CN1580494A - 无曲轴式往复与旋转动力转换机构及其发动机和压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无曲轴式往复与旋转动力转换机构及其发动机和压缩机，由与往复动力部件固连的齿环框1、动力轮2、行星轮3组成的动力转换机构，取代了传统的曲轴连杆机构：行星轮3以动力轮2为中心轮、拉杆23为转臂，可以环绕动力轴20公转与自转，通过齿轮等传动部件，分别跨接动力轮2和齿环框1：其前部与动力轮2联动；后部与齿环框1联动；则齿环框1的往复运动可以转换成动力轮2的持续旋转运动，而动力齿轮2的持续旋转运动也可以转换成齿环框1的周期性往复运动；该动力转换机构、以及应用了该机构的发动机和压缩机等，具有结构简单、传动效率高、能量转换效率高、排放性能好等特点。

Description

无曲轴式往复与旋转动力转换机构及其发动机和压缩机

                              技术领域

本发明涉及将往复直线运动与旋转动力相互转换的动力转换机构；还涉及应用该动力转换机构的活塞式发动机、压缩机等。

                              背景技术

在机械领域，我们常常需要将往复运动与旋转动力进行相互转换，尤其是活塞式发动机(包括汽油、柴油、燃气等内燃机，或蒸汽机等)，以及活塞式空气或制冷剂压缩机等，它们的主要功能需要依靠这类动力转换机构实现。

目前应用最广泛的动力转换机构的当属曲轴连杆机构，例如自从活塞式发动机发明之后百余年来，至今几乎还是完全采用该传统机构；其缺陷在于：机械动力转换效率受到限制——做功压力最大时旋转力矩可能最小，而旋转力矩逐渐增加到最大时，做功动力已经衰减过半了；此外，受不断变化方向的力矩作用，活塞对汽缸壁产生的侧压力，增加了阻力，并加剧了关键部件间的磨损。

本发明意在提供一种无曲轴的动力转换机构。通过专利文献检索，我们发现了相对较为接近的资料，如：中国专利公开号CN2291534Y，授权公告日1998年9月16日，发明创造的名称为《三齿双条式往复旋转互换机构》等。其不足之处是：因其采用了“不完全齿轮与齿条间歇啮合”的设计，首先啮合的轮齿必定会受到相当大的冲击，影响其使用寿命；此外，当发动机转速在较大范围变动时，齿轮与齿条间的同步运行不容易控制，可能会发生错位的情况，进而产生较严重的后果。

                              发明内容

发明目的    本发明克服了现有技术中的某些不足，在于提供一种效率较高、能适应较大范围速度变化、冲击损害相对较小的无曲轴式往复与旋转动力转换机构(以下简称“动力转换机构”或“转换机构”或“机构”)及其发动机和压缩机。

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：

本发明所提供的动力转换机构包含一个与往复动力部件固连的齿环框1、一个与动力轴20固连的动力轮2、一个行星轮3：

所述的齿环框1是一个齿边环形结构：其两边互相平行、可视为两根平行的背向齿条11、12，其两端呈半圆形、可视为两个半圆齿轮13、14；

所述的动力轮2位于齿环框1的前面，其轴20垂直于齿环框1的平面，往复运动的齿环框1的中心线始终不偏离动力轴20的轴心线；

所述的行星轮3以动力轮2为中心轮、拉杆23为转臂，可以环绕动力轴20公转与自转；它可以分为前后两个部分，通过齿轮等传动部件，分别跨接动力轮2和齿环框1：其前部与动力轮2联动，后部与齿环框1联动。

本发明也可以通过以下方式实现：所述的行星轮3为一个长齿轮，其前部与动力齿轮2始终直接啮合，后部与齿环框1始终直接啮合。

本发明也可以通过以下方式实现：所述的行星轮3是由前后两个齿轮32、33同轴固连而成的齿轮串，其前齿轮32与动力齿轮2始终直接啮合，后齿轮33与齿环框1始终直接啮合。

本发明还可以通过以下方式实现：所述的动力轴20不穿过齿环框1的内部，齿环框1可以是实心的齿环条，它需要靠限位部件来限定往复构件的位移范围。

本发明还提供了一种压缩机，所述的压缩机包含至少一组上述的动力转换机构，每组机构带动至少一组气缸活塞。

本发明还提供了一种发动机，所述的发动机包含至少一组上述的动力转换机构，每组机构由至少一组汽缸活塞带动。

本发明提供的发动机也可以通过以下方式实现：所述的发动机为点火相位间隔180度的4缸四冲程发动机或2缸二冲程发动机。

本发明提供的发动机还可以通过以下方式实现：所述的发动机为点火相位间隔120度的6缸四冲程发动机或3缸二冲程发动机。

有益效果    与现有技术相比，本发明的优点是：

提高了传动效率：因为齿轮(含齿条)等直接传动的效率很高(一般可达94％以上)。

提高了发动机的能量转换效率，并改善其排放性能：在活塞的上、下止点各有一段停顿过渡期，有利于燃料的充分进气、充分混合、充分燃烧，以及废气的充分排放；另外，还可以减少甚至避免进、排气门同时开启的时间，降低油耗；对气门开闭的控制及点火时机的选择都更加容易调节。

