專利名稱：一種曲柄連桿機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接單個或多個單元的往復(fù)運動與另外一個或多個單元的旋轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，特別是涉及一種曲軸與活塞的連接以用于將往復(fù)式運動和旋轉(zhuǎn)運動之間作相互變換的一種曲柄連桿機構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)為單一的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，簡圖參看圖1，它的受力分析圖參看圖2，由于連桿的受力Rr一般與活塞運動的方向有一個非零夾角α，因而，在氣缸缸壁上產(chǎn)生正壓力Nc(Nc＝Rr*Sinα)。這一正壓力給發(fā)動機帶來如下幾個弊端(1)這一正壓力等于給發(fā)動機的缸壁作用一個周期性的橫向脈沖，它是發(fā)動機振動的產(chǎn)生源之一；(2)這一正壓力引起的活塞與氣缸壁的摩擦力消耗了活塞的動能，因而令發(fā)動機消耗相等油料所產(chǎn)生的動力性和經(jīng)濟(jì)性變差；(3)這一正壓力引起的活塞與氣缸壁的摩擦力令活塞與缸壁產(chǎn)生磨損，因而增加更換相關(guān)零部件的費用；(4)令機油的品質(zhì)更容易變壞，因而增加更換機油次數(shù)。
為解決上述傳統(tǒng)的發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的缺陷，已出現(xiàn)以齒輪嚙合反向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)和對稱的兩個曲柄連桿機構(gòu)連接于一個活塞的設(shè)計。這些機構(gòu)據(jù)說已被應(yīng)用于內(nèi)燃機或液泵。如美國專利US4,945,866，US 2,362,838，US 5,435,232，和US 5,628,844。它的受力分析圖參看圖3，由于兩個連桿對稱于穿過活塞軸線和曲軸軸線的垂直中心平面，它們所產(chǎn)生的垂直于活塞軸線的側(cè)向力Rr和Rr’正好大小相等，方向相反，因而，活塞對氣缸的正壓力等于零(如果各零部件有理想尺寸和形狀，即不考量零件制造和裝配的公差)，這樣，就消除了上述由這一正壓力給發(fā)動機帶來的幾個弊端。但是，存在以下不足之處(1)由于活塞受到了超靜定的約束，對連桿的加工及安裝精度要求很高，否則，會因為連桿的不對稱而導(dǎo)致活塞與氣缸壁干涉。即當(dāng)兩根連接活塞的連桿長度略有差異時，這兩根連桿對活塞的約束令活塞相對于氣缸會有一點傾斜的傾向，即兩者軸線有一個很小的傾角γ，但另一方面氣缸對活塞的約束要使活塞的軸線與氣缸軸線保持一致，因而，令活塞和氣缸產(chǎn)生彈性變形并使它們在相互運動時加速磨損，也令相關(guān)零部件的制造難度增加。(2)結(jié)構(gòu)的自由設(shè)計空間不大。(3)很多時候連桿可能會重疊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的就在于提供一種既能降低連桿運動時對氣缸產(chǎn)生的側(cè)向正壓力，又能保證即使在兩個連桿的長度略有不同或各相關(guān)零部件有其它微小缺陷的情況下，能夠使活塞軸線和氣缸軸線保持一致的曲柄連桿機構(gòu)。
本發(fā)明的目的可以通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)一種曲柄連桿機構(gòu)，至少包括一個曲軸箱、一個氣缸和一個周期運動鏈，該運動鏈用于平移和轉(zhuǎn)動兩種運動之間的變換，該運動鏈包括1.一個平移要素，所述平移要素位于氣缸中，可周期往復(fù)式地沿汽缸的軸線在第一沖程由第一位置沿一線性軌跡移動至第二位置，在第二沖程由第二位置沿一線性軌跡移動返回至第一位置；2.一個轉(zhuǎn)動要素，該轉(zhuǎn)動要素含有一對曲軸，該曲軸安裝在曲軸箱內(nèi)，對稱地布置于上述平移要素運動的線性軌跡的兩側(cè)，同時該對曲軸軸線位于一個垂直于所述的平移要素線性軌跡的平面，所述每一個曲軸均帶有兩個曲柄和一個曲軸銷，該曲軸銷的軸線可沿一個曲軸的曲柄作為預(yù)設(shè)半徑的圓形軌道繞上述曲軸軸線轉(zhuǎn)動；3.一個與平移要素鉸接的一個連接板，它與活塞鉸接端部為第一端，它與連桿鉸接的一端為第二端，第二端比第一端寬；4.一對連桿，每一個連桿的第一端即小端均對稱鉸接于上述連接板的第二端，所述的一對鉸接點在連接板第二端上對稱地布置于連接板第一端上的鉸接點的兩側(cè)，每一個連桿的第二端即大端均鉸接于相對應(yīng)的曲軸銷。
