CN100419213C

CN100419213C - 齿条齿轮机构传动式发动机

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Publication number: CN100419213C
Application number: CNB2005100457183A
Authority: CN
Inventors: 刘战国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: CN1807844A

Abstract

本发明涉及一种齿条齿轮机构传动式发动机，四个气缸分为两组，两个气缸并列排置在一起成为一组。一组的气缸分别与另一组的气缸一一直对，每个气缸内装有一个主活塞，相对气缸里的活塞分别与连杆的两端呈背向固定连接，两组之间以连接缸连接，两个连杆平行且其上的齿条齿面相对，二齿条分别于两侧与装在传动轴上的整向齿轮相啮合，形成连动机构。本发明采用齿条齿轮传动机构意味着在作功行程中燃气作用于主活塞的压力无需分解，而是几乎等值的沿连杆方向传递给整向齿轮去带动输出轴输出作功。在其它任何行程中，来自燃气的驱动力亦均可最大程度地得以利用。这就使得发动机内从热能到机械能的转化变得直接而充分，大幅度地提高了发动机的机械效率。

Description

齿条齿轮机构传动式发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机。

背景技术

当今世界上应用最广泛的往复活塞式发动机的前端驱动普遍采用曲柄连杆机构。该机构的功用是：在作功行程中，将燃料燃烧的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴的旋转运动，并实现动力输出；在其他行程中，又将曲轴的旋转运动转变为活塞的往复运动，实现换气和压缩。

在这种发动机的作功行程中，燃气对活塞顶部的压力要经过两次分解方能形成驱动曲轴旋转的力，期中垂直于作功方向的分力压于各活动接触面而产生磨擦阻力。在活塞的各个位移点上，驱动力臂不断变化，最终传递到曲轴使其旋转的力均小于甚至远小于燃气对活塞顶的压力。这种情况会使发动机的动力性和经济性受到严重制约，同时也使得运转系统对冷却和润滑条件的要求较为苛刻。在压缩行程中也有同类情况存在，但较之为轻。

在这种发动机工作循环的任何行程中，各机件所承受的载荷都是不断地呈不平稳变化的。左右摇摆的连杆在力的作用下会产生活塞与气缸壁以及各转动接触面间的交变冲击力，这种力会带来各接触面间不均匀的磨擦和撞击，久之会造成机件的严重变形和损坏，从而使得发动机的性能和寿命受到较大的影响，此情况在作功和压缩行程中尤为严重。

综上所述，曲柄连杆机构是影响发动机充分发挥其能量转化性能的一个瓶颈。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种动力性和经济性较好的齿条齿轮机构传动式发动机。

本发明采取的技术方案是：

一种齿条齿轮机构传动式发动机，包括：1#～4#气缸、1#～4#主活塞、1#～4#副活塞、1#～2#连杆、1#～2#齿条、整向齿轮、连接缸，采用1#气缸与2#气缸以及3#气缸与4#气缸两两对置的结构，1#气缸与2#气缸之间通过连接缸连接，3#气缸与4#气缸亦通过连接缸连接，每个气缸内装有一个主活塞，主活塞内侧设有直径较主活塞小的副活塞，1#气缸与2#气缸内的副活塞相对，并通过带有1#齿条的1#连杆连接，3#气缸与4#气缸内的副活塞相对，并通过带有2#齿条的2#连杆连接，1#齿条、2#齿条的齿面相对应，所述相对应的1#齿条、2#齿条之间装有整向齿轮，整向齿轮与1#齿条、2#齿条分别啮合，形成齿轮、双齿条连动机构。

所述连接缸上设有分别与副活塞相对应的缓冲槽，副活塞、连杆杆端无齿部分和连接缸上与副活塞相对应的缓冲槽构成缓冲机构，所述连接缸的缓冲槽上开有供连杆穿过、并防其旋转的连杆导孔，连杆的有齿部分与连杆导孔之间留有间隙，在活塞运行过程中，当副活塞进入该缓冲槽后，连杆杆端无齿部分亦使连杆导孔封闭，从而使副活塞与缓冲槽之间形成封闭空间。

所述相对应的副活塞中心与主活塞偏心设置，齿条分度线与主活塞中心线重合。

所述1#气缸与4#气缸为一体结构，所述2#气缸与3#气缸为一体结构。

所述气缸壁设有水套。

所述整向齿轮，具有输出轴、棘轮机构、齿轮轮体，输出轴上相对设置第一复合齿轮和第二复合齿轮，第一、二复合齿轮一侧分别开有圆锥齿，齿面相对，其内壁分别通过对称的棘轮机构与输出轴相配合，第一、二复合齿轮之间装有圆锥齿轮，圆锥齿轮分别与第一、二复合齿轮相啮合，与输出轴同轴的齿轮轮体一端与第一复合齿轮相连，另一端内壁与第二复合齿轮外缘之间装有固定圆筒，相互呈滚动配合。

