CN1813117A - 一种曲柄连杆机构 - Google Patents

Abstract

一种曲柄连杆机构，至少包括一个气缸、一个曲轴箱和一个周期运动链，该运动链用于平移和转动两种运动之间的变换，该运动链包括：(1)一个位于气缸中可沿一线性轨迹做周期往复移动的平移要素；(2)一个转动要素，该转动要素含有一对安装在曲轴箱内对称地布置于上述平移要素运动的线性轨迹两侧的曲轴，所述每一个曲轴均带有两个曲柄和一个曲轴销，该曲轴销的轴心可沿一个曲轴的曲柄作为预设半径的圆形轨道绕上述曲轴轴心转动；(3)一个与平移要素铰接的连接板，它的上端与活塞铰接；(4)一对连杆，每一个连杆的小端均对称铰接于上述连接板的下部，每一个连杆的第二端即大端均铰接于相对应的曲轴销。本发明既能降低连杆运动时对气缸产生的侧向正压力，又能保证即使在两个连杆的长度略有不同或各相关零部件有其它微小缺陷的情况下，能够使活塞轴线和气缸轴线保持一致，从而减小振动、摩擦和噪音，降低零部件的加工成本，提高使用寿命。

Description

一种曲柄连杆机构

所属技术领域

本发明涉及一种连接单个或多个单元的往复运动与另外一个或多个单元的旋转运动的机构，特别是涉及一种曲轴与活塞的连接以用于将往复式运动和旋转运动之间作相互变换的一种曲柄连杆机构。

背景技术

传统的发动机的曲柄连杆机构为单一的曲柄连杆结构，简图参看图1，它的受力分析图参看图2，由于连杆的受力Rr一般与活塞运动的方向有一个非零夹角α，因而，在气缸缸壁上产生正压力Nc(Nc＝Rr*Sinα)。这一正压力给发动机带来如下几个弊端：(1)这一正压力等于给发动机的缸壁作用一个周期性的横向脉冲，它是发动机振动的产生源之一；(2)这一正压力引起的活塞与气缸壁的摩擦力消耗了活塞的动能，因而令发动机消耗相等油料所产生的动力性和经济性变差；(3)这一正压力引起的活塞与气缸壁的摩擦力令活塞与缸壁产生磨损，因而增加更换相关零部件的费用；(4)令机油的品质更容易变坏，因而增加更换机油次数。

为解决上述传统的发动机曲柄连杆机构的缺陷，已出现以齿轮啮合反向旋转的结构和对称的两个曲柄连杆机构连接于一个活塞的设计。这些机构据说已被应用于内燃机或液泵。如美国专利US4,945,866，US 2,362,838，US 5,435,232，和US 5,628,844。它的受力分析图参看图3，由于两个连杆对称于穿过活塞轴线和曲轴轴线的垂直中心平面，它们所产生的垂直于活塞轴线的侧向力Rr和Rr’正好大小相等，方向相反，因而，活塞对气缸的正压力等于零(如果各零部件有理想尺寸和形状，即不考量零件制造和装配的公差)，这样，就消除了上述由这一正压力给发动机带来的几个弊端。但是，存在以下不足之处：(1)由于活塞受到了超静定的约束，对连杆的加工及安装精度要求很高，否则，会因为连杆的不对称而导致活塞与气缸壁干涉。即当两根连接活塞的连杆长度略有差异时，这两根连杆对活塞的约束令活塞相对于气缸会有一点倾斜的倾向，即两者轴线有一个很小的倾角γ，但另一方面气缸对活塞的约束要使活塞的轴线与气缸轴线保持一致，因而，令活塞和气缸产生弹性变形并使它们在相互运动时加速磨损，也令相关零部件的制造难度增加。(2)结构的自由设计空间不大。(3)很多时候连杆可能会重叠。

发明内容

本发明的第一个目的就在于提供一种既能降低连杆运动时对气缸产生的侧向正压力，又能保证即使在两个连杆的长度略有不同或各相关零部件有其它微小缺陷的情况下，能够使活塞轴线和气缸轴线保持一致的曲柄连杆机构。

