CN104314675B - 一种摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置 - Google Patents

Abstract

一种摆线凸轮与摆盘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，转子Ⅰ和转子Ⅱ同轴且呈交错状安装于缸体内，且均可绕自身中心转动，差速驱动组件包括凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱，所述凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱组合形成自由度为1的驱动组件，凸轮为空心球壳，凸轮上开设有外摆线槽，动力轴为中部一段为倾斜轴段的斜轴，摆盘径向布有至少两个滚子，这些滚子分别与滑轨和凸轮配合运动，摆盘轴向与动力轴斜轴段用铰链连接，驱动组件的输入端为摆盘上的滚子。其结构简单，通过摆线凸轮和摆盘进行简单的组合即可实现转子的差速运动，整体性好，悬臂结构较短受力好。

Description

一种摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置

技术领域

本发明涉及发动机功率传输部分技术领域，尤其涉及一种摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置。

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，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，要么零部件数目较多，结构不对称，整机难以平衡。这些方案都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。

其次，对于摆盘或斜盘发动机的功率传输机构，其功率传输机构简单，也可以实现较高功率密度，其增加功率密度的方式只有增加活塞数量或截面积，但是在发动机体积一定的情况下此种方式可提高的功率密度有限，现在最理想的是五个活塞在动力轴每转一周作功10次。对于另一种基于凸轮和多杆机构组合的功率传输装置(ZL201110071457.8)，其可以通过凸轮型线瓣数的增加实现作功30次以上的高功率密度，但是其动力输出轴靠滑块滑动旋转输出，在滑块上极限位置悬臂较长，不利于大载荷输出，而且整体结构不够紧凑。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、布置方式完全对称、零部件数量少、动力轴每转一圈的作功次数较多的外摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置。

一种摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：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，所述转子Ⅰ和转子Ⅱ均可绕自身中心转动，所述差速驱动组件包括凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱，所述凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱组合形成自由度为1的驱动组件，所述凸轮为空心球壳，凸轮上开设有外摆线槽，所述外摆线槽为曲线槽；所述动力轴为中部一段为倾斜轴段的斜轴，所述摆盘径向布有至少两个滚子，这些滚子分别与滑轨和凸轮配合运动，摆盘轴向与动力轴斜轴段用铰链连接，所述驱动组件的输入端为摆盘上的滚子。

作为本发明的进一步改进：所述凸轮上开设的曲线槽为8字形的曲线槽。

作为本发明的进一步改进：所述凸轮上开设的曲线槽为球面上呈周期性变化的外摆线曲线及其变异曲线形状的凹槽。

作为本发明的进一步改进：所述凸轮上开设的曲线槽由公式

$R=\left[\begin{array}{c}\sin a\cos b\\ {\sin }^2\frac{a}{2}\sin 2b\\ 1-2{\sin }^2\frac{a}{2}{\cos }^{2}b\end{array}\right]$ 来描述，其中a＝(0°,180°)为摆盘倾角，b＝[0,720)。

作为本发明的进一步改进：所述动力轴为Z字轴，摆盘安设在Z字轴的斜轴段上并可绕其转动，摆盘径向相互垂直的两个方向向外伸出滚子轴Ⅰ和滚子轴Ⅱ，凸轮包裹在摆盘外并可绕动力轴旋转，凸轮上对称布置四个8字形外摆线槽，滚子轴Ⅰ和滚子轴Ⅱ均各有两个滚子，靠近摆盘的滚子在8字形外摆线槽上沿凸轮面滚动，分别位于两滚子轴末端的滚子在滑轨Ⅰ和滑轨Ⅱ内沿直线滚动，滑轨Ⅰ和滑轨Ⅱ的轨道方向与Z字轴输出方向平行并且可绕Z字轴旋转，齿轮箱为一个反向同步器，所述凸轮和Z字轴在齿轮箱的驱动下反向同步转动；滑轨Ⅰ作为第一输入构件与转子Ⅰ通过滑轨连接体Ⅰ连接，使滑轨与转子Ⅰ周向旋转同步，滑轨Ⅱ作为第二输入构件与转子Ⅱ通过滑轨连接体Ⅱ连接，使滑轨Ⅱ与转子Ⅱ周向旋转同步。其中：Z字轴的倾斜角度的具体机构尺寸根据实际设计要求而定。

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、通过凸轮和连杆机构进行简单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结构布置方式完全对称，平衡性非常好；

