CN201401232Y - 一种曲柄连杆机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种曲柄连杆机构，它包括传动连杆、传动臂、限位连杆、限位曲轴和输出轴，输出轴上设有主动连动齿和与传动臂上棘爪啮合的棘轮齿，传动连杆两端分别与活塞和传动臂连接，限位连杆两端分别与传动臂和限位曲轴连接，在限位曲轴上设有与输出轴上的主动连动齿相互啮合的从动连动齿，从动连动齿由相互啮合的从动连动内齿和从动连动外齿构成。本实用新型使曲柄连杆在高效输出的工作范围内工作，降低了发动机的机械损失，减小了活塞与汽缸壁之间的压力，使活塞寿命得到了延长，大大提高的发动机的工作效率，结构简单，零件制造及安装容易实现。

Description

一种曲柄连杆机构

技术领域

本实用新型涉及一种曲柄连杆机构，本曲柄连杆机构克服了传统曲柄连杆机构传动效率低、工作过程中力的作用角度大、在上止点与下止点存在死点的缺陷。

背景技术

曲柄连杆机构在发动机中起的主要作用就是将汽缸内可燃气体燃烧时产生的爆发压力推动活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

目前使用的曲柄连杆机构如图1所示，连杆27小头连接活塞7，大头连接到曲轴28上，曲轴28运动轨迹的中心位于活塞7正下方。其工作原理为：可燃气体燃烧膨胀，活塞7将压力传给连杆27，连杆27将压力传到曲轴28使曲轴旋转输出功。从图2可以看出活塞作用在连杆上的力被分解为沿连杆方向的压力和垂直于连杆方向上的力。而实际起作用的只有沿连杆方向上的分力，这个力的实际大小为F×Cosα。也就是说连杆与活塞运行轨迹的夹角α的大小决定了连杆传动效率的高低。同理连杆传给曲轴的力也只有沿曲轴运行轨迹切线方向的力为有效作用力，才真正起到推动曲轴旋转的作用。也就是说真正做有效功的那部分力F4＝F1×Cosα×Cosβ(其中F1与F3之间夹角为α，F3与F4之间夹角为β)。在活塞处于上下止点的时候，甚至出现连杆与曲轴的连接处出现死点的现象。同时，也正是由于α与β角的原因，使连杆在工作的时候会给活塞一个支反力的作用，使活塞一面紧紧的贴在汽缸壁上，使活塞与汽缸产生很大的摩擦力，减少活塞与汽缸的使用寿命。所以，目前使用的曲柄连杆机构的传动效率相对偏低。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是提供一种传动效率高、能避免上下止点出现死点的曲柄连杆机构。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种曲柄连杆机构，它包括传动连杆、传动臂、限位连杆、限位曲轴和和输出轴，输出轴从传动臂中穿过，传动臂上设有棘爪，输出轴上设有主动连动齿和与传动臂上棘爪啮合的棘轮齿，传动连杆一端与发动机活塞连接，另一端与传动臂上的传动连杆安装轴连接，限位连杆两端分别与传动臂上的限位连杆安装轴和限位曲轴连接，在限位曲轴上设有与输出轴上的主动连动齿相互啮合的从动连动齿，主动连动齿与从动连动齿的传动比为2∶1，从动连动齿由相互啮合的从动连动内齿和从动连动外齿构成，啮合部分留有空隙；限位曲轴回转中心位于传动连杆上下止点连线上，限位曲轴的上下止点间的距离等于传动臂上下止点间的距离。

进一步地，所述输出轴上的棘轮齿为成180度分布的两个，传动臂上的棘爪为对应的两个，棘爪通过导向机构和复位弹簧安装于传动臂上，使棘爪能够在传动臂上面滑动并在复位弹簧作用下复位。