本发明的目的可以通过以下的技术方案实现：一种曲柄连杆机构，至少包括一个曲轴箱、一个气缸和一个周期运动链，该运动链用于平移和转动两种运动之间的变换，该运动链包括：

1.一个平移要素，所述平移要素位于气缸中，可周期往复式地沿汽缸的轴线在第一冲程由第一位置沿一线性轨迹移动至第二位置，在第二冲程由第二位置沿一线性轨迹移动返回至第一位置；

2.一个转动要素，该转动要素含有一对曲轴，该曲轴安装在曲轴箱内，对称地布置于上述平移要素运动的线性轨迹的两侧，同时该对曲轴轴线位于一个垂直于所述的平移要素线性轨迹的平面，所述每一个曲轴均带有两个曲柄和一个曲轴销，该曲轴销的轴线可沿一个曲轴的曲柄作为预设半径的圆形轨道绕上述曲轴轴线转动；

3.一个与平移要素铰接的一个连接板，它与活塞铰接端部为第一端，它与连杆铰接的一端为第二端，第二端比第一端宽；

4.一对连杆，每一个连杆的第一端即小端均对称铰接于上述连接板的第二端，所述的一对铰接点在连接板第二端上对称地布置于连接板第一端上的铰接点的两侧，每一个连杆的第二端即大端均铰接于相对应的曲轴销。

本发明进一步应用于内燃机上，一种内燃机至少包括：一套曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置，其特征是该曲柄连杆机构包括一个曲轴箱、一气缸，两个平行的曲轴，每一曲轴带有曲柄和曲轴销，和一个活塞，一个在第一端铰接该活塞的连接板，两个连杆的小端分别对称地铰接于该连接板的第二端，两个连杆共有同一个运动平面，两个连杆的大端则分别铰接于相对应的曲柄上的活塞销。当活塞在气缸内作往复式运动时，与活塞连接的连接板带动上述两个连杆运动通过曲柄和曲轴销推动两个曲轴以各自的曲轴轴线为中心作互为反向的转动。

本发明所述的两个连杆具有相同的形状和尺寸，它们对称于中心平面，该中心平面上的一条直线重合于该活塞的中心轴线并垂直于上述连杆运动平面。

本发明在所述的两个曲轴上分别安装可相互啮合的齿轮，使两个曲轴做反向的等速旋转，而令两个曲轴的运动同步，并共同输出动力。

本发明的有益效果是：(1)解决了双连杆可能带来的活塞与气缸干涉问题：由于在活塞与连杆之间增加了一连接板，使活塞的方向不再受对称两连杆的约束，而仅仅受气缸的约束，当某种原因令两根连杆的小端不对称于活塞的轴线时，将会使连接板轻微地转动一个很小的角度β(参见图7)，但活塞和气缸不会产生相关的变形，因而消除了因这一变形使它们在相互运动时产生的磨损。(2)降低了制造连杆，活塞和气缸等零部件的难度和精度要求，从而可降低成本。(3)给所述的曲柄连杆机构中的各零部件的尺寸，形状的设计带来更多自由的空间，不会受到零部件相互干涉问题的限制。(4)可以更容易缩小曲轴与气缸的距离，从而减小曲柄连杆机构的高度，使结构更为紧凑。(5)能使双连杆有效的发挥作用，降低连杆运动时对气缸产生的侧向正压力，甚至基本消除侧向正压力。(6)减小振动、降低噪音。

附图说明

图1是传统发动机的曲柄连杆机构的简图；

图2是图1所示的曲柄连杆机构的受力分析图；

图3是现有双曲柄连杆机构的受力分析图

图4是是本发明第一个实施例的去掉箱体前部的立体图；

图5是本发明第一个实施例的去掉箱体前部的主视图；

图6是本发明第一个实施例的的俯视图；

图7是本发明第一个实施例的受力分析简图；

图8是本发明第二个实施例去掉箱体前部的立体图；

图9是本发明第二个实施例的受力分析图；

图10是本发明第三个实施例去掉气缸和曲轴箱的立体结构图。

图中：曲轴12和12′，曲轴箱14，曲轴轴线18，气缸20，中心平面22，横向中心平面24，曲柄25、25′，曲轴销26和26′，齿轮28和28′，连杆30和30′，连杆大端32和32′，连杆小端34和34′，活塞38，活塞往复运动中心线(即汽缸轴线和活塞轴线)40，连接板50。