本發(fā)明進(jìn)一步應(yīng)用于內(nèi)燃機上，一種內(nèi)燃機至少包括一套曲柄連桿機構(gòu)、機體和氣缸蓋、配氣機構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置，其特征是該曲柄連桿機構(gòu)包括一個曲軸箱、一氣缸，兩個平行的曲軸，每一曲軸帶有曲柄和曲軸銷，和一個活塞，一個在第一端鉸接該活塞的連接板，兩個連桿的小端分別對稱地鉸接于該連接板的第二端，兩個連桿共有同一個運動平面，兩個連桿的大端則分別鉸接于相對應(yīng)的曲柄上的活塞銷。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)式運動時，與活塞連接的連接板帶動上述兩個連桿運動通過曲柄和曲軸銷推動兩個曲軸以各自的曲軸軸線為中心作互為反向的轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明所述的兩個連桿具有相同的形狀和尺寸，它們對稱于中心平面，該中心平面上的一條直線重合于該活塞的中心軸線并垂直于上述連桿運動平面。
本發(fā)明在所述的兩個曲軸上分別安裝可相互嚙合的齒輪，使兩個曲軸做反向的等速旋轉(zhuǎn)，而令兩個曲軸的運動同步，并共同輸出動力。
本發(fā)明的有益效果是(1)解決了雙連桿可能帶來的活塞與氣缸干涉問題由于在活塞與連桿之間增加了一連接板，使活塞的方向不再受對稱兩連桿的約束，而僅僅受氣缸的約束，當(dāng)某種原因令兩根連桿的小端不對稱于活塞的軸線時，將會使連接板輕微地轉(zhuǎn)動一個很小的角度β(參見圖7)，但活塞和氣缸不會產(chǎn)生相關(guān)的變形，因而消除了因這一變形使它們在相互運動時產(chǎn)生的磨損。(2)降低了制造連桿，活塞和氣缸等零部件的難度和精度要求，從而可降低成本。(3)給所述的曲柄連桿機構(gòu)中的各零部件的尺寸，形狀的設(shè)計帶來更多自由的空間，不會受到零部件相互干涉問題的限制。(4)可以更容易縮小曲軸與氣缸的距離，從而減小曲柄連桿機構(gòu)的高度，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。(5)能使雙連桿有效的發(fā)揮作用，降低連桿運動時對氣缸產(chǎn)生的側(cè)向正壓力，甚至基本消除側(cè)向正壓力。(6)減小振動、降低噪音。


圖1是傳統(tǒng)發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)的簡圖；圖2是圖1所示的曲柄連桿機構(gòu)的受力分析圖；圖3是現(xiàn)有雙曲柄連桿機構(gòu)的受力分析4是是本發(fā)明第一個實施例的去掉箱體前部的立體圖；圖5是本發(fā)明第一個實施例的去掉箱體前部的主視圖；圖6是本發(fā)明第一個實施例的的俯視圖；圖7是本發(fā)明第一個實施例的受力分析簡圖；圖8是本發(fā)明第二個實施例去掉箱體前部的立體圖；圖9是本發(fā)明第二個實施例的受力分析圖；圖10是本發(fā)明第三個實施例去掉氣缸和曲軸箱的立體結(jié)構(gòu)圖。
圖中曲軸12和12′，曲軸箱14，曲軸軸線18，氣缸20，中心平面22，橫向中心平面24，曲柄25、25′，曲軸銷26和26′，齒輪28和28′，連桿30和30′，連桿大端32和32′，連桿小端34和34′，活塞38，活塞往復(fù)運動中心線(即汽缸軸線和活塞軸線)40，連接板50。
具體實施例方式
圖4～7顯示了本發(fā)明第一個實施例的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中兩個平行的曲軸12和12′水平支撐于曲軸箱14上，因而可以繞其各自的軸線18和18′轉(zhuǎn)動。該曲軸箱14除了安裝曲軸12之外，還起了固定氣缸20的作用?；钊鶑?fù)運動中心線40即活塞運動線性軌跡位于本機構(gòu)的兩相互垂直相交的中心平面22和橫向中心平面24的交線上，兩個平行的軸線18相互有一個距離，并對稱地放置于本機構(gòu)的與兩曲軸平行的中心平面22的兩側(cè)，同時，兩曲軸軸線位于一個垂直于所述的活塞往復(fù)運動中心線40的平面23上，每一個曲軸帶兩個曲柄25和25′，以及一個曲軸銷26和26′。
兩個連桿30和30′的一端即大端32分別鉸接于兩曲軸銷26和26′上，兩個連桿30和30′的另一端即小端34和34′則不是直接連接于活塞上，而是先連接到一個連接板50上，該連接板50的形狀是上小下大，本例中為等腰三角形，上端頂角部分為第一端，連桿30和30′對稱地鉸接于該連接板50的下部為第二端，即連接板50的靠近三角形底邊處，并且，上述連桿在連接板50上的鉸接點之間的間距不受氣缸直徑的限制，可以足夠?qū)?，最好令連桿30和30′在運動的過程中不會重疊，該連接板50的第一端鉸接于活塞38上，鉸接點位于頂角的角平分線上。兩個連桿在連接板50上的鉸接點對稱地布置在所述頂角角平分線的兩側(cè)。同時兩個連桿的運動軌跡定位于垂直于中心平面22的橫向中心平面24上，也就是說，連桿30和30′具有同樣的形狀和尺寸，被排列在該橫向中心平面24上，并連在曲軸銷26和26′的中點。
