CN107013326A - 紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，安装于动力系统的机体内部，包括Z形主轴，Z形主轴的两端均设有一个轴承用于使Z形主轴安装于机体上并绕自身轴线旋转；Z形主轴的中部设有两个呈交错设置的斜盘，两个斜盘通过上下两侧的两个推力轴承固定于Z形主轴上；每个斜盘上均设有两个呈对称布置的凸杆，每个凸杆上均通过滑块、直线轴承、套筒与连杆连接，每个连杆均用于对应与机体的一个活塞组件连接；活塞组件推动/拉动连杆上下往复运动时，每个滑块均通过凸杆带动斜盘往复摆动、以驱动Z形主轴旋转运动。本发明具有结构简单紧凑、能适应多种不同动力系统、并能使动力系统功率密度大、气密性好的优点。

Description

紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构

技术领域

本发明主要涉及到发动机功率传输设备领域，特指一种紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构。

背景技术

随着诸如地面无人运载平台，水面无人快艇以及水下无人潜航器等运载平台广泛运用，小型运动平台在海洋探测以及科学研究等方面发挥着越来越重要的作用，但是现有平台的运动速度和机动力性能尚不如人意，究其根本是由于动力系统缺乏高功率密度和高紧凑性的功率传输机构，并且不同动力系统的功率传输机构并不适用。同时，现有传统动力系统由于采用曲柄连杆式功率传输机构，设有曲轴和曲轴箱等，导致其结构复杂，径向尺寸大，气密性不够。综上所述，如何发明一种新型的功率传输机构，使得其适应范围广、功率密度大、结构紧凑、气密性好，已经成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单紧凑、能适应多种不同动力系统、并能使动力系统功率密度大、气密性好的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，安装于动力系统的机体内部，包括Z形主轴，所述Z形主轴的两端均设有一个轴承用于使Z形主轴安装于机体上并绕自身轴线旋转；所述Z形主轴的中部设有两个呈交错设置的斜盘，两个所述斜盘通过上下两侧的两个推力轴承固定于Z形主轴上、用于使两个斜盘绕各自的轴线转动并将斜盘的往复运动转变为Z形主轴的旋转运动；每个所述斜盘上均设有两个呈对称布置的凸杆，每个所述凸杆上均套设有一个滑块，每个所述滑块通过一个直线轴承连接于凸杆上、以用于使滑块绕凸杆相对滑动和转动；每个所述滑块外围均套设有一个套筒，所述滑块的左右两侧均与套筒铰接，每个所述套筒的上下两端均固定有一个竖向设置的连杆，每个所述连杆均用于对应与机体的一个活塞组件连接；活塞组件推动/拉动连杆上下往复运动时，每个滑块均通过凸杆带动斜盘往复摆动、以驱动Z形主轴旋转运动。

作为本发明的进一步改进，每个所述连杆均通过一个以上的直线轴承与机体连接。

作为本发明的进一步改进，每个所述滑块的左右两侧均设有凸出的铰接轴、以用于插入套筒内铰接，每个所述铰接轴上于滑块与套筒之间均设有一个用于限位的蝶形弹簧。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，使得动力系统（发动机）采用对置式结构，每侧机体上分别安装四个气缸，一共八个气缸，那么在Z形主轴转动一周的过程中，总共完成八缸次循环，因而使得这种结构形式的动力系统（发动机）可以取得很高的功率密度，适应范围广。

（2）本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，由于气缸平行于功率传输机构的轴线周向布置，径向尺寸小，相比于传统发动机的曲柄连杆式功率传输机构，该机构取消了曲轴和曲轴箱，所以结构紧凑、体积较小、气密性极佳，适应范围广。

（3）本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，采用凸杆、直线轴承、滑块、套筒和连杆组合进行相互配合的特殊结构形式：一是这种特殊的科学配合形式比传统的球铰结构形式的运动范围更大，使得连杆的运动范围也很大，这进一步可以增大活塞的行程，增大整机的功率，进而进一步增大动力系统（发动机）的功率密度。二是这种特殊的科学配合形式使得连杆的运动是往复直线运动，容易实现动力系统（发动机）的整体密封，并且这种组合比球铰结构的加工装配更加简单。三是由于直线轴承的承载能力大，那么可以实现增大整机的功率或者输出力矩。四是由于连杆是直线运动，则它与机体间也可以采用直线轴承连接，用直线轴承来承担侧向力，大幅度减小气缸与活塞间的摩擦损耗。

