一技术领域
[0001] 本
发明涉及一种由椭圆齿轮构成
传动系统的微型发动机，尤其涉及一种部件极少，无
连杆机构，运转无震动，可应用于航模或
燃料电池的微型
四冲程发动机。二背景技术
[0002] 目前现有微型发动机中，技术较成熟的主要为微型单缸
活塞式发动机、微型三
角转子发动机、微型
涡轮喷射发动机，其中单缸活塞式发动机是由摩托车的两冲程发动机缩小体积而衍生出来的，虽然其发展经历了数十年，但是由于两冲程发动机自身的
缺陷，微型活塞式发动机不可避免的会存在很多问题。比如使用两冲程的换气方式使其污染严重，部分可燃气体未点燃便排出使其油耗过大，每次燃烧使用的都是新气体与上一次废气的混合气体使整机功率降低。汽缸的上下往复式运动使其有着很强的震动，往复式运动又使整机极限转速降低。一般的微型活塞发动机使用的是热火头来点火，气体燃烧是由热火头上热延时乌丝与汽缸压
力配合点火，点火时间很难掌握，很容易过早或过晚造成整机功率降低。另外在工作时活塞与汽缸间的
摩擦力很大，使用时还要向燃料内添加专用机油来减少摩擦力达到增加整机寿命的目的。航模中尽几年出现的微型三角
转子发动机要比单缸活塞式发动机表现得更加出色，其功率要比单缸活塞式发动机大很多，在运转时其极限转速要比单缸活塞式发动机高很多。不过其也存在着很大的缺陷。比如使用三角转子的偏心转动来实现连续运转，其偏心转动带来的震动是不可避免的，另外汽缸在膨胀时其动力的传动方式使其扭力非常小，只有达到很高的转速，
马力才有所体现。三角转子所形成的汽缸形状狭长，使燃烧效率降低。另外其特有的汽缸形状与转子间的配合，使密封问题很难得到解决，需要特殊的材料与设备才能进行加工制造。在以上三种发动机中还有一类是微型涡轮喷射发动机，该机常被用来装配在航模飞机上，分为脉冲发动机或涡喷发动机，其优点为体积小，功率大，转子无偏心转动。但其缺点是致命的，涡轮喷射发动机是靠高速转子的高速转动，利用高压喷射的空气流产生推力，其油耗相当高，使航模的滞空时间较短，另外该发动机的寿命要比普通发动机短很多。在制造时，使用材料与加工难度比普通发动机更加困难，其也很难应用在低温环境或低燃料消耗的
燃料电池上。
三发明内容
[0003] 为了制造出一种生产容易且高效能的微型发动机，本发明提出了全新的解决方案。本发明仅由几个部件构成了一个无偏心转动的大功率微型发动机。整机由
外壳，两个对置的转子，转子内的传动系共同组成。为了减少整机部件，传动系仅由4个构件组成，其即负责动力的输出又实现转子间的交替转动，由带有两个椭圆齿轮的
输出轴、两个双联齿轮、齿轮轴、转子上的内齿轮相互
啮合而成，输出轴上的椭圆齿轮与双联齿轮上的椭圆齿轮相啮合，比例为1∶1，双联齿轮上的太阳齿轮与转子上的内齿轮相啮合，比例为1∶2。当输出轴转动一周时，转子转动半周。为了减小整
机体积将两个转子的轴心去掉，改为空心转子，其内部安放传动系统，转子是以转子外壁为轴颈以壳体内壁为轴孔进行转动的。整机汽缸是由转子、转子上的隔气版、壳体内壁共同构成。负责点燃气体的
火花塞改为热火头，但不同于以往的航模用热火头，本发明是采用持续高热的热火头来进行点火，巧妙的是无需顾及点火过早或过晚的问题，使用的燃料也很随意，只需将热火头
温度高于燃点即可。如改变点火提前角则改变热火头在壳体上的
位置即可，无论
发动机转速如何，其点火正时都非常精确。
[0004] 本发明显著的有益效果是。
[0005] 1.整机仅有几个部件组成，要求
精度低，生产制造容易，可加工到厘米级大小。
[0006] 2.转子在壳体内做无偏心转动，整机在运转时无震动且摩擦力很小。
[0007] 3.汽缸无换气
阀门机构，减小噪音，减小整机体积。
[0008] 4.转子的转动无往复运动，使整机极限转速很高。
[0009] 5.整机内有4个汽缸，该微型发动机相当于4缸发动机，功率重量比很大。
[0010] 6.当转子转动一周时，输出轴转动两周，即使在高速转动时换气效率依然很好。
[0011] 7.
