CN107246319B - 凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机 - Google Patents

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Abstract

凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机，涉及燃气动力领域，属于多缸内燃机。本发明提供一种新型内燃机，活塞通过推杆和万向球组件作用于凸轮活齿架上，动力由凸轮活齿架经槽式两相摆盘活齿传动机构传给与端齿轮键联接的输出轴输出。凸轮活齿架将内燃机和凸轮活齿架摆盘机构合二为一，使内燃机无需再额外配备变速装置。并省去了曲轴连杆型内燃机中的曲轴连杆机构，内燃机中无偏心质量、各内力自动平衡，钢球活齿与左盖两相摆盘激波器、凸轮活齿架和端齿轮之间均为多齿啮合，所有气缸均轴向布置。故该内燃机结构简单紧凑、体积小、重合度大、承载力强，可广泛用于需大功率的领域，诸如小型发电机、直升机发动机、挖掘机、装甲车等。

Description

凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机
技术领域
本发明涉及燃气动力领域，更具体地说，是一种凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机。
背景技术
目前使用较普遍的内燃机是往复式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轴连杆机构，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陷：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。
另外，通常内燃机与变速装置是两个独立的机器，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：为克服现有往复式四冲程曲轴连杆型内燃机存在的上述缺陷，本发明提供一种结构简单紧凑、体积小、运转平稳、功率大、寿命长、效率高的高速四冲程内燃机——凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机，主要由气缸盖(1)、进气门(2)、排气门(3)、气缸(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、万向球组件(9)、端齿轮(10)、钢球活齿(11)、凸轮活齿架(12)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)、密封圈(15)、输出端轴承盖(16)、第一深沟球轴承(17)、保持架(18)、支撑钢球(19)、螺钉(20)、键(21)、气缸端轴承盖(22)、第二深沟球轴承(23)、万向钢球(24)、推力球轴承(25)及起动系统、配气系统、冷却系统、供油系统、润滑系统组成，其特征在于：用凸轮活齿架摆盘机构取代现有曲轴连杆型内燃机中的曲轴连杆机构，在凸轮活齿架(12)的右边设置八个气缸(4)，八个气缸(4)的顶端位于垂直于输出轴(14)的轴线的同一平面内，所有气缸(4)的轴心线都平行于输出轴(14)的轴线，并与输出轴(14)的轴线等距周向均布，八个活塞(7)分别放入八个气缸(4)中，活塞(7)的轴向左右往复直线运动经凸轮活齿架摆盘机构转变为输出轴(14)的旋转运动，凸轮活齿架(12)将内燃机和凸轮活齿架摆盘机构有机的融为一体，使内燃机无需再额外配备变速器；上述凸轮活齿架摆盘机构由万向球槽式四相凸轮机构和槽式两相摆盘活齿传动机构及支撑钢球(19)有机的组合而成；其中，万向球槽式四相凸轮机构由凸轮活齿架(12)、万向球组件(9)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、缸体(5)组成，推杆(6)的一端与活塞(7)固定联接，另一端通过螺纹联接装有万向球组件(9)，万向球组件(9)使推杆(6)与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮之间的联接为滚动摩擦联接，去掉了现有往复式内燃机中连杆与活塞及连杆与曲轴之间的铰链联接关系，从而可大大提高功率传递效率，弹簧(8)的一端与活塞(7)联接，另一端与缸体(5)的底部联接，弹簧(8)使推杆(6)上的万向球组件(9)始终与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮保持接触，凸轮活齿架(12)通过第二深沟球轴承(23)支撑于输出轴(14)上；槽式两相摆盘活齿传动机构由凸轮活齿架(12)、钢球活齿(11)、端齿轮(10)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)组成，其中左盖两相摆盘激波器(13)通过螺钉(