CN1067741C - 曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机 - Google Patents

曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及内燃机，特别是用圆滑块取代连杆的曲柄圆滑块往复活塞式内燃机。包含有缸体、气缸、活塞、曲轴、联接活塞和曲轴的圆滑块27的曲柄圆滑块机构，配气构和燃料供给系，上述缸体中有与跑道相配合的动平衡滑块，联接动平衡滑块和曲柄、与圆滑块相位差180°且成一体的圆滑块28，上述跑道和动平衡滑块可呈气缸和活塞结构本发明平衡优良，运转平稳，结构简巧，体积和重量可缩减50～67%，工艺性好，继承性强，节省能源。

Description

曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机
本发明涉及内燃机，特别是用圆滑块取代连杆的曲柄圆滑块往复活塞式内燃机。
已有的往复活塞式内燃机，采用曲柄连杆机构实现活塞的往复运动，为克服曲柄连杆机构存在往复惯性力等缺点，已发明了多种机型，其中的曲柄圆滑块往复活塞式内燃机，采用曲柄圆滑块机构取代曲柄连杆机构，如日本的《内燃机关》1981年第8期所报导，日本工业大学研制的“无连杆内燃机”，其气缸呈十字型布置，因润滑油易于窜入活塞顶部而引发事故。此外，尚有给曲柄圆滑块机构配置太阳轮系的结构，试图解决平衡问题，但因其结构复杂而难于推广使用。中国专利局在CN85100358A中公布的本发明人所发明的“曲柄圆滑块往复活塞式内燃机”，该内燃机的圆滑块上有一偏心半径为e的偏心圆孔，与曲柄销相配，圆滑块可转动地装于活塞导向部分的圆孔中，形成曲柄圆滑块机构，将活塞往复运动转变为曲轴的旋转运动，在曲柄圆滑块机构上配置有一对内齿轮副，它由固接在活塞导向部分上的内齿圈和安装在曲轴上的齿轮啮合组成。即采用一个圆滑块并配置一对内齿轮传动副结构，来取代曲柄连杆机构，虽然其结构简单，重量轻，但其动平衡性仍不甚理想。再者由于齿轮设置在曲轴的曲柄销上，其制造难度较大，而且只适用于单缸机，而不能在多缸机上实现。
鉴于此，本发明的目的就在于提供一种动平衡性好可靠性高，节能性好，结构简单，体积小，重量轻的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机。
本发明采用在缸体中设置滑动跑道及其中相配合作往复运动的动平衡滑块，并在动平衡滑块中可旋转地装设平衡圆滑块，该平衡圆滑块与活塞中可旋转的工作圆滑块连成一体，构成一组配合作用且相位错开180°的双圆滑块，再将双圆滑块偏心地套装在曲轴上，取代曲柄连杆机构来实现其目的。
本发明的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机(参见附图)，包含有缸体及其内的气缸、活塞、曲轴、可旋转地装在活塞的圆孔中且其偏心的轴孔套装在曲轴上其轴孔的偏心距与曲轴的曲柄半径相等的圆滑块(27)的曲柄圆滑块机构，配气机构和燃料供给系，其特征于缸体中有与跑道相配合作往复运动的动平衡滑块，缸体中的每一个气缸对应一个圆滑块，两圆滑块联成一体构成一组配合工作且相位错开180°的双圆滑块，另一个圆滑块(28)可旋转地装在动平衡滑块的圆孔中且其偏心的轴孔套装在曲轴上，两个圆滑块的轴孔(29)的偏心距和套装曲轴的曲柄半径均相等。
上述活塞(13)，可以是两端工作的双面活塞；上述跑道(26)，可以与气缸(8)呈空间垂直。从而，可以构成横置的I字型卧式双缸机。
上述活塞(50)，可以是两端工作的双面活塞，上述动平衡滑块(52)，可以是一端工作的单面活塞；上述跑道(51)，可以是气缸结构、且与上述气缸(49)呈空间垂直。从而，可以构成倒置的T字型三缸机。
上述活塞(61)和动平衡滑块(62)，可以均是一端工作的单面活塞；上述跑道(60)，可以是气缸结构、且与上述气缸(59)呈空间垂直。从而，可以构成V字型的双缸机。
上述两个圆滑块(27、28)，可以被两个定位销(35、36)固联成一体，也可以采用其他联接结构固联成一体。
上述曲轴(37)，是单拐式结构。
上述曲轴(37)，是曲柄销(38)的一端与该端的主轴颈(40)采用联接式的组合结构。从而，使圆滑块(27、28)可以采用整体结构。
上述圆滑块，可以是沿径向剖分的组合式结构。从而，使曲轴可以采用整体式结构。
