CN1067742C - 曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机，特别是用圆滑块取代连杆所构成的曲柄圆滑块往复活塞式内燃机。包含有缸体、活塞、圆滑块、曲轴等的曲柄圆滑块机构。缸体中有跑道及其中的动平衡滑块。圆滑块有至少三个，联成一体，其相邻圆滑块的相位差180°，各圆滑块分别可旋转地装在活塞或圆平衡滑块中，且全部套装在同一根曲柄销上。动平衡性优良，结构简巧，与已有同型机比较，体积和重量为30～50%，加工工时为50～60%，通用件达70%，使用可靠，寿命长，能耗低。

Description

曲柄多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所构成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，采用曲柄连杆实现活塞的往复运动，为克服曲柄连杆机构存在的结构较复杂、往复惯性力大、机体的体积大、重量大等缺点。发明了用圆滑块取代连杆，从面取代曲柄连杆机构的曲柄圆滑块机构，如中国专利局的发明专利公告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”，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，虽然该机结构较简单、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，本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、重量轻、动平衡性优良、对常规内燃机零部件的继承性好、能缩短制造期的多缸曲柄多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，该平衡圆滑块与各活塞中可旋转的工作圆滑块连成一体，构成由至少三个圆滑块组成一组配合作用且两个相邻错开180°的多圆滑块，再将各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。

本发明的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机(参见附图)，包含有缸体、缸盖、气缸、活塞、轴孔的偏心距与曲轴的曲柄半径相等的圆滑块、曲轴、飞轮的曲柄圆滑块机构，燃料供给系，润滑系，冷却系，其特征在于上述缸体中有滑道式的跑道，该跑道中有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，至少三个圆滑块联成一体构成一组配合工作且相邻圆滑块的相位错开180°的多圆滑块，该多圆滑块的每一个圆滑块分别可旋转地装在活塞或动平衡滑块的圆孔中，各圆滑块的偏心的轴孔均套装在曲轴上，各圆滑块的轴孔的偏心距和套装曲轴的曲柄半径均相等。

上述气缸(10、11)可以有两个、呈相互平行的H形布置，上述跑道(14)可以呈圆柱空腔形、位于两气缸之间、与气缸相垂直，上述活塞(15、16)是双作用活塞，上述动平衡滑块(25)呈与跑道相配合的圆柱体形，上述圆孔(22、27)在活塞和动平衡滑块中部，上述曲轴(30)中心线位于气缸中部、与气缸和跑道的中心线相垂直，从而构成H型四缸机。

上述跑道可以是位于上述两平行气缸之间，与该两气缸相垂直的短气缸，该跑道与上述两平行气缸呈H-形布置，上述动平衡滑块是单面工作活塞，上述动平衡滑块上的圆孔在其一端。从而构成H-⊥型五缸机。

上述跑道可以是分别位于两平行气缸各一侧且与上述两平行气缸相垂直的短气缸，该跑道与上述两平行气缸呈H-⊥形布置，上述动平衡滑块是单面工作活塞，从而构成H-⊥型六缸机。

上述两相平行的气缸和其间的跑道可以都是短气缸，且可以呈V形布置，上述活塞和动平衡滑块均是单面工作活塞，其圆孔(59)均在单面工作活塞的一端，上述曲轴(30)中心线位于气缸和跑道的下端。从而构成V型三缸机。

上述各圆滑块(37、38、39)，可以呈扁圆柱形，其外径相等。

上述曲轴(30)的曲柄销(31)，可以被包含在主轴颈(32、33)沿中心线延伸的空间内。使曲柄重叠度为100％。

上述各圆滑块(37、38、39)由轴孔两侧相对称的两个定位销(43、44)固联成一体。

上述装在动平衡滑块中的圆滑块(38)沿轴向的宽度，是装在活塞中的圆滑块(37、39)沿轴向宽度的两倍。

上述圆滑块(37、38、39)有连通轴孔(40)和外圆柱面的油道(47)。在与曲轴的曲柄相邻的圆滑块(37、39)的端面上，有连通轴孔(40)的十字形的油槽(48)。

