CN86206670U - 双重曲柄往复活塞式机型 - Google Patents

Abstract

一种双重曲柄往复活塞式机型，它由曲柄半径e相等的大、小曲轴及分度圆直径分别等于二倍和四倍曲柄半径的内齿轮副组成的转换机构，将活塞的往复运动与曲轴的旋转运动互相转换，其活塞行程等于曲柄半径四倍(x＝4e)的机型。该机型的气缸可成直线、“V”形、“X”形及“I”形排列，可用于二冲程及四冲程的汽油机或柴油机，也可用于空压机。该机型具有结构简单、体积小、重量轻、运转平稳、效率高，基本没有活塞对气缸的侧压力，润滑油不易上到活塞顶部、润滑油省等优点。

Description

本实用新型涉及往复啮合行星旋转机型，也涉及无连杆往复活塞式机型。

已有的传统往复活塞式机型，其往复运动与旋转运动的转变是通过曲柄连杆机构来实现的。采用曲柄连杆机构来实现上述转变的缺点在于曲柄连杆机构会产生较大的往复惯性力、旋转机件不平衡部份的离心惯性力以及活塞对气缸的侧压力。为了平衡上述惯性力和侧压力，迫使机器结构复杂，最终导致体积庞大。为了寻求较为合理的机型结构，从十九世纪初就有许多科学工作者研究旋转活塞式机型，如：威蒂、帕森斯和汪克尔等提出的机型方案多达上百种（见科学出版社1973年出版的《旋转活塞发动机》一书），试制成功的也不下十余种，但都不实用。到本世纪六十年代，许多国家研制三角活塞旋转机型并投入了实用。可是，由于结构、材料和性能等方面的问题未能得到妥善解决，与具有相当水平的传统的往复活塞式机型相比，仍为逊色。此外，日本工业大学研制了无连杆的园滑块机构的内燃机（见《内燃机关》1981年第8期），由于结构方面的不合理，也不实用。

本实用新型的任务是从运动学的观点出发设计一种比传统的往复活塞式机型更为合理的机型结构，以克服前段所述的惯性力和侧压力，达到简化结构、缩小体积、减轻重量、延长使用寿命和提高机器工作效率的目的。

本实用新型主要由气缸（1）、缸盖（32）、曲轴箱（4）、轴套（25）大曲轴（10）、小曲轴（8）、飞轮（19）、内齿轮（15）、小齿轮（28）活塞（3）以及润滑系统、冷却系统、进排气系统等组成。若用于内燃机则需增设配气机构，供给与点火系统等装置。本实用新型是采用双重曲柄和内齿轮副组成的转换机构，将活塞的往复运动与曲轴的旋转运动相互转换。本实用新型最突出的特点是：具有曲柄半径e相等的大曲轴和小曲轴以及控制这两根曲轴相对位置的分度圆直径等于2倍曲柄半径e和分度圆直径等于4倍曲柄半径e的内齿轮副，其活塞行程等于曲柄半径e的4倍。

本机型的工作原理是：由曲柄半径e相等的大曲轴（10）和小曲轴（8）以及分度圆直径等于4e的内齿轮（15）和分度圆，直径等于2e的小齿轮（28）所组成的转换机构来实现活塞（3）的往复运动与大曲轴（10）的旋转运动的相互转换。如附图1所示，当大曲轴（10）按逆时针方向转α角时，小曲轴（8）的轴颈中心线就以大曲轴（10）的轴颈中心线为中心转动e·α的弧长。与此同时，小曲轴（8）的曲柄销以小曲轴（8）的轴颈中心线为中心按顺时针方向转2α角。在此期间，活塞（3）又以小曲轴（8）的曲轴销中心线为中心按反时针转α角，参见附图1（a）和（b）；当大曲轴（10）转到α＝90°时，为附图1（c）所示的情况；当大曲轴（10）分别依次转到如附图1（d）、（e）和（f），然后回到附图1（a）的情况，就构成了所述转换机构的一次动作，往后便周而复始。从附图1可知本机型的活塞（3）位移按X＝2e（1－Cosα）的规律作直线往复运动，其活塞（3）的往复行程为X＝4e。

由本实用新型的工作原理可归纳如下：

1.小曲轴（8）的轴颈中心线以大曲轴的轴颈中心线为中心旋转，其旋转半径正是大曲轴（10）的曲柄半径e；

2.小曲轴（8）的曲柄销又以小曲轴（8）的轴颈中心线为中心旋转，其转向与大曲轴（10）相反，转速为大曲轴（10）转速的两倍，小曲轴（8）的曲柄半径必须等于大曲轴（10）的曲柄半径；

