專利名稱：雙重曲柄往復活塞式機型的制作方法
技術領域：
本發明涉及往復嚙合行星旋轉機型，也涉及無連桿往復活塞式機型。
已有的傳統往復活塞式機型，其往復運動與旋轉運動的轉變是通過曲柄連桿機構來實現的。采用曲柄連桿機構來實現上述轉變的缺點是曲柄連桿機構會產生較大的往復慣性力，旋轉機件不平衡部份的離心慣性力以及活塞對氣缸的側壓力。要平衡上述諸力，必然導致機器結構復雜，體積龐大，因此，通常對二次以上的往復慣性力不予以平衡，對活塞作用于氣缸的側壓力也不轉嫁或消除，從運動學的觀點來看，這種機型，是不太合理。從十九世紀初就有許多科學工作者研究旋轉活塞式機型，提出的方案多達上百種(見科學出版社1973年出版的《旋轉活塞發動機》一書)，試制成功的也不下十余種，但都不實用，到本世界六十年代，許多國家研制三角活塞旋轉機，可是，由于結構、材料和性能等方面的問題未能妥善解決，與具有相當水平的傳統往復活塞式機型相比仍為遜色。
本發明是由帕森斯1852年發明的機型加以改造而得出的(見科技出版社1973年出版的《旋轉活塞發動機》一書)，帕禁斯曾以他發明的機型，制造出蒸汽機，用于船上帶動發電機，該機工作平穩、沒有震動，但由于氣缸要旋轉，致使進、排汽系統的結構復雜，漏汽嚴重，總體尺寸很大，最終導致不合實用。可是帕森斯機型從運動學的觀點來看是比較好的，活塞與氣缸的結構形式也是最佳方案，造成不合實用的根本原因是由于氣缸旋轉而造成。
本發明為了克服帕森斯機型氣缸要旋轉的缺點，就把帕禁斯機型中支持氣缸旋轉的轉軸改成曲軸(在本發明的機型中稱它為大曲軸，以下稱大曲軸)，使帕禁斯機型中的曲軸(在本發明的機型中稱它為小曲軸，以下稱小曲軸)，以轉動副的方式聯接在大曲軸的曲柄銷上，于是小曲軸象行星一樣，除以小曲軸軸頸中心線為中心，旋轉之外，小曲軸的軸頸中心線還以大曲軸的軸頸中心線為中心旋轉，從而達到氣缸固定不動而機器能夠工作的目的。這樣便得出本發明-雙重曲柄往復活塞式機型。
本發明與帕森斯機型相比仍具有帕森斯機型的以下特點(1)所有運動件均繞某一固定的或旋轉的中心作勻角速度旋轉;
(2)活塞對氣缸沒有側壓力;
(3)活塞行程等于曲柄半徑的四倍，活塞并以X＝2γ(1-cosα)的規律作直線往復運動;
(4)小曲軸的轉速為其它運動件轉速的二倍。
本機型與傳統往復活塞式機型比較有以下一些優點(1)消除了活塞對氣缸的側壓力，致使①機械損失減少20-30%;
②活塞在氣缸中工作時的對中性改善，潤滑油不易竄到活塞頂部，氣缸內積碳量減少，潤滑油省;
③活塞組件及氣缸的磨損降低，機器的工作壽命增長。
(2)往復運動件的質量小，僅相當于傳統的復的 1/3 - 1/2 ，同時消除了二次以上的往復慣性力;
(3)取消了連桿，使機器的高度降低，曲軸箱的容積變小，用于曲軸箱掃氣的二沖程柴油機時可獲得較高的掃氣壓力，改善掃氣效果。
本發明主要由氣缸(1)、活塞(3)、缸蓋(32)、曲軸箱(4)、軸套(25)、大曲軸(10)、小曲軸(8)、飛輪(19)、內齒輪(15)、小齒輪(28)組成。當用于壓縮機時，需增設潤滑系統、冷卻系統、進、排氣系統。若用于內燃機則需具有潤滑、冷卻，進、排氣系統，配氣機構及供給，點火系統等裝置。本發明最突出的特點是;具有曲柄半徑γ相等的大曲軸和小曲軸以及控制這兩根曲軸相對位置的分度圓直徑等于2倍曲柄半徑γ和分度圓直徑等于4倍曲柄半徑γ的內齒輪副;再者大曲軸至少有一個軸承〔如軸承(14)〕把大曲軸的曲柄包容在內，以縮短支承點與著力點的跨距。
