CN1912371A - 一种八缸热气机传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八缸热气机传动系统，包括左、右曲轴、输出轴、齿轮传动机构、曲轴箱，左、右曲轴平行布置，通过齿轮传动机构与输出轴相连接构成U形传动结构，左、右曲轴上各有4个曲拐，依次为曲拐一、曲拐二、曲拐三、曲拐四，左、右曲轴左端和右端相邻的四个曲拐各构成一个四缸热气机的传动单元，左、右曲轴的曲拐二、曲拐三、曲拐四与曲拐一的相位依次相差90°、180°和270°，左、右曲轴的安装相位相差90°；齿轮传动机构布置在曲轴的中间，齿轮采用人字轮。这种传动系统可以满足八缸热气机的传动需要，系统结构紧凑，可靠性高，维修方便，且自身满足动平衡要求，人字齿轮传动结构使系统冲击、振动、噪声进一步降低。

Description

一种八缸热气机传动系统

技术领域

本发明涉及一种发动机传动系统，特别是关于八缸热气机传动系统。

背景技术

热气机，又称斯特林发动机(Stirling Engine)是一种新型的、利用外部能源加热的闭式循环活塞式外燃发动机，它具有循环热效率高、运转平稳、振动噪声低、排放清洁、扭矩—转速特性好、能适用多种燃料或能源等优点，因此具有很广泛的适用范围和应用前景。

四缸双作用热气机是应用最广的一种机型，按其传动系统的结构形式可分为双曲轴的U型传动结构、单曲轴的V型传动结构和斜盘传动结构等，双曲轴的U型传动结构由于具有结构简单、维修性好、易于加工等显著优点，因此在实际使用中应用最普遍。四缸双作用热气机的四个气缸呈方形布置，上部共用一个燃烧室，其双曲轴U型传动结构包括左、右曲轴、输出轴、齿轮传动机构，左、右曲轴通过齿轮传动机构与输出轴相连接，将曲轴的输出功传递合并给输出轴输出，左、右曲轴上各有两个结构相同的曲拐，该两个曲拐的相位相差90°；曲轴上还设置有平衡块，来消除曲轴的离心惯性力和一次往复惯性力产生的力矩；为降低传动的振动噪声，提高传动效率，传动齿轮一般采用斜齿轮，在曲轴上设置推力轴承以抵消轴向推力。

为增加热气机的功率，常采用以下两种方法，一是增加四缸机的缸径或行程、提高转速、增大循环压力和提高热端温度等，二是增加热气机的缸数，第一种方法由于密封、燃烧控制等技术原因导致四缸机能增加的功率十分有限，第二种方法是一种能大幅度增加功率的方法，但由于热气机双作用的原理、曲轴连杆机构做功相位角的布置、燃烧室布置等问题，一般增加缸数的方法只能采用增加四缸单元机的方法，即将数个四缸单元机进行“串机”形成八缸机、十二缸机、…，缸数为4的倍数。

因此，对于八缸热气机，传动系统是其关键技术之一，以上所述的四缸热气机双曲轴U形传动结构，不能靠简单的增加曲拐数量来达到八缸热气机使用的目的，上述的四缸热气机传动系统还具有以下不足之处：

1)曲轴自身不能满足平衡问题，虽然增加平衡块或配重可以平衡离心惯心力、一次往复惯性力、二次往复惯性力和二次往复惯性力力矩，但离心惯性力矩和一次往复惯性力矩不能平衡；

2)采用斜齿轮传动结构，需要用止推轴承来抵消轴向推力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种八缸热气机传动系统，来满足八缸热气机使用的需要，同时解决四缸热气机传动系统曲轴的自平衡问题，并消除曲轴的轴向推力，降低传动系统的振动噪声，简化传动系统的结构，提高其可靠性。

本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：

一种八缸热气机传动系统，包括左曲轴、右曲轴、输出轴、齿轮传动机构、曲轴箱，以及与左、右曲轴相连接的活塞连杆机构，所述的左、右曲轴平行布置，通过齿轮传动机构与输出轴相连接构成U形传动结构，所述的左、右曲轴上各有4个曲拐，依次为曲拐一、曲拐二、曲拐三、曲拐四，左、右曲轴左端和右端相邻的四个曲拐各构成一个四缸双作用热气机的传动单元；所述的左、右曲轴的曲拐二、曲拐三、曲拐四与曲拐一的相位依次相差90°、180°和270°，且左、右曲轴曲拐一的安装相位相差90°。