所述导向机构为设于棘爪和传动臂上的配对的导向槽和导向块，导向块插入导向槽中；复位弹簧一端放入棘爪上的复位弹簧安装槽中，另一端卡在传动臂上的复位弹簧限位块上。

所述从动连动内齿与限位曲轴一体成型，从动连动外齿套在限位曲轴上，从动连动外齿上方用卡圈将从动连动外齿安装在限位曲轴上限制其轴向窜动。

本实用新型的曲柄连杆机构通过传动臂、限位曲轴、限位连杆等，将活塞连杆的有效做功行程由传统曲柄连杆机构的半圆减少到1/4圆，使得做功时，活塞与连杆的夹角以及连杆作用力方向与曲轴转动的切向方向的夹角大大减小，从而大大提高了曲柄连杆机构的传动效率。本实用新型不但避免了在上下止点时存在死点的情况，而且在做功过程中的每个时刻，都显著的减小了力的传递方向与力的有效作用方向的夹角，这不但起到了大大提高曲柄连杆传动效率的作用，同时还减小了活塞受到连杆的支反力，减小了活塞与汽缸壁之间的压力，使活塞与汽缸壁之间的摩擦力大大减小，最直接的缓解了活塞与汽缸壁之间的磨损，提高了发动机的使用寿命。

本实用新型曲柄连杆机构具有结构简单，制造成本低，可行性高的特点。

附图说明

图1-现有的曲柄连杆机构图；

图2-现有的曲柄连杆机构受力分析图；

图3-本实用新型曲柄连杆机构运动原理图；

图4-本实用新型传动上臂立体图；

图5-本实用新型棘爪结构图；

图6-本实用新型传动上臂组装图；

图7-本实用新型传动下臂组装图；

图8-本实用新型输出轴立体图；

图9-本实用新型限位曲轴外齿结构图；

图10-本实用新型限位曲轴外齿剖面图；

图11-本实用新型限位曲轴组装图；

图12-本实用新型限位曲轴平面图；

图13-本实用新型曲柄连杆机构总装示意图；

图14-本实用新型曲柄连杆机构运动示意图；

图15-本实用新型曲柄连杆机构侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的曲柄连杆机构主要由传动连杆1、传动臂2、限位连杆3、限位曲轴4和输出轴5五大部分组成。其运动原理如图3所示，传动连杆1与传动臂2、限位连杆3以铰链形式连接在一起，图中标记6所指弧线为传动连杆大头运动轨迹线，其轨迹线为1/4个圆周。活塞7受到可燃气体爆发压力的作用向下运动推动传动连杆1向下运动，传动连杆1推动传动臂2做功的同时也推动限位连杆3向下运动，使得限位曲轴4沿图示顺时针旋转，直到活塞7运动到下止点，同时传动连杆1、传动臂2、限位连杆3和限位曲轴4也同时到达了各自的下止点位置。

从理论上讲如果传动连杆能够如图3中的轨迹往复工作的话，那么就将显著的减小活塞的力的作用线与连杆有效力的作用线之间的夹角，以及连杆对曲轴的有效力的作用线与曲轴瞬时位置的切线方向的夹角，这无疑将大大提高曲柄连杆机构的传动效率。

但是，要使曲柄连杆机构能够真正运转起来，还要使连杆能够向上运动，使活塞能够完成排气、压缩等工作过程。这些功能在本曲柄连杆机构的设计中由限位曲轴与限位连杆来完成。这个限位连杆的运动周期要与传动连杆的运动周期一致，才能使传动连杆带动活塞无限次的在设定的轨迹上工作。而活塞、传动连杆、限位连杆、限位曲轴和输出轴之间都要存在一定的限制，使它们每个部件的运动过程都紧密的联系起来。这些都会由他们每个部件的特殊结构以及装配关系来达到。

下面将分别介绍每个部件的特殊结构。

1.传动臂结构介绍：

传动臂由传动上臂8、传动下臂9、棘爪10、传动上臂盖11、传动下臂盖12和复位弹簧13等组成。传动上臂8结构如图4所示，传动上臂8上设有复位弹簧限位块14、棘爪导向块15、传动连杆安装轴16和限位连杆安装轴17。棘爪10结构如图5所示，其上设有复位弹簧安装槽18和导向槽19。

