专利名称：曲柄轴及活塞装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的曲柄轴及活塞装置，尤其涉及用于平衡特别是用在单缸发动机或平行双缸发动机的这样一种装置的方法。
GB2057061中介绍了与一曲柄轴在一同与活塞相连接的连接杆的大端完全相对点枢轴连接的平衡杆的应用。平衡杆在它与曲柄轴相对的一端被枢轴连接到一导向杆上，该导向杆则枢轴连接在发动机上的一固定点上。GB2057061中讲述了连接杆的长度之间的特定关系，它的大端和曲柄轴的旋转中心的间距，平衡杆的曲柄轴枢接点和曲柄轴的中心的间距，平衡杆上的枢接点的间距必须得以满足。尤其是，专利说明书指出了平衡杆与导向杆的相互枢接点应该定位于平衡杆的振动中心，因此，如以前专利所描述的，枢接点相对于平衡杆的重心具有一个固定的位置。然而，由于需附设回转杆和导杆，在GB2057061中所描述的发动机的制造价格相当昂贵。另外，在平均旋转速度下它不能够大大地减少发动机的振动，以实现曲柄轴的高速旋转和/或相对平滑运行。
因此，本发明的目的是避免或至少是减小已有技术中的难题。本发明的目的在于提供一种平衡良好的发动机。本发明的第一个方面在于提供一种用于内燃机的一个曲柄轴和活塞装置，它包括有通过一个连接杆与曲柄轴枢轴连接的一个活塞，及包括一个连接杆和一根枢轴连接于其上的平衡臂的平衡机构，该平衡臂在其远离连接杆的一端连接于发动机上且其中平衡臂装有平衡块。最好，该平衡块大致安装在平衡机构连接杆的区域，因此产生一个大小基本上与由活塞的运动产生的力相等的力。平衡机构最好基本上以一最佳形式与活塞和连接杆直径上相对，或与活塞装在曲柄轴的同一侧。
最好是，用于平衡机构的连接杆可基本上和用于活塞的连接杆相同。
最好是，平衡臂可提供一个与由活塞的加速和减速产生的力大小相同但方向相反的力。
最好是，平衡臂包括有一个相对大端，该端与平衡机构连接杆枢轴连接。平衡臂的大端可以分成两个区域(或分叉)以使平衡机构连接杆的端部居于平衡臂的大端分叉区域之间。另外，平衡臂和平衡机构连接杆之间的枢轴的旋转中心可集中位于连接臂的大端上。
在一最佳形式中，本发明装置包括两个平行的活塞，每一个都通过一个连接杆和轴承连接到曲柄轴上，最好是，为每个活塞设置一个平衡臂。更好的是，平衡臂从它们的各自的连接杆在基本相反的方向延伸至另一个方向。
在一种形式中，用于双活塞发动机的平衡机构的连接杆在曲柄轴上共用一个同轴旋转轴。另外，连接杆可以彼此之间相对呈一定角度放置。当活塞处于径向最外端时，所呈角度的度数最好低于或等于10°，约为3°则更好。
在另一种形式中，一单活塞装置具有两个平衡机构，每一个都具有一个平衡臂，平衡臂以基本相反的方向远离曲柄轴延伸。在这样一种装置中，最好采用一系列的四曲柄轴连接板将一个平衡机构，一个活塞连接杆和一个第二平衡机构连接到曲柄轴上。
在另一个最佳形式中，当活塞处于径向最外端时，活塞的中心轴和平衡臂的长轴之间的角度最好约低于90°。角度大于45°更好，可约为50-75°。当活塞位于活塞的整个行程的中间位置时，平衡臂最好是水平的，或平衡臂的长轴与枢轴连接连接杆的平衡臂和曲柄轴线的旋转中心之间的轴线基本上垂直。
平衡机构和活塞可沿柄轴以任何顺序排列。然而，在本发明的又一个最佳形式中，曲柄轴在轴向上依次包括一个第一活塞，两个平衡机构及一个第二活塞。最好是，每一个活塞和平衡机构都通过它们各自由一个轴承枢轴连接的曲柄连接板将其与其相邻者分离开。最好是，一个中心主轴承沿着均包括一个活塞和一个平衡机构的两对之间的曲柄轴的轴线呈中心放置。
