一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构

摘要

本发明涉及一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构，属于内燃机往复运动模拟机构领域。其包括曲柄长度调节装置以及可变曲柄连杆机构，用于实现往复运动以及曲柄长度调节；含安装平台的顶杆，用于复制连杆小头运动规律至试件安装平台；包括顶杆导向机构的机架，用于支撑各个部件；动力装置，包括伺服电机及配套设备，用于提供动力。本往复运动模拟机构通过电机带动可变曲柄连杆机构运动，最终带动顶杆机构上下往复运动。本发明仿真精度高，通用性强，能动态模拟内燃机内部高速往复运动，为内燃机活塞相关研究提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构，属于内燃机往复运动模拟机构领域。

背景技术

随着近年来内燃机缸内爆发压力和升功率不断提高，内燃机活塞所受热负荷与机械负荷大大增加。为了预防活塞失效，保证活塞和柴油机的可靠性和耐久性，必须控制活塞最高温度在允许值以下。因此需要对活塞进行有效的冷却，而目前在高负荷活塞上得到广泛应用的冷却方式是内冷油道强制振荡冷却。无论测量活塞温度分布或是研究内冷油腔流动传热，都需要一种能准确模拟内燃机内部往复运动装置的机构，即提供往复运动的机构。

目前尚无较为通用的内燃机往复运动模拟机构能方便准确的模拟往复运动。

往复运动模拟机构的研制实例有：中国专利申请200910047582.8中公开了一种活塞振荡冷却仿真实验装置及其实验方法。其通过电机带动回转盘旋转，回转盘与连杆铰接，再通过连杆带动托架在导轨的限制下模拟内燃机往复运动。

但是该装置曲柄半径无法无级调节，通用性较小；往复机构使用的导轨，导致其他实验附属装置布置困难，如喷油冷却时的机油收集装置布置困难，使得机油入口处机油四处飞溅，无法收集；另外，该装置并未考虑导轨、高速往复运动机构的润滑，也未考虑高转速动不平衡导致的振动问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构，其可以准确的模拟内燃机活塞往复运动；具有较强的通用性，即可以模拟一定尺寸范围内曲柄连杆运动；还要便于机油收集装置等附属装置的布置和运动机构的润滑；其可以通用、准确、方便地模拟内燃机往复运动。

本发明采用的技术方案是：一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构,包括机架1、曲柄长度调节装置2、试件安装平台3、顶杆导向机构5、连杆6、可变曲柄连杆机构7、顶杆4、动力装置8、右主轴颈9；

机架1的左侧、右侧、上部均开设有安装孔，曲柄长度调节装置2穿过机架1的左侧的安装孔后与机架1内部的可变曲柄连杆机构7的左侧连接，右主轴颈9穿过机架1右侧的安装孔后与可变曲柄连杆机构7的右侧连接，右主轴颈9由机架1轴向固定，动力装置8与右主轴颈9连接，机架1上方的安装孔处设有顶杆导向机构5，试件安装平台3固定在机架1的正上方，顶杆4的上端与试件安装平台3连接，下端穿过导向机构5后与机架1内部的连杆6的上端连接，连杆6的下端与可变曲柄连杆机构7的上端连接，动力装置8通过右主轴颈9带动可变曲柄连杆机构7往复运动，进而可变曲柄连杆机构7带动连杆6上下往复运动，曲柄长度调节装置2用于实现可变曲柄连杆机构7的长度调节。

所述的曲柄长度调节装置2包括手轮17、滑动螺杆18、螺母19、轴承15、止推挡圈或双螺母固定标准件16、套筒14；套筒14安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承15安装在套筒14内部，螺母19安装于轴承15内圈，并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件16固定在螺母19上，滑动螺杆18与螺母19内壁螺纹连接，滑动螺杆18左端与与手轮17连接，右端与可变曲柄连杆机构7的左端连接，通过转动手轮17，改变滑动螺杆18的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构7运动。

所述的可变曲柄连杆机构7包括左曲柄13、连杆轴颈12、右曲柄11，左曲柄13的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄13的右端与连杆轴颈12的左端连接，连杆轴颈12的右端与右曲柄11的左端连接，右曲柄11的右端与右主轴颈9连接，连杆轴颈12的中部与上方的连杆6连接。

所述的可变曲柄连杆机构7还包括左右两端的振动平衡装置10，左端的振动平衡装置10的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄13的左端连接，右端的振动平衡装置10的左端与右曲柄11的右端连接，右端与右主轴颈9连接。

