CN1042974C - 摆动轭架组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于将往复运动转换成转动(或相反)的摆动轭架机构，其中通过只有一个自由度的轴承(10，10’，15，15’)将两个轭架(4)中的每一个连接到横梁(3)上。两个轭架是位相移动90°。也只有一个自由度的偏心轴承(15)装到下垂轴(16)上或围绕着下垂轴(16)，并且连接到每一个轭架(3)的一端。所有成对的轴承的轴通过中央枢轴点(5)。活塞轴不必是直的也不必与曲轴(12)的轴平行。

Description

摆动轭架组件
本发明涉及摆动轭架机构用于往复活塞机械或其它定位设备。这样一种机械可以是诸如，泵、致冷器、压缩机、内燃机或其它发动机如斯特灵机。这样的机械也可以包括用于需要精密定位的设备的定位齿轮，如卫星锅盖天线。活塞轴不必须平行于驱动轴(如果需要的活)。
本发明目的是将往复运动转换成转动(或相反)的一种机械小型化的措施。通过摆动轭架机构驱动活塞、就省去了滑动装置、齿轮和多一自由度结合装置。
已知使用单一摆动板的发动机机构。该设计遇到了很大困难。例如，通常是约束不足或过分约束摆动板。然而，摆动板设计的主要问题是：在一个平面中、连接棒轴承的轨迹是一个弧而在第二个平面中是一个8字。所以，在连接棒端部之一的接合处(一个端部达到摆动板，而另一个连到活塞)需要球形或万能接合或轴承或多自由度结合/轴承。美国专利US4852418(Armstrong)和US4106354(Girodin)是这样的例子；同样的有美国专利US4491057(Ziegler)和国际申请公告号WO91/2889(Meylaers)。
使用这样的板产生的进一步问题是将摆动板反转矩传送到发动机壳的问题。这个问题可以用转矩臂或斜齿轮解决。然而，解决不理想。
一种替换摆动板的是晃动板。然而，这样的板设计上有许多缺点：润滑作用是一个基本的需要；值得注意的问题是，在低速下转矩大时结果流体动力学的润滑作用没有完满解决；阻止润滑剂由机械外壳(例如，斯特灵机的情况)进入工作空间的问题；由于对晃板的反作用力，在活塞棒上产生的高侧边负载；以及制造高精密构件的需要。
一种替换机械是滑动装置曲柄机构、其是大部分内燃机和压缩机中所使用的。然而，使用这种曲柄带来的缺点是，由于连接棒的角度产生的高活塞侧向负载。使用十字头可以克服上述问题，但是这需要附加润滑作用和额外加长发动机的长度。通常产生了附加摩擦损耗和增加了棒密封的复杂性。同时，在发动机开动时，用滑动装置曲柄机构很难或不可能得到汽缸换气容量的变化。
在用滑动装置曲柄斯特灵机的特殊情况中，该机械外壳一般不适于大于几千瓦发动机的增压。增压就需要复杂的活塞棒密封，而上述情况是作不到的。
所以，本发明目的是提供一种用于将往复运动转换成转动(或相反)的改进机械，其避免或减小了上述概括的问题和缺点。
本发明进一步的目的是提供一种活塞不必须平行于机械或机构的驱动轴的改进机械。
本发明还有一个目的是提供一种如上概括的能达到接近，或完全动态平衡的改进机械。
为了说明本支持的目的，术语“将往复运动转换成转动”应该认为包括相反的转换--将转动转换成往复运动。同时，在本说明中定义术语“活塞”包括，但不限于在单动或双动发动单机中已知形式的活塞；置换器3以及往复活塞凸轮例如能用作定位机器的。
本发明提供一种用于将往复运动转换成转动的摆动轭架机构，所说的机构提供许多活塞(如上定义的)，其具有活塞头可互作地连接到摆动轭架机构和曲轴上；
所说摆动轭架机构包括：
一个中央枢轴点，反转矩通过该点；
一个第1横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在至少一端上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第1横梁上；