在另一个最佳装置中，平衡机构与活塞装在曲柄轴的同一侧，这就能减少曲柄轴和活塞装置的整体尺寸。在这个装置中，为了允许活塞运动，平衡机构连接杆的长度最好要短于活塞连接杆的长度。因此，为了保持对于平衡机构和活塞连接杆的相同的L/R比值或获得对于平衡机构所需的L/R比值，可以调整连接杆的长度和活塞的行程。其中L是连接杆的长度而R(行程)是活塞或平衡机构的行程一半。
本发明的第二个方面提供一种用于内燃机的曲柄和活塞装置，它包括两个活塞，每个活塞都通过辅助连接杆连接到曲柄轴上，及一对包括有一个以减少在使用中由活塞产生的振动的导引平衡块的平衡机构，该装置还包括一个中心主轴承。有利地阻止了曲柄轴弯曲从而避免超出平衡。最好是平衡机构连接在中心主轴承的相对两侧，这两侧依次连接与活塞连接杆相连接的曲柄轴连接板。
在这个装置中，平衡机构包括有一个与曲柄轴枢轴连接的平衡块，其中平衡块由枢轴连接工作中的发动机内一固定点的相对轻杆引导。
此外，本发明的第一方面中的装置可被设计为均具有一个中心主轴承。
本发明的第三方面提供一种用于内燃机的，具有一个曲柄轴和活塞装置的发动机，它包括通过连接杆枢轴连接于曲柄轴上的一个活塞及平衡机构，平衡机构包括一个枢轴连接到曲柄轴上的一个平衡块及一个枢轴连接到平衡块上且其远离平衡块的一端可连接到发动机的某固定点上的导向杆，其中用于平衡机构的导向杆与活塞位于发动机上曲柄轴的同一侧。这有利于平衡机构离开发动机的贮油槽并可使整个发动机尺寸减少。本发明的其它方面的性能如使用两个活塞，两个平衡机构用于一个活塞，或使用一个中心主轴承等，可以与本发明的此方面结合使用。
本发明又一个方面提供一种用于内燃机的一被平衡的曲柄和活塞装置的平衡臂，它包括有由一连接臂连接到大端的一个小端，大端用于接合一个连接杆以连接到曲柄轴装置上。最好安设将润滑油传送至平衡臂和连接杆之间的轴承的装置。另外，小端可装有一个延伸部分用以起动如一个泵或压缩机。另外，大端可包括有一个致密材料区域，该区域使得大端的质量中心相对于小端位于用于连接杆的枢轴之外。
下面结合附图描述本发明的实施例。
图1是根据本发明的第一实施例的曲柄轴和双活塞装置的侧视图；图2和图3是在图1中所示的装置的冲程中不同点的端视图；图4是图1、2和3所示的装置的仰视图；图5和图6是根据本发明的平衡臂的示意图；图7是根据本发明的第二实施例的用于单缸发动机的曲柄轴及活塞装置的侧视图；图8是根据本发明的第三实施例的曲柄轴及双活塞装置的侧视图；图9是图8中所示的装置的端视图；图10是根据本发明的第四实施例的曲柄轴及双活塞装置的侧视图；图11是图10中所示的装置的端视图；图12是根据本发明的第五实施例的曲柄轴和双活塞装置的侧视图；图13和图14是在图12所示的装置的冲程中不同点的端视图；且图15、图16和17分别是本发明的平衡臂的侧面，平面和剖面视图。
参考图1，显示了本发明的活塞及曲柄轴装置10，它包括有沿曲柄轴18在轴向移动位置上相互平行的一对活塞12。每个活塞12通过连接杆14与曲柄轴连接，连接杆14在轴承16上枢轴安装于一对曲柄连接板20上。如图1所示，在装置的中心，在一对起重连接板20之间安装一个中心主轴承22。另外，装置10还包括有安置在主轴承22的每个侧面的一对平衡机构24。每个平衡机构24包括有一个连接杆26，连接杆26在轴承28上枢轴连接一对曲柄臂20。每个连接杆26远离曲柄18的一端在轴承30处与平衡臂32相连接。
参考图2、3和4，可见最好平衡臂32a和32b基本上相同且最好从它们各自的连接杆26在基本上相反的方向上延伸。每个平衡臂32在轴承34处与曲轴箱(或固定点)相连接以使它进行通过比较图2和图3可见的枢轴运动。这些图显示了透过汽缸壁W的剖面图，其中活塞12处于行程中的最高位置，也即，在轴承16处的具有曲柄轴18的枢轴B是最高的，在一近似中间行程位置上，轴B和曲柄轴18的中心长轴C平行。
