專利名稱：發(fā)動機外齒軸內(nèi)齒齒條連桿機構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種往復活塞式發(fā)動機的主要運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，能高效地將活塞所受的 燃燒氣體澎脹壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動機轉(zhuǎn)軸對外輸出的轉(zhuǎn)矩，并將活塞的往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動機 轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。
背景技術：
目前，公知的活塞式發(fā)動機大至有兩種，一種是汪克爾發(fā)明的轉(zhuǎn)子發(fā)動機，它沒有 曲軸連桿機構(gòu)，因為它的三菱柱形活塞既是活塞又是轉(zhuǎn)子，可以將作用于活塞上的力通過 活塞轉(zhuǎn)子內(nèi)的內(nèi)齒輪傳給發(fā)動機輸出軸上的外齒輪使之旋轉(zhuǎn)并對外輸出轉(zhuǎn)矩。所以它轉(zhuǎn)速 高，功率大(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周做功三次)，振動小，缺點是燃料的利用效率很低，大約在百分之 二十左右，全世界有近三萬輛裝載此發(fā)動機的汽車在運行。更為普及的是曲軸連桿活塞式 發(fā)動機，從內(nèi)燃機出現(xiàn)發(fā)展到今天它已經(jīng)趨于完善，但它有個明顯的弱點，就是燃料的利用 效率同樣不高，一般來講也只有百分之三十左右。而燃料電池的轉(zhuǎn)化效率可達百分之七十， 只是因為造價太高而暫時沒有市場化。由此可見利用機器將燃料的化學能轉(zhuǎn)變成機械能的 效率提高空間還很大。造成曲軸連桿活塞式發(fā)動機效率不高的原因主要是曲軸。它結(jié)構(gòu)簡 單運行可靠，從蒸汽機開始延用至今已近二百年了卻沒有變動，顯得好像完美無缺了，因為 發(fā)動機的其它部分，比如汽油機原先使用化油器，現(xiàn)在改為電噴，從進氣歧管噴射到缸內(nèi)直 噴，單氣門改為多氣門，機械點火改為電子點火，自然進氣改為預先壓氣(如增加渦輪增壓 器等)，直接排放到增加催化器(如三源催化器)并通過氧轉(zhuǎn)感器和空氣流量計由電腦控 制缸內(nèi)的燃燒等等，而構(gòu)成往復活塞式發(fā)動機的基礎曲軸連軒機構(gòu)一直沒有變，也正是因 為這種曲軸連桿機構(gòu)降低了活塞式發(fā)動機的系統(tǒng)效率?；钊谕苿舆B桿時，由于連桿的擺 動，連桿從活塞銷上獲得的力只是活塞在連桿方向上的一個分力，既Fl = Pcos (a)，其中P 為活塞受到膨脹氣體的壓力，a為連桿與活塞運動方向形成的夾角，而推動曲軸旋轉(zhuǎn)的力又 是上述分力的分力，既F2 = Flsin (bl) = Pcos (a) sin (bl)，其中bl為連桿與曲軸形成的夾 角。a，bl的最大值由連桿長度與曲柄半徑?jīng)Q定。由此表達式可以看到曲軸的缺陷，既無論 曲軸旋轉(zhuǎn)到任何位置F2永遠小于P。理論上講曲軸連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率可達百分之六十八 左右，但由曲軸連軒機構(gòu)組成的發(fā)動機的系統(tǒng)效率卻只有一半，其原因是在一百八十度的 做功行程中只有七十度行程段效率達百分之九十以上，有一百一十度行程段效率低于百分 之九十，特別是做功行程的起始段，這時氣缸內(nèi)的壓力是最大的，而此時曲軸連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn) 換效率卻很低。