CN103775205A - 一种活塞式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种活塞式发动机包括缸体、左缸盖、右缸盖、左活塞、右活塞、齿条套、微动关节、齿轮轴、转向凸轮轴；缸体上沿长度方向开设有若干个平行的圆筒体，缸体上沿宽度方向开设一个转轴通孔；左缸盖、右缸盖分别安装在缸体的左端和右端；每个圆筒体中安装有一个左活塞和一个右活塞；每一个圆筒体中安装有一条齿条套，每一个齿条套包括相互平行的上齿条、下齿条；每个圆筒体中安装有两个上述的微动关节；齿轮轴安装在缸体的转轴通孔中，齿轮轴从若干个齿条套的上齿条和下齿条之间穿过；两根转向凸轮轴安装在缸体的转轴通孔中，并分别设于齿轮轴的两侧边，转向凸轮轴上安装有若干个凸轮。本发明活塞式发动机应用于汽车、航拍器材、直升机、低速无人机等。

Description

一种活塞式发动机
技术领域
本发明涉及一种活塞式发动机，其广泛应用于小型汽柴油发电机、摩托车车发动机、航模发动机、汽车发动机、航拍器材、低速无人机、直升机等。
背景技术
现有技术中的往复活塞式发动机，按照气缸排列方式不同可以分为单列式和双列式。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的，但为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平的。双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°(一般为90°)称为V型发动机。
传统的所有往复活塞式发动机，都要用到曲轴机构，它很重，同时也很占空间，工艺加工难度非常大。曲轴及活塞柄的摆动，造成力的输出不平稳，也存在很大的摩擦力损失，并且因此导致发动机机使用寿命短，使用维护困难。
另外，传统的所有往复活塞式发动机的活塞产生的输出力再推动曲轴，采用摆动式的运动方式，传送的力浪费很多，振动很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：提供一种活塞式发动机，其去除了最重最占空间并且工艺加工难度最大的曲轴机构，生产工艺简单，振动大幅度下降，体积与重量大幅度减小，力输出相当平稳，更小的摩擦力损失，可以模块化设计，也增加了发动机在行业的运用范围，安装方便，维修更换容易。
为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种活塞式发动机，其包括一个缸体、一左缸盖、一右缸盖、若干个左活塞、若干个右活塞、若干条齿条套、若干个微动关节、一根齿轮轴、两根转向凸轮轴；
该缸体是一个长方体形，该缸体上沿长度方向开设有若干个平行的圆筒体，该缸体上沿宽度方向开设一个转轴通孔；
该左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左端和右端；
该每个圆筒体中安装有一个安装在左端的上述左活塞和一个安装在右端的上述右活塞，该左活塞和右活塞都可以在该圆筒体之中滑动；
该左缸盖、左活塞和缸体之间形成一个左燃烧室，该右缸盖、右活塞和缸体之间形成一个右燃烧室；
该每一个圆筒体中安装有一条位于左活塞和右活塞之间的上述齿条套，该每一个齿条套包括相互平行的一个上齿条、一个下齿条；
每个圆筒体中安装有两个上述的微动关节，其中一个微动关节的一端通过转轴连接在该左活塞上，另一端通过转轴连接在该齿条套上，另一个微动关节的一端通过转轴连接在该右活塞上，另一端通过转轴连接在该齿条套上；
该齿轮轴安装在该缸体的转轴通孔中，该齿轮轴从该若干个齿条套的上齿条和下齿条之间穿过，该上齿条和下齿条之间的距离大于该齿轮轴的外径；