20)与缸体(5)固定联接，左盖两相摆盘激波器(13)的左边是本发明内燃机的左边壳体，右端是槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器，即是说左盖两相摆盘激波器(13)将内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器合二为一，内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的两相摆盘激波器也可以分别制造后再刚性连接成一个整体；在左盖两相摆盘激波器(13)上激波器的外围和凸轮活齿架(12)的左端都沿周向开有圆形导槽，若干个支撑钢球(19)在该两圆形导槽中可周向滚动，这些支撑钢球(19)用以支撑凸轮活齿架(12)、承受万向钢球(24)作用在凸轮活齿架(12)上的轴向力；端齿轮(10)与输出轴(14)之间通过键(21)联接，输出轴(14)的两端通过一对第一深沟球轴承(17)和一个推力球轴承(25)分别支撑于左盖两相摆盘激波器(13)和缸体(5)中，推力球轴承(25)对输出轴(14)进行了轴向固定，输出轴(14)、端齿轮(10)、凸轮活齿架(12)和左盖两相摆盘激波器(13)四个零件的轴心线重合；凸轮活齿架(12)的内部开有Z11个与凸轮活齿架(12)的轴心线等距且周向均布的轴向通孔，Z11个钢球活齿(11)分别装在凸轮活齿架(12)的Z11个半径与钢球活齿(11)半径相同的轴向通孔内并可自由轴向运动，所以凸轮活齿架(12)的内部是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架，凸轮活齿架(12)既是万向球槽式四相凸轮机构中的凸轮又是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架；钢球活齿(11)的个数Z11和端齿轮(10)的齿数(或叫波数)Z10相差为2，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)同时保持啮合接触；在槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱面称为槽式两相摆盘活齿传动机构的分度圆柱面，也是端齿轮(10)的分度圆柱面和左盖两相摆盘激波器(13)的分度圆柱面，这些圆柱面的轴心线都与输出轴(14)的轴线重合；在左盖两相摆盘激波器(13)的右端面上和端齿轮(10)的左端面上均沿周向开有轴心对称周向均匀分布的导槽，该两轴心对称周向均匀分布的导槽分别是左盖两相摆盘激波器(13)的激波部分和端齿轮(10)的轮齿部分，该两轴心对称周向均匀分布的导槽是钢球活齿(11)随凸轮活齿架(12)转动并在凸轮活齿架(12)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，该两轴心对称周向均匀分布的导槽在轴截面内的形状都是圆弧，圆弧的半径与钢球活齿(11)的半径相同，该两轴心对称周向均匀分布的导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中左盖两相摆盘激波器(13)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数，而且左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数为2，而端齿轮(10)的左端导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(10)的齿数Z10，即是说左盖两相摆盘激波器(13)的右端是槽式两相凸轮，该槽式两相凸轮的轮廓在上述分度圆柱面上的形状是两个相同的轴向凸出部分，每个轴向凸出部分对应的圆心角为180°；八个气缸(4)的轴心线都在通过所有万向钢球中心的圆柱面上并沿周向均布；通过所有支撑钢球(19)的圆柱面与通过所有万向钢球中心的圆柱面重合；凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮是轴心对称周向均匀分布的圆筒形槽式四相凸轮，该四相凸轮的轮廓在通过所有万向钢球中心的圆柱面上的形状是四个相同的轴向凸出部分，每个凸出部分对应的圆心角为90°，该四相凸轮的导槽截面为半径与万向球组件(9)中的万向钢球(24)的半径相同的圆弧，可通过选取恰当的活塞(7)轴向运动规律来确定该四相凸轮的轴向轮廓曲线，以使内燃机得到最佳的动力性、经济性和排放指标；上述八个气缸(4)中任意两个相隔180°对称布置的活塞(7)工作状态同步，将工作状态同步的两个活塞(7)作为一组，四组活塞(7)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(4)相差一个冲程，对应于凸轮活齿架(12)转角的相位差为45°；活塞(7)通过推杆(6)的轴向直线往复运动使得凸轮活齿架(12)旋转，凸轮活齿架(12)将动力经槽式两相摆盘活齿传动机构传给与端齿轮(10)键联接的输出轴(14)，最后动力由输出轴(14)输出。
