CN1487179A - 往复曲柄连杆运动的新型传动轮 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于往复运动的曲柄连杆机构的传动轮，或相当于往复、曲柄连杆运动的传动轮，其形状为非圆形轮及偏心轮，与圆形传动轮相比增加了曲柄在作功行程中力矩的输出，同时廷长了发动机作功行程的时间，使二冲程发动机达到或超过1/2工作周期，四冲程发动机达到或超过1/4工作周期，提高发动机的工作效率，对一些相当于往复、曲柄连杆运动的自行车、三轮车等也同样有效。还可以改变滑块曲柄连杆机构中，滑块往复运动的速度。

Description

往复曲柄连杆运动的新型传动轮

本发明是一种适用于往复运动的曲柄连杆机构的传动轮，或相当于往复、曲柄连杆运动的传动轮。还可以是滑块曲柄连杆机构的传动轮。

当前往复式曲柄连杆机构，曲轴的转矩输出是采用圆形传动轮传动，如手扶拖拉机上的皮带轮、摩托车曲轴上的链轮或齿轮，汽车也是如此。现假设往复运动，它的推力从起点到终点是一恒力，使负载克服阻力作匀速运动，这时曲柄也在作匀速转动。当曲柄在作功行程中90°附近时力矩最大，越接近0°及180°时力矩越小。另外根据目前往复式曲柄连杆机构的工作原理可以看到，二冲程发动机作功时间小于1/2工作周期，四冲程发动机作功时间小于1/4工作周期，自行车也是如此(以自行车单独一只曲柄工作周期分析也小于1/2)。

本发明所提供的是：①在与上面所述假设条件相同的情况下，曲柄连杆在作功行程中，缩短曲柄工作在0°和180°附近，也就是相当于发动机活塞运行的上止点及下止点附近的工作时间，延长曲柄工作在90°附近的工作时间，使在0°和180°附近的曲柄旋转角速度大于90°附近的旋转角速度。曾加了0°-180°的力矩输出。②在同一运行周期，负载作匀速运动时，缩短二冲程发动机压缩行程或四冲程发动机排气及压缩行程的时间，延长二冲程发动机作功行程或四冲程发动机进气及作功行程的时间，使二冲程发动机作功时间达到或超过1/2工作周期，四冲程发动机作功时间达到或超过1/4工作周期。提高效率，同时降低活塞在作功行程中的线速度。

本发明可以由一个椭圆形(包括椭圆卵形)传动轮或偏心传动轮来完成：也可以是一个椭圆形齿轮(包括椭圆卵形齿轮)和一个非圆齿轮共轭或一个偏心齿轮和一个非圆齿轮共轭来完成。现以自行车(其相当于往复、曲柄连杆运动)为例：我们可以把大腿的上下运动看做活塞的往复运动，把小腿及脚看做连杆，而自行车的曲柄看做曲柄，把与曲柄相连的链轮看成传动轮。我们用两个链轮来分析，曲柄上的链轮为主动轮是椭圆形的，后轮上的飞轮为被动轮是圆形的，它们之间用链条相连。我们假设负载(车轮)在力的作用下克服阻力作匀速运动，因被动轮是圆形的，在这种情况下，每单位时间所传递的弧长是相等的，其旋转的角速度也处处相等。而主动轮为椭圆形的，其半径长的地方相对应的弧长也长，半径短的地方其弧长也短。我们可以看到，因为负载作匀速运动，通过被动轮(圆形的)和链条，单位时间传递给主动轮(椭圆形的)的弧长是一个定量，这样可以看到主动轮在半径短的地方转速快，半径长的地方转速慢，其旋转一周有两个相同的周期，它们相差180°，半径短的地方角速度大于半径长的地方。我们把半径最短的地方称为短半径，半径最长的地方称为长半径(为方便起见这里我们暂且把所有的非圆形轮及偏心轮的轴心到弧顶的距离称为半径)，只要将短半径放在力矩输出最小的位置附近，也就是相当于活塞的上止点及下止点附近，长半径放在力矩输出最大的位置附近，因短半径与长半径相差90°，基本能够吻合，这样就实现在链条传动的情况下，曲柄在0°和180°附近的旋转速度大于90°附近的旋转速度，实现目标①。以上说明的是链传动，因皮带轮和链轮基本相同，就不再说明。在齿轮传动中，可以用一个椭圆形齿轮或根据需要变形后的椭圆卵形齿轮，和一个非圆齿轮共轭来完成。现以一组椭圆形齿轮为例：两只相同的椭圆形齿轮A、B将其短半径与长半径相啮合，设齿轮A为主动轮，齿轮B为被动轮与负载相连，并在齿轮A的作用下克服负载阻力做匀速转动，因为同样是弧长的传递，当齿轮A短半径与齿轮B的长半径相啮合时，此时齿轮A转速为最快，随着齿轮转动，啮合处齿轮A的半径变长，齿轮B的半径变短，齿轮A转速逐渐下降，直至齿轮A的长半径与齿轮B的短半径相啮合，此时齿轮A的转速最慢，继续转动，齿轮A转速逐渐上升直至最快，这时就完成了一个周期180°。可以看到当转动一周就可产生比单个椭圆更加椭圆的传动效果。在相同的推力情况下只要将齿轮A转速最快的位置放在相当于活塞的上止点附近，也就是曲柄在作功行程中的0°位置附近，这时曲柄旋转速度最快，过0°后旋转速度不断下降，至90°附近时旋转速度最慢，过90°后旋转速度加快，到180°完成曲柄的一个作功周期，这样就可实现输出力矩∑_椭大于∑_圆，实现目标①。

