专利名称：周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到容积式机器领域，特指一种可应用于活塞式内燃机、外燃机、气 动机、压缩机、泵等领域的功率传输装置。
背景技术：
容积式机器包含活塞式发动机、压缩机、泵等机械设备。本发明具体涉及发动机 功率传输部分的改进，所涉及的方法与结构稍作修改也适合气动机、压缩机、泵等设备的改 进。活塞式发动机主要有往复活塞式发动机和旋转活塞式发动机两类。大多数往复活 塞式发动机上都利用曲柄连杆机构进行功率传输。100多年来科研人员围绕曲柄连杆机构 展开了广泛的研究，同时致力于通过添置一些辅助机构来减小惯性负荷和侧压力、克服运 动死点、提高发动机传动效率。这些研究虽然在一定程度上使得往复活塞式发动机的动力 性能得到改善，但由于功率传输部分的固有缺陷，未能从根本上改变发动机功率密度低的 现状。旋转活塞式发动机研制并应用成功的是1957年由德国人汪克尔(Wankel)发明的三 角转子旋转活塞发动机，此发动机功率密度相对较大，应用前景可观，但由于转子形状复杂 导致制造成本高昂，并且存在密封困难、低速时动力性能差、燃油经济性差等难以解决的问 题，使得旋转活塞式发动机理论上的优越性到目前为止未能得到充分发挥。较低的功率密度不仅制约着活塞式发动机性能的进一步提高，而且限制了活塞式 发动机在许多场合的应用。上述两类活塞式发动机受功率传输部分固有缺陷的限制，功率 密度很难达到1 (Kw/Kg)。动力源功率密度低已经成为一些装备技术发展的瓶颈。为了改善传统活塞式发动机的特性，人们提出了多种解决方案，其中双转子活塞 发动机是一个非常热门的研究方向，多年来，国内外进行了大量的研究，这些研究都力图在 双转子活塞发动机上取得突破，但现有的双转子活塞发动机研究存在如下两个问题难以解 决。首先，约束转子运动的差速驱动组件较复杂。在已查到的文献里，一部分人利用椭 圆齿轮、变速齿轮、非圆齿轮、卵圆齿轮等难加工零部件实现差速驱动转子，这些方案不仅 成本高，而且可靠性较差，尤其是为了实现发动机的高功率密度而要求动力轴每转作功次 数较多时，这些特型部件的形状会变得十分复杂，加工难度太大；另一部分人采用单向器、 棘轮、弹簧等非常规部件实现差速驱动转子，众所周知，这些部件作发动机功率传输用的部 件时不具备实用价值，在转子作非勻速转动时会有很大冲击，而且运行噪声很大；也有一部 分人采用的是齿轮、连杆等常规部件实现差速驱动转子，但机构方案中有的过于复杂、可靠 性不够、难以实施，有的零部件数目较多、结构不紧凑。其次，难以实现转子每转一圈的作功 次数在10次以上，保证不了发动机的高功率密度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、传动平稳、可靠、高效、适用范围广的功率传输装置，并将其主要应用于双转子 活塞发动机，以克服现有活塞式发动机由于功率传输装置的缺陷带来的燃料利用率低、功 率密度小的特点。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件以及与动力 缸组件相连的差速驱动组件，所述动力缸组件包括转子I、转子II、动力轴和缸体，所述转 子I和转子II同轴且呈交错状安装于缸体内并绕动力轴的转动轴线转动，其特征在于所 述差速驱动组件为一套周摆线机构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组 合机构。作为本发明的进一步改进所述差速驱动组件包括行星齿圈、太阳轮、第一杆件、第二杆件、偏心主轴、第三杆 件、第四杆件，所述太阳轮固定在缸体上，所述偏心主轴固接于动力轴上，所述行星齿圈在 偏心主轴的带动下绕太阳轮啮合旋转，所述第二杆件、第三杆件分别与相应转子I、转子II 连接并绕偏心主轴的轴心转动，所述第一杆件、第四杆件一端与行星齿圈铰接，另一端与偏 心主轴铰接。