CN100346057C - 旋转活塞式动力机机构与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转活塞式动力机机构与装置，其机构原理与主要设计结构与传统的往复活塞式动力机以及汪克尔(Wankel)式“旋转活塞”发动机显著不同，特点是其工作机构是采取中国首创的全摆线齿轮副转化发展的兼有产生动力传动性能的机构；其动力机的活塞汽缸作功用的主要工作面采用一副共轭互啮的全摆线柱面，其活塞零件的形状类同全摆线齿轮，其汽缸内腔形状类同全摆线内齿；本发明的动力机装置的显著特点是，工作环节非常短，结构异常简单，平衡性好，因而有体积小、重量轻、可高速运转而振动小等等有益效果。

Description

旋转活塞式动力机机构与装置

(一)技术领域

本发明涉及动力机机构与装置，尤其是旋转活塞式动力机的主要工作机构和其应用装置。

(二)背景技术

本文所称动力机包含内燃和外燃型的热力发动机及气液马达等。将燃料燃烧产生的热能转换成机械能，从其机轴输出动力的热力动力机，公知公用的有蒸汽机，活塞发动机等，活塞发动机又分往复式和旋转式：如1876年发明的奥托(Otto)四行程机，1898年发明的迪塞尔(R.Diesel)机和1959年发明的汪克尔(Wankel)机。以上机种中以往复活塞式的机型发展得最多，在工业农业交通运输业中应用极为广泛，起的作用非常大。但是由于这种动力机其介工物质(working substance如燃气蒸汽)的热能或位能需先通过汽缸中的活塞变成其往复运动的机械能，再经过活塞销连杆传给曲轴，转化成其旋转运动的机械能，从机轴以转矩的方式输出，由此可见往复式机的机构方案，从一开始就存在工作环节多且长的问题，以及活塞、活塞销、连杆、曲轴的运动惯性力需要平衡的问题，并由此造成这种动力机装置的机件多，结构比较复杂，体积大，重，转速不能很高，振动和噪音较大等缺欠，长时间来难于从根本上解决。

汪克尔(Wankel)机或称“旋转活塞”发动机，又称三角活塞发动机，该发明曾试图解决上述问题，其技术解决方案是采用略呈三角形的活塞，使其在有点象8字形的汽缸中做行星周转运动的一种机构，由燃气在汽缸里推压(做周转运动的)活塞，由活塞将动能传递到偏心轴零件的偏心轴颈上，驱使偏心轴零件的主轴旋转而输出转矩。由于此方案革除了往复运动及连杆活塞销构件，其主工作环节缩短，并且消除了往复运动机件引起的惯性力，使平衡问题简单些，因此，在其发明初期曾经引起过世界工业界的高度重视，不少国家包括我国在内，曾参与研究开发过，但是这个技术方案仍存在较大不足处，就是其三角活塞自身从结构上不具备在汽缸里自行运行和工作的性能，必须依赖于另增加一副齿轮反过来驱转活塞，使它按照要求的行星运动运行，这使其性能受到一定影响，而且结构又趋复杂；以及此结构的偏心零件，其惯性力的平衡问题也未能完全解决等，这就削弱了Wankel机对往复式机的优势，致其性能虽在有的方面略胜往复式机，但总体优势对比未能明显超过，因此就限制了它其后的发展与推广使用。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种动力机的机构和装置，这种动力机其主要工作机构的工作与传动环节要特别短；而这种动力机装置的主要工作机件在运动时，其惯性力应易于平衡，最好能处于自相平衡的状态，以消除前述已有技术的缺欠，使动力机装置的结构显著简化，使其性能优，用途广。

为解决上述任务，本发明提供一种旋转活塞式动力机机构和一种旋转活塞式动力机装置。一种旋转活塞式动力机机构，其特征是：它由一齿差内啮合全摆线定轴或行星齿轮副机构转化发展而来，是作为产生并传递动力新用途用的，兼有产生动力和传动性质与功能的机构；其中有形状类同全摆线齿轮的旋转活塞构件和内腔形状类同全摆线内齿的汽缸构件；一种旋转活塞式动力机装置，其特征是其主要工作机构是兼有产生动力和传动性质与功能的，汽缸构件随活塞构件偕转或活塞构件周转的动力机机构；其活塞与汽缸作功用的主要工作面是一副共轭互啮的全摆线柱面；装置中有：形状类同全摆线齿轮的旋转活塞和内腔形状类同全摆线内齿的汽缸。

