CN1651720B

CN1651720B - 往复式机械

Info

Publication number: CN1651720B
Application number: CN2004100822394A
Authority: CN
Inventors: 彼得·库恩
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; LuK Fahrzeug Hydraulik GmbH and Co KG; Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Obrist Engineering GmbH; LuK Fahrzeug Hydraulik GmbH and Co KG; Hanon Systems Corp
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: CN1651720A; US7273004B2; DE10356373A1; US20050120984A1; EP1553291A2; JP4523394B2; EP1553291B1; JP2005163792A; EP1553291A3; ATE425358T1; DE502004009129D1

Abstract

径向活塞式或往复式发动机(1)具有环状分布的径向设置的活塞气缸单元(2，3)。活塞(2)的向外冲程由共用偏心轴(12)的凸轮(11)控制，而其向内冲程则由一控制环(16)控制，该控制环与各个活塞(2)的横向凹槽(17)啮合，该凹槽沿切向形成且与控制环(16)的横截面形状相适应。凹槽(17)以活塞(2)的基壁为边界，控制环(16)通过内控制面(20)与该基壁滑动接触。活塞(2)是中空的，且膜片阀的膜片支承在其表面上。因此，往复式活塞(1)具有一相当紧凑的结构，能承受高载荷，因此其特别适合用作车辆的CO₂空气调节系统的压缩机。

Description

往复式机械

本发明涉及种往复式或径向活塞发动机，其具有环状并列分布、径向设置的活塞气缸单元和一根延伸通过发动机壳体的偏心轴，该壳体密封住所述气缸，其偏心轮或凸轮控制活塞的向外冲程，活塞的向内冲程由一和活塞相啮合的共用控制环控制。

EP88677公开了一种往复式发动机，其活塞由一凸轮径向向外驱动。在这种发动机中只有活塞的向外冲程是由一偏心轮机械控制的，并借助于一包含偏心轮的滚珠轴承来进行控制，然而向内冲程就只能通过由所述行程运动产生的弹簧的弹力来驱动，以使得活塞与滚珠轴承的外环保持接触。这样一种弹簧尤其容易受不利因素的影响，进而使其设置不利地影响发动机的尺寸。此外，需更一定的间隙空间以用于将其安装到气缸区域内，因为在向外冲程中是要防止介质的完全膨胀的。

GB2225614(JP2188678)公开了两个相对的活塞的返程运动的实施例，所述活塞由一穿过一横向连接环的一对横向延伸部分的凸轮向外驱动，其与加有预定载荷的弹簧相连接，且以交叉方式连接到一延伸到外壳区域上的内活塞端部的凹槽中。因此，所述活塞并不能在相应气缸的整个长度上滑动，且容纳连接弹簧和从气缸中伸出的活塞端部所需的空间，阻止了发动机形成紧凑的结构。而且，由于可伸缩的结构，连接弹簧的横向延伸，该发动机只能适合用作具有较低的运转速度的泵。

从AT394892中可知，可通过一凸轮来单独控制彼此成环形分布的各活塞的冲程运动，因为所述活塞借助于一球端以铰接方式啮合，所述球端设置在包括凸轮的环状控制体内的径向内端上。由于这种在包含凸轮的环状控制体和特定的活塞之间的机械连接的结构，所以这样一种活塞控制具有一会阻止紧凑结构的间隙需要，进而控制体的机械连接使得结构变得更复杂。

最后从US3259074(DE1453663)中可知，可用一共用的连接环来提供相对活塞组的返程运动，该连接环沿横向与活塞的周向槽相啮合。借助于一个连接环来进行两个相对的等轴活塞组的连接可以由这样一种连接来形成，即使其可横向分布在第二活塞组中，分布在连接环的四个互相成90度的滑动表面上。由于其与凸轮的接触及在活塞长度中间部分与连接环的连接，因此使得所述活塞具有一较大的长度，并因此使发动机具有较大的径向尺寸。共同决定了发动机尺寸的连接环尺寸由在一个较大的环形通道中对连接环的接收和安装引起，所述通道在整个气缸体圆周上延伸。所述环形通道还用于容纳一阻挡件，其用于阻止连接环从活塞环形槽中横向脱出。由于较大连接环尺寸的结果，这样一种发动机还是不适合用于高的运转速度，其中对于所述尺寸，还设置连线结构。

本发明的问题是找到一种如前所述类型的往复式发动机，其具有十分紧凑的结构，只需要很少的、易于生产和安装的部件，其还可用作一CO₂空气调节系统的压缩机，在高压下具有高性能规格和高旋转速度。根据本发明，上述问题可通过权利要求1的特征部分的技术特征来解决。本发明的优选实施例可从所附的权利要求和相对附图的描述中获得，其中：

