专利名称：一种用于压缩机的变容式机构的制作方法
技术领域：
本发明属于一种可变容积机构，特别是一种可用于压缩机、发动机、泵类机械等装置的一种变容式机构。
背景技术：
容积式压缩机中目前应用最广泛的是往复式活塞压缩机，其主要缺点是震动大，转数不高，机器体积大而且重，优点是密封性好，排气压力高。回转式压缩机的突出优点是震动小，结构简单、紧凑，缺点是密封性差，只能用于一定的排量与压力范围，有些结构的制造精度和成本过高，单级压缩达不到较高的压力，例如涡旋式压缩机。
中国专利曾经公布了本人的一项发明申请，申请号为85100200，提出了一种球形容积式压缩机的概念，但经过申请人在随后对其空间机构运动、动力和受力分析、密封和润滑条件以及热力学性能的进一步深入分析研究，认为该发明申请存在以下不足和致命缺陷1、驱动轴与转盘间通过一转盘球面销连接，而转盘球面销相对于驱动轴曲柄斜孔的窜动并未被限制，从而使转盘球面销成为一个独立的运动件；另外，活塞与缸体的连接是通过一个球面销相接触，这种连接关系使活塞与活塞球面销之间无确定的轴向约束，活塞球面销本身可以有自身的轴向窜动，而活塞与转盘之间的连接方式又是半柱面的方式，无法约束两者的分离趋势。由空间机构的运动分析理论便可知，该方案违背了空间机构的设计原则，容易发生运动干涉，个别零件易呈多自由度无序动作，在实际中无法进行实施，无工程使用价值。
2、活塞与转盘采用半圆柱销连接的方式是错误的，在V1和V2有高压介质时，两个零件有分离趋势，并无法约束，这样使所有制造误差累计到此连接面，从而完全丧失密封作用，并导致活塞受力条件恶化产生失控运动并卡死；3、需要气阀控制进、排气过程；4、每个球腔内有5个主要运动件活塞、活塞球面销、转盘、转盘球面销、驱动轴，零件数量过多，机构过于繁杂；5、采用齿轮传递动力的方式，效率低。
发明内容
本发明的目的就是设计一种可用于压缩机的一种新型变容式机构，克服了上述压缩机的缺点及专利申请号为85100200的公开文献的缺陷，使采用该新型变容式机构的压缩机既密封可靠又震动小、结构紧凑、运转可靠、易于制造并无进/排气阀、效率高。
设计一种用于压缩机的变容式机构，包括一缸体、缸盖、活塞、转盘、中心销、主轴、主轴支架；缸体和缸盖通过螺钉相连形成一个球形内腔，缸盖上有一轴承座孔、一进气口和一排气口，其特征是活塞具有球形顶面、从球形顶面伸出的活塞销轴、两个成一定角度的侧平面、进/排气通道及在两个侧面下部的活塞销座构成的类似楔型块的结构；两侧面及其上的进/排气通道分别以活塞销轴的中心线为轴成轴对称；上述活塞销轴与缸盖上的轴承座孔通过轴承相配接，活塞的球形顶面与上述球形内腔为密封动配合，活塞可绕活塞销轴的中心线自由转动；转盘的结构类似球台形，其转盘小端面的中心伸出一转盘销轴，转盘的球面部分与上述球形内腔具有相同的球心并紧贴球形内腔形成密封动配合；在转盘大端面上，与活塞销座相对应有一转盘销座，转盘销座的圆柱销孔轴线通过转盘球面部分的球心；并与转盘销轴的轴线相垂直；转盘的形状以转盘销轴的轴线成轴对称；中心销插入转盘销座与活塞销座相配的形成的柱面销座构成柱面铰链，活塞与转盘通过柱面铰链相连，将转盘的大端面与上述球形内腔形成的半球形空间隔成工作室V1和工作室V2；中心销、转盘销座和活塞销座之间为密封动配合，柱面铰链与上述球形内腔相接触的两端面与球形内腔为密封动配合；上述活塞销轴和转盘销轴及主轴的轴线都通过上述球形内腔的球心，并且活塞销轴和转盘销轴的轴线与主轴的轴线形成相同的夹角α；主轴支架通过螺钉与缸体相连，为主轴的旋转提供支撑，主轴相对于主轴支架只能作绕主轴轴线的旋转运动；主轴的一端为偏心曲柄，偏心曲柄位于缸体内与转盘销轴相连，另一端与动力机构相连，为压缩机变容提供动力。
