CN1083054C - 三凸角式凸轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种发动机(10)，它具有自由浮动的往复移动式活塞(40)，每一个活塞带有一个凸轮从动件(46)，它支承在一个三凸角式凸轮(20)上。每一个凸轮从动件由导向轴承(50)支承，可在导轨(54)上运动，该导向轴承(50)用于将在凸轮和凸轮从动件之间产生的横向反作用力分量传递给导轨。

Description

三凸角式凸轮发动机

发明领域

本发明涉及一种包括一个三凸角式凸轮的往复活塞式发动机，根据该发动机是用于驱动机模态或压缩机模态的不同，该三凸角式凸轮可将活塞的往复运动转换为回转运动，或相反。

发明背景

在下列专利中公布了往复活塞式三凸角式凸轮发动机：

美国专利：                     793270               1810688              4697552

                               1765237              1825417              4727749

                               1792062              2124604              5035221

                                                                         5281104

法国专利：                     2037132

在每一个上述专利中都设置有一对在直径方向上相对配置的活塞，该一对活塞利用一根不能伸展的连杆，按推-拉关系连接在一起。每一个活塞有一个凸轮从动件。该连杆用于在凸轮转动的所有位置上保持该凸轮从动件与凸轮的接触。用这种方式将活塞连接在一起要求三凸角式凸轮的形状必须做成使其在直径方向上相对的各部分之间的尺寸基本上恒定不变。一般来说，作成这种形状包括将凸轮的凸角修平，和在相邻各对凸角之间形成一个凹面。这些发动机，当作为外部内燃机工作时，其不能自动起动的角度区间较大。

在美国专利1203855中，公布了一种三凸角式凸轮发动机，其特征是，各个活塞不连接在一起，因而活塞是自由浮动的。这个发动机的凸轮形状做成不对称的，因此，该发动机只适合在一个方向工作。另外，凸轮从动件和凸轮之间的相互作用会产生巨大的反作用力，该反作用力推动活塞与它在其中作往复运动的气缸壁接触，促使磨损加快。

美国专利US3,648,528描述了一种旋转凸轮式活塞发动机，其中，在凸轮从动件的旋转轴线上方的活塞杆之上安装有一对辊子，该辊子则贴合着固定导轨。虽然这种设置会减小传递到活塞上的横向反作用力，但不能完全消除。另外，在活塞行程的任何给定时刻，只有一个辊子贴靠着一条导轨。

WO 93/11342描述了一种旋转凸轮式活塞发动机，其中，在凸轮从动件上方和下方均装有滑轨来遏制横向反作用力。

本发明的一个目的是要提供一种改进的三凸角式凸轮发动机。

本发明的另一个目的是要提供一种使用自由浮动活塞的三凸角式凸轮发动机，其中，活塞和气缸壁之间相互作用的反作用力减小了。

本发明还有一个目的是要提供一种三凸角式凸轮发动机，其中为了改变发动机的特性，各种不同轮廓形状的凸轮可以调换，而不需要作其他的改变。

本发明再有一个目的是要提供一种三凸角式凸轮发动机，该发动机具有简单的模块式结构，因此，气缸的数目和尺寸可容易改变。

本发明还有一个目的是要提供一种三凸角式凸轮发动机，该发动机在作为外部内燃机工作时，可以自行起动。

发明概要

根据本发明的一个方面，发动机包括一个带有一根轴、一个三凸角式凸轮和四个自由浮动的活塞装置的壳体，该四个活塞装置以相等的间隔关系配置在壳体上。每个活塞装置均包括一个气缸、一个在气缸内作往复运动的自由浮动活塞和一个与每一个活塞联接的凸轮从动件。该凸轮从动件连接着导向轴承装置，而壳体则具有导向轴承装置可沿着运动的导轨装置。

