CN107965434B - 一种压缩膨胀机的驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩膨胀机的驱动机构，涉及压缩膨胀机领域，包括飞轮凸轮部分和活塞组件，所述飞轮凸轮部分包括飞轮和凸轮，所述凸轮安装在所述飞轮边缘的一小段开槽内，所述活塞组件部分包括滚子、滚子支撑件、T型滑轨、导向活塞、导向滚子、中活塞和燃烧腔活塞、弹性器件，所述滚子支撑件用于安装所述滚子，并使所述滚子能在所述T型滑轨平移，所述T型滑轨安装于所述导向活塞上，所述导向活塞、所述中活塞、所述燃烧腔活塞固联在一起，所述导向活塞和所述中活塞为中空筒状结构，所述中活塞内部安装弹性器件，用于保证所述滚子始终与所述凸轮表面接触。本发明解决了活塞运动规律控制相对复杂、试验工况范围小、成本高的问题。

Description

一种压缩膨胀机的驱动机构

技术领域

本发明涉及压缩膨胀机领域，尤其涉及压缩膨胀机的驱动机构。

背景技术

近年来，快速压缩膨胀机作为往复活塞式发动机的一种试验研究设备，因其在开展缸内光学诊断、燃烧和排放分析等方面具有独特的优势而备受关注。该设备既具有定容燃烧弹便于布置光学窗口和控制初始条件、边界条件的优点，又同时具备了光学发动机较为真实地复现实际发动机压缩和膨胀过程的优点，研究范围从研究燃料的低温自燃特性、滞燃期等，到爆震现象、排放物生成机理等方面均有覆盖。

快速压缩膨胀机与一般单缸内燃机的活塞-气缸结构相似，但在驱动和控制活塞运动的实现方式上则完全不同。为了驱动活塞和控制运动时间，快速压缩膨胀机一般利用液压或气压机构作为驱动控制的动力源。东京工业大学采用液压伺服系统控制活塞运动规律，具体是通过液压伺服阀控制液压活塞两侧的液压油压力差来控制运动规律。采用气动或者液压系统驱动的不足之处在于控制系统复杂，液压伺服阀这类执行器的响应速度限制了设备的运行工况和使用范围。与液压伺服系统类似，加拿大卡尔加里大学的快速压缩膨胀机驱动腔中的前后腔内各充入不同压力的压缩空气，通过控制该压差来实现对活塞组件的驱动和运动规律控制。

但现阶段，尽管各个研究研究机构对于快速压缩膨胀机的设计开发多基于气压或者液压机构实现，但还不能较好地控制活塞的运动规律，一方面是大多数研究关注的是压缩终了的气体压力、温度等热力状态，该状态得以保证即可，对如何到达该状态的活塞运动规律没有过多关注；另一方面，此类气压和液压结构的设计方案较为成熟，若不采用伺服阀系统精确控制活塞运动，该方案的设计难度较低，成本也较为低廉。若采用伺服阀系统控制运动规律又需要对设备本身的液压控制参数反复调整，调试工作量较大，也就可能导致设备的运行一致性不佳，试验结果也因此不易保证良好的重复性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种压缩膨胀机的驱动机构，活塞运动规律控制简单、试验工况范围大、成本低。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有技术的活塞运动规律控制相对复杂、试验工况范围较小、成本较高。

为实现上述目的，本发明提供了一种压缩膨胀机的驱动机构，采用凸轮驱动活塞和滚子单元偏移两种方式结合的新型驱动机构。采用凸轮驱动活塞的方式可通过设计凸轮型线实现对活塞运动规律的控制，而凸轮型线的设计依据指定的活塞运动规律，实际发动机中的曲柄连杆机构形成的活塞运动规律即可作为一种活塞运动规律。实现指定的活塞运动规律的前提是需要保持凸轮旋转速度恒定，凸轮转速出现波动将会使活塞运动偏离预定规律，这要求凸轮转速在活塞承受变载荷甚至是突变载荷的情况下仍可以较为稳定。飞轮的作用是稳定凸轮的转速，保证活塞运动规律尽可能与指定的运动规律相符合。本发明主要包括“飞轮-凸轮系统”和“活塞-气缸系统”两部分，飞轮-凸轮系统中的凸轮用于驱动活塞-气缸系统中的活塞组件往复运动，并通过特定的机构和执行器实现凸轮仅驱动活塞往复运动一次。