所述活塞的类似楔型块的结构为由两个成一定角度的相交面与一球面相交形成的一个楔型块结构，该球面与上述球形内腔相配并具有形同的球心；在活塞球形顶面的中心伸出一圆柱销轴，该活塞圆柱销轴的轴线通过活塞的球形顶面的球心；在活塞两侧面的下方连接有活塞销座，该活塞销座的圆柱销孔的轴线经过活塞球形顶面的球心、与活塞销轴的轴线垂直并且位于上述两相交面的对称分界面上；上述球面、相交平面及活塞销座的圆柱外表面相交形成活塞的两侧面，在活塞两侧面上各有一凹入球面部分的进/排气通道。
作为转盘的另一种结构形式，所述球台形转盘的大端面上有一与活塞侧面上凹下的进/排气通道相对应突出的凸块结构；上述缸盖上的排气口和进气口为无气阀布置；排气口是在当一个工作室压缩到一定状态时排气；进气口是在当工作室压缩排气后开始进气，体积增达到一定程度时关闭；进气口和排气口与两工作室的连通是通过活塞的球形顶面和进/排气通道与上述球形内腔相对转动的配合中依次完成。
在实际应用中，为进一步加强密封可根据需要，在活塞、转盘的球面与球形缸体相配合的部分增加密封件；在活塞与转盘铰接的圆柱销与销座配合部分、销座与销座配合部分增加密封件。
本发明的优点是1.只有活塞、转盘和主轴3个主要运动件，运动零件少，结构紧凑；无进、排气阀，气体压缩余隙理论上为零；活塞与转盘、活塞与缸盖、转盘与主轴、主轴与缸体之间均为可靠的连接配合，零件受力情况较好，运转可靠，单级压力高；2.围成工作腔的的零件之间的配合为面接触，形成良好的摩擦副，减少了摩擦损失；同时密封性好，减少了泄漏损失；易于实现高速运转；3.无往复运动件，动平衡特性好，震动小；4.与涡旋式等多数旋转式压缩机相比，零件需要精密加工的部位全部为规则的球面、平面或柱面，制造成本低，易于加工。
图6为本发明第二个实施例中活塞和转盘的结构及连接关系7为第二个实施例中活塞结构图；图8为第二个实施例中转盘结构图；图中1为缸体，2为缸盖，3为球形内腔，4为活塞，5为转盘，6为中心销，7为主轴，8为主轴支架，9、10为轴承，11为轴承端盖，12为活塞变形结构，13为螺钉，14为转轴、15为转盘变形结构，16为柱套，17为主轴孔，18为排气口，19为进气口，20为轴承座孔，21为活塞球形顶面，22为活塞销轴，23为侧面，24为活塞销座，25为活塞圆柱销孔，26为转盘销座，27为转盘圆柱销孔，28为转盘大端面，29为转盘球面，30为转盘小端面，31为转盘销轴，32为进/排气通道，33为弹簧档圈，34为锁紧螺母，35为止退螺母。
如图3所示，活塞4是由球形顶面21、两个成一定角度的侧面23、进/排气通道32及在两个侧面23下部的活塞销座24构成的类似楔型块的结构；其结构特征如下由两个成一角度的相交面与一球面相交形成的一个楔型块结构，该球面与球形内腔3相配并具有形同的球心；在活塞球形顶面21的中心伸出一活塞销轴22，活塞销轴22的轴线通过活塞球形顶面21的球心；上述球面、两相交面及活塞销座24的圆柱外表面相交形成活塞4的两侧面23，在活塞两侧面23上各有一凹入球面部分的进/排气通道32；两侧面及其上的进/排气通道32以活塞销轴22的中心线为轴成轴对称；在两侧面23的下方连接有活塞销座24，该活塞销座24的活塞圆柱销孔25的轴线经过活塞球形顶面21的球心、与活塞销轴22的轴线垂直并且位于上述两相交面的对称分界面上；活塞销轴22通过轴承10与缸盖2上的轴承孔座20相配接，轴承10选用球轴承，在轴承孔座20的端面上通过螺钉13加装一轴承端盖11；活塞球形顶面21紧贴球形内腔3内壁并使活塞4可绕活塞销轴22的中心线自由转动；如