图1是根根据本发明的往复式发动机的轴向截面图。

图2是沿图1中II-II线截取的围绕活塞轴的截面图。

图3是根据图2所示的活塞结构的两个相邻活塞的透视图，且控制环的周向区域和所述活塞相啮合。

图4是设置在活塞和气缸盖上的止回阀的膜片阀的平面图。

图5是图1中V区域内的放大图。

图6是根据图1和图2的往复式发动机的控制环的侧视图。

图7是根据图1和图2的往复式发动机的五个活塞中任意一个的放大轴向截面图，其中有旋转进气的图示表示。

径向活塞或往复式发动机1优选为具有奇数个，例如五个活塞气缸单元2，3，由于在实心材料中形成有五个径向分布的引导话塞2的缸膛5，因此上述活塞环状并列设置在发动机外壳5的一个共用的、相对较浅的壳体4中。

如图2所示，为节省材料最好将壳体4沿径向构造，并在其外表上设置五个法兰面6，以用于排气阀7和密封排气管8的气缸盖9的紧固安装。

在朝向壳体4的中心端，缸膛3终止于一个小的相对于偏心轴12设置在中心处的圆形齿轮间隙10中，且其中偏心轴12的偏心轮或凸轮11用一包含偏心轮的滚珠轴承13来进行旋转运动。

滚珠轴承13的外环14，例如可以构造为一滚针轴承，和与其相对的活塞2的内端面15常时接触，使得凸轮11的旋转运动依次驱动活塞2径向向外运动，以执行其向外冲程。

因为多边形控制环和每个活塞2的一个横向凹槽17都相啮合，所以五个活塞2的向内冲程的驱动可由多边形控制环16来连接。由于每个话塞2的向外冲程依次对应于凸轮11的旋转运动，所以作为连接的结果，控制环16会被向外拉，因此会带动与其径向相对的活塞向内拉，这样所述活塞就执行了其向内冲程。

活塞槽17成形为可以在割线方向滑动的缺口，且与控制环16的横截面形状相配合，且具有互相平行的表面。从活塞2的内端面15，凹槽17具有一最小的间隙，该间隙与活塞2的基壁18的厚度相应，作为在气缸3内的圆柱滑动面的横向中断，其优选构造为中空体，且构造在活塞2的限定的圆周区域上。这样会具有如下优点，即活塞能在气缸3内在其整个长度上无间断地滑动，至少在其较大的一端不会被凹槽17间断，并且在圆周方向上具有明显大于180°的弧度。

很明显，活塞2的凹槽17和相应的控制环16，可以和所示实施例不同，可以是设置在壳体4面对着外壳间隙45的另一侧。在不考虑制造成本和作用在其上的应力的情况下，控制环16可以具有和本实施例中所示的圆盘形状不同的截面形状，例如正方形，这样便可使其具有一个更宽的内控制面20。

本实施例所示的控制环16的五个内控制面20通过一小内圆角22形成为沿圆周方向的连续面，即内控制面20，其中所述内圆角用于更好地分布作用在控制环16上的力，这样控制环16便具有一多边形的内表面轮廓。为反作用于与活塞轴线成直角的接触面18的边界边缘61、62的载荷，控制面20在圆周方向上最好具有一轻微的凸曲率。

由于活塞2的凹槽17沿横向开口，所以控制环16能横向延伸穿过活塞2，且能相对于活塞在横向方向上不受阻碍地进行横向运动，这就会导致控制运动与凸轮11的旋转运动同步进行。内控制面20在五个活塞2的每一个基壁18上滑动。而且，在安装发动机时，活塞2的横向开口凹槽17可和移动部件简单地连接在一起。

为在活塞2的凹槽17的横向向外的方向上固定控制环16，在其旋转运动的过程中使其在壳体4的圆周方向上构造的间隙65内滑动，例如该间隙构造为一径向缺口。横向与控制环16相邻的、实心壳体4的最小齿轮间隙10设置有一环形的、与控制环16的尺寸相应的周向加宽部66，该加宽部可使控制环插入到整体构造的壳体4中。

控制环16在外侧上具有五个圆柱面的弧形部分21，每一个弧形部分都以控制环16的间隙23为边界。这五个间隙23中的每一个都形成为活塞2横向穿过凹槽17的气缸内部空间24的进气口。间隙23以这样的方式分布，即如图3所示，其贯穿控制环16的啮合区的横向部分，因此进气流横向进入活塞凹槽17，再沿切线方向进入活塞2的气缸内部空间24。

在圆柱形内部空间27中，双箭头方向25、26所示的切向进气流在离心作用下产生螺旋流27，使得气体工作介质中所含的润滑剂被限定在发动机1内，如箭头26所示，反向导向活塞2的气缸内壁19。这种离心作用由通过活塞2的一个中心内部接头28的气体介质流形成，该内部接头的中心通道在活塞径向向外的端面处在一阀口30中向外开通。

止回阀31的膜片33借助于其边缘35来固定到活塞2的端面上，例如通过焊接来加以固定。所述膜片33具有一中心封闭部分32和三个成弧形延伸向膜片边缘35的腹板部分34，以使得腹板部分34成为用于封闭部分32的冲程运动的弹性元件。

