TWI718439B - 具有非圓形齒輪組之內燃機引擎 - Google Patents

Abstract

本發明係包括一內燃機、一正齒輪組及一非圓形齒輪組。內燃機設一曲柄軸；正齒輪組具有相互囓合之一第一正齒輪及一第二正齒輪；第一正齒輪同軸固定曲柄軸；第二正齒輪為第一正齒輪之兩倍齒數，第一正齒輪旋轉兩圈傳動第二正齒輪旋轉一圈。非圓形齒輪組具有相互囓合之一第一非圓形齒輪及一第二非圓形齒輪，第一、第二正齒輪同軸固定。內燃機經曲柄軸傳動正齒輪組，第二正齒輪以呈不等轉速之第一轉速，輸入驅動非圓形齒輪組。第一、第二非圓形齒輪之囓合關係，將不等轉速之輸入轉換為第二轉速之等速輸出，使第二非圓形齒輪之輸出為等速輸出。故，本案兼具可改善引擎輸出轉速時產生之振動，及後續可利用較小的減速比機構等優點。

Description

具有非圓形齒輪組之內燃機引擎

本發明係有關一種具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，尤指一種兼具可改善引擎輸出轉速時產生之振動，及後續可利用較小的減速比機構之具有非圓形齒輪組之內燃機引擎。

引擎又稱為內燃機，是一種典型的移動式機器，雖然固定於車體內部，卻隨著車子移動。其作用是產生熱能並將熱能轉為動能。此動作須有一定的工作程序，且連續不斷的運轉，稱為熱力循環。而引擎一般分為二行程與四行程兩大類，依燃料又可分為汽油與柴油。汽油引擎循環為奧圖循環，又稱等容循環，而柴油引擎循環為狄塞爾循環，又稱等壓循環。引擎之基本構造及運作原理分別如第18及第19圖所示，主要構造包括一汽缸91、至少一活塞92、至少一連桿93及一曲柄軸94(其餘尚有繁瑣之零組件，恕不贅述)。

引擎之動力循環包括進氣行程A1、壓縮行程A2、動力行程A3及排氣行程A4。由於此為習知技術，在此不詳述各行程之細節。

由上述說明可知，一個動力循環，四行程引擎的曲柄軸會作兩圈的迴轉(即會有720度)。由於每個行程中，汽缸內的工作氣體均會施予活塞不同程度的壓力，促使活塞作往復運動，而活塞的受力又會藉由連桿傳遞至曲柄軸。使得活塞、連桿以及曲柄軸在運轉的過程中，產生慣性力，由於連續且重複的作往復及迴轉運動，慣性力便持續且週期性的施加於汽缸及曲柄軸上，產生振動現象，成為引擎振動的主因。同時也會使得曲柄軸產生不等轉速的迴轉運動。導致曲柄軸作動力輸出時，將振動現象一併輸出至傳動件。

更詳細的說，一般的動力機械在運轉的過程中，通常都同時承受著不同程度的靜力以及慣性力，這些力量往往造成其機座以及相關傳動件在運轉中額外的負擔。靜力的分析一般可藉由靜力學的方法來完成，而慣性力的分析，則遠比其所承受的靜力來的複雜。在高速運轉的機器中，加速度所產生的慣性力往往遠大於作有效功的靜力。在無任何力量平衡設計的情況下，此慣性力的存在，易使得機座與傳動件在運轉過程中產生振動，在長時間的運轉中受到損害，尤其轉速越高，振動現象愈激烈，機件也越易受損。進而造成機器的運轉逐漸失去其原有的功能，並導致其相關構件的壽命減短，因此在設計的過程中必須將慣性力一併考慮。

舉例而言，當某一傳統引擎在轉速為980rpm時之動力循環(兩圈的迴轉，共720度)，其中之某一曲柄軸在不同角度時所產生實際之典型不等轉速輸出之情形，如參閱第20圖所示。當然，在不同轉速下，其不等轉速輸出之曲線也會略為不同(在此暫不詳述)。