图1、图4所示，转盘5为球台形，其转盘小端面30的中心伸出一圆柱形的转盘销轴31，转盘球面29与球形内腔3具有相同的球心并紧贴球形内腔3；在转盘大端面28上，与活塞销座24相对应有一转盘销座26，转盘销座26的转盘圆柱销孔27的轴线通过转盘球面29的球心，并与转盘销轴31的轴线相垂直；转盘5的形状以转盘销轴31的轴线成轴对称；转盘销座26与活塞销座24相配形成一个贯通球面内腔3直径的具有密封性的柱面销座；中心销6插入转盘5和活塞4形成的柱面销座中构成柱面铰链，柱面销座及中心销6与球形内腔3接触的端面为球面、与球形内腔3相配并具有相同的球心，中心销6作为柱面铰链的转动轴，其轴线通过球形内腔3的球心并与活塞销轴22的轴线相垂直，通过柱面铰链使活塞4相对于转盘5可绕中心销6自由转动，同时活塞4将转盘5的大端面与球形内腔3形成的半球形空间隔成工作室V1和工作室V2；缸盖2上的排气口18和进气口19无气阀；排气口18是在当一个工作室压缩到一定状态时排气；进气口19是在当工作室压缩排气后开始进气时进气，体积增大到一定程度时关闭；进气口19和排气口18与两工作室的连通是通过活塞球形顶面21与球形内腔3相对转动的配合中依次完成；缸盖2上进气口19和排气口18的形状及位置设计要满足以下原则，便可实现无进/排气阀工作首先选择参照系沿缸盖2上的轴承座口20的轴线方向从外向内观察活塞球形顶面21，此时活塞4做顺时针转动；为描述方便，在此设定前后相对位置与活塞4的转动方向相同。
一、缸盖2上的进/排气口分布在以轴承座孔20的中心线为轴线的半径分别为R1和R2的圆柱面与缸盖2的内腔表面所形成的环形球面区域内，R1小于R2，但R2不能大于活塞球形顶面21上的进/排气通道32侧面上距离活塞销轴22的轴线最远点的距离，R1不能小于缸盖2上轴承座孔20的半径；二、进气口19的位置1.当一个工作室进气开始瞬间，与该工作室相对应的活塞球形顶面21上的进/排气通道32的前边沿与缸盖2内表面上的进气口19的后边沿相切或重合；2.当该工作室结束进气瞬间，与该工作室相对应的活塞球形顶面21上的进/排气通道32的后边沿与缸盖2内表面上的进气口19的前边沿相切或重合；3.以上整个过程中，缸盖2上的排气口18与该工作室不导通。三、排气口18的位置1.当介质压缩到排气压力工作室排气开始瞬间，与该工作室相对应的活塞球形顶面21上的进/排气通道32的前边沿与缸盖2内表面上的排气口18的后边沿相切或重合；2.排气结束瞬间，与该工作室相对应的活塞球形顶面21上的进/排气通道32的后边沿与缸盖2内表面上的排气口18的前边沿相切或重合；3.以上整个过程中，缸盖2上的进气口19与该工作室不导通。
活塞球形顶面21和转盘球面29与球形内腔3的配合是可以相对运动的具有密封性能的配合，上述柱面铰链中活塞销座24与转盘销座25、活塞销座24与中心销6、转盘销座25与中心销6之间的配合均是可相对转动的具有密封功能的配合；上述活塞的销轴22和转盘销轴31及主轴7的轴线都通过球形内腔3的球心，并且活塞销轴22和转盘销轴31的轴线与主轴7形成相同的夹角α。
主轴支架8通过螺钉13与缸体1相连，缸体1上有主轴孔17，主轴7通过主轴支架8与缸体1相连，主轴7的一端为偏心曲柄，偏心曲柄位于缸体2内与转盘销轴31相连，转盘销轴31与镶入偏心曲柄中的球轴承9相配连接，轴承9的轴线与转盘销轴31的轴线相同，主轴7的轴径与主轴支架8的中心孔为动配合，主轴可绕中心孔自由转动，主轴7的另一端从主轴支架8的中心孔伸出，与动力机构相连，为压缩机变容提供动力。