缸膛3径向向外以一气缸盖9的板状件36为边界，该板状件环绕着一中心出气通道37，在其外部抵靠着该板状件安装有一止回阀的膜片38，如图4所示，该膜片和设置在活塞2上的止回阀的膜片33的构造相同。

工作介质从气缸工作区域3流入连接体39中，该连接体借助于连接通道40形成了与包含发动机外壳5的支管41的连接。借助于固定到壳体4的外侧上的连接体，气缸盖9的板状件在一定预紧力下被牢固地固定到壳体4上。

偏心轴12借助于滚珠轴承42、43安装在发动机外壳5或其钟形壳体50内。驱动侧密封结构44相对于外侧轴向地密封住壳体内部45，但是承载凸轮11和平衡重物46的自由轴端47终止于外壳间隙48内，该间隙由一带凸缘的外壳覆盖件49封位。工作介质流借助于至少一个径向连接到钟形的第二壳体50上的连接件51而进入到往复式发动机1内。然后，如图5所示，再流经设置在外壳内壁52中的轴向通道53、54，撞击在由偏心轴11带动旋转的挡板55上，气体工作介质中的润滑剂部分便在此处得以分离。然后气体继续在挡板55周围流动并流经一位于挡板和壳体50之间的间隙56，进入设置在外壳和轴57的中央的壳体4的环形齿轮间隙10中，凸轮11在该间隙中旋转，以使工作介质能从端部外壳间隙48中以上述方式流入到活塞2中。

用于使进气流进入工作气缸3和使出气流从该气缸中流出的止回阀构造为一种膜片阀，其直接安装在活塞2上的这种结构可使其径向尺寸特别小，且可使往复式发动机1的结构特别紧凑，该发动机最后可以其凸轮11的高旋转速度来驱动，因此可具有高性能规格。因此，根据本发明的往复式发动机特别适用于用作机动车辆的发动机舱内安装的CO₂空气调节系统的压缩机。而且，该发动机的具有创造性的主要部分以这样一种方式来设计，即它们能以一种简单的方式来生产和安装。

为便于制造，活塞2包括两个可伸缩的啮合部件，且在两个啮合部件之一连接到其上之前，先将具有活塞头29的那个部件固定到膜片33上，而在另一个部件上，凹槽17则通过横向铣削而成。连接两个部件时，则对两者施压使其在两者之间能容入活塞环58。

根据本发明的往复式发动机1适于10,000转/分以上的高旋转速度，因此偏心轴12及与其一起旋转的部件、穿过平衡重物46的其它部件和在同轴旋转的挡板55上的间隙60的平衡都很重要。

Claims

1.一种往复式机械，其具有环状分布的径向设置的活塞气缸单元(2，3)，具有一根延伸通过机械外壳(5)的壳体(4)的偏心轴(12)，该壳体密封住气缸(3)，其凸轮(11)控制活塞(2)的向外冲程，活塞(2)的向内冲程由一和活塞(2)相啮合的共用控制环(16)控制，其特征在于控制环(16)的接合在各个活塞(2)的横向凹槽(17)中产生，所述凹槽沿一割线方向形成且与控制环(16)的横截面形状相适应，其以活塞(2)的基壁为边界，控制环(16)被控制为通过内控制面(20)与所述基壁(18)滑动接触。

2.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于活塞气缸单元(2，3)的数目为奇数，使得控制环(16)的基本上呈线性的内控制面(20)一起形成一互相连接的非直角多边形。

3.根据权利要求1或2的往复式机械，其特征在于控制环(16)的内控制面(20)具有一防止边缘与基壁(18)相接触的轻微的凸曲率。

4.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于控制环(16)的横向表面与沿一割线方向成形的凹槽(17)的边界表面相邻并滑动接触。

5.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于凹槽(17)和控制环(16)延伸到活塞半径的一半以上，并进入到对应的活塞(2)中。

6.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于形成至少一个控制环(16)的对接面的间隙(65)设置在壳体(4)内。

7.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于活塞(2)被构造为具有圆柱形内壁(19)的中空体，使得设置用于控制环(16)的凹槽(17)形成一横向活塞开口。

8.根据权利要求7所述的往复式机械，其特征在于在其与活塞(2)的凹槽(17)相啮合的圆周区域上，控制环(16)在每一啮合处都具有一间隙(23)，其沿着气缸活塞内壁(19)的切向形成内部活塞空间(24)的进气连接。

9.根据权利要求7所述的往复式机械，其特征在于一内部连接(28)形成于外部活塞头(29)上，并在其上形成一在活塞(2)的端面上开通的中央活塞通道，膜片阀(31)的膜片(33)和所述端面接合。

10.根据权利要求1所述的往复式机械，其特征在于活塞(2)包括两个可伸缩的啮合部件，在两者之间密封有一活塞环(58)，在所述一个部件上设置有一中央内部连接(28)和一阀膜片(33)，且在另一部件中的凹槽(17)经横向铣削而成。