CN211852014U - 一种活齿热气机传动单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种活齿热气机传动单元，包括中心轮、活齿轮、热缸齿架、冷缸齿架、托架、热缸、冷缸、回热器、热缸活塞、热缸活齿、冷缸活塞、冷缸活齿等。在传统弦线活齿传动机构的基础上进行变型，用一圈圆周均布的，由热缸与热缸活塞和其上的热缸活齿构成的推杆机构或由冷缸与冷缸活塞和其上的冷缸活齿构成的推杆机构代替激波器，完成对活齿的激励，进而驱动活齿轮减速输出运动；热缸用于接收热源，冷缸用于接收冷源，由此通过卡诺循环实现热能向活齿轮的机械能的转变，其应用场景丰富多样。

Description

一种活齿热气机传动单元

技术领域

本实用新型涉及热气机技术领域，特别涉及一种活齿热气机传动单元。

背景技术

随着机电液气一体化的发展，出现了机电集成活齿传动减速器，其核心和实质是将行星减速电机的行星减速齿轮箱内的行星减速器换成了活齿减速器。将活齿减速器与电机相结合，可充分发挥活齿减速器相对于传统齿轮减速器的优越性，其应用前景十分广泛。

活齿传动机构除了能与电机相结合，还能与热机相结合，这是人们常常忽略的一个领域。四川大学以梁尚明为第一发明人的研究团队，提出了一系列活齿减速机构在内燃机上的应用方式和专利，取其中之一而言，如专利号为CN201210564987.0提出了《外凸内任意齿差凸轮滚移传动内燃机》，其内燃机机构是八个均布气缸驱动一个有四个波的对称的凸轮，该发明实质为凸轮内燃机串联活齿减速单元，核心是凸轮内燃机机构。

除了内燃机，还有外燃机，典型的例子即斯特林发动机，为一种热气机。如专利号为CN201510725992.9提出了《回热器、斯特林发动机》，提供能够与通过回热器的工质的特性对应地利用工质热量的回热器、斯特林发动机以及斯特林发动机的运行方法，其结构构型为传统构型。在现有的斯特林发动机领域中，常用的核心传动系统包含四种构型，即菱形传动、曲柄连杆传动、斜盘传动与摇摆轭传动。将活齿传动机构应用于斯特林发动机传动系统中，将具备常见传动机构难以匹敌的优越性。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提供一种活齿热气机传动单元，在传统弦线活齿传动机构的基础上进行变型，用一圈圆周均布的，由热缸与热缸活塞和其上的热缸活齿构成的推杆机构或由冷缸与冷缸活塞和其上的冷缸活齿构成的推杆机构代替激波器，完成对活齿的激励，进而驱动活齿轮减速输出运动；热缸用于接收热源，冷缸用于接收冷源，由此通过卡诺循环实现热能向活齿轮的机械能的转变，其应用场景丰富多样。

本实用新型所使用的技术方案是：一种活齿热气机传动单元，包括中心轮、活齿轮、热缸齿架、冷缸齿架、热缸、冷缸、回热器、热缸活塞、热缸活齿、冷缸活塞、冷缸活齿，热缸齿架和冷缸齿架分别固定安装在中心轮上；热缸齿架上有正整数个沿热缸齿架轴心圆周均布的热缸齿槽；冷缸齿架上有正整数个沿冷缸齿架轴心圆周均布的冷缸齿槽；活齿轮铰接在中心轮上，其上有带有正整数个波的热缸活齿轨道和冷缸活齿轨道；中心轮上安装有正整数个且数量相同的热缸和冷缸，且一个热缸和一个冷缸为一组，每组中的热缸和冷缸之间通过回热器连通；每个热缸里装配有一个热缸活塞；每个冷缸里装配有一个冷缸活塞；每个热缸活塞上固定安装有一个热缸活齿，热缸活齿同时与对应的热缸齿槽配合安装；每个冷缸活塞上固定安装有一个冷缸活齿，冷缸活齿同时与对应的冷缸齿槽配合安装；所有热缸活齿分别同时与热缸活齿轨道啮合；所有冷缸活齿分别同时与冷缸活齿轨道啮合。

