CN220487721U - 一种水平对置发动机的曲柄连杆机构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，属于发动机领域，包括曲柄组件和连杆组件，所述曲柄组件包括依次平行设置的第一插槽(12)、第二插槽(13)和第三插槽(14)，第一插槽(12)、第三插槽(14)开口方向位于第二插槽(13)开口方向相对一侧，所述连杆组件包括第一连杆(3)和第二连杆(7)，第一连杆(3)一端伸入安装在第一插槽(12)和第三插槽(14)内，另一端安装有第一活塞(1)，第二连杆(7)一端伸入安装在第二插槽(13)内，另一端安装有第二活塞(16)。左右两侧气缸同轴，有效的解决了水平对置发动机，往复惯性力矩不平衡造成的振动问题，使发动机处于全平衡状态。

Description

一种水平对置发动机的曲柄连杆机构

技术领域

本实用新型属于发动机技术领域，具体是一种水平对置发动机的曲柄连杆机构。

背景技术

目前，水平对置发动机以其高度方向尺寸小，易于搭载，机械振动小等优势，受到如增程器、小型发电机组、无人机等产品的青睐。传统的水平对置发动机，其曲柄销和连杆小头组产生的旋转惯性力和力矩，以及活塞组产生的往复惯性力由于水平的布置结构本身处于平衡状态，其振动是由于两缸不同轴，活塞组往复惯性力对中心所产生的力矩导致。

为解决此往复惯性力矩所产生的振动问题，现有技术方案有布置双平衡轴的方案，其为在发动机关于中心对称的两侧布置两组偏心块，以此产生的力矩来抵消曲柄连杆机构的力矩，该方案由于需要布置传动机构、增加额外的零件，而且需要增加布置结构空间，导致产品结构变大，产品成本、重量增加。而其他方案还有诸如专利CN109469547B公开的一种气缸同轴布置的水平对置发动机，其使用运动机构将气缸布置在同一轴线上，以消除力矩，同轴曲柄连杆机构使用4个绞点连接换向使两侧气缸位于同一侧，将施加在曲轴上的侧向力平衡，但是曲轴无法依靠惯性有效地将活塞的直线运动转化为旋转运动，无法有效输出功率；此外，绞点连接，强度也无法得到保证。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，以解决上述背景技术中提出的问题。

本实用新型的技术方案是：包括曲柄组件和连杆组件，所述曲柄组件包括依次平行设置的第一插槽12、第二插槽13和第三插槽14，第一插槽12、第三插槽14开口方向位于第二插槽13开口方向相对一侧，所述连杆组件包括第一连杆3和第二连杆7，第一连杆3一端伸入安装在第一插槽12和第三插槽14内，另一端安装有第一活塞1，第二连杆7一端伸入安装在第二插槽13内，另一端安装有第二活塞16。

优选地，所述第一插槽12、第三插槽14关于第二插槽13中心线对称布置。

优选地，所述曲柄组件包括第一曲柄销5、第二曲柄销8、第三曲柄销10、以及平行设置的第一曲柄4、第二曲柄6、第三曲柄9和第四曲柄11，所述第一曲柄销5两端分别与第一曲柄4、第二曲柄6连接，所述第三曲柄销10两端分别与第三曲柄9、第四曲柄11连接，所述第二曲柄6、第三曲柄9另一端分别连接在第二曲柄销8的两端，在第一曲柄4、第二曲柄6之间形成第一插槽12，在第二曲柄6、第三曲柄9之间形成第二插槽13，在第三曲柄9、第四曲柄11之间形成第三插槽14。

优选地，所述第二曲柄6位于第一插槽12一侧设置有沉台，第三曲柄9位于第三插槽14一侧设置有沉台。

优选地，所述第一连杆3包括第一侧杆31、第二侧杆32和装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32连接呈U形，U形底部固接第一装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32关于第一装配环33对称，所述第一装配环33内装配有第一活塞销2。

优选地，所述第一侧杆31、第二侧杆32末端固接有第二装配环34，第二装配环34内装配有第一曲柄销5或第三曲柄销10。

优选地，所述第一侧杆31、第二侧杆32连接处设置有第一加强筋35，第一侧杆31、第二侧杆32上还设置有第二加强筋36，第二加强筋36分布在第一加强筋35两侧。

优选地，所述第二连杆7为直杆结构，两端设置有第三装配环71和第四装配环72，第三装配环71内装配有第二曲柄销8，第四装配环72内装配有第二活塞销15。

优选地，所述第一活塞1、第二活塞16同轴设置。

优选地，第一活塞1及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量与第二活塞16及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量相等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：通过所述结构的连杆和曲轴，将两侧气缸布置在同一轴线上，同时进行了结构加强设计和仿真优化，满足实际发动机工况使用。并且对曲柄连杆机构进行全平衡设计，通过建立等式，设计各零件的质量，消除了发动机的振动，使发动机全平衡。

