CN212296619U - 交叉连杆双曲轴功率传输机构 - Google Patents

Abstract

交叉连杆双曲轴功率传输机构包括活塞，活塞上安装相互平行的第一活塞销和第二活塞销，第一活塞销与第一连杆的小头连接，第一连杆的大头与第一曲轴的连杆轴颈连接，第二活塞销与第二连杆的小头连接，第二连杆的大头与第二曲轴的连杆轴颈连接，第一连杆与第二连杆相互交叉。本实用新型的优点在于：本实用新型有效缩减了两个曲轴之间的间距、减小了两个同步齿轮的直径，有利于缩小双曲轴发动机功率传输机构的体积、降低自身重量，减少功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗，有利于显著提升发动机的有效热效率；还可降低对发动机功率传输机构中相应部件的加工和装配精度的要求，有利于降低发动机的生产成本等。

Description

交叉连杆双曲轴功率传输机构

技术领域

本实用新型涉及活塞式发动机，具体的说是一种交叉连杆双曲轴功率传输机构。

背景技术

往复活塞式发动机是指活塞在汽缸内作往复直线运动，通过连杆和曲轴机构将活塞的直线运动转变为曲轴旋转运动来传输发动机的功率。活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力、保证发功机工质的可靠密封。传统的发动机结构中，活塞通过活塞销与一个连杆的小头铰接，连杆的的大头与一个曲轴的连杆轴颈铰接，此结构在运行时，活塞承受的一部分燃烧压力在连杆的摆动作用下会转化为活塞与汽缸壁之间的侧向力，该侧向力在活塞的整个工作过程中始终存在，且并不做功，还会加速活塞及汽缸壁的磨损，以及增加发动机工作时的噪音及振动，由此可看出活塞与汽缸壁之间的侧向力会给发动机带来动力的损失、影响发动机的寿命，还会为制造企业抑制噪声及振动造成困难，显然是一种负面的作用力。为尽可能的消除活塞的侧向力，本领域的技术人员设计出了双曲轴发动机，这种发动机的功率传输机构包括相互平行的两个曲轴，两个曲轴分别通过两个连杆与同一个活塞连接，工作时两个曲轴反向同步转动，利用两个连杆同时产生的方向相反的侧向力在活塞上实现侧向力的平衡，来消除活塞与汽缸壁之间的侧向力。

目前双曲轴发动机的两个连杆普遍采用两种方式与活塞连接，一种是活塞上一左一右设置两个活塞销，左侧连杆与左侧活塞销连接、右侧连杆与右侧活塞销连接；另一种是活塞上只设置一个活塞销，左右连杆与同一个活塞销连接。以上两种连接结构，为保证连杆有足够的活动空间，两个曲轴之间需留出足够的间隔，而曲轴之间的间隔越大，曲轴之间的同步齿轮的直径就越大，因此目前双曲轴发动机与同排量的普通发动机相比，普遍存在功率传输机构体积更大、自重更重的劣势，虽然振动及噪声能够得到抑制，但功率传输机构的自重大幅消耗了发动机的动力，发动机的有效热效率及燃油经济性并未得到显著提升，并且还需占用更多的空间。因此目前双曲轴发动机在并未得到广泛应用。

本领域技术人员研究发现，在负偏置(发动机功率输出机构的做功行程曲轴转过的角度区间小于180度)的双曲轴功率传输机构中，发动机功率传输机构的功率传输效率(即发动机的有效热效率)与偏置机构系数(连杆长度L与曲轴半径R的差除偏心距e的商)密切相关，偏置机构系数越大则发动机功率传输机构的功率传输效率越高(例如中国专利CN108518279B中公开的提高发动机有效热效率的方法)。双曲轴发动机如进一步提高偏置机构系数，势必会带来曲轴之间的间距进一步的增大，曲轴之间的同步齿轮的尺寸和重量也会随之大幅增加，使发动机的负载更大，对发动机有效热效率的提升效果有限，且会导致发动机自身体积和重量显著增大，实用性较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种交叉连杆双曲轴功率传输机构，它在双曲轴发动机功率传输机构的基础上，将连杆交叉设置，有效缩减了两个曲轴之间的间距、减小了两个同步齿轮的直径，有利于缩小双曲轴发动机功率传输机构的体积、降低自身重量，减少功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗，为进一步提升发动机功率传输机构的偏置机构系数创造有利条件，有利于显著提升发动机的有效热效率。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：包括活塞，活塞上安装相互平行的第一活塞销和第二活塞销，第一活塞销与第一连杆的小头连接，第一连杆的大头与第一曲轴的连杆轴颈连接，第二活塞销与第二连杆的小头连接，第二连杆的大头与第二曲轴的连杆轴颈连接，第一连杆与第二连杆相互交叉，所述第一曲轴和第二曲轴上均安装同步齿轮，第一曲轴上的同步齿轮与第二曲轴上的同步齿轮相互啮合，所述连杆和曲轴以负偏置方式布置。所述第一曲轴和第二曲轴结构相同，均包括多段主轴，至少两段相邻的主轴相互靠近的一端各安装一个同步齿轮，主轴端部与各自同步齿轮的圆心连接，这两个同步齿轮之间偏心设置连杆轴颈，第一曲轴的同步齿轮与第二曲轴相应位置的同步齿轮相互啮合，各同步齿轮上均设置平衡配重。所述各同步齿轮上均设减重槽，各同步齿轮未设置减重槽的位置形成曲轴的平衡配重。所述第一连杆和第二连杆的形状尺寸相同，均包括连杆小头和连杆大头，连杆小头和连杆大头之间的连杆杆身位于连杆小头轴向中心点的一侧，安装时第一连杆和第二连杆一正一反安装，即第一连杆和第二连杆的连杆杆身分别位于连杆小头轴向中心点的两侧。所述连杆和曲轴以负偏置方式布置。

