凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置的製作方法

2023-05-23 12:40:41 2

專利名稱：凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型主要涉及到容積式機器領域，特指一種可應用於高功率密度雙轉子活塞發動機上的功率傳輸裝置。
背景技術：
容積式機器包含活塞發動機、壓縮機、泵等機械設備，具體涉及發動機功率傳輸部分的改進，所涉及的方法與結構稍作修改也適合氣動機、壓縮機、泵等設備的改進。活塞式發動機主要有往復活塞式發動機和旋轉活塞式發動機兩類。大多數往復活塞式發動機上都利用曲柄連杆機構進行功率傳輸。100多年來科研人員圍繞曲柄連杆機構展開了廣泛的研究，同時致力於通過添置一些輔助機構來減小慣性負荷和側壓力、克服運動死點、提高發動機傳動效率。這些研究雖然在一定程度上使得往復活塞式發動機的動力性能得到改善，但由於功率傳輸部分的固有缺陷，未能從根本上改變發動機功率密度低的現狀。旋轉活塞式發動機研製並應用成功的是1957年由德國人汪克爾(Wankel)實用新型的三角轉子旋轉活塞發動機，此發動機功率密度相對較大，應用前景可觀，但由於轉子形狀複雜導致製造成本高昂，並且存在密封困難、低速時動力性能差、燃油經濟性差等難以解決的問題，使得旋轉活塞式發動機理論上的優越性到目前為止未能得到充分發揮。較低的功率密度不僅制約著活塞式發動機性能的進一步提高，而且限制了活塞式發動機在許多場合的應用。上述兩類活塞式發動機受功率傳輸部分固有缺陷的限制，功率密度很難達到1 (Kw/Kg)。動力源功率密度低已經成為一些裝備技術發展的瓶頸。為了改善傳統活塞式發動機的特性，人們提出了多種解決方案，其中雙轉子活塞發動機是一個非常熱門的研究方向，多年來，國內外進行了大量的研究，這些研究都力圖在雙轉子活塞發動機上取得突破，但現有的雙轉子活塞發動機研究存在如下兩個問題難以解決。首先，約束轉子運動的差速驅動組件較複雜。在已查到的文獻裡，一部分人利用橢圓齒輪、變速齒輪、非圓齒輪、卵圓齒輪等難加工零部件實現差速驅動轉子，這些方案不僅成本高，而且可靠性較差，尤其是為了實現發動機的高功率密度而要求動力軸每轉作功次數較多時，這些特型部件的形狀會變得十分複雜，加工難度太大；另一部分人採用單向器、 棘輪、彈簧等非常規部件實現差速驅動轉子，眾所周知，這些部件作發動機功率傳輸用的部件時不具備實用價值，在轉子作非勻速轉動時會有很大衝擊，而且運行噪聲很大；也有一部分人採用的是齒輪、連杆等常規部件實現差速驅動轉子，但機構方案要麼過於複雜、難以實施，要麼零部件數目較多，結構不對稱，整機難以平衡。其次，難以實現動力軸每轉一圈的作功次數在10次以上，保證不了發動機的高功
率密度。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題在於針對現有技術存在的技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、布置方式完全對稱、零部件數量少、動力軸每轉一圈的作功次數較多的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置。為解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案一種凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，包括動力缸組件以及與動力缸組件相連的差速驅動組件，所述動力缸組件包括轉子I、轉子II、動力軸和缸體，所述轉子I和轉子 II同軸且呈交錯狀安裝於缸體內，並繞動力軸轉動，所述差速驅動組件包括凸輪和一多杆機構，所述凸輪和多杆機構組合形成自由度為1的驅動組件，所述驅動組件的輸入端與動力軸固定連接。所述凸輪上加工有曲線槽，所述多杆機構為一套以上的四邊形機構的組合。