CN104454145A - 一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高传动比悬浮轴离心增压器，包括传动单元、风机增压单元和冷却单元；所述传动单元由带轮、行星齿轮机构、摩擦轮组和悬浮主轴共同组成，其中行星齿轮机构包括安装在齿轮箱中的太阳齿轮和行星齿轮，该太阳齿轮与带轮同轴安装且一同转动，行星齿轮120度对称布置在太阳齿轮的***上与其保持啮合和随动；摩擦轮组包括设置在密封箱体内的摩擦轮，并对应于行星齿轮同轴设置；悬浮主轴与摩擦轮表面形成接触摩擦，并由其带动一同转动；冷却单元则用于将齿轮箱和密封箱体内的高温润滑油泵出，执行冷却后返回。通过本发明，能够在高速段显著提高整机的传动精度和增速比，同时具备安全寿命长、便于挂载安装、散热性能好和噪音低等特点。

Description

一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器
技术领域
本发明属于内燃发动机相关配件技术领域，更具体地，涉及一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器。
背景技术
为了提高内燃发动机的效率和输出功率，在空气进入到气缸之前，通常需要为其配置增压器来将空气压缩，这样在同样的气缸体积下，能够吸入更多的空气来燃烧更多的燃料，相应达到增大功率的目的。
目前普遍采用的发动机增压器划分为机械增压和涡轮增压等类别，其中机械增压包括离心式机械增压、螺旋式增压和鲁兹式机械增压等，它能够直接利用发动机引擎来驱动增压器，再将高密度空气送入气缸以提高引擎的输出功率，因此具备工作可靠、线性跟随性好、发动机低速运转时表现优异等优点；但缺点集中在高速段增压效果不理想和噪音偏大等方面。
本发明人在2010年申请的CN101010593788.3中提出了一种摩擦轮高速悬浮轴离心增压器，其中通过研究设计新型悬浮主轴及配套的摩擦轮结构，相应解决了现有机械增压器转速难以提高、体积大和效率低的问题，同时具备结构简单、便于制备等优点。然而，通过后续数年的工程应用和实际测试表明，该离心增压器仍然存在以下的缺陷或不足：1)它的第一级传动采用3个皮带轮分别将发动机动力传至摩擦轮，但一旦在挂载时有部分皮带轮未受力，该皮带轮和摩擦轮之间将成为空载，并可能导致中心轴滑动率增高，传输效率降低；2)由于需要多个皮带轮来执行传动，与汽车发动机匹配安装时挂载方位受到很大的限制，在实际操作中难于设计安装；3)该离心增压器中的摩擦轮作为主要核心部件之一，由轮芯、橡胶圈、钢制轮套和磁环共同构成，但经过台架试验发现，在旋转过程中橡胶圈同时承受旋转压力和圆周拉力，这样经过较长周期的运转后，高频率的抗压和拉扯力容易使其发生难以恢复的变形甚至断裂，并体现为中心轴和摩擦轮周期性打滑或者整个增压***失效，这一点在转速提高后表现得尤为明显；4)目前采用风机来对摩擦轮进行冷却，这对增压器传动效率处于低中段时是适用的，但当传动效率提高到较高程度后，冷却效果有限且只能依靠提高风机功率来保证降温，这样在提高整机负载的同时，还显著加大了***噪声。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器，其中通过对其整体构造和工作传动过程，以及多个关键组件如传动单元、摩擦轮和冷却单元的具体结构及其设置方式进行改进，相应能够在提升发动机功率和扭矩的同时，在运转达到高速段后仍能显著提高整机的传动精度和增速比，同时具备安全寿命长、便于挂载安装、散热性能好和噪音低等特点，因而尤其适用于各类小排量的家用轿车和农用汽车匹配使用。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器，该增压器包括传动单元、风机增压单元和冷却单元，其特征在于：
