CN202431865U - 节能曲轴 - Google Patents

Abstract

一种节能曲轴，包括有曲半径、连杆，其特点是还包括有固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮，其中固定齿轮固定在框架上，曲半径一端设有主轴，该主轴套穿在固定齿轮中心处，曲半径上还依次设有从动齿轮的中心轴孔和次轴孔，从动齿轮中心轴安装在曲半径的中心轴孔中，连杆一端设有次轴，该次轴套穿过曲半径的次轴孔，并固定在滚动齿轮中心处与滚动齿轮一起转动，连杆另一端套穿在活塞外侧中心处，固定齿轮与从动齿轮相互啮合，从动齿轮和滚动齿轮相互啮合。本实用新型通过对现有曲轴的结构进行改进，增设了固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮，在曲半径相同的情况下，滑行距离为现有曲轴的两倍，因此本实用新型比现有曲轴更能够充分利用内能。

Description

节能曲轴

技术领域

本实用新型涉及一种曲轴，特别是涉及一种可以提高动力机械或热机的效率的节能曲轴。 

背景技术

曲轴是往复式活塞引擎中将活塞的直线往复运动的动能转化为旋转动能的部件，在绝大多数动力机械中，经常安装传递能量很差的现有结构的曲轴，尤其是热机(汽油机、柴油机、蒸汽机)是人类常用的动力能源，因安装现有结构的曲轴而导致热机的效率很低，浪费巨大的有限能源。其主要原因就是与曲轴的构造有关，即现有结构的曲轴的活塞移动距离大于曲半径的两倍，不利于能量的传递。 

公开号为CN102062141A的中国发明专利申请《曲轴》，给出一种用于内燃机特别是船舶柴油内燃机的曲轴，其具有用于将曲轴支撑在曲轴箱中的轴颈、用于承接连杆轴承的曲轴连杆颈、用于使得轴颈和曲轴连杆颈连接的活动颚板、在曲轴连杆颈的对面配设给活动颚板的用于调节质量分布的配重，其中至少一个配重分别借助于至少一个弯曲弹性的弹性件支撑在相应的活动颚板上。 

公开号为CN1580589的中国发明专利申请《曲轴》，给出一种用于特别是构成为大型柴油机的短冲程发动机，包括至少一个主轴颈和至少一个沿径向方向与其相对偏移的连杆轴颈，其中，主轴颈和/或连杆轴颈从一个连接它们的曲拐臂上反向凸出，并且主轴颈和/或连杆轴颈具有一个嵌入到曲拐臂的一个相配的孔中的、通过一种热压配合与曲拐臂连接的嵌接头，该嵌接头具有一个沿推入方向后面的、具有一个较大直径的部分和一个与其相反的沿推入方向前面的逐渐缩小的部分，通过使嵌接头的沿推入方向前面的部分具有一个连接在其后面 的部分上的、向推入方向逐渐缩小的圆锥体并且设有一个防止嵌接头相对于曲拐臂轴向移动的锁定装置的方式，可实现较大的可传递的转矩。 

上述技术方案给出的曲轴结构仍未脱离现有技术中曲轴的基本结构，对提高动力机械或热机的效率帮助不大。 

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，给出一种以提高动力机械或热机的效率的节能曲轴。该节能曲轴通过对现有曲轴的结构进行改进，增设了固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮，在曲半径相同的情况下，滑行距离为现有曲轴的两倍，因此本实用新型比现有曲轴更能够充分利用内能。 

本实用新型给出的技术解决方案是：这种节能曲轴，包括有曲半径、连杆，其特点是还包括有固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮，其中固定齿轮固定在框架上，曲半径的一端设有主轴，该主轴套穿在固定齿轮中心处，曲半径上还依次设有从动齿轮的中心轴孔和次轴孔，从动齿轮的中心轴安装在曲半径的的中心轴孔中，连杆的一端设有次轴，该次轴套穿过曲半径的次轴孔，并固定在滚动齿轮中心处与滚动齿轮一起转动，连杆的另一端套穿在活塞外侧中心处，所述的固定齿轮与从动齿轮相互啮合，从动齿轮和滚动齿轮相互啮合。 

为更好的实现本实用新型的目的，所述从动齿轮个数为奇数个。 

为更好的实现本实用新型的目的，所述固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮的齿数之比为2∶1∶1。 

