专利名称：发动机外齿轴内齿齿条连杆机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种往复活塞式发动机的主要运动转换机构，能高效地将活塞所受的 燃烧气体澎胀压力转变为发动机转轴对外输出的转矩，并将活塞的往复运动转变为发动机 转轴的旋转运动而对外输出动力。
背景技术：
目前，公知的活塞式发动机大至有两种，一种是汪克尔发明的转子发动机，它没有 曲轴连杆机构，因为它的三菱柱形活塞既是活塞又是转子，可以将作用于活塞上的力通过 活塞转子内的内齿轮传给发动机输出轴上的外齿轮使之旋转并对外输出转矩。所以它转速 高，功率大(转子旋转一周做功三次)，振动小，缺点是燃料的利用效率很低，大约在百分之 二十左右，全世界有近三万辆装载此发动机的汽车在运行。更为普及的是曲轴连杆活塞式 发动机，从内燃机出现发展到今天它已经趋于完善，但它有个明显的弱点，就是燃料的利用 效率同样不高，一般来讲也只有百分之三十左右。而燃料电池的转化效率可达百分之七十， 只是因为造价太高而暂时没有市场化。由此可见利用机器将燃料的化学能转变成机械能的 效率提高空间还很大。造成曲轴连杆活塞式发动机效率不高的原因主要是曲轴。它结构简 单运行可靠，从蒸汽机开始延用至今已近二百年了却没有变动，显得好像完美无缺了，因为 发动机的其它部分，比如汽油机原先使用化油器，现在改为电喷，从进气歧管喷射到缸内直 喷，单气门改为多气门，机械点火改为电子点火，自然进气改为预先压气(如增加涡轮增压 器等)，直接排放到增加催化器(如三源催化器)并通过氧转感器和空气流量计由电脑控 制缸内的燃烧等等，而构成往复活塞式发动机的基础曲轴连轩机构一直没有变，也正是因 为这种曲轴连杆机构降低了活塞式发动机的系统效率。活塞在推动连杆时，由于连杆的摆 动，连杆从活塞销上获得的力只是活塞在连杆方向上的一个分力，既Fl = Pcos (a)，其中P 为活塞受到膨胀气体的压力，a为连杆与活塞运动方向形成的夹角，而推动曲轴旋转的力又 是上述分力的分力，既F2 = Flsin (bl) = Pcos (a) sin (bl)，其中bl为连杆与曲轴形成的夹 角。a，bl的最大值由连杆长度与曲柄半径决定。由此表达式可以看到曲轴的缺陷，既无论 曲轴旋转到任何位置F2永远小于P。理论上讲曲轴连杆机构的转换效率可达百分之六十八 左右，但由曲轴连轩机构组成的发动机的系统效率却只有一半，其原因是在一百八十度的 做功行程中只有七十度行程段效率达百分之九十以上，有一百一十度行程段效率低于百分 之九十，特别是做功行程的起始段，这时气缸内的压力是最大的，而此时曲轴连杆机构的转 换效率却很低。比如从零度到五十五度的起始行程段的理论效率只有百分之五十左右， 三十五度内只有百分之三十七左右，二十度内只有百分之二十左右。实际运行过程中由于 连杆大幅度摆动(单边摆动幅度最大可到一十八度左右)给活塞反作用力在气缸表面上的 垂直分力Psin (a)，当a接近最大值附近时由于活塞与气缸之间是滑动摩擦，会造成活塞运 动方向巨大的摩擦力，此时也正是曲轴连杆机构效率最高的做功行程段，活塞必须克服强 大的摩擦力做功，另外排气、进气、压缩行程以及热损失都会消耗能量，从而大大降低了系 统的整体效率。
发明内容
