CN107588167B - 一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器，其方法是输入滑块直轴通过十字滑块带动输出滑块曲轴转动，输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的偏心自转；同时，输出滑块曲轴上的两个曲轴驱动水平方形滑块和竖直方形滑块进行直线式往复运动，产生的反作用力迫使输出滑块曲轴进行等速反向的公转运动。动力耦合器包括输入滑块直轴、十字滑块、输出滑块曲轴、水平方形滑块和竖直方形滑块，输入滑块直轴、十字滑块和输出滑块曲轴依次连接，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接。本发明可增强对应动力传动系统的整体刚性和承载能力，提高运动机构的精度和稳定性。

Description

一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器

技术领域

本发明涉及机械动力传动技术领域，特别涉及一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器。

背景技术

现代机械传动在机械工程中的应用非常广泛，主要是指利用机械方式传递动力和运动。动力耦合器又称动力联轴器，是一种用来将动力源(通常是发动机或电机)与工作机连接起来的传递旋转动力的机械装置，曾应用于早期的汽车半自动变速器及自动变速器中，后来广泛用于冶金设备、矿山机械、电力设备、化工及各种工程机械中。目前，大多数动力耦合器都是单输入单输出传动，或者双输入单输出、单输入双输出，亦或者实现动力源转换、耦合，期望简化或取消换挡机构的混合动力驱动装置。但是，在一些特殊的机械工程领域，执行机构要求实现同轴自转和公转运动。例如，在石油化工领域，容积式流体输送机械多采用容积泵结构，利用转子在定子内腔中的自转和公转运动实现容积式流体输运过程；在高分子材料加工机械领域，一些塑化输运装置要求传动机构单轴输出自转与公转运动。

在传统机械工程装置中，转子往往需要同时实现自转和公转运动，但是这种自转和公转运动是由于执行机构定子和转子配合运动产生的，而工程机械装置的传动系统仅仅只是由万向联轴器被动接受这种转子轴的复合运动，而不能主动输出自转和公转，仅能依靠转子与定子的啮合，被动的实现公转运动。转子的轴向力和径向力同时作用在万向轴上，且受力面积小，力矩大，长时间使用，万向轴负载过大，寿命短，易损坏，成本高。而且在输运过程中产生的轴向载荷大部分需要定子和转子来承受，传动系统整体稳定性低，造成转子运转不稳定、转子与定子内腔磨损变形等问题。针对此类装置存在的问题，张冠宇等人发明了一种用于单螺杆泵上的万向轴传动机构，轴向力和径向力分别由各个零件承受，且受力面积大，但其结构相对复杂，并没有从根本上解决上述问题。徐华岳等人提出一种曲拐型曲轴传动单螺杆泵，采用曲轴式连接避免花键、传动轴、转子在同一旋转中心线上，但该结构中，只是跟随传动轴、转子作固定的圆周运动，并不能实现同轴输出自转与公转。陈亚轩等人提出的具有十字滑块连接结构的单螺杆泵，简化了结构，缩小长度尺寸和重量，可驱动转子做行星回转运动，但其公转方向与自转方向相同，即等角速度。瞿金平等人提出一种解决方法及其装置，可实现同轴输出自转与公转，并且可承受轴向载荷，主要有齿轮系串联动力输入输出轴和推力轴承组，但在实际使用过程中，其结构相对复杂，机构承载弱。

在运动形式的变换中，滑块与曲轴机构是一种常用的机械结构，具有运动副为低副，各元件间为面接触，构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度等优点。但在高速重载情况下，各元件间面接触会因正应力过大而增大摩擦，曲柄滑块机构在高速下往复运动的动量以及冲压机整机冲击和振动的能量难以平衡。袁永林等人公开的用于曲柄滑块机构的平衡滑块装置，只通过增加平衡滑块平衡冲击，并没有实现能量的有效利用。

