CN1529045B - 活塞式无曲轴发动机 - Google Patents

Abstract

活塞式无曲轴发动机。本发明公开了一种活塞式无曲轴发动机，由移动齿轮1、与活塞固接的齿条2以及固接在直型输出主轴上的驱动齿轮3构成的动力转换机构，取代了传统的曲轴连杆机构，并克服了现有无曲轴发动机的不足之处；所述的移动齿轮1可以在“接合”位置11与“非接合”位置12之间移动，使齿条与驱动齿轮间的动力传输链处于通、断两种状态；在活塞的爆发行程，可以通过该动力传输链向直型主轴输出动力；而活塞的返向运动则不会影响输出主轴的运动；随着移动齿轮周期性地“接合”移动，在其他辅助系统和机构的配合下，活塞的往复直线运动就可以转换成发动机主轴的持续单向旋转动力输出。该转换机构可应用于汽油、柴油、燃气等内燃机，以及活塞式蒸汽机等。

Description

活塞式无曲轴发动机

技术领域

本发明涉及活塞式发动机，包括汽油、柴油、燃气等内燃机，以及活塞式蒸汽机等；尤其是涉及无曲轴的活塞式发动机。

背景技术

当前无曲轴活塞式发动机领域，替代曲轴连杆机构的往复与旋转动力转换机构，大都是由齿条、齿轮等零部件组成的机构。经全面检索，与本技术方案最为接近的对比文献为：于2001年4月6日公开的法国专利FR2799231A——《专用于内燃机、压缩机使往复直线运动转变成持续圆周运动的转换机械》：该技术方案中，有与活塞P固连并往复运动的传动部件ETC(含齿条)、中间齿轮PM及其驱动轴AM(即驱动齿轮和轴)，以及移动部件等。

重点分析该移动部件的构成和功能：4枚齿轮PSP1、PSS1和PSP2、PSS2分为2组两两偏心共轴，由双臂DB及齿轮轴连杆EAS限位；偏心齿轮PSP1、PSP2与齿条啮合，行星齿轮PSS1、PSS2与中间齿轮PM啮合，共轴的偏心齿轮PSP与行星齿轮PSS通过插销与弹射及触发装置构成的连解锁机构在做功行程时连锁同向转动，驱动中间齿轮PM，输出动力，在反向行程中，则与其解锁。

发明内容

发明目的  本发明克服了上述文献中，移动部件结构复杂以及运动方式复杂的缺陷，在于提供一种结构简单的往复与旋转动力转换机构的发动机。

技术方案  为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

所述的发动机包含至少一组动力转换机构，该组动力转换机构的核心部件是移动齿轮1，移动齿轮1可以在“接合”位置11与“非接合”位置12之间移动，以此控制着往复动力构件、移动齿轮、驱动齿轮、直型输出主轴之间的动力传输链的通、断；所述的往复动力构件42是由至少一个活塞4与至少一根齿条2固接成的刚性构件，每组动力转换机构中移动齿轮的数量为一个，移动齿轮1始终与齿条2啮合并可以沿着与齿条平行的方向在一段范围内自由移动；所谓“接合”位置11是指：移动齿轮1同时还与驱动齿轮3啮合，使包括活塞4、齿条2、移动齿轮1、驱动齿轮3、直型输出主轴30的动力传输链接通时，移动齿轮所处的位置，此时，活塞可以向直型输出主轴传输动力；所谓“非接合”位置是指：移动齿轮1移开“接合”位置，即脱离与驱动齿轮3的啮合，从而使上述动力传输链中断时所处的位置，此时，活塞的逆向运动不会影响驱动齿轮及其直型输出主轴的运转；在其他辅助系统和机构的配合下，随着移动齿轮周期性地“接合”移动，活塞可以通过该周期性通断的动力传输链，将其直线往复动力持续转换成发动机直型输出主轴的单向旋转动力输出。

本发明也可以通过以下方式实现：所述发动机还包括辅助驱动齿轮31；辅助驱动齿轮31与驱动齿轮3始终啮合，而且当移动齿轮1移动至“非接合”位置12时，移动齿轮1在仍与齿条2啮合的同时还能与辅助驱动齿轮31啮合，构成了另一条动力传输链。

