CN1376237A - 用于将线性往复运动转换成转动的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于将往复线性运动转化成转动和将转动转化成往复线性运动的装置,其包括:一个安装在一行星轮(3)上的连杆(4),而行星轮(3)又与一个设置有外齿(27)或内齿(1)的齿圈(1,27)相啮合。齿圈(1,27)和行星轮(3)的节距圆半径形成了2∶1的齿轮比。连杆(4)的连杆销(15)能够执行线性运动,这样能够得到多个优点,尤其是将其应用到内燃机中时。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于替代传统曲柄机构的装置，目的是将往复的线性运动转换成转动和将转动转换成往复的线性运动。
具体而言，本发明可被应用到往复容积式内燃机或压缩机上，但其并非仅限于这些用途。
背景技术
内燃机的传统曲柄机构具有很多缺陷。
其中一个缺陷就是摩擦力，可将其简单地表示成“Fia”，在活塞的滑动过程中，由连杆推力的反作用产生的摩擦力作用于活塞的侧向表面和缸壁之间。
这样就使所有类型的容积往复式发动机都会由于摩擦力产生的能量损耗而存在很大的效能下降，具体而言，两冲程(两个循环)发动机需要消耗了大量的汽油(约2％)来保证良好的操作和滑动，而汽油的燃烧又会导致污染。
另一缺陷在于：连杆作用于活塞上的翻转力，这样就要求活塞的长度必须能够避免活塞咬缸。但是，长度的增加又会使重量和惯性增加，从而降低了效率。
如果能够通过使用小缸径和大冲程而得到一定的换气容量，那么就可以显著减轻该机构各个部件的重量，而且还能够提高缸体的冷却效率。传统的曲柄机构在这方面具有一定的局限性，因为传统的曲柄机构通常包括一个在运动过程中同时产生平移和振动的连杆，以防止其由于空间(结构)问题而移动到冲程的极限范围之外。
本发明的一个目的在于依据一个完全不同的原理提供一种能够将线性往复运动转换成转动并能够将转动转换成线性往复运动的装置，根据本发明的原理，连杆的一端将沿一条直线移动，而不是作旋转运动。
本发明的另一目的在于当将其应用于内燃机上时，提供一种能够克服上述现有技术中存在的缺陷的装置。
具体而言，该装置允许活塞将在燃烧室内产生的力更有效地传递给传动轴，这是通过在每个循环中形成一个发动机动量图表来完成的，这一点非常有利。因为发动机的功率是由角速度和扭矩的乘积瞬时确定的，因此可以知道：整体功率将增加。
本发明的又一目的在于使用能够执行转动并能够通过其形状而自动保持平衡的部件或组件，以得到用于将线性往复移动转换为转动的装置。因此，该装置不需要添加配重。即使旋转以很高的rpm值在进行，也不会极大降低传动轴的振动，而且其运动也极为平滑。
发明内容
本发明通过提供一种用于将线性往复运动转化为转动的装置来实现上述目的，该装置包括：
-一个连杆；
-一个转子，该转子包括连杆的转轴，而且还可通过一同步轴直接或间接输出或输入动力；
-用于将转动以下述方式施加到连杆和转子上的装置：当连杆沿一个方向转动一定的角度时，使转子沿相反的方向转动该角度的一半。
连杆的销通过一杆与缸体的活塞相连接。该连杆销将执行线性或近似线性的往复运动。当其运动为线性时，该杆不必以一个铰接接头的形式与活塞相连接，但可以与活塞刚性连接。
因此，用于与活动部件相连接的所述杆也被叫做“柱塞”。
对于内燃机而言，该活动部件就是一个执行往复线性运动的活塞。显然，活塞的冲程远大于活塞的直径。这样就可以根据作用在活塞上的力来选择该装置各个部件的尺寸，当然对于小缸径、大冲程的换气容量而言，作用于活塞上的力也较小。这样，就可以减少发动机的重量。所述用于对连杆和转子施加上述相对运动的装置最好是齿轮。
根据权利要求2，通过将连杆安装到冕形齿轮上，其中冕形齿轮或行星齿轮的节距圆直径等于“配合”齿轮(具有内齿或外齿的齿圈)的节距圆直径的一半，就可以使冕形齿轮或行星齿轮围绕其轴线转动一个角度2a。同时，转子及行星齿轮的中心(或连杆的中心)将沿相反的方向围绕转子中心转动一个角度a，而转子可以是一个与发动机传动轴直接或间接连接的转动部件(当应用到内燃机上时)。