附图说明

图1为一种水平对置发动机的曲柄连杆机构在活塞下止点位置的剖面结构示意图；

图2为第一连杆的结构示意图；

图3为曲轴的结构示意图；

图4为第二连杆的结构示意图；

图5为活塞与活塞销的装配结构示意图；

图6为第一连杆的强度分析等效应力图。

图中：1-第一活塞；2-第一活塞销；3-第一连杆；31-第一侧杆；32-第二侧杆；33-第一装配环；34-第二装配环；35-第一加强筋；36-第二加强筋；4-第一曲柄；5-第一曲柄销；6-第二曲柄；7-第二连杆；8-第二曲柄销；9-第三曲柄；10-第三曲柄销；11-第四曲柄；12-第一插槽；13-第二插槽；14-第三插槽；15-第二活塞销；16-第二活塞。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-图4所示，本实施例中，一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，包括第一曲柄销5、第二曲柄销8、第三曲柄销10、以及平行设置的第一曲柄4、第二曲柄6、第三曲柄9和第四曲柄11，所述第一曲柄销5两端分别与第一曲柄4、第二曲柄6连接，在第一曲柄4、第二曲柄6之间形成第一插槽12，第一曲柄销5与第一曲柄4、第二曲柄6之间为过盈配合；所述第三曲柄销10两端分别与第三曲柄9、第四曲柄11连接，在第三曲柄9、第四曲柄11之间形成第三插槽14，第三曲柄销10与第三曲柄9、第四曲柄11之间为过盈配合；所述第二曲柄6、第三曲柄9另一端分别连接在第二曲柄销8的两端，在第二曲柄6、第三曲柄9之间形成第二插槽13，第二曲柄销8与第二曲柄6、第三曲柄9之间为过盈配合。所述第一插槽12、第三插槽14关于第二插槽13中心线对称布置，并且第一插槽12、第三插槽14的开口方向与第二插槽13的开口方向相反。所述第一连杆3包括第一侧杆31、第二侧杆32和装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32连接呈U形，U形底部固接第一装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32关于第一装配环33中线对称。所述第一装配环33内装配有第一活塞销2用于安装有第一活塞1，第一侧杆31、第二侧杆32分别伸入安装在第一插槽12和第三插槽14内，第二连杆7一端伸入安装在第二插槽13内，另一端安装有第二活塞16。所述第一活塞1、第二活塞16同轴设置，活塞中心与气缸中心在同一直线上，实现了左右气缸同轴，消除发动机的振动。

具体地，第一连杆3包括第一侧杆31、第二侧杆32和装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32连接呈U形，U形底部固接第一装配环33，第一侧杆31、第二侧杆32关于第一装配环33中心对称，第一连杆3的杆身设计，使其保证基本的零部件间的运动间隙，保证正常的机构运动。第二连杆7采用传统内燃机直连杆设计，其中心线与第一装配环33中心线在同一直线上。本方案依靠该曲柄连杆机构的设计实现了左右气缸同轴，完全消除发动机的振动。

进一步地，所述第一侧杆31、第二侧杆32末端固接有第二装配环34，第二装配环34内装配有第一曲柄销5或第三曲柄销10。第一曲柄销5穿过第二装配环34，两端与第一曲柄4、第二曲柄6连接；第三曲柄销10穿过另一个第二装配环34，两端与第三曲柄9、第四曲柄11连接，从而将第一连杆3连接到曲柄组件上。所述第二连杆7为直杆结构，两端设置有第三装配环71和第四装配环72，第二曲柄销8穿过第三装配环71，两端与第二曲柄6、第三曲柄9连接，从而将第二连杆7连接到曲柄组件上；第四装配环72内装配有第二活塞销15，用于安装第二活塞16。

进一步地，所述第二曲柄6位于第一插槽12一侧设置有沉台，第三曲柄9位于第三插槽14一侧设置有沉台。在活塞运动过程中，第一侧杆31、第二侧杆32会随活塞进入气缸。第一连杆3安装在第一插槽12、第三插槽14内，第二装配环34配合在沉台位置，可以控制第一连杆3轴向运动的距离，并且可以缩小第一连杆3的T0尺寸(见图2所示)，使其小于气缸直径。该设计在保证曲柄销的厚度和第一连杆3杆身厚度的同时，实现了机构运动不干涉。

需要说明的是，第一活塞1及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量与第二活塞16及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量相等。

为保证发动机全平衡，设计了第一、第二曲柄连杆活塞组的旋转惯性力和往复惯性力以及其力矩相等。具体方案为，如图2所示，取第一连杆3质心大头端的质量为M1,小头端的质量为M2；如图4所示，第二连杆7的大头端质量为M3，小头端质量为M4；如图5所示，活塞以及活塞销构成的活塞组质量为M5；如图3所示的曲轴组，第一曲柄销5的旋转质量为M6；第二曲柄销8的旋转质量为M7；第三曲柄销10的旋转质量为M6。则有第一曲柄连杆组的旋转质量为M1+2M6；第二曲柄连杆组的旋转质量为M3+M7；第一曲柄连杆活塞组的往复质量为M2+M5，第二曲柄连杆活塞组的往复质量为M4+M5。