所述传动单元由带轮、行星齿轮机构、摩擦轮组和悬浮主轴共同组成，其中带轮通过传动带与汽车发动机直接相连并获得驱动；行星齿轮机构包括共同设置在齿轮箱中的太阳齿轮和三个行星齿轮，该太阳齿轮穿过所述齿轮箱，与所述带轮同轴安装并一同转动，三个行星齿轮各自通过传动轴对称布置在所述太阳齿轮的***上，且均与太阳齿轮保持啮合和随动；摩擦轮组包括共同设置在密封箱体内的三组摩擦轮，它们对应于所述行星齿轮各自同轴设置在所述传动轴上，并被分为处于第一相同平面的前摩擦轮和处于第二相同平面的后摩擦轮；悬浮主轴则在其前后端分别与所述前摩擦轮和后摩擦轮的表面形成接触摩擦，并由三个摩擦轮六个摩擦圈的外径作为支撑点来共同托起悬浮主轴，由此带动其一同转动；此外，所述齿轮箱与所述密封箱体彼此相连成一体，它们保持内腔相通并加注有润滑油(譬如，轻质润滑油)；
所述风机增压单元包括机壳、开设在机壳上的轴向进风口和径向出风口，以及设置在机壳内部的离心叶轮组和轴向叶轮组，其中离心叶轮组和轴向叶轮组依次固定套合在所述悬浮主轴的尾端，由此在此悬浮主轴的带动下发生旋转，并使得气流从轴向进风口加速流向径向出风口，从而起到增压功能；
所述冷却单元包括齿轮泵和油冷却器，其中齿轮泵安装在所述齿轮箱中，用于将所述太阳齿轮、行星齿轮、摩擦轮和悬浮主轴旋转导致升温的润滑油泵出至所述油冷却器，该油冷却器则对润滑油执行降温处理，然后返回至所述密封箱体。也可在冷却润滑油的回路中加接电动泵,使油循环流动。
通过以上构思，由于采用行星齿轮机构来构建传动***，可以有效避免空载现象的发生，并进一步提高整个传输***的精度和效率，特别是，能够在原有基础上增加一级增速，即形成带轮-太阳齿轮、太阳齿轮-卫星齿轮、摩擦轮-悬浮主轴的三级增速***，显著改善目前增速比不足的现状，即便在运转达到高速段后增压效果仍令人满意，而且由于不再需要多个皮带轮，这样太阳齿轮的齿轮轴只需穿过齿轮箱并在轴上安装传动带，即可实现与带轮和发动机动力部分的联接，相应不再存在安装挂载方位难于设计的问题，同时解决了摩擦轮旋转转速差的问题；此外，通过对齿轮箱和密封箱体的一体化设计，在对各个轴、轮和齿轮之间的多个接触提供良好润滑的同时，还能起到足够的冷却效果，实际测试表明，该增压器的整体性能与前代产品相比大大提高，主轴转速最高值可从过去的72000转/分提升至100000转/分以上，从过去的台架连续变速测试可从1000小时连续不间断工作时间提升到3000小时以上，并且整机摩擦噪音获得明显降低。
作为进一步优选地，对于各个所述摩擦轮而言，它从内到外依次包括轮芯、弹性橡胶圈和轮套，其中轮芯在其中央位置套合于所述传动轴上，并沿着外表面圆周方向上对称加工有多个向外凸出的第一齿；弹性橡胶圈的内表面加工有与所述第一齿相配合的多个内齿槽，由此镶嵌安装在该轮芯之上；轮套的内表面沿着圆周方向加工有多个向内凸出的第二齿，弹性橡胶圈的外表面同样加工有与所述第二齿相配合的多个外齿槽，由此执行与轮套之间的镶嵌安装；此外，所述第一齿、第二齿的结构相同，它们彼此交错并呈对称分布。
