CN101949327B - 齿轮齿条汽油机 - Google Patents

Abstract

一种齿轮齿条汽油机，包括机体、安装在该机体上的活塞缸体系统和减速箱，以及配属的配气机构、供油系统和冷却系统；其中活塞缸体系统通过齿轮齿条机构进行动力输出，相应地，齿条轴向地连接于活塞上；其特征在于：所述活塞缸体系统至少有一个，每个含有处于同一轴线上的行程相反的两个活塞及对应的燃烧室，且每个活塞缸体系统含有两个齿轮齿条机构，对应的两个齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴上，而对应的两个齿条分居于活塞轴线两侧；所述齿轮轴依次通过弹性联轴器、挠性轴连接到所述减速箱。它结构简单，传动精度高，且易于实现。

Description

齿轮齿条汽油机

(一)技术领域

本发明涉及一种齿轮齿条汽油机，具体是以齿轮齿条机构为动力转化机构，且该机构设置于气缸体内用于将与该机构中的齿条相连接的活塞的直线往复运动转换为该机构中与所述齿条啮合的齿轮的转动，其中该齿轮的轴为动力输出轴。

(二)背景技术

目前内燃机中的汽油机都是活塞式内燃机，基本结构是曲柄滑块机构，再辅以机体、气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统和启动装置。由于曲柄滑块机构存在死点，因此，通常在曲柄滑块机构的输出轴上设有一个转动惯量比较大的飞轮。由于曲柄和连杆在运动过程中需要占据较大的空间，不可避免的增加了汽油机的体积。此外，在汽油机相应的曲柄滑块机构中，有至少4个运动副需要润滑，所对应的润滑系统比较复杂。

曲柄滑块机构是一种能够把直线运动转化成转动的机械结构，本领域的技术人员为了解决现有汽油机的上述缺陷，有意在其他的可把直线运动转换成转动的机械结构进行有益的尝试，其中中国第200510078762号发明专利申请公开了一种齿轮齿条汽油机，即通过齿轮齿条机构把由活塞驱动的齿条的直线运动转换成齿轮的转动，再把该齿轮的转动形式通过齿轮轴将动力输出。不过此类齿轮齿条汽油机保留了现有曲柄滑块机构中的连杆，并把它作为齿条，在现有的活塞结构上，连杆与活塞间是铰轴连接，使连杆有一个摆动的自由度，但齿轮传动机构的传动精度较高，同时对机构中的构件间的位置精度要求也高，上述摆动副的存在很难保证齿轮传动机构的传动精度。此外，即便是把所说的齿条在铰轴段进行有效固定，齿条本身因只有一个支点而形成悬架杆，刚性差，也影响齿轮机构的传动精度。而所说的齿轮包括与所述齿条啮合的两个小齿轮和每个小齿轮的齿轮轴上各设置的一个大齿轮，对应的两个大齿轮啮合，其中所述小齿轮为半齿轮，且两个小齿轮其一在压缩阶段与齿条啮合，另一在排气阶段与齿条啮合，也就是两个小齿轮转向相反，再利用相啮合的两个齿轮转向相反的特性把所获得的往复运动转换成大齿轮向一个方向转动的运动形式，并通过其中的一根齿轮轴把动力输出。该结构虽然能够把活塞运动形式转换成所说输出轴的转动，但由于其涉及到了两组齿轮，结构偏于复杂。

(三)发明内容

本发明为了克服现有齿轮齿条汽油机结构复杂，且传动精度差的缺陷，提供了一种结构简单，传动精度高，且易于实现的齿轮齿条汽油机。

本发明采用以下技术方案：

该发明齿轮齿条汽油机，包括机体、安装在该机体上的活塞缸体系统和减速箱，以及配属的配气机构、供油系统和冷却系统；

其中活塞缸体系统通过齿轮齿条机构进行动力输出，相应地，齿条轴向地连接于活塞上；

所述活塞缸体系统至少有一个，每个含有处于同一轴线上的行程相反的两个活塞及对应的燃烧室，且每个活塞缸体系统含有两个齿轮齿条机构，对应的两个齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴上，而对应的两个齿条分居于活塞轴线两侧；

