发动机用高精度平移机构的制作方法

本公开总体涉及一种发动机的容积可变机构。

背景技术

背景技术1：发动机的可变压缩比有多种好处，1是可以提高发动机的低速扭矩，2是可以提高涡轮增压压力，从而提高发动机的最大功率，现有的各种实现可变压缩比的方案大致分为2类，一类是动态改变活塞或连杆的尺寸，这类方案的缺陷是会导致运动部件重量增加，会降低发动机的最大转速，另外一类是整体移动缸头，移动机构是凸轮轴，凸轮轴的作用是其上的多个凸轮同步控制缸头上不同部位的移动，从而保证缸头不出现过分的形变，凸轮轴方案的缺陷是凸轮轴以及配套机构的加工精度要求比较高，成本高，技术普及难度大，市场推广困难。

背景技术2：二冲程汽油发动机，是混合气扫气，会有扫气不彻底或过度扫气的缺陷，如果采用新鲜空气扫气，然后在开始压缩时喷入汽油再混合，如果还是采用节气门调节功率，在节气门开度小时会存在扫气不彻底的问题。针对轴流式扫气二冲程发动机，缸头进气缸尾排气，如果不使用节气门而是动态调节排气口位置，则也可以实现功率调节，排气口位置改变，相当于改变了气缸的有效容积，从而实现功率调节，和背景1中的缸头移动类似，排气口的调节也需要一套机构，这套机构要能保证排气口相关部件在移动时不出现过分的形变。

总结：发动机容积可变是有用的需求，容积可变涉及到缸头或缸体的移动，缸头或缸体移动时如何保证各个部位同步移动是技术难点，如果不能保证缸头或缸体各个部位的同步移动，则缸头或缸体会出现过分的变形导致气门密封失效或结构破坏。

技术实现要素：

本发明提供了一种高精度平移机构，能够实现缸头或缸体在整体移动过程中各个部位的精确同步，从而实现发动机容积可变，以提高发动的功率或效率。为了方便描述，用移动体代指缸头或缸体等需要移动的部件，用基体代指固定的基座之类的部件。实现方法是使用多根特制螺栓和特制螺帽，特制螺栓或特制螺帽上有2种不同螺距的螺纹，螺纹同时为正或反，2种螺纹分别间接或直接的和移动体及基体连接，多个特制螺栓或特制螺帽同步转动，从而控制移动体实现平移，2种螺距的组合能够实现减速效果从而能够实现高精度控制；有2种螺距螺纹的螺栓是无法实现多根装配的，特制螺栓和特制螺帽组合起来就能够实现装配和调整间隙或松紧度。

实现原理是：

先名词解释：特制螺帽和特制螺栓参考附图说明；

备注：后面提到的螺纹组合同时为正螺纹或同时为反螺纹，这样才能实现减速效果；

移动体和基体使用2排特制螺帽和特制螺栓连接，每排5个(2个以上即可，实际使用是超过2个)，均匀分布；特制螺帽受涡轮蜗杆驱动；特制螺帽上有2种不同螺距的螺纹，假设小螺距是l1,大螺距是l2，螺距的差值x=l2-l1，特制螺帽旋转1周则大小螺纹分别驱动的移动体和基体的相对位移为x,x如果小于l1则实现减速效果，x/l2的比值越小则减速作用越大则平移精度越高，选择合适的比值就可以实现高精度的平移；所有特制螺帽由单根蜗杆（或同步带）同时驱动，蜗轮分度圆直径是d,假设所有蜗轮蜗杆的齿间配合间隙分布范围是从0到gx，即：有的间隙是0，有的间隙为gx，还有处在中间某个值的，gx就是齿轮回差；现在计算最坏的情况，就是gx会导致多少平移误差；首先，gx转换成蜗轮角度回差ang，ang=(gx/(3.14*d))*360，ang的单位是角度“度”，公式中3.14*d是分度圆周长；之后，角度回差ang转换成螺帽在其轴向的平移回差u，因为特制螺帽旋转1周360°时产生的平移距离是前面所述的x，所以u=(ang/360)*x；具体计算：假设d=30mm，gx=1mm，则角度回差ang=1/(3.14*30)*360=3.8°，假设x=0.2mm，则齿轮回差gx最终转成平移误差u=(3.8/360)*0.2=0.0021mm，即2微米；估算下2微米对整体平移机构的影响，假设4个特制螺栓受到2400kgf的拉力(参考1.5升4缸发动机单缸做功时的最大推力)，单个螺栓受力600kgf，假设单个特制螺栓上2种螺纹中间光杆(无螺纹)部分其长度是120mm，其直径是14mm，螺栓为钢材(弹性模量200gpa)，无螺纹部分在受到600kgf拉力后伸长约30微米，前面计算出的平移传动误差是2微米，二者比值是2/30，小于10%，说明整个机构的平移传动误差会导致单根螺栓的受力变化不大，不会导致多根螺栓因为转动不同步而造成的部分螺栓被拉断或受力过分不均，设计上是可行的。