所述棘轮机构为第一、二复合齿轮内壁分别开有第一、二棘齿，输出轴外缘开有放置与第一、二棘爪的槽，槽内装有支撑棘爪的弹簧片，第一、二棘齿分别与第一、二棘爪相配合。

所述固定圆筒通过固定销与安装圆锥齿轮的圆盘相连，圆盘外缘开有盲孔，圆锥齿轮的转动轴置于盲孔内，通过柱塞堵住盲孔开口端，转动轴两端分别通过滚珠配合，圆盘侧面开有供圆锥齿轮绕转动轴转动的孔。

本发明的有益效果是：

1、本发明的发动机采用齿条齿轮传动机构意味着在作功行程中燃气作用于主活塞的压力无需分解，而是几乎等值的沿连杆方向传递给整向齿轮去带动输出轴输出作功。在其它任何行程中，来自燃气的驱动力亦均可最大程度地得以利用。这就使得发动机内从热能到机械能的转化变得直接而充分，从而大幅度地提高了发动机的机械效率。

2、本发明因活塞与连杆、齿条与整向齿轮间的作用力方向单一且大小变化平稳，活塞表面各点受力均衡，故而有效地避免了背景技术中所述的发动机中各部件所承受的有害载荷的产生，对减轻各机件的机械损伤、延长发动机的使用寿命均有较大好处，并可明显降低机械维护和维修成本。

3、自往复活塞式内燃发动机诞生至今，其结构和工作原理均未发生过大的变化，本发明的应用范围当非常广泛，相信它的应用会对我们面临的能源和环境等重大问题的解决起到较大的作用。

附图说明

图1为本发明主体部分结构示意简图(与传统发动机无本质区别的机构与系统未画出)。

图2为图1中整向齿轮结构示意图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为图2的C-C剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由气缸盖1、水套3、整向齿轮8、连接缸9、环型机油道11、机油喷孔12、透气回油孔13、输出轴14、气门15、1#气缸2、1#主活塞4、1#副活塞5、1#连杆6、1#齿条7、1#缓冲槽10、1#连杆导孔16、2#齿条17、2#连杆18、2#气缸19、2#主活塞25、2#副活塞26、2#缓冲槽30、2#连杆导孔29、3#气缸20、3#主活塞23、3#副活塞24、3#缓冲槽32、3#连杆导孔31、4#气缸21、4#主活塞27、4#副活塞28、4#缓冲槽34、4#连杆导孔33、定位销22等构成。

本发明采用1#气缸2与2#气缸19以及3#气缸20与4#气缸21两两对置的结构，1#气缸2与2#气缸19之间通过连接缸9连接，3#气缸20与4#气缸21亦通过连接缸连接，气缸壁设有水套3，一体结构的1#气缸2与4#气缸21外端装有气缸盖1，一体结构的2#气缸19与3#气缸20外端亦装有气缸盖，气缸盖1上开有气门15，每个气缸内装有一个主活塞，主活塞内侧设有直径较主活塞小的副活塞，1#气缸2与2#气缸19内的副活塞5、26相对，并通过带有1#齿条6的1#连杆7连接，3#气缸20与4#气缸21内的副活塞24、28相对，并通过带有2#齿条17的2#连杆18连接，相对应的副活塞中心与主活塞偏心设置，齿条分度线与主活塞中心线重合，1#齿条6、2#齿条17的齿面相对应，所述相对应的1#齿条6、2#齿条17之间装有整向齿轮8，整向齿轮8与1#齿条6、2#齿条17分别啮合，形成齿轮、双齿条连动机构。每个副活塞、连杆杆端无齿部分和连接缸上可在工作中与副活塞配合的缓冲槽构成缓冲机构，所述连接缸9的1#～4#缓冲槽10、30、32、34上分别开有供连杆7和连杆18穿过的1#～4#连杆导孔16、29、31、33，连杆7和连杆18的有齿部分与连杆导孔之间留有间隙，在活塞运行过程中，当副活塞进入缓冲槽后，连杆杆端无齿部分亦使连杆导孔封闭，从而使副活塞与缓冲槽之间形成封闭空间。连接缸9上开有环型机油道11、机油喷孔12、透气回油孔13，连杆与副活塞通过定位销22固定连接。

整向齿轮8为双向驱动定向输出齿轮，双向驱动定向输出齿轮为申请人的一项专利技术，专利号为ZL03212913.0，它可以实现上级器件以正或反两个方向实行驱动时输出端均按固定方向转动，在此过程中相关部件可实行自适应性切换，无需其它外部构件施动介入。双向驱动定向输出齿轮在各类机械设备中有较广泛的应用，可依轮体的不同设置而制作为多种转动轮件，如齿轮、滚轮、链轮等，相应的上级驱动件可为齿轮、齿条、传动带、链条等，本发明中则采用齿轮轮体。