上述的八缸热气机传动系统结构，可以在其上很紧凑地布置两套四缸热气机结构单元，八缸热气机运转时，每一时刻均有对称的两个缸在做功，因此热气机的功率成倍增加，且在每根曲轴上有对应的曲拐两两运动相反，从而使曲轴受力部分抵消，降低了轴承的负荷；由于每根曲轴上四个曲拐结构相同，相位依次相差90°，因此曲轴上各个偏心质量的离心惯性力和一次、二次往复惯性力的矢量和均为零，同时，这些离心力和惯性力所构成的力矩之和也均为零，所以，八缸热气机传动系统自身满足动平衡要求，不需另外采取平衡措施，使得曲轴的结构大为简化，加工更加容易，成本更低，同时也降低振动、噪声。

上述的八缸热气机传动系统，齿轮传动机构由左、右曲轴齿轮和输出轴齿轮组成，左、右曲轴齿轮布置在左、右曲轴的曲拐二、曲拐三之间。这种结构可以使传动系统的长度减小，结构更加紧凑，同时可以减小曲轴的扭振产生的倾向。

上述的八缸热气机传动系统，左、右曲轴齿轮和输出轴齿轮为人字齿。这样可以使前后两个轴向推力完全抵消，取消了止推轴承，传动更加平稳，振动噪声降低，可靠性进一步提高。

上述的八缸热气机传动系统，左、右曲轴齿轮和输出轴齿轮的齿数相同。这样可以使输出轴的转数与曲轴的转数相同。

上述的八缸热气机传动系统，左、右曲轴齿轮与曲轴、输出轴齿轮和输出轴的连接方式为锥面过盈紧配合式的，并用螺母轴向锁紧固定。这样可以使结构简化，配合可靠性提高。

上述的八缸热气机传动系统，还设置有一个在热气机启动前供给机油用的预供油泵。可以在热气机启动前给传动系统预先供油，防止供油不到位引起干摩擦，影响传动系统的可靠性。

上述的八缸热气机传动系统，在左曲轴或右曲轴的一端连接有一个机油泵。机油泵在热气机启动后停止预供油泵，采用该机油泵给热气机供给机油，这样可以节省预供油泵电能的消耗，直接连接到曲轴上可以使布置十分紧凑，简化机带油泵的结构。

上述的八缸热气机传动系统，在未连接机油泵的一根曲轴的一端连接有一个工质压缩机。可以便于机带工质压缩机的布置，简化系统布置。

上述的八缸热气机传动系统，输出轴连接有一个相适配的飞轮。可以使启动更加平稳和容易，减少启动时的蓄电池电能消耗。

上述的八缸热气机传动系统，曲轴箱为整体式，左、右曲轴、输出轴和齿轮传动机构布置在这个整体的曲轴箱内。这样可以使整个传动系统更加紧凑，使曲轴、输出轴轴承孔的位置精度易于保证，加工更加容易，系统的可靠性更高。

综上所述，本发明具有下列优点：

1、该传动系统可以满足八缸热气机的使用需要。

2、该传动系统结构紧凑，自身满足动平衡要求，不需另外采取平衡措施，简化了曲轴的结构，且轴承负荷小，运动可靠性高。

3、该传动系统的冲击、振动、噪声进一步降低，且轴向推力可以完全抵消，取消了止推轴承，简化了结构。经试验测得某型八缸热气机在100％负荷下，其1m处的空气噪声水平较四缸热气机的低5dB(A)以上。

4、整个系统结构紧凑，可靠性高。

附图说明

图1是八缸热气机气缸布置的示意图。

图2是本发明的仰视图，但已去除油底壳。

图3是本发明的左、右曲轴结构图，包含齿轮。

图4是本发明的纵向剖视图。

具体实施方式

图1所示的为八缸热气机气缸布置的示意图，左曲轴上布置有气缸一1、气缸二2、气缸七7、气缸八8，右曲轴上布置有气缸三3、气缸四4、气缸五5、气缸六6，气缸一1、气缸二2、气缸三3、气缸四4呈方形布置，构成了第一个四缸双作用热气机单元，气缸五5、气缸六6、气缸七7、气缸八8也呈方形布置，构成了第二个四缸双作用热气机单元，该两个四缸热气机单元就串联构成了一个八缸热气机。

