CN103061880A

CN103061880A - 凸轮式活塞机构及采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机

Info

Publication number: CN103061880A
Application number: CN2013100024035A
Authority: CN
Inventors: 袁埃斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-06
Filing date: 2013-01-06
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明涉及活塞传功机构，具体为一种凸轮式活塞机构及采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机。解决了目前活塞体积大，结构复杂的技术问题。一种凸轮式活塞机构，包括一个十字传动轴，所述十字传动轴的水平轴的两端设有轴承，所述水平轴与轴承的内圈固定连接；还包括具有筒状结构的凸轮活塞体；所述凸轮活塞体的内侧面周圈设有凸轮槽；所述轴承与凸轮槽相配合，所述十字传动轴通过轴承插入凸轮活塞体的凸轮槽内；凸轮活塞体的外侧竖直设有导向槽。本发明是将凸轮活塞体直接装配在缸体的内腔与十字传动轴联接运动，去掉了曲轴连杆机构，并且将单缸活塞的压缩模式改为活塞上下（左右）两缸的正负交替压缩工作模式，提高了工作效率，减小了设备体积。

Description

凸轮式活塞机构及采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机

技术领域

本发明涉及活塞传功机构，具体为一种凸轮式活塞机构及采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机。

背景技术

活塞是指在往复活塞式内燃机、压缩机和泵等机械的缸体内沿缸体轴线往复运动的机械零件。在内燃机中，活塞在高温高压燃气的推动下作功。在压缩机和泵中，活塞在外力作用下对缸体内的流体施加压力，以引起流体流动和提高其压力。活塞的封闭端面承受工作流体的压力，并与缸盖、缸壁构成燃烧室或压缩容积。传统的活塞广泛应用于水、气、油（泵）压缩机和内燃机，但是这些活塞都依靠曲轴的360度旋转带动连杆推动活塞在缸体内作往复运动。这种机械结构复杂，体积庞大，消耗材料多且制造成本高；基于此，为了节约能源，降低生产成本有必要对这些传统机械进行改进，以解决现有水、气、油（泵）压缩机、马达及内燃机存在的上述问题。

发明内容

本发明为解决目前活塞体积大，结构复杂的技术问题，提供一种凸轮式活塞机构及采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机。

本发明所述的凸轮式活塞是采用以下技术方案实现的：一种凸轮式活塞机构，包括一个十字传动轴，所述十字传动轴中部的水平轴的两端装有轴承；还包括具有筒状结构的凸轮活塞体；所述凸轮活塞体的内侧面周圈设有凸轮槽；凸轮槽呈周期性正弦曲线，所述轴承与凸轮槽相配合，所述十字传动轴通过轴承插入凸轮活塞体的凸轮槽内；凸轮活塞体的外侧竖直设有导向槽，还设有与导向槽相配合的限位球，凸轮活塞体的内外侧壁上靠近两端的位置水平开有密封槽。

本发明可套入泵、压缩机、气、液马达或内燃机的缸体内腔，缸体的外侧壁上设有与导向槽及限位球相配合的孔，将限位球固定在孔内，当凸轮活塞体在十字传动轴的带动下转动时，限位球可以限制凸轮活塞体的转动，而只允许凸轮活塞体做上下往复运动；限位球还可以减轻水平轴及轴承对凸轮活塞体的冲击。本发明安装在缸体内时，密封槽用于安装密封圈，以密封本发明凸轮活塞体的内部与缸体的腔体；同时保证凸轮活塞体可以沿缸体的内壁上下滑动。凸轮槽为开设于凸轮活塞体内侧的周圈贯通的呈正弦曲线的槽，用于控制凸轮活塞体做往复运动。本发明用于压缩机或气、液马达时，十字传动轴的垂直轴作为动力输入轴，垂直轴绕轴向转动，带动水平轴带着轴承在凸轮槽内转动，凸轮槽由于呈凸轮运动曲线，水平轴上的轴承推动着凸轮活塞体运动时，凸轮活塞体由于转动受到限制，只能做上下往复运动。相比起传统的曲轴式活塞，本发明省去了以往较为笨重的曲柄传动机构，大大减小了设备体积，减少了制造成本。

