CN1036444A - 双曲柄传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双曲柄传动机构，这种机构可将 旋转运动变为直线往复运动，或反之，变直线运动为 旋转运动，其中旋转构件具有两个围绕中心轴而旋转 的带动销，它们在一滑块上所开设的十字形槽孔中运 动，所述槽孔相互夹角为90°，且和滑块滑动方向夹 角均为45°，所述带动销沿所述槽孔而滑动，且槽孔 长度至少为带动销之间距离之两倍。

Description

本发明涉及一种双曲柄传动机构，这种机构可将旋转运动变为直线往复运动;反之，亦可变直线运动为旋转运动。

实现变旋转运动为直线运动（或反之）的已知设备中，有的采用活塞连杆，即所谓曲柄机构，所述曲柄机构一端枢接在例如曲轴或盘形飞轮上，而另一端枢接在沿汽缸导向运动的活塞上。然而，这种运动的改变，要求活塞连杆作连续摆动，因而使得作用於活塞上的推力或拉力连续不断地改变，从而使活塞发生连续不断的摇晃。

另一种已知的双曲柄传动机构中，设有一安装在一框架内的、可旋转的曲柄，所述曲柄和一个曲柄销啮合，所述曲柄销能沿一滑块上所开设的槽孔而滑动，所述滑块沿一滑轨而来回导向移动，推动曲柄销运动（见1972年柏林国家技术出版社所出版的传动技术教科书407页-作者Volmer    J.）。不过，该机构不能变旋转运动为直线往复运动，否则曲柄必须能逆转。

因此，本发明的目的是制作一种可逆转的双曲柄传动机构，这种机构和习用的曲柄机构比较，具有更大的传动角，而且冲程更大。

这一任务可以用按照本发明而制作的双曲柄传动机构来完成。所述双曲柄传动机构中，设有一能在一框架内旋转的曲柄，所述曲柄和一些带动销啮合，带动销能沿一滑块上所开设的槽孔而滑动，而滑块则沿一滑轨而来回导向移动。本机构中的曲柄具有两个带动销，它们配置在相对曲柄旋转轴线为90°夹角的位置上，所述滑块开设有两个垂直相交的槽孔，每一槽孔和滑块移动方向的夹角均为45°。机构运行时，第一个带动销在第一槽孔内导向运动，而第二带动销则在第二槽孔中导向运动。从动力学观点来说，该曲柄机构实际上如同一个双十字形滑板机构一样。

和已知曲柄机构比较，本发明所述机构的冲程较大，为前者之 $\sqrt{2}$ 倍。同时传动角比只有一个带动销的机构亦大有改善。

本发明的要点在于，所述带动销是抵住槽孔侧面的，二槽孔和滑块滑动方向均成45°角。因此当曲柄旋转时，能推动槽孔移动，反之，当滑块移动，带动销受压时，就推动带动销作园周运动。运动过程中带动销始终位于互成90°夹角的二槽孔中，并不改变它们的相对位置，由此产生了本发明所具有的主要特点：所述两个带动销，至少有一个保持和槽孔接触，特别是当另一个带动销沿十字形槽孔中部横孔移动时。

本发明所述机构中，存在着上下两个死点，亦即两个带动销连接线和滑块移动方向成90°夹角的两个位置。

因此，如果要把滑块的往复运动转变为带动销的旋转运动，建议把带动销配置在盘形飞轮上。

为了减小带动销和槽孔侧面的磨擦，可在带动销上简单地装上枢接轴承，例如滚珠轴承，让轴承在槽孔侧面上滚动;亦可直接把带动销安装成可以转动的。

特别是，槽孔的侧面和带动销也可以做成带齿的，二者啮合在一起，这样的装置运行时噪音特别小。

最简单的方发是，把槽孔做成互交成X形的单侧敞开槽孔，因为在保持单向旋转时，带动销实际上只压住槽孔的一侧。

不过槽孔最好还是做成交叉型，两个槽孔形状一样，对称配置。原则上，亦可将槽孔做成这样，使其侧边形成两个相对的V形角，二V形角尖端之间留有让带动销通过的空隙。因此，并不是两个带动销都一直抵住槽孔侧边而驱动槽孔的，相反的情况下，亦不是两个槽孔的侧面一直抵住带动销的，当有带动销位于上述空隙时就是这样。