如何延长往复式曲柄连杆机构中作功行程的时间，现以一个偏心齿轮与一个非圆齿轮共轭的齿轮组合为例：偏心齿轮为主动齿轮A，非圆齿轮为被动齿轮B与负载相连。齿轮B在齿轮A的作用下克服负载阻力作匀速转动。原理同上，当偏心齿轮A在短半径处啮合时，其旋转速度最快，长半径处啮合时旋转速度最慢，转动一周360°只有一个周期。将转速最慢的地方偏心轮长半径侧，放在往复运动或相当于往复运动的作功行程的上止点与下止点之间，也就是将偏心轮转动周期中最慢的180°置于作功行程中，延长了作功时间这样就可实现目标②。同样我们知道椭圆轮转动一周有二个相同的周期，每个周期为180°，只要将发动机的转速和椭圆轮的转速通过变速调整到2∶1，发动机转2圈椭圆轮转1圈，这样发动机转动一周360°，相对应的椭圆轮只转动180°，只有一个周期。现只要将椭圆的周期转动45°，这样在新的周期中就形成椭圆轮转动最快的90°和最慢的90°，方法同偏心轮一样，将椭圆轮最慢的90°放在作功行程中(椭圆轮转90°，发动机转180°等于作功行程)，这样椭圆轮同样可以实现目标②。以上的例子可以看出实现目标②的同时并不影响目标①的实现，因为偏心轮与椭圆轮在作功周期中，长半径都处在上止点与下止点之间，在曲柄作功时的90°附近，这时曲柄旋转速度最慢。另外如发动机采用偏心链轮或偏心皮带轮，需要有张紧轮，使链条或皮带不会松弛，保持平稳运行。对于椭圆形的也是如此，而且宜较小的偏心与椭圆。现对自行车或与自行车有着同样的工作原理，同样的工作方式的传动轮，采用偏心链轮或偏心齿轮进行说明。偏心链轮作功行程同样在长半径侧，非作功行程在短半径侧。非作功行程需有一辅助动力施加在曲柄或曲轴上，使曲柄在短半径侧回到作功的起始位置完成其工作周期。采用偏心齿轮时，将两曲柄看作两个独立的传动机构，各有一组偏心齿轮组合(偏心齿轮及与其共轭的非圆齿轮)，共同作用在同一根传动轴上，轴上的链轮与负载相连。两曲柄工作周期相差约180°，一只曲柄在长半径侧作功的同时，通过传动轴及齿轮组合将另一只曲柄在短半径侧送回到作功的起始位置，使曲柄能继续转动。前面说明是以椭圆轮、偏心轮来举例，但通常情况下椭圆形并不一定是最终形状，是要根据各自工作原理和工作状态来决定，如发动机在其作功行程的前期活塞压力最大，这就需要椭圆的长半径适当超前。又如自行车曲柄在力和椭圆的共同作用下，在后半段实际为加速运动，受力情况不佳有踏空的感觉，这就需要椭圆的长半径适当的滞后，有的需要椭圆长半径向前后适当延长，现在把这些统称为椭圆卵形。对于偏心轮也是如此，其形状同样要根据工作原理、工作状态以及加工或动平衡等问题来决定，其形状可以是圆偏心轮、椭圆偏心轮、椭圆卵形偏心轮、卵形偏心轮等。为使被动轮匀速转动实现主动轮的旋转速度周期性变化，发动机惯性轮应在被动轮的一侧。