上述活塞(15、16)和动平衡滑块(25)，有连通圆孔(22 27)和导向面(21、26、60)的油孔(24、29、62)，导向面上有油槽(23、28、61)。

上述曲轴(30)，是只有一根曲柄销的单拐式曲轴，各圆滑块均套装在曲柄销(31)上。

上述曲轴(30)，有沿曲柄销(31)轴向的油道(35)，有连通该油道和与圆滑块相配合的曲柄销的配合面的油孔(36)。

上述装在活塞中的各圆滑块的质量和重心相同。

上述装在动平衡滑块中的圆滑块(38)的质量，是分别装在两双作用活塞中的两圆滑块(37、39)的质量之和，其重心与该两圆滑块的两轴孔中心对称。

上述动平衡滑块或单面工作活塞结构的动平衡滑块组件的质量，是两个双面活塞或两个单面工作活塞的组件质量之和、其重心在其中轴线上。

上述曲轴端部的飞轮，可以在沿曲柄方向按静平衡去重。

上述曲轴输出端的皮带轮，可以在沿上述飞轮去重的反方向按静平衡配重。

本发明的运动原理如图2所示。设曲柄销中心的旋转半径即曲柄半径为e，各圆滑块固联成一体，各圆滑块的轴孔重合并套装在同一根曲柄销上，各轴孔的偏心距均为e，相邻圆滑块的相位差为180°。在此，称活塞中的圆滑块为工作圆滑块，动平衡滑块中的圆滑块为平衡圆滑块。发动机工作时，在气缸中，活塞及工作圆滑块沿X轴作往复运动；在跑道中，动平衡滑块及平衡圆滑块沿Y轴作往复运动，X轴垂直于Y轴。图中M1、M2、M3为曲柄销中心位移点，A1、A2、A3为工作圆滑块中心位移点，B1、B2、B3为平衡圆滑块中心位移点。当曲轴连同曲柄以ω角速度旋转时，工作圆滑块和平衡圆滑块以-ω角速度反向旋转，此时，活塞及工作圆滑块和动平衡滑块及平衡圆滑块均按余弦、正弦规律运动。运动时间为t。当ωt=0时，曲柄销、工作圆滑块、平衡圆滑块中心的位置分别在M1、A1、B1点，如双点划线所示。当曲柄销旋转ωt角时，上述三件中心的位置在M2、A2、B2点，如点划线所示。当曲柄销旋转到ωt=90°时，上述三件中心的位置在M3、A3、B3，如实线所示。

活塞的运动规律为：

    位移：Sx=2e(1-Cosωt)

    速度：Vx=2eωSinωt

    加速度：αx=2eω²Cosωt

动平衡滑块的运动规律为：

    位移：Sy=2e(1-Sinωt)

    速度：Vy=-2eωCosωt

    加速度：αy=2eω²Sinωt

活塞、动平衡滑块的合成运动规律为：

加速度： $\mathrm{\α}=\sqrt{{\mathrm{\α}}^{2}x+{\mathrm{\α}}^{2}y}=2e{\mathrm{\ω}}^2$

方向： $\frac{\mathrm{\αx}}{\mathrm{\αy}}=\mathrm{tg\ωt}---\mathrm{\ωt}=\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\mathrm{\αx}}{\mathrm{\αy}}$

因为其曲柄转角θ=ωt，故加速度方向为由主轴中心指向曲柄销中心，即活塞和动平衡滑块的合成加速度为离心加速度，运动合力为离心力。

据此，可将曲柄多圆滑块机构的所有各种惯性力均转化为集中在曲柄销上的离心力，因此，只需在主轴两端的飞轮上去重、皮带轮上配重使机构达静平衡，而不需增加任何特殊装置，即可使机构达到理论上的动、静完全平衡。

本发明与通常内燃机的运行方式相同。

本发明的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机与已有技术相比，具有如下显著的优点和明显的效果。

一、本发明的曲柄多圆滑块机构的运动合成加速度为通过曲轴中心和曲柄销中心的离心加速度，可达到理想的动平衡，其动平衡性优良。

二、本发明采用多个圆滑块连成一体取代曲柄连杆机构的各连杆，构成曲柄多圆滑块机构，使作相互垂直运动的活塞与动平衡滑块或活塞式的动平衡滑块的运动相互制约，实现作功运动，从而无需添加任何装置，如曲柄单圆滑块机构的齿轮传动副、减少了运动构件，结构简巧，使用更加可靠。

三、本发明采用曲柄圆滑块机构取代曲柄连杆机构。若设曲柄半径和圆滑块轴孔偏心距相等为e，连杆长亦为e，则本发明活塞的行程为4e，而曲柄连杆机构的活塞行程仅为2e。即活塞行程相同的内燃机，本发明的体积小、重量轻，可为已有同型内燃机的30～50％。

