴心线转动。所有齿轮作定轴转动，结构布置也对称，有利于平衡，因此发动机的整机平稳性会得到极大提高。

本实施例中，两个输入端指第一输入大齿轮201和第二输入大齿轮202，第一输入大齿轮201与转子Ⅰ11固定连接并随转子Ⅰ11绕动力轴10转动，第二输入大齿轮202与转子Ⅱ12固定连接并随转子Ⅱ12绕动力轴10转动，一个输出端指输出齿轮200，输出齿轮200与动力轴10固定连接。

差速驱动组件2包含两套非匀速传动机构，该非匀速传动机构指反平行四边机构或回转导杆机构，两套非匀速传动机构中的第一套的主动件与第一中间小齿轮211固定连接，从动件与第一中间大齿轮251固定连接，第二套的主动件与第二中间小齿轮212固定连接，从动件与第二中间大齿轮252固定连接。

两套非匀速传动机构沿动力轴10轴心线呈对称分布布置，且两套非匀速传动机构呈主动件相位相差180°设置。两套非匀速传动机构呈主动件相位相差180°设置，以保证最好的对发动机两转子的差速驱动。以动力轴10为中心呈对称布置，使差速驱动组件2在工作时，可以保持良好的动平衡特性、工作更加稳定，可以有效降低各机械零件的磨损，并延长发动机的使用寿命。

定轴轮系的单级齿数比相等，第一输入大齿轮201与第一中间小齿轮211的齿数比与第一中间大齿轮251与输出齿轮200的齿数比相等，第二输入大齿轮202与第二中间小齿轮212的齿数比与第二中间大齿轮252与输出齿轮200的齿数比相等。

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: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10的匀速转动。本发明发动机在一个缸体中的工作腔数目是定轴轮系单级齿数比的两倍，动力轴旋转一周过程中每一个工作腔的爆炸作功次数是齿数比的一半，也就是动力轴每转一周的总共作功次数是齿数比的平方倍。即齿数比为2时，作功次数为4次，齿数比为4时，作功次数为16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，能够实现转子旋转一周，作功次数随齿数比成平方倍变化，从而适应各种不同的应用场合。

差速驱动组件的形成原理是利用一类从动件作整周回转的非匀速传动机构，如反平行四边形机构、回转导杆机构、双曲柄机构等主、从动件作整周回转的非匀速传动机构使两转子相互追赶，形成周期性变化的工作腔，然后采用定轴齿轮系将这种相互追赶的过程进行周期性拓展，以保证在动力轴旋转一周时该追赶过程重复多次，相互追赶的次数与定轴轮系单级齿数比相等。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。

如图2、图3所示，在第二实施例中，非匀速传动机构采用两套反平行四边机构，该反平行四边机构包括第一固结杆Ⅰ221、第二固结杆Ⅰ222、第一连接杆231、第二连接杆232、第一固结杆Ⅱ241、第二固结杆Ⅱ242，其中第一固结杆Ⅰ221、第一连接杆231、第一固结杆Ⅱ241组成第一套反平行四边形机构，第二固结杆Ⅰ222、第二连接杆232、第二固结杆Ⅱ242组成第二套反平行四边形机构，两套反平行四边形机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ221、第二固结杆Ⅰ222，从动件分别指第一固结杆Ⅱ241、第二固结杆Ⅱ242。

本实施例中，反平行四边机构的第一连接杆231的一端与第一固结杆Ⅰ221铰接，另一端与第一固结杆Ⅱ241铰接，第二连接杆232的一端与第二固结杆Ⅰ222铰接，另一端与第二固结杆Ⅱ242铰接。

如图4、图5所示，在另一个本实施例中，非匀速传动机构采用两套回转导杆机构，该回转导杆机构包括第一固结杆Ⅰ221、第二固结杆Ⅰ222、第一导块261、第二导块262、第一固结杆Ⅱ241、第二固结杆Ⅱ242。第一固结杆Ⅰ221、第一导块261、第一固结杆Ⅱ241组成第一套回转导杆机构，第二固结杆Ⅰ222、第二导块262、第二固结杆Ⅱ242组成第二套回转导杆机构，两套回转导杆机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ221、第二固结杆Ⅰ222，从动件分别指第一固结杆Ⅱ241、第二固结杆Ⅱ242。

