CN102182548B - 容积式机器的功率传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容积式机器的功率传输装置，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，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旋转，差速驱动组件包括行星齿轮系和两套四杆机构，行星齿轮系和两套四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、转子II固定连接，驱动组件的输出端与动力轴连接。本发明具有布置方式对称、可靠性高、动力轴每转一圈的作功次数多等优点。

Description

容积式机器的功率传输装置

技术领域

本发明主要涉及到容积式机器的功率传输装置领域，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。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、结构也不紧凑，有的结构不对称、整机难以平衡，有的可调参数少、难以产生符合发动机热动力学要求的差速规律。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，提供一种结构简单、传动平稳、可靠、高效、燃料利用率高、功率密度大的容积式机器的功率传输装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种容积式机器的功率传输装置，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，其特征在于：所述差速驱动组件包括行星齿轮系和两套四杆机构，所述行星齿轮系和两套四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发动机的转子I、转子II连接，所述驱动组件的输出端与所述动力轴连接。

作为本发明的进一步改进：

所述行星齿轮系中的行星齿轮与太阳轮间为内啮合连接关系，所述四杆机构在用“反转行星架法”将所述行星齿轮系转化为定轴轮系后形成两套曲柄摇杆机构。

所述差速驱动组件包括齿圈壳体、第一行星齿轮、第二行星齿轮、第一输入杆件、第二输入杆件、第一连接件、第二接件和输出杆件，所述输出杆件与动力轴固定连接，并与第一行星齿轮、第二行星齿轮和齿圈壳体组成行星齿轮系，所述第一输入杆件和第二输入杆件分别与发动机的转子I、转子II固定连接，所述第一连接件的一端与所述第一输入杆件铰接，另一端与所述第一行星齿轮铰接，所述第二连接件的一端与所述第二输入杆件铰接，另一端与所述第二行星齿轮铰接。

所述两套曲柄摇杆机构以动力轴为中心呈对称布置。

所述两套曲柄摇杆机构的曲柄成相互平行设置。

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、可靠，采用行星齿轮系和四杆机构进行组合即可实现转子的差速运动要求，这些常规的连接方式经过了许多工程实践的验证，可靠性很高，且通过发明人的理论分析发现，行星齿轮与太阳轮为内啮合连接关系且两套曲柄摇杆机构的曲柄成相互平行设置时，发动机不仅结构紧凑，相同条件下的排量也能得到较大程度的提高。

2、可调参数多，通过调节齿数比和四杆机构的尺寸参数可以轻易实现符合发动机热力学要求的差速规律，并且发动机的作功次数是齿数比的平方倍，因此可根据应用领域或者其他需求作出适当的选择。如可以选择主轴旋转一周，每一个工作腔作功2次、3次或4次等，而且总作功次数在20次以下都不会给设计和加工带来显著的麻烦。这个优点带来的好处是，在相同的设计重量下，发动机的功率密度、升功率等有大幅度的提升，因此有着广泛的应用前景。

3、本发明的转子的平均转速与发动机的动力轴相同，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3个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原理示意图；

图2为本发明功率传输装置的三维结构分解示意图；

图3为本发明差速驱动组件的构成原理示意图。

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、第一行星齿轮；22、齿圈壳体；23、第二行星齿轮；24、第二输入杆件；25、第二连接件；26、输出杆件、27、第一输入杆件；28、第一连接件。

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，本发明的一种容积式机器的功率传输装置，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，并绕动力轴10的转动轴线转动。差速驱动组件2包括行星齿轮系和两套四杆机构，行星齿轮系和四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，其两个输入端分别与转子I 11和转子II 12连接，输出端与动力轴10连接，本实施例中，驱动组件的两个输入端分别为第一输入杆件27和第二输入杆件24，驱动组件的输出端为输出杆件26。

本实施例中，行星齿轮系中的行星齿轮与太阳轮间为内啮合连接关系，所述四杆机构在用“反转行星架法”将所述行星齿轮系转化为定轴轮系后，实际为曲柄摇杆机构。行星齿轮系包括第一行星齿轮21、第二行星齿轮23、固定设置的齿圈壳体22和与发动机的动力轴10固定连接的输出杆件26。其中，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23均位于齿圈壳体22内部且大小相等、齿数相同，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23在输出杆件26的支撑下与齿圈壳体22啮合，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23在齿圈壳体22上滚动时，其上的任意一个非齿轮圆心点的轨迹为一种有着周期性变化规律的摆线。曲柄摇杆机构包括第一输入杆件27、第二输入杆件24、第一连接件28以及第二接件25，其中，第一输入杆件27和第二输入杆件24为驱动组件的两个输入端，第一输入杆件27与转子I 11固定连接，第二输入杆件24与转子II 12固定连接，第一连接件28的一端与第一输入杆件27铰接，另一端与第一行星齿轮21铰接，第二连接件25的一端与第二输入杆件24铰接，另一端与第二行星齿轮23铰接。第一连接件28与第一行星齿轮21的铰接点和第二连接件25与第二行星齿轮23的铰接点均非齿轮圆心。