点火系统只需使热火头持续高热即可，无需调教混合气比例，无需安装电控打火
电路。
[0012] 8.传动系在内部，燃烧系环绕传动系，冷却系由外壳构成，整机各系独立。
[0013] 9.将换气口由一对改为两对时，本发明即改为
泵或
气动设备。
[0014] 10.启动发动机时只需先将热火头变为高热状态，再转动输出轴即可。无需顾及使用何种燃料，发动机启动非常容易。四
附图说明
[0015] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0016] 图1整机外观的各个角度图
[0017] 图2发动机解剖示意图
[0018] 图3传动系构件示意图
[0019] 图4转子构件示意图
[0020] 图5传动系与转子安装示意图
[0021] 图6齿轮比例图
[0022] 图7发动机外壳示意图
[0023] 图8各部件展开示意图
[0024] 图9四冲程做功原理图
[0025] 图10四冲程做功原理表
[0026] 图11转子交替转动原理图
[0027] 图12转子交替转动原理表
[0028] 图中1.输出轴2.齿轮轴3.上双联齿轮4.下双联齿轮5.上转子6.下转子7.壳体8.热火头9.上盖10.下盖11.壳体
螺栓12.输出轴孔13.齿轮轴孔14.双联齿轮孔15.排气口16.进气口
五具体实施方式
[0029] 1.发动机的各种部件
[0030] 如图1所示，为整机外观示意图，从图中可以清楚的了解到该发动机是一个圆柱状，输出轴两端位于圆柱的上下两个侧面，不过其并不在侧面圆的中心点位置，而是偏向一侧。发动机在圆柱的圆周面上安装有两个气口，分别为进气口、排气口，气口位于圆周面的一侧，另一侧安装有一个热火头用来负责点火。在发动机的四周安装有螺栓，将整机固定。
[0031] 如图2所示，为整机的内部解剖示意图，从图中可以清楚的了解到本发明的主要技术特征，其中输出轴(1)穿过上盖(9)与下盖(10)并可以在机体内转动，齿轮轴(2)与输出轴(1)平行且被上盖(9)与下盖(10)固定在它们中间。在输出轴上还设有两个椭圆齿轮，椭圆齿轮不可绕输出轴转动，在齿轮轴(2)上套有两个双联齿轮(3)(4)，双联齿轮(3)(4)可绕齿轮轴(2)转动，由以上构件构成的传动系被安装在两个转子(5)(6)的内部。转子圆环内设有内齿轮，发动机正是由输出轴连接两个双联齿轮，两个双联齿轮又连接上下转子上的内齿轮，才使气体膨胀后的动力得以连续输出。
[0032] 如图3所示，为传动系的构件示意图，本发明传动系仅有4个构件，分别为输出轴(1)、齿轮轴(2)、上双联齿轮(3)、下双联齿轮(4)。其中输出轴上还设置有两个椭圆齿轮(X)(Y)，该椭圆齿轮(X)(Y)位于输出轴(1)轴长的中心部位，并偏移一定距离，且不可绕输出轴转动。在齿轮轴(2)轴长的中心部位还设有轴挡，用来固定双联齿轮(3)(4)，防止双联齿轮转动时在轴向方向位移。其中上下两个双联齿轮(3)(4)外型基本相同，都是由一个太阳齿轮(A)与一个偏移一定距离的椭圆齿轮(B)并列构成。椭圆齿轮(B)与输出轴上的椭圆齿轮(X)或(Y)齿数与大小相同。在双联齿轮(3)(4)上，以太阳齿轮(A)的中心为轴心设置一个通透的双联齿轮孔(14)，使其可以套在齿轮轴(2)上转动。
[0033] 如图4所示，为发动机的转子部件，在发动机内设置有上转子(5)与下转子(6)两个转子，且上下两个转子对置组合进行交替转动。两个转子形状一致，在加工时只需用同样的加工方法生产出两个，安装时将两个转子(5)(6)对置180度合并即可。为解决密封问题可以在两个转子的
接触面上设置密封环凹槽及密封环即可。在设计转子的外形时，为了节省体积，本发明中发动机的转子并没有设计轴心孔，取而代之的是一个空洞。转子正是一个中心为空洞状的圆环构件，传动系统则安装在其内部。两个转子(5)(6)的圆环内侧都设有内齿轮，内齿
轮齿数是双联齿轮(3)(4)上的太阳齿轮(3A)(4A)齿数的2倍。在每个转子的