为了便于理解，下文对照附图，对本发明的技术解决方案，旋转活塞式动力机机构、有关的全摆线技术基础知识与本动力机的原理等作进一步说明。

旋转活塞式动力机机构参看图1至2，位于图的中部其形状类同全摆线齿轮带有n个凸凹部的就是活塞1，在本机构中，机轴4和活塞1是连成一体的，成为一个带机轴的活塞构件，即活塞轴构件A；围在活塞轴构件的周围，其形状类同全摆线齿圈有n+1个凹凸部的就是汽缸圈构件2；活塞轴构件和汽缸圈构件分别支承在机匣体构件3的支承3-1；3-2上，并分别以O₁-O₁；O₂-O₂为轴心线，偕同一起作同方向定速比的旋转即“偕转”，如果从机械传动的角度观察，可以看出定轴全摆线齿轮副机构与图1至2表示的机构是十分相似的，但这毫不奇怪，因为后者正是从前者转化发展而来的；再参看图3至4，图中所示的动力机机构，与图1至2所示机构同中又有异，它的旋转活塞和机轴是分开的，是两种构件，而且其机轴是一偏心轴(或曲轴，下同)构件4，活塞构件1就在偏心轴构件4的偏心轴颈4-1上作自转的同时公转，就是说，活塞构件是做周转运动的，其汽缸2则与机匣体3连成一体成为一个构件即汽缸体构件B，它兼有汽缸机匣与机架的功能，如果从机械传动角度观察，也可以看出，此机构是从行星全摆线齿轮副机构转化发展而来的。正因为如此，本文所述的机构在传动方面仍旧保持着定轴或行星全摆线齿轮副机构的优良传动特性与功能，而这点对于它们完成其动力机机构方面的任务是必不可少的和十分有益的，这在后文将可以看得更加清楚。综上所述，本发明旋转活塞式动力机机构有偕转型的，还有周转型的：旋转活塞式偕转型的动力机机构，其特征是由一齿差、内啮合的定轴全摆线齿轮副机构转化发展而来；其活塞与机轴是固定连成一体，组成“活塞轴”构件A的，此构件由兼有机架功能的机匣体构件3支承作定轴旋转运动；其汽缸构件2呈圈状也是旋转的，也由机匣体构件支承偕同活塞轴构件作定轴旋转运动；其活塞轴与汽缸圈两构件的轴心线是相互平行的；旋转活塞式周转型动力机机构，其特征是由一齿差、内啮合的行星全摆线齿轮副机构转化发展而来；其机轴是一偏心轴构件4；其活塞构件1在偏心轴构件4的偏心轴颈4-1上旋转即活塞构件是作周转运动的；其汽缸是与机匣合成一体成为同时兼有机架功能的汽缸体构件B；其偏心轴的主轴线与汽缸轴线是同轴的。

全摆线，全摆线齿轮和齿轮副机构，都是我国在二十世纪发现、发明的，全摆线技术是我国首创的自主知识产权。有关全摆线传动的技术知识，1995年我们已经在“摆线齿轮传动机构及其装置”的专利文献上公开，(ZL.95105885.1)。由于本发明已经进一步把全摆线齿轮传动机构转化发展成为产生动力用的新的机构，因此，本文除了对一齿差内啮合全摆线齿轮副有关知识择要稍加介绍外，重点是说明本机构在动力方面的性能。我们早已证明一齿差内啮合全摆线齿轮副可以实现全部齿的接触：如果小齿轮齿数为n，齿圈齿数为n+1，(注：n可为大于等于2的任意整数)则齿轮副的接触点数为n+1至n+2个。(参看图5至8)图中P1至P5表示齿轮副的各个接触点。

本发明的动力机机构与装置的工作面(参看图9至12)是一副共轭互啮的全摆线柱面，它和一齿差内啮合全摆线直齿齿面类同，其工作腔则是由齿和齿之间的容隙转化发展而来。显然，其工作腔的分腔线就是由齿轮副的接触点转化来的，因此，根据前文介绍可知：如果动力机活塞凸部为n个，气缸圈凹部为n+1个时，则其工作腔数也为n+1个。(注：有的位置在理论上可为n+2个，但此时第n+2个工作腔极小)图中V1至V5表示不同容积的各个工作腔。旋转活塞式动力机主要工作机构的工作原理