3.活塞（3）以小曲轴（8）的曲柄销中心线为中心旋转，其转向与转速都与大曲轴（10）相同；

4.所述的大曲轴（10）与小曲轴（8）的转向、转速是用一对内齿轮副来控制的；而活塞（3）要以小曲轴（8）的曲柄销中心线旋转是由气缸（1）对活塞（3）起导向作用来控制的；

5.所述旋转机构的旋转，只要有一个是匀速旋转时，其余的两个也一定是匀速旋转。

本机型可用于单缸或多缸的二冲程及四冲程的汽油机或柴油机，亦可用于单缸或多缸的空压机。

本实用新型的实质及优点是：用双重曲柄机构取代传统的往复活塞式机型的曲柄连杆机构，基本消除了活塞对气缸的侧压力，降低了活塞与气缸的磨损，解决传统的往复活塞式内燃机极难解决的润滑油大量窜到活塞顶部参与燃烧的“老、大、难”问题。同时结构简单、体积小、重量轻，本机型的气缸与行程的比值基本不受自身结构上的限制，从而增大了适用范围。由于省掉了连杆，使机体的高度降低，曲轴箱容积缩小，若制造曲轴箱扫气的二冲程柴油机，可获得较高的扫气压力，达到良好的扫气效果，从而提高内燃机的功率和效率。

附图说明：

附图1为一种双重曲柄往复式机型工作原理简图；

附图2为一种立式、单缸、风冷和飞溅润滑的双重曲柄往复活塞式空压机总装图，其图中各标号分别为：

（1）气缸；（2）活塞环；（3）活塞；（4）曲轴箱；（5）前端盖；（6）螺钉；（7）档圈；（8）小曲轴；（9）轴瓦；（10）大曲轴；（11）平衡铁；（12）放油塞；（13）弹性孔档圈；（14）滚动轴承；（15）内齿轮；（16）滚动轴承；（17）后端盖；（18）油封；（19）带飞轮的风扇轮；（20）皮带轮；（21）螺钉；（22）螺母；（23）垫圈；（24）键；（25）轴套；（26）档圈；（27）轴瓦；（28）小齿轮；（29）排气管；（30）键；（31）舌形阀；（32）气缸盖；（33）空气滤清器；

附图3为本空压机的轴套、大曲轴、小曲轴、内齿轮、小齿轮和滚动轴承的装配图。其图中各标号分别为：（8）小曲轴；（9）轴瓦；（14）滚动轴承；（30）平键；（27）轴瓦；（16）滚动轴承；（34）弹性轴用档圈；（25）轴套；（15）内齿轮；（13）弹性孔用档圈；（10）大曲轴；（28）小齿轮。

附图4为大曲轴和轴瓦的装配图；

附图5为小曲轴视图；

附图6为内齿轮视图；

附图7为轴套视图；

附图8为小齿轮视图；

附图9为活塞轴测图及剖视图；

附图10为一种气缸直线排列的双重曲柄往复活塞式机型的示意简图，其图中各标号分别为：

（8－1、8－2、8－3）三根小曲轴；

（10－1、10－2、10－3）大曲轴的曲柄；

（15－1、15－2、15－3、15－4）四个内齿轮；

（28－1、28－2、28－3、28－4）四个小齿轮；

（1－1、1－2、1－3、1－4、1－5、1－6）六个气缸；

附图11为一种气缸V型排列的双重曲柄往复活塞式机型的示意简图，其图中各标号分别为：

（3－1、3－2）两个活塞；

（8－1、8－2）小曲轴上的两个曲柄；

（10）大曲轴的曲柄；

附图12为一种气缸V型排列的双重曲柄往复活塞式机型工作原理图；

附图13为一种立式、单缸、风冷、飞溅润滑的双重曲柄柴油机总装图。其中各标号分别为：

（1）气缸；（2）活塞环；（3）活塞；（4）曲轴箱；（5）端盖；（8）小曲轴；（9）轴瓦；（10－1、10－2）大曲轴；（11）平衡铁；（12）放油塞；（13）弹性孔用档圈；（14）滚动轴承；（15）内齿轮；（16）滚动轴承；（18）油封；（20）皮带轮；（25）轴套；（29）排气管；（32）缸盖；（33）空气滤清器；（34）弹性轴用档圈；（36）飞轮；（37）大曲轴正时齿轮；（39）起动瓜；（40）正时惰轮；（41）三角皮带；（42）轴流风扇。