槽孔的末端呈半园形，其直径比带动销的直径或者滚珠轴承的直径（若带动销上装有轴承的话）略大些，使得带动销（或滚珠轴承）在槽孔内移动，留有足够的间隙。

按照本发明，活塞传动机构就能容易地制造出来，因为活塞是和滑块直接联结的。可以把活塞直接和滑块坚固地固定在一起，因为不再需要连杆轴承等另件，这是很便利的。特别是，滑块亦可安置於两个盘形飞轮之间，二飞轮则用二带动销和一个中心轴（如有必要的话）连接在一起。如前所述，二带动销是沿滑块上的槽孔而活动的，故前述二飞轮完全可以仅用二带动销连接在一起。

如果要增设一个中心轴作为连接件，建议在滑块上沿其运动方向开设一轴向横孔，所述横孔应保证中心轴在其中移动时各侧留有间隙。

特别是，可采用二盘形飞轮，用带动销和中心轴把它们连接起来，以便借飞轮的转动惯量来克服前述的死点。

本发明所述的新型传动机构，可以极为便利地用以驱动活塞式发动机、各种泵等。

若需不同的冲程时间，只要改变相邻带动销的配置位置，使二者之夹角为所需值即可，十分简便。

和一般曲柄传动机构对比，本发明所述双曲柄传动机构的复式滑块的速度及加速度呈现为简单的、因而容易控制的正弦波。此外，冲程也比一般传动机构长40%。又由于不存在往复摆动的连杆，由此而引起的干扰振动等也就不会发生。另外，不必考虑较大惯性所产生的各种力，因而具有较好的振动特性。而在一般曲柄传动机构中，当转速较高时，惯性力往往成为共振现象的原因。也就是说，本发明所述传动机构中，高次谐波成份消失了，因而传动机构运行平稳，噪音低。

滑块的速度可用下面的数学式子表达：

V＝ (dh)/(dt) ＝Rω（Cosωt-Sinωt）式中h为冲程，R为滑块摆动中心至带动销的距离，ω为转动角速度。由此将速度对时间再求一次导数，可得加速度为：

b＝ (dV)/(dt) ＝-Rω²（Sinωt+Cosωt）

根据R考虑本传动机构沿一维长度方向移动的路程，可知冲程为：

h＝R·（Sinψ+Cosψ-1）

式中ψ为飞轮的偏转角。

若润滑良好并采用滚动轴承，本发明所述机构的机械效率可达92-96%。

由于惯性和振动而产生的惯性力F_T可用下式表达：

F_T＝- $\sqrt{2}$ mRω²Cos（ (π)/4 -ωt）

式中m为滑块的质量，而ω为盘形飞轮的角速度。由此可见，惯性力F_T仅仅呈现符号正负的改变。

据上可知，本发明所述机构特别适用於发动机、压缩机和泵等动力设备。原则上，本发明所述机构中的活塞，是通过连杆和滑块刚性地连接在一起的。活塞与汽缸能在空间位置上和滑块机构分隔开，各置一侧，二者之间的传动则通过连杆来实现。这就使得发动机的结构变得特别简单。连杆穿过汽缸以及滑块传动机构外壳之处，只要采用简单的滑动密封即可。这样一来，汽缸和滑块传动机构成为两个分离的部件，因而可分别进行维修。

由于本发明所述机构不必采用曲柄构件，使得发动机的制造大为简化，这对于不具备专门工具的小型制造厂家来说，具有很大的意义。

另外，按本发明制造的发动机，其压缩比可在很大极限范围内进行调节。既然活塞汽缸部件和滑块传动机构分离开，不必一起置入另一共用外壳内，那末连杆的长度可以很简单地在外部加以调节，比如说，采用螺纹杆和防松螺母的调节方法，就可以不必打开外壳而进行调节。

附图说明如下：

图1至图8表示滑块传动机构的不同运动状态;

图9表示滑块导向装置;

图10是滑块导向装置的侧视图;

图11是一双冲程对置汽缸发动机;

图12是一四冲程对置汽缸发动机;