如图2、图3和图4所示，本发明的八缸机传动系统包括左曲轴15、右曲轴14、输出轴10、曲轴箱11和齿轮传动机构，在左曲轴15上有4个曲拐，依次为曲拐一19、曲拐二20、曲拐三21、曲拐四22，在右曲轴14上也有4个曲拐，依次为曲拐一23、曲拐二24、曲拐三25、曲拐四26，每个曲拐上各连接有一套结构相同的活塞连杆机构28，左曲轴15的曲拐一19、曲拐二20、曲拐三21、曲拐四22分别对应于八缸热气机的气缸六6、气缸五5、气缸四4和气缸三3，右曲轴14的曲拐一23、曲拐二24、曲拐三25、曲拐四26分别对应于八缸热气机的气缸七7、气缸八8、气缸一1、气缸二2，左曲轴15和右曲轴14在曲轴箱11中平行布置，倒挂在曲轴箱11底部，下端设置有油底壳27，倒挂式的曲轴可以方便其拆检和轴瓦的检查更换。一般输出轴10布置在两根曲轴的中间上方，形成正“品”字形布置结构，当然也可以将输出轴10布置在两根曲轴的中间下方，形成倒“品”字形布置结构。左、右曲轴15、14通过齿轮传动机构与输出轴10相连接，从而将曲轴的输出功合并传递出去，如此构成八缸热气机的U形传动结构，为保证八缸热气机两个四缸机单元的双作用规律，保持一个四缸机单元的四缸之间依次有90°的相位关系，左曲轴15的曲拐二20、曲拐三21、曲拐四22与曲拐一19的相位依次相差90°、180°和270°，从端面看四个曲拐在整个圆周上呈对称布置，右曲轴14的曲拐布置结构与左曲轴15的相同。为便于加工，曲轴的曲臂一般设计成圆盘形。曲轴在安装时，左、右曲轴15、14的相位相差90°，这可以通过调整左、右曲轴齿轮18、12与输出轴齿轮17的啮合关系来保证。

为了使传动系统的结构紧凑，曲轴的长度最短，重量降低，一般将传动系统的齿轮传动机构布置在两个四缸热气机单元的中间即左、右曲轴15、14的曲拐二、曲拐三之间，最好在中间，这样还可以有利于平衡，当然也可以将齿轮传动机构布置在曲轴的飞轮端或自由端，但这会带来曲轴的长度增加，布置更加困难，对传递的平衡性也有一定的影响，还会增加曲轴的扭振倾向。

齿轮传动机构由左、右曲轴齿轮18、12和输出轴齿轮17组成，为了使传递更加平稳，减少运动时的冲击、振动和噪声，齿轮采用了左右两排轮齿完全对称的人字齿轮，这不仅使传递效率高，还可以使曲轴所受的轴向推力完全抵消，取消了止推轴承。齿轮传动机构可以通过调整曲轴齿轮18、12和输出轴齿轮17的齿数比来设置发动机的输出转速，起到变速箱的作用，本发明中曲轴齿轮18、12和输出轴齿轮17的齿数相同，从而使输出轴10与曲轴18、12同转速。

为了便于加工，左、右曲轴齿轮18、12和左、右曲轴15、14，输出轴齿轮17和输出轴10是分离的，这样有利于保证各个零部件的加工质量，简化工艺，降低加工成本，当然也可以做成一体的，这样更紧凑。齿轮与曲轴和输出轴的连接方式采用锥面过盈配合方式，安装时利用高压油装配，通过旋转齿轮前端的螺母29为齿轮提供轴向推力，在螺母29拧紧的同时也将齿轮推到合适的位置。螺母29在齿轮装配完成后还起到轴向定位、防止齿轮松动的作用。当然也可以采用键槽配合、圆柱面热套过盈配合方式等其他方法。

由于八缸热气机传动系统需要润滑的轴承、齿轮等部位较多，供油路径较长，按传统方法，热气机曲轴带一机油泵16，热气机启动后将机油供到各个部位，这种供油方式可能造成部分供油较远的部位来不及供油，润滑不良，引起干摩擦现象产生，影响系统的可靠性。为了防止以上现象发生，八缸热气机传动系统设计了一个预供油泵13，预供油泵13进口通过管路连接到油底壳27，出口通过管路连接到主供油道，相当于与热气机机油泵16并联，热气机启动前，自动启动预供油泵13给传动系统供油，热气机启动完成靠机油泵16足以供油时，预供油泵13停止供油，预供油泵13还可以作为机油泵16故障时的备用油泵。热气机的机油泵16可以设置在热气机的自由端，与左、右曲轴之一直接相连接，这样可以使布置十分紧凑，机油泵16离油底壳27最近，便于吸油，当然机油泵16也可以布置到飞轮端，还可以直接连接到输出轴10上。在未连接机油泵16的曲轴的一端还可以连接有一台工质压缩机，用于将热气机的工质排气泵回到工作瓶中。