本發(fā)明的兩個曲軸12和12′可以相互關(guān)聯(lián)，這樣可以令兩個曲軸的運動同步，并共同輸出動力。比如說，通過一對分別位于兩個曲軸12和12′上的相同尺寸的齒輪28和28′的嚙合來實現(xiàn)兩個曲軸12和12′的關(guān)聯(lián)。這樣，兩個曲軸12和12′因而做反向的等速旋轉(zhuǎn)。兩齒輪既可位于曲軸箱內(nèi)，也可以位于曲軸箱外。
圖8、9顯示了本發(fā)明的第二個實施例，與上例不同的是，連接板50為倒“T”字形，其底部的橫桿為連接板的第二端，兩連桿分別鉸接在連接板第二端的兩端，該連接板50的頂部即倒“T”字形的中心桿的頂端為第一端，鉸接于活塞38上。這種倒“T”字形的連接板50使曲軸12和12′的安裝高度高于連接板的第二端即下端成為可能，即可使連桿30和30′的大端高度高于小端高度，在設(shè)計時應(yīng)注意連桿與曲軸銷的運動軌跡不會與連接板50發(fā)生干涉，從而減小曲柄連桿機構(gòu)的高度，使之結(jié)構(gòu)更為緊湊。
圖10顯示了本發(fā)明的第三個實施例，與實施例一不同的是，所述的每個曲軸12和12′上都有兩個曲柄，其中一個曲柄為齒輪，齒輪中心固定在曲軸上，兩個齒輪相互嚙合，曲軸銷的一端固定曲柄上，另一端則相應(yīng)地固定在齒輪偏心的位置上，使齒輪既起到曲柄的偏心作用，又起到齒輪相互嚙合傳遞動力的作用，相當(dāng)于將實施例一中的齒輪與曲柄之一合而為一，以便使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
本發(fā)明的一個綜合優(yōu)點是它設(shè)計的隨意性，它可以有具體結(jié)構(gòu)的不同變化。它也可適用于泵類。
本發(fā)明同樣可應(yīng)用于帶活塞發(fā)動機的輕型飛機，特別是對于使用單缸發(fā)動機的超輕型飛機，因為應(yīng)用本發(fā)明可大大減少振動，而對飛機結(jié)構(gòu)強度要求可降低，故可以減輕飛機的重量有不會增加飛機疲勞斷裂的危險。
本發(fā)明也可應(yīng)用于由發(fā)動機和電動馬達(dá)組成的混合動力汽車，改種汽車的曲軸不但為后環(huán)節(jié)的組件提供動能，而且用于驅(qū)動發(fā)電機。
權(quán)利要求
1.一種曲柄連桿機構(gòu)，至少包括一個曲軸箱(14)、一個氣缸(37)和一個周期運動鏈，該運動鏈用于平移和轉(zhuǎn)動兩種運動之間的變換，該運動鏈包括(1)一個平移要素，所述平移要素位于氣缸(37)中，可周期往復(fù)式地在第一沖程由第一位置沿一線性軌跡移動至第二位置，在第二沖程由第二位置沿一線性軌跡移動返回至第一位置；(2)一個轉(zhuǎn)動要素，該轉(zhuǎn)動要素含有一對曲軸(12)和(12′)，該對曲軸安裝在曲軸箱(14)內(nèi)，并對稱地布置于上述平移要素運動線性軌跡的兩側(cè)，并同時位于一個垂直于所述運動線性軌跡的平面(23)，所述每一個曲軸均帶有兩個曲柄(25)、(25′)和一個曲軸銷(26)和(26′)，該曲軸銷的軸線可沿一個曲柄(25)和(25′)作為預(yù)設(shè)半徑的圓形軌道繞上述曲軸軸線轉(zhuǎn)動；(3)一個連接板(50)，該連接板有一個第一端和比第一端寬的第二端，該連接板第一端與上述平移要素鉸接；(4)一對連桿(30)和(30′)，每一個連桿有一個第一端和一個第二端，每一個連桿的第一端均對稱鉸接于上述連接板(50)的第二端，兩個鉸接點對稱地布置于連接板第一端上的鉸接點的兩側(cè)，每一個連桿的第二端均鉸接于相對應(yīng)的曲軸銷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述兩個連桿(30)和(30′)具有相同的形狀和尺寸，它們對稱于中心平面(22)，該中心平面上的一條線重合于該活塞的中心線并垂直于上述連接桿運動平面(24)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是連接板(50)的形狀是上小下大的等腰三角形，其第一端處的鉸接點位于頂角的角平分線上，連桿(30)和(30′)對稱地鉸接于該連接板(50)的下部，即三角形連接板(50)的靠近底邊處，該兩鉸接點對稱地布置在所述連接板頂角角平分線的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