上述槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)均为多齿啮合，且接触面积大，故可实现大功率传动。
本发明内燃机其他未提及的地方均采用现有技术。
与已有技术相比本发明的主要发明点在于：
①用凸轮活齿架摆盘机构取代现有曲轴连杆型内燃机中的曲轴连杆机构，将活齿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，而且活塞的轴向左右往复直线运动经凸轮活齿架摆盘机构转变为输出轴的旋转运动，凸轮活齿架将内燃机和凸轮活齿架摆盘机构有机的融为一体，使内燃机与变速装置(变速器)合二为一，得到了一种结构紧凑、小巧的新型大功率动力机器，气缸轴向布置的设计使内燃机径向尺寸大大减小。
②上述凸轮活齿架摆盘机构由万向球槽式四相凸轮机构和槽式两相摆盘活齿传动机构及支撑钢球有机的组合而成；其中，万向球槽式四相凸轮机构由凸轮活齿架、万向球组件、推杆、活塞、弹簧、缸体组成，推杆的一端与活塞固定联接，另一端通过螺纹联接装有万向球组件，万向球组件使推杆与凸轮活齿架的外部右端槽式四相凸轮之间的联接为滚动摩擦联接，去掉了现有往复式内燃机中连杆与活塞及连杆与曲轴之间的铰链联接关系，从而可大大提高功率传递效率，弹簧的一端与活塞联接，另一端与缸体的底部联接，弹簧使推杆上的万向球组件始终与凸轮活齿架的外部右端槽式四相凸轮保持接触，凸轮活齿架通过第二深沟球轴承支撑于输出轴上；槽式两相摆盘活齿传动机构由凸轮活齿架、钢球活齿、端齿轮、左盖两相摆盘激波器、输出轴组成，其中左盖两相摆盘激波器通过螺钉与缸体固定联接，左盖两相摆盘激波器的左边是本发明内燃机的左边壳体，右端是槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器，即是说左盖两相摆盘激波器将内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器合二为一，内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的两相摆盘激波器也可以分别制造后再刚性连接成一个整体；在左盖两相摆盘激波器上激波器的外围和凸轮活齿架的左端都沿周向开有圆形导槽，若干个支撑钢球在该两圆形导槽中可周向滚动，这些支撑钢球用以支撑凸轮活齿架、承受万向钢球作用在凸轮活齿架上的轴向力；端齿轮与输出轴之间通过键联接，输出轴的两端通过一对第一深沟球轴承和一个推力球轴承分别支撑于左盖两相摆盘激波器(13)和缸体中，推力球轴承对输出轴进行了轴向固定，输出轴、端齿轮、凸轮活齿架和左盖两相摆盘激波器四个零件的轴心线重合；凸轮活齿架的内部开有Z11个与凸轮活齿架的轴心线等距且周向均布的轴向通孔，Z11个钢球活齿分别装在凸轮活齿架的Z11个半径与钢球活齿半径相同的轴向通孔内并可自由轴向运动，所以凸轮活齿架的内部是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架，凸轮活齿架既是万向球槽式四相凸轮机构中的凸轮又是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架；钢球活齿的个数Z11和端齿轮的齿数(或叫波数)Z10相差为2，钢球活齿与左盖两相摆盘激波器、端齿轮和凸轮活齿架同时保持啮合接触；在槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱面称为槽式两相摆盘活齿传动机构的分度圆柱面，也是端齿轮的分度圆柱面和左盖两相摆盘激波器的分度圆柱面，这些圆柱面的轴心线都与输出轴的轴线重合；在左盖两相摆盘激波器的右端面上和端齿轮的左端面上均沿周向开有轴心对称周向均匀分布的导槽，该两轴心对称周向均匀分布的导槽分别是左盖两相摆盘激波器的激波部分和端齿轮的轮齿部分，该两轴心对称周向均匀分布的导槽是钢球活齿随凸轮活齿架转动并在凸轮活齿架的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，该两轴心对称周向均匀分布的导槽在轴截面内的形状都是圆弧，圆弧的半径与钢球活齿的半径相同，该两轴心对称周向均匀分布的导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中左盖两相摆盘激波器的导槽轨迹的余弦函数周期数等于左盖两相摆盘激波器的波幅数，而且左盖两相摆盘激波器的波幅数为2，而端齿轮的左端导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮的齿数Z10，即是说左盖两相摆盘激波器的右端是槽式两相凸轮，该槽式两相凸轮的轮廓在上述分度圆柱面上的形状是两个相同的轴向凸出部分，每个轴向凸出部分对应的圆心角为180°；八个气缸的轴心线都在通过所有万向钢球中心的圆柱面上并沿周向均布；通过所有支撑钢球的圆柱面与通过所有万向钢球中心的圆柱面重合；凸轮活齿架的外部右端槽式四相凸轮是轴心对称周向均匀分布的圆筒形槽式四相凸轮，该四相凸轮的轮廓在通过所有万向钢球中心的圆柱面上的形状是四个相同的轴向凸出部分，每个凸出部分对应的圆心角为90°，该四相凸轮的导槽截面为半径与万向球组件中的万向钢球的半径相同的圆弧，可通过选取恰当的活塞轴向运动规律来确定该四相凸轮的轴向轮廓曲线，以使内燃机得到最佳的动力性、经济性和排放指标。
