一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置製造方法
2023-10-26 06:50:12
一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置製造方法
【專利摘要】一種擺線凸輪與擺盤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，轉子Ⅰ和轉子Ⅱ同軸且呈交錯狀安裝於缸體內，且均可繞自身中心轉動，差速驅動組件包括凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱，所述凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱組合形成自由度為1的驅動組件，凸輪為空心球殼，凸輪上開設有外擺線槽，動力軸為中部一段為傾斜軸段的斜軸，擺盤徑向布有至少兩個滾子，這些滾子分別與滑軌和凸輪配合運動，擺盤軸向與動力軸斜軸段用鉸鏈連接，驅動組件的輸入端為擺盤上的滾子。其結構簡單，通過擺線凸輪和擺盤進行簡單的組合即可實現轉子的差速運動，整體性好，懸臂結構較短，受力好。
【專利說明】一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及發動機功率傳輸部分【技術領域】，尤其涉及一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置。
【背景技術】
[0002]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。
[0003]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)發明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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。這些方案都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。
[0007]其次，對於擺盤或斜盤發動機的功率傳輸機構，其功率傳輸機構簡單，也可以實現較高功率密度，其增加功率密度的方式只有增加活塞數量或截面積，但是在發動機體積一定的情況下此種方式可提高的功率密度有限，現在最理想的是五個活塞在動力軸每轉一周作功10次。對於另一種基於凸輪和多杆機構組合的功率傳輸裝置(ZL201110071457.8)，其可以通過凸輪型線瓣數的增加實現作功30次以上的高功率密度，但是其動力輸出軸靠滑塊滑動旋轉輸出，在滑塊上極限位置懸臂較長，不利於大載荷輸出，而且整體結構不夠緊湊。
【發明內容】
[0008]針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單、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外擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置。
[0009]一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於: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1、轉子I1、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，所述轉子I和轉子II均可繞自身中心轉動，所述差速驅動組件包括凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱，所述凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱組合形成自由度為1的驅動組件，所述凸輪為空心球殼，凸輪上開設有外擺線槽，所述外擺線槽為曲線槽；所述動力軸為中部一段為傾斜軸段的斜軸，所述擺盤徑向布有至少兩個滾子，這些滾子分別與滑軌和凸輪配合運動，擺盤軸向與動力軸斜軸段用鉸鏈連接，所述驅動組件的輸入端為擺盤上的滾子。
[0010]作為本發明的進一步改進:所述凸輪上開設的曲線槽為8字形的曲線槽。
[0011]作為本發明的進一步改進:所述凸輪上開設的曲線槽為球面上呈周期性變化的外擺線曲線及其變異曲線形狀的凹槽。
[0012]作為本發明的進一步改進:所述凸輪上開設的曲線槽由公式
sin ^ cos Λ
[0013]R= sm-^m2b 來描述，其中 a=(0。，180。)為擺盤傾角，b = [0，720)。
Σ
1 — 2 sin2 — cos3 b
_ 2 _