外圈圆周面上，对置180度还设置有2个隔气板，汽缸正是由两个转子(5)(6)的外圈圆周面与转子上的4个隔气板及壳体内壁组成。该隔气板与活塞作用相同，在气体膨胀时推动转子运动从而使膨胀力传递给输出轴。
[0034] 如图5所示，为传动系与转子的安装示意图，图中输出轴(1)位于转子内侧，并贯穿转子，齿轮轴(2)也安放在转子内侧并与输出轴(1)并行，在齿轮轴(1)的上方套有上双联齿轮(3)，在其下方套有下双联齿轮(4)，两个双联齿轮并列放置，中间由齿轮轴(2)上的轴挡隔开，在输出轴(1)中心位置设有上下两个椭圆齿轮(X)(Y)，其中靠上的椭圆齿轮(Y)与上双联齿轮上的椭圆齿轮(3B)相啮合，其中靠下的椭圆齿轮(X)与下双联齿轮上的椭圆齿轮(4B)相啮合，且椭圆齿轮间的齿数比例为1∶1。此时当输出轴(1)匀速转动时，两个双联齿轮(3)(4)做变速运动，即每一个双联齿轮转动的
角速度都是一个余弦曲线。且两个双联齿轮的速度刚好相反，当其中一个角速度最大时，另一个角速度最小，两个双联齿轮始终在做变速转动。图中双联齿轮(3)(4)上的太阳齿轮是一个正圆齿轮(A)，在转动时，上双联齿轮(3)上的太阳齿轮(3A)与上转子上的内齿轮相啮合，下双联齿轮(4)上的太阳齿轮(4A)与下转子上的内齿轮相啮合，从而可以使输出轴在匀速转动时上下两个转子做变速转动，实现汽缸间的容积变化。如图6所示为其中一组齿轮间的比例示意图，图中位于左侧的是输出轴上的一个椭圆齿轮(X)或(Y)，位于右侧的是双联齿轮(3)或(4)，在图中可以看出两个相互啮合的椭圆齿轮其大小与齿数相同，太阳齿轮(A)与外接的内齿轮其大小与齿数比为1∶2。所以本发动机在转动时转子转动一周，输出轴则转动两周。
[0035] 如图7所示，是本发动机的外壳部分，发动机的外壳是由位于转子外围的壳体(7)及上盖(9)与下盖(10)组成，并由位于壳体周围的螺栓固定。发动机外壳也可作为冷却系使用，在壳体圆周的一侧还设置了一套气口，分为进气口(15)与排气口(16)，且气口间距略等于活塞的最高厚度。壳体的高度等于两个转子对置组合后的高度，在壳体圆周的另一侧安装有热火头(8)，该热火头不同于以往微型活塞式发动机的热火头，在发动机工作时，将热火头(8)上的点火线圈加热到高热状态并高于燃料的燃点即可，其使用的材料可以考虑类似防
风打火机内的热延时钨丝或某些耐高温的铂
合金。在上下两个盖(9)(10)上，分别设置有输出轴孔(12)与齿轮轴孔(13)，其中输出轴孔(12)是一个穿透上盖(9)与下盖(10)的稍大一些的孔，其作用固定输出轴(1)的同时使输出轴两端可以探出，其中齿轮轴孔(13)是稍小一些的孔，该孔无需穿透上盖(9)与下盖(10)，只起到将齿轮轴(2)固定的作用。
[0036] 如图8所示为发动机各种部件展开示意图，其中位于中间的是传动系统，由输出轴(1)、齿轮轴(2)、上双联齿轮(3)、下双联齿轮(4)构成，传动系统的外围是燃烧系统，由上转子(5)与下转子(6)及壳体(7)构成的四个汽缸即是，点火系统由位于壳体(7)上的热火头(8)构成，在燃烧系统的外围是整机的冷却系统与换气系统，由壳体(7)、上盖(9)、下盖(10)与排气口(15)进气口(16)组成，整机外壳由壳体螺栓(11)固定即可。本发明部件极少，且要求精度较比活塞式发动机低很多，很容易进行加工制造。
[0037] 2.发动机的工作过程
[0038] 当将以上部件组合后，即完成了一个四缸微型发动机的安装过程，发动机含有传动系、润滑系、点火系、燃烧系、换气系、冷却系、惯性系、各大系统。当启动发动机时，需先将热火头通电，使热火头上的热延时钨丝高热并大于燃料燃点，再转动输出轴即可启动发动机。
[0039] 启动后的发动机在工作时，输出轴是匀速转动，转子是变速转动。在发动机内部设置有椭圆齿轮与双联齿轮及转子内齿轮，他们之间互相啮合从而使整机内的四个汽缸容积发生变化，实现四冲程原理。在气体膨胀做功时，气体膨胀力是作用在两个转子的隔气板上的，此时两个隔气板上的作用力是相同的，但转子还是向单方向进行转动。实现此转动方式的重要构件就是上下双联齿轮及输出轴上的椭圆齿轮。在气体膨胀时，由于输出轴上的上下两个椭圆齿轮与上下两个双联齿轮上的椭圆齿轮相啮合，当输出轴上的椭圆齿轮