为了克服曲轴连杆的缺陷，大幅度提高燃油的使用效率而降低能源消耗，本发明 提供一种外齿轴内齿齿条连杆机构，该机构不仅能将活塞的往复运动转变成发动机转轴的 旋转运动，更能将曲轴连杆机构百分之六十八的理论效率提高到百分之九十八以上，实际 系统使用效率从百分之三十提高到百分之六十，油耗减少一半。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是由两个半边内齿与两段相等齿条 构成复合内齿，连杆由螺丝固定在内齿段一侧，复合内齿内设计有外齿轴(发动机输出转 轴)，为使外齿轴按齿轮正常间隙在复合内齿内沿复合内齿滚动旋转，在外齿轴轴上外齿轮 的两端和两段齿条的两侧上分别设置有不同形状的导向块以确保外齿轴与复合内齿在各 种状态下的正确啮合。复合内齿齿数是外齿轴齿数的2 1或3 1(2 1时活塞做功一 次，外齿轴旋转180度。3 1时活塞做功一次，外齿轴旋转360度)，保正外齿轴上的正时 齿轮与配气凸轮轴齿轮齿数比为1 2(或1 4)并形成循环，在此前题下设计了最多的 齿条齿数和最少的内齿齿数。这样、连杆的摆动幅度很小，在活塞上的Psin(a)值只有曲 轴连杆的五分之一到八分之一(a值最大为3. 5度，在做功行程初始段a值只有2. 6度)， 大大降低了活塞与气缸之间的摩擦力。另外作用在外齿轴啮合齿上的旋转力的表达式为 F = Pcos (a) cos (b2)式中b2为外齿轴齿轮分度圆啮合齿处运动方向切线与连杆形成的夹 角。从上式中不难看出cos (a)值在0. 998至0. 999之间变化，而b2的变化却是跳跃式的， 在两个死点上(上止点和下止点)b2的值为90度，当外齿轴旋转1度时b2值突然变为29 度，cos (b2)值从0突变为0. 87，当外齿轴旋转2度时b2值变为14度，cos (b2)值上升到 0. 97。这是最小内齿与最大外齿的啮合特点，既外齿在旋转很小的角度时，内齿与外齿巳完 成多个齿的接力啮合。在齿条段b2为0，cos (b2)值为1，F值在0. 998P至0. 999P之间变 化，使180度整个的做功行程P较为完整地转换为外齿轴的扭力，达到大幅度提高系统的输 出效率的目的。本发明的有益效果是，现有发动机(汽、柴油机)整体结构不改变，将本发明取替 原来的曲轴连杆机构，就可以在原发动机排量不变的情况下大幅度提高功率和降低油耗。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的工作原理图。图2是本发明第一个实施例构造图。图3是本发明第二个实施例构造图。图1中1.外齿轴，2.内齿齿条复合内齿，3.连杆，4.齿条导向块，5.内齿导向块， 6. V形滚动导向块，7.扇形滑动导向块，8.轴承。在图1中，外齿轴(1)的齿轮两端分别装配一个扇形滑动导向块(7)，在两个扇形 滑动导向块(7)的外侧分别装配有一个V形滚动导向块(6)，V形滚动导向块(6)上装有两 个轴承(8)，两个扇形滑动导向块(7)和两个V形滚动导向块(6)通过键与外齿轴(1)相配 合，并置于内齿齿条复合内齿(2)内啮合。内齿齿条复合内齿(2)的齿条段两侧分别装配 有齿条导向块(4)，每个齿条导向块上分别安装有内齿导向块(5)。连杆(3)通过连杆螺母固定在内齿齿条复合内齿(2)上。当外齿轴(1)处于a位置时，两个V形滚动导向块(6) 上的四个轴承(8)与四个内齿导向块(5)滚动配合以确保外齿轴(1)与内齿齿条复合内齿 (2)在下端半个内齿段内的正确啮合，此时机构正处于活塞运行的上止点。