CN111765230B - 轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，包括缸体、传动组件和协同轴组件；缸体包括平行绕中心轴线圆周阵列布置的至少两个缸；传动组件包括摆盘，协同轴组件包括至少两个绕所述中心轴线布置的协同轴，协同轴两端分别对应与摆盘和缸体通过圆柱副配合，实现相对转动和往复运动，以此协同缸体与摆盘之间的在圆周方向的同步，形成摆盘外缘到缸体距离的周期往复变化以驱动连杆活塞在缸内往复运动，从而使得连杆只传递往复驱动力，不参与传递维持摆盘与缸体在圆周方向同步的载荷，去除现有技术常用的滑靴结构，简化连杆与活塞、连杆与摆盘之间的连接关系，从而使结构整体简单轻便，延长连接副的使用寿命，节约制造及使用成本，并可以扩展结构用途，能够满足活塞泵、压缩机、发动机的设计需求。

Description

轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置

技术领域

本发明涉及传动驱动领域，具体涉及一种轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置。

背景技术

轴向活塞装置是利用绕一中心轴线布置的缸、与缸配合的活塞以及转动摆盘形成驱动或被驱动；基本结构是活塞通过连杆连接摆盘，活塞的往复运动通过连杆传递至摆盘，由摆盘利用凸轮传动原理转变为转动输出；或者，由摆盘被驱动的周期性轴向摆动从而周期性改变轴向位置并通过连杆带动活塞形成往复运动并做功。

由上述结构可知，相对缸体来讲，期望摆盘与缸体之间不发生圆周方向上的相对转动，此时，连杆起到至关重要的作用，无论是将斜盘驱动力传递至活塞还是将活塞动力传递至摆盘，摆盘均受到圆周方向的分力，因此，连杆还要约束摆盘与缸体(活塞)之间的协同动作，于是承载较为复杂，具有各个方向的偏转力矩；因而，通常的结构中会采用滑靴结构适应各个方向的方位改变并承担较为复杂的偏转力矩，结构较为复杂；滑靴结构需要具有充分的润滑，不但使得结构极为复杂，还易于出现磨损导致机器故障，同时，也难于应用到发动机和压缩机等空气介质机械。

因此，需要对现有的轴向活塞装置进行改进，改变连杆的受力状态，从而简化整个装置的结构，延长传动副的使用寿命，节约使用成本，相对于传统的曲轴连杆活塞驱动结构，不仅更加紧凑而且连杆摆角大幅降低，活塞径向载荷减小，机械效率提高，活塞-缸套间不利载荷降低，可扩展应用领域，为设计基于轴向活塞的超紧凑型压缩机和发动机创造活塞驱动解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，改变连杆的受力状态，从而简化整个装置的结构，延长传动副的使用寿命，节约使用成本，相对于传统的曲轴连杆活塞驱动结构，不仅更加紧凑而且连杆摆角大幅降低，活塞径向载荷减小，机械效率提高，活塞-缸套间不利载荷降低，可扩展应用领域，为设计基于轴向活塞的超紧凑型压缩机和发动机创造活塞驱动解决方案。

本发明的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，包括缸体、传动组件和协同轴组件；

所述缸体具有一中心轴线，且缸体包括平行绕中心轴线按圆周阵列布置的至少两个缸，与所述缸配合设置有活塞，与所述活塞配合设置有连杆；

所述传动组件包括以相对于所述中心轴线倾斜的方式安装的摆盘，所述连杆一端连接活塞，另一端连接摆盘；所述摆盘可被驱动的绕中心轴线周期性摆动且摆动时摆盘轴线与中心轴线的交点位置不变，所述摆盘轴线的摆动轨迹为锥形，所述锥形的轴线与中心轴线重合，该驱动为活塞带动连杆形成或者为外部输入并带动连杆及活塞周期性往复运动；

所述协同轴组件包括至少两个绕所述中心轴线布置的协同轴，所述协同轴两端分别对应与摆盘和缸体通过圆柱副配合，使得摆盘与缸体之间形成圆周方向的同步。

进一步，所述协同轴包括固定连接的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段与摆盘轴线平行，第二轴段与缸体转动轴线平行，所述摆盘设有与第一轴段配合的摆盘协同轴孔，缸体设有与第二轴段配合的缸体协同轴孔。