[0014]作為本發明的進一步改進:所述動力軸為Z字軸，擺盤安設在Z字軸的斜軸段上並可繞其轉動，擺盤徑向相互垂直的兩個方向向外伸出滾子軸I和滾子軸II，凸輪包裹在擺盤外並可繞動力軸旋轉，凸輪上對稱布置四個8字形外擺線槽，滾子軸I和滾子軸II均各有兩個滾子，靠近擺盤的滾子在8字形外擺線槽上沿凸輪面滾動，分別位於兩滾子軸末端的滾子在滑軌I和滑軌II內沿直線滾動，滑軌I和滑軌II的軌道方向與Z字軸輸出方向平行並且可繞Z字軸旋轉，齒輪箱為一個反向同步器，所述凸輪和Z字軸在齒輪箱的驅動下反向同步轉動；滑軌I作為第一輸入構件與轉子I通過滑軌連接體I連接，使滑軌與轉子I周向旋轉同步，滑軌II作為第二輸入構件與轉子II通過滑軌連接體II連接，使滑軌II與轉子II周向旋轉同步。其中:z字軸的傾斜角度的具體機構尺寸根據實際設計要求而定。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0016]1、本發明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，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；
[0017]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，實現高效節能的熱力學循環；
[0018]3、本發明發動機在輸出軸每轉一周時，總共作功次數為16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，能夠實現功率密度、升功率等大幅度的提升，這一特性有著廣泛的應用前景；
[0019]3、本發明的轉子的平均轉速與輸出軸相同反向，即輸出軸每旋轉一周，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，故理論上本發明工作更為平穩，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；
[0020]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；
[0021]5、本發明結構對稱布置，且零件數目少、工作腔便於密封、無複雜配氣機構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明動力缸組件的原理結構示意圖；
[0023]圖2為本發明差速驅動組件的原理結構示意圖；
[0024]圖3為本發明功率傳輸裝置輸出軸端面的結構示意圖；
[0025]圖4為本發明實例中雙轉子活塞發動機的三維結構爆炸示意圖；
[0026]圖5為本發明功率傳輸裝置機構運動流程示意圖；
[0027]圖例說明:1、動力缸組件；11、轉子I ;12、轉子II ;13、滑軌連結體I ;14、滑軌連結體II ;2、差速驅動組件；20、滑軌I ;21、滑軌II ;22、凸輪；23、凸輪槽；24、Z字軸；25、擺盤；26、滾子軸I ;27、滾子軸II ；28齒輪箱。
[0028]以下將結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
【具體實施方式】
[0029]如圖1和2所示，本發明一種擺線凸輪和擺盤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和滑軌連結體I 13和滑軌連結體II 14，轉子I 11和轉子II 12同軸且呈交錯狀(交叉狀)安裝於缸體內，轉子I 11和轉子II 12均可繞自身中心轉動。差速驅動組件2包括凸輪22、Z字軸24、擺盤25以及齒輪箱28，這些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，驅動組件的兩個輸入端分別與轉子I 11和轉子II 12連接。該凸輪22上可以加工出外擺線槽23，外擺線槽23上的曲線型線為球面上呈周期性變化的外擺線曲線及其變異曲線形狀的凹槽，實施曲線多樣，可根據轉子運動規律進行設計，具有產生廣泛變化的非均勻運行的能力，能夠更大範圍地適應轉子的運動，適應不同場合下發動機對差速驅動組件的要求，實現高效節能的熱力學循環。本實施例中的外擺線槽23為8字形外擺線槽。
[0030]參見圖2，輸出軸為Z字軸24，擺盤25位於Z字軸24的斜軸段上並可繞其轉動，擺盤25徑向相互垂直的兩個方向向外伸出滾子軸I 26和滾子軸II 27，凸輪22包裹在擺盤25外並可繞輸出軸旋轉，凸輪22上對稱布置四個8字形外擺線槽，滾子軸I 26和滾子軸II 27都有兩個滾子，靠近擺盤的滾子在8字形外擺線槽上沿凸輪面滾動，末端另一滾子在滑軌I 20和滑軌II 21內沿直線滾動，滑軌I 20和滑軌II 21的軌道方向與Z字軸24輸出方向平行並且可繞Z字軸24旋轉，齒輪箱28就是一個反向同步器，其約束著凸輪22和Z字軸24反向等速旋轉；滑軌I 20作為第一輸入構件與轉子I 11通過滑軌連接體I 13連接，使滑軌20與轉子I 11周向旋轉同步，滑軌II 21作為第二輸入構件與轉子II 12通過滑軌連接體II 14連接，使滑軌II 21與轉子II 12周向旋轉同步。在具體實施中，Z字軸24的傾斜角度的具體機構尺寸可根據實際設計要求而定。
[0031]本發明的基本原理是通過改變擺盤傾角或外擺線槽的形狀控制其滑軌I 20和滑軌II 21輸出軸方向夾角的變化，這個變化也是滾子軸I 26和滾子軸II 27夾角在輸出軸端面投影的變化。該夾角受外擺線槽的形狀和擺盤傾角約束並呈周期性變化，從而轉子I 11和轉子II 12上葉片活塞的夾角也周期性地變大、變小。
[0032]如圖3、4所示，功率差速驅動機構處於極限位置。本實施例中，凸輪上的外擺線槽
sin a cos/)
的形狀為8字形外擺線槽，具體可由公式siir-^-sin 2b 來描述，其中a為擺盤傾角，
λ
1 — 2sin2 — Cus b
_ 2 _
可在(0°，180)°內變化，本實施例中a = 45°，b = [0，720)。