本实施例中，回转导杆机构的第一导块261铰接于第一固结杆Ⅰ221上，第一固结杆Ⅱ241滑设于第一导块261上，第二导块262铰接于第二固结杆Ⅰ222上，第二固结杆Ⅱ242滑设于第二导块262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 (7)

1.一种定轴轮系与非匀速传动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）的轴心线转动，其特征在于：所述差速驱动组件（2）为由一套定轴轮系和两套非匀速传动机构组合形成的自由度为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）连接，所述驱动组件的输出端与动力轴（10）连接；

所述定轴轮系包括输出齿轮（200）、第一输入大齿轮（201）、第二输入大齿轮（202）、第一中间小齿轮（211）、第二中间小齿轮（212）、第一中间大齿轮（251）以及第二中间大齿轮（252），所述第一输入大齿轮（201）与第一中间小齿轮（211）啮合连接，所述第二输入大齿轮（202）与第二中间小齿轮（212）啮合连接，所述输出齿轮（200）同时与第一中间大齿轮（251）和第二中间大齿轮（252）啮合连接,所述第一输入大齿轮（201）和第二输入大齿轮（202）空套在动力轴（10）上并绕动力轴（10）的轴心线转动；

所述两个输入端分别为第一输入大齿轮（201）和第二输入大齿轮（202），所述第一输入大齿轮（201）与转子Ⅰ（11）固定连接并随转子Ⅰ（11）绕动力轴（10）转动，所述第二输入大齿轮（202）与转子Ⅱ（12）固定连接并随转子Ⅱ（12）绕动力轴（10）转动，所述一个输出端为输出齿轮（200），所述输出齿轮（200）与动力轴（10）固定连接；

所述差速驱动组件（2）包含两套非匀速传动机构，所述两套非匀速传动机构中的第一套的主动件与第一中间小齿轮（211）固定连接，从动件与第一中间大齿轮（251）固定连接；第二套的主动件与第二中间小齿轮（212）固定连接，从动件与第二中间大齿轮（252）固定连接。

2.根据权利要求1所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述两套非匀速传动机构沿动力轴（10）轴心线呈对称分布布置。

3.根据权利要求1所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述两套非匀速传动机构呈主动件相位相差180°设置。

4.根据权利要求1所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述非匀速传动机构为反平行四边机构，所述反平行四边机构包括第一固结杆Ⅰ（221）、第二固结杆Ⅰ（222）、第一连接杆（231）、第二连接杆（232）、第一固结杆Ⅱ（241）、第二固结杆Ⅱ（242），第一固结杆Ⅰ（221）、第一连接杆（231）、第一固结杆Ⅱ（241）组成第一套反平行四边形机构，第二固结杆Ⅰ（222）、第二连接杆（232）、第二固结杆Ⅱ（242）组成第二套反平行四边形机构，所述两套反平行四边形机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ（221）、第二固结杆Ⅰ（222），从动件分别指第一固结杆Ⅱ（241）、第二固结杆Ⅱ（242）。

5.根据权利要求4所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述反平行四边机构的第一连接杆（231）的一端与所述第一固结杆Ⅰ（221）铰接，另一端与所述第一固结杆Ⅱ（241）铰接，第二连接杆（232）的一端与所述第二固结杆Ⅰ（222）铰接，另一端与所述第二固结杆Ⅱ（242）铰接。

6.根据权利要求1所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述非匀速传动机构为回转导杆机构，包括第一固结杆Ⅰ（221）、第二固结杆Ⅰ（222）、第一导块（261）、第二导块（262）、第一固结杆Ⅱ（241）、第二固结杆Ⅱ（242），所述第一固结杆Ⅰ（221）、第一导块（261）、第一固结杆Ⅱ（241）组成第一套回转导杆机构，所述第二固结杆Ⅰ（222）、第二导块（262）、第二固结杆Ⅱ（242）组成第二套回转导杆机构，所述两套回转导杆机构的主动件分别指第一固结杆Ⅰ（221）、第二固结杆Ⅰ（222），从动件分别指第一固结杆Ⅱ（241）、第二固结杆Ⅱ（242）。

7.根据权利要求6所述的定轴轮系与非匀速传动机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述回转导杆机构的第一导块（261）铰接于所述第一固结杆Ⅰ（221）上，所述第一固结杆Ⅱ（241）滑设于第一导块（261）上，所述第二导块（262）铰接于所述第二固结杆Ⅰ（222）上，所述第二固结杆Ⅱ（242）滑设于第二导块（262）上。

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