CN1272592A - 旋转连杆机构 - Google Patents

Abstract

一种可广泛用于内燃机、空压机和油泵设计的旋转连杆机构,是在缸体中装有旋转套和螺旋转换套,旋转套通过轴承支承在缸体内由后盖固定,其伸出端装有飞轮,螺旋转换套和气缸分别与缸体联为一体,气缸内腔装有活塞,活塞一端通过轴承与连杆相联接,在连杆中部固接有传力套,传力销两端则分别位于传力套孔中和螺旋转换套槽中,在连杆另一端周面上装有钢球,钢球凸出部则位于旋转套槽中。

Description

旋转连杆机构

本发明涉及一种将机械的往复直线运动转变为旋转运动的机械结构。

目前将机械的往复直线运动转变为旋转运动的机构，系英国人瓦特发明蒸气机时，为了将蒸气的热能转换为机械能，设计了曲柄连杆机构，其工作原理系：当活塞在蒸气的压力推动下，推动连杆带动曲柄旋转，从而输出机械能。由于该机构制造简单，传递扭矩大，使用可靠等优点，是机械产品的精典结构，在全世界得到了广泛的应用。当发明内燃式发动机时，也原封不动地采用了曲柄连杆机构，应用于摩托车、汽车、火车、轮船、飞机等发动机制造。

该机构在内燃式发动机中的应用原理如图1.曲柄连杆机构内燃式发动机示意图，资料来源于《汽车构造》第二页，由吉林工业大学汽车教研室编，人民交通出版社1978年出版。其工作过程如下：在气缸3上部安装进气门1、排气门2，当活塞4在可燃气体压力作用下，由上止点a向下止点b移动，推动连杆5带动曲柄6旋转，活塞4往复直线运动四次，曲柄6旋转二周，产生可燃气体的进气、压缩、工作、排气四个工作循环。其中一个工作循环作功，其余三个工作循环为作功的准备过程。为四行程内燃式发动机。

根据曲柄连杆机构的逆向运动规律，当通过外部动力带动曲柄6旋转，活塞4也将作往复直线运动。设计空气压缩机时，从进气门1吸入空气，将空气压缩从排气门2排气；设计液压油泵时，从进气门1吸入液压油，将液压油压缩，从排气门2排出。曲柄6旋转一周，活塞4往复二次，实现一个工作循环。

进入20世纪后，随着科学技术的进步，人类为了获取高转速、大功率的发动机，对轿车发动机进行了重大改革，采用全世界最先进的技术手段。如：电脑控制直喷燃烧、增大气缸压缩比，并同时采用防爆震装置、设计多气门进排气、利用废气增压等方法，效果并不显著，其主要原因是曲柄连杆机构的缺陷，严重地阻碍了内燃式发动机设计上的进一步发展。表现为：

1.为了获取发动机的高转速，却因活塞直线运动方向与曲柄旋转中心轴线交角为90°，无法避免所增大的不平衡惯性力。

2.曲柄旋转二周，仅一次作功行程的固有原理限制了发动机功率的提高，指四行程发动机。

3.活塞行程与曲柄旋转直径相等，相互依存，并相互制约。在发动机设计中，既要提高输出扭矩，又要提高转速而达到提高功率的理想匹配，是不可能实现的。

4.运用曲柄连杆机构制造多缸发动机、空气压缩机、液压油泵时，采用一根曲柄上加工多个曲拐，气缸为多缸整体，其曲柄、气缸制造复杂，成本高，其使用可靠性与经济性差表现为：当一个曲拐或一个气缸损坏时，需整体更换曲柄和气缸；当一个曲拐或气缸磨损需要修理时，需将整台发动机或设备解体维修，其维修复杂；当一个曲拐或气缸出现故障时，若因操作者判断失误，带病运行，其严重后果为损坏整个曲柄或气缸。