将传动上臂中间的棘爪导向块15插入棘爪导向槽19中。复位弹簧13一端放入棘爪上的复位弹簧安装槽18中，复位弹簧13另一端卡在传动上臂的复位弹簧限位块14上，使棘爪10能够在传动上臂8上面滑动。导向槽19和导向块15共同组成导向机构，对棘爪10的滑动进行导向。最后将传动臂上臂盖11与传动上臂8对应安装，传动上臂组装完成，结构见图6。

传动下臂9与传动上臂结构基本相同，只是没有连杆安装轴，其组装图见图7。

2.输出轴结构介绍：

输出轴5上带有成180度分布的两个与传动臂棘爪10相互咬合的棘轮齿20，还有与限位曲轴4上的从动连动齿相咬合传动比为2∶1的主动连动齿21，其结构见图8。

3.限位曲轴结构：

限位曲轴4结构见图11和图12，限位曲轴4上带有与输出轴上的主动连动齿21相互啮合的从动连动齿22，其中从动连动齿22又分为从动连动内齿23和从动连动外齿24。从动连动内齿23与限位曲轴4一体成型，从动连动外齿24套在限位曲轴4上，从动连动外齿上方用卡圈将从动连动外齿安装在限位曲轴上限制其轴向窜动。从动连动外齿24的结构见图9和图10。

从动连动内齿23和从动连动外齿24相互啮合，啮合部分留有一定的空隙25。也就是说从动连动内齿和从动连动外齿相互可以自由转动一定的角度。内齿与外齿之间的这个空隙非常的关键，它决定了整个新的曲柄连杆机构能否正常的转动。后面将详细介绍限位曲轴内外齿之间的这个间隙是如何对整个机构的工作产生影响的。

由于传动连杆和限位连杆在结构上与普通的现在使用的连杆没有发生改变，所以这里就不单独介绍其结构。下面介绍新曲柄连杆机构的总装结构。

4.本实用新型曲柄连杆机构总装图：

参见图13、图14和图15，从图上可以看出，传动连杆1小头连接活塞7，大头连接到传动上臂的传动连杆安装轴16上。限位连杆3小头安装在传动上臂的限位连杆安装轴17上，大头安装在限位曲轴4上。传动上臂8与传动下臂9上设有对应的半圆形缺口26，两者合围形成一个标准圆孔用于将输出轴5抱合，传动臂上的两个棘爪10与输出轴上的棘轮齿20相互咬合在一起。限位曲轴上的从动连动外齿24与输出轴上的主动连动齿21相互啮合在一起。

这套曲柄连杆机构在安装时，限位曲轴4的回转中心必须在传动连杆1上下止点连线上，限位曲轴4的上下止点间的距离必须等于传动臂2上下止点间的距离，输出轴上的主动连动齿21与限位曲轴上的从动连动齿22的传动比必须为2∶1，传动臂2的工作轨迹为1/4圆周。

5.工作原理介绍：

做功过程：活塞推动传动连杆向下运动，进而推动传动臂向下运动，此时传动臂中的两个传动臂棘爪与输出轴上的两个棘轮齿咬合，推动输出轴转动做功。同时与传动连杆通过传动臂铰链在一起的限位连杆也在传动臂的作用下开始向下运动。但由于限位曲轴上从动连动齿内外齿中间的间隙，使得限位曲轴不会通过其从动连动齿将能传到输出轴上。

排气过程：此时活塞、传动连杆与限位连杆都同时在各自的下止点位置，输出轴在其一端连接的飞轮惯性作用下继续旋转，其自身的主动连动齿将带动限位曲轴上的从动连动齿外齿一起旋转。这时限位曲轴上的从动连动齿外齿由于输出轴的主动连动齿的带动，转速远远大于限位曲轴的转速，瞬间与限位曲轴上的从动连动齿内齿咬合带动连动齿内部以及限位曲轴一起旋转，从而带动限位连杆由下止点向上止点运动。同时也带动了与其连接在一起的传动臂和传动连杆一起向上止点运动，推动活塞由下止点向上止点运动排出废气。在这个过程中传动臂上的棘爪与输出轴上的棘轮齿处于脱离状态。