以下结合附图描述实施方案。

实施例1：

根据本实用新型制造的一种立式、单缸、风冷、飞溅润滑的双重曲柄往复活塞式空压机（简称空压机）。结构如附图2，活塞（3）采用铝合金ZL108；大曲轴（10）和小曲轴（8）用球墨铸铁QT50－1.5；内齿轮（15）及小齿轮（28）用45号钢；气缸（1）、轴套（25）、曲轴箱（4）、缸盖（32）、带飞轮的风扇轮（19）等铸件用HT20－40；其它另件分别用普通碳素钢或优质碳素钢作材料。该空压机：气缸直径D＝65mm；活塞行程X＝120mm；转速为1550r.p.m；排量为0.4m³／min；额定压力为12kgf／cm²；经初步实验可采用3KW的电动机作原动力。

附图3给出了该空压机的轴套（25）内各另件装配图。轴套（25）内的主要另部件分别见附图4、5、6、7、8、9。

实施例2：

如图13所示的一种立式、单缸、风冷、飞溅润滑的双重曲柄往复活塞式柴油机（简称柴油机）。现以该柴油机与实施例1的空压机对比，以便了解其结构情况：

（1）由于柴油机有配气机构，所以柴油机的缸盖（32）与空压机的缸盖（32）其内部结构、装置和外形都不同；

（2）由于配气机构的凸轮轴是安装在前轴套（25）与曲轴箱（4）里的，同时柴油机有供油系统，供油系统的喷油泵要由大曲轴带动，因此前轴套（25）的结构形状与空压机的轴套（25）结构形状不同，曲轴箱（4）后面的形状也不同；

（3）柴油机的凸轮轴和喷油泵要由大曲轴来带动，因此在前端大曲轴（10－1）的轴颈上装有曲轴正时齿轮（37），正时惰轮（40）及喷油泵齿轮（在附图15中已剖掉）；

（4）由于柴油机的小曲轴（8）的轴颈分布在其曲柄销的两边，故支撑它的轴承在前端大曲轴（10－1）及后端大曲轴（10－2）上都只有一个；

（5）柴油机前端大曲轴（25）的轴颈伸出端是固接着带动轴流风扇（42）的皮带轮（20）及起动瓜（39），飞轮（36）是固接在后端大曲轴（25）的伸出端的，这也与空压机不同；

（6）柴油机的后轴套由于其内部安装的大曲轴（10－2）要短一些，所以后轴套也比空压机的轴套短一些。故应如附图13所示。

如附图10所示的一种气缸直线排列的双重曲柄往复活塞式机型（以下简称直线排列机型），该机型有：三根小曲轴、四根大曲轴；气缸（1－1）和（1－2）共用一根小曲轴（8－1），气缸（1－3）和（1－4）共用一根小曲轴（8－3），气缸（1－5）和（1－6）共用一根小曲轴（8－2）；大曲轴的曲柄（以下简称大曲柄），（10－1）和小曲轴（8－1）相联接，大曲柄（10－3）与小曲柄（8－3）相联接，大曲柄（10－2）与小曲轴（8－2）相联接；大曲柄（10－1）、（10－3）和（10－2）互成120°，如附图10之右图所示；附图10所示的机型有四对内齿轮副（28－1，15－1）、（28－1，15－2）、（28－3，15－3）和（28－2，15－4）；如上述直线排列机型用于四冲程内燃机，它的转向如附图10所示大曲柄按反时针方向旋转，若它的点火顺序为（1－1）－（1－5）－（1－3）－（1－6）－（1－2）－（1－4）；〔也可为（1－1）－（1－6）－（1－4）－（1－2）－（1－5）－（1－3）等顺序进行〕。曲柄、活塞处于图10所示的位置则：（1－1）、（1－4）缸是动力冲程，（1－5）缸是压缩冲程，（1－6）缸是排气冲程，（1－2）、（1－3）缸是进气冲程。以下就上述情况论述其运转情况：

（1）气缸（1－4）内的活塞受燃气压力的作用，向下移动就推动小曲轴（8－3）作顺时针转动，见附图10右图，小曲轴（8－3）旋转带动小齿轮（28－3）转动。由于小齿轮（28－3）与内齿轮（15－3）为一对相互啮合的内齿轮副，而内齿轮（15－3）又是固定在机体内的固定件，因此小齿轮（28－3）转动就只能是带动大曲柄（10－2）和（10－3）按反时针方向转动。大曲柄（10－2）和（10－3）转动又带动小曲轴（8－1）和（8－2）按顺时针方向转动，小曲轴（8－1）和（8－2）转动又迫使固定在小曲轴（8－1）和（8－2）轴颈上的小齿轮（28－1）、（28－2）转动，而小齿轮（28－1）、（28－2）又分别依次与固定在机体内的内齿轮（15－1）、（15－2）和（15－4）相啮合，这样也就迫使大曲柄（10－1）和（10－2）转动。由此可见这样就可使活塞的直线运动转换为曲轴的旋转运动。