本機型的工作原理是由曲柄半徑γ相等的大曲軸(10)和小曲軸(8)以及分度圓直徑等于4γ的內齒輪(15)和分度圓直徑等于2γ的小齒輪(28)所組成的轉換機構來實現活塞(3)的往復運動與大曲軸(10)的旋轉運動的相互轉變。如附圖1所示，當大曲軸(10)按反時針方向轉α角時，小曲軸(8)的軸頸中心線就以大曲軸(10)的軸頸中心線為中心轉動γ·α的弧長。與此同時，小曲軸(8)的曲柄銷以小曲軸(8)的軸頸中心線為中心按順時針方向轉2α角。在此期間，活塞(3)又以小曲軸(8)的曲柄銷中心線為中心按反時針轉α角，參見附圖1(a)和(b);當大曲軸(10)轉到α＝90°時，為附圖1(c)所示的情況;當大曲軸(10)分別依次轉到如附圖1(d)、(e)和(f)，然后回到附圖1(a)情況，就構成了所述轉換機構的一次動作，往后便周而復始。從附圖1可知本機型的活塞(3)位移按X＝2γ(1-cosα)的規律作直線往復運動，其活塞(3)的往復行程為X＝4γ。
本發明的工作原理可歸納如下1、小曲軸(8)的軸頸中心線以大曲軸的軸頸中心線為中心旋轉，其旋轉半徑正是大曲軸(10)的曲柄半徑;
2、小曲軸(8)的曲柄銷又以小曲軸(8)的軸頸中心線為中心旋轉，其轉向與大曲軸(10)相反，轉速為大曲軸(10)轉速的兩倍，小曲軸(8)的曲柄半徑必須等于大曲軸(10)的曲柄半徑;
3、活塞(3)以小曲軸(8)的曲柄銷中心線為中心旋轉，其轉向與轉速都與大曲軸(10)相同;
4、所述的大曲軸(10)與小曲軸(8)的轉向、轉速是用一對內齒輪副來控制的;而活塞(3)要以小曲軸(8)的曲柄銷中心線旋轉是由氣缸(1)對活塞(3)起導向作用來控制的;
5、所述旋轉件的旋轉，只要有一個是勻速旋轉時，其余的兩個也一定是勻速旋轉。
本機型可用于單缸或多缸的二沖程及四沖程的汽油機或柴油機，亦可用于單缸或多缸的壓縮機。本機型用于低轉速，偶數氣缸對稱(“I”型)排列時可獲得較高的機械效率。本機型與傳統往復活塞式機型相比，在同樣的缸徑、沖程、轉速的情況下，其外型尺寸則比傳統的往復活塞式機型小六分之一左右，由于無活塞對氣缸的側壓力，其機械效率也較傳統往復活塞式機型高。
本發明的實質是用雙重曲柄機構取代傳統的往復活塞式機型的曲柄連桿機構，從而達到提高機器效率，增長使用壽命，縮小機器體積，減輕機器重量的目的。
附圖1為一種雙重曲柄往復式機型工作原理簡圖;
附圖2為一種立式、單缸、風冷和飛濺潤滑的雙重曲柄往復活塞式壓縮機總裝圖，其圖中各標號分別為(1)氣缸;(2)活塞環;(3)活塞;(4)曲軸箱;(5)前端蓋;(6)螺釘;(7)檔圈;(8)小曲軸;(9)軸瓦;(10)大曲軸;(11)平衡鐵;(12)放油塞;(13)彈性孔檔圈;(14)滾動軸承;(15)內齒輪;(16)滾動軸承;(17)后端蓋;(18)油封;(19)帶飛輪的風扇輪;(20)皮帶輪;(21)螺釘;(22)螺母;(23)墊圈;(24)鍵;(25)軸套;(26)檔圈;(27)軸瓦;(28)小齒輪;(29)排氣管;(30)鍵;(31)舌簧法;(32)氣缸蓋;(33)空氣濾清器。
附圖3為該壓縮機的軸套、大曲軸、小曲軸、內齒輪、小齒輪和滾動軸承的裝配圖。其圖中各標號分別為(8)小曲軸;(9)軸瓦;(14)滾動軸承;(30)平鍵;(27)軸瓦;(16)滾動軸承;(34)彈性軸用檔圈;(25)軸套;(15)內齒輪;(13)彈性孔用檔圈;(10)大曲軸;(28)小齒輪。
附圖4為大曲軸和軸瓦的裝配圖;
附圖5為小曲軸視圖;
附圖6為內齒輪視圖;
附圖7為軸套視圖;
附圖8為小齒輪視圖;
附圖9為活塞軸測圖及剖視圖;
附圖10為一種氣缸直線排列的機型示意簡圖，其圖中各標號分別為(8-1、8-2、8-3)三根小曲軸;