考虑其它问题，新设计会产生新问题，移动体一般比较高(或厚)，刚性很好，移动体边缘部位受力(4缸发动机的第1或4缸做功情形)时整体受力情况最差，这会导致单排5个螺栓呈阶梯状(等差数列)受力，移动体会有单边翘起倾向，比如单边翘起30微米，这个和螺栓预紧固定相比，算是缺点，单边翘起会导致活塞在其轴向偏转，但是活塞连杆在其侧向有较好弹性，不会破坏，所以该问题自然解决。

特制螺栓和特制螺帽的螺纹搭配组合有多种情况，1个特制螺栓和1个特制螺帽的螺纹组合大概有三种，组合一是双螺距螺纹+双螺距螺纹，组合二是单螺距+双螺距，组合三是单螺距+单螺距；为了便于理解，用具体参数来表达组合情况，组合一在实施例1中描述；组合二，特制螺帽是双螺距，内外螺纹规格是m14*1.25(1.25表示螺距，后面相同)和m20*1.5，特制螺栓是单螺距m14*1.25，基体上的螺孔是m20*1.5，移动体上是通孔φ14，特制螺栓和移动体不是螺纹配合连结，而是通过螺栓头单向限位；组合三，特制螺帽内孔是通孔φ15，外螺纹规格是m20*1.5，特制螺栓光杆部分是φ15，螺纹部分是m14*1.25，基体和移动体的螺孔规格是m20*1.5和m14*1.25，特制螺栓和特制螺帽的φ15部位配合，装配完成后二者通过焊接或其他手段固定在一起，驱动机构带动二者同时旋转。

另外,2个特制螺帽和1个特制螺栓搭配也是可以的，这时的螺纹组合是：螺帽双螺距+螺栓单螺距；为了方便描述，称这种组合为“组合ii”。为了便于理解，用具体参数来表达，2个特制螺帽螺纹规格相同，内外螺纹为m14*1.25和m20*1.5，特制螺栓是m14*1.25，基体和移动体的螺孔规格和2个特制螺栓对应，是m20*1.5，装配顺序是先将2个特制螺帽拧到基体和移动体上，压合基体和移动体，再拧入特制螺栓连接二者，两个特制螺帽一个是被驱动机构驱动的，另外一个作用是辅助装配和调整间隙或松紧度。

总结：螺栓和螺帽是相对运动关系，二者的地位是可以互换的，特制螺栓或特制螺帽只要其中一个在运行时能实现2种不同螺距螺纹的转动就可以实现减速效果，特制螺栓和特制螺帽如果装配后焊接在一起，整体旋转，只要二者的外螺纹能形成2种不同螺距，也是可以实现减速效果的，除了前面的4种组合还会有其他可行方式，而且驱动机构是直接驱动特制螺栓还是螺帽都可根据实际情况调整，作为装配或调整间隙或松紧度的特制螺栓或特制螺帽的紧固方式也有各种变化，不再细数。

特制螺帽或特制螺栓上有2种不同螺距的螺纹，装配过程和二者的螺纹组合关系有关，有的情况是特制螺栓和特制螺帽装配后整体拧入压合后的基体和移动体，有的情况是分别拧入，合理设计特制螺栓和特制螺帽的螺纹规格并选择对应的装配关系就可以解决；另外，装配时还会碰到螺纹错牙的问题，可以通过微调特制螺栓或特制螺帽，让二者相对旋转，直到错牙的螺纹对齐。

以下采用实施例来描述本发明的特征和优点。

附图说明

图1是：总装图；

图2是：特制螺栓和辅助机构的装配图；

图3是：特制螺栓、特制螺帽和蜗轮的装配关系爆炸图。

具体实施例1

对应背景技术中所述的背景技术1，本发明的机构用于实现可变压缩比。

图1中

1.1是曲轴箱，是不动的部件，为了方便描述，称为基体；

1.2是缸体，是要平移的部件，为了方便描述，称为移动体；

1.3是特制螺栓和相关部件；

1.4是蜗杆；

1.6是弹簧；

1.7是缸套。

图2中

2.1是轴套;

2.2连接轴。

图3中

3.1是特制螺栓;

3.2是特制螺帽;

3.3是蜗轮。

工作原理和参数描述

特制螺栓3.1上有2种规格的螺纹，小端螺纹规格是m14*1.25，大端螺纹规格是m16*1.5；特制螺帽3.2的内螺纹规格是m16*1.5，外螺纹的规格是m24*1.25；移动体上的螺纹孔是m14*1.25，基体上螺纹孔是m24*1.25，移动体和基体上螺纹孔的螺距都是1.25；特制螺栓上的m14和移动体连接，m16和特制螺帽连接，特制螺帽的m24和基体连接；特制螺栓固定后，特制螺帽旋转一周会驱动移动体相对基体移动1.5-1.25=0.25mm，2种规格螺纹的螺距差值越小则平移精度越高，螺距的差值小于等于较大螺距的1/2是比较合适的。

