CN108979897A - 多缸斯特林发动机传动系统 - Google Patents

Abstract

一种多缸斯特林发动机传动系统，包括有单缸斯特林发动机本体以及传动轴，于传动轴上设置有曲拐，单缸斯特林发动机本体包括有活塞，活塞通过连杆与曲拐动力连接、并形成有一个动力单元；动力单元设置有四个，以垂直于传动轴的轴线具有一条虚拟中心线，四个动力单元相对于虚拟中心线具有夹角。本发明具有如下优点：可满足多缸斯特林发动机的使用要求；结构紧凑，输出功率均匀，平衡性能更好，轴承负荷小，运动可靠性高；取消了动力传动齿轮机构，从而消除了齿轮传动引起的激励力，使振动、噪声进一步降低，同时减少了机械耗功，可适当提高斯特林发动机的单机功率，功率密度进一步提高。

Description

多缸斯特林发动机传动系统

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，具体为一种多缸斯特林发动机传动系统。

背景技术

斯特林发动机(Stirling Engine)是一种利用外部能源加热的闭式循环活塞式、新型的外燃发动机，其具有循环热效率高、运转平稳、振动噪声低、扭矩-转速特性好、排放清洁、可适用多种燃料或能源等优点，因此，斯特林发动机具有十分广泛的适用范围和非常可观的应用前景。

请参考图1，图1为现有技术中一种典型的U型传动斯特林发动机的结构示意图。

四缸双作用斯特林发动机是应用最为广泛的机型，常见的传动系统结构形式为双曲轴的U型传动结构。基于四缸结构，通过增加缸体变为八缸斯特林发动机，其可满足更高功率的需求，在八缸斯特林发动机中常见传动形式也采用了U型传动结构。

双曲轴U型传动结构主要包括左曲轴、右曲轴、输出轴、齿轮传动机构，左、右曲轴与输出轴之间的连接采用齿轮传动的方式，可将曲轴的输出功传递合并给输出轴输出。

现有技术中常用的双曲轴U型传动结构虽然能够实现动力合并与动力传递，但是其存在结构复杂、能量传递损耗高等问题。

综上所述，如何对斯特林发动机用传动系统进行结构优化，从而简化其系统构成、降低能量传递损耗，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多缸斯特林发动机V型传动系统，以满足多缸斯特林发动机降低振动噪声、提高机械效率的需求。同时，还能够解决多缸斯特林发动机U型传动系统中压缩机的活塞连杆往复旋转运动不平衡的问题，由于本发明减少了曲轴输出扭矩的波动，从而可以实现提高零部件的使用寿命、保证传动系统长期稳定运行的目的。

本发明提供的技术方案如下：

一种多缸斯特林发动机传动系统，包括有单缸斯特林发动机本体以及传动轴，于所述传动轴上设置有曲拐，所述单缸斯特林发动机本体包括有活塞，所述活塞通过连杆与所述曲拐动力连接、并形成有一个动力单元；

所述动力单元设置有四个，四个所述动力单元沿所述传动轴的轴向排列设置、并形成有一个动力组，以垂直于所述传动轴的轴线具有一条虚拟中心线，在所述动力单元中、两端的两个所述动力单元以所述虚拟中心线为对称中心分设于所述虚拟中心线的两侧、并与所述虚拟中心线具有度数为β的第一夹角，在所述动力单元中、中间的两个所述动力单元以所述虚拟中心线为对称中心分设于所述虚拟中心线的两侧、并与所述虚拟中心线具有度数为α的第二夹角；