这样，本发明的效果在于：连杆将沿一条几乎为线性的路线移动，而且所述路线最好为线性，假设根据权利要求6，两个相互啮合的齿轮(线性齿轮和配合齿轮或齿圈)的中心限定了一条线段，该线段的长度等于行星齿轮的转动中心的轨迹半径，该其轨迹半径又完全等于连杆销和行星齿轮(冕形齿轮)的中心之间的距离。
设置有齿轮的本发明之装置还可使用具有外齿而不是内齿的“配合齿轮”或齿圈，如权利要求3和4所述。在这两种情况下，配合齿轮的齿状部分的直径(节距圆的直径)总是等于行星齿轮(行星齿轮的齿状部分)直径的两倍。
根据权利要求7，根据本发明的构思设计的几个相同类型的装置可用于构成一种可将动力输出给(收集到)传动轴的机器上，而传动轴又同时与装置的不同转子相啮合。
可通过阅读下面对本发明之最佳实施例的详细说明而更加容易地理解本发明及其优点。
附图说明
现参照两个在附图中示出的最佳实施例来对本发明加以说明，但这只是说明性的，而不是对本发明的限制，其中附图：
图1为与传统的曲柄机构相比，本发明之装置的操作原理图；
图2为由带内齿的齿圈或配合齿轮、与连杆成一体的行星齿轮及连杆构成的部件在与活动部件的上死点(TDC)相对应的位置上的视图，图中示出了采用两个齿轮的实施例；
图3为图2所示之部件的另一视图，图中示出了行星齿轮的一个中间位置，而且从相对转动的角度方面示出了操作原理的条件是如何得到满足的，和连杆销是如何沿一条直线(X轴)移动的；
图4为位于四个不同位置上的行星齿轮(冕状齿轮)的移动顺序；
图5示出了用一个圆盘替代连杆的应用情况，目的是在圆盘上形成多个销，而这些销的轨迹与“往复”线性轨迹彼此异相对应；
图6a为本发明第一实施例的视图，该实施例尤其适用于执行线性往复运动的活动部件具有较小行程的情况下；
图6b为图6a所示的实施例的部件分解图；
图7为本发明第二实施例的剖视图，该实施例尤其适用于在缸体内具有较大行程的活塞，而且配合齿轮或齿圈具有外齿的情况下。
具体实施方式
本发明所依据的原理在于：将传统曲柄机构的臂划分成两个铰接部分，并在运动过程中，使这两个铰接部分沿相反的方向转动，而且一个部分的转动量是另一部分转动量的两倍。为更好地说明该原理，在图1中的左侧示出了一个由一连杆和一曲柄构成的容积往复式发动机位于TDC(上死点)位置和一个一般位置上的情况，而在图1的右侧示出了相同的发动机，但其曲柄被划分成两个与线段OC和CB相对应的部分，这两个部分在铰接垫C处相互铰接，而且在运动过程中，线段CB被迫围绕铰链C转动一个两倍于线段OC的转动角度但方向相反。在这两个视图中，中心O表示传动轴的轴线(或者是传动轴的轴线与附图平面的交点)。
对于这两种情况而言，紧随TDC位置的一个一般位置如图1的顶部所示。在传统的曲柄机构中，用于使活塞产生一定位移量s的曲柄销B将沿半径OB的圆形轨迹t移过一个角度a。根据本发明的结构，在活塞的位移s过程中，线段OC将围绕轴线O顺时针(逆时针)转动一个角度b，而线段BC将围绕铰链C逆时针(顺时针)转动。
这种相对移动将使连杆销(点B)产生一条几乎为线性的轨迹，根据线段BC的长度是否大于或小于线段OC的长度(在图1中，线段BC大于OC，而轨迹具有一个朝向右侧的凸出部分，如图所示)，其轨迹相对轴线XX有一个面朝右侧或左侧的略微凸出的部分。
显然，如果OC＝CB，那么点B的轨迹将完全为线性，而且将通过中心O。对于该原理的实例而言，可以采用齿轮，这样就允许在运动过程中通过其齿轮比实现本发明的原理，根据齿轮比的限制条件，当线段OC围绕其中心O覆盖一角度b时，线段CB将沿相反的转动方向转动一个两倍于该转角的角度。
对于合理的较短活塞行程而言，为使机械部件具有显著的阻力，而采用一个以下述方式配置的具有内齿的配合齿轮或齿圈1和行星齿轮或冕状齿轮3(见图2)：使齿圈的节距圆直径两倍于行星齿轮的节距圆直径。