在图1至4所示的装置中，当活塞在如图2所示的位置时，枢轴34的旋转轴F的位置最好设置为竖直高于在平衡臂32和连接杆26之间的旋转轴E。如图2中所示，可以限定平衡臂32的长轴和通过点A和C之间的轴，即活塞的中心轴之间的角度为G。当活塞在它的行程中最上端时，这个角度为75°。可以看到在如图3所示的中间行程位置时角度G′增大，其中G′约为90°。实际上，在活塞12的行程底部的最低位置，角度G是为105°。理想的平衡臂32应尽可能地长，以使在活塞的行程的整个过程中将角度G尽量保持在90°。尽管如此，图1至图4所示的实施例可极大地减少振动并具有良好的结构紧密性。在最佳实施例中，将F轴固定在平衡杆26的下行程的中部，从而提供图3中所示的装置。
参考图2，可见最好平衡机构的连接杆26a和26b共同曲柄轴处的同一旋转轴D，但连接杆则呈H角放置。该角度理想上应接近0，且最好在图2的结构中为3°。在图2中还可看出，平衡臂32最好包括有凹陷部分36。在图5和图6中给出了平衡臂32的最佳形式的更多细节。
参考图5及图6，平衡臂32包括有一个具有与轴承34相连接的小孔40的小端38。臂42在最小端38和最大端44之间延伸。臂42包括有一个凹陷区域36，以为此区域的最小重量提供结构刚度。大端44分叉以提供两个臂44a和44b。每个臂包括有用以与轴承30接合以连接连接杆26的孔46。
图5中显示了一条用以将润滑油传送到在大端44的小孔46的油路。该油路包括有钻孔35和插头37，二者共同将润滑油从在小端38的小孔40通过臂42引到大端44。
图7显示了本发明的第二实施例，其中曲柄轴和活塞装置60包括有一个单活塞62，该活塞62通过连接杆64经轴承66与曲柄轴70相连接。沿着曲柄轴70放置四个曲柄连接板78。还设置一对平衡机构74，以使装置60的端视图与图2和图3中所示的双活塞装置的端视图相同，如图7所示的装置60中，连接板78安置在每个平衡机构的连接杆76的每个侧面。连接板78的轴向中心对与活塞62的连接杆64相连接。平衡机构76包括一对基本与连接杆64相同的连接杆76。另外，平衡机构74包括有一对平衡臂80。平衡臂80在它们的大端94与连接杆76的一端枢轴连接，且连接杆76的另一端与小端88的F轴(图中未显示)相连接。这里，图2中显示的双汽缸装置的G角最好为50°。如图7中所示，连接杆76和64可以基本上相同。
最好是在上述装置中，如图2所示，轴A和B之间的长度(L)(连接杆14的中心之间的距离)与活塞连接杆的曲柄轴(或曲柄轴曲柄)的轴B和C之间的距离(R)的比率为3.5，且最好为2.5至4.5范围内，且为3至4更好。同样的L/R比率适合于所示的平衡机构，其中L是轴E和D之间的距离，且R是轴C和D之间的距离。由于发动机的极好的平衡性能，有可能将L/R比值减到最小从而可减少发动机的整体重量。另外，通过保持活塞和平衡机构的相同的L/R比值，但使用长度短于主连接杆14的平衡机构连接杆26，也有可能减少发动机的整体重量。连接杆26可以比活塞在较小处与曲柄轴枢轴连接。换句话说，在图2中所示的D至C的距离是活塞的距离C至B的0.2至1倍。当其曲柄不相同时，最好相应调整平衡臂32的小端的质量，例如假如平衡机构行程是活塞的一半，则平衡臂32的旋转惯量就应将加倍。
在本发明的最佳形式中，平衡机构24或74包括有一个与活塞相连接的连接杆基本上相同的连接杆。
图1至图4中的装置的另一个优点是中心主轴承22和平衡机构24组合在一起，保持曲柄轴18的稳定性，从而阻止了曲柄轴相对于各轴承的挠曲。任何这种挠曲将使各零件变形并产生振动。
根据本发明的平行双汽缸发动机，可在尺寸，重量和成本上均优于现有技术。另外，可获得使曲柄轴18快速旋转的高水平的平衡。本发明的双汽缸发动机可取代某些申请中的四汽缸发动机。