作為本實用新型的進一步改進所述凸輪連接於差速驅動組件的缸體上，所述四邊形機構包括輸出杆件、第一輸入杆件、第二輸入杆件、第一連接件、第二連接件、導塊和鉸接於導塊上的滾子，所述輸出杆件與動力軸固接並滑設於所述導塊上，所述第一輸入杆件與轉子I固定連接，所述第二輸入杆件與轉子II固定連接，所述第一連接件的一端鉸接於導塊上，另一端與第一輸入杆件鉸接，所述第二連接件的一端鉸接於導塊上，另一端與第二輸入杆件鉸接，所述滾子設於所述曲線槽內並可沿所述曲線槽滾動。所述凸輪上的曲線槽為極徑長度呈周期性變化的曲線及其變異曲線形狀的凹槽， 所述曲線槽可由方程式P (Θ) =a+bsin(ie)來描述，該方程式中θ = [0，360° )，i為曲線槽的瓣數，取正整數，a、b為大於零的常量，a > b。所述功率傳輸裝置設有兩套以上的四邊形機構時，所述兩套四邊形機構沿動力軸軸心線呈對稱分布布置。與現有技術相比，本實用新型的優點在於1、本實用新型的差速驅動組件的結構簡單、通過凸輪和連杆機構進行簡單的組合即可實現轉子的差速運動要求，沒有齒輪件，並且最重要的一個特點是結構布置方式完全對稱，平衡性非常好；2、凸輪上的曲線槽的實施曲線多樣，因此具有產生廣泛變化的非均勻運行的能力，能夠更大範圍地控制轉子的運動規律，適應不同場合下發動機對差速驅動組件的要求， 如可輕易實現保證膨脹腔的容積是三倍以上的進氣腔容積，實現高效節能的熱力學循環；3、本實用新型發動機在一個缸體中的工作腔數目是曲線槽的瓣數的兩倍，動力軸旋轉一周過程中每一個工作腔的爆炸作功次數是瓣數的一半，也就是動力軸每轉一周的總共作功次數是瓣數的平方倍。即瓣數為4時，作功次數為16次，瓣數為6時，作功次數為36 次。因此可以在不顯著改變發動機整體尺寸、重量以及製造成本的前提下，能夠實現動力軸旋轉一周，作功次數隨瓣數成平方倍變化，從而在相同的設計重量下，功率密度、升功率等有大幅度的提升，這一特性有著廣泛的應用前景；3、本實用新型的轉子的平均轉速與動力軸相同，即動力軸每旋轉一周，轉子也完成一個迴轉運動，同時每一瞬間都有2個以上的工作腔處於作功衝程，作功頻率也高於其他活塞式發動機，故理論上本實用新型工作更為平穩，從而有效地降低各機械零件的磨損， 並延長發動機的使用壽命；4、採取模塊化設計。將動力缸組件和差速驅動組件分離布置，既可保護讓差速驅動組件遠離高溫、高壓等複雜環境，又便於拆裝和維修，還可沿軸向上方便地組合成多缸工作形式，適應特殊應用場合；5、本實用新型結構對稱布置，且零件數目少、工作腔便於密封、無複雜配氣機構。
圖1為本實用新型一種實例中功率傳輸裝置的原理結構示意圖；圖2為本實用新型另一種實例中六葉片雙轉子活塞發動機的結構示意圖；圖3為本實用新型另一種實例中六葉片雙轉子活塞發動機的三維結構爆炸示意圖；圖例說明1、動力缸組件；10、動力軸；11、轉子I ；12、轉子II ；13、缸體；2、差速驅動組件； 202、四邊形機構；21、輸出杆件；22、凸輪；23、第一連接件；24、第一輸入杆件；25、第二輸入杆件；26、第二連接件；27、滾子；28導塊。
具體實施方式
以下將結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，本實用新型一種凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，包括動力缸組件1以及與動力缸組件1相連的差速驅動組件2，其中動力缸組件1包括轉子I 11、轉子 II 12、動力軸10和缸體13，轉子I 11和轉子II 12同軸且呈交錯狀(交叉狀)安裝於缸體13內，並可繞動力軸10轉動。差速驅動組件2包括凸輪22以及一個多杆機構，該凸輪 22和多杆機構組合形成自由度為1的驅動組件。該驅動組件包括兩個輸入端和一個輸出端，驅動組件的兩個輸入端分別與轉子I 11和轉子II 12連接，驅動組件的輸出端與動力軸10連接。該凸輪22上可以加工出曲線槽，該多杆機構可以設計為一套以上四邊形機構 202的組合。參見圖1，凸輪22固接於差速驅動組件2的缸體上，多杆機構是一套四邊形機構 202，四邊形機構202包括輸出杆件21、第一輸入杆件對、第二輸入杆件25、第一連接件23、 第二連接件26、導塊觀和固設於導塊上的滾子27，輸出杆件21與動力軸10固接並滑設於導塊觀上；其中，第一輸入杆件M和第二輸入杆件25作為驅動組件的兩個輸入端，輸出杆件21作為驅動組件的輸出端，第一輸入杆件M與轉子I 11固定連接，第二輸入杆件25與轉子II 12固定連接。