述的連接板(50)為倒“T”字形，兩連桿分別鉸接在連接板底部橫桿的兩端，該連接板(50)的頂部即倒“T”字形的中心桿的頂端鉸接于活塞38上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的曲柄連桿機構(gòu)，該機構(gòu)并放置成活塞在上，連接板在下的位置，其特征是所述的曲軸(12)和(12′)的安裝高度高于連接板的第二端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是在兩個曲軸(12)和(12′)上分別安裝可相互嚙合的齒輪(28)和(28′)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述的每個曲軸上的兩個曲柄中，有一個曲柄為齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪中心固定在曲軸上，兩個齒輪相互嚙合，曲軸銷的一端固定曲柄上，另一端則相應(yīng)地固定在齒輪偏心的位置上。
8.一種內(nèi)燃機，至少包括曲柄連桿機構(gòu)、機體和氣缸蓋、配氣機構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置，其特征是曲柄連桿機構(gòu)包括曲軸箱(14)，兩個平行的曲軸(12)和(12′)，每一個曲軸帶兩個曲柄(25)、(25′)和一個曲軸銷(26)、(26′)；氣缸和活塞，兩個連桿(30)和(30′)，一個在上部鉸接該活塞的連接板(50)，兩個連桿共有同一個運動平面(24)，它們的小端(34)分別對稱地鉸接于所述連接板的下部兩邊，兩個連桿的大端(32)則分別鉸接于相對應(yīng)的曲柄上的活塞銷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是連接板(50)的形狀是上小下大的等腰三角形，其第一端處的鉸接點位于頂角的角平分線上，連桿(30)和(30′)對稱地鉸接于該連接板(50)的下部，即三角形連接板(50)的靠近底邊處，該兩鉸接點對稱地布置在所述連接板頂角角平分線的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述的連接板(50)為倒“T”字形，兩連桿分別鉸接在連接板底部橫桿的兩端，該連接板(50)的頂部即倒“T”字形的中心桿的頂端鉸接于活塞38上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述的曲軸(12)和(12′)的安裝高度高于連接板的第二端。
12.根據(jù)權(quán)利要求8或9或10或11所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是在兩個曲軸(12)和(12′)上分別安裝可相互嚙合的齒輪(28)和(28′)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8或9或10或11所述的曲柄連桿機構(gòu)，其特征是所述的每個曲軸上的兩個曲柄中，有一個曲柄為齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪中心固定在曲軸上，兩個齒輪相互嚙合，曲軸銷的一端固定曲柄上，另一端則相應(yīng)地固定在齒輪偏心的位置上。
全文摘要
一種曲柄連桿機構(gòu)，至少包括一個氣缸、一個曲軸箱和一個周期運動鏈，該運動鏈用于平移和轉(zhuǎn)動兩種運動之間的變換，該運動鏈包括(1)一個位于氣缸中可沿一線性軌跡做周期往復(fù)移動的平移要素；(2)一個轉(zhuǎn)動要素，該轉(zhuǎn)動要素含有一對安裝在曲軸箱內(nèi)對稱地布置于上述平移要素運動的線性軌跡兩側(cè)的曲軸，所述每一個曲軸均帶有兩個曲柄和一個曲軸銷，該曲軸銷的軸心可沿一個曲軸的曲柄作為預(yù)設(shè)半徑的圓形軌道繞上述曲軸軸心轉(zhuǎn)動；(3)一個與平移要素鉸接的連接板，它的上端與活塞鉸接；(4)一對連桿，每一個連桿的小端均對稱鉸接于上述連接板的下部，每一個連桿的第二端即大端均鉸接于相對應(yīng)的曲軸銷。本發(fā)明既能降低連桿運動時對氣缸產(chǎn)生的側(cè)向正壓力，又能保證即使在兩個連桿的長度略有不同或各相關(guān)零部件有其它微小缺陷的情況下，能夠使活塞軸線和氣缸軸線保持一致，從而減小振動、摩擦和噪音，降低零部件的加工成本，提高使用壽命。
文檔編號F02B75/32GK1813117SQ200480017797
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者馮志德 申請人:馮志德, 馮淑貞