由第20圖可知，此曲柄之輸出並非980rpm等速，而是在0度至360度時，由980rpm逐漸下降至約895rpm，之後之360度至480度區間則是急速上升至約1000rpm，最後的480度至720度區間，再緩降至980rpm。故，此為不等轉速之輸出的典型態樣。一般之多缸擎雖然可以稍為平均此現象，但針對某一曲柄而言，其輸出為不等轉速輸出一直是無法解決之問題。

特別是，當引擎在高速運轉，此曲柄軸產生不等轉速的迴轉運動以及振動現象一併輸出至傳動件之缺點會更顯著。

因此，有必要研發新技術，以解決上述缺點及問題。

本發明之目的，在於提供一種具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，其兼具可改善引擎輸出轉速時產生之振動，及後續可利用較小的減速比機構等優點。特 別是，本發明所欲解決之問題係在於當引擎在高速運轉，此曲柄軸產生不等轉速的迴轉運動以及振動現象一併輸出至傳動件之缺點會更顯著等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，當應用於四行程引擎，其包括：一內燃機，係具有至少一汽缸、至少一活塞、至少一連桿及一曲柄軸；一正齒輪組，係具有一第一正齒輪、第一轉軸、一第二正齒輪及一第二轉軸；該第一正齒輪、該第一轉軸及該曲柄軸係同軸連結；該第二正齒輪囓合於該第一正齒輪；該第二正齒輪之齒數係為該第一正齒輪之兩倍，該曲柄軸同軸帶動該第一正齒輪旋轉兩圈，該第一正齒輪係囓合傳動該第二正齒輪旋轉一圈；及一非圓形齒輪組，係具有一第一非圓形齒輪及一第二非圓形齒輪；該第二正齒輪、該第二轉軸及該第一非圓形齒輪係同軸連結；該第二非圓形齒輪係囓合於該第一非圓型齒輪；藉此，當該內燃機運轉時，係將動力經該曲柄軸輸入該正齒輪組，該第二正齒輪係以一第一轉速輸入驅動該非圓形齒輪組，該第一轉速呈不等轉速之輸入；該第一非圓形齒輪及該第二非圓形齒輪之囓合關係，係用以將該不等轉速之輸入轉換為一第二轉速之等速之輸出，進而使得該第二非圓形齒輪之輸出為等速之輸出；其中：該第一轉速係依序包括一前波動段、一轉速下降段、一轉速上升段及一後波動段。

當應用於二行程引擎，該曲柄軸係同軸連結該第一非圓形齒輪。

藉此，當該內燃機運轉時，係將動力經該曲柄軸，以該第一轉速輸入該第一非圓形齒輪，該第一轉速呈不等轉速之輸入。該第一非圓形齒輪及該第二非 圓形齒輪之囓合關係，係用以將該不等轉速之輸入轉換為該第二轉速之等速之輸出，進而使得該第二非圓形齒輪之輸出為等速之輸出。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10:內燃機