所述齿轮轴依次通过弹性联轴器、挠性轴连接到所述减速箱。

由于基于常规曲柄滑块机构的内燃机通过转动与直线运动的转换关系，能够形成活塞的上下运动，这种运动是可控的，并且活塞的上止点和下止点也是确定的。但齿轮齿条机构不具备活塞位置精确控制的条件，目前所说的齿轮齿条机构普遍存在无法实现的问题，其实现多基于理想状态，或者直接把曲柄滑块的原理直接挪用维持轮齿条机构上，认为活塞是能够上下运行的，这是不合理的。因此本方案首先要解决的是控制活塞行程的问题，满足实现条件，本方案采用了两个活塞构成一个活塞缸体系统的技术手段予以解决，两个活塞行程相反，当然，两个活塞是同步运动的，这里所说的行程相反体现在活塞冲程上，基于此教导，就容易理解本方案的工作原理了，依据此技术手段，不仅解决了活塞精确定位和本汽油机的实现问题，而且两缸具有比较大的输出功率，且在一个周期内均有动力输出。

本方案采用两个齿轮齿条机构，对应的两个齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴上，而对应的两个齿条分居于活塞轴线两侧，从机械原理上看，在活塞的一个行程中，会带着两根齿条向一个方向运动，如果是普通的齿轮，则两个齿轮一个逆时针转动另一个顺时针转动，根本就不能运动，那么若齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴上则可以解决这一问题，在活塞向一个方向运动时，一个齿轮齿条副起作用，而使齿轮轴做一个方向的转动，活塞返回时，另一个齿轮齿条副起作用，所述齿轮轴仍然会以原来的方向转动。因此，在机械原理上是可行的。

由于两齿条对称设置，据本方案可以预见的是，两齿条可以与气缸体面接触配合，从而可以解决悬架杆的问题。即便是齿条不与气缸体接触，在使用同样齿条的情况下，两端固定的尺条具有比较大的刚度，保证了齿轮齿条机构的传动精度。此外，由于上述对称设置，形成基于现有活塞结构的摆杆的自然限位，当然这里考虑的是所说的摆杆为通常意义上的与活塞连接销轴连接的连接件，具有在摆动扇面内或者垂直于摆杆扇面上是可以预见的两种基本的安装方式，对于前者，两齿条分别限制对方作用力下的摆杆摆动，对于后者，只要齿条或者所说的摆杆与活塞底部边缘有接触点就可以有效的防止摆杆摆动，可以非常灵活且容易保证对摆杆摆动的限制，从而，可以非常简便的保证齿轮齿条机构的精确传动。

从结构复杂性上，相对于现有的齿轮齿条机构在汽油机上的应用，该方案中齿轮齿条机构完全设置在气缸体轴线上，且所述齿轮设置在两齿条之间，结构非常紧凑，且运动副少，可靠性提高，也减少了汽油机的润滑部位。

下面还是从实现角度讲，齿轮在一个周期的半个周期内被齿条驱动，输出动力，形成第一运动形式，另半个周期会被齿条驱动向相反的方向转动，形成第二运动形式，在前一个运动形式转换成第二运动形式时，虽然有一定的冲击，但很小，如果是第二运动形式转换成第一运动形式时，由于存在负载，会产生刚性冲击，很容易导致齿轮齿条机构短期内失效。为此，本方案中采用弹性联轴器与挠性轴配合消除缓冲的技术手段，可以有效地解决刚性冲击的问题。

挠性轴有成软轴，用于联接不在同一轴线和不在同一方向或有相对运动的两轴，以传递旋转运动和扭矩，本方案是弹性轴在缓冲方面应用的第一次尝试，由于弹性轴有一定的变形能力，可以有效地进行缓冲，至于挠性轴的安装形态，这里并不是用其既有安装方式，可以按照直轴的安装方式予以安装。

