CN87107662A - 曲柄连杆机构的改革 - Google Patents

Abstract

用于内燃机、压缩机和一些机械设备上的曲柄连杆机构的改革。一对曲轴前端上直接啮合的一对齿轮，保证放入在导板槽内的一对曲轴连杆轴颈进行同步但互为反向运动，使与导板做成一体的活塞组做到对气缸壁无侧压力无冲击的往复直线运动，甚至做到曲轴正常运转情况下，活塞在往复直线过程中在其上、下止点停滞一定时间。本机构采用后可取消活塞环润滑油，并采用绝热材料后实现绝热发动机创造有利条件。

Description

本发明涉及了内燃机的曲柄连杆机构、压缩机的曲柄连杆机构和一些机械设备用曲柄连杆机构等。

通常，内燃机、压缩机等曲柄连杆机构，主要由曲轴、连杆、活塞组和活塞销等零附件所组成。这种机构要完成活塞组的直线运动转换成曲轴的旋转运动，或者曲轴的旋转运动转换成活塞组的直线运动。其动力来源是燃料在燃烧室中燃烧后得到的热能作功而得，或者外来的因素，如人工或电动机等而得到的。

活塞组的直线运动（或曲轴的旋转运动）要转换成曲轴的旋转运动（或活塞组的直线运动），要通过活塞销、连杆等才能实现。在这种机构中摆动着的连杆运动通过活塞销导致活塞组对气缸壁的侧压力，而侧压力的存在带来对气缸壁上的冲击、磨损、密封和润滑等方面带来问题。

为了解决上述问题，本发明中提出了取消活塞销和摆动着的连杆这一中间介质，而一种新的途径来保证彻底消除活塞组对气缸壁上的侧压力。

因此，本发明的目的是通过下面将要说明的特定结构来试图做到活塞组在气缸中的运动，就象医用注射器那样直上直下运动，而并不产生侧压力;同时试图做到根据某些机械设备的要求，能够满足曲轴保持连续旋转运动状态下，活塞在其行程过程中的上、下止点停滞一定时间;除此之外，这种新型机构不仅提供了取消活塞环的可能性，而且不用活塞组和气缸壁上用润滑油的可能性，进而采用一种特殊绝热材料（如工业用陶瓷等）来实现热效率相当高的绝热发动机创造有利条件。众人所知，要实现绝热发动机并不是轻而易举的事情。由于很多不利因素阻碍着，其中最关键问题在于内燃机的运动件的冲击问题，比如活塞组对气缸壁上的冲击、气门对气门座的冲击。在本机构中要解决活塞组对气缸壁的冲击问题，因此实现二冲程绝热发动机创造有利条件，而已公开的“四冲程内燃机配气机构的改革”的专利申请（申请号85107147A，公开日87.1.31，国际分类号FOILI/04）已解决气门对气门座的冲击问题，因此实现四冲程绝热发动机创造有利条件。笔者试图不久将来（即有足够经济来源时）研制出二冲程和四冲程绝热发动机来。

本机构主要由（见图1）一对曲轴1、导板2、活塞组3、一对齿轮4和固定销、连接杆、基体（气缸体）等零附件所组成。

导板2通过固定销、连接杆与活塞组3刚性连接，因此导板2和活塞组3视为一体，也可以说导板2是活塞组3的一部分。

一对曲轴1前端有直接啮合着的一对齿轮4使曲轴1的旋转方向相反又同步运转。一对曲轴1的连杆轴颈放入导板2槽内，并保证任何时候曲轴1的两个连杆轴颈与导板2槽内接触点A和B，始终与对称中心线O-O对称的。

活塞组3的数量根据需要而定。

本机构一般对置卧式布置的。

当活塞组3直接受到定时压力时（如内燃机的燃烧压力），其力直接作用在导板2上，导板2要做向左直线运动，而导板2槽内曲轴1的二个连杆轴颈沿导板2槽上下（向外）移动，由于接触点A和B的旋转中心在曲轴1的主轴颈上，因此这样导板2的直线运动，连杆轴颈沿槽移动以及接触点的偏心，形成曲轴1的旋转运动。反之，当一对曲轴1受外力（如人工、电动机等）的作用下旋转时，曲轴1的二个连杆轴颈在导板2槽内，沿导板2槽对称移动。由于一对齿轮4正好直接啮合，形成二个连杆轴颈进行反方向旋转运动，接触点A和B的受力情况相同，其内力互相抵消，因此导板2只能做往复直线运动，这导致活塞组3的往复直线运动，并消除了活塞组3对气缸壁上的侧压力。