四、本发明的曲柄多圆滑块机构构成的多缸内燃机，采用单拐式曲轴，而无需采用多拐式结构，其结构更加简单。特别是当曲柄半径等于圆滑块轴孔偏心距，且曲柄销被包含在曲轴主轴颈的延伸空间中时，可去除曲轴箱结构，使结构简化、机体体积缩小、重量减轻，并能保证曲轴的刚度和强度。

五、本发明可采用调整运动件如圆滑块、活塞、动平衡滑块及其组配件的质量和重心，以及曲轴及其两端的飞轮和皮带轮的质量分布和重心，获得极理想的动平衡和静平衡，而无需采用特殊结构和装置而求得平衡，相应简化了结构、缩小了体积、减轻了重量。

六、本发明的主要运动件，如圆滑块、活塞、动平衡滑块、曲轴等由圆柱面和平面构成，其加工工艺性好，材料用量少、制造工期短，仅为已有同型机的50～60％。且使用已有同型机的通用零部件达70％以上，其继承性强。

七、本发明的运动件都设计有润滑油道、油孔、油槽，采用液体压力润滑，其寿命长，使用可靠性高。

八、本发明的上述结构特点，使其机械效率高、热效率高、排污少、节能显著，经试验检测，其机械效率达96％以上，燃料油耗降低6～16％。

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多圆滑块往复活塞式内燃机的结构示意图。显示为H形四缸机。

图2是图1的工作圆滑块、平衡圆滑块、曲柄销的运动示意图。

图3是图1的缸体的结构示意图。

图4是图3的俯视结构示意图。

图5是本发明的一种曲柄多圆滑块往复活塞式V形三缸内燃机缸体的结构示意图。

图6是图5的俯视结构示意图。

图7是图1中双作用活塞的结构示意图。

图8是图7的俯视结构示意图。

图9是图5中单面工作活塞，也是本发明活塞式结构的动平衡滑块的结构示意图。

图10是图9的俯视结构示意图。

图11是图1中动平衡滑块的结构示意图。

图12是图11的俯视结构示意图。

图13是图12的右视结构示意图。

图14是图1、图5的活塞中的圆滑块(即工作圆滑块)的结构示意图。

图15是图14的左视结构示意图。

图16是图1的动平衡滑块中的圆滑块(即平衡圆滑块)、和图5的活塞式结构的动平衡滑块中的圆滑块的结构示意图。

图17是图16的左视结构示意图。

图18是图1、图5中三个圆滑块连成一体的结构示意图。

图19是图18的左视结构示意图。

图20是图1、图5中曲轴的结构示意图。

实施例1：

本发明的一种曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，如附图1、3、4、7、8、11～20所示，为H型四缸机，有含类似通常缸体1的曲柄多圆滑块机构，有通常结构的含进气管及化油器2、凸轮轴3等的燃料供给系和配气机构，含分电器4及其传动链轮5、发电机6等的点火系和电系、含机油泵7等的润滑系，含水泵8等的冷却系，含起动机9等的起动装置。

上述曲轴多圆滑块机构，由气缸、缸盖、跑道、活塞、动平衡滑块、曲轴、圆滑块、飞轮、皮带轮等构成。

上述气缸10、11是缸体1中在水平方向呈相互平行的两个直圆柱形空腔，在空腔中部有垂直贯穿两气缸壁的主轴承孔的轴承座孔12。气缸中可以有通常的缸套。气缸两端有与缸体相联的通常结构的缸盖13。

上述跑道14，是缸体1中位于上述两平行气缸之间、且与该两平行气缸相垂直的直圆柱形空腔，该空腔的直径可以与气缸相等。该空腔的横截面外形也可以呈两两对边分别为弧线和直线的四边形。

上述活塞15和16，如图7、8，为通常结构的双面工作的双作用活塞，活塞两端的冠部17、18有安装活塞环的活塞环槽19。活塞中段为导向部20，呈类似扁长方体形，有两个与上述气缸相配合的弧形柱面的导向面21，在导向部中心有圆孔22，在两对称的导向面上沿轴向开制有四条油槽23，在圆孔与油槽之间开制有四个油孔24。活塞15和16分别装设在气缸10和11中，构成四气缸结构。