与现有技术相比，本发明的优点就在于1、本发明所应用的发动机主轴旋转一周，爆炸作功次数多，且可根据应用领域或 者其他需求做出适当的选择。如可以选择差速驱动机构主轴旋转一周，每一个工作腔爆炸4 次、5次、6次等，而且爆炸次数在10次以下都不会给设计和加工带来显著的麻烦。主轴旋 转一周的过程中爆炸次数增多带来的优点是，本发明所应用的发动机与其他(所有)活塞 式发动机比较，在相同的设计重量下，功率密度、升功率等有大幅度的提升，这一特性有着 广泛的应用前景；本发明的差速驱动组件中，在实现转子每转一圈的做功次数为10次以上 时，齿数比相差很小，这一特点对于齿轮传动来说好处明显。2、本发明中差速驱动组件结构组成简单、直接采用普通的直齿轮、连杆机构来实 现双转子的差速运动，杆件间的连接是经过了许多工程实践的验证铰接方式，没有椭圆齿 轮、非圆齿轮等外形复杂的特种零部件，也没有凸轮等易磨损件，因此其零部件数目少、紧 凑度高，因此可靠性高，便于密封、无复杂配气机构等；3、本发明中各部件间采用铰接方式，简单可靠，并且可设计参数多，能够更大范围 地控制转子的运动规律，适合发动机不同工况下的长寿命动力输出的要求；4、本发明的动平衡特性好、工作平稳；本发明的差速驱动机构结构对称布置，转 子旋转一周有多次点火作功过程，故理论上本发明能够保证发动机的惯性力冲击和振动较 小，工作更为平稳，可以有效地降低各机械零件的磨损，并延长发动机的使用寿命。本发明 的动力轴转速低，比转子的平均转速几乎少一个数量级，特别适合于需要低转速输出动力 的场合；5、本发明采取模块化设计。将动力缸组件(工作腔)和差速驱动机构组件分离布 置，既可保护驱动部件，又便于拆装和维修，还可沿轴向上方便地组合成多缸工作形式，适 应特殊应用场合。
图1为本发明的结构原理示意图；图2为本发明的三维结构爆炸示意图；图3为本发明中差速驱动组件构成原理示意图。图例说明1、动力缸组件；10、动力轴；11、转子I ；12、转子II ；13、缸体；2、差速驱动组件； 21、行星齿圈；22、太阳轮；23、第一杆件；24、第二杆件；25、偏心主轴；26、第三杆件；27、第 四杆件。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1、图2和图3所示，本发明周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包 括动力缸组件1以及与动力缸组件1相连的差速驱动组件2，动力缸组件1包括转子111、 转子II 12、动力轴10和缸体13，转子111和转子1112同轴且呈交错状(交叉状)安装于 缸体13内，并绕动力轴10的转动轴线转动。即，动力缸组件1和差速驱动组件2同轴布 置，并通过各自缸体进行组合安装。动力缸组件1中有两个同轴安装在缸体13中的转子， 转子上各均布有多个叶片活塞，两组叶片活塞在缸体13内相互间隔，与缸体13共同形成多 个密闭的独立工作腔。差速驱动组件2配置有两根转动轴，各转动轴分别与对应的转子固 连。发动机主轴勻速转动时，在差速驱动组件2的约束下，两转子均以周期性波动的角速度 作变速转动，使得两个转子上相邻叶片活塞间的工作腔容积周期性增大、减小。反之，燃料 在两转子间爆炸，爆炸压力推动两转子转动，并在差速驱动组件2的约束下，动力被转化为 发动机主轴的勻速转动。如图3所示，本发明中，差速驱动组件2是一套“周摆线机构”与两套“双曲柄机 构”组合在一起形成的自由度为1的组合机构。双曲柄机构负责约束两转子做不等速转动， 实现工作腔容积的变化。周摆线机构则负责将这种容积的变化进行周期性拓展，使得工作 腔容积在转子转动一周的过程中重复变化多次。周摆线机构具体可采用内啮合行星齿轮机 构。