③上述八个气缸中任意两个相隔180°对称布置的活塞工作状态同步，将工作状态同步的两个活塞作为一组，四组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，相邻两组气缸相差一个冲程，对应于凸轮活齿架转角的相位差为45°；活塞通过推杆的轴向直线往复运动使得凸轮活齿架旋转，凸轮活齿架将动力经槽式两相摆盘活齿传动机构传给与端齿轮键联接的输出轴，最后动力由输出轴输出。
④上述槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿与左盖两相摆盘激波器、端齿轮和凸轮活齿架均为多齿啮合，且接触面积大，故可实现大功率传动。
本发明与现有往复式四冲程曲轴连杆型内燃机相比，具有以下有益的技术效果：
1.振动小、噪声小、运转平稳由于本发明内燃机采用凸轮活齿架摆盘机构取代了现有曲轴连杆型内燃机中的曲轴连杆机构，彻底取消了曲轴和连杆，万向球槽式四相凸轮机构和槽式两相摆盘活齿传动机构都是轴对称及中心对称结构，没有偏心质量和不平衡力，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，而且运转平稳。本发明内燃机的八个气缸均为轴向放置，沿周向均匀分布，其中任意两个相隔180°对称布置的活塞工作状态同步，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，端齿轮受力均衡，内燃机运转平稳。用支撑钢球支撑凸轮活齿架、承受万向钢球作用在凸轮活齿架上的轴向力，不仅可以提高凸轮活齿架的强度和刚度，而且还可使凸轮活齿架运动平稳。
2.结构紧凑、体积小、重量轻本发明内燃机采用轴向布置气缸的设计，显著地减小了整机的径向尺寸；取消笨重复杂的曲轴连杆机构，代之以结构紧凑的凸轮活齿架摆盘机构，该机构将内燃机与变速装置(增速器)合二为一，无需另配增速装置，结构大幅缩减，并且槽式两相摆盘活齿传动机构的轴向尺寸小。故本发明内燃机结构紧凑、体积小、重量轻。
3.大传动比、高速输出本发明内燃机的动力输出轴与端齿轮固联，槽式两相摆盘活齿传动机构以凸轮活齿架输入动力，左盖两相摆盘激波器固定，端齿轮输出，输出轴转速取决于槽式两相摆盘活齿传动机构的传动比，而适当选择槽式两相摆盘活齿传动机构的配齿方案，可以实现较大的传动比，而且仍然保持结构紧凑、质量小、体积小等诸多优点。内燃机高速输出动力，这种特性广泛应用于需高速转速的领域，诸如小型发电机、直升机发动机等，输出转速一定时，可减少有害气体的排放，达到节能减排的目的。
4.摩擦磨损小、油耗低、效率高、寿命长本发明内燃机中，万向球组件与凸轮活齿架之间、凸轮活齿架与左盖两相摆盘激波器之间、钢球活齿与左盖两相摆盘激波器以及端齿轮之间均为滚动摩擦联接，取消了磨损严重、摩擦功耗大的曲轴连杆机构，传动效率高。槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿与左盖两相摆盘激波器、凸轮活齿架和端齿轮之间均为多齿啮合，且接触面积大，承载能力大，故可实现大功率传动。同时槽式两相摆盘活齿传动机构可以实现两相激波并保证其自身及其内部活齿的受力自动平衡，在传动装置中不存在一齿差活齿传动中需偏心安装凸轮而存在的惯性力、激振力和倾覆力矩等，从传动原理上避免了传动装置的振动激励，从而有利于提高传动的效率，机械摩擦磨损也较小，油耗低，内燃机寿命较长。
5.可优化性强左盖两相摆盘激波器和端齿轮上的槽式凸轮的导槽轨迹曲线方程均为余弦函数，且曲线方程形式简单一致，利于优化设计。由于活塞的运动规律完全取决于凸轮活齿架的导槽轨迹曲线，所以可通过选取恰当的活塞运动规律来设计凸轮活齿架上的四相凸轮轮廓，而恰当的活塞运动规律可使气缸中的气体燃烧充分、完善、燃料热能利用率高。
6.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，多采用钢球等通用性强、由专业厂商制造的标准零件，且万向球组件中的钢球活齿的半径与活齿架中的万向钢球的半径相同，故左盖两相摆盘激波器与端齿轮和凸轮活齿架外部右端三处槽式凸轮结构的导槽截面圆弧半径均相同，方便制造且降低成本。
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是凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机的结构示意图
图2是图1的A-A剖视图
图3是左盖两相摆盘激波器的结构示意图
图4是端齿轮的结构示意图
图5是凸轮活齿架的结构示意图
