CN1177132C - 扇齿发动机 - Google Patents

扇齿发动机

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    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/047—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft with rack and pinion

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Abstract

一种扇齿发动机，其特征是：利用齿条扇形齿轮机构实现活塞往复运动到扇形齿轮转动的转换，由扇形齿轮同时实现齿条正方向啮合，负方向不啮合的功能。由分布在中心轴切向的四个汽缸依次作功，由油缸连动机构实现各汽缸的完整工作循环。由滚动花键实现齿条的导向。这种发动机具有传动效率高，节能，传动平稳，振动、噪声小，结构紧凑，重量小的优点。

Description

扇齿发动机
技术领域
本发明涉及机械工程领域的内燃机发动机，具体是一种汽车用扇形齿轮发动机。
背景技术
内燃机是广泛应用于各种需要移动的机械或运输机械，目前的内燃机主要采用曲柄连杆机构将活塞的移动转换为转动，这种往复式机构存在着活塞有侧压力，传动力矩变化大，径向推力大，有死点，还存在很大的滑动摩擦损耗，因此，它的机械效率只有0.8，消耗了大量的能源。国内外五六十年代曾研究过旋转活塞发动机，由于密封和材料问题未能解决，至今仍停留的研究阶段。国外也在研究将燃气轮机用于汽车，但因功率较小，传动效率亦很低。因此，至今国内外在汽车领域，仍仅使用曲柄连杆式发动机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种由齿条扇形齿轮机构实现往复直线运动到连续转动的发动机。齿条齿轮机构能够将直线运动转换为转动，它具有很高的传动效率，其机械效率达0.98，且具有恒定的传动比，使机构工作较为平稳。扇形齿轮可以滤去齿条的负半波，从而将往复直线运动转换为连续同向转动。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案包括主机，起动机，发电机，机油泵，化油器，点火器，其特征在于：
(1)汽缸的布局，在发动机的中心轴上布置有两个扇形齿轮，每个扇形齿轮的两边布置有两个汽缸，I和II，III和IV，每个汽缸完成一个行程的驱动。
(2)齿条扇形齿轮机构，由与活塞固定的齿条和固定在中心轴上的扇形齿轮构成；利用齿条齿轮机构实现活塞直线移动到齿轮轴转动的转换，为使齿条回程时，齿条不将回程运动传给齿轮，而将齿轮作成扇形齿轮。这样，活塞一直在作往复移动，而只将正向移动传给中心轴转动。
(3)中心轴连续转动，在扇形齿轮的节园切线方向分布有4个汽缸，依次爆炸，依次驱动扇形齿轮实现0～180°，180°～360°，360～540°，540°～720°的连续转动。完成汽缸工作的4个完整行程。
(4)连动机构，每对汽缸I和II，III和IV的活塞各通过一对油缸带动，其中，每对油缸通过油管连通，每对油缸通过其活塞杆分别与其对应的汽缸上的齿条连接，在齿条直线运动的同时，通过油缸带动另一个汽缸齿条复位；同时，带两个扇形齿轮的轴又可使汽缸I和III，II和IV连动，当一个汽缸作功时，其它汽缸依次完成排气、吸气、压缩行程。
(5)凸轮轴传动机构，由中心轴上安装的一对1∶2的螺旋齿轮和由其带动的凸轮轴及其凸轮构成。凸轮轴转一周为一个整工作循环，由其上的圆柱凸轮带动摇杆控制各气阀的开闭。由一个圆柱凸轮控制两个汽缸，即I和III，II和IV的工作。
(6)滚动花键导向机构，采用滚动花键完成活塞、活塞杆及齿条的导向，采用非整周滚动花键，以保证减小活塞与汽缸的摩擦，减少活塞长度，保证齿条齿轮的正确啮合。
本发明的技术效果，由于齿条齿轮传动的传动效率很高，其传动效率可达0.98；因此，本发动机较现有曲柄连杆发动机，可节能10个百分点。另外，活塞不受侧向推力，只受纯轴向力，故可以减小活塞长度，降低活塞与汽缸的摩擦损耗，增长汽缸套和活塞的寿命；由于转换机构输出的旋转运动与活塞直线运动成正比，且在同样的输出转速时，活塞往复运动约慢一倍，因此，输出运动平稳，振动小，动力性能好。由于可不用滑动轴承，输出轴两端为滚动轴承，也改善了机器的性能。发动机体积小，重量轻。
附图说明
图1，齿条扇形齿轮机构示意图；
图2，中心轴连续转动机构示意图；
图3，四缸发动机工作循环示意图；
图4，连动机构示意图；
图5，发动机总体布局示意图；
图6，滚动花键导向机构的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的具体的实施方式作进一步说明。
图1为齿条扇形齿轮机构，当汽缸1的活塞2向右作功时，活塞杆3向右移动，活塞杆由滚动花键副4导向，齿条3与活塞杆作成整体，这样，齿条向右移动时，经过齿条齿轮机构带动扇形齿轮5转动，向外作功。扇形齿轮只有180°有齿与齿条啮合，故齿条向右移动，使扇形齿轮转过180°后，扇形齿轮与齿条脱离，这时，齿条在连动机构油缸的推动下向左返回，不影响扇形齿轮继续转动。
图2为中心轴连续转动机构，扇形齿轮5安装在中心轴上，由它转动向外作功。当第I汽缸的齿条3向下移动，可带动扇形齿轮5即中心轴逆时针转过180°，此时，扇形齿轮5一方面与第I汽缸的齿条3，另一方面，又开始与第II汽缸的齿条8啮合，第II汽缸的活塞向上作功，推动扇形齿轮继续由180°转到360°，即一整转。
图3表示四缸发动机的工作循环，其中图3a示第I汽缸作功，齿条3向下移动，带动扇形齿轮5逆时针转过0～180°，图3b示第II汽缸作功，齿条8向上移动，带动扇形齿轮[5]逆时针转过180°～360°，即一整转。中心轴6的轴线是垂直纸面的，在中心轴上还有一套同样的扇形齿轮和汽缸。图3c示第III汽缸作功，带动第二个扇形齿轮逆时针转过360°～540°，图3d示第IV汽缸作功，带动第二个扇形齿轮逆时针转过540°～720°，即两个整转，完成四行程的工作循环。
图4所示的齿条的连动机构由油缸15，16，17油管18，油缸19、20、21组成，它的一端固定在汽缸I的齿条3上，另一端固定在汽缸II的齿条8上，由于油的不可压缩性，因此，可使两个齿条作同步移动。汽缸III和IV的齿条亦用同一方法连动。
图5为发动机的总体布局，由于两个扇形齿轮5和7均固定在中心轴6上，同时与汽缸I和汽缸III的齿条啮合，因此，中心轴转动时，汽缸I和汽缸III的齿条将同步移动。
连动机构的目的，是实现各汽缸的作功，排气，吸气，压气4个行程，表1列出了四个汽缸的四个行程循环图。
表1
  行程  中心轴转角    I缸    II缸    III缸   IV缸
 第1行程 0°～180° ↓作功 ↓压气 ↓吸气 ↓排气
 第2行程 180°～360° ↑排气 ↑作功 ↑压气 ↑吸气
 第3行程 360°～540° ↓吸气 ↓排气 ↓作功 ↓压气
 第4行程 540°～720° ↑压气 ↑吸气 ↑排气 ↑作功
在图5中，汽缸I、II相对排列，汽缸I、III同向排列，两个扇形齿轮5和7同相位固定在中心轴6上，由一对1∶2的螺旋齿轮14带动凸轮轴13转动，在凸轮轴上固定有圆柱凸轮12，经摇杆10带动气阀工作。
图6所示的滚动花键由花键套24、钢球23、齿条22组成，实现齿条轴向及圆周定位，运动灵活，效率高。