进气过程以及压缩过程的工作原理同排气过程的工作原理一样，都是通过输出轴的惯性带动限位曲轴、限位连杆、传动臂和传动连杆等的运动。只有在做功过程时，由于传动连杆在活塞的作用下高速向下运动时，其速度超过输出轴的速度，使传动连杆带动传动臂高速向下运动，传动臂上的棘爪又重新与输出轴上的棘轮齿咬合，从而带动其他部件运动。也就是上面介绍的做功过程。

前面提到了限位曲轴上的从动连动齿分为内齿和外齿两个部分，并且内外两部分在啮合位置留有一定的间隙，那是因为在这套曲柄连杆的工作过程中传动臂在某一时刻转过的角度并不总等于限位曲轴转过角度的1/2，传动臂的转动角速度又等于输出轴的角速度，输出轴上的主动连动齿与限位曲轴上的从动连动齿的传动比为2∶1，也就说明了限位曲轴上的从动连动齿外齿的角速度总等于传动臂角速度的2倍。而限位曲轴上的从动连动齿内齿的速度却与传动臂角速度的2倍有一定的误差。故，限位曲轴的内外齿之间的间隙起到了对这个转速误差的调节作用，使机构能够正常旋转。另外又是由于有这个间隙的存在，发动机在做功行程向排气行程过度时要通过限位曲轴外齿带动限位曲轴旋转，每次总要让输出轴上的主动连动齿先带动限位曲轴上的从动连动齿外齿先转过一定的角度消除内外齿之间的间隙后才能带动其他部件运动，也就是说每次输出轴都要超越传动臂旋转一定的角度，这个超越量恰好保证了棘轮在高速运转的情况下能够正常啮合，提高了整个曲柄连杆组合的可靠性。

本实用新型的曲柄连杆机构的主要优点是克服了传统的曲柄连杆机构传动效率低，工作过程中力的作用角度大，在上止点与下止点存在着死点的缺点，使曲柄连杆在高效输出的工作范围内工作，降低了发动机的机械损失，减小了活塞与汽缸壁之间的压力，使活塞寿命得到了延长，大大提高的发动机的工作效率，结构简单，零件制造及安装容易实现。

Claims (4)

1、一种曲柄连杆机构，其特征在于：它包括传动连杆(1)、传动臂(2)、限位连杆(3)、限位曲轴(4)和和输出轴(5)，输出轴(5)从传动臂(2)中穿过，传动臂(2)上设有棘爪(10)，输出轴(5)上设有主动连动齿(21)和与传动臂上棘爪啮合的棘轮齿(20)，传动连杆(1)一端与发动机活塞连接，另一端与传动臂上的安装轴连接，限位连杆(3)两端分别与传动臂上的安装轴和限位曲轴(4)连接，在限位曲轴(4)上设有与输出轴上的主动连动齿(21)相互啮合的从动连动齿(22)，主动连动齿(21)与从动连动齿(22)的传动比为2∶1，从动连动齿(22)由相互啮合的从动连动内齿(23)和从动连动外齿(24)构成，啮合部分留有空隙(25)；限位曲轴回转中心位于传动连杆上下止点连线上，限位曲轴的上下止点间的距离等于传动臂上下止点间的距离。

2、根据权利要求1所述的曲柄连杆机构，其特征在于：所述输出轴上的棘轮齿(20)为成180度分布的两个，传动臂上的棘爪(10)为对应的两个，棘爪(10)通过导向机构和复位弹簧(13)安装于传动臂(2)上，使棘爪能够在传动臂上面滑动并在复位弹簧作用下复位。

3、根据权利要求2所述的曲柄连杆机构，其特征在于：所述导向机构为设于棘爪和传动臂上的配对的导向槽(19)和导向块(15)，导向块(15)插入导向槽(19)中；复位弹簧(13)一端放入棘爪(10)上的复位弹簧安装槽(18)中，另一端卡在传动臂上的复位弹簧限位块(14)上。

4、根据权利要求1或2或3所述的曲柄连杆机构，其特征在于：所述从动连动内齿(23)与限位曲轴(4)一体成型，从动连动外齿(24)套在限位曲轴(4)上，从动连动外齿上方用卡圈将从动连动外齿安装在限位曲轴上限制其轴向窜动。

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