本发明还可以通过以下方式实现：所述发动机包括2组动力转换机构，该2组动力转换机构中的移动齿轮1和13上下布置，且与同一个驱动齿轮3相啮合，使驱动齿轮3位于所述两个移动齿轮1和13之间，所述发动机还包括上齿条2和下齿条21，上齿条2和下齿条21上下平行设置，与至少一个活塞4固接构成刚性构件传动框，两个移动齿轮1和13与位于其间的驱动齿轮3都在传动框内，当活塞4在爆发做功行程时，带动传动框42向右运行，上齿条2、上移动齿轮1、与驱动齿轮3构成动力传输链，下移动齿轮13则与驱动齿轮3脱离啮合，主轴30沿驱动方向32输出动力；当传动框42与活塞4在返向行程中左移时，下齿条21、下移动齿轮13、驱动齿轮3又构成另一条动力传输链，上移动齿轮1与驱动齿轮3脱离啮合，主轴30继续沿驱动方向32输出动力。

有益效果  与现有技术相比，本发明的优点是：

通过设立移动齿轮，简化了发动机的构成元素，使发动机的设计、加工、安装、维修、零件更换都更加简单；

设计时，活塞行程等主要参数的设置可以不受动力转换机构的限制；转换机构内各零部件间的相对大小、相对位置、空间排列等也没有特别限制，设计上有较大的自由度；

转换机构内各零部件间的配合无特别苛刻的要求，当活塞(齿条)与输出轴(驱动齿轮)间由于速度变化可能出现错位的情况时，因移动齿轮具有移动加转动的双重自由度，能自然、平稳地“接合”，系统就可以毫无障碍地继续运行，而不会造成什么不利影响，因此有更大的适应范围；

通过合理地设计，控制移动齿轮的“接合”时机，能较好地克服死点；

结构简单厚实的齿轮本身就有较好的强度，通过合理地选择其各项参数，如采取适度增加齿宽、加强齿面硬度等措施，可以进一步提高其抗冲击能力和使用寿命，提高其经济性能，在实用性上有较大优势；

本发动机的动力转换机构可以仅使用结构简单、通用的齿轮、齿条等标准零部件组成，其加工与使用成本不仅远低于曲轴连杆机构，就是相对于其他齿条式转换机构，其经济性也是显而易见的。

附图说明

图1是移动齿轮处于“接合”位置时动力转换机构的示意图

图2是移动齿轮处于“非接合”位置时的示意图

图3是通过上、下行程触点控制移动齿轮移动的示意图

图4是采用凸轮机构控制移动齿轮移动的示意图

图5是采用机械电子联动机构控制移动齿轮移动的示意图

图6是辅助驱动齿轮参与组成机构的示意图

图7是包含两条对称设置、共用驱动齿轮的动力传输链的机构示意图

图8刚性往复动力构件，以及移动齿轮轮流接合示意图

图9、图10是间接啮合的示意图

图11含有两个移动齿轮的机构示意图

图12特殊齿齿轮及不完全齿轮示意图

图13几组机构间通过摆动齿轮联动示意图

图14两组不在同一平面的机构示意图

图15附加飞轮启动机构示意图

图16润滑示意图

图中：

1.移动齿轮         2.齿条           3.驱动齿轮         4.活塞

5.上行程触点       6.下行程触点     7.定位轮           8.拨叉摆杆

9.摆杆             10.移动齿轮轴    11.“接合”位置    12.“非接合”位置

13.其他移动齿轮    14.轴滑移槽      15.移动齿轮轴右斜面

16.移动齿轮轴左斜面                 17.凸轮            18.凸轮曲线槽

19.滚子            20.摆动齿轮      21.对置下齿条      22.自锁机构

23.电磁机构        24.复位弹簧      25.连杆销          26.连杆

27.小飞轮          28.启动电机      29.特殊齿齿轮的特殊齿

30.直型输出主轴    31.辅助驱动齿轮                     32.驱动方向

33-36.间接齿轮     37.油面          38.油道            39.油道喇叭口

40.喷油口          41.对置活塞      42.活塞齿条刚性构件、传动框

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明：

1.如图1是一种典型实施例，核心部件——移动齿轮1可以在“接合”位置11与“非接合”位置12之间移动。活塞4与齿条2固接成的刚性构件由上止点向下止点运行时，移动齿轮1移动至“接合”位置11，即移动齿轮1与齿条2直接啮合、同时它还与驱动齿轮3也直接啮合，使活塞4、齿条2、移动齿轮1、驱动齿轮3、直型输出主轴30间的动力传输链接通，如果活塞4正处于爆发冲程，其爆发动力就可以沿着动力传输链由齿条2切向传递给移动齿轮1，再切向传递给驱动齿轮3，最终带动直型主轴30沿驱动方向32输出动力。

