CN1280647A - 摆动活塞式发动机 - Google Patents
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Abstract
一种液压或气压致动的摆动活塞式发动机或环形活塞式发动机,它包括具有环形缸轨圈(2)的缸体(1),摆动活塞(3)可以在该缸体中在两个相反摆动方向上往复摆动,而缸轨圈在其一个位置上被活塞腔壁(4)分开,所述活塞腔壁在活塞(3)两侧限定出活塞腔(5,6),摆动活塞(3)在所述缸体内通过飞轮部(10)与中心输出轴(13)相连,摆动活塞(3)超过每个摆向的340度－355度驱动角地工作,其特征在于,摆动活塞式发动机成型有两个彼此反向作用的自由轮离合器(14,15)和用于在摆动活塞(3)的一个摆动方向中使输出轴(13)转向反向的机构(17－21)。
Description
本发明涉及一种液压或气压致动的摆动活塞式发动机或环形活塞式发动机，这样的活塞式发动机是指具有可在圆环形柱腔(环形腔)内往复移动的活塞并具有中心动力输出轴的发动机，其中活塞被布置成能够在液压介质如油、水或其它液体或气压介质如空气、其它气体、水蒸汽、燃气等的作用下往复工作，压力介质被交替地导入相反的发动机压力腔中，使活塞实现往复摆动运动。
这种摆动活塞式发动机或环形活塞式发动机例如已经由DE-O-1750601或GB-P-2239053公开了。在这两篇专利文献所述的装置中，获得了输出轴的往复运动(振摆)，这种运动适用于某些应用场合。但是，可能很难将这样的往复运动作为驱动机构用于需要在同一个方向上连续驱动用途。因此，这种发动机不适于用作其中需要转向不变和转动力不变或近似不变的驱动力的转动机器、汽车和其它装置。
GB-A-2312248公开了另一种转动驱动装置。该旋转驱动装置形成一个在环形压力腔内移动以使驱动轴在通过棘轮离合器与该驱动轴相连的凸缘板上作角位移的活塞组件。驱动装置用于将压力信号转变成角运动并根据压力信号工作。
现有技术都没能利用往复摆动活塞式发动机来产生在输出轴单个方向上的均匀转动。
因此，本发明的主要目的就是要解决提供上述类型的摆动活塞式发动机的问题，其中输出轴在同一个方向上转动并具有可控制的不变或近似不变的驱动力，尽管活塞是在往复摆动运动。
这种发动机具有几种优点，即可以将发动机制得小巧、轻便、能很容易地使发动机动力适应于实际需要，可以通过许多不同类型的液压压力介质或气压压力介质来驱动发动机，与其重量相比，发动机可产生很高的效率，发动机在整个工作行程中可提供实际不变的动力，可以利用不产生对环境有任何不良影响的废气的压力介质来驱动发动机，与传统的奥托发动机、狄塞尔发动机、文科尔发动机或其它类型的内燃机相比，考虑到发动机效率地可以明显降低成本地制造本发明的发动机。本发明发动机的另一个很大的优点就是发动机在每个工作周期内作功远比传统内燃机在每个工作周期内所做功高，即比传统内燃机或四冲程型发动机在每个工作周期内高6倍-10倍的功，或者比二冲程发动机型内燃机所作的功至少高4倍。
在图1中示出了这样的内燃机公知的工作原理，所属内燃机具有一个往复活塞和一个包括一输出轴的转动曲柄轴。众所周知，来自这样的发动机的动力按照高斯曲线增大，因此，对于二冲程发动机来说，力从0度起缓慢提高，对于四冲程发动机来说，它从360度起提高，并分别在90度和450度时获得了最大的输出轴动力，此时力分别在180度和540度或在180度和450度之后马上缓慢递减到零。
摆动活塞式发动机可以设计成在几乎整个摆动运动中在两个对置方向的每个方向上都产生最大力。力输出限制是通过输入液压或气压压力介质并反转输入方向而实现的，这可以被限制为一圈转动的10度-20度。图2示意地示出了摆动活塞式发动机。
在图3中，用虚线表示摆动活塞式发动机的动力输出，并且在360度-540度之间的位置上用双影线示出类似于高斯曲线四冲程发动机的动力输出，是发动机两整转的动力。在图4中，在发动机两整转的情况下，分别相应地示出了摆动活塞式发动机和二冲程内燃机的动力输出。显然，四冲程内燃机所做的平均功只是摆动活塞式发动机在相同工作时间内所做功的1／8，二冲程内燃机所做功只是摆动活塞式发动机在等于输出轴两转的时间内所做功的1／4。