在改进传统的曲柄连杆机构的过程中，20世纪50年代德国人汪克尔氏发明了三角转子活塞发动机是具有较高创意的成果。其工作原理如图2.三角转子活塞发动机示意图，资料来源于《汽车构造》第207页，吉林工业大学汽车教研室编，人民交通出版社1978年出版。其技术特点为：输出轴10旋转方向与三角转子活塞8旋转方向一致。三角转子活塞8将八字型气缸7分成三个燃烧室，当三角转子活塞8受可燃性气体压力推动下旋转，通过外齿圈9、内齿圈11带动输出轴10旋转，输出机械能。三角转子活塞8旋转一周，从进气口13吸入可燃气体，由火花塞12点火，使三个燃烧室产生进气、压缩、工作、排气四个工作循环，废气从排气口14排出，相当于三个气缸工作，带动输出轴旋转三周。其发动机特点为转速高、马力大、扭矩小，其原因是输出轴偏心矩小。该发明曾经轰动全世界，很多国家都引进专利进行试制。1969-1970年间本人曾主持过三角转子发动机的试制工作，不仅制出样机，而且成功地装车路试，但终因材料等诸多原因，一直无法解决密封性差、磨损快、使用寿命短等缺陷，而告失败。目前全世界仅有日本马自达公司在部份轿车上装有该机型，但一直未能大规模商品化。

本发明的目的在于提供一种将机械的往复直线运动转变为旋转运动的旋转连杆机构。

本发明的目的是这样实现的：即：这种旋转连杆机构，包括气缸、活塞和连杆，其关键在于：在缸体左、右腔内装有旋转套和螺旋转换套，旋转套通过轴承支承在缸体内由后盖固定，其伸出端装有飞轮，螺旋转换套分别与缸体、气缸联为一体，气缸内腔装有活塞，活塞通过轴承与连杆一端相联接，在连杆中部固接有传力套，传力销则插在传力套中，其端部嵌在螺旋转换套槽中，在连杆的另一端周面上，装有钢球，钢球的凸出部则位于旋转套的槽中。

可述的活塞其中心线与轴承中心线偏心布置，其目的在于确保活塞不能旋转，只能作往复直线运动。

可述的旋转套内表面设有三条等分半圆弧直线沟槽。

可述的螺旋转换套内表面加工有对称左、右螺旋圆滑相交的半圆弧沟槽。

按照上述组装而成的旋转连杆机构其工作情况如下述：

活塞在初始力的作用下，由上止点向下止点移动时，通过连杆传力销作用于固定的螺旋转换套的内螺旋左弧面沟槽，产生一个水平分力和切向分力，使连杆处于直线运动和旋转运动态势，其切向分力通过连杆上的钢球，带动旋转套旋转，同时带动活塞，由上止点向下止点移动。当到达下止点时，在飞轮的惯性作用下，通过传力销作用于螺旋转换套内的内螺旋右弧面沟槽，产生切向分力的同时产生一个反向水平分力，连杆在保持旋转运动的同时，改变其直线运动方向，带动活塞由下止点向上止点移动。如此往复运动，将活塞的往复直线运动转变为旋转运动。

根据以上运动原理，当飞轮在外力作用下旋转时，旋转运动转变为往复直线运动。

本发明与现有技术相比有以下特点：

1.由于在缸体内同一轴心线上安装旋转套、螺旋转换套、连杆、活塞，所以活塞往复直线运动与旋转套旋转中心轴线平行。

2.连杆与螺旋转换套、活塞、旋转套相互连接，当活塞受压力直线运动时或飞轮受惯性力旋转时，都同时作用于连杆上，通过传力销沿螺旋转换套螺旋弧面沟槽运动，在不改变旋转运动方向的同时改变直线运动方向，其往复直线运动与旋转运动同步。

3.当旋转套旋转一周时，活塞往复直线运动次数与螺旋转换套内螺旋线导程相关，可根据需要而选定，当导程为螺旋转换套内径Dπ/4时活塞往复直线运动四次，一个气缸相当于二个气缸工作；当导程为螺旋转换套内径Dπ/6时，活塞往复直线运动六次，一个气缸相当于三个气缸工作；当导程为螺旋转换套内径Dπ/8时，活塞往复直线运动八次，一个气缸相当于四个气缸工作。

4.由于活塞的行程S是由螺旋转换套的螺旋线升程确定，与螺旋转换套的直径D不相互制约。D相当于曲柄连杆机构的曲柄旋转直径。当活塞行程S为一定值时，螺旋转换套的直径D、导程h、螺旋角α、传力销倾角β可根据使用条件和要求，选择参数，设计出不同性能、适合不同使用条件的内燃式发动机、空气压缩机、液压油泵等机械产品。