凸轮从动件是可转动的，而导向轴承装置包括一对转动轴承，它们按共有轴线关系分别设置在凸轮从动件的轴向两侧。在凸轮从动件上产生的横向反作用力就可相应传递到导轨装置上，而不向活塞传递多大横向力。还有，该对轴承均时刻向导轨装置传递横向反作用力，从而减小了对活塞组件的载荷。

最好，该导向轴承装置包括一对设置在凸轮从动件轴向相对两侧的导向轴承。发动机的轴向方向可认为就是发动机轴的方向。另外，最好该导向轴承装置和凸轮从动是转动的，并同在一条回转轴线上。

由于活塞一气缸的相互作用减少和凸轮从动件及相应的导向轴承装置的滚动运动，该发动机特别适合于作为大扭矩、基本上没有油的空气驱动机使用，用在食品加工行业中。

根据本发明的优选实施例，设置了四个活塞装置，以形成在直径方向上相对的两对活塞装置。该两对气缸的气缸轴线与发动机轴的轴线相交，使该发动机成为对称的，并且转动方向可以反转。

发动机凸轮装置的形状为等边三角形，该三角形的侧边基本上为直线的，使该发动机适合于通用用途。凸轮装置的较尖锐的凸角被倒圆，倒圆半径大约为6mm(0.25英寸)。当作为外部的内燃机工作时，该发动机可自行起动和反向。然而，凸轮装置的形状影响发动机的扭矩和发动机的其他特性，在相应的情况下，优选的凸轮装置形状为侧边弯曲的三角形，特别是，在接近凸轮凸角处，侧边具有凹形形状的三角形。

另外，根据本发明的优选实施例，该壳体带有八个开口，这些开口围绕着壳体对称布置，并且，每一开口方便地具有一个相应的导轨装置。这些开口中的四个开口可以用上述的可称为主活塞装置的活塞装置封闭起来，而其余的四个开口被盖住。这种发动机很容易加以改造，构成八个气缸的发动机。为此，只需要取下盖子，并将盖子更换成辅助活塞装置即可。该辅助活塞装置基本上与该主活塞装置相同。

本发明的上述目的和方面，与其他一些目的、方面和优点一起，从下面结合附图对优选实施例进行的说明中将会更清楚。

附图的简要说明

图1为本发明的四气缸发动机的示意性中间截面的横向视图；

图2为通过图1的发动机的一个气缸的示意性的中间剖视图，另外还表示了阀零件；

图3为一示意性的轴向侧视图，它进一步表示阀装置的详细情况，其陷藏的细节由虚线表示；

图4为图3的气缸的平面图；

图5/6分别与图3和图4相似，但表示一个改进的气缸；

图7与图1相似，但表示发动机的一个八气缸形式；

图8为气缸所带的电动阀装置的示意图；及

图9A～9C表示用于图1的发动机的凸轮装置的变形，为了比较起见，图中用虚线表示基本的三角形形状。

优选实施例的说明

发动机10包括一个壳体12，该壳体12又包括二个相对隔开一定距离的侧板14，轴16通过轴承18安装在侧板上，可以回转。一个凸轮20安装在轴16上与轴16一起转动。壳体12包括8个面，它们形成支座22，支座22以相等的间隔关系配置在圆心位于轴16的回转轴线上的圆周上。在每一对相邻的支座的侧板14之间放置着加强的隔片26。一个包括一气缸30的活塞装置28相间地放置在八个支座22的四个支座上，并用螺钉32固定在支座上，螺钉可方便地拧入侧板14中，而没有放置气缸的那些支座22通常用盖34盖住。活塞装置28还包括一个活塞40，后者与活塞杆42刚性连接。每一个活塞杆42均具有一个U形开口44，一个凸轮从动件46在开口内安装在靠近活塞杆末端的一个轴承销48上。轴承销48从U形开口44的相对二侧向外伸出，以便为一对导向轴承50提供一个安装支座，该二个导向轴承放置在凸轮从动件46轴向的相对二侧。每一个支座22均带有二条导轨54，该导轨54可以方便地在侧板14上加工出来，当活塞40在其气缸30内往复运动时，导向轴承50则沿着该导轨滚动。可以理解，气缸30、导轨54和轴承销48的中心都在通过轴16的回转轴线的直径上。

