一种旋转扁圆活塞压缩机

往复活塞作为-种动力传输构件广泛运用在气动、制冷、液压等流体机械和凸轮动力机构中，最成功运用是在内燃机领域，目前几乎所有使用中的内燃机都是往复活塞式。往复活塞绝大多数是圆形，也有椭圆或扁圆形的活塞运用，较成功- 例是，为了提高充气效率、缩小体积、改善经济性，日本本田公司在 1979年采用了扁圆形气缸配合扁圆形活塞结构的内燃机 ，供竞赛用在NR750型摩托车上”。当然，这种活塞的运动轨迹仍为往复直线运动，见图1(a)。

往复活塞运用的成功因素在于： (1)曲轴连杆机构力的转换方式的合理性，具有承载力强、结构简单、性能可靠等特点； (2)圆柱形活塞(包括扁圆形等)在形状上具备整体性和平顺性，它的工作面能与气缸体形成的面接触密封结构，收稿 日期：2012-07-10-2013年02期(总第238期)成就了往复活塞内燃机 100多年毫不动摇的地位。

但是，无论圆形还是扁圆形活塞它们的轨迹均为往复直线运动，产生的往复惯性和不平衡性不可避免，且转速越高惯性越大，限制了转速和效率等进-步提高，形成了往复活塞机械发展的瓶颈。

如果设计-种使扁圆形的活塞能围绕固定圆心旋转的压缩机，即可消除往复惯性，又保持了活塞与气缸的面接触密封的优点。这将是-种全新概念的创新设计 ，见图 1(b)。

2 改进不足的技术现状如果用旋转运动的活塞来替代往复运动的活塞，从机构上分析无疑是极为合理的。减少往复运动，即意味着减少往复惯性，便可提高转速和效率。由此，出现了较多尝试采用其它装置构件在工作腔内转动的旋转式压缩机和内燃机等，如：摆动活塞式、转子活塞 (三角活塞)式、滑片式、滚子式、内啮齿轮式等回转形式的流体机械；近 虽图 1 扁圆活塞两种运动轨迹示意图几年来由于加工技术提高而开始使用较多的螺杆式、蜗旋式等，虽然它们都可以在气缸内形成-个周期变化的密封容积、并有较好的平衡性，但仍然存在低速性能不好、工作压力不高等缺陷，限制了使用领域的扩大。

3 回转式流体机械缺陷的主要原因3.1 线接触密封结构的缺陷以上滑片压缩机等回转式流体机械，它们的滑动密封工作构件均为高副方式的线接触的密封结构。它们的转动部件：三角活塞、滑片、滚子等均与静止的工作腔内壁的弧面旋转圆心不-致，使三角活塞顶部端面、滑片、滚子等径向端面只能制作成较须径的弧面，必然气汽缸体内壁形成线接触式的密封结构。由于接触面很小，在高速、高压和高温下，容易加重气缸壁磨损；同样，螺杆、蜗旋压缩机等虽然平衡较好，但工作容积之间仍是微等距的、线接触形式的密封结构，很明显这些结构对低速性、工作压力和效率的提高有较大影响。

3.2 密封工作面之间缺乏平顺连接滑片式、滚子式、齿轮式等流体机械，它们的气缸体内壁、滑片、回转活塞及齿轮等的轴向和径向面均为直角连接，对工作面的几何平顺性和整体性造成不利，容易引起倒角处的磨损和泄漏。而活塞压缩机因圆形 (或扁圆形)活塞具有良好的整体性和密封平顺性，完全能与气缸体形成了面接触式的密封结构，再加上活塞环的配合，使往复活塞能承受更高压力、将磨损和泄漏降到最低，至今仍为最成功的流体机械。

4 具体改进设计的实施方式如图2、3所示，本例实施的压缩机包括貌似54l 瓣 ，圆环形状的气缸体 5及气缸体的两侧的气缸端盖9构成了压缩机外壳，在气缸体 5的圆周上设置有进气口l5、排气口14；转子 1O通过刚性连接的驱动轴 1安装在端盖 9上，并偏心地位于气缸体 5内，产生-个周期性变化的密封做功工作腔23。