附图说明

图1是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的正视结构原理示意图。

图2是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的Z形主轴的正视结构原理示意图。

图3是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的立体结构原理示意图。

图4是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的侧视结构原理示意图。

图5是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在具体应用实施例1中的结构原理示意图1。

图6是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在具体应用实施例1中的结构原理示意图2。

图7是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在具体应用实施例2中的结构原理示意图。

图8是本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在具体应用实施例3中的结构原理示意图。

图例说明：

1、Z形主轴；11、轴承；2、斜盘；21、推力轴承；22、凸杆；23、滑块；231、蝶形弹簧；3、直线轴承；4、套筒；5、连杆；6、气缸；61、增压气缸；62、压缩动力气缸；7、活塞；8、直线发电机部分；81、电机永磁动子；82、感应线圈9、动力缸部分。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

如图1至图8所示，本发明提供一种紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，安装于动力系统的机体内部，包括Z形主轴1，Z形主轴1的两端均设有一个轴承11用于使Z形主轴1安装于机体上并能够绕Z形主轴1自身轴线旋转；Z形主轴1的中部设有两个呈交错设置的斜盘2，两个斜盘2之间通过铜垫片接触使得工作时两个斜盘2均能够实现各自的摆动。两个斜盘2通过上下两侧的两个推力轴承21固定于Z形主轴1上、用于使两个斜盘2绕各自的轴线转动并将斜盘2的往复运动转变为Z形主轴1的旋转运动；每个斜盘2上均设有两个呈对称布置的凸杆22，每个凸杆22上均套设有一个滑块23，每个滑块23通过一个直线轴承3连接于凸杆22上、以用于使滑块23绕凸杆22相对滑动和转动；每个滑块23外围均套设有一个套筒4，滑块23的左右两侧均与套筒4铰接，每个套筒4的上下两端均固定有一个竖向设置的连杆5，每个连杆5均用于对应与机体的一个活塞组件连接；即本功率传输机构一共有四个套筒4、八个连杆5，八个连杆5对应了八个活塞组件，八个活塞组件对应了八个气缸。当八个活塞组件推动/拉动八个连杆5上下往复运动时，每个滑块23均通过凸杆22带动斜盘2往复摆动、以驱动Z形主轴1旋转运动。（需要说明的是，为便于对照理解，图1、图3、图4中的每个凸杆22上未全部显示滑块23、套筒4和连杆5）。具体实施原理如下：

如图1所示，由于本发明的功率传输机构的特殊结构形式，使得其能够对应与八个活塞组件、八个气缸进行做功配合。当八个气缸内的可燃气体点燃以后，压力和温度迅速上升。每个气缸内的活塞组件在燃气爆炸力作用下，会一起推动/拉动八个连杆5上下往复运动。由于两个斜盘2通过两个推力轴承21支撑在Z形主轴1上，仅能围绕斜盘2自身的轴线相对于Z形主轴1转动、而并不能绕着Z形主轴1周向上的位移，那么在Z形主轴1转动过程中，斜盘2轴线将在一个固定的平面内绕着其质心摆动。每个滑块23的内孔通过直线轴承3与斜盘2的凸杆22铰接，可绕斜盘2轴线旋转运动同时沿着斜盘2轴线往复移动。那么在Z形主轴1的旋转过程中，斜盘轴在一个平面上，绕着斜盘2中心往复摆动。在两个斜盘2的约束下，随着活塞组件通过连杆5带动滑块23上下往复运动，进而最终实现了将八个活塞组件的上下往复运动转换成Z形主轴1的旋转运动。当然，如果当Z形主轴1为主动力时，通过上述特殊的结构设计，也即将Z形主轴1的旋转运动转换成八个活塞组件的上下往复运动。Z形主轴1转动一周的过程中，每个活塞组件上下往复运动一次，完成一次做功循环。

通过以上特殊的科学设计，具有如下技术优点：首先，本发明的功率传输机构，使得动力系统（发动机）采用对置式结构，每侧机体上分别安装四个气缸，一共八个气缸（如图5、7、8所示意），那么在Z形主轴1转动一周的过程中，总共完成八缸次循环，因而使得这种结构形式的动力系统（发动机）可以取得很高的功率密度，适应范围广。其次，由于气缸平行于功率传输机构的轴线周向布置，径向尺寸小，相比于传统发动机的曲柄连杆式功率传输机构，该机构取消了曲轴和曲轴箱，所以结构紧凑、体积较小、气密性极佳，适应范围广。再次，本发明的功率传输机构，采用凸杆22、直线轴承3、滑块23、套筒4和连杆5组合进行相互配合的特殊结构形式，也取得如下几点意想不到的技术效果：一是这种特殊的科学配合形式比传统的球铰结构形式的运动范围更大，使得连杆5的运动范围也很大，这进一步可以增大活塞的行程，增大整机的功率，进而进一步增大动力系统（发动机）的功率密度。二是这种特殊的科学配合形式使得连杆5的运动是往复直线运动，容易实现动力系统（发动机）的整体密封，并且这种组合比球铰结构的加工装配更加简单。三是由于直线轴承3的承载能力大，那么可以实现增大整机的功率或者输出力矩。四是由于连杆5是直线运动，则它与机体间也可以采用直线轴承连接，用直线轴承来承担侧向力，大幅度减小气缸与活塞间的摩擦损耗。对于传统发动机，活塞侧向力（与气缸气体压力有关）是限制功率增大的原因。而由于本发明结构的特殊设计，使得活塞侧向力由直线轴承承担，不会限制功率增大。