上述动平衡滑块25，如图11～13，呈类似扁长方体，有两个与上述跑道的内圆柱面相配合的弧形柱面的导向面26，动平衡滑块的中心部有圆孔27，在两对称的导向面上沿轴向开制有四条油槽28，在圆孔与油槽之间开制有四个油孔29。动平衡滑块装设在上述跑道14中。该动平衡滑块的质量等于上述两活塞15、16质量之和，其重心在中轴线上。

上述曲轴30，如图20，呈单拐式结构，曲柄销31的一端与曲轴一端的主轴颈32成一体结构，曲轴另一端的主轴颈33套装在曲柄销31的另一端头上，并用通常的联接件34固联成一体，且曲柄销31全部包含在两主轴颈32和33之间的延伸空间内，即曲柄的重叠度为100％。在曲柄销31中有沿中心线的油道35，该油道有通向主轴颈32表面、曲柄销31的圆滑块配合面的五个油孔36。曲轴31用轴承安装在缸体的主轴承座孔12中。

上述圆滑块37、38、39共三个，圆滑块37和39，如图14、15，分别与活塞15和16的圆孔22相配合，称为工作圆滑块，圆滑块38，如图16、17，与动平衡滑块25的圆孔27相配合，称为平衡圆滑块。三个圆滑块均呈外径相等的扁圆柱体，圆滑块37与39的厚度相等，圆滑块38的厚度是圆滑块37和39之和。在三个圆滑块上均开制有偏心距相等且直径也相等的轴孔40。在各自轴孔中分别装有轴瓦45、46。在轴孔水平两侧对称地开制有直径相等的圆柱形的销孔41和42，用两根定位销43和44，将圆滑块37、38、39依次固联成一体，并使圆滑块37与38、38与39之间的相位差180°，牸4相邻圆滑块呈相互倒装状态，并使三个圆滑块的轴孔40完全重合。上述三个圆滑块的轴孔40均有通向外圆柱面的油道47。在圆滑块37和39各自的外侧端面，即靠近曲柄的端面，有与轴孔40相通的十字形的油槽48。上述圆滑块37和39的质量相等，重心相同，圆滑块38的质量为圆滑块37和39质量之和，其重心与圆滑块37、39的轴孔中心对称。组装时，将圆滑块37和39分别装入活塞15和16的圆孔22中，将圆滑块38装入动平衡滑块25的圆孔27中，并将曲轴的曲柄销31插入联成一体的三个圆滑块重合的轴孔40中，从而将圆滑块全部套装在曲柄销31上。内燃机运行时气缸中作往复运动的活塞推动曲轴旋转、曲轴推动动平衡滑块在跑道中作往复运动。本实施例，能使运动中所有的往复惯性力和离心力，全部转化为集中在曲柄销上的旋转离心力，获得优良的动平衡。

上述曲轴30的两端，分别装有通常结构的飞轮49和皮带轮50。上述飞轮49，在沿曲轴中心和曲柄销中心方向，取去适当重量，上述皮带轮50，在飞轮去重的反方向配以适当的配重，使曲柄圆滑块机构获得静平衡。

本实施例的运行方法与通常内燃机相同。

本实施例制成ZB-475F柴油机，其缸径D=75mm，活塞行程S=70mm，功率Ne=25ps/2400rpm，最低油耗ge=192g/ps.h，净重65kg。与已有同型机相比，体积缩小55％，重量减轻48％，油耗降低6％。

本实施例制成ZB-480汽油机，D=80mm,S=60mm,Ne=32kw/4000rpm,ge=262g/kw.h。与同型机相比，体积缩小60％，重量减轻50％，油耗率降低10％。

本实施例制成ZB-480Q汽油机，D=80mm,S=60mm,Ne=36kw/4400rpm,ge=25g/kw.h。与同型机相比，体积缩小60％，重量减轻50％，油耗降低11％。

实施例2

本发明的另一种曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，如图5、6、9、10、14～20所示。为V型三缸机。牨>实施例的基本结构和运行方法与实施例1基本相同。其特点在于缸体51，如图5、6，呈V型结构。气缸52、53为短型气缸，且相互平行。在两气缸之间有与气缸相垂直的跑道54，该跑道呈短气缸结构，与上述两气缸的结构和尺寸相同。在气缸和跑道的交叉部的缸体的两端有安装曲轴的轴承座55。与跑道54相配合的动平衡滑块呈活塞式结构，和与气缸52、53相配合的活塞均是其形状和尺寸均相同的单面工作活塞，如图9和图10所示，由圆柱形的冠部56和类似长方体形的导向部57构成。冠部56上有安装活塞环的活塞环槽58，导向部57有安装圆滑块的圆孔59、和弧柱面形的导向面60，导向面上有沿轴向开制的油槽61，有自圆孔通向导向面的油孔62。本实施例的三个圆滑块的结构和组装结构及其他结构，与实施例1相同。