活塞4、齿条2的返向行程中，移动齿轮1移动到“非接合”位置，此时，移动齿轮1脱离与驱动齿轮3的啮合，如图2所示，就能使所述的动力传输链中断，活塞、齿条的逆向运动不会影响驱动齿轮及其输出主轴的运转。

在本组机构活塞的非爆发行程中，输出主轴可以在主轴飞轮或其他组机构的带动下继续运行。

在本发明的技术方案中，为了叙述方便，我们将“一组”机构的概念定义为：如上述典型实施例这样的可以独立完成往复与旋转动力转换的一条动力传输链机构。

活塞、齿条刚性构件的持续往复运动可以由本组机构的其他活塞(如对置活塞41等)配合，或与其它组机构联动，或由附加的飞轮机构带动。

活塞不止一个时，可以两两相对，水平设置，如图6、图7所示。

二冲程的发动机，可以使用一对以上活塞；四冲程发动机可以由四个以上活塞带动，则仅用一组机构就能使发动机连续工作。

另外，通过摆动齿轮与其它组机构联动，也能实现活塞的连续往复运动，如图13所示，此时，各组机构处于同一个平面，齿条2或刚性构件42的侧面可以有一或二根侧齿条，分别与摆动齿轮20啮合，则相邻两组间就可以相互带动，反向运动。摆动齿轮20的轴与处于“接合”位置的移动齿轮1的轴可以共处于同一个垂直于齿条的平面，在该平面齿条的侧面或背面，还可以分别设置一些固定在机体上的定位轮7，如图1、6、7、9、13等所示，从而将齿条2或刚性构件42限定在平稳的直线方向上运行。

当然，存在几组机构时，不一定都位于同一个平面，如图14所示，就是位于不同平面的两组机构示意图。

单缸发动机或不足四缸的四冲程发动机，可以附加如图15所示的飞轮机构，在齿条2或刚性构件42的适当部位，设置连杆销25，通过连杆26与小飞轮27偏铰接，依靠小飞轮的惯性，完成非爆发行程。

综上所述，在发动机的其他辅助系统和机构的配合下，随着移动齿轮周期性地“接合”移动，活塞就可以通过该周期性通断的动力传输链，将其直线往复动力持续转换成发动机直型输出主轴的单向旋转动力输出。

(1)移动齿轮的移动可以是受控的，目的就是控制其在适当的时间进入“接合”位置，以下是几种控制实施例，当然还可以有其它控制方式，在此无法一一例举。

如图3所示的控制实施例，在齿条2的上下两端各有一个行程触点5、6；活塞每次运行至下止点时，上行程触点5下压拨叉摆杆8的尾端，通过拨叉将移动齿轮1的轴10撬起，移动齿轮1被撬离“接合”位置11，与驱动齿轮3脱离啮合，动力传输链中断；紧接着齿条2向上移动，使该状态保持；直至行程结束，即活塞到达上止点时，下行程触点6上顶拨叉摆杆8的尾端，通过拨叉将移动齿轮1的轴10下压，移动齿轮1被压向“接合”位置11，与驱动齿轮3、齿条2同时分别啮合，动力传输链接通；紧接着齿条2向下移动，啮合状态持续，直至行程结束，活塞再次运行至下止点，...，如此往复。

采用凸轮机构来控制移动齿轮的移动是一种较好的方式，如图4所示：盘状凸轮17可以与气门凸轮机构(图中未示出)联动，摆杆9末端上的滚子19在凸轮轮廓曲线沟槽18内滑动，带动移动齿轮1周期性摆动，控制其平稳地在“接合”位置11与“非接合”位置12之间移动；其优点在于：移动齿轮1可以完全受控，尤其在是速度较高的情况下，可以克服因惯性造成的移动齿轮1动作滞后的情况；不仅如此，对于四冲程发动机，凸轮17的沟槽轮廓曲线18还可以设计成：仅在该活塞4的爆发行程中，移动齿轮1才处于“接合”位置11，以减少机件的磨损。

