CN111457067B - 凸轮共轴的正弦运动机构及采用其的设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种凸轮共轴的正弦运动机构及采用其的设备，该机构通过偏心圆凸轮轴与往复运动杆的配合实现往复直线运动与旋转运动的转换，该机构包括偏心圆凸轮轴，往复运动杆，运动约束机体，曲轴。本机构的运动合理，只有旋转离心力，没有高阶抖动，极易平衡，无振动，机械效率及容积效率高，能耗利用率高，减少排放，节能效果好。

Description

凸轮共轴的正弦运动机构及采用其的设备

技术领域

本发明涉及共轭的正弦往复旋转运动机构，具体为一种凸轮共轴的正弦运动机构，同时，本发明还涉及采用凸轮共轴的正弦运动机构的设备。

背景技术

现有技术中，旋转与往复直线运动的转换机构通常为曲柄连杆机构，但曲柄连杆机构缺点明显，由于曲柄连杆的结构特点，连杆运动过程中存在侧压力，机械效率和容积效率低，对于曲柄连杆机构的改进研究已获得诸多进展，但现有的改进机构仍然存在如下问题：机构运动过程中震动难以平衡，存在高阶抖动，平衡机构复杂；高速运动时气缸高低压回流现象严重。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种共轭的正弦往复旋转运动机构，旋转往复转换侧压合力为零，在往复运动机构的两端没有侧压，机械效率高。

为实现上述目的，本发明采取下述方案：

凸轮共轴的正弦运动机构包括：偏心圆凸轮轴，往复运动杆，运动约束机体，曲轴。所述偏心圆凸轮轴由3个偏心圆凸轮在一个旋转轴上均布成120°构成，该凸轮轴可以是独立零件，也可以是组合部件。所述往复运动杆被设置为：每一个凸轮对应一个往复运动杆，杆中部具有与偏心圆凸轮配合的孔，该杆可以是滑块结构，也可以是滑塞结构，也可以与不同的功能及用途所需求的部件组成组件及部件，往复运动杆能够在运动约束机体内作往复直线运动。所述运动约束机体由与杆数量对应的限制往复运动杆运动轨迹及位置、用于限制旋转主轴位置和其它不同功能附件安装所形成的机体构成，运动约束机体可以是机架形式的开放结构，也可以是曲轴箱形式的六柱塞或活塞星型60°布局封闭结构。所述曲轴包括输入-输出轴、曲柄、曲柄轴和同步轴，曲轴为整体零件或组合部件。输入-输出轴和曲柄轴上分别设置曲柄，同步轴设置于两曲柄之间且与曲柄固定连接。运动约束机体与曲柄轴、输入-输出轴间活动连接，曲轴能够在运动约束机体内旋转。由偏心圆凸轮轴，往复运动杆，运动约束机体及曲轴组成完整的共轭运动机构。

凸轮共轴的正弦运动机构的组合方式为：偏心圆凸轮轴套在输入-输出轴的同步轴上与同步轴同轴，偏心圆凸轮轴直接与曲柄间产生作用力；曲柄与偏心圆凸轮轴、输入-输出轴、曲柄、往复运动杆组成组合式曲柄凸轮轴部件，偏心圆凸轮轴与曲柄活动连接，例如通过轴承连接，组合式曲柄凸轮轴部件的传力链为：输入-输出轴→曲柄→偏心圆凸轮轴→往复运动杆或反向。3个往复运动杆中部的孔径与偏心圆凸轮轴的3个偏心圆凸轮的直径配合，偏心圆凸轮能够在往复运动杆中部的孔内作旋转运动。运动约束机体与曲柄轴、输入-输出轴间活动连接，曲轴能够在运动约束机体内旋转。偏心圆凸轮轴、曲柄、同步轴、往复运动杆组合后与运动约束机体相配合于相应的运动约束及其他功能配件、部件组成完整的共轭运动结构。

本发明机构可制成不同的设备，如：空压机、水泵、内燃机等等需要往复运动与旋转运动的相互转换的运动机构及设备。

本发明机构的工作方式为：运动约束机体设计成发动机机体结构时往复运动杆的两端为活塞，燃料爆燃气体压力作用到活塞上在气缸体的约束下推动活塞运动，活塞往复运动的受力传递到偏心圆凸轮轴的偏心凸轮，套在同步轴上的偏心圆凸轮轴在随活塞往复运动的同时在活塞杆中部的孔和曲柄轴孔的共同约束下做旋转运动。偏心圆凸轮轴来自活塞的推力作用到曲柄上推动曲轴旋转做功，曲轴旋转方向与凸轮轴旋转方向相反，运动方向唯一。当该结构应用于空压机等类似工作原理的设备时，偏心圆凸轮轴机构的工作方式与上述工作方式互逆，即由曲轴的旋转带动活塞的往复运动。