图2示出了能够使其相对移动产生所需往复运动的主要部件的结构。在该图中，通过与图1的右侧相比，可以看出：齿圈1的中心O1与点O对应，而行星轮3的中心O2与点C相对应，最后，与行星轮一体制成的连杆4由线段CB示意性地表示；点O3与点B相对应并“覆盖”点T，即与在上死点TDC处，齿状部分2、5的两个节距圆彼此相切的点T重合。
现在可以想象：我们迫使线段O1-O2围绕点O1向右(顺时针)转动一个角度a，而齿圈1的位置总是处于同一平面内，如图3所示。与齿圈1相啮合的行星轮3也将由于其中心O2围绕O1的转动而相对轴线O2转动，所述行星轮的转动(角度)将与角度2a相对应(因为这两个部件直径的齿轮传动比为2∶1)，而且将沿相反的方向(逆时针)转动。与行星轮3一体制成的上述连杆4将转动与后者的转角相同的角度，从而再次沿图2的轴线X移动其中心O3。
在图4中示出了该装置在转动过程中可能经过的许多位置中的某些位置，为更好地说明位移的动力学原理，该图还示出了与行程结束位置相对应的两个位置S和I。我们注意到：如果通过将与行星轮一体制成的圆盘固定到一个相对点O2转动一定角度的一般位置O4上而用圆盘6来替代图2的连杆4，如图5所示，那么所述的点将在转动过程中沿一个相对第一轨迹(X轴)倾斜一定角度的不同线性轨迹移动。
总之，可在圆盘6上围绕该圆盘连接多个能够线性往复运动并以任意的角度异相动作的活动部件。
这样，为清楚起见，可以与其功能相一致的原则将线段AB(图1)定义为“柱塞”，线段BC定义为“连杆”，将一缸体定义为“转子”，其中缸体的轴线穿过O，而且该缸体还包含与附图平面在点C相交的轴线。
图6a示出了从多个可能的实施例中选出的第一实施例之剖视图，当活塞的行程受到限制时，该第一实施例的装置是最佳的。
图6b示出了图6a所示的同一实施例在略微变形后的部件分解透视图。
在图6a中，齿圈1被安装在设置有盖8的部件或机架7内。
半径为R/2的行星轮3被安装在转子30内，而如图6b所示的转子30设置有一圆筒形的支座9。行星轮3的有齿部分5与配合轮或齿圈1啮合，而齿圈1的内齿部分的半径为行星轮3的半径的两倍(等于R)。
在图6b中可以看到，圆筒形支座9具有一间断部分，即，该支座没有沿支座30的整个纵向延长部分延伸，从而使行星轮3的有齿部分5能够与配合轮或齿圈1相互啮合，而齿圈1的齿由附图标记2表示。
还应该注意到，在图6a中，半径为R/2的行星轮设置有一个一体的轮毂11，该轮毂容纳在转子30的延伸部分内。
轮毂11被安装在轴承或轴承铜衬(阴影部分)内。
行星轮3和转子30还分别被轴承12或轴承铜衬13所支承。
由附图标记10表示并邻近壁8的转子30的一部分可形成图6b所示的变形结构中的齿轮，在这种结构中，所述齿轮14处于暴露状态下(图6a所示的上壁7已被省去)，而且可用于通过一个从多个装置吸收和收集动力的同步轴(未示出)使如图6b所示的同一类型的多个装置同步工作。
图6a所示的装置的另一种变形结构在于(见图6b)：本发明的装置关于连杆4的连杆销15对称设置，即本发明的装置被“复制”，就是说可将另一个行星轮3’安装到第二转子30内，目的是提高该机构的阻力。
在图6a中，传动轴由附图标记16表示，而且与转子30一体制成；该传动轴从壁8向外伸出。还可以看到：该传动轴16支承在一个轴承铜衬17上。
很明显，在图6a中，轴18、19、20分别表示部件16、3、15的轴。应该注意和强调的是：在将一个以上的机构装配在同一个发动机内时，需要使这些机构同步工作。
这可通过下述方式得以实现：
-齿轮14可被刚性连接(例如通过键连接)或直接形成于各个转子30上，每个所述的齿轮都与其它齿轮(例如见图6a中齿圈1和盖子8之间的区域；转子30的部分10)具有相同的节距圆直径；
-将一横向轴添加到该部件中，该轴上设置有多个与装置(机构)的数量相当的齿轮，横向轴上的每个齿轮都与对应的齿轮14相互啮合。
当然，由于除同步功能外，添加的轴，也能实现每个机构所要完成的收集任务，因此将在其机架的输出装置上形成一个发动机或机器的动力输出装置。
