一種曲柄連杆機構的製作方法

2023-05-05 13:26:41

專利名稱：一種曲柄連杆機構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種曲柄連杆機構，本曲柄連杆機構克服了傳統曲柄連杆機構傳動效 率低、工作過程中力的作用角度大、在上止點與下止點存在死點的缺陷。
背景技術：
曲柄連杆機構在發動機中起的主要作用就是將汽缸內可燃氣體燃燒時產生的爆發壓 力推動活塞的往復運動轉化為曲軸的旋轉運動。
目前使用的曲柄連杆機構如圖1所示，連杆27小頭連接活塞7,大頭連接到曲軸28 上，曲軸28運動軌跡的中心位於活塞7正下方。其工作原理為可燃氣體燃燒膨脹，活 塞7將壓力傳給連杆27，連杆27將壓力傳到曲軸28使曲軸旋轉輸出功。從圖2可以看出
活塞作用在連杆上的力被分解為沿連杆方向的壓力和垂直於連杆方向上的力。而實際起作 用的只有沿連杆方向上的分力，這個力的實際大小為FXCosa 。也就是說連杆與活塞運行 軌跡的夾角a的大小決定了連杆傳動效率的高低。同理連杆傳給曲軸的力也只有沿曲軸運 行軌跡切線方向的力為有效作用力，才真正起到推動曲軸旋轉的作用。也就是說真正做有 效功的那部分力F4=FlXCosa XCose (其中Fl與F3之間夾角為a ， F3與F4之間夾角 為e)。在活塞處於上下止點的時候，甚至出現連杆與曲軸的連接處出現死點的現象。同 時，也正是由於a與P角的原因，使連杆在工作的時候會給活塞一個支反力的作用，使活 塞一面緊緊的貼在汽缸壁上，使活塞與汽缸產生很大的摩擦力，減少活塞與汽缸的使用壽
命。所以，目前使用的曲柄連杆機構的傳動效率相對偏低。
實用新型內容
針對現有技術存在的上述不足，本實用新型的目的是提供一種傳動效率高、能避免上 下止點出現死點的曲柄連杆機構。
3本實用新型的技術方案是這樣實現的 一種曲柄連杆機構，它包括傳動連杆、傳動臂、 限位連杆、限位曲軸和和輸出軸，輸出軸從傳動臂中穿過，傳動臂上設有棘爪，輸出軸上 設有主動連動齒和與傳動臂上棘爪嚙合的棘輪齒，傳動連杆一端與發動機活塞連接，另一 端與傳動臂上的傳動連杆安裝軸連接，限位連杆兩端分別與傳動臂上的限位連杆安裝軸和 限位曲軸連接，在限位曲軸上設有與輸出軸上的主動連動齒相互嚙合的從動連動齒，主動 連動齒與從動連動齒的傳動比為2: 1，從動連動齒由相互嚙合的從動連動內齒和從動連動 外齒構成，嚙合部分留有空隙；限位曲軸迴轉中心位於傳動連杆上下止點連線上，限位曲 軸的上下止點間的距離等於傳動臂上下止點間的距離。
進一步地，所述輸出軸上的棘輪齒為成180度分布的兩個，傳動臂上的棘爪為對應的 兩個，棘爪通過導向機構和復位彈簧安裝於傳動臂上，使棘爪能夠在傳動臂上面滑動並在 復位彈簧作用下復位。
所述導向機構為設於棘爪和傳動臂上的配對的導向槽和導向塊，導向塊插入導向槽 中；復位彈簧一端放入棘爪上的復位彈簧安裝槽中，另一端卡在傳動臂上的復位彈簧限位 塊上。
所述從動連動內齒與限位曲軸一體成型，從動連動外齒套在限位曲軸上，從動連動外 齒上方用卡圈將從動連動外齒安裝在限位曲軸上限制其軸向竄動。
本實用新型的曲柄連杆機構通過傳動臂、限位曲軸、限位連杆等，將活塞連杆的有效 做功行程由傳統曲柄連杆機構的半圓減少到l/4圓，使得做功時，活塞與連杆的夾角以及 連杆作用力方向與曲軸轉動的切向方向的夾角大大減小，從而大大提高了曲柄連杆機構的 傳動效率。本實用新型不但避免了在上下止點時存在死點的情況，而且在做功過程中的每