至少一个第1轭架经由至少一个轴承，连接到所说第1横梁的至少一端，其轴通过中央枢轴点，每个所说的轴承具有一个自由度；
一个第2横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在每一个端点上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第2横梁上；
一个第2轭架相对第1轭架位相移动90’，所说第2轭架经由至少一个轴承连接到所说第2横梁的至少一端，其轴通过中央枢轴点，每一个所说的轴承具有一个自由度；以及
一个偏心轴承安装到曲轴上或围绕曲轴且连接到第1和第2轭架的每一个的一端；其中
没有轴承具有多于一个自由度；
所有轴承的轴通过所说的中央枢轴点；以及
围绕着偏心轴承的轴在两个轭架之间有一个转动自由度。
最好有第2个偏心轴承，其可能，但不必须装到曲轴上或围绕曲轴，给出其位置在两个轭架之间的转动自由度。
在本发明的第1个最佳实施例中，活塞轴与驱动轴平行，以已知形式连接捧、其定位在轴承和活塞之间。另外的活塞轴相对于驱动轴可以倾斜一定角度。
在本发明的第2个最佳实施例中，每一个轭架以光滑均匀刚性构件延伸与活塞连接，在中空环形圆柱体内活塞是环形。
在本发明的第3个最佳实施例中，可以改变偏心轴承的偏心角度，在此实施例中，活塞可以是以上第1和第2个实施例中所描述的活塞结构的任何一种。
仅仅作为例子，参照四缸双动结构发动机并参照附图，详细地描述了本发明的最佳实施例，其中：
图1是结合本发明第1个最佳实施例发动机的截面视图；
图2是结合本发明第1个最佳实施例发动机的部分截面平面视图；
图3是结合本发明第2个最佳实施例发动机的截面视图；
图4是实施本发明第3个最佳实施例的斯特灵机的截面图；
图5是对于本发明第3个最佳实施例表示自由度方向和位置的视图。
第1个最佳实施例
参照图1,2和5，如图2逆时针方向所示，以活塞位置1’,2’,3’和4’来表示发动机2。
发动机2包括：由结合以四个相同气缸组件21的发动机外壳组件20，一个输出曲轴12和一个摆动轭架组件4。四个活塞及其连接捧分别以标号6,7和6’,7’(未示出)，8,9和8’,9’(参看图2)表示。
每一个圆气缸组件21是一般已知形式，其轴彼此平行并平行于主轴，中央轴A(图1)。如果需要的活，该轴可以彼此不平行或不平行于轴A(图1)。
发动机2包括以中心点5为枢轴转动的第1轭架4a的一个横梁3。该横梁3通过一对轴承10围接到两个活塞6,7上(经由各自的活塞连接捧8,9围接到所说连接捧8,9的一端)。当有一对轴承10时，该横梁3具有一个自由度(Rz，参见图5)。第2个轭架4b通过与轴承10’成直角的一对轴承15’连接到第2个横梁3a上。第2个轭架4 b的中心通过轴BC。因此该轴承15,15’只有一个自由度。
围绕着下垂轴16安装了偏心轴承11，并且分别刚性地围接到两个摆动轭架4a,4b上。将轴承11沿着与中央轴A成度角θ的第2轴BC(图1)定位。第2轴BC和下垂轴16围绕着中央轴A转动。第2轴BC与中央轴A在中心点5相反。以已知方式将下垂轴16连接到驱动轴12a上。
将第2个摆动轭架4b与第1个摆动轭架4a成直角定位。第1个摆动轭架4a控制活塞6,7运动。第2个摆动轭架4b控制活塞6’和7’运动(在图2上定位在2’,4’)。如上关于第1个轭架4a所述一样，通过一对有一个自由度的轴承10’(参见图2)将第2个轭架4b连接到各自所连的捧8’,9’上。