机构内各齿轮、齿条等传动部件始终处于啮合(接合)状态，它们之间的瞬间冲击力小于其他不完全齿轮式或离合式转换机构。

可以设计、采用长行程的汽(气)缸活塞；活塞结构简单、轻便，加工更容易。

                              附图说明

图1、图2是典型的转换机构分别处于上、下止点时的原理示意图

图3是行星轮为一个长齿轮的示意图

图4是行星轮为前后两(齿)轮同轴固连时的示意图

图5是动力轴不穿过齿环框时的示意图

图6是齿环框为实心齿环条时的示意图

图7、图8、图9、图10是齿环框、动力轮与行星轮之间通过中间齿轮、链条、皮带等其他传动部件联动的示意图

图11是行星轮内啮合(接合)动力轮的示意图

图12是行星轮轴不平行于动力轴时的示意图

图13、图14是齿环框的背部固连件底板上开有滑移槽，及其侧面局部剖面示意图

图15是一组动力转换机构固连多组汽(气)缸活塞的示意图

图16是多组机构同轴纵向排列的示意图，以及飞轮、启动机构示意图

图17是动力轴非输出主轴的示意图；或是多组不同轴排列机构的输出示意图

图中：

1.齿环框                2.动力轮               3.行星轮          4.活塞

5.汽(气)缸              6.固连件及其底板       7.轴端滑移槽      8.行星轮轴滑动端

10.齿环框中心线         11、12.平行背向齿条    13、14.半圆齿轮   15.飞轮

16.启动机构             17.限位挡块            18.限位凸块       19.限位铰链杆

20.动力轴               21.动力轴旋转方向      22.轴套           23.拉杆

24.动力轴输出齿轮       25.输出主轴齿轮        26.输出主轴       27.中间(齿)轮

28.链条                 29.皮带                30.行星轮轴       31.行星轮旋转方向

32.与动力轮联动的前行星轮                      33.与齿环框联动的后行星轮

                            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、典型实施例(如图1、图2所示)：

齿环框1是一个齿边环形结构：其两边互相平行、可视为两根平行的背向齿条11、12，其两端呈半圆形、可视为两个半圆齿轮13、14；齿环框1通过固连件6与往复部件——活塞4固连。

动力轮2为齿轮，位于齿环框1的前面(在另一面时，情况类似)，其半径与齿环框1两端的半圆齿轮13、14的半径相同；其轴20垂直穿过齿环框1的中部。

行星轮3以动力轮2为中心轮、拉杆23为转臂，可以环绕动力轴20公转与自转，公转半径及轨迹由拉杆23及轴套22决定。

本发明所述的行星轮3与中心轮(动力轮)2之间既包含外啮合(或接合)的情况，也包含内啮(接)合的情况(如图11所示)，因为内啮(接)合与外啮(接)合在原理上没有本质区别，只是在动力轮的转动方向上与外啮(接)合情况时相反，因此，我们在各实施例中仅以外啮(接)合的情况为例说明，内啮(接)合的情况则不再赘述。

行星轮3可以是一枚长齿轮，跨接动力齿轮2和齿环框1(参见图3、图14)：其前部与动力齿轮2始终直接啮合，后部与齿环框1始终直接啮合。

1.1、该机构可以将旋转动力转换成往复直线运动：

假设动力轴20、动力齿轮2始终沿箭头21方向旋转(方向相反时，情况类似)，图1实线部分作为起始位置，行星齿轮3在此位置因受拉杆23及齿环框1左边的齿条11的限位作用，在动力齿轮2的带动下只能在原位沿箭头31方向旋转，受其拉动齿环框1开始向下运动；

当到达下止点时(图2中左边虚线位置)，行星齿轮3仍受动力齿轮2的带动，继续沿箭头31方向旋转，但此时因其仅受拉杆23的作用，而不再受齿条的限位，因此就沿着齿环框1上端的半圆齿轮13及动力轮(中心轮)2旋转前进，即公转到齿环框1的右边(图2中实线位置)，在这个过程中，齿环框1保持不动，称为行程间的停顿过渡期；

接着，行星齿轮3又受到齿条12的限位，在动力齿轮2的带动下仍在原位沿箭头31方向旋转，拉动齿环框1开始向上运动；

当运行到上止点时(图1中右边虚线位置)，齿环框1保持不动(又一个行程间的停顿过渡期)，行星齿轮3再次脱离了齿条的限位，沿齿环框1下端的半圆齿轮14及动力轮(中心轮)2旋转前进，公转到齿环框1的左边，即回到起始位置......