进一步的，热缸齿槽与冷缸齿槽的数量相同。

进一步的，热缸活齿轨道波数与冷缸活齿轨道波数相同，热缸活齿轨道的波峰对应冷缸活齿轨道的波谷。

进一步的，热缸活齿轨道波数与热缸齿槽个数相差正整数个；冷缸活齿轨道波数与冷缸齿槽个数相差正整数个。

进一步的，沿中心轮轴线圆周均布固定安装有正整数个托架，托架数量与热缸齿槽或冷缸齿槽数量相同，每一组热缸和冷缸安装在同一个托架上。

进一步的，每个热缸活齿端部均固定或铰接设置有热缸减磨套，每个冷缸活齿端部均固定或铰接设置有冷缸减磨套，热缸减磨套介于热缸活齿和热缸活齿轨道之间，冷缸减磨套介于冷缸活齿和冷缸活齿轨道之间，即热缸减磨套与热缸活齿轨道接触，冷缸减磨套与冷缸活齿轨道接触，热缸减磨套是热缸活齿和热缸活齿轨道啮合的过渡零件，冷缸减磨套是冷缸活齿和冷缸活齿轨道啮合的过渡零件。

进一步的，热缸活齿和冷缸活齿均为长条状，沿其中心曲线的法向平面做截面，得到的截面图形为圆形；热缸活齿和冷缸活齿的啮合点分别为热缸活齿和冷缸活齿中心曲线的一个端点。

进一步的，减磨套内部与热缸活齿或冷缸活齿啮合点的外端面完全贴合，其外部曲面沿其轴线的法向平面做截面，得到的截面图形边界为圆形。

进一步的，热缸活齿轨道对应一条热缸活齿轨线，热缸活齿轨线是平面内或圆柱面内的具有多个对称波段的、呈周期性分布的整周闭合曲线；热缸活齿轨道的轨道面是由热缸活齿啮合点沿着热缸活齿轨线运动一周后，热缸减磨套外表面的运动包络面与活齿轮的相交面；冷缸活齿轨道对应一条冷缸活齿轨线，冷缸活齿轨线是平面内或圆柱面内的具有多个对称波段的、呈周期性分布的整周闭合曲线；冷缸活齿轨道的轨道面是由冷缸活齿啮合点沿着冷缸活齿轨线运动一周后，冷缸减磨套外表面的运动包络面与活齿轮的相交面；热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线周期数相同，波幅相等。

进一步的，每个热缸齿槽对应一条热缸槽线，热缸齿槽槽面是由热缸活齿沿着热缸槽线从一端运动至另一端，热缸活齿外表面的轨迹包络面与热缸齿架的相交面；热缸槽线是一条直线段，其长度大于等于热缸活齿轨道波幅的二倍，且热缸槽线中心与热缸活齿轨道波峰和波谷之间的平衡位置重合；每个冷缸齿槽对应一条冷缸槽线，冷缸齿槽槽面是由冷缸活齿沿着冷缸槽线从一端运动至另一端，冷缸活齿外表面的轨迹包络面与冷缸齿架的相交面；冷缸槽线是一条直线段，其长度大于等于冷缸活齿轨道波幅的二倍，且冷缸槽线中心与冷缸活齿轨道波峰和波谷之间的平衡位置重合。

进一步的，回热器上设置有回热箱，用于冷热气体的能量交换，以节省能量损耗。

由于本实用新型采用了上述技术方案，本实用新型具有以下优点：(1)根据不同的减速比构型，任意时刻有一半左右的热缸在做功，同时做功热缸多，功率大；(2)传统斯特林发动机，活塞往复运动一次，发动机输出轴转一圈；而本发动机单元，活塞每往复运动一次，活齿轮只转动一个波所对应的圆心角，相比于传统发动机，转速变低，力矩变大；(3)热缸接热源，冷缸接冷源，适用于各种能源，噪音小且不受气压的影响，应用场景丰富多样；(4)结构简单灵活，便于加工制造及装配。