本实用新型的优点在于：在双曲轴发动机功率传输机构的基础上，将连杆交叉设置，有效缩减了两个曲轴之间的间距、减小了两个同步齿轮的直径，有利于缩小双曲轴发动机功率传输机构的体积、降低自身重量，减少功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗，为进一步提升发动机功率传输机构的偏置机构系数创造有利条件，有利于显著提升发动机的有效热效率；在发动机曲柄连杆因加工、安装等问题出现装配误差时，本实用新型产生的活塞偏移量远远小于现有双曲轴发动机的结构，因此本实用新型在装配误差难以避免时能够有效减少卡缸现象的发生概率、减轻活塞与缸体的磨损程度，还可降低对发动机功率传输机构中相应部件的加工和装配精度的要求，有利于降低发动机的生产成本等。

附图说明

图1是本实用新型结构原理图；

图2是现有发动机功率传输机构的原理图之一，该机构采用两个销轴的非交叉双连杆结构；

图3是现有发动机功率传输机构的原理图之二，该机构采用共用同一销轴的双连杆结构；

图4是在假定误差条件下采用两个销轴的非交叉双连杆结构动态演示图的截图，图中主要示意活塞出现的偏移；

图5是在假定误差条件下采用共用同一销轴的双连杆结构动态演示图的截图，图中主要示意活塞出现的偏移；

图6是在假定误差条件下采用两个销轴的交叉双连杆结构动态演示图的截图，图中主要示意活塞出现的偏移；

图7是在假定误差条件下活塞偏移曲线对比图；

图8是本实用新型的结构示意图；

图9是图8的左视结构示意图；

图10是图8的A-A剖视结构示意图；

图11是本实用新型的立体结构示意图；

图12是图9所示结构替换为两组同步齿轮的结构示意图；

图13是本实用新型所述两连杆及两活塞销采用交错设置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型所述的交叉连杆双曲轴功率传输机构，如图1所示，包括活塞1，活塞1上安装相互平行的第一活塞销2和第二活塞销3，第一活塞销2与第一连杆4的小头连接，第一连杆4的大头与第一曲轴5的连杆轴颈连接，第二活塞销3与第二连杆6的小头连接，第二连杆6的大头与第二曲轴7的连杆轴颈连接，第一连杆4与第二连杆6相互交叉，所述第一曲轴5和第二曲轴7上均安装同步齿轮8，第一曲轴5上的同步齿轮8与第二曲轴7上的同步齿轮8相互啮合，所述连杆和曲轴以负偏置方式布置。本实用新型所述连杆和曲轴的负偏置是指发动机功率输出机构的整个做功行程中，曲轴转过的角度区间小于180度。本实用新型采用相互交叉的连杆结构，可有效增大双曲轴发动机两个连杆摆动范围的重叠区域，两个曲轴之间的间距得到大幅缩减、两个同步齿轮的直径可显著减小，同步齿轮的直径减小后，有利于缩小双曲轴发动机功率传输机构的体积、降低自身重量，减少功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗，为进一步提升发动机功率传输机构的偏置机构系数创造有利条件，有利于显著提升发动机的有效热效率。