11、91:汽缸

12、92:活塞

13、93:連桿

14、94:曲柄軸

20:正齒輪組

21:第一正齒輪

22:第一轉軸

23:第二正齒輪

24:第二轉軸

30:非圓形齒輪組

31:第一非圓形齒輪

32:第二非圓形齒輪

ω1、ω3、ω5:第一轉速

ω2、ω4、ω6:第二轉速

P1:前波動段

P2:轉速下降段

P3:轉速上升段

P4:後波動段

ωA、ωG:調整轉速後曲線

ωB、ωH:調整轉速前曲線

ωC、ωI:角加速度調整後曲線

ωD、ωJ:角加速度調整前曲線

ωE、ωK:急跳度調整後曲線

ωF、ωL:急跳度調整前曲線

A1:進氣行程

A2:壓縮行程

A3:動力行程

A4:排氣行程

第1圖係本發明之主要結構之示意圖

第2圖係第1圖之部分結構之其他角度示意圖

第3圖係本發明之不等轉速475rpm作等速輸出之曲線圖

第4圖係第3圖之不等轉速475rpm之非圓形齒輪組之節曲線圖

第5圖係本發明之不等轉速490rpm作等速輸出之曲線圖

第6圖係第5圖之不等轉速490rpm之非圓形齒輪組之節曲線圖

第7圖係本發明之不等轉速897.5rpm作等速輸出之曲線圖

第8圖係第7圖之不等轉速897.5rpm之非圓形齒輪組之節曲線圖

第9圖係本發明之不等轉速475rpm之非圓形齒輪組之示意圖

第10圖係本發明之不等轉速490rpm之非圓形齒輪組之示意圖

第11圖係本發明之不等轉速897.5rpm之非圓形齒輪組之示意圖

第12圖係本發明之不等轉速475rpm經非圓形齒輪調速後之輸出曲線圖

第13圖係本發明之不等轉速475rpm之角加速度經非圓形齒輪調速後的輸出曲線圖

第14圖係本發明之不等轉速475rpm之急跳度經非圓形齒輪調速後的輸出曲線圖

第15圖係本發明之不等轉速490rpm經非圓形齒輪調速後的輸出曲線圖

第16圖係本發明之不等轉速490rpm之角加速度經非圓形齒輪調速後的輸出曲線圖

第17圖係本發明之不等轉速490rpm之急跳度經非圓形齒輪調速後的輸出曲線圖

第18圖係公知內燃機引擎之基本構造之示意圖

第19圖係第18圖之運作原理之示意圖

第20圖係第18圖之不等轉速980rpm之曲線圖

參閱第1及第2圖，本發明係為一具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，其包括：一內燃機10，係具有至少一汽缸11、至少一活塞12、至少一連桿13及一曲柄軸14。

一正齒輪組20，係具有一第一正齒輪21、第一轉軸22、一第二正齒輪23及一第二轉軸24。該第一正齒輪21、該第一轉軸22及該曲柄軸14係同軸連結；該第二正齒輪23囓合於該第一正齒輪21；該第二正齒輪23之齒數係為該第一正齒輪21之兩倍，該曲柄軸14同軸帶動該第一正齒輪21旋轉兩圈，該第一正齒輪21係囓合傳動該第二正齒輪23旋轉一圈；及一非圓形齒輪組30，係具有一第一非圓形齒輪31及一第二非圓形齒輪32。該第二正齒輪23、該第二轉軸24及該第一非圓形齒輪31係同軸連結；該第二非圓形齒輪32係囓合於該第一非圓型齒輪31。

藉此，當該內燃機10運轉時，係將動力經該曲柄軸14輸入該正齒輪組20，該第二正齒輪23係以一第一轉速ω1(參閱第3圖)輸入驅動該非圓形齒輪組30，該第一轉速ω1呈不等轉速之輸入。該第一非圓形齒輪31及該第二非圓形齒輪32之囓合關係，係用以將該不等轉速之輸入轉換為一第二轉速ω2之等速之輸出，進而使得該第二非圓形齒輪32之輸出為等速之輸出；其中： 參閱第3圖，該第一轉速ω1係依序包括：一前波動段P1、一轉速下降段P2、一轉速上升段P3及一後波動段P4，且該轉速下降段P2之下降幅度係小於該轉速上升段P3之上升幅度。

實務上，該第一轉速ω1係為897.5rpm。

在此要特別說明的部分是，參閱第3圖，公知四行程引擎曲柄軸轉兩圈才完成一次循環，而兩圈的轉速變化不相同。因此本案先於該曲柄軸14上加裝一對轉速比為2：1之該正齒輪組20，將兩圈的轉動角度轉變為一圈，即一轉完成一次循環，再將設計出的該非圓形齒輪組30之該第一非圓形齒輪31(如第4圖所示，係非圓形齒輪組之節曲線圖)、該第二正齒輪23及第二轉軸24同軸連結。