到现在为止，所作的说明仅仅是针对许多可能结构中的一种进行的，目的是将操作原理付诸实践，而操作原理在于：在转动过程中，使线段OC和CB(图1)围绕其各自的中心沿相反的方向移过一定的角度，但其中一条线段的移动角度是另一条线段移动角度的一半。
可图2中可看到，上述的说明采用了包括有一齿圈和一行星轮的技术方案，如上所述，这种方案能够为将具有很大阻力的机械部件应用到行程较短的活塞上提供了可能性。
在活塞行程较长的情况下，通过图7所示的技术方案也可以得到类似的结果。
旨在将上述动力学原理付诸实践的许多可能方案中，图7所示的设计方案只是一种建议。
图7示出了下述基本部件：
-一个该机构的支架21，在该支架中，两个轴22、23可在各自的轴承铜衬(阴影部分)内自由活动；
-一个同步主轴22，该主轴22与半径分别为R2、R3的两个齿轮24、25一体制成；
-一个同步副轴23，该副轴23与半径分别为R4和R1的两个齿轮26、27一体制成；
-一个转子30，该转子30与一个半径为R5的齿轮28一体制成；
-一个连杆4，该连杆4上设置有一个用来与“柱塞”相连接的销或轴15并与一个半径为R6的齿轮29一体制成。
此外，每个齿轮都具有下述数值的节距圆半径：
R1＝2r
R2＝3r
R3＝4r
R4＝2r
R5＝3r
R6＝r
其中r为任意值。
假设部件30沿任意方向转动一个角度a，那么半径为R5并与部件30一体制成的齿轮28将沿相反的方向将等同的转动传递给半径为R2的齿轮24及齿轮25(R3)，因为R5和R2的齿轮比＝1；因此，半径为R3的齿轮25将转动一个角度-a。而齿轮25与半径为R4的齿轮26相啮合并将将两倍于该转动角度的转动沿相反的方向传递给齿轮26，即其转动的角度为2a，因为二者之间的齿轮比为2∶1。
与齿轮26一体制成(刚性连接)的齿轮27将转动一个角度2a，从而相对产生转动而且转动角度为a的部件30产生一个2a-a＝a的相对转动。
因此，齿轮29及一体设置有轴或销15的连杆(在图1中为线段CB)将通过与齿轮R1的啮合及使其中心在部件30上的转动而旋转一个角度-2a，所述转动是部件23和30之间的相对转角a的两倍(齿轮比为2∶1)而且方向相反。
总之，已经看出，如果部件30(转子)转动一个角度a，那么部件4(连杆)将沿相反的方向旋转一个角度2a，即是转角a的两倍，从而实现上述的原理。
工业实用性
由曲柄和连杆构成的传统装置绝对不能实现的一些目标可通过能够将线性往复运动转化成转动的本发明之装置来完成。
简言之，一些目标如下所述：
-提高Mm值(发动机的扭矩)；
-完全消除代表摩擦力的传统力(Fia)的影响，而摩擦力又是阻碍运动的最不论的因素之一，而且该摩擦力是在活塞的滑动过程中由曲柄冲击力的反作用力而产生的，并作用于活塞侧面和缸壁之间。因此，极大地降低了用于缸壁润滑的油量；
-不用过大增加发动机的容量，就可以使用更大的工作容积和较小的缸径。
因此，可以得到大冲程和与大冲程有关的极长的缸体侧面，从而能够更加有效地散热；
-显著降低该装置组成部分的重量(前面一段的直接结果)；
-在该装置内，转动部分或部件能够通过其形状自然平衡。因此，不需要为该装置设置配置。
实验证明：对于相同的恒定工作容积而言，与传统的发动机相比，本发明可以使传动轴得到更高的功率和更平滑(规则)的转动，而且还极大减少了振动。
最后，无需任何铰链就可将定位在“柱塞”(见图1中的线段AB)端部的活塞连接到柱塞本身上，所述活塞具有最小的纵向尺寸，只要其长度足以保证形成活塞环。
按照条约第19条的修改