旋转活塞式动力机和往复式机显著不同之处在于其工作腔是由旋转活塞的端截面为全摆线形的轴向柱面，汽缸的端截面为全摆线形的轴向柱面以及机匣或汽缸腔体的前后内部两端平面围成的。在相对静止或旋转时，活塞上的n个凸凹部表面始终与汽缸内的n+1个凹凸部表面相互接触n+1处，从而将活塞与汽缸之间的空间分隔成n+1个工作腔。其工作时的情形：在偕转型动力机(见图13至18)，当活塞轴与汽缸圈如图从上方开始同向旋转时，其前方的各工作腔截面积自上而下逐渐增大，至下方时达到极大值，然后自下而上逐渐减小到上方时达到极小值。而当活塞轴转了一周，其活塞凸部就进入到汽缸圈的前面一个凹部中去了。在周转型动力机(见图19至26)，其汽缸体是不动的，当活塞旋转时。其偏心轴作反方向转动，活塞凸部从开始进入汽缸凹部到退出汽缸凹部，正比于工作腔容积的工作腔截面积也由最大到最小又回到最大，等到后一个活塞凸部进到前一个活塞凸部开始的位置时，偏心轴正好反转了一周。图中S₁至

表示工作腔的按顺序变化的瞬时截面。

从工作原理上来说，作为活塞式内燃动力机工作机构的工作腔，最重要的就是必须满足其介工物质的工作循环要求，如内燃机的进气、压缩、燃烧膨胀、排气的要求；外燃活塞式机也有进气、膨胀、排气及压缩的工作循环要求；因此，与工作腔容积相对应的工作腔截面积，必须随动力机主轴的旋转周期地由最小到最大循环地变化。显然，前文所述的汽缸偕转型或活塞周转型动力机的工作腔，都能够十分理想地满足上述工作循环的要求。

●本发明同已有技术相比较：

1、动力机工作机构与装置具有空前简单的优点

例如已有技术的往复式机，需要五种主要构件：机匣体加汽缸即汽缸体，活塞，活塞销，连杆，曲轴；其中，汽缸与活塞构件用作产生动力；活塞，活塞销，连杆，曲轴构件用作变往复运动为旋转运动并传递动力，本发明的动力机，只需三种主要构件，例如偕转型机的三种构件是：机匣体，汽缸圈，活塞轴，无论产生动力还是传递动力都用它们；当介工物质作用时，例如燃气燃烧膨胀推动下，只用汽缸圈和活塞轴一副构件，就可以直接发生旋转运动和产生动力；将力，力矩，动力传递的途径和传动环节都显著地缩短精简了。又如已有技术的三角活塞式发动机的主要工作构件有：汽缸体加齿轮、三角活塞加齿圈、偏心轴，粗看上去似乎构件也只有三种，但实际上要它正常运转和产生动力，齿轮和齿圈这两种零件是必不可少的，在本发明的周转型动力机中，其主要构件是：汽缸体，活塞，偏心轴，不但真正只有三种，而且在燃气压力作用下，它的活塞在汽缸圈内会自行产生周转运动，并推动偏心轴转动。见图19至26，同三角活塞不能自行周转非要靠外加齿轮副推转相比，显然本发明的工作机构不但功能好，而且也简单可靠多了。

2、全摆线工作腔具有多种特点与优点

(a)本发明的全摆线柱面工作腔可以在较小的空间内，得到相对较大的工作容积；原因是n+1个工作腔(n为大于等于2的较小整数)是在圆周上均布的，一副活塞汽缸就相当于一整台星形多缸机，再有如果偏心距相同，都为e，则现有技术的工作腔长度均为2e，而全摆线工作腔长度为4e(参看图16)而且可减除因设连杆多占去的空间。这就提高了空间的利用率，可以使得本发明动力机的结构相当紧凑。

(b)本工作腔的面积从最大到最小，其变化比较大，故可以获得大的压缩比；例如汽缸四个凹部时，可算得其理论面积比可达288倍以上1(这比三角活塞式机的大许多倍，)从而为提高发动机效率提供了有利条件，还可以用在柴油机一类压燃型发动机上。