为更好的实现本实用新型的目的，所述曲半径的长度等于连杆的长度。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是： 

1.在动力装置中将有的曲轴改装为新式曲轴，能节省很大的能量； 

2.新式和现有的曲轴在曲半径相同的情况下，新式滑行距离为现有的曲 轴的两倍，因此新式曲轴比现有的曲轴能够充分利用内能； 

3.热机或动力装置中用到新式曲轴能够减少噪音； 

4.滑行距离相同的情况下，新式曲轴比现有的曲轴所占空间体积小； 

5.现有的曲轴活塞移动距离大于曲半径的两倍，不利于能量的传递； 

6.新式曲轴比现有的曲轴加大机械功率； 

7.因充分利用内能，有利于防止环境的影响。 

附图说明

图1为现有的曲轴结构示意图； 

图2为现有的曲轴分析效率示意图； 

图3为本实用新型给出的新式曲轴结构示意图； 

图4为本实用新型给出的新式曲轴分析效率示意图； 

图5为本实用新型给出的新式曲轴各部件的组合示意图； 

图6为图5的俯视图； 

图7为新式曲轴的滚动转动方向和连杆运动方向示意图； 

图8为图7的俯视图； 

图9为新式曲轴的三个从动齿轮时，各部件的转动或运动示意图； 

图10为多缸曲轴组合的平面示意图。 

图中标记：1.曲半径，2.连杆，3.活塞，4.固定齿轮，5.从动齿轮，6.滚动齿轮，7.主轴，8.次轴。 

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型的具体技术方案做进一步说明： 

如图1～图2所示，现有的曲轴由曲半径1、连杆2和活塞3构成，其效率分析如下： 

设曲半径O₁p＝2r、连杆Ap＝L、∠O₁Ap＝θ、∠AO₁p＝α、活塞的平均推力为F(变力)、O₁B⊥AB(垂足为B) 

图2中可知，力F沿AB(连杆)方向的分力F₁＝Fcosθ……① 

力臂O₁B＝O₁p sin(α+θ)，即O₁B＝2rsin(α+θ)…………② 

在ΔAO₁p中，由正弦定理得Ap/sinα＝O₁p/sinθ， 

即L/sinα＝2r/sinθ，.∴sinα＝Lsinθ/2r  ……………③ 

由式①、②、③得出分力F₁对O₁的力矩： 

M＝2Fr sin(α+θ)cosθ………………………………………④ 

分析：当θ不变时L越长α越大，力矩M的值也越大。但不断增大L是不符合实际的。 

为了计算简便，设L＝4r由式③得： 

sinα＝2sinθ， 

………………………………⑤ 

由式④、⑤，得出： 

$M=2\mathrm{F\; r}\sin 2\mathrm{\θ}(\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{1-4{\sin }^2\mathrm{\θ}}/2)$

∵1-4sin²≥0 ∴θ≤π/6(曲半径旋转90°的过程中) 

$\mathrm{\ΣM}=2\mathrm{F\; r}{{\∫}_0}^{\mathrm{\π}/6}\sin 2\mathrm{\θ}(\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{1-4{\sin }^2\mathrm{\θ}}/2)\mathrm{d\θ}$

$=2\mathrm{F\; r}(\frac{3}{4}-\frac{\sqrt{3}}{4})\≈2\mathrm{F\; r}0.317$

即得到的动能为E_k＝2Fr0.317， 

活塞的平均推力F做的功W＝2Fr， 

因此热机的效率 $\mathrm{\η}=\frac{E_k}{w}\×100\%=31.7\%$

3.分析实际效率 

1)实际效率应该是η′＝2Fr0.317/Q 

∵活塞的移动距离d＝6r-(2rcos90°+4rcos30°)＝2.536r＞2r，Q＞2dr＞2Fr  另外，再考虑到排气、吸气、压缩三个行程的消耗能量。 

∴实际效率η′＜31.7％ 

其中Q＝qm，式中q为燃料的燃烧值，m为燃料的质量。 

2)活塞的推力 $F=\mathrm{nRT}/(6r-2r\sqrt{4{\cos }^2\mathrm{\θ}-3}-4r\cos \mathrm{\θ}+d_0)-p_{0}S$ 的规律变化。 