综上所述，创新性地开发了一种利用滑块与曲轴实现输出轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器，能有效增加系统整体刚性和承载能力，提高运动机构的精度和稳定性，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，该方法可有效增强对应动力传动系统的整体刚性和承载能力，提高运动机构的精度和稳定性。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器。

本发明的技术方案为：一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，输入滑块直轴通过十字滑块带动输出滑块曲轴转动，输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的偏心自转；同时，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接，输出滑块曲轴转动时，两个曲柄驱动水平方形滑块和竖直方形滑块分别进行直线式往复运动，水平方形滑块和竖直方形滑块所产生的反作用力迫使输出滑块曲轴绕输入滑块直接的中心线进行等速反向的公转运动。

所述输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘，输出滑块曲轴在偏心系盘的约束下进行自转和公转，同时迫使偏心系盘做运动。更准确地说，偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转。

所述输出滑块曲轴转动时，水平方形滑块沿水平方向进行直线式往复运动，竖直方形滑块沿竖直方向进行直线式往复运动。

所述输出滑块曲轴进行自转的偏心量为e时，输出滑块曲轴轴线绕输入滑块直轴轴线公转的半径为e，水平方形滑块和竖直方形滑块进行直线式往复运动的运动幅度均为4e。

上述动力传动方法利用滑块与曲轴实现输出滑块曲轴的自转和公转。输入滑块直轴经十字滑块传动，使输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的旋转运动，但输出滑块曲轴在偏心量为e的偏心系盘的约束下运动。同时，输出滑块曲轴上带有两个以偏心量e反向布置的曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接(形成的曲柄滑块机构在高速下往复运动的动量得以平衡)，使输出滑块曲轴的旋转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速度相等的同向公转，驱动水平方形滑块做水平方向幅度为4e的直线往复运动，竖直方形滑块做竖直方向幅度为4e的直线往复运动。同时，由于水平方形滑块在竖直方向无相对运动，竖直方形滑块在水平方向无相对运动，分别表现为曲柄受反作用，从而带动输出滑块曲轴在竖直和水平方向上的运动，输出滑块曲轴的自转中心线的位移方向与曲柄旋转运动在竖直方向和水平方向上的分量相反，这样，水平方形滑块和竖直方形滑块对输出滑块曲轴在竖直和水平方向上力的叠加，迫使输出滑块曲轴的自转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速度相等的反向公转。同时，偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转。

本发明一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，包括输入滑块直轴、十字滑块、输出滑块曲轴、水平方形滑块和竖直方形滑块，输入滑块直轴、十字滑块和输出滑块曲轴依次连接，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接。

所述输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘。

沿输出滑块曲轴的轴线方向，水平方形滑块、竖直方形滑块和偏心系盘依次设于输出滑块曲轴的外周。

所述水平方形滑块的内侧通过第一轴承与输出滑块曲轴连接，水平方形滑块的上下两外侧分别设有第一滚动体；竖直方形滑块的内侧通过第二轴承与输出滑块曲轴连接，竖直方形滑块的左右两外侧分别设有第二滚动体。