进一步，在较佳实施例中，每个连杆5均通过一个以上的直线轴承3与机体连接（图中未示出）。正如上述所言，直线轴承3与直线运动的连杆5配合，使得用直线轴承来承担侧向力，大幅度减小气缸与活塞间的摩擦损耗。

如图1、3、4所示：进一步，在较佳实施例中，每个滑块23的左右两侧均设有凸出的铰接轴、以用于插入套筒4内铰接，每个铰接轴上于滑块23与套筒4之间均设有一个用于限位的蝶形弹簧231。一对碟型弹簧231可以更好的实现限制滑块23沿着轴线周向方向上的移动，这进一步提供了斜盘2绕着Z形主轴1周向方向上的约束，进一步保证实现本发明的众多有效技术效果。

以下提供本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的三个不同的具体应用实施例，以进一步体现本发明的结构简单紧凑、能适应多种不同动力系统、并能使动力系统功率密度大、气密性好的众多技术效果和技术优势。三个具体应用实施例分别以高功率密度便携式电源系统、准自由活塞电源系统、斯特林发动机进行示例说明。当然，需要特别说明的是，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构并不限于以上三种实施运用方式。

具体应用实施例一，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在高功率密度便携式热动力电源系统上的运用。

随着便携式移动终端设备性能的逐渐提升，其对于电力的需求越来越大，现有的化学电池系统难以有效满足日益增长的电能需求。热动力电源系统采用化石燃料，具有较高的能量密度和功率密度。但现有的热动力电源系统是在传统内燃机的基础上串接发电机，集成性不好，体积较大。故提出一种基于本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的高功率密度便携式热动力电源系统，可以有效减小系统的体积，实现较高的功率密度。

如图5、6所示：本电源系统，设有八个气缸6，发动机的动力通过Z形主轴1向外输出，Z形主轴1通过联轴器带动发电机发电。工作时，利用化石燃料在气缸6中燃烧推动活塞7做功。本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构的特殊结构形式，可以严格保证连杆5沿着自身轴线做上下往复运动。这种情况下，活塞7将气缸6分为上下两个腔室，有连杆5的一侧为增压气缸61，无连杆5的一侧为动力气缸62，两者之间通过加工在气缸体上的气口连接。当活塞7在动力气缸62内部的爆炸气体作用下向下运动的过程中，活塞7压缩增压气缸61内部的气体。当活塞7向下运动到一定位置的时候，气缸6内部的气口在活塞7的控制作用下打开，经过增压后的气体通过气口进入到动力气缸62，此时与动力气缸62连接的排气口打开，做功以后的废气在自身压力以及增压气体的相继作用下，通过排气口排出。随后，活塞7上行，压缩动力气缸62内的气体，此时增压气缸61内部的气体压力减小。由连杆5控制的增压气缸61进气口打开，由化油器过来的混合燃气进入增压气缸61，为下一个动力循环做准备。由于发动机的动力通过Z形主轴1向外输出，Z形主轴1通过联轴器带动发电机发电，故通过本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，能够实现极佳的将燃料的化学能转化成为电能的技术效果，使的本便携式热动力电源系统的功率密度极高。

具体应用实施例二，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在准自由活塞电源系统上的运用。

如图7所示：准自由活塞电源系统包括本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构、直线发电机部分8以及动力缸部分9。紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构可以严格保持连杆直线运动，确保了直线发电机永磁动子81与感应线圈82之间的始终保持一定的间隙，实现了直线发电机永磁动子81与连杆5集成的设计目标。准自由活塞电源系统动力缸部分9可以采用二冲程内燃机的奥拓循环方式也可以采用外燃机的卡诺循环方式。工作原理如下：

活塞7在动力缸内的高压气体的推动作用下向下运动，带动连杆5运动，直线发电机永磁动子81与连杆5固结，共同在燃气的推动作用下运动，使得感应线圈82切割永磁体，在线发电机永磁动子81内部形成感应电流，通过整流电路向外输出。同时，连杆5推动Z形主轴1转动。准自由活塞电源系统采用了本发明的新型结构形式改变了原有的发动机的功率传输路径，在有效避免功率传输机构摩擦损耗的同时，克服了自由活塞发电机运动规律不确定的缺陷。