以某型号非交叉连杆的双曲轴发动机中使用的功率传输机构为例，该发动机的功率传输机构尺寸数据如下：

连杆长度L＝8.60cm；

曲轴半径R＝2.00cm；

偏心距e＝4.85cm；

该功率传输机构的偏置机构系数为e/(L-R)＝0.735；

如图2所示，该功率传输机构的活塞上设置了两个活塞销，两活塞销与活塞中心线之间的中心距k＝1.15cm；

该功率传输机构同步齿轮的节圆直径为2×(e+k)＝12.0cm。

如将上述双曲轴发动机的功率传输机构改为两个连杆共用同一活塞销的结构，如图3所示，则在偏置机构系数保持不变的情况下，同步齿轮的节圆直径为2×e＝9.7cm。

上述双曲轴发动机的功率传输机构如采用本实用新型提供的交叉连杆结构，如图1所示，两活塞销与活塞中心线之间的中心距k＝1.15cm，则在偏置机构系数保持不变的情况下，该功率传输机构同步齿轮的节圆直径为2×(e-k)＝7.4cm。

上述对比可看出，相同条件下，采用本实用新型提供的交叉连杆结构可显著的缩小同步齿轮的直径，减少功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗，为进一步提升发动机功率传输机构的偏置机构系数创造有利条件。可有效解决常规双曲轴发动机偏置系数增大会导致功率传输机构的体积和重量随之大幅增加、为发动机带来更大的负载而造成发动机的有效热效率提升不明显的问题。

双曲轴发动机的功率传输机构虽然理论上可以消除活塞的侧向力，使活塞沿一条直线往复移动，但在实际制造安装过程中，往往由于连杆加工尺寸的偏差、缸体轴线与两个曲轴连线不垂直的偏差、装配时同步齿轮位置的偏差及销孔之间间隙不一致等多种原因，会造成发动机工作时活塞运动轨迹偏离气缸中心线，活塞运动轨迹的偏移量较大时，同样会加速活塞及汽缸壁的磨损，并影响活塞的密封性，缩短发动机使用寿命、还会增加发动机工作时的噪音及振动，严重时还可能发生卡缸现象。在发动机采用本实用新型提供的交叉连杆结构后，可显著减少活塞运动轨迹因各种原因而形成的偏移量。

下面仍以前述某型号双曲轴发动机为基础，设置活塞环处活塞直径＝6.78cm；缸体直径＝6.80cm。同步齿轮的节圆直径设置为7.4cm，假定该发动机曲柄连杆的加工、安装的累计误差为曲轴的曲柄相对理论角度偏离0.5°(相应曲柄上的连杆轴颈圆心偏离弧长为0.175mm)，使用“几何画板”软件按照该双曲轴发动机实际尺寸绘制该发动机采用两个销轴的非交叉双连杆结构动态演示图(图4)、共用同一销轴的双连杆结构动态演示图(图5)和采用两个销轴的交叉连杆结构动态演示图(图6)，并分别记录三种结构在曲轴旋转360°过程中活塞的偏移量数值，然后根据三种结构的活塞偏移量绘制活塞偏移曲线对比图(图7)。

根据图7显示的活塞的偏移量数值和变化曲线可看出：上述发动机采用两个销轴的非交叉双连杆结构时，在假定误差条件下，活塞在从上止点下行刚启动就因偏移量过大而发生了卡缸现象，造成活塞产生大幅振动，活塞偏移量最大值达到了0.376mm，而通常各领域使用的活塞式发动机均要求活塞与汽缸壁之间的最大配合间隙在0.2mm以内，可见该结构在假定误差条件下活塞的偏移量远远超过了活塞与汽缸壁之间的配合间隙，实际使用中难以避免卡缸现象，发动机无法正常工作。

上述发动机采用共用同一销轴的双连杆结构时，根据图7显示的活塞的偏移量数值和变化曲线可看出：在假定误差条件下，在压缩行程距上止点74度曲柄转角处，活塞的最大偏移量达到了0.438mm，虽然在演示图中活塞倾斜一定角度使行程能够顺利运行，但活塞的实际偏移量仍然远远超过了活塞与汽缸壁之间正常的配合间隙，实际使用中难以避免卡缸现象，虽然最大偏差未发生在做功行程，但在使用中活塞及汽缸壁的磨损情况会势必会加剧，影响发动机的使用寿命。

上述发动机采用本实用新型提供的两个销轴的交叉连杆结构时，根据图7显示的活塞的偏移量数值和变化曲线可看出：在假定误差条件下，活塞的最大偏移量仅为0.098mm，在活塞与汽缸壁之间的最大配合间隙在0.2mm的条件下可以正常工作。