主轴7伸出主轴支架8的部分带有与驱动电机或其它启动机构连接的键槽或螺纹等，为防止主轴7的轴向窜动，在主轴7与主轴支架8相配的滑动轴径的内侧设置一台阶，外侧通过弹簧档圈33和锁紧螺母34、止腿螺母35形成一个压紧结构；主轴7驱动转盘5转动，转盘5带动活塞4转动，活塞4绕活塞销轴22并紧贴球形内腔3的表面转动，使形成的两个工作室V1和V2依次吸气、压缩、排气，完成压缩机功能；主轴7每旋转两周，工作室V1和工作室V2依次完成一次吸气和排气。图1所示为一个工作室达到最大容积、另一个工作室容积压缩为零的状态。
本发明的第二个实施例是活塞与转盘的连接方式及连接结构不同外，其它与第一个实施例相同；如图6所示为本发明的第二个实施例的活塞与转盘的连接结构图，活塞4与转盘5不是通过中心销6形成的柱面铰链连接，活塞4和转盘5分别变形为活塞变形结构12和转盘变形结构15，在活塞变形结构12和转盘变形结构15上没有活塞销座24和转盘销座26，在原活塞4的两侧面23的下端紧固连接一个以原活塞4的活塞圆柱销孔25的中心线为轴线的“Ω”型圆柱转轴14，转轴14与活塞变形结构12的紧固连接可以根据工艺要求采用螺栓连接；“Ω”型转轴14的两端面与球形内腔3表面为密封动配合；以原转盘5的转盘圆柱销孔27的中心线为轴在转盘大端面28形成一与上述“Ω”型转轴相配的带开口的“C”型柱套16，在“C”型柱套的横截面上开口角度β∠180度；活塞变形结构12通过其上的转轴14和转盘变形结构15上的柱套16构成密封转动配合。
上述“C”型柱套16在其轴线方向可以为分段式，且各段的“C”型开口方向可以不同；从受力及密封角度考虑，实际应用中，“C”型柱套16的一般为分段式并且“C”型的开口方向不同，为此在上述“Ω”型圆柱转轴(14)与活塞体连接的根部位置设置与“C”型的开口相配的结构，使在活塞变形结构(12)与转盘变形结构(15)相对转动到极限位置时，“C”型柱套16的顶部能完全嵌入上述Ω”型圆柱转轴(14)的转轴根部，并占满空间。
不论是对第一个实施例还是第二个实施例，作为转盘5或者是转盘变形结构15，还可以有另一种结构，在所述转盘5或者转盘变形结构15的大端面28上与活塞侧面23上的凹下的进/排气通道32相对应可以有突出的凸块结构。该凸块结构在活塞4与转盘5或者是在活塞变形结构12与转盘变形结构15相对转动到极限位置时，凸块能完全嵌入活塞4或者活塞变形结构15的进排气通道32内，并占满空间。其优点是能保证工作室充分压缩，压缩余隙最小。
为进一步减小压缩余隙，上述两个实施例中，活塞4或活塞变形结构12两侧面与相应的转盘5或转盘变形结构15的转盘大端面28的形状相适应，并在活塞与转盘绕柱面铰链的销轴轴线转动到极限位置时能完全贴合。
第一个实施例及第二个实施例中，活塞4与转盘5、活塞变形结构12与转盘变形结构15的连接方式的突出特点是在压缩过程中，所形成的连接副能约束活塞4与转盘5、活塞变形结构12与转盘变形结构15之间的分离趋势，始终确保有效密封，并确保该空间机构的平稳运行，抗干扰能力强；第一个实施例中的有中心销6的柱面铰链连接的承载能力大，适合于压力较大、负载较高的压缩机，第二个实施例中的转轴14和柱套16形成的转动副的承载能力相对较小，但至少可减少一个圆周方向的泄漏间隙，密封性更好。
上述活塞销轴22和转盘销轴31的轴线与主轴7的轴线形成的夹角α大小的最佳范围是10度到30度；活塞销轴和转盘销轴的轴线与驱动轴形成的夹角α的理论范围是0到45度，选用10度到30度为最佳范围有以下优点动力性能好，运动件运动平稳；各主要运动件的受力情况较好，易于结构设计，对材料、制造工艺要求不高；有利于进/排气口的布置，不需要特殊设计，确保无进/排气阀带来的优势；结构紧凑；密封、润滑、冷却问题容易解决。