此外，还可以采用机械电子联动机构来加以控制，如图5所示，只在齿条2的上端有一个行程触点5；在爆发行程的终点，行程触点5下压拨叉摆杆8，摆杆8的尾端有一自锁机构22，在其释放之前，将一直锁定摆杆8和移动齿轮1处于“非接合”位置12；自锁机构22(铁制)可以由电磁机构23控制，其触发脉冲信号可以来自“晶体管辅助触点点火系统”或“无触点电子点火系统的点火信号发生器”(图中未示出)；当气缸点火时，电磁机构23被触发，吸合铁制自锁构件22后退，释放摆杆8，摆杆8在复位弹簧24的作用下，拉动移动齿轮1进入“接合”位置11，直至爆发行程终点，行程触点5再次将其压离，并锁定于“非接合”位置12。该机构能使移动齿轮仅在活塞的爆发冲程才处于“接合”位置。

(2)移动齿轮与齿条或驱动齿轮间的啮合，可以是间接啮合，即所构成动力传输链中还可以包含有其他间接齿轮、传动轴等机械传动部件，如图9、10所示。

如图10所示的间接啮合实施例中，间接齿轮33与齿条2始终啮合，齿轮34、35、36也是间接齿轮，移动齿轮1与齿轮34、35均是圆锥齿轮，间接齿轮33与圆锥齿轮34同轴固连，圆锥齿轮35与间接齿轮36同轴固连(或直接与输出主轴固连输出动力)，间接齿轮36与驱动齿轮3始终啮合；当移动齿轮1向下移至“接合”位置时，其两边的伞齿分别与间接齿轮34、35啮合，形成动力传输链；当移动齿轮退离“接合”位置时，传输链中断。

(3)移动齿轮在“接合”位置11与“非接合”位置12之间移动时，可以是沿着其轴两端的滑移槽14滑动(如图2、3、5所示)。

移动齿轮1、驱动齿轮3(含齿条2)可以是圆柱(或圆锥，如图10所示)标准齿轮，也可以是变位齿轮、非标准齿轮、不完全齿轮或特殊齿齿轮等，其齿型可以是人字齿或斜齿甚至部分情况下也可采用直齿。

移动齿轮1的分度圆周长大于活塞行程即齿条2的移动距离时，就可以是不完全齿轮。

所谓特殊齿齿轮，如图12所示，是为了提高他们的抗冲击能力，可以在它们最初啮合瞬间所受冲击部位各设计一枚以上的特殊齿，即可以将该枚轮齿的齿厚增加10％以上，并保证在互相啮合的过程中能各自对应啮合。此时，驱动齿轮3的分度圆周长应是活塞行程即齿条2移动距离的整数倍，以保证周期性啮合。

2.移动齿轮的移动可以不需要由专门的控制部件控制，它始终与齿条啮合并可以沿着与齿条平行的方向在一段范围内自由移动；随着齿条的往、复运动，移动齿轮可以同步地跟随着进入、退出“接合”位置，即动力传输链仅在该活塞、齿条刚性构件由上止点至下止点的行程中才会接通。

如图2所示，此时滑移槽14与齿条2平行。“接合”时，移动齿轮1被齿条2压在“接合”位置11，同时与驱动齿轮3啮合，若驱动齿轮3在其分度圆处的线速度不大于移动齿轮1在分度圆处的线速度时，传输链接通，驱动齿轮3被带动旋转，输出动力；当驱动齿轮3在分度圆处的线速度大于移动齿轮1在分度圆处的线速度，或当齿条逆向运动时，移动齿轮1就会被抬离“接合”位置，动力传输链中断；随着齿条上下运动，移动齿轮也同步上下移动，构成最简化的机构。但显然，在这种情况下，无法靠装在主轴飞轮上的启动电机带动齿条及活塞启动，因此必须附加如图15所示的飞轮启动机构，启动电机28的齿圈与小飞轮27的外缘齿圈啮合，启动时，通过小飞轮27、连杆26带动齿条2活塞4往复启动。