通过以上对摩擦轮的具体结构的设计，当装配完成后，弹性橡胶圈具有胀紧力，并通过内、外齿槽来进一步确保与轮芯和轮套之间的精密配合和传动精度；在旋转时，第一齿会推动弹性橡胶圈，橡胶圈外齿槽则继续带动第二齿，从而使得摩擦轮持续沿着传动轴平稳旋转，并且在整个旋转过程中，橡胶圈主要仅承受径向圆周的挤压力，而基本不会受到拉扯力作用，相应使得即便在极高速运转(譬如，90000转/分)时，也不会发生中心轴和摩擦轮周期性打滑或者增压***失效的情况，同时显著提高了结构可靠性和工作寿命，这对于频繁需要高速旋转的应用场合来说尤为重要。
作为进一步优选地，所述太阳齿轮与行星齿轮之间的齿数比被设定为1：1.5，所述摩擦轮的直径与悬浮主轴之间的直径比被设定为1；4.456，总传动比为6.68。
在设计采用三级增速传动的情况下，传动***的主要规格参数对于最终所能取得的增压效果同样起到重要作用，因此本发明中结合汽车发动机的应用特点，将齿轮和摩擦轮等元件的规格限定为以上特定参数，这样带轮转动1转即可带动悬浮主轴转动6.68转，同时将风机叶轮组的转速提高6.68倍，较多的对比测试表明，该增速比能够在高速段也提供给满意的增压效果，同时确保长时间持续工作的可靠性和传输效率。
作为进一步优选地，所述齿轮泵可替换为油泵，并将安装在齿轮箱外部。
作为进一步优选地，所述轮芯为铝合金轮芯，所述弹性橡胶圈的材料为氢化丁腈橡胶等温度跨度大的材料，所述轮套由轴承钢材质制成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过对传动***的组成部件及其结构和设置方式进行研究设计，能够获得三级增效激励，克服现有增压器的空载现象、有效解决增益比和传输效率的瓶颈问题，测试表明其最高转速可达到100000转/分以上，同时便于与汽车发动机的挂载安装设计，尤其是显著改善了高速段的增压效果；
2、通过对摩擦轮的具体结构进行改进，省去了成本较高的磁环元件，降低了制作工艺难度；此外，即便在长寿命周期内，摩擦轮也能起到良好的支撑和传动作用，不会发生周期性打滑和断裂问题，从而提高传动***的旋转精度的同时，还有助于提高可靠性和使用寿命；
3、通过对齿轮箱、密封箱体及冷却***的配套设计，测试表明能够在提供良好润滑的同时起到足够的冷却效果，台架连续变速测试的结果表明，其连续不间断工作时间可由前代产品的1000小时提升至3000小时以上；该一体化设计还提供了紧凑合理的安装框架，并且整机摩擦噪音获得明显降低；
4、按照本发明的悬浮轴离心增压器整体结构节凑、便于调试安装、传动比高，而且长时间使用安全可靠，整机噪音低，即便在高速段仍能提供令人满意的增压效果，因此尤其适用于排量为1.0L～2.0L(例如，1.2L或1.6L)之类的小排量汽车，以及高原、山区等应用场合的各类家用轿车或农用汽车上挂载匹配使用。
附图说明
图1是按照本发明所构建的离心增压器的整体结构及布置方式示意图；
图2是图1中所示传动***的结构端视图；
图3是图1中所示摩擦轮的结构剖视图；
图4是用于显示悬浮轴与摩擦轮之间执行传动过程的结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-传动单元  2-风机增压单元  11-带轮  12-行星齿轮机构  13-摩擦轮组  14-悬浮主轴  21-机壳  22-轴向进风口  23-径向出风口  24-离心叶轮组  25-轴向叶轮组  201-太阳齿轮  202-行星齿轮  203-齿轮箱204-传动轴  131-密封箱体  132-摩擦轮  1321-轮芯  1322-弹性橡胶圈1323-轮套