活塞4或活塞变形结构12、转盘5或转盘变形机构15、缸体1和缸盖2选用抗磨的、表面光滑的材料；活塞4、转盘5与球形内腔3为球面接触，具有良好的密封性；活塞4与转盘5铰接的柱面铰链、活塞变形结构12与转盘变形结构15形成的转动副由于柱面配合同样可具有良好的密封性；但在实际应用中也可根据需要在其相配合的部分增加密封件；在活塞4与转盘5铰接的中心销6与柱面销座配合部分、活塞销座24与转盘销座26配合部分增加密封件。
本发明所述的变容式机构除可应用于压缩机外，也可用于发动机、泵类机械等结构。
权利要求
1.一种用于压缩机的变容式机构，包括一缸体(1)、缸盖(2)、活塞(4)、转盘(5)、中心销(6)、主轴(7)、主轴支架(8)；缸体(1)和缸盖(2)通过螺钉(13)相连形成一个球形内腔(3)，缸盖(2)上有一轴承座孔(20)、一进气口(19)和一排气口(18)，其特征是活塞(4)具有球形顶面(21)、从球形顶面(21)伸出的活塞销轴(22)、两个成一定角度的侧面(23)、进/排气通道(32)及在两个侧面(23)下部的活塞销座(24)构成的类似楔型块的结构；两侧面(23)及其上的进/排气通道(32)分别以活塞销轴(22)的中心线为轴成轴对称；活塞销轴(22)与缸盖上的轴承座孔(20)通过轴承(92)相配接，活塞球形顶面(21)与球形内腔(3)为密封动配合，活塞(4)可绕活塞销轴(22)的中心线自由转动；转盘(5)的结构类似球台形，其转盘小端面(30)的中心伸出一圆柱形的转盘销轴(31)，转盘球面(29)与球形内腔(3)具有相同的球心并紧贴球形内腔(3)形成密封动配合；在转盘大端面(28)上，与活塞销座(24)相对应有一转盘销座(26)，转盘销座(26)的转盘圆柱销孔(27)的轴线通过转盘球面(29)的球心，并与转盘销轴(31)的轴线相垂直；转盘(5)的形状以转盘销轴(31)的轴线成轴对称；中心销(6)插入转盘销座(26)与活塞销座(24)相配的形成的柱面销座构成柱面铰链，活塞(4)与转盘(5)通过柱面铰链相连，将转盘大端面(28)与球形内腔(3)形成的半球形空间隔成工作室V1和工作室V2；中心销(6)、转盘销座(26)和活塞销座(24)之间为密封动配合，柱面铰链与球形内腔(3)相接触的两端面与球形内腔(3)为密封动配合；上述活塞销轴(22)和转盘销轴(31)及主轴(7)的轴线都通过球形内腔(3)的球心，并且活塞销轴(22)和转盘销轴(31)的轴线与主轴(7)的轴线形成相同的夹角α；主轴支架(8)通过螺钉(13)与缸体(1)相连，为主轴(7)的旋转提供支撑，主轴(7)相对于主轴支架(8)只能做绕主轴轴线的旋转运动；主轴(7)的一端为偏心曲柄，偏心曲柄位于缸体(2)内与转盘(5)的销轴(31)相连，另一端与动力机构相连，为压缩机变容提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征在于所述活塞(4)的类似楔型块的结构为由两个成一定角度的相交面与一球面相交形成的一个楔型块结构，该球面与球形内腔(3)相配并具有相同的球心；在活塞球形顶面(21)的中心伸出一活塞销轴(22)，活塞销轴(22)的轴线通过活塞球形顶面(21)的球心；在两侧面(23)的下方连接有活塞销座(24)，该活塞销座(24)的活塞圆柱销孔(25)的轴线经过活塞球形顶面(21)的球心、与活塞销轴(22)的轴线垂直并且位于上述两相交面的对称分界面上；上述球面、两相交面及活塞销座(24)的圆柱外表面相交形成活塞(4)的两侧面(23)，在活塞两侧面(23)上各有一凹入球面部分的进/排气通道(32)；