图8和图9显示了本发明的另一个实施例的曲柄轴和活塞装置110。在双活塞装置的实施例中，平衡机构124和活塞112装在曲柄轴118的同一侧。本实施例的其它方面与图1至图4所示的相同，因此相同部件使用相同标号(各数字前加前缀“1”)。
在图9中可见，平衡机构的L和R的数值少于连接杆114的数值。然而，在本实施例中，平衡机构连接杆126和活塞连接杆114的L/R比值基本上相同。
平衡臂130包括有一个与平衡机构连接杆126相连接的一个大端。它们的相反端与发动机上的固定点可转连接。最好是，平衡臂130能提供一个惯量，从而它们可产生一个与由活塞112产生的力相等且相反的力。
在本实施例中，平衡机构可离开油槽以减少油起泡沫及产生相应的阻力的可能性。如图1至图4所示的设计也可以减少发动机的整体重量。
图10和图11显示了本发明的双活塞装置210的另一个实施例。装置使用的零件与前面实施例所描述的那些零件基本上相同，因此相同部件使用相同标号(各数字前加前缀“2”)。在本实施例和图12至图14所示的另一个实施例中，平衡机构224和324包括有分别直接与曲柄轴连接板220和320枢轴连接的平衡块250和350。在两个实施例中，各自的平衡块250或350分别由相对的小质量块的导向杆251或351导向。
平衡块250和350由主轴承222和322分离开。使用部分普通连接杆设计与曲柄轴相连接可以形成平衡机构，但额外还包括有一部分与连接杆相比的增加质量块，如图1所示。已发现如没有这种附加主轴承，则曲柄轴出现挠曲。这将引起振动并导致最后的突然失效。这样，中心主轴承可减少振动并可提高零件的耐用性。另外，两个杆250和251的设计不受GB2057061中所描述的限制。
图12、13和图14显示了本发明的又一个实施例它除平衡机构324与活塞312和连接杆314一同定位在曲柄轴318的同一侧之外，其余结构和图10和11所示的实施例中是相同的。这样，平衡机构远离油槽，从而减少了油的分解和阻滞。另外，可以减少发动机的整体重量。如图14所示平衡块350的端部和活塞312的下部可以设制成，在两者之间仍保留间隙的情况下，可以使用具有一定长度的平衡块350。
当然，尽管在最佳实施例中显示的是单缸和双缸装置，该设计可以在任何数目的汽缸装置中使用，以形成如上所述的一些优点。在这些实施例中所描述的平衡机构，可以被用作以平衡发动机的单一机构或/和已知的平衡轴联合在一起使用。
可以使用如钨的致密材料以增强平衡臂从而使大臂相对较少。这是由于致密材料可以定位在大端以向平衡机构连接杆施加较大的平衡力。在图15、16和17的具体装置中，其中平衡臂32c的大端44c包括有一个比臂的其它地方致密的如钨的材料的区域或塞子45。这种装置会使大端的块的中心位置在通过开口46c的枢轴之外。整个平衡臂的块的中心也沿着臂32c的长轴AC移动且可能在大端之外。通过如图所示使大端形状不对称，可以获得这种结果。在本实施例中的臂32c中，一个致密材料如钨或铅的汽缸或塞子45c放入穿过大端44c的孔43c中，可通过孔的边缘对活塞45c施加一个牢固的夹持力。另外，也可以提供协同操作的锁定装置如螺栓和螺纹孔以确保塞子定位。和图5和图6所示的平衡臂一样的零件当然使用相同的后缀为‘C’的两个数字参考码标记。然而，在本实施例中，安设有一个凹陷或孔以使连接杆26c(未显示)以孔46c为枢轴摆动。在本实施例中，孔37c延伸穿过臂32c且由在臂32c一侧的第一边缘37d和在臂32c另一侧的第二边缘37e而确定。第一边缘37d能比较小边缘37e确定出一较大的孔。通孔37c从边缘37e至37d向外张开。这可形成超过边缘37d到达曲柄轴的连接杆的摆动。
在另一种最佳形式中，设置更重的材料作为桥跨过平衡臂的分叉的大端。