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的离心增压器的整体结构及布置方式示意图。如图1中所示，该离心增压器主要包括传动单元1、风机增压单元2和冷却单元3等功能单元，其中针对现有机械增压器的各种不足，同时参照对本发明人先前产品的工程应用实践和台架测试结果(具体如背景技术部分所述)，在此基础上对这些功能组件的结构及其设置方式进行了研究设计，以便达到提高整机增速比、确保高速段的增压效果，以及降低噪音、改善整体性能和长期使用的可靠性等目的。
具体而言，如图1和2中所示，所述传动单元1由带轮11、行星齿轮机构12、摩擦轮组13和悬浮主轴14共同组成。带轮11譬如可通过传动带与汽车发动机的动力部分直接相连，由此获得动力驱动。作为本发明的关键改进之一，行星齿轮机构2包括共同设置在一个齿轮箱203中的太阳齿轮201和三个行星齿轮202，该太阳齿轮201直径相对较大，它的一端(图1中显示为左端)直接穿过齿轮箱203，并与带轮11同轴安装在一个传动轴上以便一同转动；三个行星齿轮202的结构相同且直径相对较小，它们各自通过自己的传动轴204及其配套的行星架对称布置在太阳齿轮201的***上，并且均与太阳齿轮201保持啮合，由此当大齿轮转动时带动与其啮合的三个小齿轮同步转动。摩擦轮组13譬如包含3组，每组的数量可设计为2个摩擦轮并分别布置在前后位置(当然，每组中包含更多的摩擦轮也是可行的，本发明中基于对传动效率和结构紧凑性之间的平衡考虑，选择了一前一后的双摩擦轮形式；此外，优选将各个摩擦轮在悬浮轴径向120度分布)，摩擦轮组13的所有摩擦轮132都设置在一个密封箱体131也即摩擦轮箱内，并且各组摩擦轮分别对应于一个行星齿轮保持同轴地设置在一根传动轴204上，由此当行星齿轮同步旋转时带动固定在同一根轴上的一组摩擦轮的转动；此外，如图4中所示，这三组摩擦轮中布置在传动轴前端的摩擦轮均保持在同一平面内，这样当它们转动时的运动轨迹也处于同一平面，并且三个前摩擦轮的中心点连线优选形成等边三角形，三个轮的边缘作为三个支撑点来共同支撑悬浮主轴的前端，并通过摩擦接触来带动其转动；上述三组摩擦轮中布置在传动轴后端的摩擦轮同样均保持在另一相同平面，并以前述相同的方式对悬浮主轴的后端进行支撑，从而与前摩擦轮共同作用以执行传动过程。悬浮主轴14由于在其前后端分别与3个前摩擦轮和3个后摩擦轮的表面形成接触摩擦，由此在无需轴承的情况下也能够执行同步高速旋转。
以此方式，由于传动***中不再需要3个皮带轮，不仅可以有效解决皮带轮与摩擦轮之间的空载和滑动率偏高的问题，而且非常方便与汽车发动机之间的安装挂载，这对执行在现有各类汽车上的设备改造和扩大产品适用性方面是非常关键的；特别是，通过在齿轮箱内增加了一级增速，整体增速比与原先相比获得明显提高，以太阳齿轮与行星齿轮的齿数比为1：1.5，摩擦轮与悬浮主轴的直径比为1；4.456这一优选传动参数为例，在增压器的转速比达到6.68倍，发动机主轴皮带盘至增压器皮带盘増速比为1；2.5,因此,总的传动比为16.7倍,带轮转动1轮即可带动悬浮主轴转动6.68转，装在悬浮主轴上的风机叶轮组转速同时提高了16.7倍，由此使得风机增压单元所吹出的风流增速进一步增快、压力升高，风流增大，进而大大改善了工作效率和增压效果。
风机增压单元2可包括机壳21、开设在机壳21上的轴向进风口22和径向出风口23，以及设置在机壳21内部的离心叶轮组24和轴向叶轮组25，此外还可以设置如轴向风道、叶轮腔、搁板等结构，其中离心叶轮组25和轴向叶轮组24依次固定套合在悬浮主轴14的尾端(图1中显示为右端)，由此在此悬浮主轴的带动下发生同步旋转，并使得气流从轴向进风口22加速流向径向出风口23，从而起到增压功能.