作为外部内燃机形式的发动机10包括一个阀组件60，该阀组件60可以方便地做成回转的摇摆式进气阀62的形式，阀62由放在每一个气缸30的壳体12外面的推杆装置66带动工作，并且该阀组件还包括一个推杆66，该推杆66由一个设置在发动机轴16上并用键70固定的同步阀凸轮(timing valve cam)68驱动。在每一个气缸30的壁上做有一个排气口72，而在气缸头上做有进气口74。

凸轮20的形状基本上为等述三角形，它带有直线的侧边80和凸角82。凸角82的尖端倒园，其半径84约为6mm。这个倒圆半径尺寸，至少在侧边80的尺寸在大约5cm～大约50cm(2英寸～20英寸)范围内，与凸轮20的尺寸基本没有关系。同步凸轮68的形状基本上是与主凸轮20的形状互补的，即也是等边三角形(虽然其凸角86基本上是修平的，这将在下面讨论)。

考虑到发动机10是作为由可膨胀的气体源(没有示出)驱动的驱动机工作的，和为了以后用字母A、B、C和D进行说明，以区分气缸30，并且各个零件的相对位置如图1所示那样，则在起动时，假设发动机的阀凸轮68调整成使轴16作顺时针方向运动，气缸A的活塞40将在一定程度上超出其顶部死点中心位置之外，通向气缸A的进气阀62将在一定程度上打开，而通向气缸B、C和D的进气阀则关闭。因此，送入气缸A中的可膨胀气体将推动气缸A的活塞40向下运动，使凸轮20和轴16按顺时针方向转动。在凸角86做成相应形状的条件下，当气缸A的活塞40下降大约其冲程的1/3时，凸角86制成相应的形状，通向气缸A的阀62会适当地关闭。随着气缸A的活塞的向下运动，气缸B的活塞被推动向上运动，将一个气体容积密封在气缸中。最后，气缸B的活塞40将达到图1所示的气缸A的活塞40所处的位置，而可膨胀气体则被引入气缸B中。这时，发动机10将开动工作，并且，当气缸A的活塞40向着其冲程的底部运动时，输出功将由气缸A的活塞40和气缸B的活塞二者共同产生。气缸C和D的活塞按照与气缸A和B的活塞类似的方式工作。一般来说，当发动机10作为一个驱动机开动工作时，二个相邻的活塞将在膨胀冲程上提供动力输出，而两个相邻的活塞则被凸轮20驱动。

考虑到发动机20的输出扭矩较大，通常，轴16可以直接与一个要驱动的装置连接，而不需要任何中间齿轮箱。当希望图1的发动机在反时针方向工作时，只需要将同步凸轮68翻转180°。可以理解，为了使发动机的回转方向反向，可以采用其他的稍微复杂些的装置，使同步凸轮68相对于轴16偏移。

现在考虑将阀凸轮68调整至使发动机10作为一个按反时针方向转动的驱动机来工作，并考虑各个零件处在图1所示的相对位置，则在起动时，气缸A的活塞或多或少在顶部死点中心之前的一个位置上，并且，通向气缸A、C和D的进气阀62关闭。通主气缸B的进气阀62打开，推动气缸B的活塞40向下运动，从而使凸轮20和与它固定的轴16作反时针方向的转动。当凸轮20转动至推动气缸A的活塞40至其顶部死点中心位置时，通向气缸A的进气阀62打开，并且，上述原来按顺时针方向工作的发动机的动作顺序按相反的次序重复进行。

凸轮从动件46和导向轴承52的滚动作用与作用在活塞40上的侧向力的减小允许发动机10在一定条件下不需要润滑即可工作，或只需要通过使用密封轴承提供的润滑即可工作，这在恶劣环境条件下是非常有利的。