图13是一四级压缩机。

以下结合附图，详细说明本发明所述机构的实施例。

图1至图8显示出带动销（5）和（6）围绕着中心轴（4）旋转一周过程中的八个不同位置，每次转过45°角。大写字母A至D标明带动销（5）和（6）在互相垂直的槽孔（11）、（11′）、（12）、（12′）内的终端位置。垂直方向的点划线表明中心轴（4）在带动销旋转至各个不同位置时，始终保持固定不变的位置。点划线辅助园（16）表示带动销（5）和（6）作园周运动的途径。

见图9，槽孔（11）、（11′）、（12）和（12′）是滑块的组成部份。如图中上方箭头所示，当带动销（5）和（6）围绕中心轴（4）作顺时针旋转由0°转至180°（图5所示）时，上述槽孔向右移动，由180°转至360°时，槽孔向左移动。图8表示315°的位置。

由图1至图8可清楚地看出，带动销通过滑块中部横孔的方式是，总是只有一个带动销处于横孔内，如图2、图4、图6、图8所示。

为了便于相对运动，槽孔宽度做得比带动销直径略大些，或者比带动销上所装轴承（如果有轴承的话）直径略大些。槽孔位于A、B、C、D的半园形半轴瓦的尺寸，也应如上述做得略大些。

由图1至图8还可以看出，带动销（5）和（6）所围绕旋转的中心轴（4）亦可在滑块槽孔内移动，因为中心轴并未固定死，它能沿图9所示滑块中心参考线（14）作相对移动。

本发明所述机构中，滑块中部横孔不仅能让带动销通过，也能让直径较大的中心轴（4）通过，因此该横孔较其它槽孔宽。这一情况看来似乎不利于降低噪音，但实际上机构运行时噪音很小，因为两个带动销中总有一个连续地顶住槽孔侧边，连续地驱动滑块。

图1和图5显示出滑块两个相对的死点位置。如果用活塞来驱动滑块，那么宜为中心轴（4）以及带动销（5）及（6）增设一盘形飞轮，或者就将中心轴和带动销装在盘形飞轮上，以克服上述的死点。

图9显示开设有槽孔（11）、（11′）、（12）、（12′）的滑块（1）构件，滑块两端设有连杆（7）、（8）。这里，利用导轨（9）和（10）来使滑块作导向运动。当然亦可采用其它导向方法。

滑块沿中心参考线（14）而移动，连杆亦仅仅作左右往复运动，力的传递亦仅仅发生在一个往复运动的部件（比如活塞）上，而且传递力的矢量方向维持不变，仅其符号作正负改变而已。

两个盘形飞轮（2）和（3）起到惯性轮的作用，它们安设於带动销（5）、（6）以及中心轴（4）上。由图9可见，中心轴（4）可在滑块中滑动而不触及横孔（15）的侧边。

带动销（5）和（6）同样能在滑块（1）的槽孔内滑动，盘形飞轮（2）和（3）安置在滑块的两侧。

原则上，中心轴（4）亦可省略不用，因为滑块两侧的两个盘形飞轮，仅仅用带动销（5）和（6）就可以连接在一起。

滑块、滑块导轨以及盘形飞轮和中心轴及带动销，可以置于一封闭油槽内运行。在一个合适地封闭的外壳内实现滑移运动并无困难，因为所述运动仅为直线运动。

图10为图9之侧视图（旋转90°），显示出滑块的导轨。其中连杆（7或8）从传动机构外壳内伸出。滑块（1）是沿导轨（9）和（10）导向移动的。滑块两侧设有盘形飞轮（2）和（3），二者由带动销（5）和（6）以及中心轴（4）连接在一起。

图11显示出一个作为使用实例的结构简单的内燃机，是一种双冲程对置汽缸型的发动机，其中活塞（17）由连杆（7）驱动，而连杆（7）则是活塞（17）和滑块（1）之间的刚性连接件。

汽缸外壳（19）在空间上完全和滑块（1）以及包括带动销（5）、（6）和槽孔（11）、（12）的传动部件隔离开，并具有它自己的密封圈（20）。此外，连杆（7）可以做成长度可调的，比方说，在滑块一侧设内螺纹，而连杆上设相应的外螺纹，用以拧入滑块。这样，在机器停车后，就可将活塞连同连杆拧入滑块以降低压缩比，或者从滑块中旋出一点，以增大压缩比。为了容易调节连杆，可安设一调节用刻度尺。因此，该发动机可适用於不同的燃料。