附图说明

图1、图2为本实用新型实施例一的结构分解示意图。

图3为本实用新型实施例一的整体装配结构示意图。

图4为本实用新型实施例一的活齿轮零件结构示意图。

图5为本实用新型实施例一的热缸齿架零件结构示意图。

图6为本实用新型实施例一的冷缸齿架零件结构示意图。

图7为本实用新型实施例一的回热器结构示意图。

图8、图9为本实用新型实施例二的结构分解示意图。

图10为本实用新型实施例二的整体装配结构示意图。

图11为本实用新型实施例二的活齿轮零件结构示意图。

图12为本实用新型实施例二的热缸齿架零件结构示意图。

图13为本实用新型实施例二的冷缸齿架零件结构示意图。

图14为本实用新型实施例二的回热器结构示意图。

图15、图16为本实用新型实施例三的结构分解示意图。

图17为本实用新型实施例三的整体装配结构示意图。

图18为本实用新型实施例三的活齿轮零件结构示意图。

图19为本实用新型实施例三的热缸齿架零件结构示意图。

图20为本实用新型实施例三的冷缸齿架零件结构示意图。

图21为本实用新型实施例三的回热器结构示意图。

图22、图23为本实用新型实施例四的结构分解示意图。

图24为本实用新型实施例四的整体装配结构示意图。

图25为本实用新型实施例四的活齿轮零件结构示意图。

图26为本实用新型实施例四的热缸齿架零件结构示意图。

图27为本实用新型实施例四的冷缸齿架零件结构示意图。

图28为本实用新型实施例四的回热器结构示意图。

图29、图30为本实用新型实施例五的结构分解示意图。

图31为本实用新型实施例五的整体装配结构示意图。

图32为本实用新型实施例五的活齿轮零件结构示意图。

图33为本实用新型实施例五的热缸齿架零件结构示意图。

图34为本实用新型实施例五的冷缸齿架零件结构示意图。

图35为本实用新型实施例五的回热器结构示意图。

图36、图37为本实用新型实施例六的结构分解示意图。

图38为本实用新型实施例六的整体装配结构示意图。

图39为本实用新型实施例六的活齿轮零件结构示意图。

图40为本实用新型实施例六的热缸齿架零件结构示意图。

图41为本实用新型实施例六的冷缸齿架零件结构示意图。

图42为本实用新型实施例六的回热器结构示意图。

附图标号：1-中心轮；2-活齿轮；3-热缸齿架；4-冷缸齿架；5-托架；6-热缸；7-冷缸；8-回热器；9-热缸活塞；10-热缸活齿；11-热缸减磨套；12-冷缸活塞；13-冷缸活齿；14-冷缸减磨套；201-热缸活齿轨道；202-冷缸活齿轨道；20101-热缸活齿轨线；20201-冷缸活齿轨线；301-热缸齿槽；30101-热缸槽线；401-冷缸齿槽；40101-冷缸槽线；801-回热箱。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：不同于内燃机的单个活塞缸，斯特林发动机同时需要一对活塞缸，即热缸和冷缸来完成传动，故对应于本实用新型，活塞缸固定的情况下，热源所对应的活塞缸就是热缸，故有两种组合方式；活齿轮实心结构时，热缸或冷缸外置，活齿轮空心时，热缸或冷缸可以内置，故有两种组合方式；热缸活齿轨线或冷缸活齿轨线可以是平面内的，也可以是柱面内的，故热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线共有四种组合方式；综上，本实用新型的传动单元共有2×2×4＝16种组合形式，在此只枚举出其中6个可实施性强的实施例。

在上述六个可实施性强的实施例中，热缸活齿轨线或冷缸活齿轨线均采用了轨道参数简单的平面正弦曲线或空间正弦曲线。

平面正弦曲线在xoy平面内的参数方程为：

空间正弦曲线的参数方程为：

以上各式中，R-轨线径向半径；A-轨线幅值；Z_s-轨线波数。

实施例一至实施例六中的热缸减磨套和冷缸减磨套均采用半球体或球体的一部分。

图1～图7为本实用新型的实施例一，该实施例中热缸和冷缸均外置，热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线均采用平面正弦曲线，且选取一致的曲线参数，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

图8～图14为本实用新型的实施例二，该实施例中热缸和冷缸均外置，热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线均采用空间正弦曲线，且选取一致的曲线参数，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

图15～图21为本实用新型的实施例三，该实施例中热缸和冷缸均外置，热缸活齿轨线采用平面正弦曲线，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

冷缸活齿轨线采用空间正弦曲线，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

图22～图28为本实用新型的实施例四，该实施例中热缸和冷缸均内置，热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线均采用平面正弦曲线，且选取一致的曲线参数，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

图29～图35为本实用新型的实施例五，该实施例中热缸和冷缸均内置，热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线均采用空间正弦曲线，且选取一致的曲线参数，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

图36～图42为本实用新型的实施例六，该实施例中热缸和冷缸均内置，热缸活齿轨线采用平面正弦曲线，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

冷缸活齿轨线采用空间正弦曲线，具体参数方程为：

式中，x和y的单位为毫米。

本实用新型工作原理：本实用新型的活齿轮可以直接作为输出轴，或者外连输出构件。使用前，固定中心轮，同时对所有热缸加热，所有冷缸可以放置于常温条件下，也可以放置在冷源中，如冰、凉水、海水或者制冷器中，目的是造成温差，这是传统斯特林发动机最基本的原理，在此不赘述。当所有热缸预热一段时间后，即可启动本装置，通过辅助装置或手直接驱动活齿轮，给予一个初始激励，那么本传动单元即可开始工作。