当希望曲轴连续运转条件下，活塞在气缸中往复直线运动过程中上、下止点停滞一定时间问题，由如下工作过程中不难看出。

在图2中可见导板2槽内形状，其中a-b曲线段的曲率半径中心选择在曲轴1主轴颈中心O上，就是说以曲轴1主轴颈中心O为圆心，半径为R的圆周上选取a-b段，因此a-b段为圆的弧。

曲轴1的连杆轴颈呈鸡蛋性，其形状的形成是连杆轴颈在沿导板2槽内移动时接触点的包络线。曲轴1在旋转过程中，活塞组3做无侧压力的往复直线运动，当曲轴1的连杆轴颈上的接触点正好与导板2槽内a点重合时，活塞组3正好在上止点上，曲轴1仍保持旋转，连杆轴颈接触点由a点移到b点，在a-b段内活塞组3仍在上止点，因此活塞组3仍停滞不动状态，当曲轴1连杆轴颈的接触点偏离b点时，活塞组3才开始作直线运动。

从这种机构的工作过程和结构特点来看，它不仅运转自如，而且满足如上提到的目的。

下面要谈一下这种机构的寿命问题。

从理论分析来看，这种机构的寿命主要取决于导板槽与曲轴连杆轴颈之间接触强度问题。

涉及到接触强度问题，必须先考虑摩擦副的磨损。作用在摩擦副上的力的大小和接触面的面积之比，即比压的大小，两物体之间的摩擦方式，润滑条件，运转速度以及材料的性质等直接影响摩擦副的磨损问题。

为了便于分析和理解，先谈一下内燃机配气机构中，凸轮与挺杆之间的摩擦副的接触强度问题，并进行对比。

通常，凸轮和挺杆之间进行飞溅润滑，它们之间纯属滑动摩擦，从理论上为点接触。当摩擦副上的最大接触应力不大于110公斤力/平方毫米时，凸轮和挺杆的磨损甚小，能可靠长期运转。

曲轴实际上也是偏心机构，导板就象凸轮机构的挺杆一样，在本机构与凸轮机构在很多方面情况相同，只是凸轮机构不可能传递扭矩即没有可逆性。

曲轴的连杆轴颈和导板槽之间，从理论上线接触，它们之间进行强制润滑，也属纯滑动摩擦形式。

当一对曲轴连杆轴颈放入一个导板槽并对称布置六个气缸，气缸直径、行程、转速、同样排量的cA141解放汽车发动机6102比较时，曲轴连杆轴颈与导板槽之间最大接触应力，经计算结果表明不大于65公斤力/平方毫米。如果选用轻质、耐磨，高强度材料和选择合理的几何形状来减小往复件的惯性力或者合理布置气缸，采用小缸径长冲程（即排量不变条件）以及选择合理的工作次序来减小燃烧终了总压力作用在导板上时，最大接触应力大为下降。从理论分析和计算结果表明，这种机构是完全胜任的。

如果采用如图3右图那样，在连杆轴颈上套入圆柱形筒套或者如图3左图那样，套在连杆轴颈而在导板槽中滑动的滑套块方法也可行，不过这种机构使结构复杂化，也不可能做到曲轴正常运转下，活塞组在上下止点停滞一定时间的要求。

在研制过程中，要很多情况进行周密的考虑，比如在实际工作过程中，由于某种原因而导板两侧边缘象如图4那样啃连杆轴颈两侧等，因此，如图那样两接触的纵向断面不一定是重合的两平行线。