由于活塞40的自由浮动作用，使发动机10的维修特别容易进行，只需要简单地卸去螺钉32，就可以卸下气缸30和活塞40。例如，相应地，气缸30可以用图5和6所示的气缸130代替，该气缸130的内径比气缸30的内径大得多。在这种情况下，紧固螺钉132就不穿过与壳体12的侧板14。相应地，气缸130可由一个支架133支承在支座22上，支架133的内径比气缸130的内径小些，因此，穿过外翻的凸缘135的螺钉32可将该气缸固定在壳体120上来取代气缸30。

将发动机10转换为八个气缸的发动机同样很简单，这包括从图1所示的发动机10上取下盖34，并将气缸30和相关零件固定在相应的地方，即可构成图7所示的发动机110。

四气缸驱动机10的轴16具有每转12个动力冲程，而对于八气缸驱动机110，这个冲程数将加倍。因此，可以预料，这样得出的驱动机，其扭矩特别大，并且运转平稳。

虽然，发动机10的建造材料不是要求很高的，发动机10的许多结构(包括壳体10)特别适合于用塑料制造，并且可以设想，在导轨54上衬上可更换的衬垫56，以便于维修。

如图8所示，本发明的发动机的每一个气缸130可连接一个电动阀组件160，以代替前面所述的机械阀组件60。阀组件160包括一个相应的开关机构162和反向开关166，该开关机械162包括由转子120带动动作的开关触点164a和164b，而反向开关166允许选择开关触点164a和164b中的任何一个触点。

现在参见图9A，图中，主凸轮20的第二个实施例用标号120A标注，其基本的等边和直线的侧面形状与凸轮20的侧面形状相似，凸轮120A的基本侧面形状用由字母O标出的虚线表示，重叠画在该图中。凸轮120A具有凸角182和侧边180；侧边180在相邻的二个凸角之间延伸。侧边180包括一个第一部分181A和一个第二部分183A，第一部分181A在凸角和用字母M表示的侧边的中间区域之间延伸，而第二部分183A则在该中间区域和相邻的凸角之间延伸。在这个第二实例中，凸轮的侧边部分181A和183A的形状是相同的，因此，侧边180是完全对称的，凸轮120A可以在任何一个方向转动。假设凸轮按反时针方向回转，则凸轮侧边部分181A将控制诸如在发动机动力冲程上的活塞40那样的活塞运动，而凸轮侧边部分183A将控制在排气冲程上的活塞的运动。侧边部分181A的形状为拐弯深度较浅的S形，开始部分的曲线是凸的，相对于利用凸轮20所产生的加速度，这具有减小在凸角182附近的动力冲程上的活塞40的加速度的效果。它也具有使扭矩输出曲线平坦化的作用，因此，最大的扭矩输出发生在输出冲程的稍后一段时间，同时，在更长一段时间上一直被保持着。凸轮侧边部分181A的形状在接近中间区域M时变为凹形，该中间区域比在相应的凸轮20中更靠近凸轮120A的回转中心。这样做的作用是增加动力冲程和在输出冲程中保持较大的扭矩输出的角度区间。凸轮侧边部分183A的形状也是拐弯深度较浅的S形。假定一些气体被密封在气缸内作为在排气冲程上那个气缸内的活塞缓冲之用，且该气体是被通过凸轮从动件(例如46)所加的力来压缩，则凸轮侧边部分183A的这种形状可使施加最大的力的角度区间在直径上基本上对着从发动机的另一气缸输出最大扭矩的角度区间，以有助于发动机的平稳工作。另外，凸轮侧边部分183A的这种形状还可用于在排气冲程上接近凸角182时减小活塞的减速度。