所述的振动平衡装置10包括固定于左曲柄13、右曲柄11曲轴上的圆盘和固定于圆盘上的平衡块。

所述的左端的振动平衡装置10、左曲柄13、连杆轴颈12、右曲柄11、右端的振动平衡装置10相互铰接，在转动手轮17时得以实现实际可变曲柄连杆机构7长度变化。

所述的顶杆导向机构5包括顶杆套20和顶杆套座21，顶杆套座21位于机架1上部的安装孔处，顶杆套20安装在顶杆套座21内部，顶杆4下端穿过穿过顶杆套20后伸入机架1内部，顶杆4在顶杆套20中自由滑动，顶杆4的下端设连接耳，连接耳上设有销孔，连杆6上端为连杆小头，下端为连杆大头，连杆小头设有销孔，通过销穿过连接耳上的销孔和连杆小头上的销孔，使连杆6与顶杆4转动连接，连杆6的连杆大头与下端的可变曲柄连杆机构7的中部转动连接。

所述的动力装置8为伺服电机，伺服电机的电机动力输入轴22与右主轴颈9连接。

所述的滑动螺杆18的杆身上有曲柄半径刻度值，用于确定当前可变曲柄连杆机构7中曲柄的半径。

所述的可变曲柄连杆机构7部分浸泡在油池中，或通过附装在可变曲柄连杆机构7上的甩油环飞溅润滑。

本发明设计的原理：通过动力装置8驱动可变曲柄连杆机构7，带动顶杆4整体在机架1导向机构约束下做上下往复运动，而试验件可固定于顶杆4上的试件安装平台3，从而将可变曲柄连杆机构7与被观察试件（内冷油腔模型）分隔开，得以方便布置油道机油收集装置以及对可变曲柄连杆机构7等进行润滑；通过滑动螺旋传动实现曲柄长度调节装置2轴向位置的无级调节，进而实现可变曲柄连杆机构7长度无级调节；部件高速往复运动导致的巨大振动，通过在可变曲柄连杆机构7中的反向位置布置振动平衡装置10，采用半平衡法进行平衡，即平衡全部离心惯性力和一半往复惯性力，平衡质量由曲柄连杆机构半平衡法公式得出。

本发明的有益效果是：

（1）通过顶杆4在机架1导向机构5约束下的上下往复运动，使活塞运动向上平移，从而将往复运动机构与试验件观察平台分隔；同时下部机架封闭，便于通过可变曲柄连杆机构7中的曲柄的轴或甩油盘飞溅润滑。

（2）通过包含4处转动连接的曲轴和曲柄长度螺旋调节装置，可对曲柄长度在一定范围内无级调节，因此本发明的实验装置通用性更强。

（3）考虑了整体台架动平衡问题，引入了振动平衡装置10，通过布置平衡块大大减小了不平衡惯性力导致的振动，提高了各部件寿命和观测精度。

附图说明

图1是本发明可变曲柄半径的往复运动模拟机构的总体结构示意图；

图2为本发明可变曲柄半径的往复运动模拟机构的主剖面结构示意图。

图中各标号为：1.机架；2. 曲柄长度调节装置；3.试件安装平台；4.顶杆；5.顶杆导向机构；6.连杆；7. 可变曲柄连杆机构；8.动力装置；9. 右主轴颈；10. 振动调节装置；11. 右曲柄；12. 连杆轴颈；13. 左曲柄；14.套筒；15. 圆锥滚子轴承；16.轴向固定标准件；17. 手轮；18.滑动螺杆；19.滑动螺母；20.顶杆套；21.顶杆套座；22.电机动力输入轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的说明。

实施例1：如图1、2所示，一种可变曲柄半径的往复运动模拟机构,包括机架1、曲柄长度调节装置2、试件安装平台3、顶杆导向机构5、连杆6、可变曲柄连杆机构7、顶杆4、动力装置8、右主轴颈9；

机架1的左侧、右侧、上部均开设有安装孔，曲柄长度调节装置2穿过机架1的左侧的安装孔后与机架1内部的可变曲柄连杆机构7的左侧连接，右主轴颈9穿过机架1右侧的安装孔后与可变曲柄连杆机构7的右侧连接，右主轴颈9由机架1轴向固定，动力装置8与右主轴颈9连接，机架1上方的安装孔处设有顶杆导向机构5，试件安装平台3固定在机架1的正上方，顶杆4的上端与试件安装平台3连接，下端穿过导向机构5后与机架1内部的连杆6的上端连接，连杆6的下端与可变曲柄连杆机构7的上端连接，动力装置8通过右主轴颈9带动可变曲柄连杆机构7往复运动，进而可变曲柄连杆机构7带动连杆6上下往复运动，曲柄长度调节装置2用于实现可变曲柄连杆机构7的长度调节。

所述的曲柄长度调节装置2包括手轮17、滑动螺杆18、螺母19、轴承15、止推挡圈或双螺母固定标准件16、套筒14；套筒14安装在机架1的左侧的安装孔内，轴承15安装在套筒14内部，螺母19安装于轴承15内圈，并轴向固定，止推挡圈或双螺母固定标准件16固定在螺母19上，用于固定轴承15，滑动螺杆18与螺母19内壁螺纹连接，滑动螺杆18左端与与手轮17连接，右端与可变曲柄连杆机构7的左端连接，通过转动手轮17，改变滑动螺杆18的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构7运动。运转时，由于滑动螺杆18、螺母19自锁作用，滑动螺杆18、螺母19作为整体随可变曲柄连杆机构7转动；需要调整曲柄长度时，固定螺母19，转动手轮17，改变螺杆18的轴向位置，从而推动可变曲柄连杆机构运动。