外齿轴(1)反 时针旋转至aa位置时巳经进入内齿齿条复合内齿(2)的一段齿条，此时两个扇形滑动导向 块(7)与另一段齿条两侧的齿条导向块(4)滑动配合，以保证外齿轴(1)在内齿齿条复合 内齿(2)齿条段的啮合，这时活塞开始进气。外齿轴(1)继续反时针旋转至b进入上端半 个内齿段，两个V形滚动导向块(6)上的轴承(8)与内齿导向块(5)再次滚动配合确保外 齿轴(1)与内齿齿条复合内齿(2)在上端半个内齿段内的正确啮合，此时机构已带动活塞 进入下止点，进气行程结束。外齿轴(1)继续反时针旋转至bb进入内齿齿条复合内齿(2) 的另一段齿条，此时两个扇形滑动导向块(7)与前一段齿条两侧的齿条导向块(4)滑动配 合，保证外齿轴(1)与内齿齿条复合内齿(2)在第二个齿条段的啮合，此时机构带动活塞进 入压缩行程。外齿轴(1)继续反时针旋转至c，机构重复a动作，活塞进至上止点，压缩行 程完成。活塞通过活塞销推动连杆(3)，连杆(3)通过固定在之上的内齿齿条复合内齿(2) 传动给外齿轴(1)并使之旋转至cc处，此时活塞进入做功行程，机构重复aa的动作，只是 外齿轴(1)从主动变为从动。活塞推动外齿轴(1)旋转至d，机构重复b动作，活塞进入下 止点，做功行程结束。外齿轴(1)利用飞轮惯性带动活塞上行旋转至dd，机构重复bb动作， 活塞进入排气行程。当外齿轴(1)旋转至a时，排气行程结束，机构进入下一轮循环。
具体实施例方式
在图2所示实施例中，外齿轴(1)的外齿齿数为18，内齿齿条复合内齿(2)的齿 数为36，模数和压力角都与外齿相同。其中两段齿条齿数分别为6齿，内齿齿数为24，并通 过内齿中心点图一直线连接两个齿根中心点，将内齿分成完全相同的两部分。模数由发动 机行程和扭力大小决定。扇形滑动导向块(7)的扇形角为120度，半径由模数决定，它由键 固定在外齿轴(1)的轴上紧靠外齿轮的两端面。轴承(8)大小由模数决定。V形滚动导向 块(6)上两个轴承(8)的轴心与外齿轴(1)的轴心的连线形成的夹角为130度，距离由模 数决定。内齿导向块(5)固定在齿条导向块⑷上，与V形滚动导向块(6)上的轴承⑶ 是滚动配合，轴承(8)安装在V形滚动导向块(6)V形的上面两个顶端轴承轴上，V形滚动 导向块(6)由键固在外齿轴⑴的轴上，分别与扇形滑动导向块(7)保持轴承⑶厚度间 隔。内齿导向块(4)与轴承(8)滚动配合的接触面的几何面形状是轴承(8)的自转与围绕 外齿轴⑴轴心线公转切线点形成的轨迹。内齿导向块(4)，V形滚动导向块(6)与轴承 (8)共同负责外齿轴(1)在两个内齿段的啮合，特别是两个死点附近内齿的长期正确啮合。 这是因为在做功行程初期，活塞刚从上止点往下止点运动，这时缸内容积小压力很大(汽 油机最大压力可达6. 5MPa，柴油机可达9MPa)，而外齿轴(1)与内齿齿条复合内齿(2)的啮 合齿位置正处于内齿段的死点上，此时活塞使外齿轴旋转的力为0，巨大的力推动内齿齿条 复合内齿(2)脱离外齿轴(1)，非常容易造成脱齿或错位断齿。扇形滑动导向块(7)与齿条 导向块(4)的滑动配合是为了保证外齿轴(1)在内齿齿条复合内齿(2)中两齿条段及部分 内齿与齿条过渡区间的正确啮合，并与V形滚动导向块(6)在两个内齿段内形成导向接力， 也就是外齿轴(1)从齿条段进入内齿段时，扇形滑动导向块(7)的导向作用还没有结束V 形滚动导向块(6)已开始发挥作用，以及外齿轴(1)从内齿段进入齿条段时，V形滚动导向块(6)的导向作用还没有结束扇形滑动导向块(7)已经开始发挥作用了。