所述十字滑块与输入滑块直轴的连接处和十字滑块与输出滑块曲轴的连接处分别设有第三滚动体。

所述输出滑块曲轴与十字滑块连接的一端带有推力传递盘，推力传递盘的一侧设有推力承载滚动靴座。

上述动力耦合器结构中，输入轴(即输入滑块直轴)采用滑块直轴，输出轴(即输出滑块曲轴)采用滑块曲轴；输出滑块曲轴上带有两个以偏心量e反向布置的曲柄(或输出滑块直轴上配装两个以偏心量e反向布置的偏心轴套)，各曲柄与水平方形滑块或竖直方形滑块形成的曲柄滑块机构在高速下往复运动的动量得以平衡；偏心系盘偏心量为e，迫使十字滑块对输出滑块曲轴进行偏心驱动；输出滑块曲轴上所设的滑块分为水平方形滑块和竖直方形滑块，分别做水平方向和竖直方向幅度为4e的直线往复运动，迫使偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转；利用与输出滑块曲轴固定并同轴自转与公转的推力传递盘将来自负载的轴向载荷通过在推力承载滚动靴座的环形滚道中的滚动体传递给推力承载滚动靴座；另外，十字滑块、水平方形滑块和竖直方形滑块的直线运动均为有滚动体(即上述第一滚动体、第二滚动体和第三滚动体)的滚动滑移。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器中，利用滑块与曲轴实现输出轴自转公转，该动力耦合器结构简单紧凑、承载能力强、传动效率高；相对于传统的以万向联轴器为主的传动机构，本动力耦合器能承受更大的轴向压力和偏载荷，有效提高连接转子的高速稳定性；同时可使偏心转子挤压系统的挤出压力不受限制，实现高分子材料高产量、大扭矩的直接成型制品的加工工艺。

本输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法及动力耦合器可应用于偏心转子挤出机，以解决在偏心转子挤出机在加工过程中传动系统随动公转时传动稳定性差、转子运转不稳定、转子与定子内腔磨损变形等问题。

附图说明

图1为本动力耦合器的原理示意图(主视图)。

图2为本动力耦合器的原理示意图(俯视图)。

图3为水平方形滑块的运动原理示意图(图中虚线为输出滑块曲轴的虚拟线，与第一轴承相接触之处为输出滑块曲轴上对应的曲柄)。

图4为竖直方形滑块的运动原理示意图(图中虚线为输出滑块曲轴的虚拟线，与第二轴承相接触之处为输出滑块曲轴上对应的曲柄)。

图5为本动力耦合器应用于偏心转子体积脉动形变塑化装置时的原理示意图。

图6为图5中偏心转子体积脉动形变塑化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，如图1或图2所示，输入滑块直轴1通过十字滑块2带动输出滑块曲轴3转动，输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的偏心自转；同时，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块4连接，另一个曲柄与竖直方形滑块5连接，输出滑块曲轴转动时，两个曲柄驱动水平方形滑块和竖直方形滑块分别进行直线式往复运动，水平方形滑块和竖直方形滑块所产生的反作用力迫使输出滑块曲轴绕输入滑块直轴的中心线进行等速反向的公转运动。输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘6，输出滑块曲轴在偏心系盘的约束下进行自转和公转。输出滑块曲轴转动时，水平方形滑块沿水平方向进行直线式往复运动，竖直方形滑块沿竖直方向进行直线式往复运动。输出滑块曲轴进行自转的偏心量为e时，输出滑块曲轴轴线绕输入滑块直轴轴线公转的半径为e，水平方形滑块和竖直方形滑块进行直线式往复运动的运动幅度均为4e。

上述动力传动方法利用滑块与曲轴实现输出滑块曲轴的自转和公转。输入滑块直轴经十字滑块传动，使输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的旋转运动，但输出滑块曲轴在偏心量为e的偏心系盘的约束下运动。同时，输出滑块曲轴上带有两个以偏心量e反向布置的曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接(形成的曲柄滑块机构在高速下往复运动的动量得以平衡)，使输出滑块曲轴的旋转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速度相等的同向公转，驱动水平方形滑块做水平方向幅度为4e的直线往复运动，竖直方形滑块做竖直方向幅度为4e的直线往复运动。同时，由于水平方形滑块在竖直方向无相对运动，竖直方形滑块在水平方向无相对运动，分别表现为曲柄受反作用，从而带动输出滑块曲轴在竖直和水平方向上的运动，输出滑块曲轴的自转中心线的位移方向与曲柄旋转运动在竖直方向和水平方向上的分量相反，这样，水平方形滑块和竖直方形滑块对输出滑块曲轴在竖直和水平方向上力的叠加，迫使输出滑块曲轴的自转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速度相等的反向公转。同时，偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转。