进一步，还包括可绕所述中心轴线转动的上支撑座，上支撑座下端与摆盘配合形成驱动斜面，用于定位摆盘并可与摆盘相互驱动。

进一步，还包括基体，所述缸体的各个缸之间一体成形或固定连接，与所述基体固定或转动配合；所述上支撑座转动配合设置于基体。

进一步，还包括主轴，所述主轴与上支撑体同轴传动配合。

进一步，还包括中心轴，所述中心轴以与主轴同轴的方式与缸体或基体转动配合并设有倾斜轴段，所述倾斜轴段倾斜设置并与摆盘同轴转动配合。

进一步，所述主轴与中心轴之间通过倾斜轴段一体成形或固定连接使得主轴与中心轴形成整体的Z形结构。

进一步，所述主轴为直轴，所述主轴转动轴线与所述中心轴线重合且主轴穿过摆盘与缸体或基体转动配合，所述摆盘与主轴之间具有供摆盘摆动的足够空间。

进一步，还包括与缸体间转动配合的下支撑座，所述上支撑座的驱动斜面与下支撑座上端面之间形成用于支撑摆盘的斜形空间，所述摆盘位于该斜形空间内并与下支撑座和上支撑座转动配合。

本发明的有益效果：本发明的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，利用协同轴协调缸体与摆盘之间的等速传动(同步运动)，使得缸体与摆盘之间的相对位置得到约束，从而使得连杆只传递往复驱动力，不参与传递维持摆盘与缸体同步的载荷，去除现有技术的滑靴结构或限位槽结构，简化连杆与活塞、连杆与摆盘之间的连接关系，从而使结构整体简单轻便，延长连接副的使用寿命，节约制造及使用成本；相对于传统的曲轴连杆活塞驱动结构，不仅更加紧凑而且连杆摆角大幅降低，活塞径向载荷减小，机械效率提高，活塞-缸套间不利载荷降低，可扩展应用领域，为设计基于轴向活塞的超紧凑型压缩机和发动机创造活塞驱动解决方案。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明第一种结构示意图；

图2为本发明第二种结构示意图；

图3为本发明第三种结构示意图；

图4为本发明第四种结构示意图；

图5为协同轴结构图；

图6上支撑座结构图；

图7为本发明结构剖视图(第一种结构为例)。

具体实施方式

如图所示，本发明的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，包括缸体2、传动组件和协同轴组件；

所述缸体2具有一中心轴线，且缸体包括平行绕中心轴线按圆周阵列布置的至少两个缸2.1，如图所示，缸2.1的轴线平行于中心轴线；与所述缸配合设置有活塞9，与所述活塞9配合设置有连杆8，所述缸体2可以固定设置也可以具有设定的转动自由度，这里的固定设置以及设定的转动自由度指的是在使用时缸体整体而言，可固定于设定的基础也可相对于基础具有设定转动自由度，设定转动自由度指的是与输入或者输出部件之间形成设定比例的转动，在此不再赘述；如图所示，本实施例中的多种结构中，缸体固定于一基体1，设置方式采用通常的机械结构即可实现，在此不再赘述；

所述传动组件包括以相对于所述中心轴线倾斜的方式安装的摆盘3，所述连杆一端连接活塞，另一端连接摆盘；

所述摆盘3可被驱动的绕中心轴线周期性摆动且摆动时摆盘轴线与中心轴线的交点位置不变，所述摆盘轴线的摆动轨迹为锥形，所述锥形的轴线与中心轴线重合，该驱动为活塞带动连杆形成或者为外部输入并带动连杆及活塞周期性往复运动；摆盘的周期性摆动指的是摆盘的轴线与中心轴线的交点位置不变(同时该交点也是摆盘的中心平面的中心点)，径向边缘沿着圆周方向且在中心轴线方向上周期性由高到低再由低到高，使得所述摆盘轴线的摆动轨迹为锥形，即周期性三维摆动，摆盘具体结构可采用轴向两侧滑动夹持的方式，还可采用现有的其他机械结构，在此不再赘述；所有所述连杆与摆盘的铰接中心在同一平面(期望这个平面与摆盘中心平面重合)，且所述平面的中心点和摆盘轴线与中心轴线的交点重合，该结构保证了结构整体的对称性，使机构整体运行平稳；连杆与活塞以及与摆盘的连接方式可采用铰链结构，包括球铰或万向节连接，在此不再赘述；