5.本发明在制造单缸机的基础上，为增大气缸总排量，采用积木组合形式，可组合成任意数量的多缸机，其各缸之间采用齿轮连接传动，齿轮传动具有传递扭矩大、制造简单、成本低、耐磨损不易损坏，其运行可靠。气缸采用单缸制造，组合成的多缸机具有运行可靠、经济性好的特点。表现为：当一个旋转连杆机构或气缸磨损或损坏时，不需解体整台设备即可维修和更换；因操作者判断失误，带病运行，最大损坏为一个旋转连杆机构或一个气缸，其经济损失小。附图3-图9。

图1为现有技术曲柄连杆机构内燃式发动机的结构简图；

图2为现有技术三角转子活塞发动机的结构简图；

图3为本发明旋转连杆机构结构示意图；

图4为图3A-A剖面图；

图5为本发明的螺旋转换套内表面展开图；

图6为本发明的第二实施例，为旋转连杆机构单缸机的示意图；

图7为本发明的第三实施例，为旋转连杆机构双缸布局示意图；

图8为本发明的第四实施例，为旋转连杆机构多缸直线布局示意图；

图9为本发明的第五实施例，为旋转连杆机构多缸圆周布局示意图。

以下将结合附图对本发明的具体结构作进一步的描述。

图3、图4、图5展示了本发明的第一实施例。在本实施例中，旋转套直径d大于螺旋转换套直径D。传力销倾角β应保持一定角度，其目的是保证活塞15在初始运动处于上下止点时产生回转力矩。在缸体23左腔安装有旋转套26。该套由轴承24支承在缸体23内，由后盖27固定，可作旋转运动，在旋转套26内部加工有三条等分半圆弧直线沟槽，其工作行程与活塞行程相等。保证连杆18在带动旋转套26旋转时，可在旋转套26内往复直线运动。在缸体23右腔与旋转套26相邻安装有螺旋转换套22。螺旋转换套22固定在缸体23上，其内表面加工成对称的左、右螺旋圆滑相交的半圆弧沟槽。当螺旋转换套22固定，连杆18沿螺旋转换套22内螺旋曲线旋转一周，导程为Dπ/4时，往复直线运动四次。在缸体23的右端安装气缸17，气缸17内装有活塞15，活塞15内装有轴承16，轴承16中心线与活塞15中心线偏心布置，以保证活塞不能旋转，只作往复直线运动。在连杆18左端加工成花键状，见图4，键上有半圆弧凹坑，坑中装有钢球25，通过钢球25与旋转套26内半圆弧直线沟槽配合，保证连杆18旋转时同时带动旋转套26旋转，并作往复直线运动，在连杆18的中部安装传力套20，并由锁紧销19固定，其传力套20内安装二个传力销21，传力销21顶端加工成半圆形球面，与螺旋转换套22内螺旋半圆弧沟槽相配合，并保持一定倾角，以保证连杆18沿螺旋转换套22内螺旋弧面沟槽运动，连杆18右端通过与轴承16、活塞15连接。当活塞15在初始力作用下，由上止点a向下止点b移动，通过连杆18、传力套20、传力销21的球面作用在固定的螺旋转换套22的内螺旋左旋弧面沟槽产生一个水平分力和切向分力，使连杆18处于直线运动与旋转运动的态势。其切向分力通过连杆18上的钢球25推动旋转套26旋转，同时带动活塞15在不旋转的情况下，由上止点a向下止点b移动。当到达下止点b时，在飞轮28惯性力作用下，通过连杆18的传力销21作用于螺旋转换套22的内螺旋右旋弧面沟槽，产生切向分力的同时产生一个反向水平分力，使连杆18在保持旋转运动的同时，改变直线运动方向，带动活塞15由下止点b向上止点a移动。如此往复运动，就将活塞15的往复直线运动转变为旋转套26的旋转运动。

根据以上运动规律的逆向运动，当飞轮28在外部作用力带动下，同样可带动活塞15作往复直线运动。

以上结构中S-活塞行程、D-螺旋转换套直径、d-旋转套直径、β-传力销倾角、h-导程、α-螺旋角、π-圆周率、c-偏心距。

图6.旋转连杆机构单缸机31示意图。为本发明的第二实施例。该实施例是在第一实施例基础上的具体运用。在气缸17上部设计进气门29、排气门30，用于设计制造单缸内燃式发动机时，当螺旋转换套内螺旋线导程h为Dπ/4，活塞15在可燃气体压力作用下，往复直线运动四次，旋转套26转动一周，产生可燃气体的进气、压缩、工作、排气四个工作循环。其中一个工作循环作功，其余三个工作循环为作功的准备过程。其工作原理与现有四行程内燃式发动机原理相同。