该两根转向凸轮轴安装在该缸体的转轴通孔中，并分别设于该齿轮轴的两侧边，该转向凸轮轴上安装有若干个凸轮；
该齿轮轴的一端安装有一个同步齿轮，该两根转向凸轮轴的同一端各安装有一个齿轮；
该同步齿轮和两侧的两个齿轮相互啮合，使该齿轮轴和两根转向凸轮轴旋转保持同步；
该两根转向凸轮轴上的凸轮旋转到上端，推动齿条套上行，使其下部的下齿条与齿轮轴啮合，同时左、右两个微动关节跃动到上部位置；
该两根转向凸轮轴上的凸轮旋转到下端，推动齿条套下行，使其上部的上齿条与齿轮轴啮合，同时左、右两个微动关节跃动到下部位置。
上述技术方案的进一步限定在于：该转向凸轮轴上的若干个凸轮中，靠一端的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，和靠中间的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，以及靠另一端的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，依次平均分配整个行程，使得组合的气缸组越多，发动机的运行越平稳。
上述技术方案的进一步限定在于：该转轴通孔与该圆筒体方向垂直。
上述技术方案的进一步限定在于：该左活塞、右活塞都和该缸体的内壁紧密配合不漏气，该左缸盖和右缸盖把该圆筒体紧密封闭起来。
上述技术方案的进一步限定在于：该活塞式发动机还包括一惯性轮，该惯性轮安装在该齿轮轴的另一端，用于输出该齿轮轴旋转后所传递出来的动能。
上述技术方案的进一步限定在于：该齿轮轴、上齿条和下齿条的齿形是斜齿、人字齿或棘齿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、去除了最重最占空间并且工艺加工难度最大的曲轴机构，利用齿轮齿条的传动原理，利于微动关节与转向凸轮轴对齿条套进行换向，以使齿轮轴获得持续稳定不变方向的转动并传出发动机。
2、左活塞、右活塞在同一轴线上运动，传送的力直接作用到齿轮轴上，只有齿轮齿条上的压力角产生极小的分力会作用到缸体壁上，以此带来五个好处：
一是整个发动机生产工艺的难度要求大幅度下降；
二是发动机的振动大幅度下降（只有一个方向上的振动，并且一个燃烧室产生的振动能被正对位置的燃烧室减缓，同时其它几对气缸的振动会平分行程错开）；
三是整个发动机的体积与重量大幅度减小；
四是没有曲轴及活塞柄的摆动，活塞的推动力几乎全部垂直落在齿轮轴上（只有5度以下的推力分量），因此力输出相当平稳输出也更大，有更小的摩擦力损失；
五是因整个机构平直流畅，力的输出比较干净，可以优先使用模块化的设计，这样也会便于后续研发设计的展开，也增加了发动机在行业的运用范围。
3、本发明活塞式发动机与传统的往复活塞式发动机比较，只是以齿轮齿条传动取代了传统的曲轴机构，其他如活塞、进排气、润滑冷却及外设都相同，所以可以与现在公开的技术共用相同零件与设计，这样能让本专利在现有技术及相应工厂的支持下快速生产出成品。
4、模块化的设计及生产
因为是左右两活塞在同一轴线上运动，带来了体积小，振动小，内部机构及外观平整，所以比较方便模块化的设计及生产，如缸体可以用铝材拉伸为型材截断成形，在产品稳定型之后必要时采用钢拉伸为型材截断成形，或是采用连续性铸造灰铁球铁再加工成形，以此提高生产率并降低成本。
因为外观的平顺特性，可以将发动机模块化设计及模块化使用，将两个分别为6缸的发动机本体通动齿轮啮合为12缸的发动机，其他部分如供油、冷却、发电、动力轮出等功能能够模块化的也设计到一下模块中。这样带来如下好处：体积小，安装方便，维修更换容易。