具体实施方式

图4～7显示了本发明第一个实施例的结构，该结构中两个平行的曲轴12和12′水平支撑于曲轴箱14上，因而可以绕其各自的轴线18和18′转动。该曲轴箱14除了安装曲轴12之外，还起了固定气缸20的作用。活塞往复运动中心线40即活塞运动线性轨迹位于本机构的两相互垂直相交的中心平面22和横向中心平面24的交线上，两个平行的轴线18相互有一个距离，并对称地放置于本机构的与两曲轴平行的中心平面22的两侧，同时，两曲轴轴线位于一个垂直于所述的活塞往复运动中心线40的平面23上，每一个曲轴带两个曲柄25和25′，以及一个曲轴销26和26′。

两个连杆30和30′的一端即大端32分别铰接于两曲轴销26和26′上，两个连杆30和30′的另一端即小端34和34′则不是直接连接于活塞上，而是先连接到一个连接板50上，该连接板50的形状是上小下大，本例中为等腰三角形，上端顶角部分为第一端，连杆30和30′对称地铰接于该连接板50的下部为第二端，即连接板50的靠近三角形底边处，并且，上述连杆在连接板50上的铰接点之间的间距不受气缸直径的限制，可以足够宽，最好令连杆30和30′在运动的过程中不会重叠，该连接板50的第一端铰接于活塞38上，铰接点位于顶角的角平分线上。两个连杆在连接板50上的铰接点对称地布置在所述顶角角平分线的两侧。同时两个连杆的运动轨迹定位于垂直于中心平面22的横向中心平面24上，也就是说，连杆30和30′具有同样的形状和尺寸，被排列在该横向中心平面24上，并连在曲轴销26和26′的中点。

本发明的两个曲轴12和12′可以相互关联，这样可以令两个曲轴的运动同步，并共同输出动力。比如说，通过一对分别位于两个曲轴12和12′上的相同尺寸的齿轮28和28′的啮合来实现两个曲轴12和12′的关联。这样，两个曲轴12和12′因而做反向的等速旋转。两齿轮既可位于曲轴箱内，也可以位于曲轴箱外。

图8、9显示了本发明的第二个实施例，与上例不同的是，连接板50为倒“T”字形，其底部的横杆为连接板的第二端，两连杆分别铰接在连接板第二端的两端，该连接板50的顶部即倒“T”字形的中心杆的顶端为第一端，铰接于活塞38上。这种倒“T”字形的连接板50使曲轴12和12′的安装高度高于连接板的第二端即下端成为可能，即可使连杆30和30′的大端高度高于小端高度，在设计时应注意连杆与曲轴销的运动轨迹不会与连接板50发生干涉，从而减小曲柄连杆机构的高度，使之结构更为紧凑。

图10显示了本发明的第三个实施例，与实施例一不同的是，所述的每个曲轴12和12′上都有两个曲柄，其中一个曲柄为齿轮，齿轮中心固定在曲轴上，两个齿轮相互啮合，曲轴销的一端固定曲柄上，另一端则相应地固定在齿轮偏心的位置上，使齿轮既起到曲柄的偏心作用，又起到齿轮相互啮合传递动力的作用，相当于将实施例一中的齿轮与曲柄之一合而为一，以便使结构更为紧凑。

本发明的一个综合优点是它设计的随意性，它可以有具体结构的不同变化。它也可适用于泵类。

本发明同样可应用于带活塞发动机的轻型飞机，特别是对于使用单缸发动机的超轻型飞机，因为应用本发明可大大减少振动，而对飞机结构强度要求可降低，故可以减轻飞机的重量有不会增加飞机疲劳断裂的危险。

本发明也可应用于由发动机和电动马达组成的混合动力汽车，改种汽车的曲轴不但为后环节的组件提供动能，而且用于驱动发电机。

Claims (13)

1、一种曲柄连杆机构，至少包括一个曲轴箱(14)、一个气缸(37)和一个周期运动链，该运动链用于平移和转动两种运动之间的变换，该运动链包括：

(1)一个平移要素，所述平移要素位于气缸(37)中，可周期往复式地在第一冲程由第一位置沿一线性轨迹移动至第二位置，在第二冲程由第二位置沿一线性轨迹移动返回至第一位置；

