曲柄等距固接双连杆发动机的结构设计

曲柄-等距固接双连杆发动机有3种结构方案。

第一种是曲柄-等距固接双连杆-滑块机构，如图11（a）所示。该机构通过类似曲轴形状的固接双连杆AC-BC′与滑块结合的方案，该方案的主要由带滑块的活塞连接杆1，导轨，执行自转加公转复杂运动的固接双连杆AC-BC′（2），以角速度ω绕轴线OO′旋转的曲柄OC和O′C′，曲柄OC和O′C′的动力输出齿轮3、7，带齿轮4、6的同步传递力矩连接轴5组成，齿轮3与齿轮4啮合，齿轮7与齿轮6啮合。

为保持机构平稳运动，各零件的尺寸公差要在规定的范围，零件尺寸有如下特征：AC=BC=OC=O′C′=r=S/4，其中S为活塞行程。

对气缸夹角γ=90°的四缸发动机，固接双连杆AC-BC′有两个导向滑块，两端分别与两个曲柄连接，其形状如同曲柄连杆机构发动机的曲轴，因此也称为固接双连杆轴，但与曲柄连杆机构发动机的曲轴相比，固接双连杆轴的曲柄半径只有曲柄连杆机构发动机曲轴的一半，而且具有完善的运动学和动力学特性。

固接双连杆轴的轴颈A和B，如同曲柄连杆发动机曲轴的连杆轴颈，与活塞连接杆1的中部用轴承连接。轴颈A和B（也叫连接杆轴颈）与曲柄轴颈C布置在同一平面，彼此相对；当γ≠90°时，连接杆轴颈A和B与曲柄轴颈C布置在夹角为β=2γ的两个平面上，如图6所示。

固接双连杆轴的连接杆轴颈与对应的活塞连接杆一起沿各自的气缸中心线作往复直线运动，同时，固接双连杆轴以ωC=-ω的角速度绕自己的轴心自转。

固接双连杆轴的连接杆轴颈A和B在连接杆轴孔内的相对角速度为ω。

固接双连杆轴的两端为支撑轴颈C和C′，如同曲柄连杆发动机曲轴两端的主轴颈，安装在前、后曲柄OC和O′C′对应位置C和C′的轴承内，CC′绕轴OO′旋转。同时固接双连杆轴两端的支撑轴颈C和C′相对于曲柄OC和O′C′的轴线CC′以ωC的角速度自转，完成圆周运动。曲柄OC和O′C′以这样的方式旋转，并可输出有效转矩。

图11　曲柄-等距固接双连杆发动机的结构方案

曲柄OC和O′C′以角速度ω绕轴线OO′旋转，固接双连杆轴一方面随轴线CC′以角速度ω公转，又以ωC=-ω的角速度绕自己的轴心CC′自转。固接双连杆轴两端的支撑轴颈相对于曲柄的角速度为2ω，固接双连杆轴2本身不直接对外输出有效转矩。

固接双连杆轴的连接杆轴颈中心与支撑轴颈中心之间轴心距很小，等于1/4活塞行程，因此传递发动机扭矩的固接双连杆轴2不仅可以减小机构设计要考虑的尺寸和质量，对多缸排发动机来讲，还有利于设计整体轴2和活塞杆，从而大大简化设计，并改善发动机的可靠性。

在固接双连杆轴的支撑轴颈驱动的曲柄OC和O′C′之间采用同步连接轴5，由齿轮4、3、6、7连接曲柄OC和O′C′，以防止曲柄OC和O′C′错位。

发动机运行期间，两个曲柄的负载不断变化且不相等，同步连接轴保证锁定曲柄OC和O′C′的相对位置，保证它们旋转的同步性和轴承C和C′的同轴性、两个支撑轴颈的同轴性。

同时，同步连接轴5把固接双连杆轴的扭矩传递到直接输出发动机扭矩的曲柄OC或O′C′，并以这种方式部分承担固接双连杆轴的载荷。

第二种是曲柄-等距固接双连杆-内齿轮机构，如图11（b）所示，该机构是没有同步连接轴的曲柄固接双连杆机构。

在这个机构中，固接双连杆轴的支撑轴颈部C和C′分别安装在圆柱齿轮8和10的中心，齿轮8和10的节圆半径为r，等于所述活塞的冲程的1/4。在曲轴箱上布置有两个与齿轮8和10啮合的内齿轮9和11，内齿轮节圆半径为2r，两个内齿轮的中心正好与曲柄转动轴OO′重合。