如图2～5所示，整向齿轮8由螺孔801、第一棘齿802、第一棘爪803、弹簧片804、输出轴14、第一复合齿轮806、螺栓807、圆锥齿轮808、固定销809、圆盘810、第二复合齿轮811、固定圆筒812、齿轮轮体813、第二棘齿814、第二棘爪815、滚珠轴承816、滚珠817、柱塞818、转动轴819等构成。输出轴14上相对设置第一复合齿轮806和第二复合齿轮811，输出轴14与第一、二复合齿轮806、811之间分别装有滚动轴承816，第一、二复合齿轮806、811一侧分别开有圆锥齿，齿面相对，第一、二复合齿轮806、811内壁分别开有第一、二棘齿802、814，输出轴14外缘开有放置与第一、二棘爪803、815的槽，槽内装有支撑棘爪的弹簧片804，第一、二棘齿802、814分别与第一、二棘爪803、815相配合，第一、二棘爪803、815数量分别为2个同向，第一、二复合齿轮806、811之间装有圆锥齿轮808，圆锥齿轮808分别与第一、二复合齿轮806、811相啮合，圆锥齿轮808数量为3个均布；与输出轴14同轴的齿轮轮体813一端与第一复合齿轮806相连，另一端内壁与第二复合齿轮811外缘之间装有固定圆筒812，相互呈滚动配合，固定圆筒812通过固定销809与安装圆锥齿轮808的圆盘810相连，圆盘810外缘开有盲孔820，圆锥齿轮808的转动轴819置于盲孔820内，通过柱塞818堵住盲孔开口端，柱塞818与盲孔820开口端通过螺纹连接，转动轴819两端分别通过滚珠817配合，圆盘810侧面开有供圆锥齿轮808绕轴转动的孔。如图2所示，固定圆筒812上开有机油道821，机油道821通至柱塞818与转动轴819之间。

整向齿轮8的两个带有圆锥齿和棘齿的第一、二复合齿轮806、811分别通过第一、二棘爪803、815作用于输出轴14，该二齿轮于两侧与有固定位置的圆锥齿轮808相啮合，双向驱动时，它们交替同向作用于输出轴，使其定向转动。

当上级驱动使齿轮轮体813顺时针转动时，齿轮轮体813通过固定螺栓807带动第一复合齿轮806在棘齿802及第一棘爪803的作用下使输出轴14顺时针旋转，而第二复合齿轮811在圆锥齿轮808的传动下逆时针空转。

当上级驱动使齿轮轮体813逆时针转动时，第一复合齿轮806绕输出轴14逆时针空转，而第二复合齿轮811在圆锥齿轮808的传动下通过其棘齿及棘爪的带动使输出轴顺时针旋转。

若使棘爪及棘齿均与图中反向，则在双向驱动下输出轴14即作定向的逆时针旋转。

本发明原理如下：

一、齿条齿轮机构

该机构由活塞、带齿条的连杆、整向齿轮及输出轴等组成，它将活塞的往复直线运动转变为输出轴的旋转运动而输出动力。

本发明的发动机最好由四个气缸组成一个工作单元。以四气缸四冲程发动机为例，其结构形式为：四个气缸分为两组，两个气缸并列排置在一起成为一组。一组的气缸分别与另一组的气缸一一直对，每个气缸内装有一个主活塞，相对气缸里的活塞分别与连杆的两端呈背向固定连接，两组之间以连接缸连接，两个连杆平行且其上的齿条齿面相对，二齿条分别于两侧与装在传动轴上的整向齿轮相啮合，形成连动机构。每个活塞内侧设有副活塞，副活塞、连杆杆端无齿部分和连接缸上与副活塞配合的缓冲槽构成缓冲机构，在活塞运行过程中，当副活塞进入缓冲槽后，缓冲槽内的空气被封闭，封闭的空气可阻止活塞顶部与气缸盖相撞并可以为下一行程提供辅助动力。

发动机工作时，在燃气压力的推动下，一侧活塞-连杆运动时，会通过整向齿轮轮齿带动另一侧连杆及活塞反向运动。随着活塞-连杆的往复运动，双侧齿条会产生对整向齿轮轮齿的往返转矩，该转矩经整向齿轮整向后形成恒向的输出转矩，对工作机械作功。

二、起动系统

本发明的发动机的起动系统由起动电机、齿轮组及配套的油电路附属装置组成，在起动电机的带动下，齿轮组输出往返的转矩作用于整向齿轮，从而带动连杆及活塞作往返运动，完成发动机起动工作。