图6是万向球组件的结构示意图
图7是沿通过所有万向钢球中心的圆柱面的截面展开示意图
图8是槽式两相摆盘活齿传动机构的分度圆柱面截面展开示意图
图9是两相摆盘激波器的三维模型
图10是凸轮活齿架的沿通过所有万向钢球中心的圆柱面的截面示意图
图11是端齿轮的三维模型及导槽轨迹曲线图
图12是凸轮活齿架的三维模型
上述各附图中图识标号的标识对象是：1气缸盖；2进气门；3排气门；4气缸；5缸体；6推杆；7活塞；8弹簧；9万向球组件；10端齿轮；11钢球活齿；12凸轮活齿架；13左盖两相摆盘激波器；14输出轴；15密封圈；16输出端轴承盖；17第一深沟球轴承；18保持架；19支撑钢球；20螺钉；21键；22气缸端轴承盖；23第二深沟球轴承；24万向钢球；25推力球轴承。
具体实施方式
图1～图12所示凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机，主要由气缸盖(1)、进气门(2)、排气门(3)、气缸(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、万向球组件(9)、端齿轮(10)、钢球活齿(11)、凸轮活齿架(12)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)、密封圈(15)、输出端轴承盖(16)、第一深沟球轴承(17)、保持架(18)、支撑钢球(19)、螺钉(20)、键(21)、气缸端轴承盖(22)、第二深沟球轴承(23)、万向钢球(24)、推力球轴承(25)等组成，其特征在于：用凸轮活齿架摆盘机构取代现有曲轴连杆型内燃机中的曲轴连杆机构，在凸轮活齿架(12)的右边设置八个气缸(4)，八个气缸(4)的顶端位于垂直于输出轴(14)的轴线的同一平面内，所有气缸(4)的轴心线都平行于输出轴(14)的轴线，并与输出轴(14)的轴线等距周向均布，八个活塞(7)分别放入八个气缸(4)中，活塞(7)的轴向左右往复直线运动经凸轮活齿架摆盘机构转变为输出轴(14)的旋转运动，凸轮活齿架(12)将内燃机和凸轮活齿架摆盘机构有机的融为一体，使内燃机无需再额外配备变速器；上述凸轮活齿架摆盘机构由万向球槽式四相凸轮机构和槽式两相摆盘活齿传动机构及支撑钢球(19)有机的组合而成；其中，万向球槽式四相凸轮机构由凸轮活齿架(12)、万向球组件(9)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、缸体(5)组成，推杆(6)的一端与活塞(7)固定联接，另一端通过螺纹联接装有万向球组件(9)，万向球组件(9)使推杆(6)与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮之间的联接为滚动摩擦联接，去掉了现有往复式内燃机中连杆与活塞及连杆与曲轴之间的铰链联接关系，从而可大大提高功率传递效率，弹簧(8)的一端与活塞(7)联接，另一端与缸体(5)的底部联接，弹簧(8)使推杆(6)上的万向球组件(9)始终与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮保持接触，凸轮活齿架(12)通过第二深沟球轴承(23)支撑于输出轴(14)上；槽式两相摆盘活齿传动机构由凸轮活齿架(12)、钢球活齿(11)、端齿轮(10)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)组成，其中左盖两相摆盘激波器(13)通过螺钉(20)与缸体(5)固定联接，左盖两相摆盘激波器(13)的左边是本发明内燃机的左边壳体，右端是槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器，即是说左盖两相摆盘激波器(13)将内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器合二为一，内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的两相摆盘激波器也可以分别制造后再刚性连接成一个整体；在左盖两相摆盘激波器(13)上激波器的外围和凸轮活齿架(12)的左端都沿周向开有圆形导槽，若干个支撑钢球(19)在该两圆形导槽中可周向滚动，这些支撑钢球(19)用以支撑凸轮活齿架(12)、承受万向钢球(24)作用在凸轮活齿架(12)上的轴向力；端齿轮(10)与输出轴(14)之间通过键(21)联接，输出轴(14)的两端通过一对第一深沟球轴承(17)和一个推力球轴承(25)分别支撑于左盖两相摆盘激波器(13)和缸体(5)中，推力球轴承(25)对输出轴(14)进行了轴向固定，输出轴(14)、端齿轮(10)、凸轮活齿架(12)和左盖两相摆盘激波器(13)四个零件的轴心线重合；凸轮活齿架(12)的内部开有Z11个与凸轮活齿架(12)的轴心线等距且周向均布的轴向通孔，Z11个钢球活齿(11)分别装在凸轮活齿架(12)的Z11个半径与钢球活齿(11)半径相同的轴向通孔内并可自由轴向运动