個時刻，都顯著的減小了力的傳遞方向與力的有效作用方向的夾角，這不但起到了大大提 高曲柄連杆傳動效率的作用，同時還減小了活塞受到連杆的支反力，減小了活塞與汽缸壁 之間的壓力，使活塞與汽缸壁之間的摩擦力大大減小，最直接的緩解了活塞與汽缸壁之間 的磨損，提高了發動機的使用壽命。
本實用新型曲柄連杆機構具有結構簡單，製造成本低，可行性高的特點。

圖l一現有的曲柄連杆機構圖2—現有的曲柄連杆機構受力分析圖3—本實用新型曲柄連杆機構運動原理圖4一本實用新型傳動上臂立體圖5—本實用新型棘爪結構圖6—本實用新型傳動上臂組裝圖7—本實用新型傳動下臂組裝圖8—本實用新型輸出軸立體圖9一本實用新型限位曲軸外齒結構圖IO—本實用新型限位曲軸外齒剖面圖ll一本實用新型限位曲軸組裝圖12—本實用新型限位曲軸平面圖13—本實用新型曲柄連杆機構總裝示意圖;
圖14一本實用新型曲柄連杆機構運動示意圖;
圖15—本實用新型曲柄連杆機構側視圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
本實用新型的曲柄連杆機構主要由傳動連杆l、傳動臂2、限位連杆3、限位曲軸4和 輸出軸5五大部分組成。其運動原理如圖3所示，傳動連杆1與傳動臂2、限位連杆3以 鉸鏈形式連接在一起，圖中標記6所指弧線為傳動連杆大頭運動軌跡線，其軌跡線為1/4 個圓周。活塞7受到可燃氣體爆發壓力的作用向下運動推動傳動連杆1向下運動，傳動連 杆1推動傳動臂2做功的同時也推動限位連杆3向下運動，使得限位曲軸4沿圖示順時針 旋轉，直到活塞7運動到下止點，同時傳動連杆l、傳動臂2、限位連杆3和限位曲軸4 也同時到達了各自的下止點位置。
從理論上講如果傳動連杆能夠如圖3中的軌跡往復工作的話，那麼就將顯著的減小活 塞的力的作用線與連杆有效力的作用線之間的夾角，以及連杆對曲軸的有效力的作用線與
5曲軸瞬時位置的切線方向的夾角，這無疑將大大提高曲柄連杆機構的傳動效率。
但是，要使曲柄連杆機構能夠真正運轉起來，還要使連杆能夠向上運動，使活塞能夠 完成排氣、壓縮等工作過程。這些功能在本曲柄連杆機構的設計中由限位曲軸與限位連杆 來完成。這個限位連杆的運動周期要與傳動連杆的運動周期一致，才能使傳動連杆帶動活 塞無限次的在設定的軌跡上工作。而活塞、傳動連杆、限位連杆、限位曲軸和輸出軸之間 都要存在一定的限制，使它們每個部件的運動過程都緊密的聯繫起來。這些都會由他們每 個部件的特殊結構以及裝配關係來達到。 下面將分別介紹每個部件的特殊結構。 1.傳動臂結構介紹
傳動臂由傳動上臂8、傳動下臂9、棘爪IO、傳動上臂蓋ll、傳動下臂蓋12和復位 彈簧13等組成。傳動上臂8結構如圖4所示，傳動上臂8上設有復位彈簧限位塊14、棘 爪導向塊15、傳動連杆安裝軸16和限位連杆安裝軸17。棘爪10結構如圖5所示，其上 設有復位彈簧安裝槽18和導向槽19。
將傳動上臂中間的棘爪導向塊15插入棘爪導向槽19中。復位彈簧13 —端放入棘爪上 的復位彈簧安裝槽18中，復位彈簧13另一端卡在傳動上臂的復位彈簧限位塊14上，使 棘爪10能夠在傳動上臂8上面滑動。導向槽19和導向塊15共同組成導向機構，對棘爪 10的滑動進行導向。最後將傳動臂上臂蓋11與傳動上臂8對應安裝，傳動上臂組裝完成， 結構見圖6。
傳動下臂9與傳動上臂結構基本相同，只是沒有連杆安裝軸，其組裝圖見圖7。
2. 輸出軸結構介紹
輸出軸5上帶有成180度分布的兩個與傳動臂棘爪10相互咬合的棘輪齒20，還有與 限位曲軸4上的從動連動齒相咬合傳動比為2: l的主動連動齒21，其結構見圖8。
3. 限位曲軸結構