所述曲拐设置于所述传动轴上；

所述动力组设置有N个，全部的所述动力组沿所述传动轴的轴向排列设置，各个所述动力组所具有的虚拟中心线之间具有工作相位差；

其中：N为不小于1的正整数，工作相位差＝90°/N。

优选地，全部的所述动力组沿所述传动轴的轴向按照顺时针方向或者逆时针方向旋转设置，相邻的两个所述动力组所具有的虚拟中心线之间具有一个单位的工作相位差。

优选地，所述曲拐一体成型于所述传动轴上，沿所述传动轴的轴向、于同一个所述动力组中的四个所述曲拐等间隔设置。

优选地，当N为2时，两个所述动力组以所述传动轴的中心对称设置。

优选地，于所述传动轴的两侧各设置有一个平衡轴，所述平衡轴的轴线与所述传动轴的轴线设置于同一个平面内。

优选地，所述平衡轴的轴线与所述传动轴的轴线平行。

优选地，所述传动轴与所述平衡轴通过齿轮传动系统动力连接。

优选地，于所述传动轴上设置有飞轮。

通过上述结构设计，本发明具有如下优点：

1、该传动系统可满足多缸斯特林发动机的使用要求；

2、该传动系统结构紧凑，输出功率均匀，避免了U型传动系统压缩机活塞连杆往复传动机构不平衡力无法全平衡的情况，平衡性能更好，轴承负荷小，运动可靠性高；

3、取消了动力传动齿轮机构，从而消除了齿轮传动引起的激励力，使振动、噪声进一步降低，同时减少了机械耗功，可适当提高斯特林发动机的单机功率，功率密度进一步提高；

4、整个系统结构紧凑，可靠性高。

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U型传动斯特林发动机的结构示意图。

图2为本发明一种实施例中多缸斯特林发动机传动系统的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中多缸斯特林发动机传动系统的轴向结构示意图；

图4为本发明一种实施例中应用于八缸斯特林发动机传动系统中的传动轴的结构示意图；

图5为图4中传动轴上各曲拐的相位示意图。

在图2和图3中，附图标号说明如下：

单缸斯特林发动机本体1、传动轴2、连杆3、飞轮4。

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2至图5，其中，图2为本发明一种实施例中多缸斯特林发动机传动系统的结构示意图；图3为本发明一种实施例中多缸斯特林发动机传动系统的轴向结构示意图；图4为本发明一种实施例中应用于八缸斯特林发动机传动系统中的传动轴的结构示意图；图5为图4中传动轴上各曲拐的相位示意图。

本发明提供了一种多缸斯特林发动机传动系统，包括有单缸斯特林发动机本体1，单缸斯特林发动机本体1包括有缸套，于缸套内设置了活塞，依据斯特林循环，活塞能够在缸套内往复运动，从而对外输出动力。

在本发明中，本发明采用了V型传动的方式实现多个单缸斯特林发动机本体1的动力连接以及动力输出。具体地，本发明还包括有传动轴2，于传动轴2上设置有曲拐，曲拐与传动轴2为一体式结构，为了便于本发明的结构描述，假定曲拐为一个独立的部件，那么，活塞通过连杆3与曲拐动力连接，从而形成有一个动力单元。在一个动力单元中，活塞运动通过连杆3能够将动能传递到曲拐上，曲拐设置在传动轴2上，因此动力就能够由传动轴2对外输出。

为了保证斯特林发动机能够顺利、稳定地工作，在本发明中，将动力单元设置有四个，这四个动力单元沿传动轴2的轴向排列设置、并形成有一个动力组，以垂直于传动轴2的轴线具有一条虚拟中心线，在动力单元中、两端的两个动力单元以虚拟中心线为对称中心分设于虚拟中心线的两侧、并与虚拟中心线具有度数为β的第一夹角，在动力单元中、中间的两个动力单元以虚拟中心线为对称中心分设于虚拟中心线的两侧、并与虚拟中心线具有度数为α的第二夹角。

在本发明中的一个实施方式中，α的绝对值大于β的绝对值。基于上述结构设计，沿着传动轴2的轴线方向为第一视角，分设在动力组两端的两个动力单元能够构成一个V型结构，分设在动力组中部的两个动力单元能够构成一个V型结构。