，所以凸轮活齿架(12)的内部是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架，凸轮活齿架(12)既是万向球槽式四相凸轮机构中的凸轮又是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架；钢球活齿(11)的个数Z11和端齿轮(10)的齿数(或叫波数)Z10相差为2，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)同时保持啮合接触；在槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱面称为槽式两相摆盘活齿传动机构的分度圆柱面，也是端齿轮(10)的分度圆柱面和左盖两相摆盘激波器(13)的分度圆柱面，这些圆柱面的轴心线都与输出轴(14)的轴线重合；在左盖两相摆盘激波器(13)的右端面上和端齿轮(10)的左端面上均沿周向开有轴心对称周向均匀分布的导槽，该两轴心对称周向均匀分布的导槽分别是左盖两相摆盘激波器(13)的激波部分和端齿轮(10)的轮齿部分，该两轴心对称周向均匀分布的导槽是钢球活齿(11)随凸轮活齿架(12)转动并在凸轮活齿架(12)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，该两轴心对称周向均匀分布的导槽在轴截面内的形状都是圆弧，圆弧的半径与钢球活齿(11)的半径相同，该两轴心对称周向均匀分布的导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中左盖两相摆盘激波器(13)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数，而且左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数为2，而端齿轮(10)的左端导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(10)的齿数Z10，即是说左盖两相摆盘激波器(13)的右端是槽式两相凸轮，该槽式两相凸轮的轮廓在上述分度圆柱面上的形状是两个相同的轴向凸出部分，每个轴向凸出部分对应的圆心角为180°；八个气缸(4)的轴心线都在通过所有万向钢球中心的圆柱面上并沿周向均布；通过所有支撑钢球(19)的圆柱面与通过所有万向钢球中心的圆柱面重合；凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮是轴心对称周向均匀分布的圆筒形槽式四相凸轮，该四相凸轮的轮廓在通过所有万向钢球中心的圆柱面上的形状是四个相同的轴向凸出部分，每个凸出部分对应的圆心角为90°，该四相凸轮的导槽截面为半径与万向球组件(9)中的万向钢球(24)的半径相同的圆弧，可通过选取恰当的活塞(7)轴向运动规律来确定该四相凸轮的轴向轮廓曲线，以使内燃机得到最佳的动力性、经济性和排放指标，本实施例按活塞(7)位移为正弦曲线的运动规律来确定该四相凸轮的轴向轮廓曲线；上述八个气缸(4)中任意两个相隔180°对称布置的活塞(7)工作状态同步，将工作状态同步的两个活塞(7)作为一组，四组活塞(7)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(4)相差一个冲程，对应于凸轮活齿架(12)转角的相位差为45°；活塞(7)通过推杆(6)的轴向直线往复运动使得凸轮活齿架(12)旋转，凸轮活齿架(12)将动力经槽式两相摆盘活齿传动机构传给与端齿轮(10)键联接的输出轴(14)，最后动力由输出轴(14)输出。
上述槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)均为多齿啮合，且接触面积大，故可实现大功率传动。
图9显示了左盖两相摆盘激波器(13)的槽式两相凸轮的形状，图12的中间图右侧及右边图表示凸轮活齿架(12)的圆筒形槽式四相凸轮的形状，图12的左边图表示了凸轮活齿架(12)上支撑钢球(19)的轨道；图10显示了凸轮活齿架(12)的沿通过所有万向钢球中心的圆柱面的截面示意图，上边的轮廓曲线由四段相同的轴向凸出曲线组成，每段凸出曲线对应的圆心角为90度。图11中的黑色曲线为钢球活齿(11)的几何中心在端齿轮(10)的分度圆柱面上的轨迹。
本发明所述内燃机的工作原理是：
当内燃机工作时，气体燃烧对气缸中的活塞(7)做功，其驱动力通过推杆(6)的直线往复运动作用于凸轮活齿架(12)上，万向球组件(9)在凸轮活齿架(12)右端的槽式四相凸轮轮廓曲面上运动，推动凸轮活齿架(12)逆时针旋转，动力由凸轮活齿架(12)经槽式两相摆盘活齿传动机构传给输出轴(14)输出；由于凸轮活齿架(12)的旋转，万向球组件(9)沿着凸轮活齿架(12)右端的槽式四相凸轮轮廓滚动从而通过推杆(6)使没有做功的活塞(7)在气缸(4)内滑动，完成吸气、压缩或排气的任务。