如上所述，普通的摆动活塞式发动机产生了输出轴的往复运动或振摆，在要求具有不变转向的驱动力的情况下，这种没有特殊措施的运动无法被用作驱动力。
因此根据本发明，摆动活塞式发动机形成有在摆动活塞的顺时针运动时或是在其逆时针运动时使输出轴的转动反向的机构。这可以如此实现，即发动机形成有行星齿轮，它在摆动活塞的一个运动阶段内使转向反向。为了能够在两个转向上都能够接收输出动力，摆动活塞式发动机还包括两个自由轮离合器，第一自由轮离合器用于向前，第二自由轮离合器用于向后。这两个自由轮离合器彼此相对安装在不同工作方向上以允许驱动并使自由轮在相反转向上移动，以转向不变地驱动输出轴。行星齿轮最好具有1∶1的变速比，但是为了产生特殊效果，行星齿轮也可以利用其它齿轮变速比，由此可以获得输出轴驱动运动的周期波动。
即使摆动活塞只做了很小的移动，两个自由轮离合器也可使输出轴转动，根据这两个反作用的自由轮离合器(包括行星齿轮在内)，获得输出轴转动的无级反向。
根据这两个自由轮离合器与行星齿轮的相互作用，可自动获得输出轴的自由轮功能，这意味着，无论与输出轴驱动连接的装置何时比驱动发动机转动得快，都可获得空转。当摆动活塞式发动机的驱动轴停转时，与该发动机驱动连接的装置只能在对应于摆动活塞式发动机的顺时针方向上运动。因此，本发明的装置不可能包括任何制动力矩。
现在，将参照附图来更具体地描述本发明。如上所述地，在图1中示意地表示了奥托内燃机和狄塞尔型内燃机的工作。图2示意地示出摆动活塞发动机的工作。图3是表示本发明的摆动活塞发动机所做功(虚线区)和四冲程内燃机所做功(双影线)的曲线，图4相应地表示摆动活塞式发动机和二冲程内燃机所做的功。图5示出了类型简单的本发明摆动活塞式发动机的横截面图，图6示出沿图5的Ⅵ-Ⅵ线的横截面。图7垂直于输出轴看过去地示意表示本发明的摆动活塞式发动机的工作情况。图8与图5同样地示出了组合式摆动活塞式发动机。图9更具体地示出了用于改变给摆动活塞式发动机的两个活塞腔供应压力介质的控制机构的例子，图10具体示出了在重新调节该控制机构后并用于如图所示地将压力介质注入左活塞腔的控制机构的位置。
图5-图7所示的本发明摆动活塞式发动机一般包括一个具有两个环形柱状缸轨圈2的缸体1，摆动活塞3在其中被设置成在活塞腔壁4的两个侧面之间往复摆动，该活塞腔壁形成有给在摆动活塞3两侧上的活塞腔5、6输送压力介质的机构。
缸体1包括两个半壳7、8，它们垂直于输出轴地被切分开并且如现有技术所述的那样相对缸轨圈2被内外密封件9密封住，从而形成了两个相对密封的对置活塞腔5、6。摆动活塞3被制成具有一个带活塞颈10a的内飞轮部10的突起件的形状，该活塞颈使活塞3保持在缸轨圈2内。飞轮部10在缸体中心处在转轴与两个平衡作用自由轮离合器14、15的配合作用下由位于缸体两侧上的轴承11、12支撑。其中一个自由轮离合器14在一个方向上产生动力传递(用箭头16表示)，一个自由轮在相反转向上起作用，另一个自由轮离合器15在与自由轮离合器14相反的方向(用箭头17表示)上产生动力传递。在自由轮离合器的两个相反方向上，众所周知地获得了基本无阻力的转动。图5所示的右手自由轮离合器15被行星齿轮的内太阳轮18封闭，其外太阳轮19固定安装在飞轮部10的轴向内突起环20中。外太阳轮19与内太阳轮18通过至少三个行星轮21驱动连接。为了在两个转向上都产生均匀一致的运动，行星齿轮应该在行星齿轮与内太阳轮之间具有1∶1的变速比。但对于特殊用途来说，可以利用其它齿轮变速比，从而活塞在一个活塞移动方向上比在另一个运动方向上更快或更慢地移动。
设置行星齿轮的目的是为了使在一个活塞运动中的转向反向，从而输出轴13总是在同一转向上被驱动。
输送液压或气压压力介质的机构与活塞腔壁4相连。可以按照不同方式形成压力供应机构，但应该根据摆动活塞运动的几何形状来配置和控制它们，从而在活塞3的某个理想位置上，在两个活塞腔5、6之间改变压力介质供应情况。为了获得最佳做功，可以在活塞到达后活塞腔壁时或在活塞很靠近该腔壁时改变压力供应。图7中示出可以通过转动阀22来进行压力介质供应的控制，该阀的工作可以通过活塞3运动来控制，从而在腔5、6之间改变压力介质的供应。阀的控制和操作可以通过机械、电子、液压或其它任何方式并对应于活塞3在缸轨圈2内移动地进行。