采用周摆线机构作周期性拓展有两个原因，一是采用周摆线机构的功率传输装置与采 用内、外摆线的相比，齿数比不为整数，更利于装置的持久可靠传动；二是采取这种结构的 差速驱动机构紧凑，形成同样摆线形状时两齿轮齿数相差较小，因此同等功率下采用周摆 线机构的功率传输装置的体积、重量均较小。不足之处是，与采用内摆线机构的功率传输装 置相比，作功次数有所下降。本实施例中差速驱动组件2包括行星齿圈21、太阳轮22、第一 杆件23、第二杆件M、偏心主轴25、第三杆件沈、第四杆件27。其中，太阳轮22固定在缸体 13上，偏心主轴25固接于动力轴10上，行星齿圈21在偏心主轴25的带动下绕太阳轮22 啮合旋转；第二杆件对、第三杆件26分别与相应转子111、转子1112连接，并绕偏心主轴25 的轴心转动。第一杆件23、第四杆件27 —端与行星齿圈21铰接，另一端与偏心主轴25铰 接。燃料在转子111、转子Π12组成的工作腔里爆炸，其动力通过第二杆件M、第三杆件沈 传递到差速驱动组件2中，并通过差速驱动组件2的转换最终带动偏心主轴25旋转输出。进一步可知，行星齿圈21、太阳轮22和偏心主轴25组成“外摆线内啮合行星齿轮 机构”，行星齿圈21绕太阳轮22周转相当于一动圆绕一定圆的纯滚动转动，其上任意固定
5点的轨迹是一条外摆线。如将偏心主轴25固定，则OAB1C1和OAB2C2是两套双曲柄机构。其 中，杆件OA(偏心主轴2 为最短杆、杆件4 (行星齿圈21)旋转一周，杆件OC1和0(2旋
转一周。设定行星齿圈21与太阳轮22的齿数比为(i+l)/(i)，假定偏心主轴25顺时针旋 转，在其旋转(i+Ι)周过程中，行星齿圈21(杆件B1B2K第二杆件对(杆件0Q)、第三杆件 26 (杆件OC2)各顺时针自转1周，并且都相对于偏心主轴25逆时针旋转i周。在双曲柄机构中，偏心主轴25是最短杆，行星齿圈21每相对于偏心主轴25转一 周，其速度将由快而慢、然后再由慢而快。行星齿圈21相对于偏心主轴25转i周，则速度由 快而慢、然后由慢而快的过程将进行i次。第二杆件M (杆件OC1)、第三杆件沈(杆件OC2) 也一样。由此，将转子分别连接在第二杆件对、第三杆件沈后，两转子的追赶过程在其旋转 一周的过程中重复了 i次。与太阳轮22和行星齿圈21的齿数比相对应，两转子周向上一般均勻布置有i个 叶片活塞，两者间形成2i个工作腔。发动机工作时，2i个工作腔中总有间隔分布的i个工 作腔容积在周期性地增大，另外i个工作腔容积对应地周期性减小。工作腔容积变化呈周 期性交替的特点，且每个工作腔在转子旋转一周的过程中各自先后完成i次容积变化(定 义一次“容积变化”为起、止时刻容积状态相同的容积变化过程，主要指工作腔容积由最大 值经过一些变化回复到最大值的过程或由最小值经过一些变化回复到最小值的过程)。这些独立工作腔的容积周期性变化过程对应于四冲程发动机的的进气、压缩、爆 炸与排气冲程。其中，进气和压缩冲程共同占用一次容积变化过程，爆炸和排气冲程也共同 占用一次容积变化过程。所以，缸体13上应均布有i/2个排气口，i/2个进气口和i/2个 爆炸点。考虑到结构参数的实际工程含义，i只能为偶数(如2，4，6，8等)。在缸体13上合适位置设置进、排气口以及点火系统，则可以实现发动机的进气、 压缩、爆炸、排气等过程。本发明构成发动机的每个工作腔的作功冲程、排气冲程、吸气冲 程、压缩冲程与普通四冲程内燃机无异。在转子旋转一周的过程中，本发明构成发动机的每个工作腔都将完成V2次四冲程 工作循环，两个转子构成的2i个工作腔将总共完成i2个四冲程工作循环，实现i2次爆炸作功。本实施例中，太阳轮22与行星齿圈21的齿数比等于7/6。相应地，两转子上均布 有六个叶片活塞。两个转子上都均布有六个叶片活塞。例如，当给出了 i = 6时，发动机各工作腔任意时刻的工作循环，即六叶片转子活 塞发动机转子旋转一周，偏心主轴25旋转7周，发动机有36次作功冲程，理论上功率密度 得到较大提高。