第一連接件23的一端鉸接於導塊觀上，另一端與第一輸入杆件M 鉸接；第二連接件沈的一端鉸接於導塊觀上，另一端與第二輸入杆件25鉸接；滾子27設於凸輪22上的曲線槽內並可沿曲線槽滾動。在具體實施中，第一連接件23、第一輸入杆件 M、第二輸入杆件25、第二連接件沈的具體機構尺寸可根據實際設計要求而定。凸輪22上的曲線槽為極徑長度呈周期性變化的曲線及其變異曲線形狀的凹槽，實施曲線多樣，如玫瑰線、橢圓曲線、擺線等極徑長度呈周期性變化的各類曲線或這些曲線的變異，具有產生廣泛變化的非均勻運行的能力，能夠更大範圍地控制轉子的運動規律，適應不同場合下發動機對差速驅動組件的要求，如可輕易實現保證膨脹腔的容積是三倍以上的進氣腔容積，實現高效節能的熱力學循環。本實用新型的基本原理是通過改變四邊形連杆機構中四邊形對角線長度控制其內角的變化，四邊形對角線長度的變化由凸輪22上的凸輪槽的曲線形狀控制。各杆件長度不一定相等，具體結構尺寸可根據設計要求而定。該四邊形的對角線長度受凸輪曲線槽的形狀約束並呈周期性變化，從而第一輸入杆件24、第二輸入杆件25間的夾角也周期性地變大、變小。凸輪槽形狀的實施曲線多樣，凸輪槽的曲線形狀約束著四邊形內角大小的周期性變化，兩轉子間的夾角與四邊形內角相關。在凸輪和多杆機構組合構成的差速驅動組件約束下，兩轉子以周期性波動的角速度作變速轉動，並實現工作腔容積在動力軸旋轉一周的過程中重複變化多次。工作腔容積的變化顯然可被用來完成發動機的工作循環。如圖2、3所示，多杆機構設有兩套四邊形機構202，兩組四邊形機構202沿發動機的動力軸10軸心線呈對稱分布。本實施例中，凸輪上的曲線槽的形狀為玫瑰線的變異，具體可由方程式P (Θ) =a+bsin(ie)來描述，該方程式中θ =[0，360° )，i為曲線槽的瓣數，取正整數，本實施例等於6，a、b為大於零的常量，a >b。本實施例中的差速驅動組件的結構簡單、通過凸輪和連杆機構進行簡單的組合即可實現轉子的差速運動，沒有齒輪件，並且最重要的一個特點是結構布置方式完全對稱，平衡性非常好，故保證發動機的慣性力衝擊和振動較小，工作更為平穩，可以有效地降低各機械零件的磨損，並延長發動機使用壽命ο發動機是一種有許多機構和系統組成的複雜機器。要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，必須具備必備的一些機構和系統。本實用新型發動機屬於活塞式發動機，基本原理類同其他活塞式發動機，因此，除本實用新型著重修改的功率傳輸部分外，還須配置燃料供給系，潤滑系，冷卻系，起動系等，這些系統的技術可以完全參考現有往復活塞式或三角轉子旋轉活塞式發動機的技術。工作原理當勻速驅動發動機的動力軸10(輸出杆件21)旋轉一周時，滾子27帶動導塊28沿凸輪曲線槽22的軌跡非勻速轉動一周，假設i = 6，則第一輸入杆件24和第二輸入杆件25的角速度由大變小再由小變大的過程將進行6次，即轉子旋轉一周其角速度由大變小再由小變大的過程也進行6次，故而由凸輪與多杆機構構成的差速驅動組件能夠約束兩個轉子周期性的作不等速運動。作為本實用新型發動機工作原理的進一步說明，發動機的動力軸10勻速轉動時， 在自由度為1的差速驅動組件2的約束下，兩轉子均以周期性波動的角速度作變速轉動，使得兩個轉子間的工作腔容積周期性增大、減小。反之，燃料在工作腔內爆炸，爆炸壓力推動兩轉子轉動，並在差速驅動組件2的約束下，轉子的差速轉動轉化為動力軸的勻速轉動。本實用新型所應用的發動機在一個缸體中的工作腔數目是前述凸輪22上曲線槽的瓣數的兩倍，而且在動力軸旋轉一周過程中每一個工作腔的爆炸作功次數是前述曲線槽的瓣數的一半，也就是轉子旋轉一周本實用新型發動機的爆炸作功次數是曲線槽的瓣數的平方倍，因此可以在不顯著改變發動機整體尺寸、重量以及製造成本的前提下，能夠實現動力軸旋轉一周，作功次數隨瓣數成平方倍變化，從而在相同的設計重量下，功率密度、升功率等有大幅度的提升，這一特性有著廣泛的應用前景。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本實用新型思路下的技術方案均屬於本實用新型的保護範圍。