CN101705867A - 无曲轴凸轮行星传动式内燃机 - Google Patents

Abstract

无曲轴凸轮行星传动式内燃机，涉及燃气动力领域，属于一种多缸内燃机。本发明提供一种新型内燃机，八个气缸环形对称均布在凸太阳轮周围，使凸太阳轮受合力为零，气缸活塞通过推杆直接作用于凸太阳轮上，动力由凸太阳轮经行星传动传给输出轴输出。太阳轮或系杆均可为输出件。该内燃机省去了传统内燃机中的连杆和曲轴，凸太阳轮每转一圈，每个气缸完成两个工作周期；输出轴转速取决于行星传动的传动比，固定太阳轮则系杆低速大扭矩输出，可广泛应用于工程机械等领域；固定系杆则太阳轮轴高速输出，可作为小型发电机等的动力源，较高的转速可减少有害气体的排放量。该内燃机可变速、结构简单紧凑、轴向尺寸小，功率大、运转平稳。

Description

无曲轴凸轮行星传动式内燃机

技术领域

本发明涉及燃气动力领域，更具体地说，是一种无曲轴凸轮行星传动式内燃机。

背景技术

目前，常见的内燃机多为四冲程曲轴连杆型内燃机，这种内燃机的传动结构都采用曲柄连杆机构，通过连杆带动曲轴，从而将活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动。由于这种内燃机是靠活塞的直线运动和连杆的平面运动来压迫驱使曲轴作旋转运动，从而造成各运动副之间存在着较大的摩擦，导致内燃机传动效率低。曲轴连杆型内燃机还有如下主要缺点：体积大；连杆、曲轴上的不平衡离心力较大；冲击大，振动大；并由此引起较大的机械磨损，使内燃机寿命缩短；结构复杂、加工、制造、装配等都比较困难。

此外，一般内燃机与变速装置是两个独立的机器，通常内燃机需另外安装减速器用于后续变速，造成体积庞大。

发明内容

本发明的目的是：为克服现有曲轴连杆型内燃机存在的上述缺点，本发明提供一种可变速、结构简单紧凑、体积小、冲击振动小、运转平稳、功率大、寿命长、效率高的四冲程内燃机——无曲轴凸轮行星传动式内燃机。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种无曲轴凸轮行星传动式内燃机，主要由进气门(1)、气缸盖(2)、气缸(3)、排气门(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、凸轮行星传动机构、起动系统、配气系统、冷却系统、供油系统和润滑系统等组成，其特征在于：八个气缸(3)环形对称均布在凸太阳轮(12)的周围，气缸(3)中的活塞(7)的往复直线运动通过凸轮行星传动机构转变为输出轴的旋转运动——气缸活塞(7)的驱动力通过推杆(6)直接作用于凸太阳轮(12)上，推动凸太阳轮(12)旋转，动力由凸太阳轮(12)经行星传动传给输出轴输出。

在上述技术方案中，凸轮行星传动机构由凸轮机构和2K-H型行星传动机构组合而成.其中，凸轮机构由推杆(6)、滚轮(9)、凸太阳轮(12)、缸体(5)、弹簧(8)组成，推杆(6)的一端与活塞(7)固定联接，另一端装有滚轮(9)，滚轮(9)使推杆(6)与凸太阳轮(12)的接触由滑动摩擦变为滚动摩擦，弹簧(8)的一端固定在活塞(7)下面，另一端固定在气缸下部的凸台上，弹簧(8)使推杆上的滚轮(9)始终与凸太阳轮(12)接触，每个气缸都配有活塞、带滚轮的推杆及弹簧；2K-H型行星传动机构由凸太阳轮(12)、周向均布的三个行星轮(13)、系杆(10)、太阳轮(11)、与太阳轮(11)固连的太阳轮轴(14)、系杆轴(15)组成.凸太阳轮(12)的外表面是凸轮轮廓、内部是内齿圈齿廓，故凸太阳轮(12)既是凸轮机构中的凸轮，又是2K-H型行星传动机构中的太阳轮，整个行星传动机构内置于凸太阳轮的内部.凸太阳轮(12)的外表面凸轮轮廓曲线可以根据实际设计需要选定，以获得最佳的动力学性能，提高内燃机的能量转换效率.凸太阳轮(12)、太阳轮(11)和系杆(10)三个零件的轴心线重合并由机架支承，行星轮(13)由系杆(10)支承，并分别于凸太阳轮(12)和太阳轮(11)啮合.

