CN113811666B - 活塞装置 - Google Patents

Abstract

一种活塞装置，包括可在气缸内沿活塞轴线往复运动的活塞、可随活塞移动的齿条、构造成啮合和脱离齿条并可绕扇形齿轮轴线旋转的扇形齿轮、适于相对于活塞轴旋转的轨道气缸围绕轨道旋转轴，活塞连接到轨道。扇形齿轮和轨道旋转耦合。轨道的形状可以使得联接到轨道的活塞的运动基本上是非简谐的。此外，一种包括活塞装置的内燃机。

Description

活塞装置

技术领域

本发明涉及一种活塞装置和包括该活塞装置的内燃机。

背景技术

大多数使用流体膨胀来驱动活塞的发动机利用连杆将曲轴连接到活塞上，将活塞的往复运动转换为旋转运动。在WO2015/107330A2中公开了一种用于将动力从活塞传递到旋转轴的替代装置，其中活塞通过从动件连接到轨道上。从动件在轨道上形成的凸轮表面上运行，该凸轮表面绕轴线旋转。然而，由于从传递活塞动力所涉及的力，凸轮表面和从动件承受着高载荷。

发明内容

根据本发明，提供了一种活塞装置，包括：可在气缸内沿活塞轴线往复运动的活塞；与所述活塞一起可移动的第一啮合轮廓；具有第二啮合轮廓的可旋转元件，所述第二啮合轮廓被配置成接合和脱离所述第一啮合轮廓并可绕第一轴线旋转；用于围绕轨道旋转轴相对于气缸旋转的轨道，所述活塞耦接于所述轨道；其中所述可旋转元件和所述轨道在旋转中耦合。

通过这样的装置，可以通过啮合轮廓在活塞和可旋转元件之间传递动力，从而减少由于活塞与轨道耦合而在轨道上的磨损。

所述第一啮合轮廓可刚性地耦合到所述活塞。任选地，第一啮合轮廓可以形成活塞杆的一部分，活塞杆刚性地连接到活塞。通过这样的装置，可以确保活塞和第一啮合轮廓之间的有效动力传递。

轨道可以刚性地耦合到可旋转元件。可选地，轨道和可旋转元件都可以是单个部件的一部分，例如凸轮。在这样的装置中，轨道轴和第一轴可以是相同的轴。

所述活塞装置还可以包括连接到所述活塞的从动件，所述从动件被装置成沿着所述轨道的表面运行。所述从动件可以与所述轨道滑动接触，或者可以与所述轨道滚动接触，或者所述从动件可以设置为与所述轨道滑动和滚动接触。

活塞装置还可以包括多个从动件，每个从动件被装置成沿着轨道的表面运行。通过这样的装置，可以更好地分配轨道和从动件之间的力，从而减少磨损。

活塞装置可以包括多个同心轨道和至少一个与每个轨道接触的从动件。通过这样的装置，可以减少每个轨道上的磨损。每个轨道的中心可以是轨道的旋转中心，该旋转中心与轨道轴重合，轨道适用于绕轨道轴旋转。

轨道可以具有这样的形状，即耦合到轨道的活塞的运动基本上是非简谐的。例如，活塞在气缸内的位移分布可以，例如，包括在不同高度处的多个不同的局部上止点位置和/或在不同高度处的多个不同的下止点位置。 同样，活塞可以以不同的速度膨胀和收缩，而可旋转元件保持恒定的旋转速度。