图7示出了将压力介质供应给活塞腔5的情况，这使得活塞3顺时针转动。为了从不工作的活塞腔中(在图7中是腔6)排出液压或气压介质，虽未示出但装置形成有任何公知类型的抽空机构如具有止回阀的通道，它通向外界并设置在活塞腔壁4中。这样的止回阀只有在活塞腔处于压力下时才工作。在图7中示出了产生顺时针工作的活塞腔5由活塞腔壁中的通道24接收压力介质，而对置的活塞腔6中压力介质则被排空。
根据需要供应压力可以变化以便产生输出轴13所需的转矩和转速。该装置可以有与压力介质供应源相连以便提供柔和启动以及控制速度和控制转矩的阻流阀。
上述类型的摆动活塞式发动机可用于许多不同场合，例如被用作汽车或各类机器的驱动发动机，即便这样的机器中没有使用齿轮箱，因为输出轴13的动力和速度只要通过对动力压力介质压力的控制就可从零变到最大值。还不需要用于提供柔和启动的滑动离合器，因为可以轻松地通过从零到最大值地控制流向活塞腔的流体流动及其压力的阻流阀来实现柔和启动。汽车的自由轮运动是通过两个自由轮离合器14、15的动作而获得的。后驱动功能可以通过使用简单的机械反向齿轮来获得。
在图9、10中示出这样的装置，其中在两个压力腔5、6之间的压力介质输送的改变是通过活塞3本身实现的。在这种情况下，变压活塞被制成一个可转动滑动件25的形状，它形成有设置在活塞腔臂4对置两侧上的下伸致动臂26。当其到达工作行程终点时，致动臂26被活塞3推动，由此因顺时针或逆时针驱动活塞而使滑阀转换或反之。通过中心孔27和通道28、29及滑阀25中的孔30、31输送压力介质并从那里通过其它通道被输送到其中一个活塞腔5、6中。图9示出了处于中立位置的滑阀25，在该位置上不供应压力介质。在图10中示出活塞3进行顺时针形成并推动臂26，从而滑阀25处于压力介质经通道29和滑阀25中的孔31流入逆时针活塞腔6内，活塞3开始其顺时针行程。
由于行星齿轮17-21在发动机的一个行程中在外太阳轮19处颠倒了转向，所以输出轴13将总是在一个不变方向上转动，这可以通过两个方向相反的自由轮离合器14、15的动作来实现。
所述的摆动活塞式发动机可以完成接近一转的340度-350度，并且当根据对应于奥托型或狄塞尔型内燃机的曲柄轴的两转的完整做功周期来计算时，显然可以从图3、4的示意曲线图中看到，从给压力腔5供应压力介质使之顺时针转动的时刻起，就已经充分做功了。因此，在大约5度-355度之间充分做功，随后改变压力介质的输送而使其流入压力腔6，而在压力腔6中，从355度-715度获得了充分做功。还可以看到，在相同时间内，四冲程发动机所做功的平均值只约等于摆动活塞式发动机的1／8，而二冲程发动机所做的功不超过摆动活塞发动机所做功的1／4。
就在压力腔5、6之间改变压力介质供应来说，看起来对应于整个循环周期总功的10度-20度出现了不太明显的工作中断。所述不太明显的工作中断通常通过摆动活塞式发动机的飞轮部件10来均衡。必须制动飞轮部件10以使其在压力流体流入相反压力腔与反向启动发动机工作之前停住。
当阀使压力介质供应从一个压力腔转变到另一个压力腔时，在不工作压力腔中的压力介质的排出口必须在压力流体进入该压力腔之前被关闭住，由此使得该压力腔作功，这意味着，滞留在不作功压力腔中的压力流体在使用空气作为压力流体的情况下受到压缩。根据滞留空气的压缩情况，可以制动活塞以使其在行程结束前缓慢地停住。可以用压力控制阀抽出压缩空气，该阀在比较高的压力下如8巴的压力下启动，以将压缩空气注入压缩空气罐34(见图7)内，并作为部分动力压力介质而在下一驱动阶段内重新使用。
但是，实际上可以完全消除这样的工作中断并通过在相同输出轴13上如图8所示地串联连入至少两个发动机来平衡发动机的工作特性。在这样的情况下，至少两个发动机随驱动的轴13相对转动，就是说，两个或两个以上发动机活塞腔壁4绕驱动轴分布，如使用两个连接发动机时是180度分布，使用三个发动机时是120度分布等。由此彼此相关地启动发动机工作，从而对应于约355度-5度的工作中断彼此错开。在图8中，画出了用于输送压力介质32、33的机构，它们包括活塞腔壁，这些机构以输出轴为基准相对转动了180度。