式中： 

n：气体的物质量； 

R：一摩尔气体的普适常量； 

T：气体的热力学温度； 

d₀：压缩行程末时缸底和活塞之间的最短距离； 

p₀：大气压； 

S：活塞的的横截面积。 

针对每一个气缸应该用F的变化规律，具体分析其效率。 

如图3～图8所示，这种节能曲轴，包括有曲半径1、连杆2、固定齿轮4、从动齿轮5和滚动齿轮6，其中固定齿轮4固定在框架上，曲半径1的一端设有主轴7，该主轴7套穿在固定齿轮4中心处，曲半径1上还依次设有从动齿轮5的中心轴孔和次轴孔，从动齿轮5的中心轴安装在曲半径1的的中心轴孔中，连杆2的一端设有次轴8，该次轴8套穿过曲半径1的次轴孔，并固定在滚动齿轮6中心处与滚动齿轮6一起转动，连杆2的另一端套穿在活塞3外侧中心处，所述的固定齿轮4与从动齿轮5相互啮合，从动齿轮5和滚动齿轮6相互啮合。 

其效率分析如下： 

设曲半径O₁O₂＝r、连杆AO₂＝r、∠O₁AO₂＝θ、∠AO₁O₂＝θ、活塞的平 均推力为F(变力)、O₁B⊥AB(垂足为B)， 

图中可知，力F沿AB方向的分力F₁＝F/cosθ…………① 

力臂O₁B＝O₁O₂sin2θ，即O₁B＝rsin2θ…………② 

由式①、②得出分力F₁对O₁的力矩： 

M＝2Frsinθ……………③ 

∑M＝2Fr∫₀ ^π/2sinθdθ＝2Fr 

即得到的动能为E_k＝2Fr 

活塞的平均推力F做的功W＝2Fr 

因此热机的效率 $\mathrm{\η}=\frac{E_k}{w}\×100\%=100\%$

1.分析实际效率： 

1)实际效率应该是η′＝2Fr/Q 

∵Q＞2Fr另外，考虑摩擦等因素，再考虑到排气、吸气、压缩三个行程的消耗机械能量。 

∴实际效率η′＜100％ 

其中Q＝qm，式中q为燃料的燃烧值，m为燃料的质量。 

2)活塞的推力F＝nRT/2r(1-cosθ+d₀)-p₀S的规律变化。 

式中 

n：气体的物质量； 

R：一摩尔气体的普适常量； 

T：气体的热力学温度； 

d₀：压缩行程末时缸底和活塞之间的距离； 

p₀：大气压； 

S：活塞的的横截面积。 

针对每一个气缸应该用F的变化规律，具体分析其效率。 

如图9所示，当新式曲轴具有三个从动齿轮时，各部件的转动或运动方式。 

如图10所示，装配有本实用新型的多缸曲轴组合的实例。 

本实用新型的装配过程如下： 

1)固定齿轮固定在框架上； 

2)主轴套穿在固定齿轮中心处； 

3)从动齿轮的中心轴安装在曲半径中； 

4)曲半径右环套穿在次轴，连杆和滚动齿轮之间； 

5)次轴固定在滚动齿轮中心处，与滚动齿轮一起转动； 

6)从动齿轮个数不宜过多，过多会因摩擦反而影响效率； 

7)曲半径大小必须与连杆长度相同； 

8)连杆右环套穿在活塞外侧中心处，能自由转动。 

Claims (4)

1.一种节能曲轴，包括有曲半径、连杆，其特征在于还包括有固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮，其中固定齿轮固定在框架上，曲半径的一端设有主轴，该主轴套穿在固定齿轮中心处，曲半径上还依次设有从动齿轮的中心轴孔和次轴孔，从动齿轮的中心轴安装在曲半径的的中心轴孔中，连杆的一端设有次轴，该次轴套穿过曲半径的次轴孔，并固定在滚动齿轮中心处与滚动齿轮一起转动，连杆的另一端套穿在活塞外侧中心处，所述的固定齿轮与从动齿轮相互啮合，从动齿轮和滚动齿轮相互啮合。

2.根据权利要求1所述的节能曲轴，其特征在于所述从动齿轮个数为奇数个。

3.根据权利要求1所述的节能曲轴，其特征在于所述固定齿轮、从动齿轮和滚动齿轮的齿数之比为2∶1∶1。

4.根据权利要求1所述的节能曲轴，其特征在于所述曲半径的长度等于连杆的长度。

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