轨道可以被成形为使得活塞被装置成对于可旋转元件的每一个完整旋转往复两次。

可旋转元件可装置成在轨道的多次旋转期间旋转一次。

第一啮合轮廓可装置成沿线性轴线往复运动。第一啮合轮廓的线性轴线可以是与第一轴线有固定距离。

该活塞装置可用于四行程发动机。

可旋转元件可以是扇形齿轮，并且扇形齿轮可以围绕其圆周的大约25%开齿。通过这种装置，扇形齿轮和齿条只能在四行程循环的膨胀行程上啮合。

所述轨道或每个轨道可以形成为板上的细长突起，所述板在垂直于轨道轴线的平面中基本上是平面的。通过这样的装置，提供了弹性轨道。

可旋转元件可通过形成在板上的键旋转地连接到轨道上。

活塞装置还可以包括当第一啮合轮廓与第二啮合轮廓接合时邻近第一啮合轮廓定位的支撑部分。通过这样的装置，可以减少第一啮合轮廓在接合期间的横向移动。

所述支撑部分可以耦合到所述可旋转元件，所述支撑部分被装置成与所述可旋转元件一起旋转。通过这样的装置，单个支撑部分可用于支撑多个第一啮合轮廓。

在一个示例中，所述活塞是第一活塞，所述第一啮合轮廓是第一个第一啮合轮廓，并且活塞装置还包括第二活塞和可与第二活塞移动的第二第一啮合轮廓，第二第一啮合轮廓被配置成啮合和脱离第二啮合轮廓。通过这样的装置，相同的轨道和可旋转元件可用于多个活塞，以便提供具有更好的功率重量比的发动机。

在一个示例中，第二活塞和第一活塞被装置成在相反的方向上移动。通过这样的装置，提供了一种更平衡的活塞装置。

根据本发明的第二方面，提供了一种内燃机，该内燃机包括根据第一方面的活塞装置。在另一种装置中，活塞装置可以形成泵的一部分，例如具有驱动活塞往复运动的输入轴，例如流体泵。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了一个发动机；

图2示出了省略了各种组件的发动机；

图3示出了省略了其他部件的发动机，使活塞装置可见；

图4示出了活塞装置；

图5示出了活塞杆；

图6示出了凸轮；

图7示出了第二活塞装置；

图8示出了第三活塞装置；

图9示出了第四活塞装置；和

图10示出了第五活塞装置；

具体实施方式

图1示出了包括气缸体组件12和两个头部组件14的内燃机10。气缸体组件12包括多个具有不同形状的壳体构件或板，将它们组合时形成气缸体12。

图2示出了发动机10，头部组件14被移除。所述头部组件包括气缸孔，每个气缸孔内设置相应的气缸套，每个气缸套内设置相应的活塞。在该视图中，可以看到活塞18从气缸体12中伸出。发动机10总共有四个活塞，它们以相对布置的关系耦合到两个轨道（轨道在图2中未示出）。因此，发动机10包括四个活塞组件，并且第一活塞组件的结构和功能将详细描述，可以理解，第二、第三和第四活塞组件在结构和功能上类似于第一活塞组件。尽管在图2中示出了四个活塞18，但应理解，可以使用任何其他数量的活塞，例如两个活塞或八个活塞。

每个活塞组件包括具有活塞头的活塞18，活塞头可在气缸套内移动。活塞头通过凸轮25上的轨道连接到具有旋转轴的输出轴上。

在图3中，气缸体12的几个板已经被移除，从而可以看到连接到第一和第二活塞组件的相应活塞杆20的其中一个凸轮25。活塞杆20设置成相对于气缸体12的板滑动并从板的边缘伸出。如图中所示，活塞杆20具有细长形状，主要由大致呈矩形的细长构件21形成。细长构件21在齿条22和连接端29之间延伸，连接端29设置成连接到活塞18的相应活塞头。

在每个活塞组件中，活塞18通过耦合轨道的从动件耦合到轨道。在所示的示例中，多个从动件28设置在细长构件21上，凸轮25具有用于与多个从动件28耦合的多个轨道26。凸轮25安装为绕轴线A旋转。当承载一个或多个轨道26的凸轮25绕轴线A旋转时，一个或多个从动件28与一个或多个轨道26耦合，引起活塞杆20的往复运动，从而引起活塞18的往复运动。