本发明所述的采用凸轮式活塞机构的压缩机和内燃机是采用如下技术方案实现的：一种采用凸轮式活塞机构的压缩机，包括缸体；所述凸轮式活塞贯穿于缸体的内部，凸轮活塞体上的密封槽与缸体内壁之间设有密封圈；缸体的侧壁上与导向槽相对应的位置上开有定位孔，所述限位球通过固定在缸体外侧壁的堵块固定在定位孔及导向槽内，限位球的一部分固定在定位孔内，另一部分位于导向槽内；缸体的两端固定有中部开孔的缸盖，缸盖中部向内延伸有与缸盖中部的孔同心的套管；缸盖孔内分别固定有一个定位轴承；十字传动轴的垂直轴穿过缸盖的套管并与定位轴承的内圈固定连接；缸盖上位于定位轴承的外侧均设有一个与缸盖中心孔相配合的轴承盖；缸盖与缸体内壁之间、堵块与缸体的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽与套管之间设有密封圈；缸体靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔，流体进出孔上设有阀门；至少有一个轴承盖的中心开有孔，十字传动轴的垂直轴与该轴承盖相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。

一种采用凸轮式活塞机构的内燃机，包括缸体；所述凸轮式活塞贯穿于缸体的内部，凸轮活塞体上的密封槽与缸体内壁之间设有密封圈；缸体的侧壁上与导向槽相对应的位置上开有定位孔，所述限位球通过固定在缸体外侧壁的堵块固定在定位孔及导向槽内，限位球的一部分固定在定位孔内，另一部分位于导向槽内；缸体的两端固定有中部开孔的缸盖，缸体内部设有向内延伸的且与缸盖中部的孔同心的套管；缸盖孔内分别固定有一个定位轴承；十字传动轴的垂直轴穿过缸盖的套管并与定位轴承的内圈固定连接；缸盖上位于定位轴承的外侧均设有一个与缸盖中心孔相配合的轴承盖；缸盖与缸体内壁之间、堵块与缸体的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽与套管之间设有密封圈；缸体靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔，流体进出孔上设有阀门；至少有一个轴承盖的中心开有孔，十字传动轴的垂直轴与该轴承盖相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。缸体的容积及长度应与凸轮活塞体相配合，以使凸轮活塞体能够在缸体内部运动时不与缸体的缸盖发生干涉。凸轮活塞体的内外密封槽上密封圈的设置能够使凸轮活塞体可滑动的与缸体的内壁及套管密封接触，便于在缸体内部作往复运动，且保证凸轮活塞体内部介质（如润滑油等）不会进入缸体内，而缸体内的介质也不会进入到凸轮活塞体内部；缸盖与缸体内壁之间、堵块与缸体的侧壁之间的密封件、十字传动轴的垂直轴与轴承盖中心孔的侧壁之间密封圈的设置则保证缸体外的流体等物质不会进入凸轮活塞体内部；缸体的侧壁上开有定位孔，装配时定位孔与凸轮活塞体的导向槽相配合，定位孔与导向槽及限位球是一一对应的；限位球通过堵块设置在定位孔中，限位球同时还位于导向槽内部，这种结构设计保证了凸轮活塞体在受到十字传动轴的动力作用时，只会沿导向槽上下（或左右）运动，而不发生转动；定位轴承用于对十字传动轴的垂直轴进行定位，使得该轴只能绕轴向转动而不会沿轴向运动；密封件是为了保证缸体的气密性，使得流体如水、气、油等物质在做功或受到压力时不会发生泄漏；十字传动轴的垂直轴作为动力输出端或输入端；如图7所示凸轮活塞机构用于压缩机时，十字传动轴为动力输入端，十字传动轴带动凸轮活塞体上下往复运动，以下腔体为例，凸轮活塞体向上运动时，位于图7左侧的流体进出孔上的阀门开启，流体进入下腔体，此时关闭左侧阀门，凸轮活塞体向下运动，对流体进行压缩，之后右侧流体进出孔的阀门开启，被压缩后的流体经该阀门流出下腔体。如图9所示，凸轮活塞机构用于内燃机时，凸轮活塞体作为动力输入端，十字传动轴的垂直轴作为动力输出端；考虑图9中的下腔体，燃油由右侧下方的流体进出孔进入下腔体，此时关闭此处的阀门，下腔体内配设的火花塞将燃油点燃，燃油燃烧体积膨胀，对凸轮活塞体做功，凸轮活塞体向上运动，并带动十字传动轴转动，此时下腔体左侧的流体进出口上的阀门打开，做功结束后的流体经此阀门排出；如此反复循环，凸轮活塞体带动十字传动轴转动，将往复运动转换为轴向转动。