2、凸轮上的曲线槽的实施曲线多样，因此具有产生广泛变化的非均匀运行的能力，能够更大范围地控制转子的运动规律，适应不同场合下发动机对差速驱动组件的要求,实现高效节能的热力学循环；

3、本发明发动机在输出轴每转一周时，总共作功次数为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，能够实现功率密度、升功率等大幅度的提升，这一特性有着广泛的应用前景；

3、本发明的转子的平均转速与输出轴相同反向，即输出轴每旋转一周，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为本发明动力缸组件的原理结构示意图；

图2为本发明差速驱动组件的原理结构示意图；

图3为本发明功率传输装置输出轴端面的结构示意图；

图4为本发明实例中双转子活塞发动机的三维结构爆炸示意图；

图5为本发明功率传输装置机构运动流程示意图；

图例说明：1、动力缸组件；11、转子Ⅰ；12、转子Ⅱ；13、滑轨链接体Ⅰ；14、滑轨链接体Ⅱ；2、差速驱动组件；20、滑轨Ⅰ；21、滑轨Ⅱ；22、凸轮；23、凸轮槽；24、Z字轴；25、摆盘；26、滚子轴Ⅰ；27、滚子轴Ⅱ；28齿轮箱。

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。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明一种摆线凸轮和摆盘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，其中动力缸组件1包括转子Ⅰ11、转子Ⅱ12和滑轨链接体Ⅰ13和滑轨链接体Ⅱ14，转子Ⅰ11和转子Ⅱ12同轴且呈交错状(交叉状)安装于缸体内，转子Ⅰ11和转子Ⅱ12均可绕自身中心转动。差速驱动组件2包括凸轮22、Z字轴24、摆盘25以及齿轮箱28，这些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，驱动组件的两个输入端分别与转子Ⅰ11和转子Ⅱ12连接。该凸轮22上可以加工出外摆线槽23，外摆线槽23上的曲线型线为球面上呈周期性变化的外摆线曲线及其变异曲线形状的凹槽，实施曲线多样，可根据转子运动规律进行设计，具有产生广泛变化的非均匀运行的能力，能够更大范围地适应转子的运动，适应不同场合下发动机对差速驱动组件的要求，实现高效节能的热力学循环。本实施例中的外摆线槽23为8字形外摆线槽。

参见图2，输出轴为Z字轴24，摆盘25位于Z字轴24的斜轴段上并可绕其转动，摆盘25径向相互垂直的两个方向向外伸出滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27，凸轮22包裹在摆盘25外并可绕输出轴旋转，凸轮22上对称布置四个8字形外摆线槽，滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27都有两个滚子，靠近摆盘的滚子在8字形外摆线槽上沿凸轮面滚动，末端另一滚子在滑轨Ⅰ20和滑轨Ⅱ21内沿直线滚动，滑轨Ⅰ20和滑轨Ⅱ21的轨道方向与Z字轴24输出方向平行并且可绕Z字轴24旋转，齿轮箱28就是一个反向同步器，其约束着凸轮22和Z字轴24反向等速旋转；滑轨Ⅰ20作为第一输入构件与转子Ⅰ11通过滑轨连接体Ⅰ13连接，使滑轨20与转子Ⅰ11周向旋转同步，滑轨Ⅱ21作为第二输入构件与转子Ⅱ12通过滑轨连接体Ⅱ14连接，使滑轨Ⅱ21与转子Ⅱ12周向旋转同步。在具体实施中，Z字轴24的倾斜角度的具体机构尺寸可根据实际设计要求而定。

本发明的基本原理是通过改变摆盘倾角或外摆线槽的形状控制其滑轨Ⅰ20和滑轨Ⅱ21输出轴方向夹角的变化，这个变化也是滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27夹角在输出轴端面投影的变化。该夹角受外摆线槽的形状和摆盘倾角约束并呈周期性变化，从而转子Ⅰ11和转子Ⅱ12上叶片活塞的夹角也周期性地变大、变小。

如图3、4所示，功率差速驱动机构处于极限位置。本实施例中，凸轮上的外摆线槽的形状为8字形外摆线槽，具体可由公式 $R=\left[\begin{array}{c}\sin a\cos b\\ {\sin }^2\frac{a}{2}\sin 2b\\ 1-2{\sin }^2\frac{a}{2}{\cos }^{2}b\end{array}\right]$ 来描述，其中a为摆盘倾角，可在(0°,180)°内变化，本实施例中a＝45°，b＝[0,720)。