如图4所示，扇形齿轮23用于与齿条22啮合和脱离。扇形齿轮23具有围绕扇形齿轮圆周的大约25%延伸的齿形部分24。扇形齿轮23也可绕轴线A旋转。扇形齿轮23被键连接或以其他方式连接到凸轮25和发动机的输出轴，使得输出轴、凸轮25和扇形齿轮23的转速匹配。

扇形齿轮23还在齿轮的无齿部分具有切口30，该切口被设置为避免扇形齿轮阻碍活塞杆20的细长构件21。

从图4可以看出，多个轨道26中的一些可以是完整的环，使得从动件28中的一个在整个周期（凸轮25的完整旋转）的持续时间内与轨道26耦合，而其他轨道26可以仅围绕凸轮的扇区延伸，使得从动件28中的一个可以在周期的不同部分分别与轨道26耦合和脱离轨道26。

应当注意，图4所示的凸轮25的轨道26具有的形状，使得连接到轨道26的活塞18的运动基本上是非简谐的。例如，活塞在气缸内的位移分布，例如，可以包括在不同高度处的多个不同的局部上死点位置和/或在不同高度处的多个不同的下死点位置。可以看出，凸轮25的轨道26具有两个径向最小值和两个径向最大值，使得活塞18在凸轮25的每转一圈时往复两次。

应当理解，一个或多个轨道和一个或多个从动件可以采取各种不同的形状，从而可以定义轨道的轮廓以及因此耦合到轨道的活塞的运动，以在循环期间实现优化的性能。这种将活塞运动调整为实质上非正弦的方式与传统的曲柄和连杆式活塞装置明显不同，后者必须实现正弦或实质上正弦的活塞运动。当然，如果需要，轨道26和从动件28可以被装置成提供正弦或实质上正弦的活塞运动。

与扇形齿轮23耦合的轨道26的这种布置意味着活塞可以通过轨道26移动，但是齿条22将仅在循环的一部分期间与扇形齿轮23啮合。特别地，对于内燃机10，齿条22将仅在循环的膨胀行程期间与扇形齿轮23耦合，从而减小从动件28施加在轨道26上的峰值力。

图5示出活塞杆20的等距视图。尽管所示示例的活塞杆20具有立方体形状的构件21，但应理解，可以使用任何其他形状的细长构件，例如圆柱或三棱柱。

还可以看出，从动件28的形状使得在轨道26上平滑地滑动而不需要任何滚动元件。通过使用扇形齿轮23，可以部分地消除对滚动元件的需要，扇形齿轮23在驱动行程期间承载来自活塞的很大一部分载荷。然而，应该理解，设置在活塞杆上的从动件或从动件可以是滚动元件，或者可以是设计成通过与轨道接触而滑动和滚动的从动件。

图6示出了板形的凸轮25的视图，其中轨道26和扇形齿轮23形成为从板的表面突出。在这个例子中，凸轮在一个边缘上有一个平衡质量体（未标号）。

然而，可以理解，不一定要设置成板的形状，并且轨道26可以例如通过辐条装置连接到扇形齿轮23。还可理解，扇形齿轮23可与凸轮25一体成型，而不是作为通过键或以其他方式连接在一起旋转的单独部件提供。

或者，扇形齿轮23可以不是刚性地固定到轨道26，并且可以通过例如齿轮箱或阻尼构件连接，该齿轮箱或阻尼构件允许扇形齿轮23和轨道26有不同旋转速率。例如，可以使用2：1比的行星齿轮箱将轨道26连接到扇形齿轮23，从而轨道26的旋转速度是扇形齿轮23的两倍。这可以，例如，允许活塞具有一个简单的轨道形状实现四行程循环，其中只在一个行程中耦合扇形齿轮。

如果使用这样的齿轮箱，那么可以使用只有单个径向最大值和单个径向最小值的轨道。

作为另一替代方案，扇形齿轮23和轨道26可以绕不同的轴旋转，通过齿轮连接或带连接。

活塞18可以通过阻尼构件，例如，包括在活塞杆20中的缓冲器连接到齿条22，以减小在齿条22与扇形齿轮23的齿形部分24接合以及与扇形齿轮23的齿形部分24分离时施加的峰值力。