装配时特制螺帽先拧到特制螺栓上，然后压合移动体到基体上，然后将特制螺栓特制螺帽同时拧入，从而连接移动体和基体；特制螺栓和特制螺帽都装配后再装配蜗轮涡杆，对齐键槽就需要旋转特制螺帽，而装配后单个特制螺帽是无法旋转的，必须整体旋转特制螺栓和特制螺帽；蜗轮蜗杆装配完后各个连结部位的间隙或松紧度是不一致的，用扭力扳手逐个旋转特制螺栓就可以使间隙或松紧度调整到合适值，特制螺栓的部分作用就是方便特制螺帽的装配和调整间隙或松紧度；特制螺栓底部打2个孔或内6角孔以方便扳手操作。

轴套2.1的一侧有孔，连接轴2.2插入孔内连接2个轴套，多个轴套加上多个连接轴组成特制螺栓或特制螺帽紧固装置，连接轴2.1能够防止轴套旋转同时又能让轴套的中心距能自适应，这样设计能够降低基体和移动体上螺纹孔中心距的加工精度要求从而降低成本，轴套和特制螺帽或特制螺栓连接，且在特制螺帽或特制螺栓位置调整好后以实配的方式固定特制螺帽，实配方法可以是焊接也可以是通过销钉。

蜗轮3.3和蜗杆1.4，蜗轮和特制螺帽同轴，蜗轮套在特制螺帽上，蜗轮和特制螺帽以键连接，蜗轮孔内有长键槽，键固定在特制螺帽上，特制螺帽可以在蜗轮的轴向作相对移动，这样蜗轮传递扭矩给特制螺帽的同时特制螺帽还能在轴向自由移动，蜗轮的个数和特制螺帽个数一样，蜗杆只有1个，蜗杆同时驱动所有蜗轮，所有蜗轮同步转动，特制螺帽也实现同步转动，驱动机构不限于涡轮蜗杆，也可以是其它样式，比如链传动或齿轮传动，驱动机构和特制螺栓的连接要求就是要做到驱动机构在驱动特制螺栓或特制螺帽的时候还允许其作轴向移动。

弹簧1.6可以有2个或4个，对称放置，弹簧连接基体和移动体，试图使移动体离开基体，弹簧的作用是用来消除螺纹连接的回差。

特制螺栓或特制螺帽紧固装置、蜗轮蜗杆和弹簧都属于辅助装置，形式上可以有各种变化，比如特制螺栓或特制螺帽紧固的方式还可以是直接固定到基体上或者两两彼此焊接起来，蜗轮蜗杆传动也可以替换成链传动或带传动，如果用链传动，可以用一根链条以s形绕弯连接所有链轮；如果螺纹配合精度够高，弹簧也可以不需要；图例表达的是蜗轮蜗杆直接驱动特制螺帽，其实特制螺栓和特制螺帽的角色可以互换，特制螺栓也可以通过键槽和蜗轮连结，然后用特制螺帽来辅助装配和调整间隙或松紧度。

本实施例是针对4缸发动机，共需要4到10个特制螺栓或特制螺帽，个数多则螺栓螺帽就可以细些，暂定10个。装配过程为：先将弹簧装到移动体和基体之间，压紧移动体和基体；之后安装特制螺帽和特制螺栓；之后再安装蜗轮蜗杆；之后用扭力扳手旋转特制螺栓，旋转方向是使移动体向基体移动并压紧；所有特制螺栓都调整后，安装特制螺栓紧固装置。

说明书附图中没有画出缸头，后面所说缸头就是常规的有气门、火花塞和凸轮轴的缸头；

本实施例中的缸头是固定在缸体1.2上的，缸体移动则缸头上的凸轮轴也移动，凸轮轴的驱动机构需要改造，可以通过万向连轴器解决，原来链轮直接固定在凸轮轴上，改成链轮通过万向连轴器连接凸轮，这样可以实现链轮不动而凸轮可以自由移动。

具体实施例2

对应背景技术中所述的背景技术2，本发明的机构用于动态改变二冲程发动机的有效容积，从而实现不依赖节气门或稀薄燃烧的功率调节。

本实施例中缸头是放到缸套1.7里面，缸头和缸体1.2是可以相对移动的，这是2个实施例的最大差别。

本实施例，针对一种轴流式二冲程发动机，缸头上有进气门无排气门，缸头和曲轴箱保持相对固定，排气门在缸体上靠近曲轴箱，比如向上调整缸体位置，则是排气门位置上移，活塞压缩时排气口会延迟关闭，会有更多的气体从排气口排出，气缸内残留的气体变少，相当于改变了气缸的有效容积，实现节气门同样的效果，从而能够实现功率调节。

本实施例和实施例1的差别是应用场景或实现功能，平移机构部分相同。

其他具体实施例

实现原理部分提到螺栓和螺帽有多种组合，组合二、组合三和组合ii，这3种组合适合缸头部分比较宽裕可以拧螺帽的发动机，比如二冲程发动机；另外，所述机构适用场合也不限于发动机，还可以应用于其它场合，比如注塑机的合模机构等。

有益效果：

本发明所述双螺纹高精度平移机构可用于实现发动机的可变压缩比，具有结构简单、成本低和可靠性高的特点，有利于涡轮增压发动机提高进气压力，比如能够实现2~3个大气压的进气压力，成倍提高发动机的最大功率，可用于实现小排量、高效率、大功率内燃发动机。