用于实现输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，如图1、图2所示，包括输入滑块直轴1、十字滑块2、输出滑块曲轴3、水平方形滑块4和竖直方形滑块5，输入滑块直轴、十字滑块和输出滑块曲轴依次连接，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接。输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘6。

沿输出滑块曲轴的轴线方向，水平方形滑块、竖直方形滑块和偏心系盘依次设于输出滑块曲轴的外周。

水平方形滑块的内侧通过第一轴承7与输出滑块曲轴连接，水平方形滑块的上下两外侧分别设有第一滚动体9；竖直方形滑块的内侧通过第二轴承8与输出滑块曲轴连接，竖直方形滑块的左右两外侧分别设有第二滚动体10。具体结构为：输出滑块曲轴与第一轴承/第二轴承的内圈固定连接，第一轴承/第二轴承的外圈与水平方形滑块/竖直方形滑块的中心孔连接。水平方形滑块的上下两侧可左右滑移地安装在动力耦合器的机架上，竖直方形滑块的左右两侧可上下滑移地安装在动力耦合器的机架上。假设从静止开始运动时，输出滑块曲轴的自转中心线位于公转轨迹顶部，且顺时针自转。接下来，输出滑块曲轴在竖直方向上向下移动，自顶至底，与水平方形滑块对应的曲柄有向左的趋势，带动水平方形滑块的左移(如图3所示)。同时，输出滑块曲轴顺时针自转，与竖直滑块对应的曲柄有向右的趋势，受竖直方形滑块的反作用，输出滑块曲轴在水平方向上先向左，再向右，回到竖直方形滑块的中心位置(如图4所示)。这样，竖直位移和水平位移相叠加，水平方形滑块和竖直方形滑块迫使输出滑块曲轴的自转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速度相等的反向公转。

十字滑块与输入滑块直轴的连接处和十字滑块与输出滑块曲轴的连接处分别设有第三滚动体11。

输出滑块曲轴与十字滑块连接的一端带有推力传递盘12，推力传递盘的一侧设有推力承载滚动靴座13。

上述动力耦合器结构中，输入轴(即输入滑块直轴)采用滑块直轴，输出轴(即输出滑块曲轴)采用滑块曲轴；输出滑块曲轴上带有两个以偏心量e反向布置的曲柄(或输出滑块直轴上配装两个以偏心量e反向布置的偏心轴套)，各曲柄与水平方形滑块或竖直方形滑块形成的曲柄滑块机构在高速下往复运动的动量得以平衡；偏心系盘偏心量为e，迫使十字滑块对输出滑块曲轴进行偏心驱动；输出滑块曲轴上所设的滑块分为水平方形滑块和竖直方形滑块，分别做水平方向和竖直方向幅度为4e的直线往复运动(如图3和图4所示)，迫使偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转；利用与输出滑块曲轴固定并同轴自转与公转的推力传递盘将来自负载的轴向载荷通过在推力承载滚动靴座的环形滚道中的滚动体传递给推力承载滚动靴座；另外，十字滑块、水平方形滑块和竖直方形滑块的直线运动均为有滚动体(即上述第一滚动体、第二滚动体和第三滚动体)的滚动滑移。

该动力耦合器可通过电机、液压马达等动力装置直接驱动，动力经输入滑块直轴输入，驱动十字滑块转动，动力经动输出滑块曲轴使输出滑块曲轴在偏心量为e的偏心系盘约束下做偏离输入滑块直轴e并与输入滑块直轴等速同向的旋转运动；同时，迫使偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转，即：输出滑块曲轴的自转中心线绕输入滑块直轴的旋转中心线做半径为e、速相等的反向公转，并且可承受轴向载荷。

