CN114753922A - 一种双连杆曲柄活塞机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力机器的技术领域，一种双连杆曲柄活塞机构，包括缸体、活塞、曲轴和机架，其特征在于：所述活塞和曲轴之间铰接有双连杆，内连杆和外连杆的铰接端同时与滑块或者摆臂铰接，滑块与导轨滑动连接，摆臂与机架铰接，外连杆的另一端与曲轴柄铰接；活塞行程要大于曲轴柄长度的两倍以上，活塞上行和下行运行速度相差1.4‑3倍。通过串联双连杆的使用，减少了活塞所承受的侧向力，提高了发动机寿命，同时实现了活塞上下行运行的速度和时间不同，曲轴的做功角度达到了210‑270度，动力使用效率更高，机构运行更加平稳。

Description

一种双连杆曲柄活塞机构

技术领域

本发明涉及一种动力机器的技术领域，更具体的说涉及一种双连杆曲柄活塞机构。

背景技术

活塞曲柄结构,广泛应用于发动机等机械中,一种4行程发动机，在不考虑排气提前角的情况下，通常是在曲轴旋转720度完成一个做功循环，进气活塞上止点到下止点曲轴转角180°，压缩行程活塞下止点到上止点曲轴转角度180°，做功行程，活塞上止点到下止点曲轴转角度180°，排气行程，活塞下止点到上止点曲轴转角度180度，每个行程曲轴转角都是180度。4缸发动机不考虑排气提前角，可以连续做功，三缸发动机发动输出就很不连贯了，三缸发动机每个缸做功推力曲轴转角也是只有180度，因此有60度的停顿区，造成发动机的振动是很难避免的。由于三缸机的缺点抖动、噪音、动力不足，发动机存在内部零件极易受损的问题，即使是四缸发动机，由于广泛使用的排气提前角，也会造成曲轴动力间断的问题。因此需要重新研究设计一种发动机做功角度的问题，尽可能连续提供曲轴动力。例如中国发明专利CN201410429448.5 一种往复活塞四冲程发动机：曲轴支点，即曲轴的轴线设置于活塞运动方向的延长线的一侧，而非位于该延长线上，这使得四个冲程的工作时间不一致，具体地表现为吸气冲程和做功冲程的工作时间长于压缩冲程和排气冲程。通过延长吸气冲程和做功冲程的工作时间，一方面可以吸入足够的空气以提高混合气的含氧量，另一方面又可以提供更长的时间以满足混合气充分燃烧，这极大的提高了燃料的利用率和做功效率，而经过充分燃烧后排放的气体含有更少的杂质和有害物质，可以降低其污染能力，改善城市环境和空气质量。这是一种微调，吸气冲程和做功冲程相差无几。又如中国发明专利CN201010541856.1 曲滑道发动机，采用了特殊形状及构造的曲滑道轴，使发动机在一个完整的做功循环内， 增加了进气冲程和做功冲程的时间，减少压缩冲程和排气冲程的时间。让发动机吸进更多的 新鲜空气，做功持续更多的时间，压缩冲程和排气冲程速度加快，提高了发动机的工作效率。曲轴外缘的运动轨迹不是圆周轨迹，偏转轴的固定端作为动力输出轴，而不是曲轴，偏转轴和曲轴有相对运动，多缸动力输出很可能会造成连接件易损。

发明内容

本发明提供一种双连杆曲柄活塞机构，在两个连杆的连接端共同铰接导轨上的滑块或者摆臂的活动端，内连杆和外连杆分别铰接活塞和曲轴，这样可以改变活塞的受力状况，提高活塞的运行速度和使用寿命;通过外连杆和曲柄的配合,重新分配了活塞上下行的速度和曲轴相应的旋转角度，增加机构的做功能力。

本发明采取下述技术方案，一种双连杆曲柄活塞机构，包括缸体、活塞、曲轴和机架，其特征在于：所述活塞和曲轴之间铰接有双连杆，内连杆和外连杆的铰接端同时与滑块或者摆臂铰接，滑块与导轨滑动连接，摆臂与机架铰接，外连杆的另一端与曲轴柄铰接；活塞行程大于曲轴柄长度的两倍以上，活塞上行和下行运行速度相差1.4-3倍。普通发动机活塞的行程是曲轴柄长度的两倍整，长了和短了都不行，要改变活塞上下行的运行速度，通常是靠曲柄轴和活塞的偏心设置来实现，这样活塞一直在承受交变的侧向力，造成发动机寿命缩短，同时也不利于转速的提高，活塞上下行的速度差也不能大幅度改变。本发明是内外连杆同时与滑块或者摆臂铰接，滑块在导轨上运行，摆臂绕支点旋转，这样活塞主要承受轴向力，曲轴产生的侧向力将由导轨或者摆臂来承受；外连杆的使用，能将活塞和曲轴的动力传递角度分配更合理。通常曲轴柄长度是活塞行程的20%-45%，外连杆的长度是曲轴柄长度的1.3倍以上，这些数据是多次试验的结论。本发明的目的是活塞上下行运行的速度和时间不同，曲轴的做功角度在210-270度，使得动力输出更加平稳。尤其是应用在四冲程三缸发动机上，曲轴做功角度在630-720度，每一个气缸最大可以有30度的重叠角。加上排气提前角，也可以达到或者接近曲轴无间断动力输出，减少了发动机抖动。应用在空压机上，降低活塞压缩的运行速度，改善了曲轴的受力状况，提高了动力的利用效率。