三、润滑系统

本发明的发动机在壳体和一些固定部件内设置油道，在必要位置开有机油喷孔。机油泵推动机油在油道内循环流动，高压机油经喷孔喷出，对各运动接触面实施润滑。

与传统发动机一样，本发明发动机(四行程)的每个气缸的工作循环也包括进气、压缩、作功、排气四个行程，各行程在四个气缸间不间断的循环轮换(如表1)，从而使发动机连续运转。

起动时，起动系统带动连杆作一次完整的往返行程(完成表1中前二项所列的工作)。

由表中的第三栏起，起动系统停止工作，动力由各气缸作功行程提供，发动机进入正常的运转状态。

表1四气缸四行程发动机各气缸工作顺序表

注：表中“

”为重复上一循环。

以上为就本发明的发动机区别于传统发动机的主要技术特征所作的说明，作为与之配套的其它相关机构与系统均与传统发动机无根本区别，且为通用技术，可依发动机的结构形式具体配置，这里不再赘述。

Claims

1. 一种齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于包括：1#～4#气缸(2、19、20、21)、1#～4#主活塞(4、25、23、27)、1#～4#副活塞(5、26、24、28)、1#～2#连杆(6、18)、1#～2#齿条(7、17)、整向齿轮(8)、连接缸(9)，采用1#气缸(2)与2#气缸(19)以及3#气缸(20)与4#气缸(21)两两对置的结构，1#气缸(2)与2#气缸(19)之间通过连接缸(9)连接，3#气缸(20)与4#气缸(21)亦通过连接缸连接，每个气缸内装有一个主活塞，主活塞内侧设有直径较主活塞小的副活塞，1#气缸(2)与2#气缸(19)内的副活塞相对，并通过带有1#齿条(6)的1#连杆(7)连接，3#气缸(20)与4#气缸(21)内的副活塞相对，并通过带有2#齿条(17)的2#连杆(18)连接，1#齿条(6)、2#齿条(17)的齿面相对应，所述相对应的1#齿条(6)、2#齿条(17)之间装有整向齿轮(8)，整向齿轮(8)与1#齿条(6)、2#齿条(17)分别啮合，形成齿轮、双齿条连动机构。

2. 按照权利要求1所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述连接缸上设有分别与副活塞相对应的缓冲槽，副活塞、连杆杆端无齿部分和连接缸上与副活塞相对应的缓冲槽构成缓冲机构，所述连接缸的缓冲槽上开有供连杆穿过的连杆导孔，连杆的有齿部分与连杆导孔之间留有间隙，在活塞运行过程中，当副活塞进入该缓冲槽后，连杆杆端无齿部分亦使连杆导孔封闭，从而使副活塞与缓冲槽之间形成封闭空间。

3. 按照权利要求1所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述相对应的副活塞中心与主活塞偏心设置，齿条分度线与主活塞中心线重合。

4. 按照权利要求1所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述1#气缸(2)与4#气缸(21)为一体结构，所述2#气缸(19)与3#气缸(20)为一体结构。

5. 按照权利要求1所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述气缸壁设有水套。

6. 按照权利要求1所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述整向齿轮，具有输出轴、棘轮机构、齿轮轮体，输出轴(14)上相对设置第一复合齿轮(806)和第二复合齿轮(811)，第一、二复合齿轮(806、811)一侧分别开有圆锥齿，齿面相对，其内壁分别通过对称的棘轮机构与输出轴(14)相配合，第一、二复合齿轮(806、811)之间装有圆锥齿轮(808)，圆锥齿轮(808)分别与第一、二复合齿轮(806、811)相啮合，与输出轴(14)同轴的齿轮轮体(813)一端与第一复合齿轮(806)相连，另一端内壁与第二复合齿轮(811)外缘之间装有固定圆筒(812)，相互呈滚动配合。

7. 按照权利要求6所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述棘轮机构为第一、二复合齿轮(806、811)内壁分别开有第一、二棘齿(802、814)，输出轴(14)外缘开有放置与第一、二棘爪(803、815)的槽，槽内装有支撑棘爪的弹簧片(804)，第一、二棘齿(802、814)分别与第一、二棘爪(803、815)相配合。

8、按照权利要求6所述齿条齿轮机构传动式发动机，其特征在于：所述固定圆筒(812)通过固定销(809)与安装圆锥齿轮(808)的圆盘(810)相连，圆盘(810)外缘开有盲孔(820)，圆锥齿轮(808)的转动轴(819)置于盲孔(820)内，通过柱塞(818)堵住盲孔开口端，转动轴(819)两端分别通过滚珠(817)配合，圆盘(810)侧面开有供圆锥齿轮(808)绕转动轴(819)转动的孔。