取代曲轴连杆的发动机传动机构及联动动力传递机构 |
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| 申请号 | CN201410790223.2 | 申请日 | 2014-12-17 | 公开(公告)号 | CN104500667A | 公开(公告)日 | 2015-04-08 |
| 申请人 | 安里千; | 发明人 | 安里千; 刘庆; 毛灵涛; 刘升贵; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的取代 曲轴 连杆 的 发动机 传动机构包括安装在 主轴 一端的扇形 齿轮 、在导向板上滑动的 齿条 和使齿条复位的转动臂，齿条与扇形齿轮交替 啮合 ，主轴随驱动扇形齿轮转动并输出动 力 ，扇形齿轮侧面上的轴颈和齿条侧面上的复位圆杆借助转动臂中的轴颈滑槽和复位滑槽交替驱动转动臂往复摆动， 活塞 在 下止点 时，扇形齿轮一端的端齿与齿条一端的端齿脱离，轴颈借助转动臂的引导槽可避免轴颈与轴颈滑槽端口碰撞，活塞越过 上止点 时，轴颈借助引导槽可避免扇形齿轮另一端端齿与齿条另一端端齿碰撞，使活塞的往复直线运动与扇形齿轮旋转运动平稳地相互转换，本发明可以取代曲轴连杆传动装置，克服了 曲柄 连杆机构 中固有的缺点，大幅度提高了发动机的转换效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种取代曲轴连杆的发动机传动机构，其特征在于：包括壳体(1)和通过两主轴(3)安装在壳体(1)内的转换机构，所述转换机构包括固定在其中一根主轴(3)一端的扇形齿轮(4)和通过导向板(6)安装在壳体(1)内的齿条(5)以及驱动所述齿条(5)复位的复位装置，所述齿条(5)交替与所述扇形齿轮(4)啮合并驱动扇形齿轮(4)转动，所述复位装置包括轴颈(8)、固定在所述齿条(5)侧面上的复位圆杆(13)和转动臂(7)，所述轴颈(8)一端固定在所述扇形齿轮(4)侧面上，轴颈(8)的轴线与扇形齿轮(4)的扇齿圆弧(403)中分线正交，轴颈(8)的另一端部与曲拐臂(16)一端部的侧面固定连接，所述曲拐臂(16)另一端部的另一侧面与另一主轴(3)的端部固定连接，所述曲拐臂(16)分别与所述轴颈(8)和主轴(3)正交，两个所述主轴(3)借助轴承座分别安装在壳体(1)两侧壁上并分别与动力输出机构连接，所述两主轴(3)同轴线，所述转动臂(7)借助铰接座与所述壳体(1)内壁铰接，所述转动臂(7)上设置有连通槽，所述轴颈(8)和复位圆杆(13)在所述转动臂(7)上的连通槽中运动，所述转动臂(7)通过复位圆杆(13)驱动所述齿条(5)复位，所述齿条(5)的端部通过连杆(9)与活塞(10)连接，所述活塞(10)置于气缸体(15)的气缸(14)中构成单缸发动机。 |
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| 说明书全文 | 取代曲轴连杆的发动机传动机构及联动动力传递机构技术领域背景技术[0004] 1、曲轴柄连杆机构转换效率较低。以活塞-连杆-曲轴柄转换机构发动机为例，作用在活塞上的燃气压力通过连杆传递给到曲轴柄，曲轴柄将其转换为扭矩输出转动动力。由于曲轴柄连杆机构有上、下止点及连杆摆动，其几何机构及受力状态较复杂，各个部件皆处在复杂的三向应力状态，此时作用在活塞上的燃气压力被分解为沿连杆轴线方向的作用力和垂直于汽缸轴线方向作用在缸壁的侧压力，作用在曲轴柄上的沿连杆轴线方向的作用力再次分解为垂直曲轴半径方向的切向力和沿半径方向的法向力，经过两次分解得到产生扭矩的切向力远小于作用在活塞上燃气压力。