限位曲軸4結構見圖11和圖12，限位曲軸4上帶有與輸出軸上的主動連動齒21相互 嚙合的從動連動齒22，其中從動連動齒22又分為從動連動內齒23和從動連動外齒24。 從動連動內齒23與限位曲軸4一體成型，從動連動外齒24套在限位曲軸4上，從動連動 外齒上方用卡圈將從動連動外齒安裝在限位曲軸上限制其軸向竄動。從動連動外齒24的結構見圖9和圖10。
從動連動內齒23和從動連動外齒24相互嚙合，嚙合部分留有一定的空隙25。也就是說從動連動內齒和從動連動外齒相互可以自由轉動一定的角度。內齒與外齒之間的這個空隙非常的關鍵，它決定了整個新的曲柄連杆機構能否正常的轉動。後面將詳細介紹限位曲軸內外齒之間的這個間隙是如何對整個機構的工作產生影響的。
由於傳動連杆和限位連杆在結構上與普通的現在使用的連杆沒有發生改變，所以這裡就不單獨介紹其結構。下面介紹新曲柄連杆機構的總裝結構。
4. 本實用新型曲柄連杆機構總裝圖
參見圖13、圖14和圖15，從圖上可以看出，傳動連杆1小頭連接活塞7，大頭連接到傳動上臂的傳動連杆安裝軸16上。限位連杆3小頭安裝在傳動上臂的限位連杆安裝軸17上，大頭安裝在限位曲軸4上。傳動上臂8與傳動下臂9上設有對應的半圓形缺口26，兩者合圍形成一個標準圓孔用於將輸出軸5抱合，傳動臂上的兩個棘爪10與輸出軸上的棘輪齒20相互咬合在一起。限位曲軸上的從動連動外齒24與輸出軸上的主動連動齒21相互嚙合在一起。
這套曲柄連杆機構在安裝時，限位曲軸4的迴轉中心必須在傳動連杆1上下止點連線上，限位曲軸4的上下止點間的距離必須等於傳動臂2上下止點間的距離，輸出軸上的主動連動齒21與限位曲軸上的從動連動齒22的傳動比必須為2: 1，傳動臂2的工作軌跡為1/4圓周。
5. 工作原理介紹
做功過程活塞推動傳動連杆向下運動，進而推動傳動臂向下運動，此時傳動臂中的兩個傳動臂棘爪與輸出軸上的兩個棘輪齒咬合，推動輸出軸轉動做功。同時與傳動連杆通過傳動臂鉸鏈在一起的限位連杆也在傳動臂的作用下開始向下運動。但由於限位曲軸上從動連動齒內外齒中間的間隙，使得限位曲軸不會通過其從動連動齒將能傳到輸出軸上。
排氣過程此時活塞、傳動連杆與限位連杆都同時在各自的下止點位置，輸出軸在其一端連接的飛輪慣性作用下繼續旋轉，其自身的主動連動齒將帶動限位曲軸上的從動連動齒外齒一起旋轉。這時限位曲軸上的從動連動齒外齒由於輸出軸的主動連動齒的帶動，轉速遠遠大於限位曲軸的轉速，瞬間與限位曲軸上的從動連動齒內齒咬合帶動連動齒內部以及限位曲軸一起旋轉，從而帶動限位連杆由下止點向上止點運動。同時也帶動了與其連接在一起的傳動臂和傳動連杆一起向上止點運動，推動活塞由下止點向上止點運動排出廢氣。在這個過程中傳動臂上的棘爪與輸出軸上的棘輪齒處於脫離狀態。
進氣過程以及壓縮過程的工作原理同排氣過程的工作原理一樣，都是通過輸出軸的慣性帶動限位曲軸、限位連杆、傳動臂和傳動連杆等的運動。只有在做功過程時，由於傳動連杆在活塞的作用下高速向下運動時，其速度超過輸出軸的速度，使傳動連杆帶動傳動臂高速向下運動，傳動臂上的棘爪又重新與輸出軸上的棘輪齒咬合，從而帶動其他部件運動。也就是上面介紹的做功過程。
