CN108223185A - 热气机用曲轴箱以及热气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热气机用曲轴箱及热气机。该热气机用曲轴箱包括曲轴箱本体，于曲轴箱的上侧安装面上开设有缸套孔，以四个缸套孔为一个缸套单元，缸套单元设置有多个；于曲轴箱本体内部设置有曲轴，于曲轴箱本体上开设有用于安装曲轴的曲轴孔；在同一个缸套单元中，四个缸套孔两两为一组分设于中轴面的两侧，且四个缸套孔在安装面上作为顶点构成四边形；所有缸套孔与中轴面成V型结构，且所有缸套孔的轴线均指向曲轴孔的旋转轴线；在同一个缸套单元中，缸套孔轴与曲轴箱中轴面夹角两两不同。本发明提供的热气机用曲轴箱采用新型V型结构设计，实现多缸热气机的传动，这样可以提高热气机工作的稳定性以及可靠性。

Description

热气机用曲轴箱以及热气机

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种热气机用曲轴箱以及一种安装有该热气机用曲轴箱的热气机。

背景技术

热气机又称斯特林发动机，其是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。热气机的工作原理如下：使用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作，在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质，气缸一端为热腔，另一端为冷腔，工质在低温的冷腔中进行压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧也不进行更换。

在现有技术中，典型的热气机结构如下：包括有曲轴箱、传动系统、润滑系统以及热气机机身。传统系统由曲轴以及与曲轴动力连接的传动轴组成，热气机机身包括有动力活塞，动力活塞通过连杆与曲轴实现动力连接，热气机通过动力活塞以及连杆将动力传递到曲轴上，然后再通过传动轴实现动力输出。润滑系统用于实现润滑油的循环流动，从而对运动机械部件进行润滑。曲轴箱用于实现传动系统、润滑系统以及热气机机身的组装，在其内部安装曲轴以及连杆，在使用状态下，曲轴箱的上部安装热气机机身，曲轴箱的下部安装润滑系统。

曲轴箱作为热气机的主要受力结构件，其结构强度的特性决定了热气机整机的强度、刚性以及振动特性。

请参考图1至图3，其中，图1为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的轴测图；图2为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的仰视图；图3为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的局部剖视图。

传统曲轴箱采用U型传动，曲轴箱1'的上部平面为机身安装面2'，在机身安装面2'上开设有八个缸套孔3'，通过缸套孔3'将缸套安装到曲轴箱1'上，通过缸套安装热气机机身。缸套孔3'竖直平行布置，四个缸套孔为一个单元，在一个单元中四个缸套孔呈方形分布，在一个机身安装面上设置有两个单元。

在此需要进行说明：U型传动是三轴传动轴系，U型传动由一根输出轴和两根曲轴组成。对应U型传动的三根轴，曲轴箱内部设置有三个轴孔，分别是输出轴位置孔4'和曲轴位置孔5'，三个轴孔呈对称三角形分布。左、右曲轴各自通过六档轴承座和轴承盖支承固定，输出轴通过输出轴孔以插装方式安装在曲轴箱上。在曲轴箱的自由端铸造成型有向外突出的罩盖，在罩盖内设置机油泵以及工质压缩机传动机构，罩盖外部设置机油滤器和工质压缩机。在曲轴箱内部设置有机油流道，利用机油流道为主轴瓦和缸套提供润滑油。

现有的曲轴箱虽然符合热气机设计要求，但其整体结构不对称，增加了热气机运行的振动以及噪声。并且，曲轴箱的局部设计较为复杂，特别是自由端独特的罩盖部分，极大地增加了铸造难度。另外，输出轴采用插装方式安装到曲轴箱内，这样增加了输出轴的安装难度。

综上所述，如何对曲轴箱进行结构改进，从而简化曲轴箱结构、提高热气机运行稳定性，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高热气机运行稳定性的曲轴箱。

本发明提供的技术方案如下：

一种热气机用曲轴箱，包括有曲轴箱本体，所述曲轴箱本体的上侧面为安装面，于所述安装面上开设有缸套孔，以四个所述缸套孔为一个缸套单元，所述缸套单元设置有多个，全部的所述缸套单元沿直线排列设置；