比如從零度到五十五度的起始行程段的理論效率只有百分之五十左右， 三十五度內(nèi)只有百分之三十七左右，二十度內(nèi)只有百分之二十左右。實際運行過程中由于 連桿大幅度擺動(單邊擺動幅度最大可到一十八度左右)給活塞反作用力在氣缸表面上的 垂直分力Psin (a)，當a接近最大值附近時由于活塞與氣缸之間是滑動摩擦，會造成活塞運 動方向巨大的摩擦力，此時也正是曲軸連桿機構(gòu)效率最高的做功行程段，活塞必須克服強 大的摩擦力做功，另外排氣、進氣、壓縮行程以及熱損失都會消耗能量，從而大大降低了系 統(tǒng)的整體效率。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服曲軸連桿的缺陷，大幅度提高燃油的使用效率而降低能源消耗，本發(fā)明 提供一種外齒軸內(nèi)齒齒條連桿機構(gòu)，該機構(gòu)不僅能將活塞的往復運動轉(zhuǎn)變成發(fā)動機轉(zhuǎn)軸的 旋轉(zhuǎn)運動，更能將曲軸連桿機構(gòu)百分之六十八的理論效率提高到百分之九十八以上，實際 系統(tǒng)使用效率從百分之三十提高到百分之六十，油耗減少一半。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是由兩個半邊內(nèi)齒與兩段相等齒條 構(gòu)成復合內(nèi)齒，連桿由螺絲固定在內(nèi)齒段一側(cè)，復合內(nèi)齒內(nèi)設計有外齒軸(發(fā)動機輸出轉(zhuǎn) 軸)，為使外齒軸按齒輪正常間隙在復合內(nèi)齒內(nèi)沿復合內(nèi)齒滾動旋轉(zhuǎn)，在外齒軸軸上外齒輪 的兩端和兩段齒條的兩側(cè)上分別設置有不同形狀的導向塊以確保外齒軸與復合內(nèi)齒在各 種狀態(tài)下的正確嚙合。復合內(nèi)齒齒數(shù)是外齒軸齒數(shù)的2 1或3 1(2 1時活塞做功一 次，外齒軸旋轉(zhuǎn)180度。3 1時活塞做功一次，外齒軸旋轉(zhuǎn)360度)，保正外齒軸上的正時 齒輪與配氣凸輪軸齒輪齒數(shù)比為1 2(或1 4)并形成循環(huán)，在此前題下設計了最多的 齒條齒數(shù)和最少的內(nèi)齒齒數(shù)。這樣、連桿的擺動幅度很小，在活塞上的Psin(a)值只有曲 軸連桿的五分之一到八分之一(a值最大為3. 5度，在做功行程初始段a值只有2. 6度)， 大大降低了活塞與氣缸之間的摩擦力。另外作用在外齒軸嚙合齒上的旋轉(zhuǎn)力的表達式為 F = Pcos (a) cos (b2)式中b2為外齒軸齒輪分度圓嚙合齒處運動方向切線與連桿形成的夾 角。從上式中不難看出cos (a)值在0. 998至0. 999之間變化，而b2的變化卻是跳躍式的， 在兩個死點上(上止點和下止點)b2的值為90度，當外齒軸旋轉(zhuǎn)1度時b2值突然變?yōu)?9 度，cos (b2)值從0突變?yōu)?. 87，當外齒軸旋轉(zhuǎn)2度時b2值變?yōu)?4度，cos (b2)值上升到 0. 97。這是最小內(nèi)齒與最大外齒的嚙合特點，既外齒在旋轉(zhuǎn)很小的角度時，內(nèi)齒與外齒巳完 成多個齒的接力嚙合。在齒條段b2為0，cos (b2)值為1，F(xiàn)值在0. 998P至0. 999P之間變 化，使180度整個的做功行程P較為完整地轉(zhuǎn)換為外齒軸的扭力，達到大幅度提高系統(tǒng)的輸 出效率的目的。本發(fā)明的有益效果是，現(xiàn)有發(fā)動機(汽、柴油機)整體結(jié)構(gòu)不改變，將本發(fā)明取替 原來的曲軸連桿機構(gòu)，就可以在原發(fā)動機排量不變的情況下大幅度提高功率和降低油耗。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明的工作原理圖。