本发明是将凸轮活塞体直接装配在缸体的内腔，去掉了曲轴连杆机构，并且将单缸活塞的压缩模式改为活塞上下（左右）两缸的正负交替压缩工作模式，提高了工作效率；使压缩机和内燃机的结构简化，体积减小，减少了能源消耗；降低了生产成本，扩大了适用范围。且结构简单，生产安装都十分方便。

附图说明

图1本发明的外部结构示意图。

图2图1的A-A剖面图。

图3图2的B-B剖面图。

图4本发明的传动结构示意图。

图5凸轮槽径向圆周压力角小于45角的展开图。

图6凸轮槽径向圆周压力角大于45度的展开图。

图7装配凸轮式活塞机构的油、水、气压缩机的剖面示意图。

图8是装配凸轮式活塞机构的液（气）压马达的剖面示意图。

图9是装配凸轮式活塞机构的双缸内燃机的剖面示意图。

1-上凸轮活塞体，2-下凸轮活塞体，3-套筒，4-沉头螺丝，5-导向槽，6-限位球，7-十字传动轴，8-轴承，9-凸轮槽，10-定位孔，11-定位轴承，12-缸体，13-缸盖，14-流体进出孔，15-密封槽，16-堵块，17-套管，18-轴承盖。

具体实施方式

一种凸轮式活塞机构，包括一个十字传动轴7，所述十字传动轴7中部的水平轴的两端装有轴承8；还包括具有筒状结构的凸轮活塞体；所述凸轮活塞体的内侧面周圈设有凸轮槽9；所述轴承8与凸轮槽9相配合，凸轮槽9呈周期性正弦曲线，所述十字传动轴7中部的水平轴通过轴承8插入凸轮活塞体的凸轮槽9内；凸轮活塞体的外侧竖直设有导向槽5，还设有与导向槽5相配合的限位球6；凸轮活塞体的内外侧壁上靠近两端的位置水平开有密封槽15。所述凸轮活塞体包括相互间隔的上凸轮活塞体1和下凸轮活塞体2；上凸轮活塞体1和下凸轮活塞体2通过位于上下凸轮活塞体外侧的套筒3固定连接；所述凸轮槽9由上凸轮活塞体1的下端面、下凸轮活塞体2的上端面以及套筒3的内壁形成；所述导向槽5开设在上凸轮活塞体1或/和下凸轮活塞体2上。上下凸轮活塞体形状相同，所述上下凸轮活塞体之间偏转90度对合装配；套筒3与上下凸轮活塞体之间通过沉头螺丝4固定连接。

凸轮槽9的正弦曲线的上下幅度相同，能够保证用于压缩机或内燃机时，凸轮活塞体的上下运动行程相同。

一种采用凸轮式活塞机构的压缩机，包括缸体12；所述凸轮式活塞机构贯穿于缸体12的内部，凸轮活塞体上的密封槽15与缸体12内壁之间设有密封圈；缸体12的侧壁上与导向槽5相对应的位置上开有定位孔10，所述限位球6通过固定在缸体外侧壁的堵块16固定在定位孔10及导向槽5内，限位球6的一部分固定在定位孔10内，另一部分位于导向槽5内；缸体12的两端固定有中部开孔的缸盖13，缸盖13中部向内延伸有与缸盖中部的孔同心的套管17；；缸盖13孔内分别固定有一个定位轴承11；十字传动轴7的垂直轴穿过缸盖的套管17并与定位轴承11的内圈固定连接；缸盖13上位于定位轴承11的外侧均设有一个与缸盖中心孔相配合的轴承盖18；缸盖13与缸体12内壁之间、堵块16与缸体12的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽15与套管17之间设有密封圈；缸体12靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔14，流体进出孔14上设有阀门；至少有一个轴承盖18的中心开有孔，十字传动轴7的垂直轴与该轴承盖18相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。