随着动力轴20的持续旋转，齿环框1就做持续的往复运动，通过其固连件6，带动活塞4往复做功。

该机构可以直接应用于活塞式压缩机等需要将旋转动力转换成往复直线运动的装置与设备中：压缩机的电机带动至少一组动力转换机构的动力轴20及动力齿轮2沿箭头21方向持续旋转，齿环框1通过固连件6，带动活塞4持续往复运动，周期性地压缩气缸内的气体做功(如图1、图2所示)。一组机构还可以带动多组气缸活塞(参见图15)。

1.2、该机构也可以将往复直线运动转换成持续的旋转运动：

假定往复部件可以通过固连件6等带动齿环框1做持续的往复运动，动力轴与飞轮惯性机构相联(参见图16)，也将图1实线部分作为起始位置，当齿环框1由上止点向下止点运行时，行星齿轮3就被拉动，因其受拉杆23及齿条11的限位作用，而只能在原位沿箭头31方向转动，并且由于其始终与动力齿轮2啮合，因此就带动动力齿轮2及其动力轴20沿箭头21方向旋转；

当往复部件到达下止点时(图2中左边虚线位置)，依靠与动力轴相联的飞轮1 5的惯性作用，动力轴20及动力齿轮2继续沿箭头21方向旋转，带动行星齿轮3继续沿箭头31方向旋转，此时的行星齿轮3因不再受到齿条的限位，就沿着齿环框1上端的半圆齿轮13及动力轮(中心轮)2旋转前进，公转到齿环框1的右边(图2中实线位置)，这一过程，齿环框1保持不动，即是行程间的停顿过渡期；

此后，往复部件及齿环框1可以开始向上运行，拉动受拉杆23、齿条1 2限位的行星齿轮3在原位仍沿箭头31方向旋转，并带动动力齿轮2及其动力轴20继续沿箭头21方向旋转；

当到达上止点时(图1中右边虚线位置)，齿环框1再保持不动(又一个行程间的停顿过渡期)，行星齿轮3再次脱离了齿条的限位，在惯性飞轮15、动力轴20、动力齿轮2的带动下，沿着齿环框1下端的半圆齿轮14及动力轮(中心轮)2旋转前进，公转到齿环框1的左边，即回到起始位置。如此往复......

随着往复部件的持续周期性往复，在惯性飞轮等协作机构的辅助下，动力轴20就沿箭头21方向持续旋转输出动力。

该机构可以作为发动机的动力转换机构，将活塞的往复运动转换成旋转动力输出：所述发动机包含至少一组该动力转换机构，每组机构由至少一组汽缸活塞带动齿环框1做往复运动，则动力齿轮2及动力轴20可以持续输出旋转动力，具体说明参见实施例8：

2、上述实施例中，行星轮3也可以是由前后两个齿轮32、33同轴固连而成的齿轮串(如图4所示)，其前齿轮32与动力齿轮2始终直接啮合，后齿轮33与齿环框1始终直接啮合，前后齿轮32、33的半径可以相同也可以不同：半径相同时，也可视其为一长齿轮，与上例类似；半径不同时，动力齿轮2的半径与齿环框1两端的半圆齿轮13、14的半径就可以不同，因此在设计中可以通过调整它们半径的相对大小，来获得不同比例的转速和力矩输出。

3、上述各实施例中，动力轴20可以不穿过齿环框1的内部(如图5所示)：此时，齿环框1可以是实心的齿环条(参见图6)，该设计可以使其两端的半圆齿轮13、14的半径尽可能小，有利于缩短行程间的停顿过渡期；但由于没有动力轴在其内部起限位作用，故它需要靠限位部件来限定往复构件的位移范围：即可以在齿环条1或其固连件背部底板6上适当位置设置至少一个限位凸块18，并在机体的相应部位设置数个限位挡块17或限位槽(图中未示出)来限制其位移；也可以通过固定于机体中部并与限位凸块18相联接的铰链杆19来限位。