圖2是本發(fā)明第一個實施例構(gòu)造圖。圖3是本發(fā)明第二個實施例構(gòu)造圖。圖1中1.外齒軸，2.內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒，3.連桿，4.齒條導向塊，5.內(nèi)齒導向塊， 6. V形滾動導向塊，7.扇形滑動導向塊，8.軸承。在圖1中，外齒軸(1)的齒輪兩端分別裝配一個扇形滑動導向塊(7)，在兩個扇形 滑動導向塊(7)的外側(cè)分別裝配有一個V形滾動導向塊(6)，V形滾動導向塊(6)上裝有兩 個軸承(8)，兩個扇形滑動導向塊(7)和兩個V形滾動導向塊(6)通過鍵與外齒軸(1)相配 合，并置于內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)內(nèi)嚙合。內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)的齒條段兩側(cè)分別裝配 有齒條導向塊(4)，每個齒條導向塊上分別安裝有內(nèi)齒導向塊(5)。連桿(3)通過連桿螺母固定在內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)上。當外齒軸(1)處于a位置時，兩個V形滾動導向塊(6) 上的四個軸承(8)與四個內(nèi)齒導向塊(5)滾動配合以確保外齒軸(1)與內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒 (2)在下端半個內(nèi)齒段內(nèi)的正確嚙合，此時機構(gòu)正處于活塞運行的上止點。外齒軸(1)反 時針旋轉(zhuǎn)至aa位置時巳經(jīng)進入內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)的一段齒條，此時兩個扇形滑動導向 塊(7)與另一段齒條兩側(cè)的齒條導向塊(4)滑動配合，以保證外齒軸(1)在內(nèi)齒齒條復合 內(nèi)齒(2)齒條段的嚙合，這時活塞開始進氣。外齒軸(1)繼續(xù)反時針旋轉(zhuǎn)至b進入上端半 個內(nèi)齒段，兩個V形滾動導向塊(6)上的軸承(8)與內(nèi)齒導向塊(5)再次滾動配合確保外 齒軸(1)與內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)在上端半個內(nèi)齒段內(nèi)的正確嚙合，此時機構(gòu)已帶動活塞 進入下止點，進氣行程結(jié)束。外齒軸(1)繼續(xù)反時針旋轉(zhuǎn)至bb進入內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2) 的另一段齒條，此時兩個扇形滑動導向塊(7)與前一段齒條兩側(cè)的齒條導向塊(4)滑動配 合，保證外齒軸(1)與內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)在第二個齒條段的嚙合，此時機構(gòu)帶動活塞進 入壓縮行程。外齒軸(1)繼續(xù)反時針旋轉(zhuǎn)至c，機構(gòu)重復a動作，活塞進至上止點，壓縮行 程完成?；钊ㄟ^活塞銷推動連桿(3)，連桿(3)通過固定在之上的內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2) 傳動給外齒軸(1)并使之旋轉(zhuǎn)至cc處，此時活塞進入做功行程，機構(gòu)重復aa的動作，只是 外齒軸(1)從主動變?yōu)閺膭印；钊苿油恺X軸(1)旋轉(zhuǎn)至d，機構(gòu)重復b動作，活塞進入下 止點，做功行程結(jié)束。外齒軸(1)利用飛輪慣性帶動活塞上行旋轉(zhuǎn)至dd，機構(gòu)重復bb動作， 活塞進入排氣行程。當外齒軸(1)旋轉(zhuǎn)至a時，排氣行程結(jié)束，機構(gòu)進入下一輪循環(huán)。