本发明的运动原理和平衡原理参照图5和图6说明如下。图中，设曲轴和曲柄销的旋转半径即曲柄半径为e，圆滑块27和圆滑块28的旋转偏心距均为e，并呈180°相位差且联成一体。一个圆滑块27带动活塞总成沿X轴作往复运动，另一个圆滑块28带动动平衡滑块总成沿Y轴作往复运动。X轴与Y轴相互垂直。图中，M1、M2、M3为曲柄销38中心的位移点，A1、A2、A3为圆滑块27中心的位移点，B1、B2、B3为圆滑块28中心的位移点。当曲轴连同曲柄销以ω速度旋转时，圆滑块27和圆滑块28以-ω角速度反向旋转。此时，活塞总成和动平衡滑块总成均按余弦、正弦规律运动。设运动时间为t。当ωt=0时，曲柄销38、圆滑块27、圆滑块28如双点划线所示，其各中心的位置分别为M1、A1、B1。当曲柄销旋转ωt角时，上述三件如点划线所示，其中心的位置分别为M2、A2、B2。当ωt=90°时，上述三件如实线所示，其中心的位置分别为M3、A3、B3。
活塞总成的运动规律为：
    位移    Sx=2e(1-Cosωt)
    速度    Vx=2eωSinωt
    加速度    αx=2eω2Cosωt
动平衡滑块总成的运动规律为：
    位移      Sy=2e(1-Sinωt)
    速度      Vy=-2eCosωt
    加速度   αy=2eω2Sinωt
本发明的运动力如图4所示。设活塞总成质量为m，动平衡滑块总成质量为m2，平衡配重块质量为m。
活塞总成的运动惯性力           F1=m12eω2Cosωt
动平衡滑块总成的运动惯性力     F2=m22eω2Sinωt
飞轮等的平衡配重块的运动惯性力 F=mRω2
当m1=m2时，F=F1+F2 mR=m12e=m22e=K,K为常数，便于设计配重块。
如上所述，若使本发明的活塞总成和动平衡滑块总成的运动方向相互垂直，则其合力为由曲轴中心指向曲柄销中心的离心力，所以，本发明可获得理想的动平衡效果，而无须增加如太阳轮系等其他附属装置。
本发明的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机与已有技术相比，具有如下明显的优点和显著的效果。
一、本发明的活塞总成和动平衡滑块总成的运动合力为通过曲轴、曲柄销中心的离心力，可达到理想的动平衡，其动平衡性优良。
二、本发明采用将两圆滑块连成一体取代已有的曲柄连杆机构的连杆，从而与曲轴联接构成曲柄双圆滑块机构，与活塞和动平衡滑块传动相联，使作相互垂直运动的活塞总成和动平衡滑块总成的运动相互制约，实现作功运动。取代了曲柄单圆滑块机构所配装的内齿轮传动副，使本发明的动平衡更加优异。减少了运动件，使结构更加精巧，使用更加可靠。
三、本发明因其采用曲柄双圆滑块机构而使整机体积缩小、重量减轻。为便于说明，设曲柄半径和圆滑块偏心距相等均为e，由图5可知，本发明的活塞行程为4e，而采用曲柄连杆机构的已有的同规格内燃机，因其曲柄半径为e，而活塞行程仅为2e。故此，本发明整机的体积和重量，可缩小和减少50～67％。
四、本发明的活塞、圆滑块、曲轴等主要运动件的加工面，以圆柱面和平面为主，其加工工艺性优越；且与同型内燃机的通用零件达70％以上，其继承性也好。
五、本发明的上述优点，使其还具有节能和使用可靠性高的优点。
下面，再用实施例及其附图，对本发明作进一步说明。附图的简要说明。
图1是本发明的一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机的结构示意图。显示I字型卧式双缸机的结构。
图2是图1的曲柄双圆滑块机构的简化结构示意图。显示双面工作结构的活塞13及其圆滑块27，动平衡滑块21及其圆滑块28，曲柄销38的结构。
图3是本发明的另一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机的曲柄双圆滑块机构的简化结构示意图。显示是倒置的T字型三缸机，其动平衡滑块52为单面活塞结构。
图4是本发明的又一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机的曲柄双圆滑块机构的简化结构示意图。显示是V字型双缸机，及其单面活塞结构的活塞61，其动平衡滑块62为单面活塞结构。
图5是本发明的两个圆滑块27、28、曲柄销38的运动原理示意图。
图6是本发明的活塞总成、动平衡滑块总成的运动力平衡图。
图7是图1的气缸8和跑道26的结构示意图。
图8是图4的缸体的结构示意图。显示气缸体59和气缸结构的跑道体60相互垂直呈V字形布置。
图9是图8的俯视结构示意图。显示两个气缸呈空间垂直，和曲轴37。
图10是图2和图3中的双面活塞结构的活塞13和50的结构示意图。
图11是图10的俯视结构示意图。
图12是图2中的动平衡滑块21的结构示意图。
图13是图12的俯视结构示意图。
图14是图13的左视结构示意图。
图15是图3和图4中的单面活塞结构的活塞60、61和动平衡滑块52的结构示意图。
图16是图15的俯视结构示意图。