实施例2

将实施例1的动力耦合器应用于偏心转子体积脉动形变塑化输运装置，如图5所示，通过连接件14连接组合形成挤出机，A为动力耦合器，B为偏心转子体积脉动形变塑化输运装置，其中偏心转子体积脉动形变塑化输运装置是申请号为201410206552.8的专利申请中所公开的偏心转子体积脉动形变塑化输运装置，其具体结构如图6所示，偏心转子16设于定子15的内腔中，使用时，本动力耦合器的输出滑块曲轴作为动力输出轴，产生自转与等速反向公转(如实施例1所述)，带动偏心转子在定子中自转与等速反向公转运动，由于偏心转子自转与等速反向公转时在定子内腔中滚动，偏心转子与定子之间的空间体积沿定子的轴向和径向交替地周期性变化，定子和转子之间的物料被周期性压缩与释放时承受体积脉动形变作用，完成包括固体压实、排气、熔融塑化、混合混炼、熔体输送的塑化输运过程。本动力耦合器与偏心转子塑化输运装置组合形成的挤出机，结构简单紧凑、承载能力强、传动效率高；本动力耦合器能承受更大的轴向压力和偏载荷，有效提高连接转子的高速稳定性；同时可使挤压系统的挤出压力不受限制，实现高分子材料高产量、大扭矩的直接成型制品的加工工艺。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，其特征在于，输入滑块直轴通过十字滑块带动输出滑块曲轴转动，输出滑块曲轴进行与输入滑块直轴等速同向的偏心自转；同时，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接，各曲柄与水平方形滑块或竖直方形滑块形成曲柄滑块机构，输出滑块曲轴转动时，两个曲柄驱动水平方形滑块和竖直方形滑块分别进行直线式往复运动，水平方形滑块和竖直方形滑块所产生的反作用力迫使输出滑块曲轴绕输入滑块直轴的中心线进行等速反向的公转运动。

2.根据权利要求1所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，其特征在于，所述输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘，输出滑块曲轴在偏心系盘的约束下进行自转和公转，同时迫使偏心系盘做与输入滑块直轴速度相等的反向旋转。

3.根据权利要求1所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，其特征在于，所述输出滑块曲轴转动时，水平方形滑块沿水平方向进行直线式往复运动，竖直方形滑块沿竖直方向进行直线式往复运动。

4.根据权利要求1所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力传动方法，其特征在于，所述输出滑块曲轴进行自转的偏心量为e时，输出滑块曲轴轴线绕输入滑块直轴轴线公转的半径为e，水平方形滑块和竖直方形滑块进行直线式往复运动的运动幅度均为4e。

5.一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，包括输入滑块直轴、十字滑块、输出滑块曲轴、水平方形滑块和竖直方形滑块，输入滑块直轴、十字滑块和输出滑块曲轴依次连接，输出滑块曲轴上带有反向布置的两个曲柄，一个曲柄与水平方形滑块连接，另一个曲柄与竖直方形滑块连接，各曲柄与水平方形滑块或竖直方形滑块形成曲柄滑块机构，水平方形滑块的内侧通过第一轴承与输出滑块曲轴连接，竖直方形滑块的内侧通过第二轴承与输出滑块曲轴连接。

6.根据权利要求5所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，所述输出滑块曲轴的输出端设有偏心系盘。

7.根据权利要求6所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，沿输出滑块曲轴的轴线方向，水平方形滑块、竖直方形滑块和偏心系盘依次设于输出滑块曲轴的外周。

8.根据权利要求5所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，所述水平方形滑块的上下两外侧分别设有第一滚动体；竖直方形滑块的左右两外侧分别设有第二滚动体。

9.根据权利要求5所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，所述十字滑块与输入滑块直轴的连接处和十字滑块与输出滑块曲轴的连接处分别设有第三滚动体。

10.根据权利要求5所述一种输出滑块曲轴自转公转的动力耦合器，其特征在于，所述输出滑块曲轴与十字滑块连接的一端带有推力传递盘，推力传递盘的一侧设有推力承载滚动靴座。