如图1、图2、图7所示，将八个气缸(4)及其各自对应的万向球组件(9)统一编号为a、b、c、d、e、f、g、h。在图1、图2、图7、图8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(4)a、e中的活塞(7)处于吸气冲程的开始位置，气缸(4)b、f中的活塞(7)处于压缩冲程的开始位置，气缸(4)c、g中的活塞(7)处于气体燃烧做功冲程的开始位置，气缸(4)d、h中的活塞(7)处于排气冲程的开始位置，相邻两组活塞(7)的冲程进程相差一个冲程，对应于凸轮活齿架(12)转角的相位差为45°。则凸轮活齿架(12)逆时针转过45°以后，气缸(4)b、f又开始燃烧做功，凸轮活齿架(12)再逆时针转过45°之后，气缸(4)a、e又开始燃烧做功，气缸(4)a、e燃烧做功完成以后接着是气缸(4)d、h开始燃烧做功，之后又轮到气缸(4)c、g燃烧做功，如此循环下去，使凸轮活齿架(12)连续平稳地运转，凸轮活齿架(12)等角速度旋转，推动钢球活齿(11)在凸轮活齿架(12)的轴向通孔中沿轴向运动，钢球活齿(11)在左盖两相摆盘激波器(13)的约束作用下与端齿轮(10)啮合，推动端齿轮(10)转动，然后由与端齿轮(10)键联接的输出轴(14)连续平稳地将动力和运动输出。
为说明本发明内燃机的变速特性，设端齿轮(10)的转速为n10，钢球活齿(11)的个数Z11＝8，端齿轮(10)的波数Z10＝10，凸轮活齿架(12)的转速为n12＝1500r/min。左盖两相摆盘激波器(13)固定(n13＝0)，则槽式两相摆盘活齿传动机构的传动比为：
故得输出轴(14)的转速n14＝n10＝1200r/min，可见，端齿轮(10)、输出轴(14)的转向与凸轮活齿架(12)相同，但转速小于凸轮活齿架(12)，内燃机减速输出动力。这种特性适合于大扭矩输出的场合，可广泛应用于需大功率机械传动的军事、工程机械等领域，诸如坦克、装甲车、挖掘机、推土机等。
若钢球活齿(11)的个数Z11＝12，凸轮活齿架(12)的转速和端齿轮的波数都不变，则：
得输出轴(14)的转速n14＝n10＝1800r/min，可见，端齿轮(10)、输出轴(14)的转向与凸轮活齿架(12)相同，但转速高于凸轮活齿架(12)，内燃机增速输出动力，可实现高速输出。这种特性适合于需要高转速领域，诸如小型发电机、直升机发动机等。
总之，当端齿轮(10)的齿数大于钢球活齿(11)的个数时，本发明内燃机可实现低速大扭矩输出；反可实现高转速输出。
本实施例的内燃机还设置有起动系统、配气系统、润滑系统、供油系统和冷却系统等。

Claims (2)

1.凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机，主要由气缸盖(1)、进气门(2)、排气门(3)、气缸(4)、缸体(5)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、万向球组件(9)、端齿轮(10)、钢球活齿(11)、凸轮活齿架(12)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)、密封圈(15)、输出端轴承盖(16)、第一深沟球轴承(17)、保持架(18)、支撑钢球(19)、螺钉(20)、键(21)、气缸端轴承盖(22)、第二深沟球轴承(23)、万向钢球(24)、推力球轴承(25)及起动系统、配气系统、冷却系统、供油系统、润滑系统组成，其特征在于：在凸轮活齿架(12)的右边设置八个气缸(4)，八个气缸(4)的顶端位于垂直于输出轴(14)的轴线的同一平面内，所有气缸(4)的轴心线都平行于输出轴(14)的轴线，并与输出轴(14)的轴线等距周向均布，八个活塞(7)分别放入八个气缸(4)中，活塞(7)的轴向左右往复直线运动经凸轮活齿架摆盘机构转变为输出轴(14)的旋转运动，凸轮活齿架(12)将内燃机和凸轮活齿架摆盘机构有机的融为一体，使内燃机无需再额外配备变速器；上述凸轮活齿架摆盘机构由万向球槽式四相凸轮机构和槽式两相摆盘活齿传动机构及支撑钢球(19)有机的组合而成；其中，万向球槽式四相凸轮机构由凸轮活齿架(12)、万向球组件(9)、推杆(6)、活塞(7)、弹簧(8)、缸体(5)组成，推杆(6)的一端与活塞(7)固定联接，另一端通过螺纹联接装有万向球组件(9)，万向球组件(9)使推杆(6)与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮之间的联接为滚动摩擦联接，弹簧(8)的一端与活塞(7)联接，另一端与缸体(5)的底部联接，弹簧(8)使推杆(6)上的万向球组件(9)始终与凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮保持接触，凸轮活齿架(12)通过第二深沟球轴承(23)支撑于输出轴(14)上；槽式两相摆盘活齿传动机构由凸轮活齿架(12)、钢球活齿(11)、端齿轮(10)、左盖两相摆盘激波器(13)、输出轴(14)组成，其中左盖两相摆盘激波器