另外对于一些需要将旋转的能量，通过曲柄连杆机构转换成往复运动，以及一些含有滑块曲柄连杆机构的设备、工具等。如空压机、电锤等，也可采用椭圆形轮使通过上止点及下止点时速度加快，或偏心轮使进气行程慢，压缩或冲击速度快，提高效率。

根据发动机的工作原理，二冲程发动机的工作周期是360°，四冲发动机是720°，如采用偏心传动轮或椭圆传动轮，同时要求不能有二只活塞在同一时段作功，这样气缸数将受到限制，通常情况下偏心轮只适用于单缸二冲程发动机或双缸四冲程发动机。椭圆轮只适用于双缸二冲程发动机或四缸四冲程发动机。为解决这种问题，可用多台发动机的输出偏心齿轮或椭圆齿轮，共同作用在同一个传动齿轮上，也可以多台发动机的输出偏心轮或椭圆轮共同作用在同一根传动轴上，实现多台发动机并联后的多缸发动机，通过这种传动轮组合，可达到合理分配多缸发动机在不同时段作功的要求。在这个基础上还可进行串联，实现更大功力的输出。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是相当于往复、曲柄连杆运动的传动轮，图中是以自行车链轮为例。

图2是二只椭圆形齿轮共轭时的说明。

图3是椭圆形传动轮与圆形传动轮力矩输出的比较∑_椭大于∑_圆。

图4是由一只偏心齿轮和非圆齿轮共轭时的说明。

图5是在发动机与椭圆形齿轮的转速在2∶1的情况下的说明。

图6多台发动机的输出偏心齿轮共同作用在一个传动齿轮上的说明。

图7是对自行车或与自行车有着同样的工作原理及工作方式，采用偏心齿轮组合时的说明。

图1是以自行车椭圆链轮为例；现在只分析一个作功周期，从上止点到下止点。现假设在力的作用下自行车克服阻力作匀速运动的情况下，飞轮(圆形的)单位时间传递的弧长基本不变。从图中可以看到，曲柄从上止点顺时针方向转动，此时椭圆形链轮与链条正好相切在短半径a处，这时椭圆轮转速最快，过a点后随着曲柄的转动链轮与链条相切点处，半径不断变长，相对应的弧长也逐渐增加。因车轮作匀速运动通过圆形飞轮所传递的弧长没变，所以曲柄的旋转速度逐渐降低，直至b点长半径处曲柄转速最慢，切点通过b点后，同样道理曲柄旋转速度开始逐渐加快，切点至c点时曲柄转速最快，与a点时的速度相同。这样就完成了180°的一个周期，实现0°和180°附近的旋转角速度大于90°附近的旋转角速度。

图2是二只相同的椭圆齿轮共轭的传动情况；设A、B二只椭圆齿轮主动齿轮A和被动齿轮B，它们之间以短半径和长半径相啮合，齿轮B与负载相连作匀速转动。当A与B在a点相啮合时，此时A齿轮半径最短B齿轮半径最长，因传递的是弧长，所以这时的A齿轮转速最快，当A、B齿轮继续转动，啮合处A齿轮半径变长B齿轮半径变短，转速逐渐降低，到达b点时A齿轮半径最长B齿轮半径最短，因B作匀速转动，所以这时的A齿轮转速最慢。同样从b点到c点A齿轮转速由慢变快，c点最快与a点速度相同。这时A齿轮旋转了180°，完成了一个周期。从c点到d点再回到a点其道理一样。我们可以看出结果是一个椭圆形的传递效果，有二个相同的周期各180°，a、c点附近为上止点或下止点转速最快，b、d点转速最慢。同样用一只椭圆形齿轮与一只非圆齿轮共轭时，其结果一样。

图3a为椭圆形传动轮传动时的坐标图，b为圆形传动轮传动时的坐标图，Y轴为曲柄从0°-180°时的力臂高度h的投影，X轴为曲柄作功行程的时间t。我们取两坐标的时间相同，曲柄长度相同，椭圆轮与圆形轮周长相同，作功的距离相同。设负载作匀速运动，从附图1、2中可以知道椭圆轮的转动特点，曲柄过0°后做减速转动，90°附近时转速最慢，过90°后逐渐加速，转至180°时转速最快与0°时的转速相同。圆形轮在负载作匀速运动时也作匀速转动。现将a、b图中曲柄在Y轴上的投影与之相对应的时间段的交点做一连线，可以看出，椭圆轮的曲柄在过0°的初始阶段转速比圆形轮的曲柄快(因周长相同此时的椭圆半径小于圆半径)，曲柄在Y轴上的投影比圆形轮的曲柄在Y轴上的投影高，一直到两曲柄转速相同时，椭圆轮的曲柄和圆形轮的曲柄在Y轴上的投影高度相差最多，继续转动，椭圆轮的曲柄转速渐渐低于圆形轮的曲柄，其Y轴上投影的差距开始减少，近90°时重合。过90°后道理相同，这样椭圆的力臂∑大于圆形的力臂∑，如施加同样的推力可以看出力矩∑_椭大于力矩∑_圆。