上述齿轮齿条汽油机，所述挠性轴的轴体位于所述齿轮箱内，且该挠性轴的两个轴接头位于同一轴线上。

上述齿轮齿条汽油机，所述齿条背面曲率与气缸体内部曲率一致，并与气缸体面接触滑动配合。

上述齿轮齿条汽油机，所述两齿条通过一T形的连接件固定在活塞上。

上述齿轮齿条汽油机，当该汽油机为两冲程汽油机时，其进气门设有起扫气作用的压缩缸或压缩气源，且对应前者进气门位于活塞上止点上部空间；其中压缩缸用于将压缩后的空气在预定时刻压缩进燃烧室。

上述齿轮齿条汽油机，所述压缩缸的推杆作为一凸轮机构的顶杆，对应的凸轮的轴为所述齿轮轴。

上述齿轮齿条汽油机，所述燃烧室的进气门为一沿气缸顶端周边设置的环形气门，由气缸盖与缸体配合形成；与所述环形气门配合的为一环形的阀芯，通过垂直固定在该阀芯上并延伸出气缸盖的操纵杆控制进气门的开闭，其中所述操纵杆由安装在所述齿轮轴上的凸轮机构驱动。

上述齿轮齿条汽油机，所述排气门为均布于气缸体的活塞下止点上侧一圆周上的多个排气孔，所有排气孔连通于一固定在气缸体上的环形管道上予以集气，并在该环形管道上连接有汽油机的出气管。

上述齿轮齿条汽油机，在所述机体上设有对所述齿轮齿条机构进行喷油润滑的润滑装置。

上述齿轮齿条汽油机，所述冷却系统为水冷式冷却系统。

(四)附图说明

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术内容，下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步的陈述：

图1为依据本发明技术方案的齿轮齿条汽油机挠性轴使用状态的结构原理图。

图2为齿轮齿条机构的布置状态图。

图中：1、齿条，2、机体，3、弹性联轴器，4、轴接头，5、轴体，6、输出齿轮，7、减速箱，8、齿轮轴，9、齿轮，10、压缩缸，11、进气管，12、气缸盖，13、火花塞，14、燃烧室，15、散热片，16、出气管，17、活塞，18、缸体，19、齿轮齿条机构。

(五)具体实施方式

参照说明书附图1和2中所示的齿轮齿条汽油机，包括机体2、安装在该机体上的活塞缸体系统和减速箱7，以及配属的配气机构、供油系统和冷却系统；

其中活塞缸体系统通过齿轮齿条机构19进行动力输出，相应地，齿条1轴向地连接于活塞9上；

所述活塞缸体系统至少有一个，每个含有处于同一轴线上的行程相反的两个活塞9及对应的燃烧室14，且每个活塞缸体系统含有两个齿轮齿条机构19，对应的两个齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴8上，而对应的两个齿条分居于活塞轴线两侧；

所述齿轮轴依次通过弹性联轴器3、挠性轴连接到所述减速箱7。

对于四冲程汽油机来说，其配气机构多采用凸轮机构，当然其中所说的凸轮机构中的凸轮可以设置在所述齿轮的齿轮轴8上或者采用电控的方式来控制气门的开启和关闭，这些也都可以应用在齿轮齿条汽油机中。

对于两冲程汽油机来说，则需要考虑扫气室的设置，目前基于曲柄滑块机构的的两冲程汽油机，其扫气室即为曲柄和连杆所在的空间，这同样适用于本方案。

关于配气机构，需要考虑两个活塞行程相反的基本要求，一定程度上讲，两者相差半个周期，据此可知，一个示例，对于气门控制的凸轮机构，可以在所述齿轮轴上对应地设置升程和回程相反的一对结构相同的凸轮机构，或者一个凸轮机构，两个轴(凸轮轴)对称设置的一对凸轮，必然产生所需要的运动形式，且结构相对来说比较紧凑。