准自由活塞电源系统的动力缸部分9可以设计成传统的二冲程内燃机也可以设计成外燃机的形式。当以外燃机的形式工作时，可以利用外部供给的高工况工质作为能量来源。外部工质可以是通过燃料燃烧（如煤、石油等燃烧），化学反应放热（如锂与水等）以及核反应放热（利用重水作为工质）等方式来提供。

具体应用实施例三，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构在斯特林发动机上的运用。

随着深海探测的热潮不断兴起，用于水下探测的潜航器逐渐引起了重视。相对于浮空无人平台，水下无人平台运动阻力较大，同时氧气缺乏、背压较大，因而需要其动力系统具有较高功率密度和能量密度，在有效提高UUV的机动性能的同时也能大大增加续航能力。斯特林发动机采用卡诺循环直接从热源处吸收热量，在工作腔中循环不断将热能转化成机械能。这种发动机采用了闭式循环，对于深海背压影响不敏感，且对于氧气依赖程度较低，十分适于水下无人平台。

随着太阳能发电机技术的逐步完善，基于太阳能的斯特林发动机也受到越来越多的重视。目前采用曲柄连杆机构的往复活塞式斯特林发动机由于功率传输机构的构型以及侧向力的影响，使得发动机的体积较大，高压密封能力受限。斯特林发动机具有很高能量转化效率，但是由于功率传输机构的构形以及由此带来的密封问题的限制，一直难以有效提升其功率密度；因此，迫切需要研制一种做功容积大、密封性能好的新型功率传输机构。而运用本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，则可以很好的解决以上技术问题。

如图8所示：紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构将气缸6平行于Z形主轴1轴线周向布置，体积小，功率密度大，同时这种机构可以实现活塞7和连杆5的直线往复运动，消除了活塞7与气缸套之间的侧向力，有利于润滑和密封，能实现较高的工作循环压力，获得较大的能量密度。其工作原理如下：

活塞7将同一气缸6分为两个腔室，分别为高压腔（热腔）以及低压腔（冷腔）。任意高压腔（热腔）与之相邻的低压腔（冷腔）组成回路，这样两者在体积变化规律上存在180度的相位差。在两者压力差的作用下，活塞7向下移动，推动冷腔中的工质通过冷却器、回热器、加热器进入到热腔，此时，气体的压力升高。活塞7在压力差的作用下，带动连杆5，推动两个斜盘2将活塞7的往复运动转换成Z形主轴1的旋转运动，进而通过联轴器将动力向外输出。

相对于曲柄连杆式功率传输机构，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构可以保证活塞7在无侧向力作用下的直线运动，因而在密封性能上极具优势，同时结构更为紧凑，功率密度更高。相对于传统的斜盘式功率传输机构，本发明的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构由于所有的运动副均为滑动副或是转动副，因而，承载性能更好，可靠性高，使用寿命较长。

以上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。应当指出，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若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，安装于动力系统的机体内部，其特征在于，包括Z形主轴（1），所述Z形主轴（1）的两端均设有一个轴承（11）用于使Z形主轴（1）安装于机体上并绕自身轴线旋转；所述Z形主轴（1）的中部设有两个呈交错设置的斜盘（2），两个所述斜盘（2）通过上下两侧的两个推力轴承（21）固定于Z形主轴（1）上、用于使两个斜盘（2）绕各自的轴线转动并将斜盘（2）的往复运动转变为Z形主轴（1）的旋转运动；每个所述斜盘（2）上均设有两个呈对称布置的凸杆（22），每个所述凸杆（22）上均套设有一个滑块（23），每个所述滑块（23）通过一个直线轴承（3）连接于凸杆（22）上、以用于使滑块（23）绕凸杆（22）相对滑动和转动；每个所述滑块（23）外围均套设有一个套筒（4），所述滑块（23）的左右两侧均与套筒（4）铰接，每个所述套筒（4）的上下两端均固定有一个竖向设置的连杆（5），每个所述连杆（5）均用于对应与机体的一个活塞组件连接；活塞组件推动/拉动连杆（5）上下往复运动时，每个滑块（23）均通过凸杆（22）带动斜盘（2）往复摆动、以驱动Z形主轴（1）旋转运动。

2.根据权利要求1所述的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，其特征在于，每个所述连杆（5）均通过一个以上的直线轴承与机体连接。

3.根据权利要求1所述的紧凑型多适应性交叉斜盘式功率传输机构，其特征在于，每个所述滑块（23）的左右两侧均设有凸出的铰接轴、以用于插入套筒（4）内铰接，每个所述铰接轴上于滑块（23）与套筒（4）之间均设有一个用于限位的蝶形弹簧（231）。