图7示出了根据本发明的另一种活塞装置。在图7中，示出了在气缸内往复运动的活塞118。活塞118通过枢轴销119连接到第一连接件120。在第一连接件120的另一端，第一连接件120通过第二枢轴销121连接到第二连接件130。第二连接件130在点132处枢转固定，以便与第一连接件120和活塞118形成机构。

点132相对于活塞118在内往复运动的气缸固定。应当理解，发动机可以，例如，在车辆内运动，但是在点132和气缸之间不会有相对运动。

第一连接件120还包括用于与第二啮合轮廓124耦合的啮合轮廓122，第二啮合轮廓124耦合到可绕轴线A1旋转的可旋转元件123。

在点132和轴A1之间没有相对运动。

第一啮合轮廓122包括多个接合表面122A和主接合表面122B。如可以看到的，接合表面122A被不同的节距分开，并且相对于第一连接件120具有不同的尺寸和倾斜度。当由活塞118、第一连接件120和第二连接件130形成的机构在活塞驱动行程中移动时，啮合轮廓的这种性质变化允许第一和第二啮合轮廓122和124保持接合。还可以看出，主第一接合表面122B位于第一连接件120的最末端处，以便与主第二啮合轮廓124A的接合和动力传递可以在活塞的驱动或膨胀行程内的早期阶段发生。

可旋转元件123包括第二啮合轮廓124，第二啮合轮廓124包括用于与第一啮合轮廓的相应接合表面122A接合的多个第二接合表面124A。啮合轮廓124还包括第二主接合表面124B，其将与第一啮合轮廓的主接合表面122B接合。可以看出，第二啮合轮廓122围绕可旋转元件123的圆周的大约25%延伸。

虽然所示的啮合轮廓每个都具有多个接合表面，但是第一连接件120上的单个接合表面和可旋转元件123上的单个接合表面可以足以提供动力传递，例如单个齿和槽装置。

活塞装置还包括轨道126和配置成沿着轨道126滚动的从动件128。也可以使用滑动从动件，该从动件将沿着轨道126滑动。从动件128连接到第一连接件120，轨道126和从动件128的作用可以使活塞118在回程中移动，并且轨道126可以以任何方式成形，设置成不同形状，以便为循环的不同行程提供不同的速度。例如，通过轨道和从动件布置，可实现活塞的基本非简谐运动。

图8示出了图7所示活塞装置的进一步改进的方案。在这种布置中，类似的部件用相对应的标号进行标记，为了简洁起见，这里不再重复对未改变的部件的描述。

绕轴线A2旋转的可旋转元件223与啮合轮廓224被制成一个整体。然而，图7中的可旋转元件123也同样可用于这里。

第二连接件230已被改进以具有第三啮合轮廓225。第三啮合轮廓225在第三啮合轮廓225与第一啮合轮廓222两者都将与第一啮合轮廓224接合的点处与第一啮合轮廓222基本一致。因此，施加在可旋转元件223上的力可以分布在第二啮合轮廓222和第三啮合轮廓225上。

尽管连接219被示为销钉接头连接，但同样可行的是，接头可以在垂直于活塞运动的方向上平移，同时不可旋转。

参考图9，在图8所示的装置的基础上进行了调整，使得仅第三啮合轮廓325与可绕轴线A3旋转的可旋转元件323接合。第二连接件330由三个分开的构件形成。第一构件330A从枢轴点332延伸到用于连接到第一连接件320的销接头；第二构件330B在枢轴点332和第三啮合轮廓325之间延伸；第三构件330C在第一连接件320和第二连接件330之间的啮合轮廓325和点连接321之间延伸。为了减轻重量，在第一、第二和第三构件330A、330B、330C之间有镂空空间。第二连接件330的枢轴点332与活塞分开大约45°，该角度在轴线A3处测量。通过使枢轴点332更靠近活塞318，在活塞318的驱动行程开始的点处提供更大的杠杆臂。