作为优选，所述内连杆的外端铰接点，始终在活塞中心线的一侧运动。这样是的结构是保证活塞单向承受侧向力。

作为优选，所述的导轨是弧面结构。通过滑块的弧面运动来调整外连杆驱动曲轴的角度，增加发动机做功的能力。

作为优选，所述的导轨为直线加尾部弧面的结构。导轨采用直线末端为弧面的结构，这样可以避开活塞初始下行的爆发力，在滑块运行的末端通过弧面来调整外连杆驱动曲轴的角度，增加发动机做功的能力。

作为优选，所述的导轨一端与机架铰接，导轨的另一端设有电机驱动的凸轮，凸轮槽内设有铰接的拨叉，拨叉与导轨滑动连接。就是说导轨以内连杆低位下端点处为铰接点可以摆动，驱动是一个主动凸轮拨动导轨做小幅度摆动，其目的是为了活塞变换行程，导致气缸压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。

作为优选，所述的导轨一端与机架铰接，导轨的另一端设有电机驱动的丝杠，丝杠上的螺母与导轨拨叉连接。就是说导轨以内连杆低位下端点处为铰接点可以摆动，驱动是一个主动丝杠拨动导轨做小幅度摆动，其目的是为了活塞变换行程，导致气缸压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。

作为优选，所述的摆臂与曲轴在同一侧。主要是为了有利于外连杆与曲轴力的传递，便于增加曲轴做功角度。

作为优选，所述的摆臂为异形结构。主要是为了规避发动机的其它零部件的结构，缩小设备尺寸。

作为优选，所述的摆臂在曲轴的下方。主要是为了缩小机构的尺寸。

作为优选，所述的摆臂铰接点设在弧形齿条上，弧形齿条啮合的主动齿轮驱动弧形齿条以内连杆低位端点处为中心摆动。摆臂铰接点这个小幅度摆动，其目的是为了活塞变换行程，导致压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。

作为优选，所述弧形齿条的曲率半径与摆臂铰接点到内连杆低位端点的距离相同。这样弧形齿条是以内连杆低位下端点为中心在机架上摆动，其目的是为了活塞变换行程，导致气缸压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。

作为优选，所述主动齿轮在弧形齿条的内弧边, 弧形齿条的外弧边设有随动自锁齿轮。自锁齿轮跟随主动齿轮运动或停止, 主动齿轮停止自锁齿轮锁紧不能转动。

本发明专利提供了一种双连杆曲柄活塞机构，通过双连杆的使用，减少了活塞所承受的侧向力，提高了发动机寿命，同时实现了活塞上下行运行的速度和时间不同，曲轴的做功角度达到了210-270度，动力利用效率更高，机构运行更加平稳可靠。