所述协同轴组件包括至少两个绕所述中心轴线布置的协同轴6，所述协同轴6两端分别对应与摆盘3和缸体2通过圆柱副配合，使得摆盘与缸体之间形成圆周方向的同步，协同轴6与摆盘3以及与缸体2之间的配合一般采用协同轴插入设置的轴孔(滑道)的方式形成圆柱副，与轴孔之间具有滑动以及转动的自由度，以保证摆盘和缸体之间的协同运动；当然，也可采用协同轴为轴套在摆盘和缸体上设置轴的结构，在此不再赘述；摆盘与缸体之间在圆周方向的同步指的是二者的转动方向和角速度一致或在圆周方向同时不发生转动；

如图所示，协同轴组件包括平行设置的多个协同轴6，由于采用协同轴，使得摆盘转动时带动缸体转动或二者均在圆周方向上同步。

本发明的传动原理：外力输入摆盘3使得摆盘沿中心轴线周期性往复摆动运动，如图所示，与摆盘配合设有一驱动斜面4.1，所述驱动斜面4.1在摆盘3的摆动时被驱动绕所述中心轴线转动输出动力或者驱动斜面4.1转动驱动摆盘做周期性三维摆动，实现不同的功能；由于协同轴6的作用使得缸体与摆盘在圆周方向同步，由于摆盘3在轴向相对于缸体2高低周期性变化则带动连杆驱动活塞往复运动完成做功；或者，上述过程可逆进行，即活塞主动往复运动做功，带动摆盘高低周期性运动，由于摆盘3在圆周方向固定，则会驱动与其配合的倾斜平面转动(凸轮效应)，同时将动力输出；由此可见，无论做功方向如何，摆盘与缸体间的同步均不需要连杆维持，而由协同轴维持缸体与摆盘的同步，由此减少运动摩擦副，简化整体结构并延长连杆连接部的使用寿命，，相对于传统的曲轴连杆活塞驱动结构，连杆摆角大幅降低，活塞径向载荷减小，机械效率提高，活塞-缸套间不利载荷降低。

本实施例中，所述协同轴6包括固定连接的第一轴段601和第二轴段602，所述第一轴段601与摆盘3轴线平行，第二轴段602与缸体2转动轴线平行，所述摆盘3设有与第一轴段601配合的摆盘协同轴孔，缸体2设有与第二轴段602配合的缸体协同轴孔；如图所示，协同轴6的第一轴段601和第二轴段602分别插入摆盘协同轴孔和缸体协同轴孔，摆盘协同轴孔和缸体协同轴孔分别设有具有润滑性质的滑动轴承，减小摩擦力并延长寿命，如图所示，协同轴的第一轴段601和第二轴段602之间通过倾斜的轴段602固定，倾斜轴段603的倾斜角度α与摆盘的倾斜角度相同，一般可采用一体成形的方式；根据摆盘的设置方式与运动轨迹设置协同轴的结构，具有较好的适应性，从而进一步减小偏转力矩。

本实施例中，还包括可被驱动绕所述中心轴线转动的上支撑座4，所述上支撑座4下端与摆盘3配合形成驱动斜面4.1，用于定位摆盘并可与摆盘相互驱动；如图所示，上支撑座4下端面设置有驱动斜面4.1，该驱动斜面与摆盘的倾斜角度相同并与摆盘贴合驱动配合，上支撑座被外力驱动绕所述中心轴线转动，驱动斜面形成转动，从而驱动摆盘周期性摆动，即所述上支撑座与摆盘配合在转动时驱动摆盘做周期性三维摆动并带动连杆及活塞周期性往复运动；所述连杆连接于摆盘的外缘附近，至少具备锥面内的两个摆动自由度；由于所述连杆连接于摆盘的外缘附近，则跟随摆盘外缘周期性上下往复运动，带动活塞做功，而该过程可逆，在此不再赘述。