在另一种改变的形式中，小的一端包括有如一个臂的一个延伸物，它从枢轴延伸至发动机。该延伸物可用作致动器提供摆动运动用以驱使压缩机或泵(如用于压缩水，油或空气)。
在本发明的双汽缸装置中的任一个中，活塞可以呈180°异相，换句话说，形成呈180°平行的一对活塞。每个活塞的平衡机构将必然与另一个的形成180°异相。
权利要求
1.一种用于内燃机的曲柄轴及活塞装置，其特征在于，它包括有一个通过一连接杆与曲柄轴枢轴连接的活塞和平衡机构，且平衡机构包括有一个连接杆及一个与其枢轴连接的平衡臂，平衡臂在远离连接杆的一端可与发动机相连接且其中平衡臂提供一个平衡块。
2.按照权利要求1所说的一个曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡块基本上安装在平衡机构连接杆区，因此产生一个与由活塞运动产生的力在数值上基本相等的力。
3.按照权利要求1或2所说的一个曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡机构基本上与活塞和连接杆完全相反。
4.按照权利要求1或2所说的一个曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡机构和活塞一样安装在曲柄轴的同一侧。
5.按照权利要求1至4项中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中用于平衡机构的连接杆与用于活塞的连接杆基本上相同。
6.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞，其特征在于，其中平衡臂包括有一个与平衡机构连接杆枢轴连接的相对大的一端。
7.按照权利要求6所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡臂的大端分叉，以使平衡机构连接杆的端部连接于平衡臂的大的分叉端之间。
8.按照权利要求6或7所说的曲柄轴及活塞装置，其特征在于，其中平衡臂和平衡机构连接杆之间的枢轴的旋转中心基本上是设置在平衡臂的大端中心位置处。
9.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞，它包括有两个平行的、每个都通过连接杆和轴承与曲柄轴连接的活塞，每个活塞有一个平衡机构，其特征在于，其中平衡臂从它们各自的连接杆沿基本彼此相反的方面延伸，连接杆的轴线彼此呈一定角度，其中当活塞在半径方向最外部时，最好角度设置为少于或等于10℃，且为3°则更好。
10.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞，其特征在于，其中当活塞在径向的最外部时，在活塞的中心轴和平衡臂的长轴之间的辅助平衡机构中设定的角度为90°或少于90°，最好大于45°，且为50°-75°则更好。
11.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中当活塞在活塞整个行程的中间位置时平衡臂是水平的，或在平衡臂的长轴和枢轴连接连接杆的平衡臂和曲柄轴的旋转中心之间的轴线之间基本呈直角。
12.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡机构连接杆的长度比活塞连接杆的长度要短，且最好连接杆长度和活塞和平衡机构的行程足以保持平衡机构和活塞连接杆的基本相同的L/R比值。
13.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，它包括有两个平衡机构，其每个具有一个平衡臂，最好在一个单活塞或双活塞装置中，平衡臂从曲柄轴向彼此基本相反的两个方向延伸。