本发明提供了一种压缩膨胀机的驱动机构，包括飞轮凸轮部分和活塞组件部分。飞轮凸轮部分中的飞轮在其边缘的一小段上开槽，用于安装一种具有特定型线的凸轮，凸轮型线基于滚子从动件的运动规律反推得出，前提是凸轮基圆(即飞轮)的旋转速度恒定，而滚子从动件部分(即活塞组件部分)的运动规律参考发动机的活塞运动规律设计。凸轮用于驱动活塞组件部分，活塞组件部分作为凸轮机构的从动件部分，主要包括滚子、滚子支撑件、T型滑轨、导向活塞、中活塞和燃烧腔活塞、弹性器件(如压缩式弹簧)等。

滚子是与凸轮直接接触的部分，滚子支撑件用于安装滚子，并使滚子能在T型滑轨上平移，滚子支撑部件中有定位波珠，用于将平移后的滚子支撑件保持在该位置，同时在该位置上与滚子支撑件配合的导向活塞表面有相应的凹坑与定位波珠配合，以实现位置保持。T型滑轨安装于导向活塞上，导向活塞、中活塞、燃烧腔活塞固联在一起，导向活塞和中活塞为中空筒状结构，内部安装有弹性器件，该弹性器件用于保证滚子始终与凸轮表面接触，避免滚子在飞轮转速较高时发生与凸轮飞脱的情况。

进一步地，滚子支撑件的运动依靠一种推杆执行器完成，该推杆执行器由控制器给出动作指令。飞轮轴上安装旋转编码器，用于检测飞轮转速和转动位置，当检测飞轮在某一特定转速和特定位置时，控制器给推杆执行器指令，用于驱动滚子平移，实现凸轮驱动或者不驱动导向活塞这两种状态的切换。

进一步地，飞轮由电动机作为动力源驱动，通过适当的减速器和传动方式传递驱动力至飞轮，使其达到实验要求的某一特定转速。

进一步地，导向活塞由四个滚子轴承作为支撑，实现导向作用并降低导向活塞往复运动过程中的摩擦力和材料磨损。中活塞内部除了容纳弹性器件之外，同时用于放置45°反射镜，结构和布置类似光学单缸发动机。

进一步地，弹性器件用于防止高速时滚子和凸轮分离，可以选择压缩式弹簧、某些可起到类似弹簧作用的液压或气压阻尼器。

本发明将光学发动机的气缸活塞结构和凸轮驱动活塞的机构相结合，形成了凸轮驱动活塞、飞轮稳定凸轮转速、滚子从动件平移切换凸轮工作状态的三点主要特征，并进一步通过弹簧来防止活塞组件和凸轮之间发生分离的情况，以扩大该设备的运行工况范围。解决了现有技术的活塞运动规律控制相对复杂、试验工况范围较小、成本较高等问题。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的总体图示图；

图2是本发明的一个较佳实施例的活塞组件内部布置剖视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的凸轮和滚子对齐状态俯视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的凸轮和滚子错开状态俯视图；

其中，1-凸轮；2-飞轮；3-螺杆；4-连接平台；5-下缸体；6-缸体；7-缸盖；8-飞轮轴；9-轴承座；10-电动机；11-皮带轮；12-滚子；13-滚子支撑件；14-T型滑轨；15-导向滚子；16-导向活塞；17-压缩式弹簧；18-弹簧支撑板；19-45°反射镜；20-中活塞；21-燃烧腔活塞；22-推杆执行器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图2所示，本实施例包括飞轮凸轮部分和活塞组件部分，飞轮凸轮部分中的飞轮2在其边缘的一小段上开槽，用于安装一种具有特定型线的凸轮1，凸轮1用于驱动活塞组件部分，活塞组件部分作为凸轮机构的从动件部分，包括导向活塞16、中活塞20、燃烧腔活塞21，导向活塞16上安装有用于滚子12平移的T型滑轨14、导向滚子15和滚子支撑件13，中活塞20容纳有压缩式弹簧17和45°反射镜19。