本实施例中，还包括基体1，所述缸体2的各个缸之间一体成形或固定连接，，与所述基体固定或转动配合；缸体固定于基座的方式具有多种，普通的机械结构即能实现，在此不再赘述，如图所示，所述基体内设置与缸体共轴的支承轴，所述缸体与所述支承轴固定配合，即限定各个方向的自由度，保证整个机械结构的整体性，可采用现有的机械限位方式，当然，缸体也可转动配合设置于基体，并不影响摆盘形成摆动完成做功，即可使得缸体与做功输出之间设定转动比例，从而实现不同的发明目的；缸体为一整体(可采用整体的圆柱形结构)，缸则圆周阵列设置于缸体外周，中间形成柱状空心，实际使用时，可通过螺栓安装于支承轴上，可限制其自由度；本结构整体结构支撑稳定，转动效率较高，无需惯性飞轮，可减轻重量；所述上支撑座4转动配合设置于基体，如图所示，上支撑座4为中空的圆柱形结构，上部通过角接触轴承或能同时承受轴向/径向载荷的其他轴承支撑于基体的靠上部位，下部形成倾斜的所述驱动斜面并与摆盘通过角接触轴承或能同时承受轴向/径向载荷的其他轴承配合，转动时可驱动摆盘周期性摆动。

本实施例中，还包括主轴7，所述主轴7与上支撑体4同轴传动配合，如图所示，主轴穿过基体1的相应位置，用于输入以及输出动力，与基体之间可采用角接触轴承转动配合。

本实施例中，还包括中心轴，所述中心轴10以与主轴同轴的方式转动配合穿过基体并设有倾斜轴段，所述倾斜轴段倾斜设置并与摆盘同轴转动配合；如图1所示，中心轴10通过轴承穿过缸体，并转动配合穿过基体的支撑轴1.1(如图1、2、4的中空中空支撑轴结构)，当然也可如图7所示的结构中心轴不穿过基体的支撑轴，在此不再赘述；倾斜轴段与摆盘同轴转动配合(通过滚动轴承)，起到承载并保持摆盘稳定性的作用，并可保持摆盘的活动自由，在运动时，该倾斜的倾斜轴段与摆盘的相位相同，不发生运行干涉。

当然，也可不采用中心轴结构，如图3所示的结构，此时的支撑轴1.11则不为中空结构，在此不再赘述。

本实施例中，如图1所示，所述主轴与中心轴10之间通过倾斜轴段一体成形或固定连接使得主轴与中心轴形成整体的Z形结构，具有较好的整体结构以及稳定性，可增加整体运行强度，利于延长总体结构的使用寿命。

另外，也可采用如图2的结构，所述主轴7为直轴(也可以理解为中心轴与主轴直接形成一根直轴，且一体成形)，所述主轴转动轴线与所述中心轴线重合且主轴穿过摆盘与缸体转动配合，如果采用缸体安装在基体上的结构，则主轴直接转动配合穿过缸体和基体，如图2所示，主轴直接转动配合穿过基体(设置轴承)，所述摆盘与主轴之间具有供摆盘摆动的足够空间；本结构可使得上支撑体的传动结构的稳定性高及结构可以进一步简化。

本实施例中，还包括与缸体间转动配合的下支撑座5，所述上支撑座的驱动斜面与下支撑座上端面之间形成用于支撑摆盘的斜形空间，所述摆盘位于该斜形空间内并与下支撑座和上支撑座转动配合；当然，应根据结构设置，也可不设置下支撑座5，如图4所示的结构；