附图说明
图1是本发明活塞式发动机的立体图。
图2是本发明缸体的立体图。
图3是本发明活塞式发动机卸去缸体的立体图。
图4是本发明活塞式发动机的剖视图。
图5是图4的D-D方向剖视图。
图6是图4的C-C方向剖视图。
图7是图4的E-E方向剖视图。
图8是本发明活塞式发动机的侧视图。
图9是本发明齿条套的立体图。
图10是本发明齿条套的侧视图。
图11是本发明微动关节的立体图。
图12是本发明齿轮轴的立体图。
图13是本发明转向凸轮轴的立体图。
具体实施方式
请参阅图1至图13，一种活塞式发动机，其包括一个缸体12、一左缸盖14、一右缸盖16、三个左活塞18、三个右活塞20、三条齿条套22、六个微动关节24、一根齿轮轴26、两根转向凸轮轴28、一惯性轮30。
该缸体12是一个长方体形，该缸体12上沿长度方向开设有三个平行的圆筒体122，该缸体12上沿宽度方向开设一个转轴通孔124。
该转轴通孔124与该圆筒体122方向垂直。
该左缸盖14安装在该缸体12的左端。
该右缸盖16安装在该缸体12的右端。
该三个左活塞18分别安装在三个圆筒体122中，该三个右活塞20分别安装在三个圆筒体122中。
该每个圆筒体122中安装有一个安装在左端的左活塞18和一个安装在右端的右活塞20，该左活塞18和右活塞20都可以在该圆筒体122之中滑动。
该左活塞18、右活塞20都和该缸体12的内壁紧密配合不漏气。
该左缸盖14把该圆筒体122紧密封闭起来，该左缸盖14、左活塞18和缸体12之间形成一个左燃烧室182。
该右缸盖16把该圆筒体122紧密封闭起来，该右缸盖16、右活塞20和缸体12之间形成一个右燃烧室202。
该三条齿条套22分别安装在该三个圆筒体122中。该每一个圆筒体122中安装有一条位于左活塞14和右活塞20之间的齿条套22。
该每一个齿条套22包括相互平行的一个上齿条222、一个下齿条224。
该六个微动关节24，以两个为一组分成三组分别安装在三个圆筒体122中。
每个圆筒体122中安装有两个微动关节24，其中一个微动关节24的一端通过转轴（未标号）连接在该左活塞18上，另一端通过转轴（未标号）连接在该齿条套22上，另一个微动关节24的一端通过转轴（未标号）连接在该右活塞20上，另一端通过转轴（未标号）连接在该齿条套22上。
该齿轮轴26安装在该缸体12的转轴通孔124中。
该齿轮轴26从该三个齿条套22的上齿条222和下齿条224之间穿过。
该上齿条222和下齿条224之间的距离略大于该齿轮轴26的外径。
该齿轮轴26、上齿条222和下齿条224的齿形是斜齿、人字齿或棘齿。该两根转向凸轮轴28安装在该缸体12的转轴通孔124中，并分别设于该齿轮轴26的左右两侧边。
该转向凸轮轴28上安装有六个凸轮282。
该六个凸轮282中，靠一端的两个凸轮282的凸点284所指向的方向，和靠中间的两个凸轮282的凸点284所指向的方向，以及靠另一端的两个凸轮282的凸点284所指向的方向，依次间隔有120度的角度。
该齿轮轴26的一端安装有一个同步齿轮266，该两根转向凸轮轴28的同一端各安装有一个齿轮286。
该惯性轮30安装在该齿轮轴26的另一端，用于输出该齿轮轴26旋转后所传递出来的动能。
该同步齿轮266和两侧的两个齿轮286相互啮合，使该齿轮轴26和两根转向凸轮轴28旋转保持同步。
下面以一组气缸为例介绍工作过程，如图5所示，左活塞18、右活塞20运行到最左边，该两根转向凸轮轴28上的两个凸轮282旋转到上端，推动齿条套22上行，使其下部的下齿条224与齿轮轴26啮合，同时左、右两个微动关节24跃动到上部位置。