(10-1、10-2、10-3)三對大曲軸的曲柄;
(15-1、15-2、15-3、15-4、15-5、15-6)六個內齒輪;
(28-1、28-2、28-3、28-4、28-5、28-6)六個小齒輪;
(14-1、14-2、14-3)三對包容大曲軸曲柄的軸承;
(1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6)六個氣缸;
附圖11為一種氣缸V型排列的機型示意簡圖，其圖中各標號分別為(3-1、3-2)兩個活塞;
(8-1、8-2)小曲軸上的兩個曲柄;
(10)大曲軸的曲柄;
附圖12為一種氣缸V型排列的機型工作原理圖;
附圖13為一種立式、單缸、風冷、飛濺潤滑的雙重曲柄柴油機總裝圖。其中各標號分別為(1)氣缸;(2)活塞環;(3)活塞;(4)曲軸箱;(5)端蓋;(8)小曲軸;(9)軸瓦;(10-1、10-2)大曲軸;(11)平衡鐵;(12)放油塞;(13)彈性孔用檔圈;(14)滾動軸承;(15)內齒輪;(16)滾動軸承;(18)油封;(20)皮帶輪;(25)軸套;(29)排氣管;(32)缸蓋;(33)空氣濾清器;(34)彈性軸用檔圈;(36)飛輪;(37)大曲軸正時齒輪;(39)起動瓜;(40)正時惰輪;(41)三角皮帶;(42)軸流風扇。
以下結合附圖描述實施方案實施例1根據本發明制造的一種立式、單缸、風冷、飛濺潤滑的雙重曲柄往復活塞式壓縮機(簡稱壓縮機)。結構如附圖2、活塞(3)采用鋁合金ZL108;大曲軸(10)和小曲軸(8)用球墨鑄鐵QT50-1.5;內齒輪(15)及小齒輪(28)用45號鋼;氣缸(1)、軸套(25)、曲軸箱(4)、缸蓋(32)、帶飛輪的風扇輪(19)等鑄件用HT20-40;其它另件分別用普通碳素鋼或優質碳素鋼作材料。該壓縮機氣缸直徑＝90mm;活塞行程X＝80mm;轉速為800γ·p·m排量為0.3m3/min;額定壓力為7kg·f/cm2用2.2KW電動機帶動。
附圖3給出了該壓縮機的軸套(25)內各另件裝配圖。軸套(25)內的主要另部件分別見附圖4、5、6、7、8、9。
實施例2如圖13所示的一種立式、單缸、風冷、飛濺潤滑的雙重曲柄往復活塞式柴油機(簡稱柴油機)。現以該柴油機與實施例1的壓縮機對比，以便了解其結構情況(1)由于柴油機有配氣機構，所以柴油機的缸蓋(32)與壓縮機的缸蓋(32)其內部結構、裝置和外形都不同;
(2)由于配氣機構的凸輪軸是安裝在前軸套(25)與曲軸箱(4)里的，同時柴油機有供油系統，供油系統的噴油泵要由大曲軸帶動，因此前軸套(25)的結構形狀與壓縮機的軸套(25)結構形狀不同，曲軸箱(4)后面的形狀也不同;
(3)柴油機的凸輪軸和噴油泵要由大曲軸來帶動，因此在前端大曲軸(10-1)的軸頸上裝有曲軸正時齒輪(37)，正時惰輪(40)及噴油泵齒輪(在附圖13中已剖掉);
(4)由于柴油機的小曲軸(8)的軸頸分布在其曲柄銷的兩邊，故支撐它的軸承在前端大曲軸(10-1)及后端大曲軸(10-2)上都只有一個;
(5)柴油機前端大曲軸(25)的軸頸伸出端是固接著帶動軸流風扇(42)的皮帶輪(20)及起動瓜(39)，飛輪(36)是固接在后端大曲軸(25)的伸出端的，這也與壓縮機不同;
(6)柴油機的后軸套由于其內部安裝的大曲軸(10-2)要短一些，所以后軸套也比壓縮機軸套短一些。故應如附圖13所示。