图9中移动齿轮1可以始终与间接齿轮33啮合，并可以沿着其外缘在一段范围内自由移动，此时，移动齿轮的移动也可以不用其他控制部件控制。

3.所述发动机还包括辅助驱动齿轮31；辅助驱动齿轮31与驱动齿轮3始终啮合，而且当移动齿轮1移动至“非接合”位置12时，如图6所示，移动齿轮1在仍与齿条2啮合的同时还能与辅助驱动齿轮31相啮合。

在活塞4的爆发行程，齿条2向右移动，移动齿轮1移至“接合”位置11，与齿条2、驱动齿轮3构成动力传输链，驱动齿轮沿驱动方向32旋转输出动力；在活塞4的返向行程，齿条2向左移动，移动齿轮1移至所谓“非接合”位置12，此时应称其为“辅助接合”位置12，与齿条2、辅助驱动齿轮31构成另一条动力传输链，辅助驱动齿轮31带动驱动齿轮3继续沿驱动方向32旋转输出动力；从而使齿条在往复两个方向上运动时都能与单向旋转运动的驱动齿轮维持联动，动力传输链几乎不会中断(尤其在使用两个以上活塞带动的情况下)。

4.一种动力转换机构的组合，如图7所示，所述发动机包括2组动力转换机构，该2组动力转换机构中的移动齿轮1和13上下布置，且与同一个驱动齿轮3相啮合，使驱动齿轮3位于所述两个移动齿轮1和13之间，所述发动机还包括上齿条2和下齿条21，上齿条2和下齿条21上下平行设置，与至少一个活塞4固接构成刚性构件传动框，两个移动齿轮1和13与位于其间的驱动齿轮3都在传动框内，当活塞4在爆发做功行程时，带动传动框42向右运行，上齿条2、上移动齿轮1、与驱动齿轮3构成动力传输链，(下移动齿轮13则与驱动齿轮3脱离啮合)，主轴30沿驱动方向32输出动力；当传动框42与活塞4在返向行程中左移时，下齿条21、下移动齿轮13、驱动齿轮3又构成另一条动力传输链，(上移动齿轮1与驱动齿轮3脱离啮合)，主轴30继续沿驱动方向32输出动力。

5.多组机构的组合如图8所示，刚性体42上固接的齿条2互相平行，多个移动齿轮1同轴或不同轴分布、多个驱动齿轮3同轴固接。如果所有移动齿轮同步移动，即等同于将一条动力传输链分成几条并行支链，各零部件所受的冲击力将被分散承担；如果是不同步移动，可以采取分组或轮流接合的方式，即刚性动力构件42的每次往复，可以只有一个(或一组)移动齿轮进入“接合”位置11，并逐次轮换，其特点是每个移动齿轮的移动周期可以是往复构件周期的数倍。

6.典型的间接啮合情况，如图9所示，在接合位置11时，移动齿轮1通过间接齿轮33与齿条2间接啮合，通过间接齿轮34与驱动齿轮3间接啮合，间接齿轮33与齿条2始终啮合，间接齿轮34与驱动齿轮3也始终啮合；该设计可使冲击力只集中在间接齿轮33、34和移动齿轮1之间，主要传动部件齿条2和驱动齿轮3所受的冲击大幅减少。

7.一组机构串联有两个以上移动齿轮，(图11以两个为例，超过两个时情况与此类似)，爆发行程时，两移动齿轮1、13可以同时(也可以先后分别)移至各自的“接合”位置11，当所有移动齿轮均处于各自的“接合”位置时，就与位于其间的间接齿轮33共同构成动力传输链；返向行程时，移动齿轮1、13可以同时或先后离开各自的“接合”位置，只要有一个移动齿轮1或13离开了自己的“接合”位置，动力传输链就中断。

特别是，其中一个移动齿轮1可以始终与齿条2啮合并能沿齿条2的齿面移动，另一个移动齿轮13也可以始终与驱动齿轮3啮合并能沿其外缘移动，该设计也可使主要传动部件齿条2和驱动齿轮3所受的冲击大幅减少。