如图1、图2、图3所示，上支撑座4下端与下支撑座5上端之间形成环状的倾斜的圆环状空隙(斜形空间)，而摆盘安装在该空隙中并与上支撑座下端与下支撑座转动配合，从而被约束了轴向的自由度，则形成被驱动上下往复运动的可能；下支撑座一般通过润滑的角接触轴承可转动的设置于缸体上部，仅起到支撑作用即可，运行时可为随动状态，当然，也可与主轴(或与主轴建立驱动关系的中心轴)之间形成驱动，在此不再赘述；摆盘与上支撑座之间以及下支撑座之间均通过轴/径双向传载轴承连接，角接触轴承、轴承组合、滑动轴承等方式均可实现。

本实施例中，所述协同轴6与缸体2的缸的数量相同且分布位置与缸的位置相对应，更易于具有针对性的传递动力。

本实施例中，所述连杆8的两端分别以铰接的方式对应连接于摆盘3以及活塞9；如图7所示，本实施例采用球铰的方式连接，节约使用成本，且易于实现。

所述协同轴6与摆盘3和缸体2之间分别通过轴向滑动轴承可轴向的转动滑移配合；所述缸体与下支承座5之间通过带推力的轴承转动配合，本实施例采用角接触轴承；

如图1-4所示，所述摆盘3、上支承座4、下支承座5、缸体2均位于基体内，如图所示，所述基体内具有空腔，用于容纳上述组件；

所述主轴7通过轴承转动安装于基体1并伸出基体；

角接触轴承能够同时传递轴向和径向载荷，也可具有符合要求的高转速，还具有更为紧凑的装配体积，适合本发明的需要；

如图7所示，所述摆盘3与上支承座4之间设置有角接触推力轴承，同时承载摆盘传递过来的轴向载荷和径向载荷。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：包括缸体、传动组件和协同轴组件；

所述缸体具有一中心轴线，且缸体包括平行绕中心轴线按圆周阵列布置的至少两个缸，与所述缸配合设置有活塞，与所述活塞配合设置有连杆；

所述传动组件包括以相对于所述中心轴线倾斜的方式安装的摆盘，所述连杆一端连接活塞，另一端连接摆盘；所述摆盘可被驱动的绕中心轴线周期性摆动且摆动时摆盘轴线与中心轴线的交点位置不变，所述摆盘轴线的摆动轨迹为锥形，所述锥形的轴线与中心轴线重合，该驱动为活塞带动连杆形成或者为外部输入并带动连杆及活塞周期性往复运动；

所述协同轴组件包括至少两个绕所述中心轴线布置的协同轴，所述协同轴两端分别对应与摆盘和缸体通过圆柱副配合，使得摆盘与缸体之间形成圆周方向的同步；

所述协同轴包括固定连接的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段与摆盘轴线平行，第二轴段与缸体转动轴线平行，所述摆盘设有与第一轴段配合的摆盘协同轴孔，缸体设有与第二轴段配合的缸体协同轴孔。

2.根据权利要求1所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：还包括可绕所述中心轴线转动的上支撑座，上支撑座下端与摆盘配合形成驱动斜面，用于定位摆盘并可与摆盘相互驱动。

3.根据权利要求2所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：还包括基体，所述缸体的各个缸之间一体成形或固定连接，与所述基体固定或转动配合；所述上支撑座转动配合设置于基体。

4.根据权利要求3所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：还包括主轴，所述主轴与上支撑体同轴传动配合。

5.根据权利要求4所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：还包括中心轴，所述中心轴以与主轴同轴的方式与缸体或基体转动配合并设有倾斜轴段，所述倾斜轴段倾斜设置并与摆盘同轴转动配合。

6.根据权利要求5所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：所述主轴与中心轴之间通过倾斜轴段一体成形或固定连接使得主轴与中心轴形成整体的Z形结构。

7.根据权利要求4所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：所述主轴为直轴，所述主轴转动轴线与所述中心轴线重合且主轴穿过摆盘与缸体或基体转动配合，所述摆盘与主轴之间具有供摆盘摆动的足够空间。

8.根据权利要求4所述的轴协同摆盘式轴向活塞驱动装置，其特征在于：还包括与缸体间转动配合的下支撑座，所述上支撑座的驱动斜面与下支撑座上端面之间形成用于支撑摆盘的斜形空间，所述摆盘位于该斜形空间内并与下支撑座和上支撑座转动配合。

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