左燃烧室182进气、点火燃烧，推动左活塞18、右活塞20、左、右两个微动关节24向右移动；在右燃烧室202限制气压的作用下，左、右两个微动关节24在整个右移过程中保持向上压紧状态不变；因齿条套22下部的下齿条224与齿轮轴26啮合，齿条套22的右移推动齿轮轴26逆时针旋转。
左活塞18、右活塞20、左、右两个微动关节24向右移动到最右边，左燃烧室182排气，左活塞18、右活塞20的气压接近0值，同时两根转向凸轮轴28上的凸轮282旋转到下端，推动齿条套22下行，使其上部的上齿条222与齿轮轴26啮合，同时左、右两个微动关节24跃动到下部位置。
右燃烧室202进气、点火燃烧，推动左活塞18、右活塞20、左、右两个微动关节24向左移动；在左燃烧室182限制气压的作用下，左、右两个微动关节24在整个左移过程中保持向下压紧状态不变；因齿条套22上部的上齿条222与齿轮轴26啮合，齿条套22的左移推动齿轮轴26逆时针旋转。
该齿轮轴26的同步齿轮266和两侧的转向凸轮轴28的两个齿轮286相互啮合，以控制转向凸轮轴28与齿轮轴26同步，当齿条套22左右来回摆动一个周期时保证转向凸轮轴28旋转360度，以使气缸同步完成一个周期的进气、燃烧、排气。
如图4至图7所示，是三组气缸的行程图，为了使运行更加平稳，把振动减少到最小，并减小惯性飞轮的尺寸及重量，把火花塞点火到下一次点火的这一周期的时间三等分，使这三缸的行程、推力的衰减、振动均匀分布在一个周期的行程中，以便得到均匀平稳及最小振动的输出。
本发明具有如下有益效果：
1、去除了最重最占空间并且工艺加工难度最大的曲轴机构，利用齿轮齿条的传动原理，利于微动关节24与转向凸轮轴28对齿条套22进行换向，以使齿轮轴26获得持续稳定不变方向（逆时针方向）的转动并传出发动机。
2、左活塞18、右活塞20在同一轴线上运动，传送的力直接作用到齿轮轴26上，只有齿轮齿条上的压力角产生极小的分力会作用到缸体壁上，以此带来五个好处：
一是整个发动机生产工艺的难度要求大幅度下降；
二是发动机的振动大幅度下降（只有一个方向上的振动，并且一个燃烧室产生的振动能被正对位置的燃烧室减缓，同时其它几对气缸的振动会平分行程错开）；
三是整个发动机的体积与重量大幅度减小；
四是没有曲轴及活塞柄的摆动，活塞的推动力几乎全部垂直落在齿轮轴26上（只有5度的推力分量），因此力输出相当平稳输出也更大，有更小的摩擦力损失；
五是因整个机构平直流畅，力的输出比较干净，可以优先使用模块化的设计，这样也会便于后续研发设计的展开，也增加了发动机在行业的运用范围。
3、本发明活塞式发动机与传统的往复活塞式发动机比较，只是以齿轮齿条传动取代了传统的曲轴机构，其他如活塞、进排气、润滑冷却及外设都相同，所以可以与现在公开的技术共用相同零件与设计，这样能让本专利在现有技术及相应工厂的支持下快速生产出成品。
4、模块化的设计及生产
因为是左右两活塞在同一轴线上运动，带来了体积小，振动小，内部机构及外观平整，所以比较方便模块化的设计及生产，如缸体可以用铝材拉伸为型材截断成形，在产品稳定型之后必要时采用钢拉伸为型材截断成形，或是采用连续性铸造灰铁球铁再加工成形，以此提高生产率并降低成本。
因为外观的平顺特性，可以将发动机模块化设计及模块化使用，将两个分别为6缸的发动机本体通动齿轮啮合为12缸的发动机，其他部分如供油、冷却、发电、动力轮出等功能能够模块化的也设计到一下模块中。这样带来如下好处：体积小，安装方便，维修更换容易。
5、本发明可运用的行业非常广泛
小型汽柴油发电机；
摩托车车发动机：本专利采用一缸双活塞的模式比较适合用作麻托车的发动机，因为体积小外面平顺会使摩托车更精巧，产品造型更丰富。