由于取消了曲轴连杆机构，机轴箱内各机构、机件的润滑方式将有所改变。可以将驱动齿轮设计在机轴箱的靠下部位，其下缘可以部分浸入油底壳的润滑油液面37之下约一个齿高的深度，使驱动齿轮3能有较好的润滑，如图16所示。

还可以在齿条2的内部设计一个直径较小的油道38，如图16所示，其下端有一喇叭口状的泵油腔39，在下止点时能浸入油底壳的润滑油的液面37之下，其上端的喷油口40位于下止点时与移动齿轮啮合的位置附近。这样，每当运行中齿条下端快速插入油液面时，因喇叭口效应，润滑油将被压入油道38，经喷油口40喷向移动齿轮1与齿条2的啮合处，改善移动齿轮1和齿条2的润滑状态。

对于发动机的其他系统和机构，如燃油喷射系统、凸轮气门机构、冷却系统、润滑系统、点火系等，可利用现有技术，对参数或部分细节作适当调整。

该动力转换机构还可用于其他需要将直线往复动力与旋转动力相互转换的系统。

Claims (3)

1.一种活塞式无曲轴发动机，包括气缸、活塞，齿条、直型输出主轴、固接于主轴上的驱动齿轮、主轴飞轮，以及其他辅助系统和机构，其特征在于：所述的发动机包含至少一组动力转换机构，该组动力转换机构的核心部件是移动齿轮(1)，移动齿轮(1)可以在“接合”位置(11)与“非接合”位置(12)之间移动，以此控制着往复动力构件、移动齿轮、驱动齿轮、直型输出主轴之间的动力传输链的通、断；所述的往复动力构件(42)是由至少一个活塞(4)与至少一根齿条(2)固接成的刚性构件，每组动力转换机构中移动齿轮的数量为一个，移动齿轮(1)始终与齿条(2)啮合并可以沿着与齿条平行的方向在一段范围内自由移动；所谓“接合”位置(11)是指：移动齿轮(1)同时还与驱动齿轮(3)啮合，使包括活塞(4)、齿条(2)、移动齿轮(1)、驱动齿轮(3)、直型输出主轴(30)的动力传输链接通时，移动齿轮所处的位置，此时，活塞可以向直型输出主轴传输动力；所谓“非接合”位置是指：移动齿轮(1)移开“接合”位置，即脱离与驱动齿轮(3)的啮合，从而使上述动力传输链中断时所处的位置，此时，活塞的逆向运动不会影响驱动齿轮及其直型输出主轴的运转；在其他辅助系统和机构的配合下，随着移动齿轮周期性地“接合”移动，活塞可以通过该周期性通断的动力传输链，将其直线往复动力持续转换成发动机直型输出主轴的单向旋转动力输出。

2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述发动机还包括辅助驱动齿轮(31)；辅助驱动齿轮(31)与驱动齿轮(3)始终啮合，而且当移动齿轮(1)移动至“非接合”位置(12)时，移动齿轮(1)在仍与齿条(2)啮合的同时还能与辅助驱动齿轮(31)啮合，构成了另一条动力传输链。

3.如权利要求1所述的发动机，其特征在于：所述发动机包括2组动力转换机构，该2组动力转换机构中的移动齿轮(1，13)上下布置，且与同一个驱动齿轮(3)相啮合，使驱动齿轮(3)位于所述两个移动齿轮(1，13)之间，所述发动机还包括上齿条(2)和下齿条(21)，上齿条(2)和下齿条(21)上下平行设置，与至少一个活塞(4)固接构成刚性构件传动框，两个移动齿轮(1，13)与位于其间的驱动齿轮(3)都在传动框内，当活塞(4)在爆发做功行程时，带动传动框(42)向右运行，上齿条(2)、上移动齿轮(1)、与驱动齿轮(3)构成动力传输链，下移动齿轮(13)则与驱动齿轮(3)脱离啮合，主轴(30)沿驱动方向(32)输出动力；当传动框(42)与活塞(4)在返向行程中左移时，下齿条(21)、下移动齿轮(13)、驱动齿轮(3)又构成另一条动力传输链，上移动齿轮(1)与驱动齿轮(3)脱离啮合，主轴(30)继续沿驱动方向(32)输出动力。

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