作为本发明的另一关键改进，齿轮箱203与密封箱体131彼此相连并一体化设计，它们的内腔保持相通并加注有润滑油；与此相配合，本发明中还设置有冷却单元来执行冷却和降温处理。该冷却单元包括齿轮泵和油冷却器等，其中齿轮泵可直接由齿轮箱内的部分齿轮组设计而成，用于将太阳齿轮201、行星齿轮202、摩擦轮132和悬浮主轴14之间高速旋转所导致升温的润滑油泵出，并送至油冷却器执行降温处理，然后返回至密封箱体131。此外，也可以将齿轮泵来替换外部的电动油泵，由此进一步减少设备体积、提高结构紧凑性。
之所以进行以上设计，是考虑到传动单元中的摩擦力大小直接影响到整机的负载能力和传动效率，当如现有技术那样采用润滑脂或者风机进行冷却时，在中低转速的情况是适用的，但当传动效率达到一定程度之后，冷却效果则非常有限，而且增大风机功率还会迅速恶化***噪音状况。因此，本发明中通过将摩擦轮箱设计为密封体，它与齿轮箱一体化组合设计并在其相通的腔内加注润滑油，这样不仅可以为多个齿轮、摩擦轮、传动轴、轴承以及悬浮主轴等提供足够的润滑，还能够在确保不增加噪音的同时提供良好的冷却效果。通过上述整体构造设计，按照本发明的离心增压器主轴转速最高值可从过去的72000转/分提升至100000转/分以上，而且台架连续变速测试的结果表明，其连续不间断工作时间可由前代产品的1000小时，提升至3000小时以上，从而具备更大的实际应用价值。
参见图3，显示了按照本发明设计的新型摩擦轮的结构剖视图。作为本发明的又一关键性改进，该摩擦轮对于提高最大转速、保障旋转精度和确保长时间运转的可靠性等方面同样发挥了重要作用。
具体而言，各个摩擦轮132从内到外依次包括譬如为铝轮的轮芯1321、弹性橡胶圈1322和轮套1323，其中轮芯在其中央位置套合于各个传动轴204上与行星齿轮保持同轴，并沿着外表面圆周方向上对称加工有多个向外凸出的第一齿；弹性橡胶圈1322的内表面加工有与这些第一齿相配合的多个内齿槽，由此紧密吻合地镶嵌安装在该轮芯之上；轮套1323的内表面沿着圆周方向加工有多个向内凸出的第二齿，弹性橡胶圈1322的外表面同样加工有与这些第二齿相配合的多个外齿槽，由此执行与轮套之间的镶嵌安装；此外，所述第一齿、第二齿的结构相同，它们彼此交错并呈对称分布。
通过以上对摩擦轮的结构具体设计，当装配完成后,橡胶圈具有胀紧力且具备与第一齿和第二齿交错嵌合的内外齿槽，由此进一步确保了与轮芯和轮套之间的精密配合和传动精度；当铝轮旋转时,铝轮齿推动橡胶件,橡胶件齿槽带动摩擦圈齿,摩擦圈带动中心轴旋转,这时橡胶件主要只承受径向圆周挤压力,而基本沒有拉扯作用力,因此，橡胶件的使用寿命得以沿长,更重要的是，使得摩擦轮的旋转速度峰值获得进一步提高，即便在极高速运转时，也不会发生中心轴和摩擦轮周期性打滑或者增压***失效的情况。
综上，按照本发明的具备行星齿轮机构的悬浮轴离心增压器能够在提升发动机功率和扭矩的同时，在运转达到高速段后仍能显著提高整机的传动精度和增速比，同时具备安全寿命长、便于挂载安装、散热性能好和噪音低等特点，因而尤其适用于各类曲轴连杆系統的发动机上挂载,以及排量譬如为1.4L、1.6L的家用轿车和农用汽车等车辆上使用,并起到提升功率、増大扭矩和減少排放多方面的效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具备行星齿轮机构的高传动比悬浮轴离心增压器，该增压器包括传动单元、风机增压单元和冷却单元，其特征在于：