4、上述各实施例中，动力轮2与行星轮3的前部(或前行星轮32)可以是齿轮或摩擦轮并通过中间(齿)轮27等间接啮合(或接合)(如图7所示，有更多中间轮时，情况类似，摩擦轮的接合情况也与齿轮啮合类似，图中未示出)，也可以是通过链条28或皮带29等其他传动部件联动(如图8所示)，则它们相应地就可以是链轮或皮带轮等。

此外，它们还可以就是两个摩擦轮直接接合传动。

5、上述各实施例中，行星轮3的后部(或后行星轮33)是齿轮时，也可以通过中间齿轮27等与齿环框1间接啮合(如图9所示，有更多中间齿轮时，情况类似)。行星轮3(或33)也还可以是链轮或皮带轮等，通过链条28或皮带29等其他传动部件与中间齿轮27联动(如图10所示，中间齿轮27的一侧固连有相应的链轮或皮带轮等，中间齿轮27与齿环框1直接啮合)。

当往复构件所承受的力不是很大时，齿环框1周边的齿也可以用摩擦面代替：即行星轮3(或33)可以是摩擦轮并直接与“齿”环框1接合，靠摩擦传递动力；或是通过中间轮27间接接合传递动力(参见图9)。

6、行星轮轴30可以不平行于动力轴20，行星轮3可以是长齿轮、伞形齿轮或相应的摩擦轮等(如图12所示)，则动力轮2、齿环框1的半圆齿轮13、14等，也可以是伞形齿轮、圆柱齿轮(或相应轮齿)或相应的摩擦轮等，各轮或齿的具体参数设置应保证它们之间能始终相互啮合(接合)并可靠传递动力。

7、在齿环框1背部固连件6上可以扩展出一块底板，并在上面开一道环形滑移槽7(如图13、图14所示)，使行星轮3的轴端8可以在滑移槽7内滑移，以增加其运行的稳定性。

8、下面具体说明将上述动力转换机构应用于发动机的实施例：

8.1、对于单缸发动机，可以只有一组动力转换机构(如图1所示)，因其不能持续地带动齿环框1往复运动，因此必须借助飞轮蓄能机构：在汽缸5的爆发行程，活塞4通过固连件6带动齿环框1向下运动，拉动行星轮3沿箭头31方向旋转，进而带动动力轮2及其轴20沿箭头21方向旋转输出动力，在这一行程中，活塞的直线动力绝大部分转换成了旋转动力；在这之后，该动力转换机构则将与动力轴相连的蓄能飞轮15(参见图16)的旋转动力转换成活塞的往复动力——即依靠飞轮15的旋转惯性来带动动力轴20及动力轮2继续旋转，并通过带动行星轮3的公转与自转，拉动齿环框1及活塞4做往复运动，继续完成排气、进气、压缩三个行程(四冲程发动机)，或是完成排、扫、进气及压缩行程(二冲程发动机)。

8.2、一组动力转换机构可以由不只一组汽缸活塞带动(如图15所示)。

8.3、当发动机含有多组动力转换机构时，多组机构可以同轴纵向排列(如图16所示)；也可以不同轴排列(如图17所示)。

各组机构的汽缸点火时机及相位可以是没有关联的；然而，由于每组机构最终都要将动力通过各种传动部件直接或间接输出到输出主轴上，因此，它们之间总是可以相互带动的，则以下的设计就有一定的优势：即各组机构的汽缸之间，间隔一定的相位、依次点火，则一组机构在汽缸爆发行程向主轴输出动力的同时，还可以带动其他组机构的压缩等耗功行程，不仅使发动机运行更趋平稳，尤其可以使往复构件在爆发行程结束时对限位部件或动力轴20的冲击大为减弱。

8.3.1、如果是点火相位间隔180度的4缸四冲程发动机(或2缸二冲程发动机)，则每一往复行程都有一组机构的汽缸在爆发做功，同时有一组机构的汽缸在进行压缩行程，该设计对减少冲击最为有利。(这种情况可以满足实施例1.2中关于“往复部件可以带动齿环框1做持续往复运动”的假定)

8.3.2、如果是点火相位间隔120度的6缸四冲程发动机(或3缸二冲程发动机)，则在任一时刻都至少有一组机构的汽缸处于爆发行程，向输出主轴输出动力，同时带动其他组机构的其他行程。该设计中，发动机无需依赖飞轮即可实现持续运转，飞轮机构只起启动和稳定速度的作用。

8.4、含有多组动力转换机构的发动机，其输出主轴26可以就是其中一组机构的动力轴20；也可以是几组机构再通过齿轮或其他传动部件(如链条、皮带、摩擦轮等)向输出主轴26输出动力(参见图17)：齿轮24为各组机构动力轴20上的动力输出齿轮，齿轮25为发动机输出主轴26上的主轴齿轮：此时可以对动力轴20的固定端进行弹性减震处理，则即使动力轴20会受到较大冲击，输出主轴26也几乎不受影响。