于所述曲轴箱本体内部设置有曲轴，于所述曲轴箱本体上开设有用于安装所述曲轴的曲轴孔；

所述曲轴孔的旋转轴线所在的竖直面为曲轴箱的中轴面；

在同一个所述缸套单元中，四个所述缸套孔两两为一组分设于所述中轴面的两侧，且四个所述缸套孔在所述安装面上作为顶点构成四边形；

所有缸套孔与所述中轴面成V型结构，且所有所述缸套孔的轴线均指向所述曲轴孔的旋转轴线；

在同一个所述缸套单元中，缸套孔轴与曲轴箱中轴面夹角两两不同。

优选地，沿所述缸套单元的排列方向上，同一个所述缸套单元具有的四个所述缸套孔错位设置；

优选地，在同一个所述缸套单元中，对角线位置上的两个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角相同；

优选地，在同一个所述缸套单元中，四个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角均不同。

优选地，所述安装面由两个倾斜设置的安装单面构成，两个所述安装单面的倾斜角度相同，两个所述安装单面成人字形设置；

同一个所述缸套单元中，具有的四个所述缸套孔两两分设于两个所述安装单面上。

优选地，多个所述缸套单元沿所述人字形的尖端所在的第一直线排列；

在每个所述缸套单元中，同一所述安装单面上的两个缸套孔沿第二直线排列；

所述第一直线与所述第二直线成夹角。

优选地，所述缸套单元的数目为两个。

优选地，于所述曲轴的两侧各设置有一个平衡轴，于所述曲轴箱本体上开设有平衡轴孔，所述平衡轴的轴线与所述曲轴的轴线位于同一平面内，两个所述平衡轴对称分设于所述曲轴的两侧。

优选地，所述曲轴通过曲轴轴承座可转动地设置于所述曲轴箱本体上；

所述平衡轴通过平衡轴轴承座可转动地设置于所述曲轴箱本体上；

所述曲轴轴承座以及所述平衡轴轴承座通过轴承盖固定设置于所述曲轴箱本体上，所述轴承盖为一体式结构。

优选地，于所述曲轴箱本体的下侧面开设有安装槽，所述轴承盖卡装于所述安装槽内、并通过拉杆螺栓相对于所述曲轴箱本体固定；

优选地，所述轴承盖与所述曲轴箱本体拂配连接。

优选地，于所述曲轴箱本体的一端设置有自由端罩盖，所述自由端罩盖为一体式结构，所述自由端罩盖通过螺栓可拆卸地设置于所述曲轴箱本体上。

本发明还提供了一种热气机，包括有曲轴箱以及热气机机身，其中，曲轴箱为如上述的热气机用曲轴箱；

所述热气机用曲轴箱包括有曲轴箱本体，于所述曲轴箱本体上开设有缸套孔，于所述曲轴箱本体内设置有曲轴；

所述热气机机身设置于所述缸套孔内、并成V字形排列设置，所述热气机机身与所述曲轴动力连接。

通过上述设计，本发明具有如下设计优点。本发明提供的热气机用曲轴箱是热气机的主要结构件之一，其采用新型结构设计，通过对缸套孔布局的重新设计，能够实现八缸热气机的V型传动，通过结构改进，可以提高热气机工作的稳定性以及可靠性，本发明具有结构紧凑、布局合理、整体结构强度较高、工作振动小、铸造工艺难度低等优点。本发明对热气机用曲轴箱上缸套孔的设计方式进行了优化创新，将其设计成为V型布局的方式，这样当本发明应用到热气机上后，热气机就能够实现V型传动。热气机采用V型传动相比U型传动具有功能优势，在U型传动方式中，机械功由左、右曲轴通过一定的传动方式(齿轮、链轮或者皮带传动)传递到输出轴，由输出轴将动力向外输出，在V型传动方式中，曲轴作为输出轴使用，机械功由曲轴直接输出。因此，采用V型传动，热气机的振动与噪音明显下降，这是单体式轴承盖所不具备的功能。缸套孔轴向与曲轴箱中轴面夹角两两不同，从而保证结构紧凑，比U型斯特林发动机缸心距降低，只要是多缸缸套孔轴向与机身中轴向夹角不同的方案均属于本发明的保护范围。并且，采用曲轴直接传动，其传动效率能够得到提高，这样可以提高热气机整机的机械效率。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本申请的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的轴测图；

图2为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的仰视图；

图3为现有技术中一种典型的热气机用曲轴箱的局部剖视图。

图4为本发明一种实施例中热气机用曲轴箱的轴测图；

图5为本发明一种实施例中热气机用曲轴箱的仰视图；

图6为本发明一种实施例中热气机用曲轴箱中各个缸套孔的空间角度示意图；

附图标号说明：

在图1至图3中：1'为曲轴箱、2'为机身安装面、3'为缸套孔、4'为输出轴位置孔、5'为曲轴位置孔；

在图4至图6中：1为曲轴箱本体、2为安装面、3为缸套孔、4为曲轴孔、5为平衡轴孔、6为轴承盖、7为自由端罩盖；C1-C8表示为八缸中按顺序排列的八个缸套孔的中心轴线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