附图说明：

图1为本发明弧面导轨左侧曲轴结构内连杆高位端点的示意图；

图2为本发明弧面导轨左侧曲轴结构内连杆低位端点的示意图；

图3为本发明弧面导轨左侧曲轴轨迹组合示意图；

图4为本发明弧面导轨凸轮调频结构示意图；

图5为本发明弧面导轨右侧曲轴内连杆高位端点的示意图；

图6为本发明弧面导轨右侧曲轴内连杆低位端点的示意图；

图7为本发明弧面导轨右侧曲轴连结构轨迹组合示意图；

图8为本发明直线加弧面导轨丝杠调频结构示意图；

图9为本发明直线加弧面导轨左侧曲轴内连杆高位端点的示意图；

图10为本发明直线加弧面导轨左侧曲轴内连杆低位端点的示意图；

图11为本发明直线加弧面导轨左侧曲轴结构轨迹组合示意图；

图12为本发明摆臂左侧曲轴内连杆高位端点的示意图；

图13为本发明摆臂左侧曲轴内连杆低位端点的示意图；

图14为本发明摆臂左侧曲轴结构轨迹组合示意图；

图15为本发明异形摆臂左侧曲轴结构内连杆低位端点的示意图；

图16为本发明异形摆臂左侧曲轴结构内连杆高位端点的示意图；

图17为本发明异形摆臂左侧曲轴结构轨迹组合的示意图；

图18为本发明异形摆臂弧面齿条调频结构示意图；

图19为本发明异形摆臂右侧曲轴结构内连杆低位端点的示意图；

图20为本发明异形摆臂右侧曲轴结构内连杆高位端点的示意图；

图21为本发明异形摆臂右侧曲轴结构轨迹组合的示意图；

图中：01. 缸体 02. 火花塞和喷油总成 03. 进气阀 04. 排气阀 10. 活塞 20.内连杆 30. 外连杆 40. 曲轴柄 41. 曲轴 50. 弧面导轨 60. 直线加弧面导轨 61.凸轮62. 拨叉 63.丝杠 64.螺母 70. 摆臂 71.弧形齿条 72.齿轮 73锁紧齿轮 81高位端点82低位端点

具体实施方式：

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

实施例一，结合图1、2、3，一种双连杆曲柄活塞机构，包括缸体01、火花塞和喷油总成02、进气阀03、排气阀04、活塞10；活塞10铰接内连杆20，内连杆20的外端同时铰接外连杆30和弧面导轨50上的滑块，曲轴41在缸体01的左侧，滑块始终在缸体01中心线的右侧运动；外连杆30铰接曲轴柄40，曲轴柄40推动曲轴41。机构的结构参数是：设定活塞10的行程是100，则内连杆20的长度是110，外连杆30的长度分别是67.8，曲轴柄40的长度分别是20，弧面导轨50的曲率半径128.44。

由于本发明使用了外连杆30和弧面导轨50，改变了曲轴柄40的受力位置，重新分配了活塞10下行和上行曲轴柄40的旋转角度，由于曲轴41的旋转是匀速的；活塞10下行通过内连杆20、外连杆30，推动曲柄40向下运动，曲轴41顺时针旋转，一直到外连杆30和曲柄40重叠，活塞10运行到了下止点，这是气缸做功和吸气活塞10的运动过程；由于曲轴41继续旋转，通过曲柄40、外连杆30和内连杆20推动活塞10开始上行，活塞10一直上行到上止点，这是气缸排气和压缩活塞10的运动过程；曲轴41是匀速旋转的，这样活塞10下行的时间就远远大于上行的时间，活塞10上行速度就是下行速度的3倍，活塞10吸气和做功时曲轴柄40的旋转角度R为270度。本发明应用在发动机上，活塞10所承受的侧向力很少，主要通过滑块传递到弧面导轨50来承受，提高了发动机的使用寿命，减少了曲轴41无扭力运行时间，动力输出更平稳，尤其或减少三缸发动机的抖动，具有广阔的市场前景。

实施例二，结合图1、2、3、4，一种双连杆曲柄活塞机构，与实施例1的区别在于：所述的弧面导轨50在内连杆低位端点82处与机架铰接，内连杆高位端点81处的下方设有电机驱动的凸轮61，凸轮61槽内设有铰接的拨叉62，拨叉62与弧面导轨50滑动连接。

电机驱动凸轮61旋转，凸轮61带动拨叉62偏移，拨叉62偏移导致弧面导轨50沿内连杆低位端点82摆动，由此产生活塞10行程变化，导致压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。其它结构和原理与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例三，结合图5、6、7，一种双连杆曲柄活塞机构，与实施例1的区别是：曲轴41在缸体01的右侧，滑块始终在缸体01的左侧运行。