又如在气缸的布置上除了对置布置和采用偶数缸之外，缸径大小和工作次序上也要做文章。具体一点来说，象如图5那样，在一个导板上布置六个气缸，一侧各三个。位于中间的Ⅱ缸和Ⅴ缸排量相同（即缸径相同）而Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ缸排量正好是Ⅰ或Ⅴ缸的排量的一半。当Ⅱ缸处在压缩过程时，Ⅰ、Ⅲ缸必须进行排气过程，而不要做压缩过程，Ⅴ缸可进行进气过程（或膨胀过程），自然Ⅳ、Ⅵ缸安排进行膨胀过程（或进气过程），而不要一侧三个缸（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ）的工作过程安排同一过程。

当这种机构对置卧式布置时，应考虑往复运动件的重力，因此在机体（如气缸体）下方设置可调式导轨等。

一般，内燃机一个活塞顶上承受的最大燃烧压力可达2至4吨的力，而这种机构中最大接触应力远远小于凸轮副的最大接触应力，这是为什么？

采用这种机构的内燃机，最大燃烧压力直接作用在导板上，这个力又作用在二个对称运动的曲轴连杆轴颈上，另外往复运动惯性力也作用在导板上，而其力方向与燃烧压力方向相反。在图6中可见最大燃烧压力产生时活塞稍为偏离上止点，而最大惯性力作用时活塞正好上止点。

在图6中有二个直角坐标图，其中P-V（S）图为不同气缸容积V（或不同位移S）时导板上作用的气缸压力和惯性力P的变化情况，在P-

图中气缸压力和惯性力P在不同曲轴转角φ时的变化情况。P-φ图实际上是P-V（S）图的展开图。最大接触应力的大小和接触点部位取决于最大燃烧压力和最大往复运动惯性力的综合效应时。当最大燃烧压力大于二倍的最大惯性力时，作用在摩擦副上最大力为最大燃烧压力减去最大惯性力的值，接触点在活塞在上止点稍过后时导板槽内和连杆轴颈的接触部位。当最大燃烧压力等于或小于二倍的最大惯性力时，最大接触应力的计算以最大惯性力来进行计算，其接触点部位可能是活塞处于燃烧终了时导板槽和连杆轴颈接触点，或者此缸进行排气终了时，或进气过程终了时或者膨胀进行过程中。

总之，本机构用在内燃机时，要内燃机曲柄连杆机构可靠的长期工作，应当全面的进行分析，其中特别细心考虑影响寿命的导板槽与连杆轴颈的接触部位磨损问题。当提到接触强度时，除了考虑作用力的大小之外，要考虑影响作用力大小的因素，如气缸数、气缸的布置、缸径和冲程大小、工作次序、发动机最高转速，连杆轴颈和导板的尺寸、截面形状、材料的选择以及加工工艺等，最后得到理想的结果来。当然这种机构用于内燃机上进行可靠长期工作，必须试制实验才能得出正确结果来。

本机构除了用在内燃机（包括绝热发动机）之外，还可以用在压缩机（包括气、水、油泵等）并得到理想的结果，除此之外还可以用在传递直线运动或扭矩的机械设备上。

Claims (7)

1、一种用于把受力后由原来往复直线运动转换成旋转运动或者由原来旋转运动转换成往复直线运动的机构，所述机构其特征在于包括：

一对曲轴前端上直接啮合的一对齿轮，保证放入在导板槽内的一对曲轴连杆轴颈进行同步但互为反转；

放入在导板槽内同步又互为反转的二个曲轴连杆轴颈促使与导板刚性连接的活塞组进行往复直线运动；

取消传统的摆动着的连杆和活塞销。

2、如权利要求1所述的机构，其特征在于活塞组在气缸中对气缸壁无侧压力无冲击的进行往复直线运动。

3、如权利要求1所述机构，其特征在于曲轴连续不停地转动情况下，活塞在往复运动过程中做到其行程的上、下止点停滞一定时间。

4、如权利要求1所述机构，其特征在于可去消活塞环，不用润滑油。

5、根据权利要求1和4所述机构，其特征在于采用理想的绝热材料和工艺技术可实现绝热发动机。

6、根据权利要求1所述机构，其特征在于在曲轴连杆轴颈上装入圆柱形筒套或装入与导板做滑动的滑块。

7、根据权利要求1所述机构，其特征在于这种机构不仅用于内燃机上，而且用于压缩机（包括水、气、油泵等），也用于一些机械设备上。

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