请参考图4至图6，其中，图4为本发明一种八缸热气机用曲轴箱的轴测图；图5为本发明一种八缸热气机用曲轴箱的仰视图；图6为本发明一种八缸热气机用曲轴箱中各个缸套孔的空间角度示意图。

本发明还提供了一种热气机用曲轴箱以及安装有该热气机用曲轴箱的热气机。

在本发明的一个实施方式中，该热气机用曲轴箱包括有曲轴箱本体1，曲轴箱本体1采用铸造工艺一体成型。曲轴箱本体1的上侧面为安装面2，于安装面2上开设有缸套孔3。在本发明中，安装面2由两个倾斜设置的安装单面构成，两个安装单面的倾斜角度相同，两个安装单面成人字形设置。

通过上述结构设计，本发明提供的热气机用曲轴箱是热气机的主要结构件之一，其采用新型的结构设计，通过对缸套孔3布局的重新设计，能够实现多缸热气机的V型传动，通过结构改进，可以提高热气机工作的稳定性以及可靠性，本发明具有结构紧凑、布局合理、整体结构强度较高、工作振动小、铸造工艺难度低等优点。

为了便于本发明的结构描述，参照图4-6，本发明将以四个缸套孔3作为一个缸套单元，缸套单元设置有两个，如图中的左右分布的两个缸套单元。全部的缸套单元沿直线排列设置。于曲轴箱本体内部设置有曲轴，于曲轴箱本体上开设有用于安装曲轴的曲轴孔4；曲轴孔4的旋转轴线所在的竖直面为曲轴箱的中轴面A；在同一个缸套单元中，四个缸套孔两两为一组分设于中轴面A的两侧，且四个缸套孔在安装面上作为顶点构成四边形；所有缸套孔与中轴面成V型结构，且所有缸套孔的轴线均指向曲轴孔的旋转轴线；在同一个缸套单元中，缸套孔轴与曲轴箱中轴面夹角两两不同。在上述结构设计中，安装面2由两个安装单面构成，同一个缸套单元中，四个缸套孔两两为一组分设于中轴面A的两侧。

参照图4，为了结构设计上的简化，对角线位置上的两个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角相同，不同对角线位置上的缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角不同。

当然，为了结构更优化，也可以设计同一个所述缸套单元中，四个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角均不同。

两个缸套单元沿人字形的尖端所在的第一直线排列，如图4和图6所示的安装面顶端的直线为第一直线。参照图4，在左侧缸套单元中，同一所述安装单面上的两个缸套孔沿第二直线排列，右侧缸套单元中，同一所述安装单面上的两个缸套孔沿第二直线排列。所述第一直线与所述第二直线成一夹角。

本发明对热气机用曲轴箱上缸套孔3的设计方式进行了优化创新，将其设计成为V型布局的方式，这样当本发明应用到热气机上后，热气机就能够实现V型传动。热气机采用V型传动相比于传统的U型传动具有功能优势，在传统的U型传动方式中，机械功由左、右曲轴通过一定的传动方式(齿轮、链轮或者皮带传动)传递到输出轴，由输出轴将动力向外输出，其能量传递存在一定损耗，并且噪声较大。在本发明的V型传动方式中，曲轴作为输出轴使用，机械功由曲轴直接输出，因此，采用V型传动，热气机的振动与噪音明显下降，并且，采用曲轴直接传动，其传动效率能够得到提高，这样可以提高热气机整机的机械效率。

具体地，沿缸套单元的排列方向上、同一个缸套单元具有的四个缸套孔3错位设置。

本发明在曲轴箱本体1内部设置有一根曲轴，当热气机机身安装到曲轴箱上，热气机机身内部设置的动力活塞通过连杆与曲轴实现动力连接。

由于本发明为V型传动，为了进一步提高传动的稳定性，本发明于曲轴的两侧各设置有一个平衡轴，于曲轴箱本体1上开设有平衡轴孔5，平衡轴的轴线与曲轴的轴线位于同一平面内，两个平衡轴对称分设于曲轴的两侧。在曲轴箱上设置联动组件，曲轴通过联动组件与平衡轴实现动力连接，这样曲轴就能够带动平衡轴实现联动旋转。