（2）由于上述气缸（1－4）内活塞受燃气压力的作用，三根小曲轴都沿顺时针方向旋转，因此处于活塞在上死点位置的（1－1）缸和（1－2）缸的小曲轴（8－1），它将继续沿顺时针方向旋转，使（1－1）缸和（1－2）缸内的活塞离开上死点，只要转过上死点，动力冲程的气缸（1－1）内的活塞向下压迫小曲轴（8－1），加速沿顺时针方向转动；小曲轴（8－1）带动小齿轮（28－1）转动，由于小齿轮（28－1）与固定在机体内的内齿轮（15－1）和（15－2）相啮合，也就迫使大曲柄（10－1）和（10－3）按反时针方向转动，从而带动其它气缸工作。当大曲柄（10－1）、（10－2）和（10－3）转动120度角时，气缸（1－5）就点火进入动力冲程，大曲柄按附图10排列的四冲程内燃机，大曲轴每转120度就有一个气缸进入动力冲程。

在附图10的最下方还画出了一根长轴，该轴的两端都装了齿轮，这两个齿轮与固接在内燃机首、尾大曲轴轴颈上的齿轮相啮合，它的作用是平衡内燃机两端大曲轴的转矩从而使各大、小曲轴的转动更协调一致。实际上这根轴不是设计在发动机的油底壳部位是由发动机的凸轮轴来承担这项任务。

图11为气缸夹角成90°的V型排列示意简图。其中（10）表示大曲轴曲柄；（8－1）及（8－2）表示（1－1）缸及（1－2）缸的小曲轴曲柄；（3－1）及（3－2）表示（1－1）缸及（1－2）缸的活塞，在图中所示（1－1）缸及（1－2）缸的小曲轴的曲柄夹角为180°。

图12是图11V型排列的运动简图。图中两个气缸是共用一个大曲柄，根据本机型的原则小曲柄的曲柄半径必须与大曲柄相等，故只看一个气缸，就可完全了解其运动情况。现看图12右边的缸的活塞。假设机器的起始位置如图12（a）所示。当大曲柄以反时针转α角，小曲轴则以其身轴颈中心线为中心按顺时针转2α角，活塞又以小曲轴的曲柄销为中心按反时针转α角。如图12（b）所示，当大曲轴α＝45°时，小曲轴就按顺时针方向转90°，而活塞又按反时针转45°，则大、小曲轴与活塞的位置。由附图12（b）进入（c）、附图12（d）、（e）和（f）是当大曲轴的曲柄销按反时针方向转90°、180°和225°时的位置情况。当大曲轴转360°，各运动部件又回到附图12（a）所示的位置。

上述各机件的旋转是同时进行的，因此活塞的绝对运动并不旋转，而是作直线移动。

从以上“V”型机的工作原理可得出气缸排列为“X”型和“I”型的机型。

Claims (6)

1、一种双重曲柄往复活塞式机型。它由曲轴箱(4)、气缸(1)、缸盖(32)、轴套(25)、曲轴(8、10)、活塞(3)、内齿轮副(15、28)、平衡铁(11)、飞轮(19)等组成；其特征在于所述曲轴(8、10)是由曲轴半径e相等的大曲轴(10)和小曲轴(8)组成，小曲轴(8)安装在大曲轴(10)的曲柄销上，以转动副的方式联接；所述活塞(3)、其尾部是轴承与小曲轴(8)的曲柄销联接，构成转动副；所述内齿轮副(15、28)是由分度圆直径等于2倍曲轴半径e的小齿轮(28)和分度圆直径等于4倍曲轴半径e的内齿轮(15)组成；所述小齿轮(28)固接在小曲轴(8)的曲颈上，内齿轮(15)固接在轴套(25)内或曲轴箱(4)内；所述机型的气缸(1)及轴套(25)与曲轴箱(4)装配后，形成的整体必须是气缸(1)的中心线与轴套(25)内壁安装大曲轴(10)的轴承孔中心线正交。

2、根据权利要求1所述的机型，其特征在于气缸（1）、曲轴箱（4）轴套（25）、为单个另件或一个整体、或者气缸（1）与曲轴箱（4）为一个整体，或者轴套（25）与曲轴箱（4）为一整体。

3、如权利要求1所述的机型，其特征在于它装有内燃机的供油系统、润滑系统、冷却系统、进排气系统及点火装置。

4、如权利要求1所述的机型，其特征在于它装有空压机的舌形阀、进排气系统、润滑系统及冷却装置。

5、根据权利要求1所述的机型，其特征在于构成转动副联接的所有轴承，为滑动轴承或滚动轴承。

6、根据权利要求1所述机型，其特征在于它是单缸的或者多缸的，多缸的呈直线型、“V”型、“X”型、“I”型排列。

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