1.一种用于将转动转化成线性往复运动及将线性往复运动转化为转动的装置，尤其是用于容积式内燃机和压缩机内的装置，其特征在于，其包括：一个连杆(4)和一个转子(30)，该转子包含有连杆(4)的转动轴线，所述副曲柄和转子均设置于副曲柄销(15)的一侧；其还包括：用于将转动以下述方式作用于连杆(4)和转子(30)上的装置(1，3；22，24，25，23，26，27，29)：当连杆(4)沿一个方向转动一定的角度时，使所述转子(30)沿相反的方向转动该角度的一半。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述装置包括一个壳体(7)；一个由一整体部件构成的内部转子(30)；一个与所述连杆(4)一体制成的行星轮(3)，该行星轮(3)定位于安装在转子(30)内的两个支架之间；一个具有内齿并与所述壳体(7)一体制成的齿圈(1)，其中功率的输入或收集是通过一根与转子(30)一体制成并和转子一起转动的轴(16)来完成的。
3.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述连杆(4)与行星轮(29)一体制成，而且所述行星轮(29)与一个具有外齿的配合轮(27)相啮合。
4.根据上述权利要求之一的装置，其特征在于：所述装置可用于由多个相同类型的装置构成的机器结构中，而且这些相同类型的装置通过一根同时与各个装置上的转子(30)相啮合的轴彼此同步工作；所述轴的轴线以下述方式设定：不与每个装置上的副曲柄(4)的销(15)的线性往复运动产生干涉。
5.根据权利要求4的装置，其特征在于：所述轴除了使各个装置同步操作外还收集每个装置的扭矩并通过一个动力输出装置将这些扭矩输出。
Claims (9)
1.一种用于将转动转化成线性往复运动及将线性往复运动转化为转动的装置，尤其是用于容积式内燃机和压缩机内的装置，其特征在于，其包括：
-一个连杆(4)；
-一个转子(30)，该转子包含有连杆(4)的转动轴线，而且转动能量可直接或间接从该转子输出或输入到该转子内；
-对连杆(4)和转子(30)施加转动的装置(1，3；22，24，25，23，26，27，29)，从而当连杆(4)沿一个方向转动一定的角度时，所述转子(30)沿相反的方向旋转该角度的一半。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于：所述连杆(4)被安装到一个行星轮(3)上或与该行星轮(3)一体制成，所述行星轮的直径等于其配合轮或齿圈(1；27)之直径的一半。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于：所述配合轮或齿圈(1)是一个设置有内齿的齿轮。
4.根据权利要求2的装置，其特征在于：所述配合轮或齿圈是一个具有外齿(27)的齿轮。
5.根据权利要求3或4的装置，其特征在于：两个相互啮合的齿轮的中心，即配合齿轮(1；27)和行星齿轮(3)的中心限定了一条线段，该线段的长度等于行星轮(3)及与该行星轮一体制成的连杆(4)之转动中心的轨迹半径；所述线段等于、小于或大于连杆销(15)和行星轮(3)的中心之间的距离。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于：当所述线段等于连杆销(15)和行星轮(3)的中心之间的距离时，连杆销(15)将在装置的操作过程中作完全线性的往复运动。
7.根据上述权利要求之一的装置，其特征在于：所述装置可用于由多个相同类型的装置构成的机器结构中，而且这些相同类型的装置通过一根同时与各个装置上的转子(30)相啮合的轴彼此同步工作；所述轴的轴线以下述方式设定：不与每个装置上的连杆销(15)的线性往复运动产生干涉。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于：所述轴除了使各个装置同步操作外还收集每个装置的扭矩并通过一个动力输出装置将这些扭矩输出。
9.根据上述权利要求之一的装置，其特征在于：一个圆盘(6)替代连杆(4)刚性安装到所述行星轮(3)上，这样就可以在圆盘周边的内部相对圆盘(6)的中心(O2)以一个等于所述行星轮(3)之节距圆半径的距离设置多个以任意角度异相操作的“连杆”销(O4)，所述多个连杆销能够分别独立地执行往复线性运动。
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