本发明在实施例1的基础上，将跑道制成气缸结构，动平衡滑块制成单面工作活塞结构，即可获得H-型五缸机。在此五缸机基础上，在两平行气缸的任一侧增加与上述跑道相平行的气缸及气缸中的单面工作活塞、活塞中的圆滑块、该圆滑块也套装在单拐曲轴的曲柄销上，构成H-型六缸机，该机共有四个圆滑块。采用上述构成方法，可构成有多个圆滑块的任意气缸数的多缸机。

本发明在实施例2的基础上，采用上述构成方法，也可构成有多个圆滑块的任意气缸数的V型多缸机。

上述实施例的内燃机结构，仅仅是本发明的部份实例。

Claims (9)

1、曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，包含有缸体、缸盖、气缸、活塞、轴孔的偏心距与曲轴的曲柄半径相等的圆滑块、曲轴、飞轮的曲柄圆滑块机构，燃料供给系，润滑系，冷却系，其特征在于上述缸体中有滑道式的跑道，该跑道中有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，至少三个圆滑块联成一体构成一组配合工作且相邻圆滑块的相位错开180°的多圆滑块，该多圆滑块的每一个圆滑块分别可旋转地装在活塞或动平衡滑块的圆孔中，各圆滑块的偏心的轴孔均套装在曲轴上，各圆滑块的轴孔的偏心距和套装曲轴的曲柄半径均相等。

2、如权利要求1所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的气缸(10、11)有两个、呈相互平行的H形布置，所说的跑道(14)呈圆柱空腔形、位于两气缸之间、与气缸相垂直，所说的活塞(15、16)是双作用活塞，所说的动平衡滑块(25)呈与跑道相配合的圆柱体形，所说的圆孔(22、27)在活塞和动平衡滑块中部，所说的曲轴(30)中心线位于气缸中部、与气缸和跑道的中心线相垂直。

3、如权利要求1所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于为五缸机，所说的气缸有两个、呈相互平行，所说的跑道是位于上述两气缸之间、与该两气缸相垂直的短气缸、该气缸和跑道呈H-形布置，所说的活塞是双作用活塞，所说的平衡滑块是单面工作活塞，所说的圆孔在双作用活塞的中部、和单面工作活塞的一端，所说的曲轴中心线位于气缸中部、与气缸和跑道的中心线相垂直。

4、如权利要求1所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于为六缸机，所说的气缸有两个、呈相互平行，所说的跑道是分别位于该两平行气缸各一侧且与该两平行气缸相垂直的短气缸，上述气缸和跑道呈H-⊥形布置，所说的活塞是双作用活塞、所说的动平衡滑块，是单面工作活塞，所说的圆孔在活塞的中部和动平衡滑块的一端，所说的曲轴中心线位于两平行气缸中部、与气缸和跑道中心线相垂直。

5、如权利要求1所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的气缸是两个相互平行的短气缸(52、53)，所说的跑道(54)是位于上述两气缸之间、与该两气缸相垂直的短气缸，上述气缸和跑道呈V形布置，所说的活塞和动平衡滑块均是单面工作活塞，所说的圆孔(59)在单面活塞的一端，所说的曲轴中心线位于气缸和跑道的下端、与气缸和跑道相垂直。

6、如权利要求1、2、3、4或5所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的各圆滑块(37、38、39)呈扁圆柱形，其外径相等。

7、如权利要求6所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的曲轴(30)的曲柄销(31)被包含在主轴颈(32、33)沿中心线延伸的空间内。

8、如权利要求6所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说装在动平衡滑块中的圆滑块(38)沿轴向的宽度是装在活塞中的圆滑块(37、39)沿轴向宽度的两倍。

9、如权利要求6所述的曲柄多圆滑块往复活塞式内燃机，其特征在于所说的曲柄(30)为单拐式曲轴，各圆滑块在同一根曲柄销上。

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