航模发动机：本专利采用一缸双活塞的模式铝合金小尺寸的设计比较适合用作航模发动机，能提高推重比，获得更大行程或是更大载重。
汽车发动机：本专利的主要运用方向是汽车发动机，以更小的体积便宜小的重量，便低的成本来获得大量的运用，必要时采用两组共12活塞或是16活塞方式驱动，加上两组独立的控制系统，一组发动机死火时另一组仍工作，以解决因发动机故障导致的抛锚问题，不需要大推力时一组发动机工作一组休息，需要大推力时两组一同工作，以此获得更小的油耗及更大的推力。
航拍器材、低速无人机、直升机等的特殊运用：主要利用本专利的以下优点：体积小、重量轻、振动小、多模块化工作时的安全性高。 

Claims (6)

1.一种活塞式发动机，其特征在于，其包括一个缸体、一左缸盖、一右缸盖、若干个左活塞、若干个右活塞、若干条齿条套、若干个微动关节、一根齿轮轴、两根转向凸轮轴；
该缸体是一个长方体形，该缸体上沿长度方向开设有若干个平行的圆筒体，该缸体上沿宽度方向开设一个转轴通孔；
该左缸盖、右缸盖分别安装在该缸体的左端和右端；
该每个圆筒体中安装有一个安装在左端的上述左活塞和一个安装在右端的上述右活塞，该左活塞和右活塞都可以在该圆筒体之中滑动；
该左缸盖、左活塞和缸体之间形成一个左燃烧室，该右缸盖、右活塞和缸体之间形成一个右燃烧室；
该每一个圆筒体中安装有一条位于左活塞和右活塞之间的上述齿条套，该每一个齿条套包括相互平行的一个上齿条、一个下齿条；
每个圆筒体中安装有两个上述的微动关节，其中一个微动关节的一端通过转轴连接在该左活塞上，另一端通过转轴连接在该齿条套上，另一个微动关节的一端通过转轴连接在该右活塞上，另一端通过转轴连接在该齿条套上；
该齿轮轴安装在该缸体的转轴通孔中，该齿轮轴从该若干个齿条套的上齿条和下齿条之间穿过，该上齿条和下齿条之间的距离大于该齿轮轴的外径；
该两根转向凸轮轴安装在该缸体的转轴通孔中，并分别设于该齿轮轴的两侧边，该转向凸轮轴上安装有若干个凸轮；
该齿轮轴的一端安装有一个同步齿轮，该两根转向凸轮轴的同一端各安装有一个齿轮；
该同步齿轮和两侧的两个齿轮相互啮合，使该齿轮轴和两根转向凸轮轴旋转保持同步；
该两根转向凸轮轴上的凸轮旋转到上端，推动齿条套上行，使其下部的下齿条与齿轮轴啮合，同时左、右两个微动关节跃动到上部位置；
该两根转向凸轮轴上的凸轮旋转到下端，推动齿条套下行，使其上部的上齿条与齿轮轴啮合，同时左、右两个微动关节跃动到下部位置。
2.根据权利要求1所述的一种活塞式发动机，其特征在于：该转向凸轮轴上的若干个凸轮中，靠一端的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，和靠中间的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，以及靠另一端的至少一个凸轮的凸点所指向的方向，依次间隔有120度的角度。
3.根据权利要求1所述的一种活塞式发动机，其特征在于：该转轴通孔与该圆筒体方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种活塞式发动机，其特征在于：该左活塞、右活塞都和该缸体的内壁紧密配合不漏气，该左缸盖和右缸盖把该圆筒体紧密封闭起来。
5.根据权利要求1所述的一种活塞式发动机，其特征在于：该活塞式发动机还包括一惯性轮，该惯性轮安装在该齿轮轴的另一端，用于输出该齿轮轴旋转后所传递出来的动能。
6.根据权利要求1所述的一种活塞式发动机，其特征在于：该齿轮轴、上齿条和下齿条的齿形是斜齿、人字齿或棘齿。
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