曲轴与平衡轴作为运动(旋转)部件设置在曲轴箱本体1上，为了提高曲轴以及平衡轴运动的稳定性，本发明在曲轴箱本体1上设置了曲轴轴承座以及平衡轴轴承座。曲轴通过曲轴轴承座可转动地设置于曲轴箱本体1上；平衡轴通过平衡轴轴承座可转动地设置于曲轴箱本体1上。

为了对上述两种轴承座进行固定安装，曲轴轴承座以及平衡轴轴承座通过轴承盖6固定设置于曲轴箱本体1上，轴承盖6为一体式结构。

在使用状态下，曲轴箱本体1的上侧面为安装面2、用于安装热气机机身，曲轴箱本体1的下侧面用于安装曲轴、平衡轴以及各类轴承座。具体地，于曲轴箱本体1的下侧面开设有安装槽，轴承盖6卡装于安装槽内、并通过拉杆螺栓相对于曲轴箱本体1固定。

为了提高本发明的结构精度，轴承盖6与曲轴箱本体1拂配连接。

在曲轴箱本体1的外部还设置有多种辅助设备，例如机油泵(用于实现润滑油的循环流通)等，为了对这些辅助设备进行安装，本发明于曲轴箱本体1的一端设置有自由端罩盖7，自由端罩盖7为一体式结构，自由端罩盖7通过螺栓可拆卸地设置于曲轴箱本体1上。

本发明提供了一种新型的采用V型传动结构的热气机用曲轴箱，具体地，曲轴箱本体1的顶面采用人字形斜面结构，曲轴箱本体1的顶面构成用于安装热气机机身的安装面2，在安装面2上设置有缸套孔3，缸套孔3设置有八个，八个缸套孔3按V形采用两列排列，两列排列的八个缸套孔3在空间上交错布置，通过缸套孔3安装热气机机身。

在实际工作过程中，热气机机身内部设置的活塞进行往复运动，活塞动力通过连杆作用到曲轴上，因此所有缸套孔3轴线指向曲轴孔4的旋转轴的轴线方向。

在本发明中，由四个热气机缸套形成一个热气机单元，因此，本发明共设置有两个热气机单元。根据动平衡原理，热气机采用了V型传动系统，V型传动系统由一根曲轴和两根平衡轴组成，曲轴同时作为输出轴使用。上述三个轴呈并排对称布置，曲轴居中、两侧设置平衡轴。在曲轴箱内开设有纵向的三个轴孔用于安装三轴。

曲轴箱为龙门式结构，在曲轴箱上设置有十档轴承，十档轴承通过轴承座设置到曲轴箱上，在轴承上设置有加强横隔板，加强横隔板与轴承座通过铸造一体成型。十档轴承中每档各配置有一个倒挂式轴承盖，这种连体状轴承盖横跨三个轴孔，和U型传动每档两个单体轴承盖分别对左、右曲轴起支撑的方式不同，通过六个专用轴承盖螺钉对曲轴、左、右平衡轴同时起支承固定作用减少了结构件数量，方便安装。关键地，。轴承盖6为一体式结构设计，轴承盖6的两端部与曲轴箱本体1底部的内侧为拂配连接，并通过拉杆螺栓紧固。轴承盖6和横隔板配合能够起到加强筋的作用，使曲轴箱两侧大壁面得到有效的支撑，这样本发明不易发生变形和振动。

在曲轴箱内部设置有机油流道，通过机油流道为主轴瓦和平衡轴轴瓦的润滑和缸套冷却提供机油。为降低曲轴箱的铸造难度以及提高加工的方便程度，在本发明中，曲轴箱把结构较为复杂的自由端罩盖7独立出来，自由端罩盖7单独成件，从而使主体结构简化并对称化。

通过上述结构设计，本发明的创新发明点如下：1、由于曲轴和两根平衡轴采用共面布置，通过连体式的轴承盖6使三轴的安装变成同步安装，即一个轴承盖6依靠六个螺栓同时安装了三根轴，改进了轴系的安装方式，避免了传统技术中隧道式曲轴箱的轴必须从一端插装的方式，这样极大程度地降低了曲轴与平衡轴在曲轴箱上的安装难度；2、轴承盖6的两端与曲轴箱内侧拂配，并通过螺栓紧固，使轴承盖6起到与横隔板相同的加强筋作用，提高了曲轴箱两侧大壁面的刚度，可极大程度地降低热气机运行时的振动与噪声；3、通过将结构较为复杂的自由端罩盖7分离出去的方式，使曲轴箱本体1得到简化并且对称，降低了铸造难度；4、对曲轴箱内部的油道进行了适应性改进，从而符合V型传动的需求；5、V型的曲轴箱中每个缸套安装筒和相邻的横隔板相连，上述结构增强了曲轴箱的强度和刚性；6、缸套孔轴向与曲轴箱中轴面夹角两两不同，从而保证结构紧凑，比U型斯特林发动机缸心距降低；7、本发明可适用于采取类似V型传动的三单元十二缸机及以上缸数热气机。