8.5、因为现有发动机技术中的曲轴连杆机构，除了作为动力转换机构这一主要功能外，还起着限定活塞行程位移的重要作用；而本发明取消了曲轴，就必须采取一定的措施对活塞的上、下止点进行限位：

对于动力轴不穿过齿环框的机构，应采用限位部件(如限位凸块18与限位挡块17或铰链杆19或限位槽等相配合)来限定活塞的位移(参见实施例3，图5)。

对于动力轴穿过齿环框的机构，可以利用动力轴20来限制齿环框1的最大位移，以此限定活塞的位移范围；同时，也可以采用上述的限位部件17、18或18、19或限位槽等来限定其位移(参见图14)。

8.6、其他情况说明：

各组机构的行星轮3的绕行方向及动力轴20的旋转方向可以相同也可以不同，可视其输出齿轮等之间的传动关系而定。

本发动机的隐蔽润滑部位集中在轴套22与动力轴20和行星轮轴30之间，应在相关部件内设置适当的油道、油环；对于齿轮、齿条以及其他部件间的润滑，可以采用飞溅与喷溅的方式。

本发动机的启动，可以直接应用现有技术中的飞轮启动机构：由启动电机16带动飞轮15及动力轴旋转，从而带动各组机构往复运动，直至发动机启动(参见图16，多组机构非同轴排列时，情况类似)；因此，本动力转换机构还可以作为其他无曲轴发动机的启动辅助机构。

至于配气机构、供油系统、点火系统等，其零部件等也大多可以采用现有技术，但必须相应、合理地调整其燃油比例、供油量、进排气门开闭时间、点火时间角等控制部件的参数，以适应并提高本发动机的性能。

其他如汽缸盖、汽缸体、冷却系统等，可以将现有技术直接应用于本发动机；而本发动机的活塞因无需装配连杆销等部件，可以设计成径向完全对称的简单结构，使其各向受热膨胀量完全相同，同时更加轻便，加工更为容易。

Claims (8)

1.一种无曲轴式往复与旋转动力转换机构，包括往复动力部件、旋转输出轴等，其特征在于：所述的动力转换机构包含一个与往复动力部件固连的齿环框[1]、一个与动力轴[20]固连的动力轮[2]、一个行星轮[3]：

所述的齿环框[1]是一个齿边环形结构：其两边互相平行、可视为两根平行的背向齿条[11]、[12]，其两端呈半圆形、可视为两个半圆齿轮[13]、[14]；

所述的动力轮[2]位于齿环框[1]的前面，其轴[20]垂直于齿环框[1]的平面，往复运动的齿环框[1]的中心线始终不偏离动力轴[20]的轴心线；

所述的行星轮[3]以动力轮[2]为中心轮、拉杆[23]为转臂，可以环绕动力轴[20]公转与自转；它可以分为前后两个部分，通过齿轮等传动部件，分别跨接动力轮[2]和齿环框[1]：其前部与动力轮[2]联动，后部与齿环框[1]联动。

2.按照权力要求1所述的动力转换机构，其特征在于：所述的行星轮[3]为一个长齿轮，其前部与动力齿轮[2]始终直接啮合，后部与齿环框[1]始终直接啮合。

3.按照权力要求1所述的动力转换机构，其特征在于：所述的行星轮[3]是由前后两个齿轮[32]、[33]同轴固连而成的齿轮串，其前齿轮[32]与动力齿轮[2]始终直接啮合，后齿轮[33]与齿环框[1]始终直接啮合。

4.按照权力要求1或2或3所述的动力转换机构，其特征在于：所述的动力轴[20]不穿过齿环框[1]的内部，齿环框[1]可以是实心的齿环条，它需要靠限位部件来限定往复构件的位移范围。

5.一种压缩机，包括气缸、活塞、动力轴，其特征在于：所述的压缩机包含至少一组如权力要求1或2或3或4所述的动力转换机构，每组机构带动至少一组气缸活塞。

6.一种发动机，包括汽缸、活塞、旋转输出轴，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如权力要求1或2或3或4所述的动力转换机构，每组机构由至少一组汽缸活塞带动。

7.按照权力要求6所述的发动机，其特征在于：所述的发动机为点火相位间隔180度的4缸四冲程发动机或2缸二冲程发动机。

8.按照权力要求6所述的发动机，其特征在于：所述的发动机为点火相位间隔120度的6缸四冲程发动机或3缸二冲程发动机。

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