在输出轴10上还连接有一个与八缸热气机功率相适配的飞轮9，便于热气机的启动，使启动更加平稳，减少启动时的蓄电池电能消耗。对于较小功率的热气机也可以不设置飞轮。

本发明的曲轴箱11为整体式，左、右曲轴15、14、输出轴10和齿轮传动机构布置在这个整体的曲轴箱11内，整体式的曲轴箱11可以使传动系统更紧凑，总重量减轻，特别是对于左、右曲轴15、14和输出轴10轴承孔加工更方便，位置精度容易保证，另外对于油道的布置也更加方便，供油路径大大缩短。为了曲轴箱11铸造方便，也可以将曲轴箱11设计成分离式的，安装时刚性连接到一起，但这很难保证左、右曲轴15、14和输出轴10轴承孔的位置精度。在曲轴箱11的下面设置有分离的油底壳27，通过螺钉或螺栓与曲轴箱连接在一起，很容易拆卸。

按本发明设计了八缸热气机样机，试验结果表明：八缸热气机的总功率较四缸机增加了一倍，效率略有提高，在100％负荷时，1m处空气噪声水平较四缸机降低了5dB(A)以上，振动在部分频段略有降低，八缸热气机启动平稳，运转可靠，传动系统拆检方便。

本发明还可以变换成其他的方式，如将曲轴延长，每根曲轴布置6个曲拐，曲轴箱、输出轴、齿轮传动机构等也做相应改进，设计成12缸机传动系统，这都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1、一种八缸热气机传动系统，包括左曲轴(15)、右曲轴(14)、输出轴(10)、曲轴箱(11)和齿轮传动机构，以及与左、右曲轴(15、14)相连接的活塞连杆机构(28)，所述的左、右曲轴(15、14)平行布置，通过齿轮传动机构与输出轴(10)相连接构成U形传动结构，其特征在于：所述的左、右曲轴(15、14)上各有4个曲拐，依次为曲拐一(19、23)、曲拐二(20、24)、曲拐三(21、25)、曲拐四(22、26)，左、右曲轴(15、14)左端和右端相邻的四个曲拐各构成一个四缸双作用热气机的传动单元；所述的左、右曲轴(15、14)的曲拐(20、24)、曲拐三(21、25)、曲拐四(22、26)与曲拐一(19、23)的相位依次相差90°、180°和270°，且左曲轴(15)曲拐一(19)与右曲轴(14)曲拐一(23)的安装相位相差90°。

2、根据权利要求1所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的齿轮传动机构由左、右曲轴齿轮(18、12)和输出轴齿轮(17)组成，左、右曲轴齿轮(18、12)布置在左、右曲轴(15、14)的曲拐(20、24)和曲拐三(21、25)之间。

3、根据权利要求2所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的左、右曲轴齿轮(18、12)和输出轴齿轮(17)均为人字形齿轮。

4、根据权利要求2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的左、右曲轴齿轮(18、12)和输出轴齿轮(17)的齿数相同。

5、根据权利要求2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的左、右曲轴齿轮(18、12)与曲轴(15、14)、输出轴齿轮(17)和输出轴(10)的连接方式为锥面过盈紧配合式的，并用螺母(29)轴向锁进固定。

6、根据权利要求1、2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：该传动系统还设置有一个在热气机启动前供给机油用的预供油泵(13)。

7、根据权利要求4所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：该传动系统还设置有一个在热气机启动前供给机油用的预供油泵(13)。

8、根据权利要求1、2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：在所述的左曲轴(15)或右曲轴(14)的一端连接有一个机油泵(16)。

9、根据权利要求8所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：在未连接机油泵(16)的一根曲轴的一端连接有一个工质压缩机。

10、根据权利要求1、2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的输出轴连接有一个相适配的飞轮(9)。

11、根据权利要求1、2或3所述的八缸热气机传动系统，其特征在于：所述的曲轴箱(11)为整体式，左、右曲轴(15、14)、输出轴(10)和齿轮传动机构布置在这个整体的曲轴箱(11)内。

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