(c)本工作腔比较耐磨损，也容易密封；在工作腔内的摩擦方面，往复式机的活塞与汽缸的摩擦都是滑动摩擦；三角活塞式机的活塞与汽缸间的摩擦也基本上是滑动摩擦且集中在局部，因此很容易在活塞的三个角部磨损并使汽缸壁上产生波状条形磨损，导致漏气，即使采用密封条，也不易解决好密封和寿命的问题；本发明工作腔中汽缸与活塞工作面之间的摩擦则既有滚动摩擦又有滑动摩擦，而且在负荷大的位置是以滚动摩擦为主；再有跟三角活塞式机在本质上不同之处在于，全摆线工作腔面上的每一点都参与工作过程，是逐点共轭接触的，这对提高耐磨性和密封性有相当大作用，也为延长工作寿命创造了良好的条件。

3、在平衡方面具有的有益效果

本发明的偕转型动力机，由于从零件结构形状上就使汽缸圈和旋转活塞轴都对其转轴处于自相平衡的状态，而且是定轴的旋转运动，解决平衡问题显然比往复式机容易得多了；在周转型机中，由于比三角活塞式机减去了一副内齿轮副，无论是单排的配重设置，或是用双排三排式对称布置来解决静平衡动平衡问题，也都简单不少。

此外，本发明动力机的配气部分也可以比现有技术易于设置及有所简化。动力机的配气部分是配合动力机主要工作机构控制新鲜燃气和废气，使之在工作过程中按一定时间进入和排出，它也是动力机连续地产生动力实现正常工作不可缺少的一部分。由于本发明的动力机的主要工作机构简化以后，工作过程与机轴的位置关系更加直接，而且在汽缸外周和两侧端面等处均可以有位置设置配气(以及点火、喷油等)部分，这就为简化配气等部分创造了良好的条件。有关本发明的动力机配气部分位置的设置等将在实施例中附带说明。

综上所述，与已有技术相比，本发明的动力机有机件少，结构简单可靠，体积小，重量轻，转速可相当高而振动小，运转平稳等许多性能方面的优点，因此很有应用开发推广的价值。

(四)附图说明

图1至2是旋转活塞式汽缸偕转型动力机机构的示意图。

图3至4是旋转活塞式活塞周转型动力机机构的示意图。

图5至8是一齿差内啮合全摆线齿轮副接触点的说明图。

图9至12是全摆线柱面工作腔的说明图。

图13至18是旋转活塞式汽缸偕转型动力机机构的工作原理图。

图19至26是旋转活塞式活塞周转型动力机机构的工作原理图。

图27至28是旋转活塞式汽缸偕转型动力机结构之一的示意图。

图29至30是旋转活塞式汽缸偕转型动力机结构之二的示意图。

图31至32是旋转活塞式汽缸偕转型动力机结构之三的示意图。

图33至34是旋转活塞式活塞周转型动力机结构之一的示意图。

图35至36是旋转活塞式活塞周转型动力机结构之二的示意图。

(五)具体实施方式

旋转活塞式动力机机构与装置可实施应用的范围很广，以下举数例并对照

附图说明：

1、一种用作内燃机的旋转活塞动力机

它的特点除了前述偕转型动力机的共同特点外，其配气部分的位置，设在与旋转活塞偕转汽缸两侧相对的机匣体的端平面上接近工作腔的最大断面积处附近。见图27至28，它的工作过程如下：图中当汽缸与活塞偕转时(假设从上方开始)，汽缸凹部与活塞凸部之间的容积迅速增大，腔内造成真空，到达接近工作腔的最大断面积附近处时，进气门开，新鲜混合气进入，继续偕转时，汽缸凹部与活塞凸部之间的容积迅速减小，混合气被压缩，当活塞凸部再次到达上方时，火花塞跳火(或压燃)引燃混合气，燃烧的气体急剧膨胀并推动活塞轴和气缸圈一起同向旋转，当再次到达下方工作腔的最大断面积附近处时，排气门开启，排出大部分废气，在继续旋转时，剩余的少量余气由于汽缸凹部与活塞凸部之间的容积的减少而从余气放气阀(图中未表示)排出，然后周而复始地进入下一个循环。这种动力机活塞轴每旋转2周可产生n次动力，相当于往复式星形n缸四冲程发动机。

2、一种用作蒸汽机的旋转活塞式动力机

它还可以用作外燃的燃气为动力源的燃气机或以压缩气体为介质的气压马达以及逆向使用作为压气机；其特点除了前述偕转型动力机的共同特征以外，还在于其配气口和配气通道设置分布在偕转汽缸圈的外周；且汽缸圈工作腔的各凹部处都有配气口通路，见图29至30，这种动力机的工作过程为进气、膨胀、排气、压缩，其进气类似等压膨胀过程，其膨胀类似绝热膨胀过程。