本发明机构的运动关系：

因为同时存在曲轴的曲柄半径R及偏心圆凸轮的偏心距e所以活塞的冲程是曲柄半径和偏心圆凸轮的偏心距e的2倍，即冲程＝(R+e)×2，本机构中的偏心圆凸轮的偏心距e＝曲柄半径R，所以冲程＝4R。因为偏心圆凸轮轴为一个刚性零件或部件，3个均布的偏心凸轮同时配合3组活塞杆共同运动所以不存在活塞杆运动死点。因为活塞杆只做往复运动传力，没有将往复运动变为旋转运动的功能，往复运动转换旋转运动是由曲轴与偏心圆凸轮轴在往复运动杆及运动约束机体的约束下的互逆旋转完成的，与曲轴连杆机构有根本的不同。在两个偏心互逆运动下形成完整的一个正玄机构，运动轨迹与正弦曲线完全重合。本机构中，往复运动杆推动曲轴运动或曲轴带动往复运动杆运动可以互逆。

有益效果

本发明将偏心凸轮轴应用在曲轴上与往复运动杆组成曲柄凸轮轴机构，偏心圆凸轮轴的作用力直接作用到曲柄上或曲柄的作用力直接作用到偏心圆凸轮轴上，同步轴没有受力传力作用。本发明的共轭正弦往复旋转运动机构中，往复旋转运动中侧压力合力为零，在往复运动杆的两端没有侧压，机械效率高。通过偏心圆凸轮轴与曲轴的配合，使本机构的结构紧凑，零件数量少，体积小，重量轻，节约原材料。本机构的运动合理，只有旋转离心力，没有高阶抖动，极易平衡，无振动，机械效率及容积效率高，能耗利用率高，减少排放，节能效果好。本机构的固有特点及合理性在制成的设备中噪音明显减少，可显著降低噪音污染。

附图说明

图1为机构的爆炸图

图2为机构的结构原理图

图3为偏心圆凸轮轴的具体结构图

图4为往复运动杆的具体结构图

图5为运动约束机体的具体结构图

图6为输入-输出轴的具体结构图

图7为曲柄轴的具体结构图

附图标记：1-曲柄轴，2-运动约束机体，3-往复运动杆，4-偏心圆凸轮轴，5-输入-输出轴，6-同步轴，7、11-曲柄，8、12-平衡配重，9-主轴支撑，10-曲柄轴，13-偏心圆凸轮1，14-偏心圆凸轮2，15-偏心圆凸轮3，16-直线运动摩擦副

具体实施方式

本实施例中，往复运动杆为活塞杆，如图1所示，凸轮共轴的正弦运动机构包括：偏心圆凸轮轴4，往复运动杆3，运动约束机体2，曲轴；曲轴包括输入-输出轴5、曲柄(7、11)、曲柄轴1和同步轴6。偏心圆凸轮轴4套在输入-输出轴5的同步轴6上与同步轴6同轴，同步轴6设置于两曲柄之间且与曲柄(7、11)固定连接；往复运动杆3能够在运动约束机体2内作往复直线运动。运动约束机体2与曲柄轴1、输入-输出轴5间活动连接，曲轴能够在运动约束机体内旋转。曲柄(7、11)与偏心圆凸轮轴4及输入-输出轴5组成组合式曲柄凸轮轴部件，偏心圆凸轮轴4与曲柄(7、11)通过轴承活动连接，组合式曲柄凸轮轴部件的传力链为：往复运动杆3→偏心圆凸轮轴4→曲柄(7、11)→输入-输出轴5或反向。3个往复运动杆的孔径与偏心圆凸轮轴4的3个偏心圆凸轮的直径配合，偏心圆凸轮(13、14、15)能够在往复运动杆的孔内作旋转运动。偏心圆凸轮轴4、曲柄(7、11)、同步轴6、往复运动杆3组合后与运动约束机体2相配合组成完整的共轭运动结构。组合好后的机构如图2所示，该机构工作原理为：燃料爆燃气体压力作用到活塞上在气缸体的约束下推动活塞运动，活塞往复运动的受力通过活塞杆传递到偏心圆凸轮轴4的偏心圆凸轮，套在同步轴6上的偏心圆凸轮轴4在随活塞往复运动的同时在活塞杆中部的孔和曲柄孔的共同约束下做旋转运动。偏心圆凸轮轴4将活塞的推力作用传递到曲柄上推动曲轴旋转做功，曲轴旋转方向与凸轮轴旋转方向相反，运动方向唯一。