如附圖10所示的一種氣缸直線排列的機型(以下簡稱直線型)，該機型有三根小曲軸、四根大曲軸;氣缸(1-1)和(1-2)共用一根小曲軸(8-1)，氣缸(1-3)和(1-4)共用一根小曲軸(8-2)，氣缸(1-5)和(1-6)共用一根小曲軸(8-3);大曲軸的曲柄(以下簡稱大曲柄)，(10-1)和小曲軸(8-1)相聯接，大曲柄(10-2)與小曲軸(8-2)相聯接，大曲柄(10-3)與小曲軸(8-3)相聯接;大曲柄(10-1)、(10-2)和(10-3)互成120，如附圖10之右圖所示;附圖10所示的機型有六對內齒輪副(28-1，15-1)、(28-2，15-2)、(28-3，15-3)、(28-4，15-4)、(28-5，15-5)和(28-6，15-6);如上述直線型用于四沖程內燃機，它的轉向如附圖10所示大曲柄按反時針方向旋轉，若它的點火順序為(1-1)-(1-5)-(1-3)-(1-6)-(1-2)-(1-4);〔也可為(1-1)-(1-6)-(1-4)-(1-2)-(1-5)-(1-3)等順序進行〕。當曲柄、活塞處于圖10所示的位置時(1-1)、(1-4)缸是動力沖程，(1-5)缸是壓縮沖程。(1-6)缸是排氣沖程，(1-2)、(1-3)缸是進氣沖程。以下就上述情況論述其運轉情況(1)氣缸(1-4)內的活塞受燃氣壓力的作用，向下移動就推動小曲軸(8-2)作順時針轉動，見附圖10右圖，小曲軸(8-2)旋轉帶動小齒輪(28-3)、(28-4)轉動，由于小齒輪(28-3)與內齒輪(15-3)是一對相互嚙合的內齒輪副，小齒輪(28-4)與內齒輪(15-4)也是一對相互嚙合的內齒輪副，而內齒輪(15-3)、(15-4)又是固定在機體內的固定件，因此小齒輪(28-3)、(28-4)轉動就只能帶動大曲柄(10-2)和(10-1右)及(10-3左)按反時針方向轉動〔因大曲柄(10-1右)與大曲柄(10-2左)是同一根大曲軸上的兩個曲柄;大曲柄(10-3左)與大曲柄(10-2右)也是同一根大曲軸上的兩個曲柄〕。大曲柄(10-1右)的轉動，由于內齒輪副(28-2，15-2)的作用，迫使小曲軸(8-1)作順時針方向轉動，在內齒輪副(28-1，15-1)的作用下，又迫使大曲軸(10-1左)按反時針方向轉動。大曲柄(10-3左)的轉動，由于內齒輪副(28-5，15-5)的作用，迫使大曲軸(8-3)作順時針方向轉動，在內齒輪副(28-6，15-6)的作用下，又迫使大曲軸(10-3右)按反時針方向轉動。就這樣把活塞的直線運動轉變成曲軸的旋轉運動。
(2)如圖10所示，(1-1)缸也處于動力沖程，但(1-1)缸的活塞這時位于上死點，(1-1)缸內的燃氣壓力還不能推動小曲軸(8-1)及大曲柄(10-1)旋轉。這時是依靠上述(1-4)缸內活塞受燃氣壓力的作用，三根小曲軸都沿順時針方向旋轉，四根大曲軸都沿反時針方向旋轉，當小曲軸(8-1)及大曲柄(10-1)的轉動，使(1-1)和(1-2)缸轉過上死點后，動力沖程的(1-1)缸內，其燃氣壓力就推動活塞向下壓迫小曲軸(8-1)，加速沿順時針方向轉動，小曲軸(8-1)帶動小齒輪(28-1，28-2)轉動，由于小齒輪(28-1)、(28-2)與固定在機體內的內齒輪(15-1)和(15-2)相嚙合，也就迫使大曲柄(10-1)及(10-2左)按反時針方向轉動，從而帶動其它氣缸工作。當大曲柄(10-1)、(10-2)和(10-3)轉動120度角時，氣缸(1-5)就著火進入動力沖程。
在附圖10的最下方還畫出了一根長軸，該軸的兩端都裝了齒輪。這兩個齒輪與固接在內燃機首、尾大曲軸軸頸上的齒輪相嚙合，它的作用是平衡內燃機兩端大曲軸的轉矩從而使各大、小曲軸的轉動更協調一致。實際上這根軸不是設計在發動機的油底殼部位是由發動機的凸輪軸來承擔這項任務。