转子 1O上开有-个或多个活塞滑槽 16，分别用于芭活塞 12，每个活塞滑槽 16远轴外端口的相对面为圆柱面，圆柱面的轴线为 21；活塞滑槽16的近轴端有供滑片摆动的空腔 18；活塞 12的前、后面与活塞滑槽 l6的相对圆柱面之间设置弓形滑块 20，弓形滑块 20的圆弧面与活塞滑槽 l6的圆柱面具有共同轴线 21。故活塞 12不仅可以在活塞滑槽 16中伸缩，还可以绕轴线 21在空腔 18中摆动。

本设计压缩机的旋转活塞 l2形似半块扁圆体，它的远轴端部分为扁圆曲面 (或其它圆曲线面形状)，如图 2、3所示。每个活塞 12近轴端的两边均与滚动轴承 17的内圈 (或外圈)刚性垂直连接，由于滚动轴承 17嵌入端盖9上的圆形凹环24内、圆形凹环 24的圆心与气缸体 5共同圆心 2，故活塞 12必然是绕气缸圆心2转动，不会产生往复惯性。

见图2(b)，气缸体 5呈圆柱形主体内端面的两边平滑地与圆弧线 (面)25相连，外侧与端盖9的内壁面平滑相切连接围成内燃机内腔；相配合的：在转子 1O、活塞和弓形滑块径向外端面两边平滑连接与气缸体内端面形状相似、密封相适配的圆弧线(面)26和20(见图7)；通过这些圆弧线(面)的连接配合，实现了活塞良好的整体性、并(a) (b)1.驱动轴、转子轴心 2.气缸体圆心 5.气缸体9.气缸端盖 1O.转子 12.活塞 l4.排气口 15.进气口l6.活塞滑槽 17.滚动轴承 18.空腔 20.弓形滑块21.弓形滑块轴线 23.工作腔 24.圆形凹环25.气缸圆弧面 26.转子圆弧面图 2 压缩机的结构原理示意图2013年o2期(总第238期)-产 曼In介odu绍cfion- ：与气缸体形成面接触密封结构；这种扁圆体状活塞的倒角处由于圆弧面的连接，使活塞形状平顺完整，再配置相似形状的活塞环 9O(见图 3、7)，必然具备与往复活塞相同的密封结构和效果，达到减少磨损、提高工作压力、改善低速性等作用。

90.活塞环 12.活塞 24.圆形凹环图 3 压缩机的结构原理剖视图5 压缩机工作原理图 4 (a)、 (b)说明压缩机的-个活塞的工作原理。图4(a)中活塞 12顺时针方向转过进气口15，开始在工作腔中压缩气体，随着转子 1O的转动，压力不断升高；转子继续旋转活塞 l2将气体全部压至出气口14(见图 4(b))，当活塞 12转到排气口14时，压缩行程结束，压缩气由排气口 14排出，结束-个滑片的工作行程∩以看到，活塞 12虽然由转子 10驱动，但活塞却随弓形滑块绕轴心21摆动，改变成围绕气缸体5的圆心 2旋转。图4中可见活塞中线始终指向轴心2，使活塞的工作中不产生往复惯性，并与气缸体面接触密封和微等距滑动，这些改进是与滑片式压缩机最大的区别。

6 压缩机的设计细节6.1 活塞改变旋转圆心的过程见图 5，转子转动时，由于活塞 l2是刚性连接在滚动轴承 17上，活塞中线42必然穿过气缸体圆心 (也是滚动轴承圆心)2；此时活塞 12的近轴端在滚动轴承 17控制下偏离转子的圆心 1，并在空腔 18内与弓形滑块 20-起以圆心 21为轴-2013年02期(总第238期)心发生摆动，使活塞 12绕气缸圆心 2旋转。无论活塞转动到任何位置，活塞中线42始终穿过气缸体圆心 2。所以，虽然转子 10是绕轴线 1旋转，而转子上面的活塞 l2则实际上绕气缸体圆心 2旋转；将活塞 12径向弧面制作成与气缸体圆心-致的弧面45，就能使活塞与气缸体形成面接触密封结构；并且在滚动轴承 l7的控制下，活塞的径向端面45在工作腔中与气缸体内壁保持微小等距转动，使活塞和气缸体之间避免了离心力产生的接触应力、跳动，减少磨损和泄漏，提高密封和寿命。如果加上活塞环 9O(见图7)，密封机理与往复活塞完全相同，效果更佳。