各部件的具体结构为：如图3所示，所述偏心圆凸轮轴4由3个偏心圆凸轮(偏心圆凸轮1、偏心圆凸轮2和偏心圆凸轮3)在一个旋转轴上均布成120°构成，每个偏心圆凸轮的偏心距为e，凸轮轴内径为φd2，凸轮轴外径为φd1，偏心圆凸轮的直径为φD2，该凸轮轴可以是独立零件，也可以是组合部件。如图4所示，每一个凸轮对应一个往复运动杆，杆两端为直线运动摩擦副16，具体为活塞，杆中部具有与偏心圆凸轮(13、14、15)的直径φD2配合的孔，孔径为φD1。如图5所示，运动约束机体2是活塞星型60°布局的曲轴箱。曲轴包括输入-输出轴5、曲柄(7、11)、曲柄轴1和同步轴6，曲轴为组合部件。由偏心圆凸轮轴4，往复运动杆3，运动约束机体2及曲轴组成完整的共轭运动机构。如图6所示，输入输出轴5包括主轴支撑9、平衡配重8、曲柄7和同步轴6，平衡配重8具有偏心距e，曲柄7上具有与偏心圆凸轮轴4外径φd1配合的直径为φD的曲柄孔，曲柄孔内同心设置同步轴6，同步轴6仅起同步作用，不受偏心圆凸轮轴4的推力作用。如图7所示，曲柄轴包括主轴支撑10、曲柄11、平衡配重12，平衡配重具有偏心距e，曲柄11上具有与偏心圆凸轮轴4外径φd1配合的直径为φD的曲柄孔。本实施例中的偏心圆凸轮的偏心距e＝曲柄半径R，活塞冲程＝4R。

本机构通过套设在曲轴的同步轴上的偏心圆凸轮轴4与往复运动杆3的配合实现了往复直线运动与旋转运动的转换，在往复运动杆的两端没有侧压，3个均布的偏心凸轮(13、14、15)同时配合3组活塞杆共同运动所以不存在活塞杆运动死点，本机构的结构紧凑，零件数量少，体积小，重量轻，节约原材料。本机构的运动合理，只有旋转离心力，没有高阶抖动，极易平衡，无振动，机械效率及容积效率高，能耗利用率高，减少排放，节能效果好。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种凸轮共轴的正弦运动机构，包括：偏心圆凸轮轴，往复运动杆，运动约束机体，曲轴，其特征在于：所述曲轴包括输入-输出轴、曲柄、曲柄轴和同步轴，输入-输出轴和曲柄轴上分别设置曲柄，同步轴设置于两曲柄之间且与曲柄固定连接，所述偏心圆凸轮轴由3个偏心圆凸轮在一个旋转轴上均布成120°构成，所述偏心圆凸轮轴套在输入-输出轴的同步轴上与同步轴同轴，且与曲柄活动连接，偏心圆凸轮轴直接与曲柄间产生作用力；所述往复运动杆与偏心圆凸轮轴中的偏心圆凸轮一一对应，往复运动杆中部具有与偏心圆凸轮配合的孔，3个往复运动杆中部的孔径与偏心圆凸轮轴的3个偏心圆凸轮的直径配合，偏心圆凸轮能够在往复运动杆中部的孔内作旋转运动，往复运动杆能够在运动约束机体内作往复直线运动；所述运动约束机体由与往复运动杆数量对应的限制往复运动杆运动轨迹及位置、用于限制旋转主轴位置和其它不同功能附件安装所形成的机体构成，所述运动约束机体与曲柄轴、输入-输出轴间活动连接，曲轴能够在运动约束机体内旋转；往复运动杆为滑块结构或滑塞结构；运动约束机体是机架形式的开放结构、曲轴箱形式的六柱塞或活塞星型60°布局封闭结构。

2.根据权利要求1中所述的机构，其特征在于：偏心圆凸轮轴为独立零件或组合部件。

3.一种采用凸轮共轴的正弦运动机构的设备，其特征在于，包括权利要求1-2中任一项所述的机构。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：该设备为空压机、水泵或内燃机。