以传动轴2设置有八个曲拐为例：沿传动轴2的轴向依次为曲拐一、曲拐四、曲拐二、曲拐三、曲拐五、曲拐八、曲拐六、曲拐七，每个曲拐上各连接有一套结构相同的活塞连杆机构，曲拐一、曲拐四、曲拐二、曲拐三对应于第一个四缸双作用斯特林单元，曲拐五、曲拐八、曲拐六、曲拐七对应于第二个四缸双作用斯特林单元。从传动轴2的一端(没有设置有飞轮4的一端)的端面看，八个曲拐在整个圆周上呈不对称布置，各曲拐相位由活塞连杆机构夹角α、β决定。两侧设置的平衡轴分别为左平衡轴和右平衡轴，在安装时根据平衡计算得到的相位进行安装。左平衡轴、右平衡轴、传动轴2在传动轴2箱中平面平行布置，传动轴2采用倒挂式方便了拆检和轴瓦的检查更换。

为了提高斯特林发动机的功率，本发明将动力组设置为N个，N为不小于1的正整数。全部的动力组沿传动轴2的轴向排列设置，各个动力组所具有的虚拟中心线之间具有工作相位差，其中：工作相位差＝90°/N。

具体地，全部的动力组沿传动轴2的轴向按照顺时针方向或者逆时针方向旋转设置，相邻的两个动力组所具有的虚拟中心线之间具有一个单位的工作相位差。

在此限定：曲拐一体成型于传动轴2上，沿传动轴2的轴向、于同一个动力组中的四个曲拐等间隔设置。通过上述结构设计，本发明中单一的动力组中设置的四个动力单元布局结构规则且对称，其能够提高动力组运行的稳定性。

在本发明的一个优选实施方式中，N为2，即动力组设置有两组供八个单缸斯特林发动机本体1，在本实施例中，两个动力组以传动轴2的中心对称设置。

在本发明的另一个优选实施方式中，当N为3时，全部的动力组沿传动轴2的轴向按照顺时针方向旋转设置，相邻的两个动力组所具有的虚拟中心线之间具有一个单位的工作相位差。

为了提高整个斯特林发动机运行的稳定性，于传动轴2的两侧各设置有一个平衡轴，平衡轴的轴线与传动轴2的轴线设置于同一个平面内。

具体地，平衡轴的轴线与传动轴2的轴线平行。

具体地，传动轴2与平衡轴通过齿轮传动系统动力连接。

在本发明中，根据发动机功率，在传动轴2上还设置有飞轮4。

为降低斯特林发动机的振动噪声、提高整机机械效率，本发明提供了一种和原有U型传动结构完全不同的多缸斯特林发动机传动结构，本发明改善了传动系统的平衡性，提高了整机的传动效率，为斯特林发动机提高运行可靠性和整机机械效率奠定了基础。

以应用于八缸斯特林发动机上为例，本发明通过在传动轴2上对八缸机两个斯特林循环单元设置工作(发火)相位差的方法，减少了传动轴2输出扭矩的波动，有利于整机降低振动噪声。

在本发明中，八缸斯特林发动机运转时，八个单缸斯特林发动机本体1均匀做功，各单缸斯特林发动机本体1做功相位相差45°，因此传动轴2受力均匀，扭矩输出更平稳，同时通过安装平衡块使传动轴2的每个曲柄单元内部达到力和力矩平衡，改善了传动轴2的受力情况，降低了轴承的负荷，其他类型不平衡力和力矩通过传动轴2和平衡轴安装平衡块，统一进行平衡，避免了U型传动系统压缩机活塞连杆往复传动机构不平衡力无法全平衡的情况，提高了传动系统的平衡性，降低了振动噪声。

上述的八缸斯特林发动机V型传动系统，活塞连杆机构全部集中在中间传动轴2上，并且取消了八缸斯特林发动机U型传动系统结构中宽度较大的人字齿轮动力传动机构，只在自由端增加了尺寸较小的齿轮用于驱动平衡轴旋转实现整机的动平衡，同时充分利用传动轴2中间位置安装平衡块，结构更加紧凑。