本实施例提供了一种差速驱动机构的实现方法，即将差速驱动机构分解为周摆线 机构和两套双曲柄机构，尽管本实施例只优选并详细描述了 “内啮合行星齿轮机构”和“双 曲柄机构”的组合，但在不背离本发明这种实现方法情况下进行的部分改变和修改，如采用 其他方式实现周摆线，将双曲柄机构修改为反平行四边形机构，以及改变两套四杆机构的 相位差、布置方位以及布置数目等，都应受到本发明保护。发动机是一种有许多机构和系统组成的复杂机器。要完成能量转换，实现工作循 环，保证长时间连续正常工作，必须具备必备的一些机构和系统。本发明发动机属于活塞式 发动机，基本原理类同其他活塞式发动机，因此，除本发明着重修改的功率传输部分外，还须配置燃料供给系，润滑系，冷却系，起动系等，这些系统的技术可以完全参考现有往复活 塞式或三角转子旋转活塞式发动机的技术，在此就不再赘述。本实施例功率传输装置的其 他部分与背景技术里其他双转子活塞发动机所述一致，每个工作腔的作功冲程、排气冲程、 吸气冲程、压缩冲程与普通四冲程内燃机无异。普通内燃机上的配气、点火、润滑等系统稍 加修改也可直接用在本实施例形成的发动机上。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该提出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视 为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件(1)以及与动 力缸组件(1)相连的差速驱动组件O)，所述动力缸组件(1)包括转子I (11)、转子II (12)、 动力轴(10)和缸体(13)，所述转子I (11)和转子II (12)同轴且呈交错状安装于缸体(13) 内并绕动力轴(10)的转动轴线转动，其特征在于所述差速驱动组件O)为一套周摆线机 构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组合机构。
2.根据权利要求1所述的周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，其特征在 于所述差速驱动组件( 包括行星齿圈(21)、太阳轮(22)、第一杆件(23)、第二杆件 (24)、偏心主轴(25)、第三杆件(26)、第四杆件(27)，所述太阳轮(22)固定在缸体(13)上， 所述偏心主轴0 固接于动力轴(10)上，所述行星齿圈在偏心主轴0 的带动下 绕太阳轮0 啮合旋转，所述第二杆件(M)、第三杆件06)分别与相应转子I (11)、转子 11(12)连接并绕偏心主轴0 的轴心转动，所述第一杆件(23)、第四杆件(XT) 一端与行 星齿圈铰接，另一端与偏心主轴0 铰接。
全文摘要
本发明公开了一种周摆线机构与双曲柄机构组合的功率传输装置，包括动力缸组件以及与动力缸组件相连的差速驱动组件，所述动力缸组件包括转子I、转子II、动力轴和缸体，所述转子I和转子II同轴且呈交错状安装于缸体内并绕动力轴的转动轴线转动，所述差速驱动组件为一套周摆线机构与两套双曲柄机构组合在一起形成的自由度为1的组合机构。本发明具有结构简单紧凑、传动平稳、可靠、高效、适用范围广等优点，将其用在发动机上，会得到一种效率高、功率密度大的双转子活塞发动机。
文档编号F02B53/00GK102140959SQ201110072149
公开日2011年8月3日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者张文波, 徐海军, 易声耀, 潘存云, 邓豪, 陈虎 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学