如图3和图4所示，滚子12平移所需驱动力来自于推杆执行器22，该推杆执行器22在飞轮2达到目标转速(即等效发动机转速达到目标值)，并且凸轮1距离到达导向活塞16位置还有360°-凸轮角度时，执行推动滚子12动作，在凸轮1与滚子12接触结束后，执行拉回滚子12动作，使凸轮1在驱动滚子12和不驱动滚子12两种状态下切换。

飞轮2由电动机作为动力源驱动，通过皮带传动方式传递驱动力至飞轮2，使其达到试验要求的某一特定转速，即0-200r/min之间的任意值，取决于所需的等效发动机转速。飞轮2转速和转角位置信息通过旋转编码器获得。

本实施例的工作过程如下：

1.设备运行前，向缸盖7、缸体6、燃烧腔活塞21所构成的燃烧腔中充入待研究的气体，通常为不同比例的可燃气体、氧气以及惰性气体的混合气；

2.启动电动机10，驱动飞轮2加速至某一设定转速，即0-200r/min之间的任意值，取决于所需的等效发动机转速，启动和加速过程中凸轮1和滚子12始终处于错开状态，因此凸轮并未驱动活塞组件往复运动；

3.当与滚子12处于错开状态的凸轮1刚经过滚子12之后，与飞轮轴8相接的旋转编码器检测到这一位置时，控制器向推杆执行器22发出指令，推杆执行器22推动滚子支撑件13发生移动，进而使滚子12和凸轮1处于对齐状态，这样，当下一次凸轮1再次经过滚子12时，两者构成滚子从动凸轮系统；

4.滚子12在凸轮1驱动下往复运动，进而带动与滚子12相连接的活塞组件一起一次往复运动，对于活塞-气缸系统而言，即完成了一次压缩和膨胀过程。

5.在凸轮1驱动滚子12完成一次活塞的压缩膨胀后，凸轮1离开滚子12，滚子12在推杆执行器22的作用下被拉回，凸轮1和滚子12再次处于错开状态，试验结束。

在上述过程中，推杆执行器22在完成一次推或拉的动作均在飞轮旋转一转的时间内完成。在凸轮1驱动滚子12的过程中，位于导向活塞16内的圆柱压缩弹簧17处于被压缩状态，保证活塞组件中的滚子12始终保持与凸轮1接触。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，包括飞轮凸轮部分和活塞组件，所述飞轮凸轮部分包括飞轮和凸轮，所述凸轮安装在所述飞轮边缘的一小段上开槽内，所述活塞组件部分包括滚子、滚子支撑件、T型滑轨、导向活塞、导向滚子、中活塞、燃烧腔活塞和弹性器件，所述滚子支撑件用于安装所述滚子，并使所述滚子能在所述T型滑轨上平移，滚子支撑件中有定位波珠，用于将平移后的所述滚子支撑件保持位置，同时在该位置上与所述滚子支撑件配合的所述导向活塞表面有相应的凹坑与所述定位波珠配合，实现位置保持，所述T型滑轨安装于所述导向活塞上，所述导向活塞、所述中活塞、所述燃烧腔活塞固联在一起，所述导向活塞和所述中活塞为中空筒状结构，所述中活塞内部安装有弹性器件，所述弹性器件用于保证所述滚子始终与所述凸轮表面接触。

2.如权利要求1所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述中活塞内部放置45°反射镜。

3.如权利要求1或2所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述弹性器件为压缩式弹簧。

4.如权利要求1或2所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述弹性器件为液压阻尼器。

5.如权利要求1或2所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述弹性器件为气压阻尼器。

6.如权利要求1所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述飞轮由动力源驱动。

7.如权利要求6所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述动力源为电动机。

8.如权利要求1所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述滚子支撑件的运动依靠推杆执行器完成，所述推杆执行器驱动所述滚子平移，实现所述凸轮驱动或者不驱动所述导向活塞两种状态的切换。

9.如权利要求8所述的压缩膨胀机的驱动机构，其特征在于，所述推杆执行器由控制器给出动作指令，所述控制器根据所述飞轮的转速和位置信息给所述推杆执行器发出指令，用于驱动所述滚子平移。