3.根据权利要求1所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是缸盖(2)上的排气口(18)和进气口(19)无气阀；排气口(18)是在当一个工作室压缩到一定状态时排气；进气口(19)是在当工作室压缩排气后开始吸气，体积增大到一定程度时关闭；进气口(19)和排气口(18)与两工作室的连通是通过活塞球形顶面(21)、进/排气通道(32)与球形内腔(3)的表面相对转动的配合中依次完成；
4.根据权利要求1所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是活塞(4)与转盘(5)不是通过中心销(6)形成的柱面铰链连接，活塞(4)和转盘(5)分别变形为活塞变形结构(12)和转盘变形结构(15)，在活塞变形结构(12)和转盘变形结构(15)上没有活塞销座(24)和转盘销座(26)，在原活塞(4)的两侧面(23)的下端紧固连接一个以原活塞(4)的活塞圆柱销孔(25)的中心线为轴线的“Ω”型圆柱转轴(14)，“Ω”型圆柱转轴(14)的两端面与球形内腔(3)表面为密封动配合；以原转盘(5)的转盘圆柱销孔(27)的中心线为轴在转盘大端面(28)形成一与上述“Ω”型转轴相配的带开口的“C”型柱套(16)，在“C”型柱套的横截面上开口角度β∠180度；活塞变形结构(12)通过其上的转轴(14)和转盘变形结构(15)上的柱套(16)构成密封转动配合。
5.根据权利要求4所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是上述“C”型柱套(16)在其轴线方向为分段式，且各段的“C”型开口方向不同。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是在活塞变形结构(12)与转盘变形结构(15)相对转动到极限位置时，“C”型柱套16的顶部能完全嵌入上述Ω”型圆柱转轴(14)的转轴根部，并占满空间。
7.根据权利要求1至4所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是所述转盘大端面(28)上与活塞侧面(23)上的凹下的进/排气通道(32)相对应有突出的凸块结构；该凸块结构在活塞(4)与转盘(5)相对转动到极限位置时，凸块能完全嵌入活塞(4)的进排气通道(32)内，并占满空间。
8.根据权利要求1至4任何一项所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是上述活塞销轴(22)和转盘销轴(31)的轴线与主轴(7)的轴线形成的夹角α大小范围是10度到30度。
9.根据权利要求1至4任何一项所述的一种用于压缩机的变容式机构，其特征是在活塞(4)、转盘(5)的球面与球形缸体相配合的部分增加密封件；在活塞(4)与转盘(5)铰接的圆柱销与销座配合部分、销座与销座配合部分有密封件。
全文摘要
本发明涉及一种用于压缩机的变容式机构，球形内腔(3)装有一活塞(4)、一转盘(5)和主轴(7)三个运动件，活塞(4)与转盘(5)通过中心销(6)以柱面铰链形式链接；活塞销轴(22)的轴线和转盘销轴(31)的轴线与主轴(7)的轴线的夹角α相等，并且这三个轴线都通过球形内腔(3)的球心；机构空间运动合成的结果是当驱动主轴是(7)时，活塞(4)与转盘(5)始终作绕中心销6轴线的周期性相对摆动，由于是空间运动合成的相对摆动，因此无明显引起震动的运动要素；主轴每旋转两周，工作室V1和V2交替进行吸气、压缩、排气各一次。本发明具有无进/排气阀、运动件少、震动小、运转灵活、密封可靠等优点。
文档编号F04C21/00GK1431400SQ0311450
公开日2003年7月23日 申请日期2003年2月24日 优先权日2003年2月24日
发明者王陆一 申请人:王陆一