活塞10下行通过内连杆20、外连杆30，拉动曲柄40向上运动，曲轴41逆时针旋转，一直到外连杆30和曲柄40成直线，活塞10运行到了下止点，这是气缸做功和吸气活塞10的运动过程，R的角度是270度；由于曲轴41继续旋转，通过曲柄40、外连杆30和内连杆20推动活塞10开始上行，活塞10一直上行到上止点，这是气缸排气和压缩活塞10的运动过程；活塞10上行速度就是下行速度的3倍，R的角度是270度；其它结构和原理与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例四，结合图8、9、10、11，一种双连杆曲柄活塞机构，与实施例1的区别是：这台发动机使用的是直线加弧面导轨60，所述的直线加弧面导轨60在低位端点82处与机架铰接，直线加弧面导轨60在高位端点81的下方设有电机驱动的丝杠63，丝杠63驱动螺母64，螺母64上铰接有拨叉62，拨叉62与直线加弧面导轨60滑动连接。机构的结构参数的变化：设定活塞10的行程是100，则内连杆20的长度是110，外连杆30的长度分别是86.6，曲轴柄40的长度分别是28.87，活塞10上行速度就是下行速度的2倍，活塞10下行做功时曲轴柄40的旋转角度R为240度。电机驱动丝杠63旋转，丝杠63带动螺母64上铰接有拨叉62偏移，拨叉62偏移导致直线加弧面导轨60沿内连杆低位下端点82摆动，由此产生活塞10行程变化，导致压缩比的变化，有利于发动机适用于各种动力输出。其它结构和原理与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例五，结合图12、13、14，一种双连杆曲柄活塞机构，与实施例1的区别在于：本发动机不使用导轨，而是在曲轴侧采用了弧形摆臂70；机构的结构参数是：外连杆30的长度是98.82，曲轴柄40的长度是45.06，摆臂70的直线长度是92.73，曲率半径是117.9，活塞10上行速度是下行吸气和做功速度的1.4倍，活塞10下行做功时曲轴柄40的旋转角度R为210度。其它结构和原理与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例六，结合图15、16、17、18，一种双连杆曲柄活塞机构，与实施例5的区别在于：外连杆30的长度是67.8，曲轴柄40的长度是20，摆臂70的直线长度是37.8，曲线的曲率半径是32.6，活塞10上行速度是下行吸气和做功速度的3倍，活塞10下行做功时曲轴柄40的旋转角度R为270度。弧形摆臂70铰接在弧形齿条71上，弧形齿条71与由电机驱动的齿轮72啮合，弧形齿条71的外弧面由锁紧齿轮73连接，一旦齿轮72停止运动锁紧齿轮73就会锁住;通过弧形齿条71的运动,改变摆臂70共同铰接的内连杆30和外连杆40的位置，由此产生活塞10行程变化，进而改变发动机的压缩比，有利于发动机适用于各种动力输出。其它结构和原理与实施例5相同，这里不再赘述。

实施例七，结合图19、20、21，一种双连杆曲柄活塞机构，包括缸体01、进气阀03、排气阀04、活塞10，曲轴41在缸体01的右侧，内连杆20和外连杆30的铰接点始终在缸体01中心线的左侧运行；活塞10铰接内连杆20，内连杆20的一端同时铰接外连杆30和摆臂70，摆臂70是由弧形体和直杆组成，外连杆30铰接曲轴柄40，曲轴柄40推动曲轴41。结构参数是：设定活塞10的行程是100，则内连杆20的长度是110，外连杆30的长度分别是67.8，曲轴柄40的长度分别是20，摆臂70的旋转半径是78。

本发明机构应用在气泵上了，曲轴41顺时针旋转，曲轴41拉动曲轴柄40，曲轴柄40拉动外连杆30，外连杆30推动内连杆20和摆臂70向上旋转，内连杆20推动活塞10向上压缩气缸内的空气从排气阀04排出，到上止点停止，曲轴41顺时针旋转了270度，这时关闭排气阀04，打开进气阀03，曲轴41继续顺时针旋转活塞下行，曲轴41顺时针旋转了90度活塞就到达了下止点。就是说活塞10上行的时间是下行的时间3倍，降低了活塞压缩空气的运行速度，改善了曲轴的受力状况，提高了动力利用效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双连杆曲柄活塞机构，包括缸体、活塞、曲轴和机架，其特征在于：其特征在于：所述活塞和曲轴之间铰接有双连杆，内连杆和外连杆的铰接端同时与滑块或者摆臂铰接，滑块与导轨滑动连接，摆臂与机架铰接，外连杆的另一端与曲轴柄铰接；活塞行程大于曲轴柄长度的两倍以上，活塞上行和下行运行速度相差1.4-3倍。

2.根据权利要求1所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述内连杆的外端铰接点，始终在活塞中心线的一侧运动。

3.根据权利要求2所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的导轨是弧面结构。

4.根据权利要求2所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的导轨为直线加尾部弧面的结构。

5.根据权利要求3或4所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的导轨一端与机架铰接，导轨的另一端设有电机驱动的凸轮，凸轮槽内设有铰接的拨叉，拨叉与导轨滑动连接。

6.根据权利要求3或4所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的导轨一端与机架铰接，导轨的另一端设有电机驱动的丝杠，丝杠上的螺母与导轨拨叉连接。

7.根据权利要求2所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的摆臂与曲轴在同一侧。

8.根据权利要求7所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的摆臂在曲轴的下方。

9.根据权利要求8所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述的摆臂铰接点设在弧形齿条上，弧形齿条啮合的主动齿轮驱动弧形齿条以内连杆低位端点处为中心摆动。

10.根据权利要求9所述的一种双连杆曲柄活塞机构，其特征在于，所述弧形齿条的曲率半径与摆臂铰接点到内连杆低位端点的距离相同。

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