本发动机为水平对置对称结构，则设计左右两缸，即第一、第二曲柄连杆活塞组的旋转惯性质量和往复质量相等。即M1+2M6＝M3+M7；M2+M5＝M4+M5。以此设计方法，可以使得发动机的力和力矩全平衡，极大的提高了发动机的NVH性能。

进一步的，在内燃机运行过程中，连杆既要承受活塞的爆发压力，同时承受活塞组惯性力的拉力。由于活塞组和曲轴组整体沿用传统设计，只在细微结构上做了设计，其结构在强度方面无需过多设计。全新设计的第一连杆，其结构需要满足内燃机运行的强度需求。本方案，经过动力学和静力学仿真优化，设计了如图2所示的加强筋，所述第一侧杆31、第二侧杆32连接处设置有第一加强筋35，第一侧杆31、第二侧杆32上还设置有第二加强筋36，第二加强筋36分布在第一加强筋35两侧，第二加强筋36具体设置在U型转接处。该结构加强了在U型转接处的抗弯和抗扭强度。同时采用圆角过渡，避免应力集中，在不过多增加材料的情况下满足其运行强度。

图6为第一连杆在最大爆发压力下的静力分析云图，该工况为连杆承受最大压应力点。通过发动机一维仿真数据获得的最大缸内爆发压力Pm，活塞顶面积S，计算出压力为F＝Pm*S。在连杆小头端施加F的载荷，计算得出仿真结果，如云图结果显示该结构最大应力为205MPa。此外，对最大压应力下的连杆受力也做了分析其止低于205MPa。其中连杆材料选择的为合金结构钢40Cr等，其屈服强度为785MPa。所以该第一连杆结构的安全系数在3.8，强度满足发动机实际应用。

以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，包括曲柄组件和连杆组件，所述曲柄组件包括依次平行设置的第一插槽(12)、第二插槽(13)和第三插槽(14)，第一插槽(12)、第三插槽(14)开口方向位于第二插槽(13)开口方向相对一侧，所述连杆组件包括第一连杆(3)和第二连杆(7)，第一连杆(3)一端伸入安装在第一插槽(12)和第三插槽(14)内，另一端安装有第一活塞(1)，第二连杆(7)一端伸入安装在第二插槽(13)内，另一端安装有第二活塞(16)。

2.根据权利要求1所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第一插槽(12)、第三插槽(14)关于第二插槽(13)中心线对称布置。

3.根据权利要求1所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述曲柄组件包括第一曲柄销(5)、第二曲柄销(8)、第三曲柄销(10)、以及平行设置的第一曲柄(4)、第二曲柄(6)、第三曲柄(9)和第四曲柄(11)，所述第一曲柄销(5)两端分别与第一曲柄(4)、第二曲柄(6)连接，所述第三曲柄销(10)两端分别与第三曲柄(9)、第四曲柄(11)连接，所述第二曲柄(6)、第三曲柄(9)另一端分别连接在第二曲柄销(8)的两端，在第一曲柄(4)、第二曲柄(6)之间形成第一插槽(12)，在第二曲柄(6)、第三曲柄(9)之间形成第二插槽(13)，在第三曲柄(9)、第四曲柄(11)之间形成第三插槽(14)。

4.根据权利要求3所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第二曲柄(6)位于第一插槽(12)一侧设置有沉台，第三曲柄(9)位于第三插槽(14)一侧设置有沉台。

5.根据权利要求1所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第一连杆(3)包括第一侧杆(31)、第二侧杆(32)和装配环(33)，第一侧杆(31)、第二侧杆(32)连接呈U形，U形底部固接第一装配环(33)，第一侧杆(31)、第二侧杆(32)关于第一装配环(33)对称，所述第一装配环(33)内装配有第一活塞销(2)。

6.根据权利要求5所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第一侧杆(31)、第二侧杆(32)末端固接有第二装配环(34)，第二装配环(34)内装配有第一曲柄销(5)或第三曲柄销(10)。

7.根据权利要求5所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第一侧杆(31)、第二侧杆(32)连接处设置有第一加强筋(35)，第一侧杆(31)、第二侧杆(32)上还设置有第二加强筋(36)，第二加强筋(36)分布在第一加强筋(35)两侧。

8.根据权利要求1所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第二连杆(7)为直杆结构，两端设置有第三装配环(71)和第四装配环(72)，第三装配环(71)内装配有第二曲柄销(8)，第四装配环(72)内装配有第二活塞销(15)。

9.根据权利要求1所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，所述第一活塞(1)、第二活塞(16)同轴设置。

10.根据权利要求1-9任一项权利要求所述的一种水平对置发动机的曲柄连杆机构，其特征在于，第一活塞(1)及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量与第二活塞(16)及其曲柄连杆的旋转惯性质量、往复质量相等。