终上所述 ，以上图中所示的结构和工作过程虽然看似与滑片式的压缩机有相同之处，但却有本质的区别： (1)滑片压缩机滑片的旋转圆心与气缸体圆心不-致，而本设计的旋转活塞旋转圆心与气缸体共同圆心； (2)滑片压缩机滑片的径向端面是较须径的弧形，与气缸体形成线接触1.驱动轴、转子轴心 2.气缸体圆心12.活塞 14.排气口 15.进气口 23.工作腔图4 压缩机的工作过程图1.驱动轴、转子轴心 2、气缸体圆心5.气缸体 12.活塞 17.滚动轴承 2O.弓形滑块21.弓形滑块及活塞滑槽弧面轴线 42活塞中线45.活塞径向端面图5 活塞改变旋转圆心过程图加 " 2 5- 虽继形式密封结构，而本设计的旋转活塞旋与气缸体形成面接触形式的密封结构； (3)滑片压缩机气缸和滑片的径、轴向面均是直角倒角连接，而本设计的气缸和活塞各个工作面均是平顺弧面连接，是典型的扁圆体活塞形状。总之，本设计的结构和密封机理等完全与往复活塞相同，故称之为活塞式机械更为准确。

6.2 -种活塞由气缸端盖上的滑槽控制方案图6是本设计安装多个活塞的结构示意图，以3个活塞为例，不使用滚动轴承，简化了结构。

在活塞近轴端的轴向两边外侧刚性连接弧形滑块66，弧形滑块66嵌人端盖内侧与气缸体圆心-致的圆环形滑槽 67内配合滑动。该结构的活塞中线42始终穿过弧形滑块 66、圆环形滑槽 67和气缸体的共同圆心2，使每个活塞始终围绕气缸体圆心旋转，活塞径向端面仍与气缸体内壁形成面接触密封的结构。此设计结构虽然减去了滚动轴承，但同样解决了同-转子上每个活塞角速度不-致的问题。 ·2.气缸体圆心 42.活塞中线 66.弧形滑块67.圆环形滑槽图6 活塞由气缸端盖滑槽控制的结构示意图6.3 -种加强弓形滑块稳定性的重要结构见图7，由于弓形滑块 20受高速往复摆动惯性力、活塞滑槽 16对弓形滑块控制面较小的原因，影响了稳定性，在磨损严重时，可能出现弓形滑块脱落的情况。本设计是在弓形滑块20的圆弧面上刚性地增加2 3个与圆弧面共同轴心的T型 (或 L型)弧面滑块 53，并在转子 10的活塞滑槽 16上相应配置与 T型弧面滑块 53的弧面有共同轴心、且能滑动配合的T形弧面滑槽 54。该设计的T形弧面滑块与滑槽的配合，可以增加约束弧面的高度，形成了多段防脱弧面，减少滑脱的可能性，更56l i 憋魁 。

20.弓形滑块 53.弧面滑块 54.弧面滑槽90.活塞环图7 T形滑块结构剖视图7 结论(1)本设计的压缩机具有完全新颖的结构 ；(a)将传统的圆柱体活塞改变为扁圆体；(b)将活塞的往复直线运动结合可变旋转圆心的创新结构，改变成为圆周运动 ，消除了往复惯性；(c)活塞远轴端的扁圆体工作曲面与气缸体内壁面形成面接触形式的密封结构，有别于其他回转式流体机械。故本设计是-种真正意义的旋转活塞压缩机。

(2)本设计结构中存在多种运动方式的构件，特别是弓形滑块的使用，它虽然为低副方式接触，但其运动环境较为复杂，需要配合活塞作高速摆动及伸缩等；本设计在弓形滑块上增加了T型(或 L型)弧面滑块，从理论上加强了稳定和可靠性，但在加工上需更加精细，并需要在多种实验和加工中不断完善。