一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构,属于能源动力领域。主要包括第一自由活塞发电机模块,第二自由活塞发电机模块,换向齿轮，平衡杆。两自由活塞发电机模块并联布置，两连杆之间设有两个换向齿轮，每个换向齿轮同时与两连杆上的齿条啮合，并分别布置于电机定子线圈与两侧气缸的空隙之中；在换向齿轮与电机定子线圈之间布置有平衡杆；平衡杆与连杆垂直；平衡杆上的齿条与换向齿轮啮合；通过换向齿轮将连杆与平衡杆活动连接。该机构,是在双模块结构布置形式的自由活塞内燃发电机中,配以齿轮齿条式的平衡机构,实现了两活塞组件之间同步换向，同时平衡了两活塞组件运动时产生的往复惯性力和力矩。很好地解决了系统的振动问题。
【专利说明】一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能源动力工程机械装置，具体涉及一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，属于能源动力领域。
【背景技术】
[0002]近年来，人们一直在致力于寻求一种能量转换效率高，振动噪声小的活塞式内燃发电机，其中，自由活塞式内燃直线发电装置是自由活塞式内燃发动机和直线发电机耦合之后形成的一种新型能量转换装置，它将自由活塞与直线电机动子直接固连，形成唯一的运动部件一活塞组件。系统运行时，缸内气体燃烧膨胀作功，推动活塞并带动动子运动，继而产生电能，最终通过较短的传递路径将燃料化学能直接转换为电能。它具有众多潜在性能优势，如机械摩擦损失少，结构紧凑体积小，能量传递路径短，燃烧排放质量好等。
[0003]然而，由于在自由活塞发电机中，活塞组件为唯一的运动部件，活塞组件在往复运动时其惯性力无法通过其他往复运动质量平衡，从而带来了整个动力系统的振动问题。为使系统平衡，一些研究人员采用多模块并联组合的结构形式，可参见CarterD, WechenerE.The free piston power pa ck:Sustainable power for hybridelectric vehicles.SAE 2003-01-3277, 2003.在这种结构形式中每个模块中包括两个对置的汽缸和一组活塞组件。通过控制各模块中活塞组件的运动使它们的惯性力与力矩相互抵消，但这种方法需要至少4组模块才能同时平衡往复惯性力和力矩，结构复杂且同步控制困难，难以实现产品实用化。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有技术至少需要4组模块，从而导致结构复杂且同步控制困难，难以实现产品实用化的问题，提供一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构。
[0005]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本发明的一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，主要包括第一自由活塞发电机模块，第二自由活塞发电机模块，换向齿轮，平衡杆。
[0007]第一自由活塞发电机模块主要包括:气缸、活塞、连杆、电机定子线圈、电机动子。
[0008]第二自由活塞发电机模块结构与第一自由活塞发电机模块结构相同。
[0009]连接关系:两自由活塞发电机模块并联布置，两连杆之间设有两个换向齿轮，每个换向齿轮同时与两连杆上的齿条啮合，并分别布置于电机定子线圈与两侧气缸的空隙之中；在换向齿轮与电机定子线圈之间布置有平衡杆；平衡杆与连杆垂直；平衡杆上的齿条与换向齿轮啮合；通过换向齿轮将连杆与平衡杆活动连接。
[0010]工作过程:两侧的活塞分别与连杆刚性连接，形成一个活塞组件。第一模块左侧气缸与第二模块右侧气缸同时产生爆发压力，推动第一模块中的活塞组件向右运动，推动第二模块中的活塞组件向左运动；由于两活塞组件与两换向齿轮啮合，则能够保证两活塞组件轴向上同步反向运动；换向齿轮又与平衡杆相互啮合，两平衡杆也同步反向运动；直至第一模块右侧活塞与第二模块左侧活塞同时到达上止点，产生爆发压力，进入下一循环。
[0011]工作过程中，两活塞组件同步反向运动，在其轴向上的惯性力是相互抵消的，由于两活塞组件轴线不重合，两活塞组件运动时会产生一个惯性力矩。这个力矩的大小=活塞组件的质量*活塞组件的加速度*两活塞组件的轴距；同样，两个平衡杆在换向齿轮的带动下同步反向运动，惯性力也是抵消的，但同样产生了一个惯性力矩，这个力矩的的大小=平衡杆的质量*平衡杆的加速度*两平衡杆的轴距；由于换向齿轮将连杆与平衡杆啮合在一起，所以活塞组件的加速度与平衡杆的加速度实时相等；两平衡杆的轴距大于两活塞组件的轴距，所以可用质量较小的平衡杆平衡掉活塞组件的往复惯性力矩，消除系统振动。