通过上述分析结果可看出，在发动机曲柄连杆因加工、安装等问题出现装配误差时，采用本实用新型提供的交叉连杆结构时活塞产生的偏移量远远小于采用两个销轴的非交叉双连杆结构和采用共用同一销轴的双连杆结构，因此本实用新型提供的交叉连杆结构在装配误差难以避免时能够有效减少卡缸现象的发生概率、减轻活塞与缸体的磨损程度，还可降低对发动机功率传输机构中相应部件的加工和装配精度的要求，有利于降低发动机的生产成本。

在上述演示图运行过程中，可观察到发动机功率传输机构采用本实用新型提供的两个销轴的交叉连杆结构时，在活塞径向偏移量减少的同时，活塞的轴向行程略微增加，由此可看出交叉连杆结构与非交叉的连杆结构相比，能够将活塞的部分偏移量转化为活塞的直线运动行程。

由于图4、图5和图6将同步齿轮的节圆直径统一设置为7.4cm，可以看到在同步齿轮的节圆尺寸统一的情况下，不同的连杆交叉连接方式，使得曲柄连杆偏心距e各不相同，造成偏置机构系数随之变化；根据偏置机构系数计算公式可得出上述发动机采用两个销轴的非交叉双连杆结构的偏置机构系数为0.386、采用共用同一销轴的双连杆结构的偏置机构系数为0.561、采用本实用新型提供的两个销轴的交叉连杆结构的偏置机构系数为0.735。上述对比可看出，发动机功率传输机构的部件尺寸相同的条件下，采用本实用新型提供的交叉连杆结构可显著的提升偏置机构系数，使功率传输机构的功率传输效率得到大幅提升，进而大幅提高发动机的有效热效率。

自传统非交叉连杆的双曲轴发动机诞生至今，行业内对双曲轴发动机的认知就是能够解决活塞侧向力的问题，但对提升发动机的有效热效率没有帮助，且对部件制造和装配精度要求极高，生产成本难以被市场接受。本领域技术人员从未意识到连杆的设置方式能够对双曲轴发动机的热效率及精度要求产生影响，多年来一直如此，早已形成本领域技术人员的普遍认知，因此双曲轴发动机并未被广泛应用。本实用新型的申请人多年来深入研究双曲轴发动机的结构原理，并结合试验反复尝试对双曲轴发动机进行改进，最终发现了交叉连杆双曲轴结构能够显著提升发动机的有效热效率，并在试验中进一步发现该交叉连杆双曲轴结构还能够降低活塞的偏移量，使双曲轴发动机对部件制造和装配的精度得到降低，有效降低生产成本，然后结合试验和理论推导证明上述效果确实存在，上述效果大大超出了人们对双曲轴发动机性能的预期，可谓颠覆了本领域技术人员对双曲轴发动机的普遍认知，克服了行业内的技术偏见。

本实用新型可应用于小型单缸发动机、多缸发动机等多种发动机产品，为进一步减少发动机功率传输机构的体积、减轻其自身重量，如图8-图11所示，优选采用下述结构：所述第一曲轴5和第二曲轴7结构相同，均包括多段主轴11，至少一段主轴11的一端安装一个同步齿轮8，主轴11端部与同步齿轮8的圆心连接，同步齿轮8与相邻一段主轴11端部的曲柄之间偏心设置连杆轴颈18，第一曲轴5的同步齿轮8与第二曲轴7的同步齿轮8相互啮合，各同步齿轮8上均设置平衡配重14。该结构将双曲轴发动机的同步齿轮、曲轴的曲柄和配重块整合为一体，进一步简化了发动机功率传输机构的结构，使功率传输机构体积更为紧凑、自重更轻，进一步减少了功率传输机构对双曲轴发动机自身动力的消耗。

在上述方案的基础上，本实用新型为了确保两曲轴旋转的平稳性，如图12所示，可在两曲轴之间设置两组同步齿轮，具体结构为：所述第一曲轴5和第二曲轴7结构相同，均包括多段主轴11，其中两段相邻的主轴11相互靠近的一端各安装一个同步齿轮8，主轴11端部与各自同步齿轮8的圆心连接，这两个同步齿轮8之间偏心设置连杆轴颈18，第一曲轴5的同步齿轮8与第二曲轴7相应位置的同步齿轮8相互啮合，各同步齿轮8上均设置平衡配重14。该结构通过相邻的两组同步齿轮确保两曲轴同步旋转，两组同步齿轮均替代了曲轴的曲柄部分，曲轴的配重部分由两同步齿轮共同分担，因此各同步齿轮的厚度可以适当减少，对功率传输机构的自重不会造成明显的影响，但两曲轴的稳定性能够得到显著提升。