本发明由于取消了动力传动齿轮机构，减少了机械耗功，将适当提高斯特林发动机的机械效率；同时消除了动力齿轮传动引起的激励力，整机的振动噪声进一步降低。在传动轴2自由端连接一个工质压缩机。可以利于机带压缩机的布置，简化系统布置。

本发明采用的是单传动轴V型传动系统，由于双作用斯特林发动机的斯特林循环的特点，需要由四个缸形成一个斯特林工作循环，因此双作用斯特林发动机如需发展多缸发动机，则将按四的倍数扩展，如八缸、十二缸或十六缸。

本发明采用的八缸斯特林发动机V型传动系统取消了原八缸斯特林发动机U型传动系统中的动力齿轮部件，减少了由于动力齿轮传递较大的扭矩而产生的激励力，进而减小了整机的振动噪声。采用V型传动系统后由于减少了动力齿轮的机械耗功以及摩擦副数量也适当提高了斯特林发动机的机械效率，可使斯特林发动机结构更为紧凑；本发明的八缸斯特林发动机V型传动系统解决了原八缸斯特林发动机U型传动系统中所带压缩机活塞连杆3往复旋转运动难以实现动平衡的不足，利用两根平衡轴实现了对作用于曲轴上不平衡力的完全动平衡，这一特点对降低斯特林发动机的整机振动噪声非常有利。

本发明通过在曲轴上对八缸机两个斯特林循环单元设置工作(发火)相位差的方法，减少了曲轴输出扭矩的波动，有利于整机降低振动噪声。而这一方法在U型传动系统中则没有实现。该相位角可以根据曲轴上连接的斯特林循环单元的不同数量进行改变。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上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 (8)

1.一种多缸斯特林发动机传动系统，包括有单缸斯特林发动机本体，其特征在于，

还包括有传动轴，于所述传动轴上设置有曲拐，所述单缸斯特林发动机本体包括有活塞，所述活塞通过连杆与所述曲拐动力连接、并形成有一个动力单元；

所述动力单元设置有四个，四个所述动力单元沿所述传动轴的轴向排列设置、并形成有一个动力组，以垂直于所述传动轴的轴线具有一条虚拟中心线，在所述动力单元中、两端的两个所述动力单元以所述虚拟中心线为对称中心分设于所述虚拟中心线的两侧、并与所述虚拟中心线具有度数为β的第一夹角，在所述动力单元中、中间的两个所述动力单元以所述虚拟中心线为对称中心分设于所述虚拟中心线的两侧、并与所述虚拟中心线具有度数为α的第二夹角；

所述曲拐设置于所述传动轴上；

所述动力组设置有N个，全部的所述动力组沿所述传动轴的轴向排列设置，各个所述动力组所具有的虚拟中心线之间具有工作相位差；

其中：N为不小于1的正整数，工作相位差＝90°/N。

2.根据权利要求1所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

全部的所述动力组沿所述传动轴的轴向按照顺时针方向或者逆时针方向旋转设置，相邻的两个所述动力组所具有的虚拟中心线之间具有一个单位的工作相位差。

3.根据权利要求1所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

所述曲拐一体成型于所述传动轴上，沿所述传动轴的轴向、于同一个所述动力组中的四个所述曲拐等间隔设置。

4.根据权利要求1所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

当N为2时，两个所述动力组以所述传动轴的中心对称设置。

5.根据权利要求1所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

于所述传动轴的两侧各设置有一个平衡轴，所述平衡轴的轴线与所述传动轴的轴线设置于同一个平面内。

6.根据权利要求5所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

所述平衡轴的轴线与所述传动轴的轴线平行。

7.根据权利要求5所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

所述传动轴与所述平衡轴通过齿轮传动系统动力连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的多缸斯特林发动机传动系统，其特征在于，

于所述传动轴上设置有飞轮。