关于挠性轴的设置，最佳的结构是所述挠性轴的轴体5位于所述齿轮箱内，且该挠性轴的两个轴接头4位于同一轴线上，可以简化结构。

为了提高所述齿条在使用状态下的刚性，该齿条背面曲率与气缸体内部曲率一致，并与气缸体面接触滑动配合，从而对齿条形成有效的支撑，可以保证齿轮齿条机构的传动精度。当然，本领域的技术人员可以把两个齿条的两端固定在一起，这样可以更有效的提高其在使用状态下的刚性，而且也便于将齿条固定在活塞上。当然，为了减少摩擦副，可以不用上述结构，问题的关键在于如何平衡传动精度于减少摩擦副的磨损问题，因汽油机输出功率不同，齿轮齿条机构中齿条安装方式的选择可以参考这一要求。

进一步地，所述两齿条通过一T形的连接件固定在活塞上，以实现上述将两个齿条可靠固定的目的。当然，这里通篇考虑的是现有活塞的结构下齿条的固定，而在齿轮齿条机构中并不需要活塞与连杆的轴销连接方式，那么对于活塞的技术要求就降低了，该活塞只需要设置固定部即可，而不像现有的曲柄滑块机构中需要对连杆大孔、小孔的精密加工和对活塞及其轴销的精密加工，在齿轮齿条汽油机上，仅此处就可以使生产成本大幅降低。

齿轮齿条机构的齿条两端各有一个燃烧室，齿条固定于两个活塞之间。两个活塞间固定齿条可以更可靠的对齿条进行固定，即便是不考虑齿条与气缸体的配合关系，有两个支点的齿条也比悬架杆有更好的刚度。当然，这里需要考虑两个燃烧室的工作循环，本领域的技术人员根据该方案也可以想到两个燃烧室的工作循环在相位上相差半个周期。相比而言，可以在一个气缸体内设置两个活塞，且这样可以相当于现有两缸的输出功率，而仅有一套运动形式转换机构，结构可以有比较大的简化。当然，所说的气缸根据该结构对称地设置为两个，两气缸间是开放的结构。其中前面的结构形式对于四冲程汽油机来说同样使用现有的配气机构，而对于两冲程汽油机来说需要考虑扫气室的设置，显然这里一个空间不能为两个燃烧室提供扫气室。因此，针对本实施例采用了两个燃烧室的情况，在当该汽油机为两冲程汽油机时，其进气门设有作为扫气室的压缩缸10，且进气门位于活塞上止点上部空间；其中压缩缸用于将压缩后的空气在预定时刻压缩进燃烧室。自然，也可以考虑使用压缩泵提供压缩空气。

这里设置专门的扫气室，据此，不仅可以解决现有把曲轴和连杆所在空间作为扫气室而存在的润滑问题，而且可以更有效的提高两冲程汽油机的输出功率。对于后者原因在于目前两冲程汽油机低速运转时，油门开度小，排气不充分，扫气不完全，燃烧室内新鲜混合气浓度低，会使新鲜混合气燃烧不完全，使废气中CH化合物的含量剧增；同时扫气时有一部分新鲜混合气随废气一同排出，混合气中的润滑机油燃烧不充分，也使排气中的CH化合物增多。而本方案更类似于四冲程的进排气方式，可以有效地解决目前二冲程汽油机的上述问题，与四冲程汽油机相比其区别仅在于四冲程汽油机按照周期分成四个阶段，本方案中的二冲程汽油机仍然是两个阶段。这里有一点需要注意就是本方案中的二冲程汽油机的排气门也需要设置在气缸体端部，这也类似于四冲程发动机。