[0033]本實施例中的差速驅動組件的結構簡單、通過擺線凸輪和擺盤進行簡單的組合即可實現轉子的差速運動，整體性好，懸臂結構較短受力好，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。
[0034]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。本發明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，除本發明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。
[0035]本發明的工作原理:
[0036]如圖5所示，當勻速驅動發動機的輸出軸(Z字軸24)旋轉一周時，Z字軸24帶動擺盤繞軸心公轉，齒輪箱28驅動凸輪22與Z字軸24做反向同步轉動，凸輪22通過其上面的凸輪槽23內滾動的滾子軸I 26和滾子軸II 27約束擺盤繞中心斜軸自轉，方向與其公轉方向相反。在擺盤25旋轉過程中，滾子軸I 26和滾子軸II 27夾角在輸出軸端面的投影呈周期性變化。在輸出軸轉過一周的過程中，擺盤25在凸輪22驅動下反向轉動一周，實質上擺盤25相對於輸出軸(Z字軸24)的斜軸段反向自轉兩周，而滾子軸I 26和滾子軸II 27夾角輸出軸端面的投影在擺盤自轉一周時變由小變大再由大變小兩次，所以當擺盤25自轉兩周時該投影周期變化四次，相當於滑軌I 20和滑軌II 21輸出軸方向的夾角變化四次，也是兩個轉子間的夾角周期變化四次，每個轉子上有四個葉片活塞，每兩個活塞形成一個容積腔，共有八個這樣的容積腔，在輸出軸轉動一周時，每個容積腔周期變化四次，所以一共變化32次，相當於作功16次，大大提高發動機功率密度。由於在齒輪箱28的驅動下凸輪22和Z字軸24反向同步轉動，所以也可以將凸輪22作為另一個輸出端進行對轉輸出，可應用於當下熱門的對轉漿飛機，艦船和可攜式飛行器等。
[0037]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應該提出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於: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1、轉子I1、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，所述轉子I和轉子II均可繞自身中心轉動，所述差速驅動組件包括凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱，所述凸輪、動力軸、擺盤以及齒輪箱組合形成自由度為1的驅動組件，所述凸輪為空心球殼，凸輪上開設有外擺線槽，所述外擺線槽為曲線槽；所述動力軸為中部一段為傾斜軸段的斜軸，所述擺盤徑向布有至少兩個滾子，這些滾子分別與滑軌和凸輪配合運動，擺盤軸向與動力軸斜軸段用鉸鏈連接，所述驅動組件的輸入端為擺盤上的滾子。
2.根據權利要求1所述的擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於:所述凸輪上開設的曲線槽為8字形的曲線槽。
3.根據權利要求1所述的擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於:所述凸輪上開設的曲線槽為球面上呈周期性變化的外擺線曲線及其變異曲線形狀的凹槽。
4.根據權利要求2或3所述的擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於:sin a cos/)所述凸輪上開設的曲線槽由公式sin:|sin2/p 來描述，其中a=(0°，180° )為
l-2sitr - cos2b
_ 2 _擺盤傾角，b = [0, 720)。
5.根據權利要求4所述的擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於:所述動力軸為Z字軸，擺盤安設在Z字軸的斜軸段上並可繞其轉動，擺盤徑向相互垂直的兩個方向向外伸出滾子軸I和滾子軸II，凸輪包裹在擺盤外並可繞動力軸旋轉，凸輪上對稱布置四個8字形外擺線槽，滾子軸I和滾子軸II均各有兩個滾子，靠近擺盤的滾子在8字形外擺線槽上沿凸輪面滾動，分別位於兩滾子軸末端的滾子在滑軌I和滑軌II內沿直線滾動，滑軌I和滑軌II的軌道方向與Z字軸輸出方向平行並且可繞Z字軸旋轉，齒輪箱為一個反向同步器，所述凸輪和Z字軸在齒輪箱的驅動下反向同步轉動；滑軌I作為第一輸入構件與轉子I通過滑軌連接體I連接，使滑軌與轉子I周向旋轉同步，滑軌II作為第二輸入構件與轉子II通過滑軌連接體II連接，使滑軌II與轉子II周向旋轉同步。
6.根據權利要求5所述的擺線凸輪與擺盤機構組合的功率傳輸裝置，其特徵在於:Z字軸的傾斜角度的具體機構尺寸根據實際設計要求而定。
【文檔編號】F02B55/00GK104314675SQ201410496050
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】陳虎, 潘存雲, 徐小軍, 徐海軍, 張雷, 鄒騰安, 張湘, 鄧力, 蔡彤 , 費傑, 李文敏 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學