在上述技术方案中，内燃机的动力输出轴可有两根，即太阳轮轴(14)和系杆轴(15)，通过对这两根轴的控制可实现内燃机的变速，若固定系杆轴(15)，以太阳轮轴(14)为输出轴，则可实现高速输出；若固定太阳轮轴(14)，以系杆轴(15)为输出轴，可以实现低速大扭矩输出。

在上述技术方案中，凸太阳轮(12)的外部为具有四个互成90°夹角凸出部分的四相凸轮，八个气缸(3)环形对称均布在凸太阳轮(12)的周围，其中任意两个相隔180°对称布置的气缸活塞(7)工作状态同步，将工作状态同步的两个气缸活塞作为一组，四组气缸活塞依次进行吸气冲程、压缩冲程、气体燃烧做功冲程和排气冲程，相邻两组气缸的活塞冲程进程对应于凸太阳轮(12)转角的相位差为45°。

本发明还采取了其他一些技术措施。

与已有技术相比本发明的主要发明点在于：

①、八个气缸环形对称均布在凸太阳轮周围，气缸活塞通过推杆直接作用于凸太阳轮上，动力由凸太阳轮经行星传动传给输出轴输出，与曲轴连杆型内燃机相比，本发明内燃机轴向尺寸大大减小。

②、凸太阳轮的外部为具有四个互成90°夹角凸出部分的四相凸轮，而内部为内齿轮的结构，将2K-H型行星传动机构内置于凸轮机构中，使凸轮机构中的凸轮和行星传动机构中的太阳轮合二为一，得到凸轮行星传动机构，并用该新机构取代现有曲轴连杆型内燃机中的曲柄连杆机构，将行星传动技术引入内燃机技术领域，不但彻底去除了曲轴和连杆，而且将内燃机与变速装置(减速器或增速器)合二为一，得到了一种结构紧凑、小巧的新型动力机器。

③、内燃机的动力输出轴可有两根，即太阳轮轴和系杆轴。输出轴在太阳轮轴和系杆轴之间切换，可以实现内燃机的变速输出。若固定系杆轴，以太阳轮轴为输出轴，则可实现高速输出；若固定太阳轮轴，以系杆轴为输出轴，可以实现低速大扭矩输出。

④、输出轴转速取决于行星传动的传动比，而适当选择行星齿轮传动的配齿方案，可获得较大的传动比。

⑤、在适当的工作场合，可将两根输出轴(太阳轮轴和系杆轴)都外接工作机，将凸太阳轮的旋转运动分解为两个输出，实现巧妙的功用。

⑥、八个气缸环形对称均布在凸太阳轮周围，其中任意两个相隔180°对称布置的气缸活塞工作状态同步，将工作状态同步的两个气缸活塞作为一组，四组气缸活塞依次进行吸气冲程、压缩冲程、气体燃烧做功冲程和排气冲程，相邻两组气缸的活塞冲程进程对应于凸太阳轮转角的相位差为45°。

本发明与现有往复式曲轴连杆型内燃机相比，具有以下有益的技术效果：

1、冲击小、振动小、噪声小、运转平稳

由于本发明采用凸轮行星传动机构取代了现有曲轴连杆型内燃机中的曲柄连杆机构，彻底取消了曲轴和连杆，凸太阳轮和行星传动机构是轴对称结构，因而没有不平衡离心力，消除了因曲轴质量偏心、连杆作平面运动引起的惯性力和倾覆力矩以及由此产生的冲击振动和噪声，消除了连杆偏摆导致活塞拍击气缸壁造成的振动和噪声。

八个气缸环形对称均布在凸太阳轮周围，其中任意两个相隔180°对称布置的气缸活塞工作状态同步，即：或同时吸气、或同时压缩、或同时气体燃烧做功、或同时排气，因此，冲击力总是成对的出现，可以相互抵消，使凸太阳轮受合力为零，故冲击振动较小，因而内燃机运转非常平稳

2、结构紧凑、体积小、重量轻、轴向尺寸小

由于取消了笨重复杂的曲轴，各气缸环形对称均布在凸太阳轮周围，而且将2K-H型行星传动机构置于凸太阳轮中，凸太阳轮既是凸轮机构中的凸轮，又是2K-H型行星传动机构中的太阳轮，凸太阳轮作为内齿圈本身，其可容体积有利于缩小传动的外廓尺寸(一般，在承受相同载荷的条件下，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的1/2～1/5)。所以本发明的内燃机结构紧凑、轴向尺寸小、体积小、重量轻。