作为所述压缩缸的一种吸排气方式，所述压缩缸的推杆作为一凸轮机构的顶杆，对应的凸轮的轴为所述齿轮轴，其工作方式便于与齿轮齿条机构相匹配。

为了减小二冲程汽油机扫气室的进气压力，所述燃烧室的进气门为一沿气缸顶端周边设置的环形气门，由气缸盖12与缸体配合形成；与所述环形气门配合的为一环形的阀芯，通过垂直固定在该阀芯上并延伸出气缸盖的操纵杆控制进气门的开闭，其中所述操纵杆由安装在所述齿轮轴上的凸轮机构驱动。其中所说的操纵杆作为控制动力的接入构件，也便于控制。

为了进一步的减小排气压力，所述排气门为均布于气缸体的活塞下止点上侧一圆周上的多个排气孔，所有排气孔连通于一固定在气缸体上的环形管道上予以集气，并在该环形管道上连接有汽油机的出气管16。

所述齿轮齿条机构采用喷油润滑，且喷嘴设于所述齿轮处的气缸体上，以主要对齿轮齿条机构进行润滑。对于齿条与气缸体面接触配合的情况，可以采用现有的对活塞润滑的方式已对活塞和齿条的该配合面一同进行润滑。

所述冷却系统为风冷式冷却系统或水冷冷式冷却系统，冷却系统的选择主要是考虑系统的复杂性，摩托车没有专门的水循环系统，就需要在气缸体和气缸盖上设置散热片的形式，即风冷方式。而对于输出功率比较大的汽油机，可以采用水冷方式。

Claims (10)

1.一种齿轮齿条汽油机，包括机体(2)、安装在该机体上的活塞缸体系统和减速箱(7)，以及配属的配气机构、供油系统和冷却系统；

其中活塞缸体系统通过齿轮齿条机构(19)进行动力输出，相应地，齿条(1)轴向地连接于活塞(9)上；

其特征在于：

所述活塞缸体系统至少有一个，每个含有处于同一轴线上的行程相反的两个活塞(9)及对应的燃烧室(14)，且每个活塞缸体系统含有两个齿轮齿条机构(19)，对应的两个齿轮通过超越离合器安装于同一根齿轮轴(8)上，而对应的两个齿条分居于活塞轴线两侧；

所述齿轮轴依次通过弹性联轴器(3)、挠性轴连接到所述减速箱(7)。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述挠性轴的轴体(5)位于所述齿轮箱内，且该挠性轴的两个轴接头(4)位于同一轴线上。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述齿条背面曲率与气缸体内部曲率一致，并与气缸体面接触滑动配合。

4.根据权利要求3所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述两齿条通过一T形的连接件固定在活塞上。

5.根据权利要求4所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：当该汽油机为两冲程汽油机时，其进气门设有起扫气作用的压缩缸(10)或压缩气源，且对应前者进气门位于活塞上止点上部空间；其中压缩缸用于将压缩后的空气在预定时刻压缩进燃烧室。

6.根据权利要求5所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述压缩缸的推杆作为一凸轮机构的顶杆，对应的凸轮的轴为所述齿轮轴。

7.根据权利要求6所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述燃烧室的进气门为一沿气缸顶端周边设置的环形气门，由气缸盖(12)与缸体配合形成；与所述环形气门配合的为一环形的阀芯，通过垂直固定在该阀芯上并延伸出气缸盖的操纵杆控制进气门的开闭，其中所述操纵杆由安装在所述齿轮轴上的凸轮机构驱动。

8.根据权利要求7所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述排气门为均布于气缸体的活塞下止点上侧一圆周上的多个排气孔，所有排气孔连通于一固定在气缸体上的环形管道上予以集气，并在该环形管道上连接有汽油机的出气管(16)。

9.根据权利要求4所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：在所述机体上设有对所述齿轮齿条机构进行喷油润滑的润滑装置。

10.根据权利要求1所述的齿轮齿条汽油机，其特征在于：所述冷却系统为水冷式冷却系统。

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