具體實施例方式
在圖2所示實施例中，外齒軸(1)的外齒齒數(shù)為18，內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)的齒 數(shù)為36，模數(shù)和壓力角都與外齒相同。其中兩段齒條齒數(shù)分別為6齒，內(nèi)齒齒數(shù)為24，并通 過內(nèi)齒中心點圖一直線連接兩個齒根中心點，將內(nèi)齒分成完全相同的兩部分。模數(shù)由發(fā)動 機行程和扭力大小決定。扇形滑動導向塊(7)的扇形角為120度，半徑由模數(shù)決定，它由鍵 固定在外齒軸(1)的軸上緊靠外齒輪的兩端面。軸承(8)大小由模數(shù)決定。V形滾動導向 塊(6)上兩個軸承(8)的軸心與外齒軸(1)的軸心的連線形成的夾角為130度，距離由模 數(shù)決定。內(nèi)齒導向塊(5)固定在齒條導向塊⑷上，與V形滾動導向塊(6)上的軸承⑶ 是滾動配合，軸承(8)安裝在V形滾動導向塊(6)V形的上面兩個頂端軸承軸上，V形滾動 導向塊(6)由鍵固在外齒軸⑴的軸上，分別與扇形滑動導向塊(7)保持軸承⑶厚度間 隔。內(nèi)齒導向塊(4)與軸承(8)滾動配合的接觸面的幾何面形狀是軸承(8)的自轉(zhuǎn)與圍繞 外齒軸⑴軸心線公轉(zhuǎn)切線點形成的軌跡。內(nèi)齒導向塊(4)，V形滾動導向塊(6)與軸承 (8)共同負責外齒軸(1)在兩個內(nèi)齒段的嚙合，特別是兩個死點附近內(nèi)齒的長期正確嚙合。 這是因為在做功行程初期，活塞剛從上止點往下止點運動，這時缸內(nèi)容積小壓力很大(汽 油機最大壓力可達6. 5MPa，柴油機可達9MPa)，而外齒軸(1)與內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)的嚙 合齒位置正處于內(nèi)齒段的死點上，此時活塞使外齒軸旋轉(zhuǎn)的力為0，巨大的力推動內(nèi)齒齒條 復合內(nèi)齒(2)脫離外齒軸(1)，非常容易造成脫齒或錯位斷齒。扇形滑動導向塊(7)與齒條 導向塊(4)的滑動配合是為了保證外齒軸(1)在內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)中兩齒條段及部分 內(nèi)齒與齒條過渡區(qū)間的正確嚙合，并與V形滾動導向塊(6)在兩個內(nèi)齒段內(nèi)形成導向接力， 也就是外齒軸(1)從齒條段進入內(nèi)齒段時，扇形滑動導向塊(7)的導向作用還沒有結(jié)束V 形滾動導向塊(6)已開始發(fā)揮作用，以及外齒軸(1)從內(nèi)齒段進入齒條段時，V形滾動導向塊(6)的導向作用還沒有結(jié)束扇形滑動導向塊(7)已經(jīng)開始發(fā)揮作用了。由于齒條導向塊 ⑷固定在內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒⑵的齒條段的兩側(cè)，因此，齒條導向塊⑷的幾何形狀除了 中間大部分是長方體外，兩端與扇形導向塊(7)接觸面的幾何面形狀是由扇形滑動導向塊 (7)隨外齒軸(1)旋轉(zhuǎn)而齒條導向塊(4)又與外齒軸(1)軸心產(chǎn)生相對運動，扇形導向塊 (7)的接觸面在齒條導向塊(4)處接觸點形成的軌跡。外齒軸(1)在兩個內(nèi)齒段死點位置 軸心線的距離構(gòu)成了發(fā)動機的行程，也可以通過原來發(fā)動機的設計行程長度來調(diào)整齒的模 數(shù)，使外齒軸內(nèi)齒齒條連桿機構(gòu)的行程與原設計行程長度相同。連桿(3)襯套中心線至外 齒軸(1)在上止點時的軸心線距離為原曲軸連桿機構(gòu)連桿體小頭圓心到大頭圓心的距離。 正時齒齒數(shù)模數(shù)都與原曲軸連桿機構(gòu)時的一樣。