采用凸轮行星传动机构输出活塞动力，将内燃机与变速装置(减速器或增速器)合二为一，无需另配变速转置，结构大大缩减，所以结构紧凑、小巧。

3、可变速

本内燃机的动力输出轴可有两根，通过对这两根轴的控制可实现内燃机的变速，若固定系杆轴，以太阳轮轴为输出轴，则可实现高速输出，高速输出时，较高的转速可使有害气体的排放量减小；若固定太阳轮轴，以系杆轴为输出轴，可以实现低速大扭矩输出。

4、传动比较大，可以实现运动和动力的分解

适当选择行星齿轮传动的配齿方案，可以获得较大的传动比，而且仍然保持结构紧凑、质量小、体积小等诸多优点。因此本发明特别适用于高速轻载的场合，如小型发电机，高速纺织机械等。

本发明具有运动和动力分解功能，在适当的工作场合，可将两根输出轴(太阳轮轴和系杆轴)都外接工作机，从而将凸太阳轮的旋转运动分解为两个运动输出。

5、摩擦磨损小、油耗低、效率高、寿命长

因为活塞的驱动力通过推杆滚轮直接传递给凸太阳轮后经行星轮系输出。活塞推杆与凸太阳轮之间为滚动摩擦联接，传动效率高，取消了磨损严重、摩擦功耗大的曲柄连杆机构。

由于行星齿轮传动结构的对称性，它具有三个均匀分布的行星轮，使得作用于凸太阳轮、太阳轮和系杆的作用力能互相平衡，从而有利于提高传动的效率，其效率值可达0.97～0.99。机械摩擦磨损也较小，油耗低，内燃机寿命较长。

6、具有良好的经济性、动力性和排放指标

由于活塞的运动规律完全取决于凸太阳轮的轮廓曲线，所以可通过选取恰当的活塞运动规律来设计凸轮轮廓，而恰当的活塞运动规律应当使气缸中的气体燃烧充分、完善、燃料热能利用率高，因此，本发明内燃机具有良好的动力性、经济性和排放指标，可达到节能环保和提高机器效率的目的。

7、结构简单、工艺性好、生产成本低

本发明内燃机中的零件结构简单、工艺性好、生产成本低，彻底取消了结构复杂、加工制造困难的曲轴和连杆。

8、承载能力大

由于采用三个结构相同的行星轮，均匀地分布于太阳轮的周围，从而可使行星轮和系杆的惯性力相互平衡，三个行星轮可共同分担载荷实现功率分流.故内燃机运行平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，承载能力大.

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本发明的保护范围，将本发明的保护范围限制在所给出的实施例。

图1是无曲轴凸轮行星传动式内燃机的结构示意图

图2是凸太阳轮及行星传动机构的放大示意图

图3是太阳轮与系杆的联接关系示意图

图4是2K-H型行星轮系传动原理图

上述各附图中图识标号的标识对象是：1进气门；2气缸盖；3气缸；4排气门；5缸体；6推杆；7活塞；8弹簧；9滚轮；10系杆；11太阳轮；12凸太阳轮；13行星轮；14太阳轮轴；15系杆轴；16滚动轴承。