当活塞6,7往复运动时，横梁3和轭架组件4围绕着中心点5转动。横梁3和水平面之间最大夹角，最大横梁角，以φ表示。当活塞(6,6’,7,7’)平行或接近平行于发动机2的中央轴A时，给出的最大横梁角是小的(小于15°)，曲轴12的转动将造成每一个活塞(6,7,6’,7’)接近正弦运动。上述情况也发生在第2和第3最佳实施例中(如下所述)。轴承对10,10’,15和轴承11的安排，使得所有轴承的轴与中轴A相交在中心点5上。上述中心点5也是横梁轴承14的中心。
因此，在180°相位的一个平面运动的连接捧8,9能具有一个自由度R的更低连接捧轴承10。对另一对活塞(6’,7’)的连接捧(8’,9’)，相对于横梁3是在90°相位且在yz平面(不是xy平面)以一个弧形运动。
所以，只需要一个自由度(Rx或Rz)的结合处或轴承10,10’，在连接捧(8,8’,9,9’)的端部是需要的。任何接合处或轴承(10,10’)可以是已知形式的弯曲接合处。
在两个摆动轭架4a、4b之间，有围绕BC轴某种转动自由度。将连接捧(8,8’,9,9’)连接到各自活塞(6,6’7,7’)可以是刚性的。如果需要，可以通过有一个自由度的轴承(未示出)来连接。
对于发动机2通过横梁14承受了有这样结构的轭架组件的反转矩。当所有成对轴承只有一个自由度时，这样的轴承可以是深槽轴承圈或类似物，并且可用预润滑密封的轴承。
当发动机运转时，带有适当的附加物，已知附加了平衡重量34，人们发现发动机2非常接近动态平衡。驱动轴12a可以用于驱动辅助器件(未示出)，例如阀门，泵或发动机2运转时所需要的机构。
在连接捧底端轴承10,10’的运动，使所有四个轴承10,10’沿着弧DE(如图1所示)运动。如上述弧可见，轴承10,10’有很小的水平位移。上述很小的水平位移的结果，使活塞有很低的侧负载，所以，增加了发动机的效率和耐久性。其也简化了连接捧密封和轴承的设计。
表示在图1中的成对轴承15比将横梁4连接到连接捧8,9的轴承10更靠近中央轴A，如果需要，这些轴承10可以相对轴承10更远离中央轴A定位。第2个最佳实施例
参照图3与第1个最佳实施例同样的部件标以相应的标号，并且活塞的结构与第1个最佳实施例相同。在此实施例中，第1个摆动轭架4的横梁3整体地，刚性地连接到连接捧29上。活塞26和27可以是环形。另外，活塞可以只是足以密封的圆盘。活塞26,27宁可沿着弧往复运动而不是轴向往复运动。整体连接捧29和横梁3的构成造成相对弯曲轴FG完全设有侧向力加在活塞26,27上。这样完全消除了活塞摩擦损耗和润滑的需要，而只留有密封摩擦损耗作为活塞减少发动机效率的一个因素。第3个最佳实施例
参照图4和表示在此的斯特灵机，将本发明的第1个最佳实施例的摆动轭架机构4结合在此，但是有很大的改变。与第1个最佳实施例同样的构件标以相应的标号，且活塞的结构与第1个最佳实施例相同。在此实施例中，主要的差别是角度(θ)通过偏心轴承11相对主轴A位置改变而改变。通过已知手段，诸如机械地，电的或水力地操作致动器使轴承11位置改变。将平衡重34加在曲面轴12上而轴承定位于空间39内。
下垂轴16刚性地固定到一个轭架(4a或4b)且关于第2个轭架(4b或4a)围绕着轴BC具有一个自由度。下垂轴16关于偏心轴承11具有一个自由度。
发动机30包括已知的斯特灵机构件：一层冷平板31；一个有散热片的热端32；和平衡垂量34。如果斯特灵机用作12伏电流充电器，如实施例图4中所示，发动机30的其它元件将包括一个恒定场线圈35，定子36，反冲手动起动器37和转子38。对于电池充电器来说定标准部件的这些元件，在已知方式中操作。
以有可变冲程活塞的斯特灵机来应用第3个最佳实施例的发动机30，检验表明有40毫米气缸内径在20毫米冲程上有每分钟1500转的速度和10巴平均循环压力的充气斯特灵机，可以产生高于400瓦的输出。
同时，参照斯特灵机所描述的本发明，这不只是可以使用轭架组件的机械或发动机。它也可用在气体压缩机，致冷压缩机以及水力马达/泵中。润滑剂不能进入供给空气的小型干空气压缩机，是适合使用本发明的机械。低的活塞侧向负载和发动机平衡装置使得轭架组件4可有效地用于小型内燃机或蒸汽机中。