與曲軸連桿發(fā)動機一樣，每個行程外齒軸 (1)旋轉(zhuǎn)180度。 圖3所示的另一個實施例中，外齒軸(1)的外齒齒數(shù)為18，內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒⑵ 的齒數(shù)為54，模數(shù)和壓力角與外齒相同。其中兩段齒條齒數(shù)分別為15齒，兩個半邊內(nèi)齒數(shù) 分別為12齒。扇形滑動導向塊(7)的扇形角度為150度，與前一個實施例不同的是它在V 形滾動導向塊(6)的外側(cè)，與外齒軸滑動配合并通過1比2行星齒減速帶動，也就是說扇形 滑動導向塊(7)的轉(zhuǎn)速只有外齒軸(1)轉(zhuǎn)速的一半，從而實現(xiàn)齒條段外齒軸(1)旋轉(zhuǎn)300 度的導向需要。V形滾動導向塊(6)的角度與前一個實施例相同。內(nèi)齒導向塊(5)有8個， 直接固定在內(nèi)齒齒條復合內(nèi)齒(2)的齒條段的兩側(cè)。與前一個實施例不同的是，齒條導向 塊(4)固定在內(nèi)齒導向塊(5)上。正時齒齒數(shù)是原曲軸連桿正時齒齒數(shù)的一半，每個行程 外齒軸(1)旋轉(zhuǎn)360度。在活塞往復頻率相同的情況下，同一臺發(fā)動機使用本發(fā)明比使用 曲軸連桿機構(gòu)，發(fā)動機輸出軸的轉(zhuǎn)速高達一倍。
權(quán)利要求
1.一種往復活塞式發(fā)動機外齒軸內(nèi)齒齒條連桿機構(gòu)，由兩段齒數(shù)、模數(shù)相同的齒條和 相同模數(shù)從對稱兩個齒根處平分下來的相同兩半內(nèi)齒組合成一個新的閉環(huán)復合內(nèi)齒，其特 征是發(fā)動機轉(zhuǎn)軸上帶有相同模數(shù)的外齒輪在復合內(nèi)齒內(nèi)，通過外齒軸上的滾動導向塊和 滑動導向塊與固定在復合內(nèi)齒上的內(nèi)齒導向塊和齒條導向塊的滾動配合和滑動配合實現(xiàn) 正確嚙合，并通過固定在復合內(nèi)齒上的連桿，將活塞的往復運動轉(zhuǎn)變成外齒軸的旋轉(zhuǎn)運動。
2.復合內(nèi)齒與外齒軸外齒齒數(shù)比為2 1或3 1，其特征是外齒軸在復合內(nèi)齒內(nèi)滾 動旋轉(zhuǎn)構(gòu)成360度或720度的循環(huán)。
3.內(nèi)齒齒數(shù)與齒條齒數(shù)比為2 1或4 5，其特征是外齒軸齒輪在復合內(nèi)齒內(nèi)齒段 滾動旋轉(zhuǎn)時，兩對鄰近齒的嚙合只需很小的旋轉(zhuǎn)角度，連桿的擺動幅度合降到最低。
全文摘要
一種往復活塞式發(fā)動機外齒軸內(nèi)齒齒條連桿機構(gòu)。它是將兩段完全相同的齒條與一個模數(shù)相同的內(nèi)齒從齒根處分出的相同兩部分組合成一個新的復合內(nèi)齒，外齒軸既是發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)軸，外齒軸上的外齒模數(shù)與復合內(nèi)齒相同，與復合內(nèi)齒的齒數(shù)比為1∶2或1∶3并在復合內(nèi)齒內(nèi)嚙合循環(huán)旋轉(zhuǎn)。為達到各種位置上正確嚙合的目的，在復合內(nèi)齒齒條兩側(cè)及外齒軸上分別裝配了多種導向塊。復合內(nèi)齒靠內(nèi)齒方裝有連桿與活塞銷相配套。它可以取代曲軸連桿機構(gòu)，發(fā)揮出更高的轉(zhuǎn)換效率從而大量降低能源消耗。它還能在原來發(fā)動機活塞運動頻率相同的情況下，將發(fā)動機輸出軸的轉(zhuǎn)速提高一倍。
文檔編號F02B75/32GK102003282SQ20101054170
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者陳亮 申請人:陳亮