前面提到了限位曲軸上的從動連動齒分為內齒和外齒兩個部分，並且內外兩部分在嚙合位置留有一定的間隙，那是因為在這套曲柄連杆的工作過程中傳動臂在某一時刻轉過的角度並不總等於限位曲軸轉過角度的1/2，傳動臂的轉動角速度又等於輸出軸的角速度，輸出軸上的主動連動齒與限位曲軸上的從動連動齒的傳動比為2: 1，也就說明了限位曲軸上的從動連動齒外齒的角速度總等於傳動臂角速度的2倍。而限位曲軸上的從動連動齒內齒的速度卻與傳動臂角速度的2倍有一定的誤差。故，限位曲軸的內外齒之間的間隙起到了對這個轉速誤差的調節作用，使機構能夠正常旋轉。另外又是由於有這個間隙的存在，發動機在做功行程向排氣行程過度時要通過限位曲軸外齒帶動限位曲軸旋轉，每次總要讓輸出軸上的主動連動齒先帶動限位曲軸上的從動連動齒外齒先轉過一定的角度消除內外齒之間的間隙後才能帶動其他部件運動，也就是說每次輸出軸都要超越傳動臂旋轉一定的角度，這個超越量恰好保證了棘輪在高速運轉的情況下能夠正常嚙合，提高了整個曲柄連杆組合的可靠性。
本實用新型的曲柄連杆機構的主要優點是克服了傳統的曲柄連杆機構傳動效率低，工作過程中力的作用角度大，在上止點與下止點存在著死點的缺點，使曲柄連杆在高效輸出的工作範圍內工作，降低了發動機的機械損失，減小了活塞與汽缸壁之間的壓力，使活塞壽命得到了延長，大大提高的發動機的工作效率，結構簡單，零件製造及安裝容易實現。
權利要求1、一種曲柄連杆機構，其特徵在於它包括傳動連杆(1)、傳動臂(2)、限位連杆(3)、限位曲軸(4)和和輸出軸(5)，輸出軸(5)從傳動臂(2)中穿過，傳動臂(2)上設有棘爪(10)，輸出軸(5)上設有主動連動齒(21)和與傳動臂上棘爪嚙合的棘輪齒(20)，傳動連杆(1)一端與發動機活塞連接，另一端與傳動臂上的安裝軸連接，限位連杆(3)兩端分別與傳動臂上的安裝軸和限位曲軸(4)連接，在限位曲軸(4)上設有與輸出軸上的主動連動齒(21)相互嚙合的從動連動齒(22)，主動連動齒(21)與從動連動齒(22)的傳動比為2∶1，從動連動齒(22)由相互嚙合的從動連動內齒(23)和從動連動外齒(24)構成，嚙合部分留有空隙(25)；限位曲軸迴轉中心位於傳動連杆上下止點連線上，限位曲軸的上下止點間的距離等於傳動臂上下止點間的距離。
2、 根據權利要求l所述的曲柄連杆機構，其特徵在於所述輸出軸上的棘輪齒(20) 為成180度分布的兩個，傳動臂上的棘爪(10)為對應的兩個，棘爪(10)通過導向機構 和復位彈簧(13)安裝於傳動臂(2)上，使棘爪能夠在傳動臂上面滑動並在復位彈簧作 用下復位。
3、 根據權利要求2所述的曲柄連杆機構，其特徵在於所述導向機構為設於棘爪和 傳動臂上的配對的導向槽(19)和導向塊(15)，導向塊(15)插入導向槽(19)中；復 位彈簧(13) —端放入棘爪(10)上的復位彈簧安裝槽(18)中，另一端卡在傳動臂上的 復位彈簧限位塊(14)上。
4、 根據權利要求1或2或3所述的曲柄連杆機構，其特徵在於所述從動連動內齒 (23)與限位曲軸(4) 一體成型，從動連動外齒(24)套在限位曲軸(4)上，從動連動外齒上方用卡圈將從動連動外齒安裝在限位曲軸上限制其軸向竄動。
專利摘要本實用新型涉及一種曲柄連杆機構，它包括傳動連杆、傳動臂、限位連杆、限位曲軸和輸出軸，輸出軸上設有主動連動齒和與傳動臂上棘爪嚙合的棘輪齒，傳動連杆兩端分別與活塞和傳動臂連接，限位連杆兩端分別與傳動臂和限位曲軸連接，在限位曲軸上設有與輸出軸上的主動連動齒相互嚙合的從動連動齒，從動連動齒由相互嚙合的從動連動內齒和從動連動外齒構成。本實用新型使曲柄連杆在高效輸出的工作範圍內工作，降低了發動機的機械損失，減小了活塞與汽缸壁之間的壓力，使活塞壽命得到了延長，大大提高的發動機的工作效率，結構簡單，零件製造及安裝容易實現。
文檔編號F16H21/38GK201401232SQ200920126940
公開日2010年2月10日 申請日期2009年4月8日 優先權日2009年4月8日
發明者林大宇 申請人:林大宇