3.一种用作水力驱动的旋转活塞式动力机或液压马达(亦可逆用为液压泵)

见图31至32，其特点除了偕转型动力机共同特征外，在于其进排液转换口和通路设置分布在偕转缸圈的外周，且其缸圈工作腔的各凹部处都有进排液口通路。

4.一种用作内燃发动机的旋转活塞式动力机

见图33至34，其主要工作机构是前述的活塞构件作周转运动的机构，其排气门设在汽缸工作腔各凹部处附近的汽缸体上，进气口设在距汽缸工作腔凹部较远处的汽缸体的侧平面上。

5.一种用作内燃发动机的旋转活塞式动力机

见图35至36，其主要工作机构是前述的活塞构件作周转运动的机构；其进、排气门都设置在汽缸体工作腔的凹部处附近，其偏心轴的偏心轴颈可以是单个或多个；当多个时其汽缸和旋转活塞副并排排列，中间由机匣体的中间隔板隔开，即这种发动机可以是单排或多排的。图中所示的例子是三排的，中间排的宽度为边排的宽度的两倍，采用这种排列设置后，由于质量的分布是对称的，所以无论是静平衡还是动平衡都容易实现，不需要再另外设置配重了。而三角活塞式机由于一对内齿轮的存在，使得采用多排式结构减少振动变得困难和复杂。同往复式星形活塞发动机(例如某些活塞式航空发动机)相比，由于本实施例不需另外设置配重，重量可以减轻。而在往复式星型活塞式发动机中，为了平衡，配重的设置是必不可少的。

本发明并不仅仅局限于以上所举各例，在动力机以及气、液马达、泵等机械装置中，只要属于前文所述的以全摆线柱面作为工作腔基本面，采用通过工作腔容积的循环变化来产生动力连续工作的汽缸偕转型或活塞周转型结构的各种动力机，气、液压马达，泵等机械装置及部件，均属于本发明的范围。

Claims (6)

1、一种转旋活塞式动力机机构，特征是其为活塞构件与汽缸构件结合一同旋转的旋转活塞动力机机构；或是其汽缸与机体结合一体成一构件、活塞构件单独旋转的旋转活塞动力机机构；且机构的活塞构件与汽缸构件分别具有可共轭地相接合的摆线柱面。

2、一种旋转活塞式动力机装置，特征是其结构为活塞件与汽缸件结合一同旋转的偕转式旋转活塞动力机结构；或是其汽缸与机体结合一体成一组件、活塞件单独旋转的旋转活塞动力机结构；且其活塞件与汽缸件的工作面分别具有可共轭地相接触的摆线柱面形状。

3、权利要求1所述的转旋活塞式动力机机构，其特征是其活塞与机轴是固定连接成一体，组成“活塞轴”构件的，此构件由兼有机架功能的机匣体构件支承作定轴旋转运动；其汽缸构件呈圈状也是旋转的，由同一机匣体构件支承作定轴旋转运动；其活塞轴与汽缸圈两构件的轴心线是相互平行的，其汽缸构件是随活塞构件偕转的、偕转式活塞动力机机构。

4、权利要求1所述的转旋活塞式动力机机构，其特征是其机轴为一偏心轴构件、其活塞构件是在偏心轴构件上作周转运动的周转式旋转活塞动力机机构；且其汽缸与机匣合为一体成为同时兼机架功能的汽缸机匣体构件；其偏心轴的主轴线是与其汽缸的轴线同轴的。

5、权利要求2所述的旋转活塞动力机装置，其特征在于：其结构为呈圈状的汽缸件随活塞轴组合件偕转的、偕转式活塞动力机结构；用作内燃机或蒸汽机或以外燃的燃气为动力源的燃气机或以压缩气体为介质的气压马达以及压气机或水力驱动的旋转活塞动力机或液压马达。

6、权利要求2所述的旋转活塞动力机装置，其特征在于：其汽缸和旋转活塞副可以是单副或多副并排排列、中间由机匣隔板隔开的，即这种动力机装置可以是多排结构；对于其机轴为偏心轴、其活塞构件在偏心轴上作周转运动的旋转活塞动力机装置，其偏心轴的偏心轴颈数，可相应地设置为多个的结构，即多排周转式旋转活塞动力机装置。

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