所述传动单元(1)由带轮(11)、行星齿轮机构(12)、摩擦轮组(13)和悬浮主轴(14)共同组成，其中带轮(11)通过传动带与汽车发动机直接相连并获得驱动；行星齿轮机构(2)包括共同设置在齿轮箱(203)中的太阳齿轮(201)和三个行星齿轮(202)，该太阳齿轮(201)穿过所述齿轮箱(203)，与所述带轮(11)同轴安装并一同转动，三个行星齿轮(202)各自通过传动轴(204)120度对称布置在所述太阳齿轮(201)的***上，且均与太阳齿轮保持啮合和随动；摩擦轮组(13)包括共同设置在密封箱体(131)内的三组摩擦轮，它们对应于所述行星齿轮(202)各自同轴设置在所述传动轴(204)上，并被分为处于第一相同平面的前摩擦轮和处于第二相同平面的后摩擦轮；悬浮主轴(14)则在其前后端分别与所述前摩擦轮和后摩擦轮的表面形成接触摩擦，并3个摩擦轮按120度六个摩擦圈的外径作为支撑点来共同托起悬浮主轴，由此带动其一同转动；此外，所述齿轮箱(203)与所述密封箱体(131)彼此相连成一体，它们保持内腔相通并加注有润滑油；
所述风机增压单元(2)包括机壳(21)、开设在机壳(21)上的轴向进风口(22)和径向出风口(23)，以及设置在机壳(21)内部的离心叶轮组(24)和轴向叶轮组(25)，其中离心叶轮组(25)和轴向叶轮组(24)依次固定套合在所述悬浮主轴(14)的尾端，由此在此悬浮主轴的带动下发生旋转，并使得气流从轴向进风口(22)加速流向径向出风口(23)，从而起到增压功能；
所述冷却单元包括齿轮泵和油冷却器，其中齿轮泵安装在所述齿轮箱中，用于将所述太阳齿轮、行星齿轮、摩擦轮和悬浮主轴旋转导致升温的润滑油泵出至所述油冷却器，该油冷却器则对润滑油执行降温处理，然后返回至所述密封箱体(131)。
2.如权利要求1所述的悬浮轴离心增压器，其特征在于，对于各个所述摩擦轮(132)而言，它从内到外依次包括轮芯(1321)、弹性橡胶圈(1322)和轮套(1323)，其中轮芯(1321)在其中央位置套合于所述传动轴(204)上，并沿着外表面圆周方向上对称加工有多个向外凸出的第一齿；弹性橡胶圈(1322)的内表面加工有与所述第一齿相配合的多个内齿槽，由此镶嵌安装在该轮芯(1321)之上；轮套(1323)的内表面沿着圆周方向加工有多个向内凸出的第二齿，弹性橡胶圈(1322)的外表面同样加工有与所述第二齿相配合的多个外齿槽，由此执行与轮套(1323)之间的镶嵌安装；此外，所述第一齿、第二齿的结构相同，它们彼此交错并呈对称分布。
3.如权利要求1或2所述的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述太阳齿轮(201)与行星齿轮(202)之间的齿数比优选被设定为1：1.5，所述摩擦轮(132)的直径与悬浮主轴(14)之间的直径比被设定为1；4.456,总传动比为6.68。
4.如权利要求1-3任意一项所述的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述齿轮泵可替换为电动油泵，并安装在所述齿轮箱(203)外部。
5.如权利要求1-4任意一项所述的悬浮轴离心增压器，其特征在于，所述轮芯(1321)优选为铝合金轮芯，所述弹性橡胶圈(1322)的材质为氢化丁腈等温度系数跨度大和压变小的材质,所述轮套(1323)优选由轴承钢材质制成。
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