参见图1和图3，将输出杆件26固定，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23充当“曲柄”，则OA₁B₁C₁和OA₂B₂C₂是两套曲柄相位相差180°的曲柄摇杆机构。其中，AB为曲柄、OC为摇杆、BC为连杆，并且曲柄自转一周，摇杆往复摆动一次。设定太阳轮与行星齿轮的齿数比为i(i＝z₃/z₁＝z₃/z₂)，则动力轴10(输出杆件26)旋转一周过程中，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23将自转i周，同时第二输入杆件24、第一输入杆件27将往复摆动i次。由此实现了曲柄运动的周期性拓展，即间接地将第二输入杆件24、第一输入杆件27的往复摆动以及第二输入杆件24与第一输入杆件27间的差速运动在动力轴10旋转一周内重复了i次，两个转子分别固结在第二输入杆件24、第一输入杆件27，也即将两转子的追赶过程重复了i次。

各行星齿轮圆心和相应行星齿轮上的铰接点的连线形成曲柄摇杆机构的曲柄，在装配时，两套曲柄摇杆机构的曲柄成相互正向平行设置，能够保证最好的对发动机两转子的差速驱动，并且通过发明人的理论分析发现，行星齿轮与太阳轮为内啮合连接关系且两套曲柄摇杆机构的曲柄成相互正向平行设置时，发动机不仅结构紧凑，相同条件下的排量也能得到较大程度的提高。

当发动机的动力轴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。本发动机在一个缸体中的工作腔数目是前述行星齿轮系中的齿圈壳体22与第一行星齿轮21或第二行星齿轮23的齿数比的两倍，而且在转子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，也就是转子旋转一周本发明发动机的爆炸作功次数是齿数比的平方倍，因此可根据应用领域或者其他需求作出适当的选择。如可以选择主轴旋转一周，每一个工作腔作功2次、3次或4次等，而且总作功次数在20次以下都不会给设计和加工带来显著的麻烦。这个优点带来的好处是，在相同的设计重量下，发动机的功率密度、升功率等有大幅度的提升，因此有着广泛的应用前景。

本实施例中，两套曲柄摇杆机构以动力轴10为中心呈对称布置，这样可使差速驱动组件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。

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：第一行星齿轮21、第二行星齿轮23、齿圈壳体22和输出杆件26组成“行星齿轮系”，两行星齿轮绕齿圈壳体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摆线，用“反转行星架法”将所述行星齿轮系转化为定轴轮系后，即输出杆件26被“固定”，则第一行星齿轮21和第二行星齿轮23充当两套“曲柄”，且使两套“曲柄”相位相差180°，即呈平行状态布置于齿圈壳体22内。其中，第一输入杆件27和第二输入杆件24充当两套“摇杆”，即差速驱动组件1可被分解为一套行星齿轮系与两套曲柄摇杆机构的组合机构，在曲柄摇杆机构中，当曲柄自转一周时，摇杆往复摆动一次。

设定太阳轮与行星轮的齿数比为i，则动力轴10(输出杆件26)旋转一周过程中，第一行星齿轮21和第二行星齿轮23将自转i周，同时第一输入杆件27和第二输入杆件24将往复摆动i次。由此，行星齿轮系实现了“曲柄”运动的周期性拓展，即间接地将第一输入杆件27和第二输入杆件24的往复摆动以及第一输入杆件27和第二输入杆件24间的差速运动在动力轴10旋转一周的过程中重复了i次，也即将转子I 11和转子II 12之间的追赶过程重复了i次。与太阳轮和行星轮的齿数比相对应，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，且每个工作腔在动力轴10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，主要指气缸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，气缸上应均布有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，本发明应用于发动机时，i只能为偶数(如2，4，6，8等)。

在缸体上合适位置设置进、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做功冲程，排气冲程，吸气冲程，压缩冲程与普通发动机无异。

在输出动力轴旋转一周的过程中，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次爆炸做功。

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)

1.一种容积式机器的功率传输装置，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）包括行星齿轮系和两套四杆机构，所述行星齿轮系和两套四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）、转子Ⅱ（12）固定连接，所述驱动组件的输出端与动力轴（10）连接；

所述行星齿轮系中的行星齿轮与太阳轮间为内啮合连接关系，所述四杆机构将所述行星齿轮系转化为定轴轮系后形成为曲柄摇杆机构；所述两套曲柄摇杆机构沿动力轴（10）轴心线呈对称分布布置；所述两套曲柄摇杆机构的曲柄成相互平行设置；

所述驱动组件包括齿圈壳体（22）、第一行星齿轮（21）、第二行星齿轮（23）、第一输入杆件（27）、第二输入杆件（24）、第一连接件（28）、第二连接件（25）和输出杆件（26），所述输出杆件（26）与第一行星齿轮（21）、第二行星齿轮（23）、齿圈壳体（22）组成行星齿轮系，所述输出杆件（26）与动力轴（10）固定连接，所述第一输入杆件（27）与转子Ⅰ（11）固定连接，所述第二输入杆件（24）与转子Ⅱ（12）固定连接，所述第一连接件（28）的一端与所述第一输入杆件（27）铰接，另一端与所述第一行星齿轮（21）铰接；所述第二连接件（25）的一端与所述第二输入杆件（24）铰接，另一端与所述第二行星齿轮（23）铰接。

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