图17是本发明中的一种圆滑块的结构示意图。显示呈整体式结构。
图18是图17的左视结构示意图。
图19是两个圆滑块连成一体成双圆滑块的结构示意图。
图20是本发明中的一种曲轴的结构示意图。显示呈组合式结构。
实施例1
本发明的一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，如附图1、2、5～7、10～14、17～20所示。本实施例为I字型卧式双缸机。有与通常结构相类似的横置的缸体1，配气机构2，含汽化器3的燃料供给系，含分电器4的点火系，含机油泵及滤清器5的润滑系，含水泵6的冷却系，含起动机7的起动装置，和曲柄圆滑块机构。以上结构构成汽油机，当需构成柴油机时，可去除并增加构成柴油机的部件，如去掉汽化器、分电器等部件，同时增加喷油泵等部件。
本发明的曲柄圆滑块机构，是曲柄双圆滑块机构，由缸体中的气缸、活塞、动平衡滑块、跑道、两个圆滑块、曲轴、飞轮、皮带轮等构成。
上述气缸8，如图7，有圆柱形的空腔的缸孔9，其两端为工作部，气缸中可以有缸套，其中部横向制有可安装轴承的曲轴轴承孔10、11。气缸顶有缸盖12。
上述活塞13，如图10、11，呈双作用式活塞结构，两端为形状和尺寸均相同的工作部14，该工作部呈圆柱形，有安装活塞环的活塞环槽15。活塞的中段为导向部16，呈扁形体，其导向面17与气缸相配合，沿导向面制有油槽18；在导向部中心，沿其横向制有圆孔19，在圆孔19与油槽18之间制有油孔20。在圆孔中有滑动轴承。
上述动平衡滑块21，如图12、13、14，呈扁长体形，其对称的两侧棱为呈弧形柱面形的导向部22，沿柱面制有油槽23。在扁长体中心，沿横向制有圆孔24。在圆孔24与油槽23之间制有油孔25。在圆孔中有滑动轴承。
上述跑道26，如图27，为开制在缸体1中的空腔，空腔的横截面形状与上述动平衡滑块21相吻合；跑道中心线与气缸相垂直、且相距适当距离1,1可根据活塞和动平衡滑块的导向部厚度确定。
上述两个圆滑块27、28，如图17、18，其形状和尺寸均相同，呈扁圆柱体形，在中部有沿轴向的偏心距为e的轴孔29，轴孔内装有轴瓦30。在轴孔两侧有两相对称的沿轴向的两个销孔31、32。在圆滑块的轴孔与外圆柱面间制有油孔33，在圆滑块的两端面上，有与轴孔相通的十字形油槽34。用两个定位销35和36固插入销孔31、32中，将两个圆滑块固联成一体。两销孔的开制应能使两个圆滑块的相位差180°且两个轴孔相重合地固联成一体，从而成为双圆滑块。上述圆滑块为整体式结构，也可以沿圆滑块的轴孔径向剖分，由两个半圆滑块采用通常联接结构，构成组合式结构的圆滑块。
上述曲轴37，如图20，为单拐式结构，其曲柄半径与上述圆滑块的轴孔偏心距相等均为e。曲轴的曲柄销38与一端的主轴颈39成一体结构，另一端的主轴颈40套装在曲柄销的端头上，并用通常的联接件41固联成一体。主轴颈的半径可大于曲柄销直径，使曲柄销38全部包含在主轴颈内，其曲柄重叠度达100％。在曲柄销中心有沿轴向的油道42，在油道与曲柄销表面和主轴颈表面之间，有多条油孔43、44、45。曲轴安装在缸体的曲轴轴承孔10、11中。上述曲轴为组合式结构，此种结构与上述整体式结构的圆滑块相配装。曲轴也可以制成整体式结构，与上述组合式结构的圆滑块配装。
组装时，将双圆滑块的轴孔29套装在曲轴的曲柄销38上，将两个圆滑块分别装入活塞的圆孔19和动平衡滑块的圆孔24中。上述通常结构的飞轮46和皮带轮47安装在曲轴37的两端。
设计制造时，应使两个圆滑块27和28的质量相等、重心相同。还应使活塞总成和动平衡滑块总成的质量相等，且重心在各自的中心线上。在飞轮和皮带轮上可按需设置平衡配重和去重。
本实施例制成ZB-292水冷、顶置凸轮式汽油机，其缸径D=92mm，活塞行程S=70mm，功率N=25ps/3000rpm，扭矩Me=7kgf-m/2000rpm，最低油耗率ge=212g/ps.h，净重W=70kg，体积V=320×546×320mm。
本实施例制成ZB-2105水冷、直喷式柴油机，其D=105mm,S=80mm,N=25ps/1600rpm,Me=115kgf-m/1100rpm,ge=180g/ps.h,W=80kg,V=380×620×350mm。
本实施例制成ZB-293水冷、下置凸轮式汽油机，其D=93mm,S=76mm,N=36ps/3600rpm,Me=7.6kgf-m/2000rpm,ge=210g/ps.h,W=56kg,V=320×580×320mm。
本实施例的运行方法与已有的内燃机相同。与已有的同型曲柄连杆往复活塞式内燃机相比，上述三个实例的油耗降低13～16％，重量减小50～60％，体积缩小60～70％，动平衡性提高，几乎无振动，排污极少只有日本同类机的5～10％。