图4是一只偏心齿轮与一只非圆齿轮共轭的传动情况：主动齿轮A(偏心轮)和被动齿轮B(非圆齿轮)，它们之间以长半径和短半径相啮合，齿轮B与负载相连作匀速转动。与图2不同，齿轮A旋转一周只有一个周期，因传递的是弧长，只要将弧长最长的180°(偏心轮转动周期中最慢的180°)，也就是偏心轮长半径侧作为二冲程发动机的作功行程，弧长最短的180°，短半径侧为压缩行程。对于四冲程发动机，长半径侧为进气、作功行程，短半径侧为压缩、排气行程，这样就实现目标②。其它形状的偏心轮道理相同。偏心链轮、偏心皮带轮工作原理也与偏心齿轮一样。

图5是发动机与椭圆形齿轮转速在2∶1的情况下，椭圆周期转动45°。见图：打格处为椭圆周期中转速最快的90°，无格处为椭圆周期中转速最慢的90°。对于二冲程发运动机，打格处为压缩行程，无格处为作功行程。对四冲程发动机，打格处为压缩、排气行程，无格处为进气、作功行程。椭圆形齿轮转动一周360°，发动机曲柄转动720°，二冲程发动机作功二次，四冲程发动机作功一次(指单缸发动机)，发动机工作情况与图4相似。

图6多台发动机的输出偏心齿轮，共同作用在同一个传动齿轮上见图：中间的齿轮为被动齿轮与负载相连，与其相啮合的外圈偏心齿轮与发动机的曲轴相连，形成多台发动机输出的齿轮组合。在这基础上还实现串联，如将两个这样组合的被动轮的轴相连接。椭圆齿轮同样可以采用这种方法。

图7是以两只自行车曲柄采用偏心齿轮时，工作情况进行分析：两只曲柄各自有一组偏心齿轮组合，共同作用在同一根传动轴上，传动轴上的链轮与负载相连。两曲柄工作周期相差约180°，一只曲柄在长半径侧作功的同时，通过传动轴及齿轮组合将另一只曲柄在短半径侧送回到作功的起始位置，实现曲柄的连续运转。这里要说明，因采用齿轮组合传动，链轮的旋转方向与曲柄的方向相反，如要同方向还要增加一组齿轮，这里就不加以说明。

Claims (9)

1.一种适用于往复运动的曲柄连杆机构的传动轮，或相当于往复，曲柄连杆运动的传动轮，还可以是滑块曲柄连杆机构的传动轮，其特征：传动轮为非圆形轮，以及偏心轮，其在传动过程中，能使曲柄的旋转角速度产生180°或360°的周期性变化，使往复运动的速度发生变化。

2.权利要求1.所述的传动轮，其特征：传动轮可以是椭圆形轮、椭圆卵形轮、椭圆偏心轮、椭圆卵形偏心轮、卵形偏心轮、圆形偏心轮。

3.权利要求1.2所述的传动轮，其特征：传动轮为齿轮传动轮，可以是二只齿轮的组合，也可以是二只以上的齿轮组合。

4.权利要求2.所述的传动轮，其特征：可以是链传动轮。

5.权利要求2.所述的传动轮，其特征：可以是皮带传动轮。

6.权利要求3.4.5所述的传动轮，其特征：可以是二冲程发动机、四冲程发动机动力输出的传动轮。

7.权利要求3.4.5所述的传动轮，其特征：可以是自行车、三轮车等，与自行车有着同样的工作原理，同样的工作方式的传动轮。

8.权利3.6所述的齿轮组合和内燃机发动机，其特征：可通过二个以上的齿轮组合，使多台发动机的输出齿轮共同作用在同一个传动轮上。也可以是多个齿轮组合共同作用在同一根传动轴上。实现多台发动机的并串联。

9.权利要求3.4.5所述的传动轮，其特征：可以是将旋转力通过曲柄连杆机构转化为往复运动的传动轮。

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