所述的可变曲柄连杆机构7包括左曲柄13、连杆轴颈12、右曲柄11，左曲柄13的左端与曲柄长度调节装置2连接，左曲柄13的右端与连杆轴颈12的左端连接，连杆轴颈12的右端与右曲柄11的左端连接，右曲柄11的右端与右主轴颈9连接，连杆轴颈12的中部与上方的连杆6连接。

所述的可变曲柄连杆机构7还包括左右两端的振动平衡装置10，左端的振动平衡装置10的左端与曲柄长度调节装置2连接，右端与左曲柄13的左端连接，右端的振动平衡装置10的左端与右曲柄11的右端连接，右端与右主轴颈9连接。所述的振动平衡装置10包括固定于左曲柄13、右曲柄11曲轴上的圆盘和固定于圆盘上的平衡块，所述的平衡块质量及布置位置由受力计算确定，通过在曲轴对侧布置的平衡块对不平衡往复惯性力和离心惯性力进行动平衡。

所述的左端的振动平衡装置10、左曲柄13、连杆轴颈12、右曲柄11、右端的振动平衡装置10相互铰接，在转动手轮17时得以实现实际可变曲柄连杆机构7长度变化。

所述的顶杆导向机构5包括顶杆套20和顶杆套座21，顶杆套座21位于机架1上部的安装孔处，顶杆套20安装在顶杆套座21内部，顶杆4下端穿过穿过顶杆套20后伸入机架1内部，顶杆4在顶杆套20中自由滑动，顶杆4的下端设连接耳，连接耳上设有销孔，连杆6上端为连杆小头，下端为连杆大头，连杆小头设有销孔，通过销穿过连接耳上的销孔和连杆小头上的销孔，使连杆6与顶杆4转动连接，连杆6的连杆大头与下端的可变曲柄连杆机构7的中部转动连接。其中顶杆4与试验件安装平台3、连接耳之间均刚性连接。顶杆导向机构5，实现对所述顶杆4的导向。

顶杆套20和顶杆套座21用合金钢制造，经过精细加工和配对研磨，保证合理的间隙，间隙过大，容易漏油且导向不准确；间隙过小，对润滑不利，容易卡死。本实施例中，连杆6的连杆大头上设有孔，连杆轴颈12穿过连杆6的连杆大头上的孔，由连杆6连杆大头上的孔的约束保证连杆轴颈12中心线与右轴颈9中心线平行，实现正确的活塞往复运动规律。值得说明的是，本实施例顶杆4的结构仅为一实例，可以采用其它具有相同功效的机械结构进行替换。

所述的动力装置8为伺服电机，伺服电机的电机动力输入轴22与右主轴颈9连接。电机驱动可变曲柄连杆机构7中的曲轴按一定速度转动，曲轴通过连杆6带动顶杆4往复运动，实现对往复运动的模拟。

所述的滑动螺杆18的杆身上有曲柄半径刻度值，用于确定当前可变曲柄连杆机构7中曲柄的半径。

所述的可变曲柄连杆机构7部分浸泡在油池中，或通过附装在可变曲柄连杆机构7上的甩油环飞溅润滑。

通过动力装置8带动可变曲柄连杆机构7运动，最终带动顶杆4上下往复运动；曲柄长度调节装置2，用于实现可变曲柄连杆机构7曲柄长度调节；含安装平台的顶杆4，用于把动力装置8内连杆小头运动规律模拟到试件安装平台3；包括顶杆导向机构5的机架1，用于支撑各个部件；动力装置8，包括伺服电机及配套设备，用于提供动力。

本往复运动模拟机构的实验操作步骤：首先根据所研究机型连杆长度，制作出简化连杆6；将连杆轴颈12穿过连杆6下端的连杆大头的座孔，实现连杆6与连杆轴颈12的转动连接；然后通过转动手轮17调节滑动螺杆18轴向位置，调节模拟曲柄长度；将销穿过连杆小头座孔与顶杆4下端连接耳销孔，实现连杆与顶杆机构的转动连接；安装完保持曲柄连杆机构位于下止点位置；而顶杆机构与机架1通过导向机构5滑动连接，由所述导向机构5保证顶杆4垂直度；最后安装试验件于安装平台3上，启动电机，进行实验。

本往复运动模拟机构通过动力装置8带动可变曲柄连杆机构7运动，最终带动顶杆上下往复运动。本发明仿真精度高，通用性强，能动态模拟内燃机内部高速往复运动，为内燃机活塞相关研究提供依据。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。