实施例2
本发明的另一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，如附图3、5、6、10、11、15～20所示。本实施例为倒置T字型三缸。其结构与实施例1大体相同。其特点是，缸体48呈近似倒置的T字形。有横置的气缸49，该气缸49中有活塞50，其结构与实施例1的活塞相同，为双面活塞。其跑道51的结构与通常的气缸结构相同，并与气缸49相垂直，跑道中的动平衡滑块52，呈如图15、16所示的单面活塞结构，其一端的工作部53另一端的导向部54、圆孔55、油槽56、油孔57的结构，与实施例1的双面活塞的对应部结构均相同。
本实施例的运行与已有的内燃机相同。
实施例3
本发明的又一种曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，如附图4～6、8、9、15～20所示。本实施例为V字型双缸机，其结构与实施例2大体相同。其特点是，机体58呈V字形，其气缸59和跑道60的结构，与通常的气缸结构相同，二者呈V形布置，相互垂直，二者中心线相距适当距离。本实施例的活塞61和动平衡滑块62的结构，呈如图15、16所示的单面活塞结构。
本实施例制成ZBV-2E50F风冷、二冲程汽油机，其D=50mm,S=34mm,N=7ps/5000rpm,Me=0.85kgf-m/3000rpm,ge=340g/ps.h,W=4.5kg,V=126×108×122mm。
本实施例制成ZBV-293F风冷汽油机，其D=93mm,S=76mm,N=30ps/3200rpm,Me=7.5kgf-m/2300rp,ge=225g/ps.h,W=48.5kg 。
本实施例运行方法与已有的内燃机相同。与已有的同型曲柄连杆往复活塞式内燃机相比，上述两实施例的油耗降低8～13％，重量减小46％，体积缩小55％。

Claims (9)

1、曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，包含有缸体及其内的气缸、活塞、曲轴、可旋转地装在活塞的圆孔中且其偏心的轴孔套装在曲轴上其轴孔的偏心距与曲轴的曲柄半径相等的圆滑块(27)的曲柄圆滑块机构，配气机构和燃料供给系，其特征于缸体中有与跑道相配合作往复运动的动平衡滑块，缸体中的每一个气缸对应一个圆滑块，两圆滑块联成一体构成一组配合工作且相位错开180°的双圆滑块，另一个圆滑块(28)可旋转地装在动平衡滑块的圆孔中且其偏心的轴孔套装在曲轴上，两个圆滑块的轴孔(29)的偏心距和套装曲轴的曲柄半径均相等。
2、如权利要求1所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的活塞(13)是两端工作的双面活塞，所说的跑道(26)与气缸(8)呈空间垂直。
3、如权利要求1所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的活塞(5)是两端工作的双面活塞，所说的动平衡滑块(52)是一端工作的单面活塞，所说的跑道(51)是气缸结构，且与上述气缸(49)呈空间垂直。
4、如权利要求1所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的活塞(61)和动平衡滑块(62)均是一端工作的单面活塞，所说的跑道(60)是气缸结构、且与上述气缸(59)呈空间垂直。
5、如权利要求1、2、3或4所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的两个圆滑块(27、28)的形状和尺寸均相同。
6、如权利要求1、2、3或4所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的两个圆滑块(27、28)被两个定位销(35、36)固联。
7、如权利要求1、2、3或4所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的曲轴(37)为单拐式结构。
8、如权利要求1、2、3或4所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的曲轴(37)的曲柄销(38)的一端与该端的主轴颈(40)为联接结构。
9、如权利要求1、2、3或4所述的曲柄双圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的圆滑块(27、28)是沿径向剖分的组合式结构。
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