具体实施例

图1～图4所示无曲轴凸轮行星传动式内燃机，由进气门(1)、气缸盖(2)、气缸(3)、排气门(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、滚轮(9)、系杆(10)、太阳轮(11)、凸太阳轮(12)、行星轮(13)、太阳轮轴(14)、系杆轴(15)和滚动轴承(16)等组成。八个气缸(3)轴心对称地环形均布在凸太阳轮(12)的周围，相邻两个气缸的夹角为45°。每个气缸(3)中有一个活塞(7)，推杆(6)的一端与活塞(7)固结在一起，另一端装有滚轮(9)，滚轮(9)使推杆(6)与凸太阳轮(12)之间的联接为滚动摩擦联接，弹簧(8)的一端固定在活塞(7)底部，另一端固定在气缸(3)下部的凸台上，弹簧(8)的作用是使推杆(6)上的滚轮(9)始终与凸太阳轮(12)接触。凸太阳轮(12)的外部是具有互成90°夹角且轴心对称的四个凸出部分的四相凸轮，内部是内齿圈齿廓。三个行星轮(13)周向均布地支承在系杆(10)上并分别与凸太阳轮(12)和太阳轮(11)啮合。太阳轮(11)与太阳轮轴(14)通过键联接周向固定在一起，系杆轴(15)通过滚动轴承(16)套装在太阳轮轴(14)上。凸太阳轮(12)、太阳轮(11)及系杆(10)三个零件的回转轴心重合，其中太阳轮轴(14)和系杆轴(15)均可作为动力和运动的输出轴。由推杆(6)、滚轮(9)、凸太阳轮(12)、缸体(5)、弹簧(8)组成的凸轮机构和由凸太阳轮(12)、行星轮(13)、系杆(10)、太阳轮(11)、太阳轮轴(14)、系杆轴(15)组成的2K-H型行星传动机构，通过凸太阳轮(12)有机地组合成了凸轮行星传动机构，且整个行星传动机构内置于凸太阳轮(12)的内部，因此本发明内燃机不仅可利用行星传动的一系列优点，而且结构非常紧凑。凸太阳轮(12)的外表面凸轮轮廓曲线可按需要选取不同的曲线。本实施例按活塞(7)作余弦加速度运动规律来确定凸轮轮廓曲线，即当凸太阳轮(12)匀速转动时，活塞(7)按余弦加速度运动规律作往复直线运动，其运动周期为凸太阳轮(12)旋转周期的四分之一。本实施例内燃机的动力输出轴可有两根，一根是太阳轮轴(14)，另一根是系杆轴(15)。通过对这两根轴的控制，可以实现内燃机的变速输出。若固定系杆轴(15)，以太阳轮轴(14)为输出轴，则可实现高速输出；若固定太阳轮轴(14)，以系杆轴(15)为输出轴，则可实现低速大扭矩输出。

本发明所述内燃机的工作原理是：当内燃机工作时，气体燃烧做功汽缸中的活塞(7)，其驱动力通过推杆(6)作用于凸太阳轮(12)上，推动凸太阳轮(12)逆时针旋转，动力由凸太阳轮(12)经行星传动机构传给输出轴(14)或(15)输出；由于凸太阳轮(12)的旋转，滚轮(9)沿着凸太阳轮(12)轮廓滚动而使推杆(6)和没有做功的活塞(7)在气缸(3)内滑动，完成吸气、或压缩气体、或排气的任务。在图1中，将气缸a和e、b和f、c和g、d和h各作为一组，则共有四组气缸。设气缸a、e中的活塞处于吸气冲程的开始位置，气缸b、f中的活塞处于压缩冲程的开始位置，气缸c、g中的活塞处于气体燃烧做功冲程的开始位置，气缸d、h中的活塞处于排气冲程的开始位置，相邻两组气缸活塞的冲程进程相差一个冲程，对应于凸太阳轮转角的相位差为45°。则凸太阳轮逆时针转过45°以后，气缸b、f又开始燃烧做功，凸太阳轮再逆时针转过45°之后，气缸a、e又开始燃烧做功，气缸a、e燃烧做功完成以后接着是气缸d、h开始燃烧做功，之后又轮到气缸c和g燃烧做功，如此循环下去，使凸太阳轮连续平稳地运转，并通过行星传动机构连续平稳地将动力和运动传给输出轴输出。由于每组气缸中的两个气缸相隔180°对称布置，并且工作状态随时相同，所以八个活塞(7)对凸太阳轮(12)的综合作用效果是：凸太阳轮(12)只受纯力偶的作用，而合力为零。由于凸太阳轮(12)和行星传动机构不仅具有结构对称性，而受力也是对称的，故它们所受合力为零，只受力偶作用。因此本发明内燃机的冲击振动小，运动平稳。

为说明本发明内燃机的变速特性，设太阳轮(11)、凸太阳轮(12)的内齿廓、行星轮(13)的齿数分别为：z₁₁＝27，z₁₂＝61，z₁₃＝17，凸太阳轮(12)的转速为n₁₂＝1000r/min。当固定系杆轴(15)(n₁₀＝0)，以太阳轮轴(14)为动力的输出轴，由图4可知，此时行星轮系变为一个定轴轮系，于是有：