本实施例中的差速驱动组件的结构简单、通过摆线凸轮和摆盘进行简单的组合即可实现转子的差速运动，整体性好，悬臂结构较短受力好，并且最重要的一个特点是结构布置方式完全对称，平衡性非常好，故保证发动机的惯性力冲击和振动较小，工作更为平稳，可以有效地降低各机械零件的磨损，并延长发动机使用寿命。

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。

本发明的工作原理：

如图5所示，当匀速驱动发动机的输出轴(Z字轴24)旋转一周时，Z字轴24带动摆盘绕轴心公转，齿轮箱28驱动凸轮22与Z字轴24做反向同步转动，凸轮22通过其上面的凸轮槽23内滚动的滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27约束摆盘绕中心斜轴自转，方向与其公转方向相反。在摆盘25旋转过程中，滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27夹角在输出轴端面的投影呈周期性变化。在输出轴转过一周的过程中，摆盘25在凸轮22驱动下反向转动一周，实质上摆盘25相对于输出轴(Z字轴24)的斜轴段反向自转两周，而滚子轴Ⅰ26和滚子轴Ⅱ27夹角输出轴端面的投影在摆盘自转一周时变由小变大再由大变小两次，所以当摆盘25自转两周时该投影周期变化四次，相当于滑轨Ⅰ20和滑轨Ⅱ21输出轴方向的夹角变化四次，也是两个转子间的夹角周期变化四次，每个转子上有四个叶片活塞，每两个活塞形成一个容积腔，共有八个这样的容积腔，在输出轴转动一周时，每个容积腔周期变化四次，所以一共变化32次，相当于作功16次，大大提高发动机功率密度。由于在齿轮箱28的驱动下凸轮22和Z字轴24反向同步转动，所以也可以将凸轮22作为另一个输出端进行对转输出，可应用于当下热门的对转浆飞机，舰船和便携式飞行器等。

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 (5)

1.一种摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：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，所述转子Ⅰ和转子Ⅱ均可绕自身中心转动，所述差速驱动组件包括凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱，所述凸轮、动力轴、摆盘以及齿轮箱组合形成自由度为1的驱动组件，所述凸轮为空心球壳，凸轮上开设有外摆线槽，所述外摆线槽为曲线槽；所述动力轴为中部一段为倾斜轴段的斜轴，所述摆盘径向布有至少两个滚子，这些滚子分别与滑轨和凸轮配合运动，摆盘轴向与动力轴斜轴段用铰链连接，所述驱动组件的输入端为摆盘上的滚子。

2.根据权利要求1所述的摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述凸轮上开设的曲线槽为8字形的曲线槽。

3.根据权利要求1所述的摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述凸轮上开设的曲线槽为球面上呈周期性变化的外摆线曲线及其变异曲线形状的凹槽。

4.根据权利要求2或3所述的摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述凸轮上开设的曲线槽由公式来描述，其中a＝(0°,180°)为摆盘倾角，b＝[0,720°)。

5.根据权利要求4所述的摆线凸轮与摆盘机构组合的功率传输装置，其特征在于：所述动力轴为Z字轴，摆盘安设在Z字轴的斜轴段上并可绕其转动，摆盘径向相互垂直的两个方向向外伸出滚子轴Ⅰ和滚子轴Ⅱ，凸轮包裹在摆盘外并可绕动力轴旋转，凸轮上对称布置四个8字形外摆线槽，滚子轴Ⅰ和滚子轴Ⅱ均各有两个滚子，靠近摆盘的滚子在8字形外摆线槽上沿凸轮面滚动，分别位于两滚子轴末端的滚子在滑轨Ⅰ和滑轨Ⅱ内沿直线滚动，滑轨Ⅰ和滑轨Ⅱ的轨道方向与Z字轴输出方向平行并且可绕Z字轴旋转，齿轮箱为一个反向同步器，所述凸轮和Z字轴在齿轮箱的驱动下反向同步转动；滑轨Ⅰ作为第一输入构件与转子Ⅰ通过滑轨连接体Ⅰ连接，使滑轨与转子Ⅰ周向旋转同步，滑轨Ⅱ作为第二输入构件与转子Ⅱ通过滑轨连接体Ⅱ连接，使滑轨Ⅱ与转子Ⅱ周向旋转同步。