當然，本發明亦可應用於二行程引擎，由於公知二行程引擎曲柄軸轉一圈即完成一次循環，故此時該正齒輪組20可被忽略，該曲柄軸14係同軸連結該第一非圓形齒輪31。

藉此，當該內燃機10運轉時，係將動力經該曲柄軸14，以一第一轉速ω1輸入該第一非圓形齒輪31，該第一轉速ω1呈不等轉速之輸入。該第一非圓形齒輪31及該第二非圓形齒輪32之囓合關係，係用以將該不等轉速之輸入轉換為一第二轉速ω2之等速之輸出，進而使得該第二非圓形齒輪32之輸出為等速之輸出。

參閱以下三種轉速曲線，皆係已透過該正齒輪組20轉變成一圈的轉速變化，而轉速將變為原本的一半，因此轉速950rpm變為475rpm(參閱第3及第4圖)；轉速980rpm變為490rpm(參閱第5及第6圖)；轉速1795rpm變為897.5rpm(參閱第7及第8圖)。

其中，ω1、ω3及ω5皆為主動齒輪(即該第一非圓形齒輪31)輸入之轉速，ω2、ω4及ω6為被動齒輪(即該第二非圓形齒輪32)輸出之轉速。

以下將針對這三條不同轉速曲線根據節曲線合成原理，設計出非圓形齒輪節曲線，分別如下所述：

(1)不等轉速475rpm：在此利用第3圖所示之不等轉速475rpm作等速輸出，根據節曲線合成原理設計出非圓形齒輪組的節曲線形狀，如第4圖所示。

(2)不等轉速490rpm：在此利用第5圖所示之不等轉速490rpm作等速輸出，根據節曲線合成原理設計出非圓形齒輪組的節曲線形狀，如第6圖所示。

(3)不等轉速897.5rpm：在此利用第7圖所示之不等轉速897.5rpm作等速輸出，根據節曲線合成原理設計出非圓形齒輪組的節曲線形狀，如第8圖所示。

由於本案最終要以齒輪組來實現，利用已知的齒形創成法，分別將不等轉速475rpm、490rpm以及897.5rpm，設計出該非圓形齒輪組30，下表1為該非圓形齒輪組30之參數。

其中，如第9(不等轉速475rpm)、第10(不等轉速490rpm)及第11(不等轉速897.5rpm)圖所示，每一圖中的右邊之非圓形齒輪為輸入之主動輪(即該第一非圓形齒輪31)，左邊的非圓形齒輪為輸出之被動輪(即該第二非圓形齒輪32)。

有關該非圓形齒輪組30對轉速的影響，非圓形齒輪的優點，在於可滿足特定的傳動需求，例如，不等轉速運動、精確的角位移之輸入與輸出、改變傳動過程的負載等。

若利用不等轉速897.5rpm，以設計非圓形齒輪，當單缸引擎設置此對非圓形齒輪時，各轉速的速度變動情形亦發生變化，如第7圖所示為不等轉速897.5rpm，經非圓形齒輪調整轉速後呈現等速的輸入轉速。若裝置該非圓形齒輪，原先不等轉速475rpm之轉速曲線，變化成如第12圖所示之調整轉速後曲線ωA，由圖上可看出調整轉速後曲線ωA，比調整轉速前曲線ωB的波動幅度來的小一些，可見利用此非圓形齒輪以調整引擎輸出轉速時，可獲得些微改善，但無法使轉速呈現等速的效果。經非圓形齒輪調整後的角加速度如第13圖所示，不等轉速475rpm之角加速度調整後曲線ωC，比不等轉速475rpm之角加速度調整前曲線ωd之波動幅度來的小一些。至於經非圓形齒輪調整後的急跳度如第14圖所示，不等轉速475rpm之急跳度調整後曲線ωE，比不等轉速475rpm之急跳度調整前曲線ωF之波動幅度來的小一些。