$i_{\mathrm{11,12}}=\frac{n_{11}}{n_{12}}=-\frac{z_{12}}{z_{11}}=-\frac{61}{27}$

故得n₁₄＝n₁₁＝-2259r/min，可见，太阳轮轴(14)的转向与凸太阳轮(12)的相反，内燃机增速输出动力，获得较高的转速，可减少有害气体的排放量。

高速输出的内燃机可应用于小型发电机，高压水泵，纺织机械等作为动力源，也可用作航空发动机。

当固定太阳轮轴(14)(n₁₁＝0)，以系杆轴(15)为输出轴时，由图4有：

$i_{\mathrm{11,12}}^{10}=\frac{n_{11}-n_{10}}{n_{12}-n_{10}}=-\frac{z_{12}}{z_{11}}$ 即有

$\frac{0-n_{10}}{1000-n_{10}}=-\frac{61}{27}$

故得n₁₅＝n₁₀＝693r/min，可见，系杆轴(15)的转向与凸太阳轮(12)的相同，转速低于凸太阳轮(12)，内燃机减速输出动力，可实现大扭矩低速输出。这种特性可用于需要大扭矩输出的场合，如挖掘机等。

由上述分析可知，通过对内燃机的系杆轴(15)和太阳轮轴(14)的控制，可实现增速、减速和反向驱动。

本实施例的内燃机还设置有起动系统、润滑系统、供油系统和冷却系统等。

Claims (6)

1.一种无曲轴凸轮行星传动式内燃机，主要由进气门(1)、气缸盖(2)、气缸(3)、排气门(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、凸轮行星传动机构及起动系统、配气系统、冷却系统、供油系统、润滑系统等组成，其特征在于：八个气缸(3)环形对称均布在凸太阳轮(12)的周围，凸轮行星传动机构将活塞的往复直线运动转变为输出轴的旋转运动——气缸活塞(7)通过推杆(6)直接作用于凸太阳轮(12)上，推动凸太阳轮(12)旋转，动力由凸太阳轮(12)经行星传动传给输出轴(14或15)输出。

2.根据权利要求1所述的无曲轴凸轮行星传动式内燃机，其特征在于：上述的凸轮行星传动机构由凸轮机构和2K-H型行星传动机构组合而成，其中凸轮机构由推杆(6)、凸太阳轮(12)、缸体(5)、弹簧(8)组成，推杆的一端与活塞(7)固定联接，另一端装有滚轮(9)，滚轮(9)使推杆(6)与凸太阳轮(12)之间为滚动摩擦联接，弹簧(8)使推杆(6)上的滚轮(9)始终与凸太阳轮(12)接触；2K-H型行星传动机构由凸太阳轮(12)、系杆(10)、太阳轮(11)、行星轮(13)、与太阳轮(11)固连的太阳轮轴(14)、系杆轴(15)组成。

3.根据权利要求1至2中任一项权力要求所述的无曲轴凸轮行星传动式内燃机，其特征在于：上述凸太阳轮(12)的外部是具有互成90°夹角且轴心对称的四个凸出部分的四相凸轮，内部是内齿圈齿廓，故凸太阳轮(12)既是凸轮机构中的凸轮，又是2K-H型行星传动机构中的太阳轮；整个行星传动机构内嵌于凸太阳轮(12)的内部。

4.根据权利要求1至3中任一项权力要求所述的无曲轴凸轮行星传动式内燃机，其特征在于：上述的内燃机，其动力输出轴可有两根，即太阳轮轴(14)和系杆轴(15)，通过对这两根轴的控制可实现内燃机的变速，若固定系杆轴(15)，以太阳轮轴(14)为输出轴，则可实现高速输出；若固定太阳轮轴(14)，以系杆轴(15)为输出轴，可以实现低速大扭矩输出。

5.根据权利要求1至4中任一项权力要求所述的无曲轴凸轮行星传动式内燃机，其特征在于：上述的内燃机，其八个气缸(3)环形对称均布在凸太阳轮(12)的周围，其中任意两个相隔180°对称布置的气缸活塞(7)工作状态同步，将工作状态同步的两个气缸活塞作为一组，四组气缸活塞依次进行吸气冲程、压缩冲程、气体燃烧做功冲程和排气冲程，相邻两组气缸的活塞冲程进程对应于凸太阳轮(12)转角的相位差为45°。

6.根据权利要求1至5中任一项权力要求所述的无曲轴凸轮行星传动式内燃机，其特征在于：上述凸太阳轮(12)的外表面凸轮轮廓曲线根据确定的活塞(7)加速度运动规律设计而成。

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