14.按照权利要求13所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中系列的四曲柄轴连接板使平衡机构、活塞连接杆和第二平衡机构按顺序与曲柄轴连接。
15.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中曲柄轴包括有沿曲柄轴轴向设置的一个第一活塞，两个平衡机构和一个第二活塞。
16.按照权利要求15所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中每个活塞和平衡机构由通过每个曲轴承枢轴连接的曲柄连接板与其相邻的装置分离开。
17.按照权利要求15或16所说的曲柄轴和活塞装置，它包括有两个通过一个连接杆和轴承连接到曲柄轴上的平行的活塞，其特征在于，在每个活塞的一个平衡机构中，平衡臂从它们各自的连接杆在彼此基本相反的方向上延伸，且最好双活塞发动机的平衡机构的连接杆在曲柄轴上有共同的旋转轴。
18.按照前面的权利要求中的任何一项所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中它包括有一个中心主轴承，该轴承沿在均包括一个活塞和一个平衡机构的两对之间基本轴对称的曲柄轴轴线中心设置。
19.用于内燃机的一个曲柄轴和活塞装置，其特征在于，它包括有两个均通过辅助连接杆与曲柄轴枢轴相连的活塞，且一对平衡机构包括有一个导引平衡块以减少使用中活塞运动产生的振动，装置还包括有一个中心主轴承。
20.按照权利要求19所说的曲柄轴和活塞装置，其特征在于，其中平衡机构连接到中心主轴承相对边上，且每个平衡机构依次连接到枢轴连接活塞连接杆的曲柄轴连接板上。
21.用于内燃机的具有一个曲柄轴和活塞装置的发动机，它包括有一个通过连接杆枢轴连接曲柄轴的活塞，包括枢轴连接平衡块的平衡机构和一个枢轴连接到平衡块上的导向杆，且导向杆在远离平衡块的一端连接到发动机上的固定点上，其特征在于，其中用于平衡机构的导向杆与活塞位于曲柄轴的同一侧连接到发动机上。
22.一个用于平衡用于内燃机的曲柄轴和活塞装置的平衡臂，其特征在于，它包括有通过连接臂连接到大端的一个小端，以用于将连接的连接杆连接到曲柄轴装置上。
23.根据权利要求22所述的一个平衡臂，其特征在于，其中设置有一个用于将润滑液体送至在大端的轴承的装置，最好通过在小端和连接臂处的油路输送润滑液。
24.根据权利要求22或23所述的一个平衡臂，其特征在于，其中小端包括有用于将平衡臂枢轴连接到发动机上的用于起动远距离装置如泵或压缩机的附设装置之外延展的装置。
25.根据权利要求22、23或24所述的一个平衡臂，其特征在于，其中大端包括有用于用以围绕枢轴附设到连接杆上的装置，及一个相对于小端位于枢轴之外的质量中心。
26.根据权利要求25所述的一个平衡臂，其特征在于，它包括有一个如钢的第一材料区，且其中大端包括有比第一种材料要致密的第二种材料的一个区域。
27.根据权利要求25或26所述的一个平衡臂，其特征在于，其中大端围绕枢轴呈不对称状。
全文摘要
用于内燃机的一个曲柄轴和活塞装置(10),它包括有一个通过连接杆(14)枢轴连接到曲柄轴(18)上的一个活塞(12),且平衡机构(24)包括有一个连接杆(26)及枢轴连接于其上的一个平衡臂(32,a,b,c),在远离连接杆一端的平衡臂被连接到发动机上且其中平衡臂上装有一个平衡块,以平衡由活塞(14)的运动而产生的振动力。
文档编号F16F15/24GK1220725SQ9719517
公开日1999年6月23日 申请日期1997年3月27日 优先权日1996年4月2日
发明者帕特里克·迈克尔·克兰斯顿·沃克 申请人:帕特里克·迈克尔·克兰斯顿·沃克