[0012]有益效果
[0013]1、本发明的一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，是在双模块结构布置形式的自由活塞内燃发电机中，配以齿轮齿条式的平衡机构，实现了两活塞组件之间同步换向，同时平衡了两活塞组件运动时产生的往复惯性力和力矩。很好地解决了系统的振动问题。
[0014]2、本发明的一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，整个系统结构紧凑。作为关键部件平衡机构，结构简单，主要由齿轮齿条组成，是成熟技术，可靠性高，制造加工方便，造价低，且便于实现标准化和产品化。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构的剖视图；
[0016]其中，I—气缸、2—活塞、3—连杆、4一电机动子、5—电机定子线圈、6—换向齿轮、7—平衡杆。
【具体实施方式】
[0017]实施例1
[0018]—种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，主要包括第一自由活塞发电机模块，第二自由活塞发电机模块，换向齿轮6,平衡杆7。
[0019]第一自由活塞发电机模块主要包括:气缸1、活塞2、连杆3、电机定子线圈5、电机动子4。
[0020]第二自由活塞发电机模块结构与第一自由活塞发电机模块结构相同。
[0021]连接关系:两自由活塞发电机模块并联布置，两连杆之间设有两个换向齿轮6，每个换向齿轮6同时与两连杆3上的齿条哨合,并分别布置于电机定子线圈5与两侧气缸I的空隙之中；在换向齿轮6与电机定子线圈5之间布置有平衡杆7 ;平衡杆7与连杆3垂直；平衡杆7上的齿条与换向齿轮6啮合；通过换向齿轮6将连杆3与平衡杆7活动连接。
[0022]工作过程:两侧的活塞2分别与连杆3刚性连接，形成一个活塞组件。第一模块左侧气缸I与第二模块右侧气缸I同时产生爆发压力，推动第一模块中的活塞组件向右运动，推动第二模块中的活塞组件向左运动；由于两活塞组件与两换向齿轮6啮合，则能够保证两活塞组件轴向上同步反向运动；换向齿轮6又与平衡杆7相互啮合，两平衡杆7也同步反向运动；直至第一模块右侧活塞2与第二模块左侧活塞2同时到达上止点，产生爆发压力，进入下一循环。[0023]工作过程中，两活塞组件同步反向运动，在其轴向上的惯性力是相互抵消的，由于两活塞组件轴线不重合，两活塞组件运动时会产生一个惯性力矩。这个力矩的大小=活塞组件的质量*活塞组件的加速度*两活塞组件的轴距；同样，两个平衡杆7在换向齿轮6的带动下同步反向运动，惯性力也是抵消的，但同样产生了一个惯性力矩，这个力矩的的大小=平衡杆7的质量*平衡杆7的加速度*两平衡杆7的轴距；由于换向齿轮6将连杆3与平衡杆7啮合在一起，所以活塞组件的加速度与平衡杆7的加速度实时相等；两平衡杆7的轴距大于两活塞组件的轴距，所以可用质量较小的平衡杆7平衡掉活塞组件的往复惯性力矩，消除系统振动。
【权利要求】
1.一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，其特征在于:主要包括第一自由活塞发电机模块，第二自由活塞发电机模块，换向齿轮(6),平衡杆(7);第一自由活塞发电机模块主要包括:气缸(I)、活塞(2)、连杆(3)、电机定子线圈(5)、电机动子(4);连接关系:两自由活塞发电机模块并联布置，两连杆(3)之间设有两个换向齿轮(6)，每个换向齿轮(6)同时与两连杆(3)上的齿条啮合，并分别布置于电机定子线圈(5)与两侧气缸(I)的空隙之中；在换向齿轮(6)与电机定子线圈(5)之间布置有平衡杆(7);平衡杆(7)与连杆(3)垂直；平衡杆(7)上的齿条与换向齿轮(6)啮合；通过换向齿轮(6)将连杆(3)与平衡杆(7)活动连接。
2.如权利要求1所述的一种双模块自由活塞内燃发电机平衡机构，其特征在于:第二自由活塞发电机模块结构与第一自由活塞发电机模块结构相同。
【文档编号】F02B71/04GK103615315SQ201310516275
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】左正兴, 李延骁, 袁晨恒, 冯慧华, 郭陈栋 申请人:北京理工大学