由于齿条导向块 ⑷固定在内齿齿条复合内齿⑵的齿条段的两侧，因此，齿条导向块⑷的几何形状除了 中间大部分是长方体外，两端与扇形导向块(7)接触面的几何面形状是由扇形滑动导向块 (7)随外齿轴(1)旋转而齿条导向块(4)又与外齿轴(1)轴心产生相对运动，扇形导向块 (7)的接触面在齿条导向块(4)处接触点形成的轨迹。外齿轴(1)在两个内齿段死点位置 轴心线的距离构成了发动机的行程，也可以通过原来发动机的设计行程长度来调整齿的模 数，使外齿轴内齿齿条连杆机构的行程与原设计行程长度相同。连杆(3)衬套中心线至外 齿轴(1)在上止点时的轴心线距离为原曲轴连杆机构连杆体小头圆心到大头圆心的距离。 正时齿齿数模数都与原曲轴连杆机构时的一样。与曲轴连杆发动机一样，每个行程外齿轴 (1)旋转180度。 图3所示的另一个实施例中，外齿轴(1)的外齿齿数为18，内齿齿条复合内齿⑵ 的齿数为54，模数和压力角与外齿相同。其中两段齿条齿数分别为15齿，两个半边内齿数 分别为12齿。扇形滑动导向块(7)的扇形角度为150度，与前一个实施例不同的是它在V 形滚动导向块(6)的外侧，与外齿轴滑动配合并通过1比2行星齿减速带动，也就是说扇形 滑动导向块(7)的转速只有外齿轴(1)转速的一半，从而实现齿条段外齿轴(1)旋转300 度的导向需要。V形滚动导向块(6)的角度与前一个实施例相同。内齿导向块(5)有8个， 直接固定在内齿齿条复合内齿(2)的齿条段的两侧。与前一个实施例不同的是，齿条导向 块(4)固定在内齿导向块(5)上。正时齿齿数是原曲轴连杆正时齿齿数的一半，每个行程 外齿轴(1)旋转360度。在活塞往复频率相同的情况下，同一台发动机使用本发明比使用 曲轴连杆机构，发动机输出轴的转速高达一倍。
权利要求
1.一种往复活塞式发动机外齿轴内齿齿条连杆机构，由两段齿数、模数相同的齿条和 相同模数从对称两个齿根处平分下来的相同两半内齿组合成一个新的闭环复合内齿，其特 征是发动机转轴上带有相同模数的外齿轮在复合内齿内，通过外齿轴上的滚动导向块和 滑动导向块与固定在复合内齿上的内齿导向块和齿条导向块的滚动配合和滑动配合实现 正确啮合，并通过固定在复合内齿上的连杆，将活塞的往复运动转变成外齿轴的旋转运动。
2.复合内齿与外齿轴外齿齿数比为2 1或3 1，其特征是外齿轴在复合内齿内滚 动旋转构成360度或720度的循环。
3.内齿齿数与齿条齿数比为2 1或4 5，其特征是外齿轴齿轮在复合内齿内齿段 滚动旋转时，两对邻近齿的啮合只需很小的旋转角度，连杆的摆动幅度合降到最低。
全文摘要
一种往复活塞式发动机外齿轴内齿齿条连杆机构。它是将两段完全相同的齿条与一个模数相同的内齿从齿根处分出的相同两部分组合成一个新的复合内齿，外齿轴既是发动机输出转轴，外齿轴上的外齿模数与复合内齿相同，与复合内齿的齿数比为1∶2或1∶3并在复合内齿内啮合循环旋转。为达到各种位置上正确啮合的目的，在复合内齿齿条两侧及外齿轴上分别装配了多种导向块。复合内齿靠内齿方装有连杆与活塞销相配套。它可以取代曲轴连杆机构，发挥出更高的转换效率从而大量降低能源消耗。它还能在原来发动机活塞运动频率相同的情况下，将发动机输出轴的转速提高一倍。
文档编号F02B75/32GK102003282SQ20101054170
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者陈亮 申请人:陈亮