若裝置該非圓形齒輪，原先不等轉速490rpm之轉速曲線變化成如第15圖所示之調整轉速後曲線ωG，由圖上可看出調整轉速後曲線ωG，比調整轉速前曲線ωH的波動幅度來的小一些，可見得利用此非圓形齒輪以調整引擎輸出轉速時，可以獲得些微的改善，但無法使該轉速均呈現等速的效果。經非圓形齒輪調整後的角加速度如第16圖所示，不等轉速490rpm之角加速度調整後曲線ωI，比不等轉速490rpm之角加速度調整前曲線ωJ之波動幅度來的小一些。至於經非圓形齒輪調整後的急跳度如第17圖所示，不等轉速490rpm之急跳度調整後曲線ωK，比不等轉速490rpm之急跳度調整前曲線ωL之波動幅度來的小一些。

由以上分析結果可看出，只有以不等轉速897.5rpm所設計出之非圓形齒輪組，裝上單缸引擎時，不等轉速475rpm以及490rpm皆獲得改善。本研究的目的 就是希望設計出一非圓形齒輪組，不管引擎是在低速運轉或是高速運轉時，皆能夠透過此非圓形齒輪組獲得改善。因此本研究選擇以不等轉速897.5rpm製作非圓形齒輪組，並以3D列印製出非圓形齒輪組模型。而後續的研究則可導入最佳化的目標函數與最佳化方法，或是變速裝置。

換言之，由結果分析得知，若以低轉速設計時，當引擎轉速提升，轉速波動幅度反而增加，因此無法依據低轉速進行設計；以高轉速設計時，轉速皆獲得改善，因此採用高轉速進行非圓形齒輪組之設計較佳。

本案之優點及功效可歸納如下：

[1]可改善引擎輸出轉速時產生之振動。由於本案搭配獨特之非圓形齒輪組，其輸出轉速時遠比傳統裝置平順，特別是其經非圓形齒輪組調整後的角加速度以及急跳度均大幅改善，故，可改善引擎輸出轉速時產生之振動。

[2]後續可利用較小的減速比機構。由於已先接上一轉速比2：1之正齒輪組，將兩圈的變化改為一圈，轉速也變為原本轉速的一半，故，後續可利用較小的減速比機構。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

10:內燃機

11:汽缸

12:活塞

13:連桿

14:曲柄軸

20:正齒輪組

21:第一正齒輪

22:第一轉軸

23:第二正齒輪

24:第二轉軸

30:非圓形齒輪組

31:第一非圓形齒輪

32:第二非圓形齒輪

Claims (2)

1. 一種具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，係包括：一內燃機，係具有至少一汽缸、至少一活塞、至少一連桿及一曲柄軸；一正齒輪組，係具有一第一正齒輪、第一轉軸、一第二正齒輪及一第二轉軸；該第一正齒輪、該第一轉軸及該曲柄軸係同軸固定；該第二正齒輪囓合於該第一正齒輪；該第二正齒輪之齒數係為該第一正齒輪之兩倍，該曲柄軸同軸帶動該第一正齒輪旋轉兩圈，該第一正齒輪係囓合傳動該第二正齒輪旋轉一圈；及一非圓形齒輪組，係具有一第一非圓形齒輪及一第二非圓形齒輪；該第二正齒輪、該第二轉軸及該第一非圓形齒輪係同軸固定；該第二非圓形齒輪係囓合於該第一非圓型齒輪；藉此，當該內燃機運轉時，係將動力經該曲柄軸輸入該正齒輪組，該第二正齒輪係以一第一轉速輸入驅動該非圓形齒輪組，該第一轉速呈不等轉速之輸入；該第一非圓形齒輪及該第二非圓形齒輪之囓合關係，係用以將該不等轉速之輸入轉換為一第二轉速之等速之輸出，進而使得該第二非圓形齒輪之輸出為等速之輸出；其中：該第一轉速係依序包括一前波動段、一轉速下降段、一轉速上升段及一後波動段，且該轉速下降段之下降幅度係小於該轉速上升段之上升幅度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有非圓形齒輪組之內燃機引擎，其中，該第一轉速係為897.5rpm。

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