(2)一个转动要素，该转动要素含有一对曲轴(12)和(12′)，该对曲轴安装在曲轴箱(14)内，并对称地布置于上述平移要素运动线性轨迹的两侧，并同时位于一个垂直于所述运动线性轨迹的平面(23)，所述每一个曲轴均带有两个曲柄(25)、(25′)和一个曲轴销(26)和(26′)，该曲轴销的轴线可沿一个曲柄(25)和(25′)作为预设半径的圆形轨道绕上述曲轴轴线转动；

(3)一个连接板(50)，该连接板有一个第一端和比第一端宽的第二端，该连接板第一端与上述平移要素铰接；

(4)一对连杆(30)和(30′)，每一个连杆有一个第一端和一个第二端，每一个连杆的第一端均对称铰接于上述连接板(50)的第二端，两个铰接点对称地布置于连接板第一端上的铰接点的两侧，每一个连杆的第二端均铰接于相对应的曲轴销。

2、根据权利要求1所述的曲柄连杆机构，其特征是所述两个连杆(30)和(30′)具有相同的形状和尺寸，它们对称于中心平面(22)，该中心平面上的一条线重合于该活塞的中心线并垂直于上述连接杆运动平面(24)。

3、根据权利要求2所述的曲柄连杆机构，其特征是：连接板(50)的形状是上小下大的等腰三角形，其第一端处的铰接点位于顶角的角平分线上，连杆(30)和(30′)对称地铰接于该连接板(50)的下部，即三角形连接板(50)的靠近底边处，该两铰接点对称地布置在所述连接板顶角角平分线的两侧。

4、根据权利要求2所述的曲柄连杆机构，其特征是：所述的连接板(50)为倒“T”字形，两连杆分别铰接在连接板底部横杆的两端，该连接板(50)的顶部即倒“T”字形的中心杆的顶端铰接于活塞38上。

5、根据权利要求4所述的曲柄连杆机构，该机构并放置成活塞在上，连接板在下的位置，其特征是：所述的曲轴(12)和(12′)的安装高度高于连接板的第二端。

6、根据权利要求1或2或3或4或5所述的曲柄连杆机构，其特征是：在两个曲轴(12)和(12′)上分别安装可相互啮合的齿轮(28)和(28′)。

7、根据权利要求1或2或3或4或5所述的曲柄连杆机构，其特征是：所述的每个曲轴上的两个曲柄中，有一个曲柄为齿轮结构，齿轮中心固定在曲轴上，两个齿轮相互啮合，曲轴销的一端固定曲柄上，另一端则相应地固定在齿轮偏心的位置上。

8、一种内燃机，至少包括：曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置，其特征是曲柄连杆机构包括曲轴箱(14)，两个平行的曲轴(12)和(12′)，每一个曲轴带两个曲柄(25)、(25′)和一个曲轴销(26)、(26′)；气缸和活塞，两个连杆(30)和(30′)，一个在上部铰接该活塞的连接板(50)，两个连杆共有同一个运动平面(24)，它们的小端(34)分别对称地铰接于所述连接板的下部两边，两个连杆的大端(32)则分别铰接于相对应的曲柄上的活塞销。

9、根据权利要求8所述的曲柄连杆机构，其特征是：连接板(50)的形状是上小下大的等腰三角形，其第一端处的铰接点位于顶角的角平分线上，连杆(30)和(30′)对称地铰接于该连接板(50)的下部，即三角形连接板(50)的靠近底边处，该两铰接点对称地布置在所述连接板顶角角平分线的两侧。

10、根据权利要求8所述的曲柄连杆机构，其特征是：所述的连接板(50)为倒“T”字形，两连杆分别铰接在连接板底部横杆的两端，该连接板(50)的顶部即倒“T”字形的中心杆的顶端铰接于活塞38上。

11、根据权利要求10所述的曲柄连杆机构，其特征是：所述的曲轴(12)和(12′)的安装高度高于连接板的第二端。

12、根据权利要求8或9或10或11所述的曲柄连杆机构，其特征是：在两个曲轴(12)和(12′)上分别安装可相互啮合的齿轮(28)和(28′)。

13、根据权利要求8或9或10或11所述的曲柄连杆机构，其特征是：所述的每个曲轴上的两个曲柄中，有一个曲柄为齿轮结构，齿轮中心固定在曲轴上，两个齿轮相互啮合，曲轴销的一端固定曲柄上，另一端则相应地固定在齿轮偏心的位置上。

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