本发明不仅适用于两单元八缸热气机，也可适用于采取类似V型传动的三单元十二缸机及以上缸数热气机。

如图6所示，本发明中，缸套孔采用非平行布置，同一个单元中设置的四个缸的缸套孔的孔轴与曲轴箱中轴面夹角两两不同，通过该V型结构设计可使热气机缸心距减小，整体结构更加紧凑。图6是缸套孔空间横向分布图，C1～C8表示缸套轴线，θ1和θ2为缸套轴线与中心的夹角，它们大小不等，具体通过优化得到。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热气机用曲轴箱，包括有曲轴箱本体，所述曲轴箱本体的上侧面为安装面，于所述安装面上开设有缸套孔，其特征在于，

以四个所述缸套孔为一个缸套单元，所述缸套单元设置有多个，全部的所述缸套单元沿直线排列设置；

于所述曲轴箱本体内部设置有曲轴，于所述曲轴箱本体上开设有用于安装所述曲轴的曲轴孔；

所述曲轴孔的旋转轴线所在的竖直面为曲轴箱的中轴面；

在同一个所述缸套单元中，四个所述缸套孔两两为一组分设于所述中轴面的两侧，且四个所述缸套孔在所述安装面上作为顶点构成四边形；

所有缸套孔与所述中轴面成V型结构，且所有所述缸套孔的轴线均指向所述曲轴孔的旋转轴线；

在同一个所述缸套单元中，缸套孔轴与曲轴箱中轴面夹角两两不同。

2.根据权利要求1所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

沿所述缸套单元的排列方向上，同一个所述缸套单元具有的四个所述缸套孔错位设置；

和/或，

对角线位置上的两个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角相同；

或，

在同一个所述缸套单元中，四个缸套孔轴与曲轴箱中轴面的夹角均不同。

3.根据权利要求2所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

所述安装面由两个倾斜设置的安装单面构成，两个所述安装单面的倾斜角度相同，两个所述安装单面成人字形设置；

同一个所述缸套单元中，具有的四个所述缸套孔两两分设于两个所述安装单面上。

4.根据权利要求3所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

多个所述缸套单元沿所述人字形的尖端所在的第一直线排列；

在每个所述缸套单元中，同一所述安装单面上的两个缸套孔沿第二直线排列；

所述第一直线与所述第二直线成夹角。

5.根据权利要求4所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

所述缸套单元的数目为两个。

6.根据权利要求1-5任一项所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

于所述曲轴的两侧各设置有一个平衡轴，于所述曲轴箱本体上开设有平衡轴孔，所述平衡轴的轴线与所述曲轴的轴线位于同一平面内，两个所述平衡轴对称分设于所述曲轴的两侧。

7.根据权利要求6所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

所述曲轴通过曲轴轴承座可转动地设置于所述曲轴箱本体上；

所述平衡轴通过平衡轴轴承座可转动地设置于所述曲轴箱本体上；

所述曲轴轴承座以及所述平衡轴轴承座通过轴承盖固定设置于所述曲轴箱本体上，所述轴承盖为一体式结构。

8.根据权利要求7所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

于所述曲轴箱本体的下侧面开设有安装槽，所述轴承盖卡装于所述安装槽内、并通过拉杆螺栓相对于所述曲轴箱本体固定；

和/或，

所述轴承盖与所述曲轴箱本体拂配连接。

9.根据权利要求8所述的热气机用曲轴箱，其特征在于，

于所述曲轴箱本体的一端设置有自由端罩盖，所述自由端罩盖为一体式结构，所述自由端罩盖通过螺栓可拆卸地设置于所述曲轴箱本体上。

10.一种热气机，包括有曲轴箱以及热气机机身，其特征在于，

所述曲轴箱为如权利要求1至9任一项所述的热气机用曲轴箱；

所述热气机用曲轴箱包括有曲轴箱本体，于所述曲轴箱本体上开设有缸套孔，于所述曲轴箱本体内设置有曲轴；

所述热气机机身设置于所述缸套孔内，并成V字形排列设置，所述热气机机身与所述曲轴动力连接。