发动机运行期间，齿轮8和10与相应的固定内齿轮9和11啮合来实现曲柄位置的相对固定和旋转同步。

当发动机工作时，齿轮8和10在直径大2倍的固定中心圆柱内齿轮内无滑动地滚动。在这种情况下（参见图3），固接双连杆轴的连接杆轴颈中心点A和B位于移动齿轮的节圆上（这样AC=r=BC），与作往复直线运动的活塞-连接杆一起直线运动，直线分别通过点A或点B和固定内齿轮中心O。(www.xing528.com)

在这种机构中，滑块与导向轨就不需要了，发动机的反向转矩通过齿轮8、9和10、11传递到曲轴箱，绕过了气缸-活塞组。

该方式可动齿轮分度圆上点的轨迹与固接双连杆轴的连接杆轴颈的轨迹跟带滑块和导轨的连接杆轴颈的轨迹可用同样的公式描述。

图12所示为没有同步连接轴、滑块与导轨的曲柄-等距固接双连杆-内齿轮发动机结构方案。

从图11（b）和图12可以看出，对使用这些机构的发动机，假设所有的机构元件和机体是纯刚性的，理论上，在活塞运动副的接触面上完全没有侧向力，所以它的机械效率应能达到最大值。

然而，尽管这个方案有这些优点，但它在真的发动机上应用时出现了许多困难。

由图12可见，曲轴要传递发动机的全部扭矩，又缺少滑块和导轨之类的中间支撑件，曲轴中间不连续，是沿长度方向具有不同弹性的梁，受到弯矩的作用增加。

由于机构元件的弹性变形以及运动副中不可避免的间隙、齿轮8与9和10与11的啮合间隙的存在，如果要求发动机的高速性能和机构元件轻量化，则保持正常工作时各轴承和轴颈必需的同轴度问题变得很复杂。

由于存在这些不利的情况，要求在获得单位功率的燃气压力、运动件的惯性力、机构降低载荷与运动副间摩擦之间寻求最佳平衡。

此外，没有了滑块、导轨，缸体中的活塞-连接杆的同心度受到干扰，连接杆轴承与轴颈出现摩擦力，活塞与气缸壁也会出现侧向力和摩擦力。

图12　没有同步连接轴、滑块与导轨的曲柄-等距固接双连杆-内齿轮发动机结构方案

发动机满扭矩时曲轴的承载能力、齿轮8与10[图11（b）和12]的分度圆半径r的初始限制，即r必须等于活塞冲程的1/4，使研制多缸大功率短行程发动机变得很复杂。由于这些条件的限制，按强度设计的曲轴齿轮与支撑轴承的直径比与之连接的齿轮8与10的直径要大很多。此外，在双向作用的发动机中，难以实现冷却油对所有活塞的平行供油，不能使之具有一样的冷却条件，活塞环与气缸壁的润滑也是这样。还有，难以安排冷却活塞后被加热的机油自主流出的活塞油道，以便机油不会落入机构的轴承。

由于这些原因，曲柄-等距固接双连杆-内齿轮机构与曲柄-等距固接双连杆-滑块机构相比，使用与实现的空间缩小了，因为活塞的行程与其直径的比值、最大功率、最高速度、气缸数量都受限。此外，发动机的总体尺寸指标和发动机寿命也降低了。

图11（c）所示为第三种方案，称为曲柄-等距固接双连杆-双偏心轮方案，其主要由等距固接双连杆构件ACB与一对偏心轮12构建，在形状上杆OC具有如曲轴13的形式，在运动学和载荷上类似于传统曲柄连杆发动机的曲轴，但曲柄半径为其1/2。

应用偏心机构能显著减小发动机的纵向尺寸，可采用整体的曲轴设计来保证正常工作时曲轴13和偏心轮12轴颈的同轴度，并且不需要使用同步连接轴[图11（a）]或内齿轮[图11（b）]机构。

然而，如果采用双偏心轮方案，与第一[图11（a）]和第二种[图11（b）]方案比，当活塞行程一定时，活塞连接杆轴承直径显著增加，轴承摩擦表面的滑动速度增加，活塞连接杆的轴承直径与长度比值增加，所以双偏心轮机构方案只可在短行程、低功率的发动机上最有效地应用。

还应该考虑到，在后两个机构方案中，曲轴承受与传递发动机的全部转矩，并像传统曲柄连杆机构发动机的曲轴一样受到扭转振动。

研究表明，上述设计方案都可用于制造发动机。对于中、高功率发动机，在结构与工艺、动力性、质量和运行指标等方面，包括可靠性和使用寿命，最可取的方案为曲柄-等距固接双连杆-滑块机构。在研发和制造全尺寸发动机时证实了这一观点。所有绘制并成功通过试验的曲柄-等距固接双连杆-滑块机构发动机都具有足够的强度。