應該提出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的改進和潤飾， 這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，包括動力缸組件(1)以及與動力缸組件 (1)相連的差速驅動組件(2)，所述動力缸組件(1)包括轉子I (11)、轉子II (12)、動力軸 (10)和缸體(13)，所述轉子I (11)和轉子II (12)同軸且呈交錯狀安裝於缸體(13)內並繞動力軸(10)轉動，其特徵在於所述差速驅動組件(2)包括凸輪(22)和多杆機構，所述凸輪(22)和多杆機構組合形成自由度為1的驅動組件，所述驅動組件包括兩個輸入端和一個輸出端，所述驅動組件的兩個輸入端分別與轉子I(Il)和轉子11(12)固定連接，所述驅動組件的輸出端與動力軸(10)固定連接。
2.根據權利要求1所述的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於所述凸輪(22)上開設有曲線槽，所述多杆機構為一套以上的四邊形機構(202)的組合。
3.根據權利要求2所述的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於所述凸輪(22)連接於差速驅動組件(2)的缸體上，所述四邊形機構(202)包括輸出杆件(21)、第一輸入杆件(24)、第二輸入杆件(25)、第一連接件(23)、第二連接件(26)、導塊(28)和鉸接於導塊(28)上的滾子(27)，所述輸出杆件(21)與動力軸(10)相連並連接於所述導塊 (28)上，所述第一輸入杆件(24)與轉子I(Il)連接，所述第二輸入杆件(25)與轉子11(12) 連接，所述第一連接件(23)的一端鉸接於導塊(28)上，所述第一連接件(23)的另一端與第一輸入杆件(24)鉸接，所述第二連接件(26)的一端鉸接於導塊(28)上，所述第二連接件(26)的另一端與第二輸入杆件(25)鉸接，所述滾子(27)設於所述凸輪(22)上的曲線槽內並可沿所述曲線槽滾動。
4.根據權利要求2或3所述的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於所述凸輪(22)上的曲線槽為極徑長度呈周期性變化的曲線及其變異曲線形狀的凹槽。
5.根據權利要求4所述的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於所述凸輪(22)的曲線槽由方程式P (Θ) =a+bsin(ie)來描述，該方程式中θ =[0，360° )， i取正整數，a、b為大於零的常量，a > b。
6.根據權利要求2或3所述的凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於所述功率傳輸裝置設有兩套以上的四邊形機構(202)時，所述兩套以上的四邊形機構(202) 沿動力軸(10)軸心線呈對稱分布布置。
專利摘要本實用新型公開了一種凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置，包括動力缸組件以及與動力缸組件相連的差速驅動組件，動力缸組件包括轉子I、轉子II、動力軸和缸體，所述轉子I和轉子II同軸且交叉安裝於缸體內並繞動力軸軸線轉動，差速驅動組件包括凸輪與多杆機構，凸輪與多杆機構組合形成自由度為1的驅動組件，驅動組件包括兩個輸入端和一個輸出端，驅動組件的兩個輸入端分別與轉子I和轉子II連接，驅動組件的輸出端與動力軸連接。本實用新型具有結構簡單、布置方式完全對稱、零部件數量少，動力軸每轉一圈的作功次數較多等優點。
文檔編號F02B53/00GK202065061SQ201120080599
公開日2011年12月7日 申請日期2011年3月24日 優先權日2011年3月24日
發明者張威揚, 張文波, 徐小軍, 易聲耀, 潘存雲, 鄧豪 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學