一种采用凸轮式活塞机构的内燃机，包括缸体12；所述凸轮式活塞机构贯穿于缸体12的内部，凸轮活塞体上的密封槽15与缸体12内壁之间设有密封圈；缸体12的侧壁上与导向槽5相对应的位置上开有定位孔10，所述限位球6通过固定在缸体外侧壁的堵块16固定在定位孔10及导向槽5内，限位球6的一部分固定在定位孔10内，另一部分位于导向槽5内；缸体12的两端固定有中部开孔的缸盖13，，缸体12内部设有向内延伸的且与缸盖13中部的孔同心的套管17；缸盖13孔内分别固定有一个定位轴承11；十字传动轴7的垂直轴穿过缸盖12的套管17并与定位轴承11的内圈固定连接；缸盖13上位于定位轴承11的外侧均设有一个与缸盖中心孔相配合的轴承盖18；缸盖13与缸体12内壁之间、堵块16与缸体12的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽15与套管17之间设有密封圈；缸体12靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔14，流体进出孔14上设有阀门；至少有一个轴承盖18的中心开有孔，十字传动轴7的垂直轴与该轴承盖18相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。

凸轮活塞体是由上下凸轮活塞体互偏90度上下对合，两凸轮活塞体中间空距为凸轮槽9，两凸轮活塞体用带有导向槽5的套筒3外部联接，套筒与上下凸轮活塞体之间用沉头螺钉4固定。上下凸轮活塞体的内壁均设有密封槽，用于装配密封圈，以防止凸轮活塞体内的润滑油与缸内物体混合；凸轮活塞体的中部外侧均设有对称的上下两组呈轴向弧面的导向槽，控制凸轮活塞体上下运动。径向圆周压力角是指凸轮槽9的底面到顶面的连线与水平线之间的夹角，如图5中的角a。

根据大量的实验发现，凸轮式活塞机构适用于压缩机或内燃机时，其径向圆周压力角需要有不同的设计，这样才能更好的发挥凸轮式活塞机构的特点，如下所述：

1、用于由十字传动轴7旋转驱动凸轮活塞体上下运动的压缩机类型机械时，凸轮槽5的径向圆周压力角设计为30°~45°（可选择30°、35°、40°、45°），以减少阻力保证机械正常运行。由电机带动十字传动轴7旋转，十字传动轴7的径向对称的两个带有轴承8的水平轴的轴头插入凸轮活塞体的凸轮槽9内作同步公转；由于轴头是定位旋转，轴头上的轴承8在凸轮槽9内运动，带动凸轮活塞体在限位球6的控制下上下运动，在缸体12内形成上下两个压缩缸的正负压交换工作。如图7所示。

2、用于内燃机（或液（气）压马达）时，凸轮的径向圆周压力角为45°~60°（可选择45°、50°、55°、60°），由外压力输入的液（气）体在凸轮活塞体上下的两个缸腔内交换进排，压迫凸轮活塞体上下运动，由凸轮活塞体内壁的凸轮槽驱动十字传动轴带动垂直轴旋转向外输出动力。液（气）体通过流体进出孔14进入或排出。如图8，图9所示。其中图9为装配凸轮式活塞的双缸内燃机的剖面示意图。在缸体体积不变的前提下具有双缸的特点，动力更强。凸轮式活塞装配的內燃机均为双缸制结构，动力的大小设计可通过改变缸径的大小或釆取并连机组来实现。

Claims

1.一种凸轮式活塞机构，其特征在于，包括一个十字传动轴（7），所述十字传动轴（7）中部的水平轴的两端装有轴承（8）；还包括具有筒状结构的凸轮活塞体；所述凸轮活塞体的内侧面周圈设有凸轮槽（9）；所述轴承（8）与凸轮槽（9）相配合，凸轮槽（9）呈凸轮运动曲线，所述十字传动轴（7）中部的水平轴通过轴承（8）插入凸轮活塞体的凸轮槽（9）内；凸轮活塞体的外侧竖直设有导向槽（5），还设有与导向槽（5）相配合的限位球（6）；凸轮活塞体的内外侧壁上靠近两端的位置水平开有密封槽（15）。