圖11為氣缸夾角成90°的V型排列示意圖。其中(10)表示大曲軸曲柄;(8-1)及(8-2)表示(1-1)缸及(1-2)缸的小曲軸曲柄;(3-1)及(3-2)表示(1-1)缸及(1-2)缸的活塞，在圖中所示(1-1)缸及(1-2)缸的小曲軸的曲柄夾角為180°。
圖12是圖11V型排列的運動簡圖。圖中兩個氣缸是共用一個大曲柄，根據本機型的原則小曲軸的曲柄半徑必須與大曲軸的曲柄半徑相等，現只看一個氣缸，就可完全了解其運動情況。現看圖12右邊的缸的活塞，假設機器的起始位置如圖12(a)所示，當大曲柄以反時針轉α角，小曲軸則以其身軸頸中心線為中心按順時針轉2α角，活塞又以小曲軸的曲柄銷為中心按反時針轉α角。如圖12(b)所示，當大曲軸α＝45°時，小曲軸就按順時針方向轉90°，而活塞職捶詞閉胱 5°，則大、小曲軸與活塞的位置。由附圖12(b)進入(c)、附圖12(d)、(e)和(f)是當大曲軸的曲柄銷按反時針方向轉90°、180°和225°時的位置情況，當大曲軸轉360°，各運動部件又回到附圖12(a)所示的位置。
上述各機件的旋轉是同時進行的，因此活塞的絕對運動并不旋轉，而是作直線移動。
從以上“V”型機的工作原理可得出氣缸排列為“X”型和“I”型的機型。
權利要求
1.雙重曲柄往復活塞式機型，它由氣缸(1)、活塞(3)、曲軸箱(4)、曲軸(8，10)、內齒輪副(15，28)、軸套(25)、缸蓋(32)、飛輪(19)、平衡鐵(11)等組成；其特征在于所述曲軸(8，10)是由曲柄半徑r相等的大曲軸(10)和小曲軸(8)組成，小曲軸(8)安裝在大曲軸(10)的曲柄銷上，以轉動副的方式聯接；所述活塞(3)其尾部是軸承與小曲軸(8)的曲柄銷聯接，構成轉動副；所述內齒輪副(15，28)是由分度圓直徑等于2倍曲柄半徑r的小齒輪(28)和分度圓直徑等于4倍曲柄半徑r的內齒輪組成；所述小齒輪(28)固接在小曲軸(8)的軸頸中部或端部，內齒輪(15)固接在軸套(25)內或曲軸箱(4)內；所述機型的氣缸(1)及軸套(25)與曲軸箱(4)裝配后，形成的整體必須是氣缸(1)的中心線與軸套(25)內壁安裝大曲軸(10)的軸承孔中心線正交；所述大曲軸(10)的軸承(14，16)至少有一個把大曲軸的曲柄包容在內，如軸承(14)。
2.如權利要求1所述的機型，其特征在于氣缸(1)、曲軸箱(4)、軸套(25)為單個另件或一個整體，或者氣缸(1)與曲軸箱(4)為一個整體，或者軸套(25)與曲軸箱(4)為一整體。
3.如權利要求1所述的機型，其特征在于它裝有內燃機的供油系統、潤滑系統、冷卻系統、進排汽系統及點火裝置。
4.如權利要求1所述的機型，其特征在于它裝有壓縮機的進排氣系統、潤滑系統及冷卻裝置。
5.如權利要求1所述的機型，其特征在于構成轉動副聯接的所有軸承為滑動軸承或滾動軸承。
6.如權利要求1所述的機型，其特征在于它是單缸的或多缸的，多缸的呈直線型、“V”型、“X”型、“I”型排列。
全文摘要
雙重曲柄往復活塞式機型，所述機型是用曲柄半徑r相等的大、小曲軸及分度圓直徑分別等于二倍和四倍曲柄半徑r的內齒輪副組成的轉換機構，將活塞的往復運動與曲軸的旋轉運動互相轉換，其活塞按X＝2r(1-cosα)的規律作往復直線運動，活塞行程等于曲柄半徑四倍(X＝4r)的機型。本機型無連桿、無活塞對氣缸的側壓力，結構簡單，體積小，效率高，可用于單缸或多缸的二沖程及四沖程的汽油機或柴油機，也可用于壓縮機。
文檔編號F02B75/34GK1032570SQ8710304
公開日1989年4月26日 申請日期1987年10月13日 優先權日1987年10月13日
發明者梁保清 申請人:梁保清