标记说明1-缸体；2-缸轨圈；3-摆动活塞；4-活塞腔壁；5-缸腔；6-缸腔；7-半个缸体；8-半个缸体；9-密封件；10-飞轮部；10a-活塞颈；11-轴承；12-轴承；13-转轴；14-自由轮离合器；15-自由轮离合器；16-箭头；17-箭头；18-内太阳轮；19-外太阳轮；20-环；21-行星轮；22-转动阀；23-排放机构；24-通道；25-滑阀；26-致动臂；27-中心孔；28-通道；29-通道；30-孔；31-孔；32-压力介质供应机构；33-压力介质供应机构；34-压力腔。
Claims (10)
1．一种液压或气压致动的摆动活塞式发动机或环形活塞式发动机，它包括具有环形缸轨圈(2)的缸体(1)，摆动活塞(3)可以在该缸体中在两个相反摆动方向上往复摆动，而缸轨圈在其一个位置上被活塞腔壁(4)分开，所述活塞腔壁在活塞(3)两侧限定出活塞腔(5，6)，摆动活塞(3)通过飞轮部(10)与中心输出轴(13)相连，摆动活塞(3)超过每个摆向的340度-355度驱动角地工作，其特征在于，摆动活塞式发动机成型有两个彼此反向作用的自由轮离合器(14，15)和用于在摆动活塞(3)的一个摆动方向中使输出轴(13)转向反向的机构(17-21)。
2．如权利要求1所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，用于使输出轴(13)的转向在摆动活塞(3)的一个摆动方向中反向的机构包括一个行星齿轮。
3．如权利要求2所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，行星齿轮的外太阳轮(19)与摆动活塞(3)的飞轮部(10)相连，行星齿轮的内太阳轮(20)通过其中一个自由轮离合器(14，15)与发动机输出轴(13)相连。
4．如权利要求2或3所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，行星齿轮的齿轮变速比为1∶1以便在摆动活塞(3)的行星齿轮驱动期间内提供与在摆动活塞(3)的自由反向运动中的相同的速度／动力特性。
5．如前述权利要求之一所述的摆动活塞式发动机，活塞被配置成能够在液压压力介质如油、水或其它液体或气压压力介质如空气、其它气体、蒸汽、燃烧气等的启动下往复做功的的样子，其特征在于，发动机形成有压力变更阀(22；25)，它适于交替地将压力介质送入发动机的相反压力腔(5，6)中，从而活塞进行往复摆动。
6．如权利要求5所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，通过摆动活塞(3)的运动来控制压力变更阀(22；25)的功能以便在活塞(3)定位于或接近活塞腔壁(4)的任何一个终点位置时改变压力介质的供应。
7．如权利要求5或6所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，压力变更阀被制成转动阀(25)的样子，它形成有在这样的位置上伸入活塞腔(5，6)中的致动臂(26)，即它们可以在运动的每个方向上承受活塞(3)作用，由此形成了对压力改变阀的重新调节的作用。
8．如前述权利要求之一所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，它包括一个用于控制流体流动和供给活塞腔(5，6)的液压或气压压力介质的压力并由此控制了输出轴(13)转速和转矩的控制阀。
9．如前述权利要求之一所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，它由两个或两个以上相连的摆动活塞式发动机构成，这些发动机作用于同一个输出轴(13)上。(图8)
10．如权利要求9所述的摆动活塞式发动机，其特征在于，两个或两个以上相连发动机的活塞腔壁(4)彼此相对偏置。
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