具有图9A所示形状的凸轮最好用于相当高速、可反向的发动机10中。然而，可以理解，也可以使用其他的凸轮形状，例如，图9B所示的凸轮形状。在图9B中，凸轮120B的开始部分181B的形状与基本三角形形状比较是平的和中性的。这种形状的凸轮适合于中等速度的工作。图9C表示凸轮120C，图中，凸轮的开始部分具有负的斜度，这种凸轮最好适用于低速大扭矩的发动机。

可以清楚地看到，可以对所示的实施例做许多改变仍会在本发明的精神范围以内，并且力图使所有这些改变都被所附的权利要求书所覆盖。

Claims (16)

1.一种发动机(10)，它包括：

一个壳体(12)；

一根轴(16)，它安装在所述壳体上，可相对于壳体回转；

一个三凸角式凸轮(20)，它固定在所述轴并在所述壳体内；

四个主活塞装置(28)，它们以相等的间隔关系围绕所述轴安装在所述壳体上；

每一个所述的主活塞装置包括一个气缸(30)、一个活塞(40)和与所述活塞连接的一个凸轮从动件(46)；该活塞安装在所述气缸内可作独立的往复运动；

一个与所述的凸轮从动件相联系的导向轴承装置(50)，和由所述壳体支承的导轨装置(54)；当所述活塞在其气缸内往复运动时，所述导向轴承装置可沿着所述导轨装置(54)运动；

所述导向轴承装置用于将在所述凸轮和所述凸轮从动件之间产生的反作用力传递给所述导轨装置，该所述的反作用力推动所述活塞与其气缸接触；

其特征在于，所述导向轴承装置包括一对导向轴承，它们分别设置在所述凸轮从动件的相对两侧；及每个所述凸轮从动件及其相连的导向轴承装置是可转动的，并在同一回转轴线。

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，每一个所述气缸具有一条与所述轴的轴线相交的气缸轴线。

3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述凸轮的形状基本上为等边三角形，其顶点倒成圆角，圆角半径为6mm。

4.如权利要求1，2或3所述的发动机，其特征在于，所述凸轮装置，在其凸角的至少一侧上，其邻近每一凸角的曲线做成凸的。

5.如权利要求1，2或3所述的发动机，其特征在于，所述凸轮装置在靠近其每一侧边的中间区域处的曲线做成凹的，并且，所述中间区域设置成在相邻一对凸角相互连接线的内侧。

6.如权利要求1，2或3所述的发动机，其特征在于，每一个所述活塞的活塞杆(42)刚性地固定在所述活塞上，并且，所述凸轮从动件和所述导向轴承装置安装在所述活塞杆上。

7.如权利要求6所述的发动机，其特征在于，所述发动机具有四个辅助活塞装置，它们基本上与所述的主活塞装置相同，以与所述主活塞装置对称的关系安装在所述壳体上。

8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述壳体包括一对相对的，彼此隔开一定距离的侧壁(14)，并且所述导轨装置(54)做成在所述侧壁上的槽的形式。

9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于，所述槽带有可更换的衬垫(56)。

10.如权利要求9所述的发动机，其特征在于，每一个所述的气缸具有一个进气口(74)，并且，每一个所述进气口均与阀装置(60)相联接。

11.如权利要求10所述的发动机，其特征在于，所述阀装置是由机械方法带动工作的。

12.如权利要求10所述的发动机，其特征在于，所述阀装置由一个同步凸轮(68)机械地驱动动作，并且，所述同步凸轮可反向安装在所述轴上，以便可使所述发动机做反向转动。

13.如权利要求10所述的发动机，其特征在于，所述阀装置为电动的。

14.如权利要求13所述的发动机，其特征在于，所述阀装置是由所述凸轮装置带动工作的开关装置用电气方法带动动作的。

15.如权利要求14所述的发动机，其特征在于，所述开关装置包括一个反向开关。

16.如权利要求15所述的发动机，其特征在于，所述气缸包括一个支架(133)，支架上带有贯穿的开孔，用于将所述气缸固定在所述壳体上，所述支架的直径比所述气缸的活塞的直径小。

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