(13)通过螺钉(20)与缸体(5)固定联接，左盖两相摆盘激波器(13)的左边是本发明内燃机的左边壳体，右端是槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器，即是说左盖两相摆盘激波器(13)将内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的激波器合二为一，内燃机的左边壳体和槽式两相摆盘活齿传动机构的两相摆盘激波器也可以分别制造后再刚性连接成一个整体；在左盖两相摆盘激波器(13)上激波器的外围和凸轮活齿架(12)的左端都沿周向开有圆形导槽，若干个支撑钢球(19)在该两圆形导槽中可周向滚动，这些支撑钢球(19)用以支撑凸轮活齿架(12)、承受万向钢球(24)作用在凸轮活齿架(12)上的轴向力；端齿轮(10)与输出轴(14)之间通过键(21)联接，输出轴(14)的两端通过一对第一深沟球轴承(17)和一个推力球轴承(25)分别支撑于左盖两相摆盘激波器(13)和缸体(5)中，推力球轴承(25)对输出轴(14)进行了轴向固定，输出轴(14)、端齿轮(10)、凸轮活齿架(12)和左盖两相摆盘激波器(13)四个零件的轴心线重合；凸轮活齿架(12)的内部开有Z11个与凸轮活齿架(12)的轴心线等距且周向均布的轴向通孔，Z11个钢球活齿(11)分别装在凸轮活齿架(12)的Z11个半径与钢球活齿(11)半径相同的轴向通孔内并可自由轴向运动，所以凸轮活齿架(12)的内部是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架，凸轮活齿架(12)既是万向球槽式四相凸轮机构中的凸轮又是槽式两相摆盘活齿传动机构的活齿架；钢球活齿(11)的个数Z11和端齿轮(10)的齿数(或叫波数)Z10相差为2，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)同时保持啮合接触；在槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)几何中心的轨迹是一圆柱面曲线，该曲线所在的圆柱面称为槽式两相摆盘活齿传动机构的分度圆柱面，也是端齿轮(10)的分度圆柱面和左盖两相摆盘激波器(13)的分度圆柱面，这些圆柱面的轴心线都与输出轴(14)的轴线重合；在左盖两相摆盘激波器(13)的右端面上和端齿轮(10)的左端面上均沿周向开有轴心对称周向均匀分布的导槽，该两轴心对称周向均匀分布的导槽分别是左盖两相摆盘激波器(13)的激波部分和端齿轮(10)的轮齿部分，该两轴心对称周向均匀分布的导槽是钢球活齿(11)随凸轮活齿架(12)转动并在凸轮活齿架(12)的轴向通孔中运动时所处一系列位置的包络曲面，该两轴心对称周向均匀分布的导槽在轴截面内的形状都是圆弧，圆弧的半径与钢球活齿(11)的半径相同，该两轴心对称周向均匀分布的导槽的轨迹是余弦函数曲线沿圆柱面的分布，其中左盖两相摆盘激波器(13)的导槽轨迹的余弦函数周期数等于左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数，而且左盖两相摆盘激波器(13)的波幅数为2，而端齿轮(10)的左端导槽轨迹的余弦函数周期数等于端齿轮(10)的齿数Z10，即是说左盖两相摆盘激波器(13)的右端是槽式两相凸轮，该槽式两相凸轮的轮廓在上述分度圆柱面上的形状是两个相同的轴向凸出部分，每个轴向凸出部分对应的圆心角为180°；八个气缸(4)的轴心线都在通过所有万向钢球中心的圆柱面上并沿周向均布；通过所有支撑钢球(19)的圆柱面与通过所有万向钢球中心的圆柱面重合；凸轮活齿架(12)的外部右端槽式四相凸轮是轴心对称周向均匀分布的圆筒形槽式四相凸轮，该四相凸轮的轮廓在通过所有万向钢球中心的圆柱面上的形状是四个相同的轴向凸出部分，每个凸出部分对应的圆心角为90°，该四相凸轮的导槽截面为半径与万向球组件(9)中的万向钢球(24)的半径相同的圆弧，可通过选取恰当的活塞(7)轴向运动规律来确定该四相凸轮的轴向轮廓曲线，以使内燃机得到最佳的动力性、经济性和排放指标；上述八个气缸(4)中任意两个相隔180°对称布置的活塞(7)工作状态同步，将工作状态同步的两个活塞(7)作为一组，四组活塞(7)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(4)相差一个冲程，对应于凸轮活齿架(12)转角的相位差为45°；活塞(7)通过推杆(6)的轴向直线往复运动使得凸轮活齿架(12)旋转，凸轮活齿架(12)将动力经槽式两相摆盘活齿传动机构传给与端齿轮(10)键联接的输出轴(14)，最后动力由输出轴(14)输出。
2.根根据权利要求1所述的凸轮活齿架端齿轮输出式内燃机，其特征在于：上述槽式两相摆盘活齿传动机构中，钢球活齿(11)与左盖两相摆盘激波器(13)、端齿轮(10)和凸轮活齿架(12)均为多齿啮合。
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