通过改变在连接捧轴承中心和各自活塞连接捧轴承中心(如没有适当轴承的话，或者各自连接捧顶部中心)之间的距离，偏心轴承11中心位置(在第3个最佳实施例中)或两个偏心轴承11中的一个位置(在第2个和第1个实施例中)可以用两个已知形式的浅性起动器来控制。也就是轴BC和轴A之间的角度可以改变和控制。
轭架组件这种安排很适用于需要精确定位的其它设备的机构中。这样的其它设备可以是卫星锅盖天线、反射镜或太阳能收集器等等。

Claims (7)

1．一种用于将往复运动转换成转动的摆动轭架机构，所说的机构提供许多活塞，其具有活塞头可工作地连接到摆动轭架机构和曲轴上，其特征是：
所说摆动轭架机构包括，
一个中央枢轴点、反转矩通过该点，
一个第1横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在至少一端上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第1横梁上，
至少一个第1轭架经由至少一个轴承，连接到所说第1横梁的至少一端，其轴通过中央枢轴点，每个所说的轴承具有一个自由度，
一个第2横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在每一个端点上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第2横梁上，
一个第2轭架相对第一轭架位相移动90°，所说第2轭架经由至少一个轴承连接到所说第2横梁的至少一端，其轴通过中央枢轴点，每一个所说的轴承具有一个自由度，和
一个偏心轴承安装到曲轴上或围绕曲轴且连接到第1和第2轭架的每一个的一端，
没有轴承具有多于一个自由度，
所有轴承的轴通过所说中央枢轴点，以及
围绕着偏心轴承的轴在两个轭架之间有一个转动自由度。
2．按照权利要求1所述的一种摆动轭架机构，其中所说机构更包括第2偏心轴承，其装到曲轴上或围绕曲轴。
3．按照权利要求1或2所述的摆动轭架机构，其特征是其中每一个偏心轴承相对曲轴有一个可变的偏心角。
4．按照权利要求1或2所述的一种摆动轭架机构，其中该机构包括驱动轴且活塞轴平行于该驱动轴。
5．一种按照权利要求1所述的往复活塞机械，其特征是包括多个前述活塞，每一个活塞有一个活塞头、一个曲轴和一个摆动轭架机构。
6．一种用于将往复运动转换成转动的摆动轭架机构、所说的机构提供许多活塞，其具有活塞头可互作地连接到摆动轭架机构和曲轴上，其特征是：
所说摆动轭架机构包括：
一个中央枢轴点、反转矩通过该点，
一个第1横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在至少一端上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第1横梁上，
至少一个第1轭架连接到所说第1横梁的至少一端，
一个第2横梁在一个平面中围绕所说点作枢轴上转动，在每一个端点上至少一个活塞经由具有一个自由度的轴承固定到第2横梁上，
一个第2轭架相对第1轭架位相移动90°，所说第2轭架刚性地连接到所说第2横梁的至少一端，
一个偏心轴承安装到曲轴上或围绕曲轴且连接到第1和第2轭架的每一个的一端，
没有轴承具有多于一个自由度，
所有轴承的轴通过所说中央枢轴点，
活塞沿着一个弧往复运动，以及
围绕着偏心轴承的轴在两个轭架之间有一个转动自由度。
7．按照权利要求6所述的摆动轭架机构，其特征是其中每一个偏心轴承相对曲轴有一个可变的偏心角。
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