另外，图11中画出了已知双冲程发动机的原理示意图，其中进气阀为（21），排气阀为（22）。图中箭头表示气流方向。

图12为四冲程对置汽缸型发动机的示意图，有关图11的说明基本上也适用于图12。

由于四冲程发动机内插入了一个予压缩室（25），因此增加了阀门（26）。（23）为喷油嘴，而（24）为点火器。

当然，本发明用途并不只限於对置汽缸配置结构。实际上，带动销（5）和（6）可以在两个飞轮之间任意安置，使二者夹角为任意所需值，这样，不论星型发动机、V型发动机或者单排式发动机，均能同样地用简易的方法容易地制作成。

图13为按照本发明而制作的对置汽缸式压缩机，其中活塞为两侧进汽型，因而形成四级压缩。为实现四级压缩，活塞（17）及（17′）具有不同的表面积。和图11、图12所示的发动机不同，在这里滑块不再被活塞（17）和（17′）的连杆（7）驱动，情况相反，是和一个发动机联动的带动销（5）和（6）驱动了滑块（1），并通过滑块驱动活塞（17）和（17′）以便进行压缩。

原则上，亦可选择一侧为内燃机，而另一侧为压缩机。要压缩的气体的通道亦可冷却，以提高效率。

这类发动机的显著优点，正如已提到那样，在於一方面首次做到把汽缸活塞组件和传动机构分离开，并实现了活塞和连杆之间的无摇摆的刚性联结，另一方面取消了曲轴（曲轴的制造成本是十分高的），代之以本发明所述的盘形飞轮。飞轮之间装有成对的带动销，后者相互之间的夹角大小取决於汽缸排列的数目。另外，比如为了加强强度，亦可增设一贯穿二飞轮中心的中心轴（4）。

Claims (11)

1、一种双曲柄传动机构，包括一个曲柄，所述曲柄能在一框架内旋转，并和带动销(5)、(6)啮合，所述带动销在滑块(1)的槽孔(11)、(12)中移动，所述滑块则沿导轨(9)、(10)而滑动，其特征在於，前述曲柄具有两个带动销(5)和(6)，二者分布在以曲柄旋转轴线为中心的90°夹角两端，前述滑块(1)具有两个槽孔(11)、(12)，二槽孔相交夹角为90°，且二槽孔与滑块(1)的滑动方向之夹角均为45°，机构运行时，第一个带动销(6)总是沿第一个槽孔(11)滑动，而第二个带动销(5)则沿第二个槽孔(12)而滑动。

2、如权利要求1所述之双曲柄传动机构，其特徵在于，所述带动销（5）、（6）上装有枢轴轴承，所述轴承沿槽孔（11）、（12）之侧面而滚动。

3、如权利要求1或2所述之双曲柄传动机构，其特徵在于，所述带动销（5）和（6）是安置在两个盘形飞轮（2）和（3）之间的。

4、如权利要求1或2所述之双曲柄传动机构，其特徵在于，所述曲柄具有一个中心轴（4），所述滑块具有一中部横孔（15），所述中部横孔沿滑块横向中心参考线而延伸，而前述中心轴（4）则沿中部横孔（15）而滑动。

5、如权利要求1或2所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述二个盘形飞轮（2）、（3）是和所述带动销（5）、（6）以及不是必须有的中心轴（4）连接在一起的，所述带动销和中心轴贯穿介于其间的滑块，其中相邻两带动销按一定夹角而配置。

6、如权利要求1或2所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述滑块（1）设有连杆（7），所述连杆和在内燃机、泵、压缩机等设备的汽缸内运动的活塞连接。

7、如权利要求6所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述活塞与汽缸是和所述传动机构分别安置在不同的外壳内的。

8、如权利要求6所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述连杆（7）的纵向长度是可调的。

9、如权利要求7所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述连杆（7）的纵向长度是可调的。

10、如权利要求1或2所述的双曲柄传动机构，其特徵在于，所述传动机构的冲程可用与带动销至旋转中心的距离R有关的以下等式表示：

g＝R·（Sinψ+Cosψ-1）

11、如权利要求1或2所述的双曲柄传动机枸，其特徵在于，通过改变所述带动销至旋转中心的距离R，可调节活塞冲程。

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