CN102155295A - 滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机 - Google Patents
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Abstract
提出一种由汽缸、滚动式活塞上安装有两个鼓形辊轮、圆弧形活塞导轨、活塞销、非圆内齿轮、主轴齿轮、凸轮换向机构、输出主轴组成的活塞式发动机，活塞做功时，活塞推动非圆内齿轮移动并推动与之啮合的主轴齿轮转动，从主轴输出功率，同时驱动其他主轴齿轮带动各自与之啮合的非圆齿轮移动，完成每个缸的吸、压、爆、排工作循环。其特点在于：该发动机无曲轴；活塞与缸体之间为滚动摩擦、磨损明显降低；利用远大于活塞推力并随着活塞位移的增加而增大的反力推动主轴齿轮输出转矩；活塞推力的反力在主做功段始终与主轴齿轮相切，输出转矩随活塞位移的增加、反力的增大而增大；主做功段输出转矩增加的范围更宽、峰谷差更小、转矩输出更平稳；活塞始终在汽缸的同侧，无敲缸问题。通过计算比传统发动机做功增加了18.97％，即输出功率提高了18.97％。降低了燃料消耗和污染排放。
Description
技术领域
提出一种利用远大于活塞推力并随着活塞位移的增加而增大的反力推动非圆内齿轮往复运动驱动主轴齿轮转动做功的内燃发动机。
背景技术
以曲柄连杆机构实现能量转换的传统发动机，其输出转矩在活塞的各位移点上，驱动力臂随曲柄转角不断变化，驱动曲柄转动的有效分力均小于甚至远小于混合汽燃烧时对活塞产生的推力，只有很小一部分转化为曲柄的输出转矩，能量转换率不高；此外，在燃烧开始时，由于汽缸燃汽压力较高，输出转矩峰值比较大，但随着活塞的移动，活塞顶部燃汽压力迅速下降，使活塞推力迅速下降，加之曲柄转角大于90°时的输出转矩迅速下降，造成转矩输出小而且范围较窄，转矩输出极不平稳；缸体与活塞之间为滑动摩擦，磨损快，效率低；活塞对缸体的侧压力方向不断变化，产生敲缸冲击等缺陷。
发明内容
为了克服曲轴连杆活塞式发动机的上述缺点，提出一种滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机，主要包括汽缸1、活塞2、安装在活塞上的两个鼓形滚轮3、圆弧形活塞导轨4、活塞销5、非圆内齿轮6、及与之啮合的主轴齿轮7、输出主轴8、凸轮9、凸轮辊子10组成；非圆内齿轮由两个半圆和两段齿条组合而成。如图1是滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机工作原理图，当汽缸点火做功时，活塞2 下行，活塞2推力的反力推动非圆内齿轮6移动，由非圆内齿轮6驱动与其啮合的主轴齿轮7做定轴转动，输出转矩和功率；当活塞2运动到下止点即非圆内齿轮6上半圆中心线上时，做功行程结束，在下一个做功活塞推动下，主轴齿轮7继续转动，非圆内齿轮6在换向机构9、10作用下，绕活塞销5发生摆动，使主轴齿轮7与非圆内齿轮6的啮合平稳过渡到非圆内齿轮6的另一侧，由主轴齿轮7驱动非圆内齿轮6和活塞2上行完成排汽行程，在四个汽缸依次相互连续作用下，每个汽缸各自完成爆、排、吸、压工作循环。
通过计算或从图1中可见，做功行程反力方向角从β开始，随着活塞位移的增加而增大，即活塞推力的反力：Ft＝P/cos(β+θ)也随之增加；在齿条啮合段反力始终与主轴齿轮相切而力臂不变，所以反力增加越大则输出转矩M2＝r1P/cos(β+θ)增加的也越多。
如果两齿轮中心距a＝(z2-z1)m/2取小值，即二齿差传动，则齿条啮合段范围就变宽，即M2增加的范围加大，M2增加的越来越多，使后半个做功行程输出转矩的迅速下降得到更大的补偿，转矩曲线的峰谷差缩小，转矩输出更平稳。解决了传统发动机在主轴转角大于90°时输出转矩迅速下降、范围窄、变化大、不平稳、能量转换低的问题。做功行程与返回行程主轴转角为：
当齿数比等于1时，活塞一个往复运动，主轴转一周；当齿数比小于1时，活塞一个往复运动，主轴转角小于360°，适用于低速大扭矩发动机；当齿数比大于1时，活塞一个往复运动，主轴转角大于360°，适用于高速大扭矩发动机。
采用了滚动式活塞使活塞与缸体的摩擦减小，效率更高，磨损更少。解决了汽缸活塞磨损过快的问题。
活塞无论是做功行程还是返回行程都在汽缸的同侧，因此不存在敲缸问题。
图2是滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机与传统发动机，在活塞行程和缸径相同、不考虑活塞推力变化的条件下，计算出的两种发动机在活塞各位移或输出轴各转角时输出转矩系数、输出转矩的变化曲线，也可以叫做输出转矩的系数或当量力臂比较法，即把反力发动机的输出转矩M2＝r1P/cos(β+θ)＝KFP行程为s的反力发动机与输出转矩 
行程相等的传统发动机转化为转矩系数或是当量力臂大小的比较，因为活塞在同一位移或主轴转角时活塞推力相等，所以输出转矩的大小取决于转矩系数或是当量力臂KF和KQ的大小。输出转矩曲线下的面积即为输出转矩所做的功，通过积分或用CAD查询功能计算出滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机比传统发动机输出转矩曲线下的面积增加了18.97％，就是做功增加了18.97％，也就是输出功率提高了18.97％，改善了发动机的动力性能，显著降低了燃料消耗和污染排放，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动机原理图。
图2是滚动活塞式非圆内齿轮无曲轴反力发动与传统发动机输出 转矩变化曲线比较图。
具体实施方式
为了使本发明顺利实施，可以用传统发动机改装，采用传统发动机的配汽、电器、供油、润滑、冷却、启动系统等附加装置即可。
Claims (1)
1.涉及一种由汽缸、滚动式活塞上安装有两个鼓形辊轮、活塞导轨、活塞销、非圆内齿轮、主轴齿轮、凸轮换向机构、输出轴组成的活塞式发动机，其特征在于：所述发动机无曲轴；活塞与缸体之间为滚动摩擦、磨损明显降低；利用远大于活塞推力并随着活塞位移的增加而增大的反力推动主轴齿轮输出转矩；活塞推力的反力在主做功段始终与主轴齿轮相切，输出转矩随活塞位移的增加、反力的增大而增大；主做功段输出转矩增加的范围更宽、峰谷差更小、转矩输出更平稳；活塞始终在汽缸的同侧，不存在敲缸问题。
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