力臂最短时，此时双联齿轮上的椭圆齿轮力臂最长，使其中一个转子很难带动输出轴转动。而就在这一刻另一个转子所啮合的齿轮却很容易带动输出轴转动，此两个转子间又相互间接的啮合，使其转动是相互的。所以其中一个转子很难带动另一个转子转动，如在两个转子间同时施加两个大小相等，方向相反的力时，则此时一个转子即带动另一个转子转动。因为转子间是由椭圆齿轮实现相互作用的，所以在转动时，力臂是变化的，当输出轴转动一定角度后，两个转子间的力臂几乎相等时，作用在两个转子上的方向相反的两个力无法继续推动转子运动。将膨胀后的废气排出机体，此时转子靠惯性前进，且这个时间是顺间的。之后，转子间力臂又重新产生差值，可此时不同的是，原来被动的转子变为主动的转子，原来主动的转子变为被动的转子。就这样转子间的主动变为被动，被动变为主动并进行周期性变化。当一个转子变为被动转子时，其上方的隔气板位置刚好位于进气口与排气口中间，此时主动转子转动使其上的隔气板实现气体的膨胀、排出、吸入、压缩过程。当其又变为被动转子时其位置刚好位于进气口与排气口中间，刚刚的被动转子又变为主动转子实现以上过程，整个过程周而复始，所以使发动机得以连续的运转。
[0040] 如图9，10所示为发动机的换气原理图，假设输出轴由0度开始启动，其中一个转子上的隔气板分别命名为A1，A2，另一个转子上的隔气板命名为B1，B2，当输出轴转动到180度时，A1，B1实现
进气冲程；B1，A2实现压缩冲程；A2，B2实现膨胀冲程；B2，A1实现
排气冲程。当输出轴转动到360度时，A1，B1实现压缩冲程；B1，A2实现膨胀冲程；A2，B2实现排气冲程；B2，A1实现进气冲程。当输出轴转动到540度时，A1，B1实现膨胀冲程；B1，A2实现排气冲程；A2，B2实现进气冲程；B2，A1实现压缩冲程。当输出轴转动到720度时，A1，B1实现排气冲程；B1，A2实现进气冲程；A2，B2实现压缩冲程；B2，A1实现膨胀冲程。此时两个转子又回到原始位置并重新开始下一周的冲程循环，由此可见当转子转动一周时，进行了16次冲程，输出轴转动两周，并且发动机输出功率4次。即当输出轴转动一周时，转子转动半周，发动机输出功率2次。所以本发明是一个大功率的微型发动机。
[0041] 如图11，12是转子间的交替转动原理图。如图中所示，假设输出轴与两个转子都刚好处于0度位置，且两个转子上的隔气板处于最接近状态，此时每个汽缸内的冲程都刚刚结束并处于下个冲程的开始阶段。当输出轴继续转动并转动到45度时，此时A转子转动到10度，B转子转动到20度。当输出轴转动到90度时，A转子转动到15度，B转子转动到75度。当输出轴转动到180度时，A转子转动到30度，B转子转动到150度。可以看出，当输出轴在一周转动的前半圈时，A转子转动速度较慢，B转子转动速度较快，此时整机内的汽缸容积发生变化，4个汽缸刚好同时完成进气、吸气、压缩、膨胀过程。且当输出轴转动180度时，刚好A转子上的隔气板与B转子上的隔气板位置进行交换。在输出轴继续进行转动时，即完成一周转动的后半圈，输出轴转动到225度时，A转子转动到50度，B转子转动到160度。输出轴转动到270度时，A转子转动到105度，B转子转动到165度。输出轴转动到360度时，A转子转动到180度，B转子转动到180度。可以看出输出轴的后半圈转动中，A转子转动速度较快，B转子转动速度较慢，此时汽缸间继续同时进行四个冲程，依此类推，完成了发动机的四冲程原理使整机可以连续的运转。
[0042] 以上所描述的是本发明作为发动机的原理，本发明的输出轴转动与其内腔体的容积变化是可以互相逆转的，当将本发明壳体一侧的热火头也改为一套气口时，使整机壳体上设置有两个进气口与两个排气口，则本发明即改为一个泵或气液动设备。