发动机输出动力矩等于切向力与曲轴半径之积，因此由曲轴切向作用力输出的扭矩远小于活塞上的燃气压力直接转换的扭矩。上述分析表明曲轴连杆机构将直线往复运动转换为匀速圆周运动的转换效率较低，即燃气压力通过曲轴连杆机构输出有用功功率较低。计算表明一台发动机在点火提前角为10度时点火，此时活塞总作用力即最大作用力只有百分之二十左右转换为产生曲轴扭矩的切向作用力； [0005] 2、曲轴连杆机构中连杆摆动使作用在活塞上的燃气压力产生垂直缸壁的侧向压力，增大了活塞与缸壁之间的侧向摩擦力，加速了汽缸壁侧向磨损，不仅降低了活塞的做功效率，而且还会造成“卡缸”使活塞无法工作； [0006] 3、曲轴连杆机构中连杆摆动产生的不平衡回转质量和回转运动引起惯性力，使活塞与汽缸壁及转动接触面产生交变冲击力，增大了各个部件间的不均匀摩擦和撞击，不仅影响发动机的输出功率，而且使发动机产生较大的振动和噪声。 发明内容[0008] 为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案： [0009] 本发明的取代曲轴连杆的发动机传动机构，包括壳体和通过两主轴安装在壳体内的转换机构，所述转换机构包括固定在其中一根主轴一端的扇形齿轮和通过导向板安装在壳体内的齿条以及驱动所述齿条复位的复位装置，所述齿条交替与所述扇形齿轮啮合，所述齿条驱动扇形齿轮转动，所述复位装置包括轴颈、固定在所述齿条侧面上的复位圆杆和转动臂，所述轴颈一端固定在所述扇形齿轮侧面上，轴颈的轴线与扇形齿轮的扇齿圆弧中分线正交，轴颈的另一端部与曲拐臂一端部的侧面固定连接，所述曲拐臂另一端部的另一侧面与另一主轴的端部固定连接，所述曲拐臂分别与所述轴颈和主轴正交，两个所述主轴借助轴承座分别安装在壳体两侧壁上并分别与动力输出机构连接，所述两主轴同轴线，所述转动臂借助铰接座与所述壳体内壁铰接，所述转动臂上设置有连通槽，所述轴颈和复位圆杆在所述转动臂上的连通槽中运动，所述转动臂通过复位圆杆驱动所述齿条复位，所述齿条的端部通过连杆与活塞连接，所述活塞置于气缸体的气缸中构成单缸发动机。 [0010] 通过上述扇形齿轮、齿条和复位装置的配合，可以将活塞的直线往复运动转化为扇形齿轮和主轴的圆周运动，而活塞轴线方向的总作用力可以通过齿条直接作用在扇形齿轮的切线方向上，扇形齿轮输出扭矩的切向力近似等于活塞轴线方向总作用力，克服了曲柄连杆机构中固有的缺点，大幅度提高了发动机的转换效率。 [0011] 本发明所述主轴与所述扇形齿轮正交，所述扇形齿轮的中心轴线与主轴的轴线共线，所述扇形齿轮的扇齿圆弧的长度等于活塞的行程，扇齿圆弧所对应的圆心角大于180度，所述扇形齿轮的一端齿为第一轮端齿，扇形齿轮的另一端齿为第二轮端齿，所述第一轮端齿能交替地与齿条的第一齿条端齿啮合，所述第二轮端齿能交替地与齿条的第二齿条端齿和第三齿条端齿啮合，这样就实现了扇形齿轮交替与齿条啮合，避免齿条干涉扇形齿轮和主轴的转动。 [0012] 本发明所述转动臂上的连通槽包括沿所述转动臂的中分线开设相连通的轴颈滑槽、宽槽和复位滑槽以及在所述轴颈滑槽和宽槽之间的引导槽，所述宽槽一端通过两个引导槽帮与所述轴颈滑槽衔接，另一端通过两个斜槽帮与复位滑槽衔接，所述引导槽是所述第二轮端齿与所述第二齿条端齿和第三齿条端齿在半啮合过程中所述轴颈在所述转动臂上转动形成的弯曲槽，所述的半啮合是指所述第二轮端齿只与所述第二齿条端齿和第三齿条端齿之一接触的啮合状态，所述轴颈滑槽的槽帮分别与引导槽帮的衔接棱线为槽端线，所述引导槽的宽度和轴颈滑槽的宽度等于轴颈的直径，所述复位滑槽的宽度等于所述复位圆杆的直径，所述宽槽的宽度大于或等于所述轴颈滑槽宽度与齿条齿距的2倍之和，所述轴颈在轴颈滑槽、引导槽和宽槽中运动，所述轴颈交替从轴颈滑槽的端口滑出或滑入，所述复位圆杆在复位滑槽中往复滑动。 [0013] 上述扇形齿轮侧面上的轴颈和齿条侧面上的复位圆杆借助转动臂中的轴颈滑槽和复位滑槽交替驱动转动臂往复摆动，转动臂带动齿条与扇形齿轮无碰撞啮合，具体地，当活塞在复位装置的作用下到达上止点后，轴颈随扇形齿轮继续顺时针转动并依次通过转动臂、复位圆杆和复位滑槽驱动齿条开始向下止点运动，轴颈滑出引导槽的端口时，齿条的第一齿条端齿与扇形齿轮的第一轮端齿同方向运动，齿条的第一齿条端齿与扇形齿轮的第一轮端齿无碰撞啮合，从而使活塞的往复直线运动与扇形齿轮旋转运动平稳地相互转换。 [0014] 本发明所述铰接座包括两个并排安装在所述壳体内壁上的基座和安装在所述基座上的基座销，所述基座销轴线与所述主轴的轴线平行，所述基座销轴线到所述主轴轴线的距离大于扇形齿轮的半径，所述基座销套在所述转动臂一端的圆孔中。 [0015] 本发明所述导向板的底部固定安装在所述壳体的内壁上，所述导向板的厚度等于扇形齿轮的厚度，导向板的两侧面与所述扇形齿轮的两侧面共面，所述导向板的上顶面设置有导向轨，所述齿条底面设有与所述导向轨相匹配的导向槽，导向轨置于所述导向槽中，所述齿条在所述导向轨上，其中导向槽可以是燕尾槽或者T型槽，以免导向轨脱离运行轨道，此外，在齿条的底面设置导向槽可以减小齿条的自身重量，减小工作时产生的冲击和噪音。 [0016] 本发明还提供一种联动动力传递机构，使用上述的取代曲轴连杆的发动机传动机构，所述联动动力传递机构由多套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构组成，多套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构的主轴轴线共线，靠近所述壳体侧壁安装的主轴与外部动力输出机构连接，在所述壳体内的各主轴同轴连接。 [0017] 在上述联动动力传递机构中壳体内设置两套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构，靠近所述壳体侧壁安装的主轴通过轴承座分别安装在壳体两侧壁上，并分别与动力输出机构连接，在所述壳体内的两主轴同轴连接，两套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构的转动臂、齿条、连杆及活塞互为反向运动，两套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构中的活塞分别置于气缸体的两个气缸中构成两缸发动机组。 [0018] 在上述联动动力传递机构中壳体内设置四套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构为第一动力传递机构、第二动力传递机构、第三动力传递机构和第四动力传递机构，靠近所述壳体侧壁安装的主轴通过轴承座分别安装在壳体两侧壁上，并分别与动力输出机构连接，在所述壳体内的相邻近的主轴同轴连接，所述第一动力传递机构和第三动力传递机构的转动臂、齿条、连杆及活塞运动方向相同，所述第二动力传递机构和第四动力传递机构的转动臂、齿条、连杆及活塞运动方向相同，所述第一动力传递机构与第二动力传递机构的转动臂、齿条、连杆及活塞互为反向运动，各套所述取代曲轴连杆的发动机传动机构中的四个活塞分别置于气缸体的四个气缸中构成四缸发动机组。 [0019] 本发明的取代曲轴连杆的发动机传动机构及联动动力传递机构与现有技术相比区别和优点在于： [0020] 1)本发明的取代曲轴连杆的发动机传动机构的气缸体活塞轴线方向的总作用力通过齿条直接作用在扇形齿轮的切线方向，扇形齿轮输出扭矩的切向力近似等于活塞轴线方向总作用力，提高了直线往复运动与圆周运动相互转换的转换效率，可有效节省能源； [0021] 2)本发明提供的动力传递机构的气缸体活塞轴线总作用力方向与输出扭矩的切向力方向平行，活塞轴线方向总作用力不会被分解产生对气缸体内壁的侧压力，不会产生垂直缸壁的侧向压力，避免了活塞和缸壁之间侧向压力产生的侧向摩擦力和由侧向摩擦力引起的汽缸体缸壁侧向磨损及“卡缸”，提高了活塞的做功效率； [0022] 3)本发明在活塞运行于上止点或提前角很小时点火，即燃气压缩比最大时点火，以产生最大燃气压力，在输出力矩一定的情况下，可任意设计活塞行程，即直线往复运动的行程，例如活塞行程可减小，增大活塞直径以增加作用在活塞上的燃气压力，以输出更大的扭矩； [0023] 4)本发明的动力传递机构惯性力小，降低了发动机产生的振动和噪声及气缸壁与活塞之间的磨损，也减小了发动机启动动力。 [0024] 本发明提供的动力传递机构采用扇形齿轮、齿条及转动臂混合驱动机构替代传统的曲柄连杆机构，实现了直线往复运动与圆周运动相互转换，本发明的动力传递机构亦可用于任何形式的将旋转运动转换为往复直线运动的机械，例如：活塞式油、气、水泵及压缩机等。附图说明 [0025] 图1是实施例一的取代曲轴连杆的发动机传动机构的主视剖视图； [0026] 图2是图1中的取代曲轴连杆的发动机传动机构的I-I方向剖视图； [0027] 图3是图1中的取代曲轴连杆的发动机传动机构的J-J方向剖视图； [0028] 图4是实施例一中的活塞行至上止点时的转换机构的示意图； [0029] 图5为实施例一中的活塞行至下止点时的转换机构的示意图； [0030] 图6是实施例一中的活塞行至上止点时的轴颈位置示意图； [0031] 图7为实施例一中的活塞行至下止点时的轴颈位置示意图； [0032] 图8是实施例一的转动臂的结构示意图； [0033] 图9是实施例一中的活塞行至下止点时取代曲轴连杆的发动机传动机构的结构示意图； [0034] 图10是实施例二的联动动力传递机构的结构示意图； [0035] 图11是图10中的联动动力传递机构M-M方向剖视图； [0036] 图12是图11中的联动动力传递机构K-K方向剖视图； [0037] 图13是实施例三的联动动力传递机构结构示意图。 具体实施方式[0038] 下面结合附图对本发明的取代曲轴连杆的发动机传动机构及联动动力传递机构的具体实施方式进行说明： [0039] 实施例一： [0040] 如图1和2所示，图1是图2中的取代曲轴连杆的发动机传动机构H-H方向剖视图，本实施例的取代曲轴连杆的发动机传动机构，包括壳体1和通过两主轴3安装在壳体1内的转换机构，转换机构包括固定在其中一根主轴3一端的扇形齿轮4和通过导向板6安装在壳体1内的齿条5以及驱动齿条5复位的复位装置，齿条5交替与扇形齿轮4啮合并驱动扇形齿轮4转动，齿条5的端部通过连杆9与活塞10连接，活塞10置于气缸体15的气缸14中构成单缸发动机。 [0041] 如图1-5所示，扇形齿轮4与主轴3正交，扇形齿轮4的中心轴线与主轴3的轴线共线，扇形齿轮4的扇齿圆弧403的长度等于活塞10的行程，扇齿圆弧403所对应的圆心角大于180度，例如，活塞10的行程为80mm，扇齿圆弧403所对应的圆心角为240度，扇齿圆弧403的半径近似等于20mm。参见图4，扇形齿轮4的一端齿为第一轮端齿401，扇形齿轮4的另一端齿为第二轮端齿402，第一轮端齿401能交替地与位于齿条5下端的第一齿条端齿501啮合，第二轮端齿402能交替地与齿条5的第二齿条端齿502和第三齿条端齿503啮合，参见图5，当第二轮端齿402只与第二齿条端齿502和第三齿条端齿503之一接触的啮合状态为半啮合。 [0042] 如图1-3所示，复位装置包括轴颈8、固定在齿条5侧面上的复位圆杆13和转动臂7，轴颈8一端固定在扇形齿轮4侧面上，轴颈8的轴线与扇形齿轮4的扇齿圆弧403中分线正交，轴颈8的另一端部与曲拐臂16一端部的侧面固定连接，曲拐臂16另一端部的另一侧面与主轴3的端部固定连接，曲拐臂16分别与轴颈8和主轴3正交，两个主轴3借助轴承座分别安装在壳体1两侧壁上并分别与动力输出机构连接，两主轴3同轴线。 [0043] 如图1、4和5所示，铰接座包括两个并排安装在壳体1内壁上的形状相同的基座11和安装在基座11上的基座销12，基座销12轴线与主轴3的轴线平行，基座销12轴线到主轴3轴线的距离大于扇形齿轮4的半径，基座销12套在转动臂7一端的圆孔704(参见图8)中，使转动臂7借助基座销12和两个基座11与壳体1一侧的内壁铰接，圆孔704直径等于基座销12直径，轴颈8的旋转半径除以180度减去二分之一扇齿圆弧403的圆心角的余弦等于基座销12轴线与扇形齿轮4中心延长线之间的距离，基座销12轴线到扇形齿轮 4中心连线之间的距离等于轴颈8的旋转半径20mm除以60度角的余弦，约等于40mm，轴颈 8和基座销12之间的距离约等于35mm，轴颈8和基座销12之间的距离与轴颈滑槽701(参见图8)槽端口到基座销12的距离之差为轴颈滑槽701的最小长度为25mm。 [0044] 如图4、5和8所示，转动臂7上的连通槽包括沿转动臂7的中分线开设相连通的轴颈滑槽701、宽槽702和复位滑槽703以及在轴颈滑槽701和宽槽702之间的引导槽707，宽槽702一端通过两个引导槽帮706与轴颈滑槽701衔接，另一端通过两个斜槽帮与复位滑槽703衔接，引导槽707是第二轮端齿402与第二齿条端齿502和第三齿条端齿503在半啮合过程中轴颈8在转动臂7上转动形成的弯曲槽，轴颈滑槽701的槽帮分别与引导槽帮706的衔接棱线为槽端线705，引导槽707的宽度和轴颈滑槽701的宽度等于轴颈8的直径，复位滑槽703的宽度等于复位圆杆13的直径，宽槽702的宽度大于或等于轴颈滑槽701宽度与齿条5齿距的2倍之和，轴颈8在轴颈滑槽701、引导槽707和宽槽702中运动，轴颈8交替从轴颈滑槽701的槽端口滑出或滑入，复位圆杆13在复位滑槽703中往复滑动，轴颈滑槽701的槽端口与复位圆柱13之间的距离等于宽槽702的长度，活塞10在下止点位置时，宽槽702靠近复位圆杆13的端口与复位圆杆13之间的距离等于复位滑槽703的长度。 [0045] 如图3-5所示，齿条5借助导向板6安装在壳体1内，导向板6的底部固定安装在壳体1的内壁上，导向板6的厚度等于扇形齿轮4的厚度，导向板6的两侧面与扇形齿轮4的两侧面共面，导向板6的上顶面设置有导向轨601，齿条5底面设有与导向轨601相匹配的导向槽504，导向轨601置于导向槽504中，齿条5沿导向轨601滑动，其中，导向槽504可以是燕尾槽或者T型槽，可以防止齿条5脱离运行轨道。 [0046] 第一实施例的取代曲轴连杆的发动机传动机构运行过程为： [0047] 如图1、2和3所示，当活塞10从上止点向下止点运行时，活塞10借助连杆9推动齿条5在导向板6上滑动，齿条5驱动与其啮合的扇形齿轮4顺时针转动，齿条5上的复位圆杆13在复位滑槽703中滑动并带动转动臂7绕基座销12顺时针转动，当轮端齿402与齿条端齿502和齿条端齿503开始半啮合时，轴颈8到达引导槽707的端口，然后轴颈8从宽槽702进入引导槽707中。 [0048] 如图4、5、6、7和9所示，当活塞10到达其行程的下止点时，轴颈8从引导槽707旋转到轴颈滑槽701和引导槽707端口的槽端线705处，轮端齿401与齿条端齿501脱离，然后扇形齿轮4在惯性作用下继续顺时针转动，随扇形齿轮4转动的轴颈8进入轴颈滑槽701中，轴颈8借助轴颈滑槽701驱动转动臂7绕基座销12开始逆时针转动，逆时针转动的转动臂7借助于复位滑槽703中的复位圆杆13驱动齿条5、连杆9和活塞10向其行程的上止点运动。 [0049] 如图1、4和5所示，当活塞10到达上止点后，轴颈8开始从轴颈滑槽701滑向宽槽702，轴颈8先从槽端线705滑入引导槽707中，轴颈8借助引导槽707驱动转动臂7绕基座销12开始顺时针转动，复位滑槽703中的复位圆杆13驱动齿条5开始向下止点运动，轴颈8滑出引导槽707的端口时，齿条5的齿条端齿501与扇形齿轮4的轮端齿401同方向运动，齿条端齿501与轮端齿401无碰撞啮合，轴颈8进入宽槽702中，与扇形齿轮4啮合的齿条5继续向下止点运动，复位圆杆13借助复位滑槽703驱动转动臂7继续顺时针转动，齿条5在活塞10的作用下驱动扇形齿轮4继续顺时针转动，齿条5、连杆9和活塞10继续向其行程的下止点运动。 [0050] 当活塞10再次到达其行程的下止点时，轴颈8再次从引导槽707旋转到轴颈滑槽701和引导槽707端口的槽端线705处，相关的各个部件将周而复始地重复上述的运行过程，将活塞10的往复直线运动转换为扇形齿轮4和主轴3顺时针圆周运动。 [0051] 本发明还提供由多套上述取代曲柄连接的动力传递机构组成一种联动动力传递机构发动机，例如，由两套相同的取代曲轴连杆的发动机传动机构组成联动动力传递机构发动机具体实施方式如实施例二： [0052] 如图10-12所示，在壳体1内设置两套结构相同的动力传递机构，两套动力传递机构中与曲拐臂16相连的主轴3同轴连接，两动力传递机构中与扇形齿轮4侧面固定连接的主轴3分别通过轴承座安装在壳体1的两侧壁上并与外部的动力输出机构连接，其中，第一套取代曲轴连杆的发动机传动机构中的活塞10运行到行程的上止点时，第二套取代曲轴连杆的发动机传动机构中的活塞10恰好运行到行程的下止点，两套取代曲轴连杆的发动机传动机构中的活塞10分别置于气缸体15的两个气缸14中构成两缸发动机组。 [0053] 第二实施例的联动动力传递机构发动机的运行过程如下：第一套取代曲轴连杆的发动机传动机构的运行过程与第一实施例中的动力传递机构运行过程相同，第二套取代曲轴连杆的发动机传动机构中的转动臂7、齿条5、连杆9及活塞10与第一实施例中的转动臂7、齿条5、连杆9及活塞10互为反向运动。 [0054] 实施例三： [0055] 如图13所示，本实施例在壳体1内设置第一动力传递机构、第二动力传递机构、第三动力传递机构和第四动力传递机构，靠近壳体1侧壁安装的主轴3通过轴承座分别安装在壳体1两侧壁上，并分别与动力输出机构连接，在壳体1内的相邻近的主轴3同轴连接，第一动力传递机构和第三动力传递机构的转动臂7、齿条5、连杆9及活塞10运动方向相同，第二动力传递机构和第四动力传递机构的转动臂7、齿条5、连杆9及活塞10运动方向相同，第一动力传递机构与第二动力传递机构的转动臂7、齿条5、连杆9及活塞10互为反向运动，各套取代曲轴连杆的发动机传动机构中的四个活塞10分别置于气缸体15的四个气缸14中构成四缸发动机组。 [0056] 如图13所示，第三实施例的联动动力传递机构的运行过程：参见第一实施例和第二实施例转换机构运行过程，第一转换机构和第三转换机构的运行过程相同，第二转换机构和第四转换机构运行过程相同。 |
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