从图9可以看出，可旋转元件323的第一接合部324已经改变，以便与第三接合部325接合。

在图10所示的布置中，第二连接件430的形状已经改变，使得其具有含有第三接合部425的中心块，第一构件430A从中心部分延伸到枢轴点432，第二构件430B从中心部分延伸到销接头。还应注意，从动件428设置在第二构件430上，与第一连接件420相对。

第一接合部425的形状已经改变，使得它可以与第二接合部424配合，第二接合部424实质上为圆柱形轴承并且可以是可旋转轴承。

在图7至10的任何实施例中，从动件可以是设置在第一和第二连接件之间的枢轴销上的一个或多个滚子的形式。从动件也可以是设置在两个轨道之间的单个滚子，或者是两个滚子，其中一个与径向内轨道接合，另一个与径向外轨道接合。

尽管上面已经结合一个或多个优选实施例描述了本发明，但应理解，在不脱离所附权利要求中定义的本发明的范围的情况下，本发明可以进行各种改变或修改。

Claims (15)

1.一种活塞装置，包括：

可在气缸内沿活塞轴线往复运动的活塞；

可与所述活塞一起移动的第一啮合轮廓；

具有第二啮合轮廓的可旋转元件，所述第二啮合轮廓被配置成接合和脱离所述第一啮合轮廓并可绕第一轴线旋转；及

用于围绕轨道旋转轴相对于气缸旋转的轨道和连接到所述活塞的从动件，所述活塞通过所述从动件耦接于所述轨道，所述从动件被配置成沿着所述轨道的表面运行；

其中所述可旋转元件和所述轨道在旋转中耦合，并通过所述第一啮合轮廓和所述第二啮合轮廓在所述活塞和所述可旋转元件之间传递动力，从而减少由于所述活塞与所述轨道耦合而在所述轨道上的磨损。

2.根据权利要求1所述的活塞装置，其中所述第一啮合轮廓刚性地连接到所述活塞。

3.根据权利要求1所述的活塞装置，其中所述轨道刚性地连接到所述可旋转元件。

4.根据权利要求1所述的活塞装置，还包括多个从动件，每个从动件被配置成沿着所述轨道的表面运行。

5.根据权利要求1所述的活塞装置，还包括多个同心轨道。

6.根据权利要求1所述的活塞装置，所述活塞装置被配置成对应于所述可旋转元件的每次旋转，所述活塞往复两次。

7.根据权利要求1所述的活塞装置，其中所述第二啮合轮廓围绕所述可旋转元件的圆周的25%延伸。

8.根据权利要求1所述的活塞装置，其中，所述轨道形成为从板上突出，所述板在垂直于所述轨道旋转轴的平面上基本上是平的。

9.根据权利要求8所述的活塞装置，其中所述可旋转元件通过形成在所述板上的键可旋转地连接到所述轨道上。

10.根据权利要求1所述的活塞装置，还包括支撑部，所述支撑部在所述第一啮合轮廓与所述第二啮合轮廓接合时邻近所述第一啮合轮廓，以减少所述第一啮合轮廓在接合期间的横向移动。

11.根据权利要求10所述的活塞装置，其中所述支撑部连接到所述可旋转元件，所述支撑部被配置成与所述可旋转元件一起旋转。

12.根据权利要求1所述的活塞装置，其中所述活塞是第一活塞，所述第一啮合轮廓是第一的第一啮合轮廓，所述活塞装置进一步包括第二活塞和可与所述第二活塞一起移动的第二的第一啮合轮廓，所述第二的第一啮合轮廓配置成啮合和脱离所述第二啮合轮廓。

13.根据权利要求12所述的活塞装置，其中所述第二活塞和所述第一活塞被配置成在相反的方向上移动。

14.根据权利要求1所述的活塞装置，其中，所述轨道的形状使耦合到所述轨道的所述活塞的运动实质上是非简谐的。

15.一种内燃机，包括前述任一权利要求所述的活塞装置。