本实用新型为了更进一步的减少发动机功率传输机构的体积、减轻其自身重量，可在所述各同步齿轮8上均设减重槽13，各同步齿轮8未设置减重槽13的位置形成曲轴的平衡配重14。该结构将平衡配重14隐藏在同步齿轮8内部，一方面能够缩减发动机功率传输机构的部件数量，降低加工及装配难度，另一方面还能够避免曲轴旋转时平衡配重14与其它部件形成干涉，使发动机功率传输机构的结构更为紧凑。

本实用新型中的双连杆可采用多种结构，其中优选的结构为：所述第一连杆4和第二连杆6的形状尺寸相同，均包括连杆小头15和连杆大头16，连杆小头15和连杆大头16之间的连杆杆身17位于连杆小头15轴向中心点的一侧，安装时第一连杆4和第二连杆6一正一反安装，即第一连杆4和第二连杆6的连杆杆身17分别位于连杆小头15轴向中心点的两侧。该结构的第一曲轴5和第二曲轴7形状及尺寸完全相同，仅安装时方向相反，两个连杆可采用同一套生产设备产出的同一批次的连杆，该结构能够避免左右连杆设计为不同形状时，采用两套生产设备加工而产生加工误差，有利于将两个连杆制作、装配时的产生的误差降至最低，尽可能减少活塞行程中出现的偏移。此外本实用新型中的双连杆还可采用其它多种结构，例如图13所示的结构，两连杆及两活塞销采用交错设置的结构，虽然两连杆也可采用同一套生产设备产出的同一批次的连杆，但活塞的受力位置有交错，无法使用同步齿轮替代曲轴的曲柄，需在曲轴上另行安装同步齿轮。此外，交错设置的连杆和活塞销还会造成活塞受力偏移，发动机实际工作时活塞在与活塞销以及缸壁的配合间隙范围内容易发生扭转偏移，加剧活塞环和缸体的磨损，并且活塞工作过程中容易发生抖动。

Claims (5)

1.交叉连杆双曲轴功率传输机构，包括活塞(1)，其特征在于：活塞(1)上安装相互平行的第一活塞销(2)和第二活塞销(3)，第一活塞销(2)与第一连杆(4)的小头连接，第一连杆(4)的大头与第一曲轴(5)的连杆轴颈连接，第二活塞销(3)与第二连杆(6)的小头连接，第二连杆(6)的大头与第二曲轴(7)的连杆轴颈连接，第一连杆(4)与第二连杆(6)相互交叉，所述第一曲轴(5)和第二曲轴(7)上均安装同步齿轮(8)，第一曲轴(5)上的同步齿轮(8)与第二曲轴(7)上的同步齿轮(8)相互啮合，所述连杆和曲轴以负偏置方式布置。

2.根据权利要求1所述的交叉连杆双曲轴功率传输机构，其特征在于：所述第一曲轴(5)和第二曲轴(7)结构相同，均包括多段主轴(11)，至少一段主轴(11)的一端安装一个同步齿轮(8)，主轴(11)端部与同步齿轮(8)的圆心连接，同步齿轮(8)与相邻一段主轴(11)端部的曲柄之间偏心设置连杆轴颈(18)，第一曲轴(5)的同步齿轮(8)与第二曲轴(7)的同步齿轮(8)相互啮合，各同步齿轮(8)上均设置平衡配重(14)。

3.根据权利要求1所述的交叉连杆双曲轴功率传输机构，其特征在于：所述第一曲轴(5)和第二曲轴(7)结构相同，均包括多段主轴(11)，至少两段相邻的主轴(11)相互靠近的一端各安装一个同步齿轮(8)，主轴(11)端部与各自同步齿轮(8)的圆心连接，这两个同步齿轮(8)之间偏心设置连杆轴颈(18)，第一曲轴(5)的同步齿轮(8)与第二曲轴(7)相应位置的同步齿轮(8)相互啮合，各同步齿轮(8)上均设置平衡配重(14)。

4.根据权利要求2或3所述的交叉连杆双曲轴功率传输机构，其特征在于：所述各同步齿轮(8)上均设减重槽(13)，各同步齿轮(8)未设置减重槽(13)的位置形成曲轴的平衡配重(14)。

5.根据权利要求1、2或3任一项所述的交叉连杆双曲轴功率传输机构，其特征在于：所述第一连杆(4)和第二连杆(6)的形状尺寸相同，均包括连杆小头(15)和连杆大头(16)，连杆小头(15)和连杆大头(16)之间的连杆杆身(17)位于连杆小头(15)轴向中心点的一侧，安装时第一连杆(4)和第二连杆(6)一正一反安装，即第一连杆(4)和第二连杆(6)的连杆杆身(17)分别位于连杆小头轴向中心点的两侧。

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