Claims (3)

1.一种扇齿发动机，包括主机，起动机，发电机，机油泵，化油器，点火器，排气机构；其特征在于：
(1)、汽缸的布局：在发动机的中心轴上布置有两个扇形齿轮，每个扇形齿轮的两边布置有两个汽缸(I和II，III和IV)，每个汽缸完成一个行程的驱动；
(2)、齿条扇形齿轮机构：由与活塞固定的齿条和固定在中心轴上的扇形齿轮构成，由其实现活塞直线移动到扇形齿轮轴转动的转换，齿轮作成扇形齿轮，使活塞一直在作往复移动，而只将正向移动传给中心轴转动；
(3)中心轴连续转动，在扇形齿轮的节园切线方向分布有4个汽缸，依次爆炸，依次驱动扇形齿轮实现0～180°，180°～360°，360～540°，540°～720°的连续转动，完成汽缸工作的4个完整行程；
(4)连动机构：每对汽缸(I和II，III和IV)的活塞各通过一对油缸带动，其中，每对油缸通过油管连通，每对油缸通过其活塞杆分别与其对应的汽缸上的齿条连接，在齿条直线运动的同时，通过油缸带动另一个汽缸齿条复位；同时，带两个扇形齿轮的轴又可使汽缸I和III，II和IV连动，当一个汽缸作功时，其它汽缸依次完成排气、吸气、压缩行程。
2、根据权利要求1所述的扇齿发动机，其特征是：排气机构为凸轮轴传动机构，由中心轴上安装的一对1∶2的螺旋齿轮和由其带动的凸轮轴及其凸轮构成，由其上的圆柱凸轮带动摇杆(10)控制各汽缸气阀的开闭。
3、根据权利要求1所述的扇齿发动机，其特征是：采用非整周滚动花键完成活塞，活塞杆及齿条的导向；该滚动花键导向机构由花键套(24)、钢球(23)、齿条(22)组成，其中滚动花键为非整周花键。
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