用于设计制造单缸空气压缩机时，飞轮28在外部动力作用下旋转，当螺旋转换套内螺旋线导程为Dπ/4时，空气经过进气门29吸入气缸17，经压缩从排气门30排出。活塞15往复直线运动四次，产生两个工作循环，其工作原理与现有空气压缩机原理相同。

用于设计制造单缸液压油泵时，飞轮28在外部动力作用下旋转，当螺旋转换套内螺旋线导程为Dπ/4时，液压油经过进气门29吸入气缸17，经压缩从排气门30排出。活塞15往复直线运动四次，产生两个工作循环，其工作原理与现有液压油泵工作原理相同。

以上所述，该实施例与第一实施例的唯一区别在于在气缸上增设了进、排气门。

图7.旋转连杆机构双缸布局示意图。为本发明的第三实施例，其目的是扩大气缸总排量。用于设计制造小排量内燃式发动机时，单缸机31应设计成左、右排列，旋转方向相反，作功循环应互相交错180°，其目的是保证运转平稳、受力均匀，通过齿轮32输出动力。

用于设计制造小排量空气压缩机、液压油泵时，单缸机31应设计成左、右排列，活塞15到达上止点a位置应互相交错180°，其目的是保证运转平稳、受力均匀，当外部动力带动齿轮32旋转时，旋转套26旋转，活塞15往复直线运动，排出高压气体或高压油。

图8.旋转连杆机构多缸直线布局示意图。为本发明的的第四实施例，其目的是扩大气缸总排量的一种组合形式。

用于设计制造内燃式发动机时，根据工作需要，可任意选定单缸机31数量。相邻两缸旋转方向相反，各缸工作循环应根据单缸机31数量，平均等分角度相互交错安装，其目的是保证运转平稳、受力均匀，各缸用齿轮32连接传动，通过齿轮32输出动力。

用于设计制造空气压缩机、液压油泵时，根据工作需要可任意选定单缸机31数量，各缸活塞15到达上止点位置，应根据单缸机31数量平均等分角度相互交错安装，其目的是保证运转平稳、受力均匀，各缸用齿轮32连接传动。当外部动力带动齿轮32旋转时，旋转套26旋转，带动活塞15往复直线运动，排出高压气体或高压油。

图9.旋转连杆多缸圆周布局示意图。为本发明的第五实施例，其目的是扩大气缸总排量的一种组合形式。设计制造内燃式发动机时，根据工作条件，选定单缸机31数量，单缸机31旋转方向应一致，各缸工作循环应根据单缸机31数量平均等分角度相互交错安装，其目的是保证运转平稳、受力均匀，各缸用齿轮32连接传动，通过齿轮32输出动力。

用于设计制造空气压缩机、液压油泵时，应根据工作条件，选定单缸机31数量，各缸活塞15到达上止点a位置，应根据单缸机31数量平均等分角度相互交错安装，其目的是保证运转平稳、受力均匀，各缸用齿轮32连接传动，当外部动力带动齿轮32旋转时，旋转套26旋转，带动活塞15往复直线运动，排出高压气体或高压油。

Claims (4)

1.一种旋转连杆机构，包括气缸、活塞和连杆，其特征在于：在缸体(23)左、右腔内分别装有旋转套(26)，旋转套(26)通过轴承(24)支承在缸体(23)内、由后盖(27)固定，其伸出端装有飞轮(28)，螺旋转换套(22)和气缸(17)分别与缸体(23)联为一体，气缸(17)内腔装有活塞(15)，活塞(15)通过轴承(16)与连杆(18)一端相联接，在连杆(18)中部，固接有传力套(20)，传力销(21)插在传力套(20)中，端部嵌在螺旋转换套(22)槽中，在连杆(18)的另一端周面上，装有钢球(25)，钢球(25)的凸出部则位于旋转套(26)槽中。

2.按照权利要求1可述的旋转连杆机构，其特征在于旋转套(26)内表面设有三条等分半圆弧直线沟槽。

3.按照权利要求1可述的旋转连杆机构，其特征在于螺旋转换套(22)内表面加工有对称的左、右螺旋圆滑相交的半圆弧沟槽。

4.按照权利要求1可述的旋转连杆机构，其特征在于活塞(15)中心线与轴承(16)中心线偏心布置。

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