假设某一时刻，一个热缸减磨套处于热缸活齿轨道的任意一个波峰处，此时即为临界位置。由于热缸活齿轨道的波峰对应冷缸活齿轨道的波谷，故此时处于热缸活齿轨道波峰处的热缸减磨套所连接的热缸，其对应的冷缸上的冷缸减磨套刚好处于冷缸活齿轨道的波谷处。在此需提出一个定义，定义靠近热缸缸口的波的极值点为波峰，远离热缸缸口的波的极值点为波谷或者靠近冷缸缸口的波的极值点为波峰，远离冷缸缸口的波的极值点为波谷，当然，这个定义也可以反过来，即靠近热缸缸口的波的极值点为波谷，远离热缸缸口的波的极值点为波峰或靠近冷缸缸口的波的极值点为波谷，远离冷缸缸口的波的极值点为波峰，本说明中暂且采用第一种定义，即靠近热缸缸口的波的极值点为波峰，远离热缸缸口的波的极值点为波谷。波峰和波谷的定义，是为了保证，当一组热缸和冷缸上的热缸减磨套或冷缸减磨套同时处于其对应轨道的波的极值点时，热缸活塞在热缸中的压缩空间和冷缸活塞在冷缸中的压缩空间，一个是最大极限位置，一个是最小极限位置。这与传统的曲柄连杆传动式的斯特林发动机中的两个曲柄相差90°相位差目的相同。

有了上述定义和概念，当处于临界位置时，假设热缸减磨套处于波峰，此时热缸减磨套将向着热缸活齿轨道的波谷运动，而冷缸减磨套将由冷缸活齿轨道的波谷向波峰运动，热缸中被热缸活塞压缩的压缩腔的体积将变大，冷缸中被冷缸活塞压缩的压缩腔的体积将变小，即气体从冷缸中经过回热器进入热缸中，对应一个做功的过程；而当热缸减磨套被热缸活塞带着热缸活齿驱动至热缸活齿轨道的波谷时，下一时刻，热缸减磨套将进入热缸活齿轨道的下一个周期性的波段中，并由波谷向波峰运动，此时热缸活塞将压缩热缸中的气体，并通过回热器回到冷缸中，这个过程中，冷缸减磨套被冷缸活齿轨道驱动，由波峰向波谷运动，通过冷缸活齿带动冷缸活塞同步放大冷缸中的压缩腔的体积。

以上是一组热缸和冷缸对应的做功过程，在一组热缸和冷缸做功时，热缸活齿驱动活齿轮转动，而活齿轮驱动冷缸活齿配合压缩冷缸；在一组热缸和冷缸做完功后，又被转动的活齿轮驱动热缸活齿和冷缸活齿带动热缸和冷缸进行工质回流。

由于核心传动机构采取了活齿传动的思想和结构，故一圈均布的多组热缸和冷缸，同时有一半左右的相邻的多组热缸和冷缸在做功，故前述运动是可连续的，且连续不断的。

此外，传统斯特林发动机，是将活塞的往复直线运动，转化为输出轴的旋转运动；对于本实用新型，由于采用了活齿传动的思想和结构，相对于传统斯特林发动机，本单元的活齿轮输出转速相对于热缸活塞或冷缸活塞的往复直线运动，是带有减速比的，即热缸活塞往复运动一次，活齿轮才转过一个热缸活齿轨道的完整的波或冷缸活塞往复运动一次，活齿轮才转过一个冷缸活齿轨道的完整的波。