2.如权利要求1所述的凸轮式活塞机构，其特征在于，所述凸轮活塞体包括相互间隔的上凸轮活塞体（1）和下凸轮活塞体（2）；上凸轮活塞体（1）和下凸轮活塞体（2）通过位于上下凸轮活塞体外侧的套筒（3）固定连接；所述凸轮槽（9）由上凸轮活塞体（1）的下端面、下凸轮活塞体（2）的上端面以及套筒（3）的内壁形成；所述导向槽（5）开设在上凸轮活塞体（1）或/和下凸轮活塞体（2）上。

3.如权利要求2所述的凸轮式活塞机构，其特征在于，上下凸轮活塞体形状相同，所述上下凸轮活塞体之间偏转90度对合装配；套筒（3）与上下凸轮活塞体之间通过沉头螺丝（4）固定连接。

4.一种采用如权利要求1所述的凸轮式活塞机构的压缩机，包括缸体（12）；其特征在于，所述凸轮式活塞机构贯穿于缸体（12）的内部，凸轮活塞体上的外密封槽（15）与缸体（12）内壁之间设有密封圈；缸体（12）的侧壁上与导向槽（5）相对应的位置上开有定位孔（10），所述限位球（6）通过固定在缸体外侧壁的堵块（16）固定在定位孔（10）及导向槽（5）内，限位球（6）的一部分固定在定位孔（10）内，另一部分位于导向槽（5）内；缸体（12）的两端固定有中部开孔的缸盖（13），缸盖（13）中部向内延伸有与缸盖（13）中部的孔同心的套管（17）；缸盖（13）孔内均固定有一个定位轴承（11）；十字传动轴（7）的垂直轴穿过缸盖的套管（17）并与定位轴承（11）的内圈固定连接；缸盖（13）上位于定位轴承（11）的外侧均设有一个与缸盖（13）中心孔相配合的轴承盖（18）；缸盖（13）与缸体（12）内壁之间、堵块（16）与缸体（12）的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽（15）与套管（17）之间设有密封圈；缸体（12）靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔（14），流体进出孔（14）上设有阀门；至少有一个轴承盖（18）的中心开有孔，十字传动轴（7）的垂直轴与该轴承盖（18）相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴（7）的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。

5.一种采用如权利要求1所述的凸轮式活塞机构的内燃机，包括缸体（12）；其特征在于，所述凸轮式活塞机构贯穿于缸体（12）的内部，凸轮活塞体上的外密封槽（15）与缸体（12）内壁之间设有密封圈；缸体（12）的侧壁上与导向槽（5）相对应的位置上开有定位孔（10），所述限位球（6）通过固定在缸体外侧壁的堵块（16）固定在定位孔（10）及导向槽（5）内，限位球（6）的一部分固定在定位孔（10）内，另一部分位于导向槽（5）内；缸体（12）的两端固定有中部开孔的缸盖（13），缸体（12）内部设有向内延伸的且与缸盖（13）中部的孔同心的套管（17）；缸盖（13）孔内分别固定有一个定位轴承（11）；十字传动轴（7）的垂直轴穿过缸盖的套管（17）并与定位轴承（11）的内圈固定连接；缸盖（13）上位于定位轴承（11）的外侧均设有一个与缸盖（13）中心孔相配合的轴承盖（18）；缸盖（13）与缸体（12）内壁之间、堵块（16）与缸体（12）的侧壁之间均设有密封件；凸轮活塞体的内密封槽（15）与套管（17）之间设有密封圈；缸体（12）靠近两个端部的侧壁上均开有流体进出孔（14），流体进出孔（14）上设有阀门；至少有一个轴承盖（18）的中心开有孔，十字传动轴（7）的垂直轴与该轴承盖（18）相对应的一端穿出该中心孔，所述十字传动轴（7）的垂直轴与该中心孔的侧壁之间设有密封圈。

6.如权利要求4所述的采用凸轮式活塞机构的压缩机，其特征在于，凸轮槽（5）的径向圆周压力角为30°~45°。

7.如权利要求5所述的采用凸轮式活塞机构的内燃机，其特征在于，凸轮槽（5）的径向圆周压力角为45°~60°。