此外，回热器中空，两侧管接头分别连接了热缸和冷缸，其上的回热箱，为储能件，可以节省一部分能量，提高整机效率。

最后，本实用新型的活齿热气机传动单元，其本身在结构上有16种组合形式，同时，其应用场景也丰富多样，可以用电源加热热缸，从而成为电驱发动机，用在新能源汽车或一些特殊的场合；可以通过外接反射镜面组，接收太阳光作为热源，从而应用在太阳能发电的场合中；在应用在太阳能发电的场合中，可以将本实用新型进一步与潮汐发电装置配合使用，其场景不仅可以通过太阳光提供热源，还能将冷缸浸泡在海水中作为冷源，更加稳定高效；可以作为某些机器的散热装置，吸收热量的同时还可发电，如用在空调外机上；还可以作为发电厂或炼钢厂等热气排量非常大的场合，作为发电装置。总之，其主要应用场景可归结为发动机和发电机两种类型，既可以利用各种形式的能源变成发动机，也可利用生产生活中产生的余热或者大自然中本身的热源变成发电机。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种活齿热气机传动单元，包括中心轮、活齿轮、热缸齿架、冷缸齿架、热缸、冷缸、回热器、热缸活塞、热缸活齿、冷缸活塞、冷缸活齿，其特征在于：热缸齿架和冷缸齿架分别固定安装在中心轮上；热缸齿架上有正整数个沿热缸齿架轴心圆周均布的热缸齿槽；冷缸齿架上有正整数个沿冷缸齿架轴心圆周均布的冷缸齿槽；活齿轮铰接在中心轮上，其上有带有正整数个波的热缸活齿轨道和冷缸活齿轨道；中心轮上安装有正整数个且数量相同的热缸和冷缸，且一个热缸和一个冷缸为一组，每组中的热缸和冷缸之间通过回热器连通；每个热缸里装配有一个热缸活塞；每个冷缸里装配有一个冷缸活塞；每个热缸活塞上固定安装有一个热缸活齿，热缸活齿同时与对应的热缸齿槽配合安装；每个冷缸活塞上固定安装有一个冷缸活齿，冷缸活齿同时与对应的冷缸齿槽配合安装；所有热缸活齿分别同时与热缸活齿轨道啮合；所有冷缸活齿分别同时与冷缸活齿轨道啮合。

2.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：热缸齿槽与冷缸齿槽的数量相同。

3.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：热缸活齿轨道波数与冷缸活齿轨道波数相同，热缸活齿轨道的波峰对应冷缸活齿轨道的波谷。

4.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：热缸活齿轨道波数与热缸齿槽个数相差正整数个；冷缸活齿轨道波数与冷缸齿槽个数相差正整数个。

5.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：沿中心轮轴线圆周均布固定安装有正整数个托架，托架数量与热缸齿槽或冷缸齿槽数量相同，每一组热缸和冷缸安装在同一个托架上。

6.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：每个热缸活齿端部均固定或铰接设置有热缸减磨套，每个冷缸活齿端部均固定或铰接设置有冷缸减磨套，热缸减磨套介于热缸活齿和热缸活齿轨道之间，冷缸减磨套介于冷缸活齿和冷缸活齿轨道之间，即热缸减磨套与热缸活齿轨道接触，冷缸减磨套与冷缸活齿轨道接触，热缸减磨套是热缸活齿和热缸活齿轨道啮合的过渡零件，冷缸减磨套是冷缸活齿和冷缸活齿轨道啮合的过渡零件。

7.如权利要求6所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：热缸活齿和冷缸活齿均为长条状，沿其中心曲线的法向平面做截面，得到的截面图形为圆形；热缸活齿和冷缸活齿的啮合点分别为热缸活齿和冷缸活齿中心曲线的一个端点。

8.如权利要求7所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：减磨套内部与热缸活齿或冷缸活齿啮合点的外端面完全贴合，其外部曲面沿其轴线的法向平面做截面，得到的截面图形边界为圆形。

9.如权利要求1~8任意一项权利要求所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：热缸活齿轨道对应一条热缸活齿轨线，热缸活齿轨线是平面内或圆柱面内的具有多个对称波段的、呈周期性分布的整周闭合曲线；热缸活齿轨道的轨道面是由热缸活齿啮合点沿着热缸活齿轨线运动一周后，热缸减磨套外表面的运动包络面与活齿轮的相交面；冷缸活齿轨道对应一条冷缸活齿轨线，冷缸活齿轨线是平面内或圆柱面内的具有多个对称波段的、呈周期性分布的整周闭合曲线；冷缸活齿轨道的轨道面是由冷缸活齿啮合点沿着冷缸活齿轨线运动一周后，冷缸减磨套外表面的运动包络面与活齿轮的相交面；热缸活齿轨线和冷缸活齿轨线周期数相同，波幅相等。

10.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：每个热缸齿槽对应一条热缸槽线，热缸齿槽槽面是由热缸活齿沿着热缸槽线从一端运动至另一端，热缸活齿外表面的轨迹包络面与热缸齿架的相交面；热缸槽线是一条直线段，其长度大于等于热缸活齿轨道波幅的二倍，且热缸槽线中心与热缸活齿轨道波峰和波谷之间的平衡位置重合；每个冷缸齿槽对应一条冷缸槽线，冷缸齿槽槽面是由冷缸活齿沿着冷缸槽线从一端运动至另一端，冷缸活齿外表面的轨迹包络面与冷缸齿架的相交面；冷缸槽线是一条直线段，其长度大于等于冷缸活齿轨道波幅的二倍，且冷缸槽线中心与冷缸活齿轨道波峰和波谷之间的平衡位置重合。

11.如权利要求1所述的一种活齿热气机传动单元，其特征在于：回热器上设置有回热箱，用于冷热气体的能量交换，以节省能量损耗。

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