专利名称：齿轮齿条系统传动方法
一、本发明涉及发动机，特别是直线往复式活塞发动机的曲轴连杆结构。
二、目前大量生产的发动机除日本马自达公司生产转子式发动机外，其它大都是直线往复式活塞发动机。这种发动机的传动结构是曲轴连杆结构，还有部分压缩机也都采用这种结构。这种结构的缺点是1、由于结构本身特点造成扭距小，效率低；2、为保证活塞的正常运动，活塞裙部过大，导致活塞质量增加，克服惯性损失的能量大；3、曲轴连杆结构零部件工艺复杂，对生产技术要求高，制造困难；4、由于各活塞都在同一曲轴上，所有活塞都必须同时运动，不能根据所需功率部分地开启或关闭活塞，使活塞的运行速度稳定维持较高的热效率，从而进一步提高发动机的效率。是否能有一种方式，不通过曲轴和连杆而能直接产生旋转力？提供一种全新的发动机固然好，但是技术不成熟，重建生产线要耗费巨额资金和浪费大量的时间。
三、目的提供一种能够较为直接推动齿轮旋转的传动方法即齿轮齿条系统传动方法代替曲轴连杆这种不合理的方式，解决曲轴连杆结构的以上四个缺点，进一步提高发动机、压缩机的能量转换率，节省能源；此方法只需改变活塞的形状和发动机底壳即可，因此可最大限度的支持现有的发动机技术。
四、本发明是这样实现的如附图-1，齿轮齿条系统传动方法使用一根工字结构的双面齿条(标号为①)，两个齿轮组，每组两个同轴齿轮共四个齿轮(标号为②、③、④、⑤)，一个传动链条或传动齿轮(标号为⑥这里以传动链条进行说明)。齿条①两个面上的齿均分为主齿和副齿，主齿的大小和数目均与齿轮②和⑤上的齿相同；副齿则大于主齿位于主齿前方(顺运转方向)一定距离。齿条①通过两个侧面的中间滑槽被固定于机体，只能顺槽做往复直线运动，一端可与活塞底部中心固定连接。四个齿轮其中③和④为同轴齿轮，此轴为主动轴，一端与飞轮联接向外输送动力；齿轮②和⑤为同轴齿轮，两组齿轮分列于齿条①两侧，通过齿轮②与③与齿条①联系并推动齿条①上下运动；齿轮④和⑤为完全相同的全齿齿轮，通过链条⑥联系使两组齿轮等速运转。齿轮②和③是两个完全相同的特殊形状齿轮，不但只在特定部分有一定数量的齿其它部分的齿均被去掉，而且在齿的前方(顺运转方向)一定距离的齿轮内圆部分被去掉形成一个刀形的副齿嗫合槽。其中齿轮②和③与齿条①联动的主齿数刚刚可以使其运行半周时与齿条①离合；而副齿则是在结合之初主齿尚未完全吻合时，由齿轮②和③的内圆嗫合槽推动副齿而使齿条①换向。副齿和齿轮内圆嗫合槽的位置应是在齿条换向时能够产生最大作用力的地方，也就是齿条在上下止点时通过该齿轮中心作齿条的垂线所经之处，这是副齿和齿轮内圆嗫合槽所在的最佳位置；副齿和齿轮内圆嗫合槽对齿条①没有双向控制作用，只协助主齿换向。本传动系统的原理是当两组齿轮顺时针旋转，从上止点到下止点时齿轮③推动齿条①刚好运转半周并与齿条①分离，同时齿条②在空转半周后与齿条①相结合，在齿轮②运转半周推动齿条①向上运动至上止点并与齿条①分离时，齿轮③在空转半周后同时与齿条①结合，如此循环，并传输动力。如何实现齿轮②、③在上止点和下止点时与齿条①完成离合转换是本系统的关键所在。要完成齿条①和齿轮②、③的离合转换应具备以下几个条件一是两个齿轮组必须同步运转，齿轮②、③须是两个完全相同的齿轮；二是齿轮②、③的齿数一定，使其所具有的齿数刚好可以在其运转半周的过程中推动齿条①从上止点到下止点或从下止点到上止点并与之离合；三是齿条①和齿轮②、③必须有特殊的的形状和结构；四是在齿轮②、③同步转动，齿条两面的齿位置相同的基础上通过在一个齿距之内移动齿条两面的齿位或者齿轮②、③的位置或者齿轮②、③上齿的位置，对齿轮②、③和齿条①的离合转换进行调节，使一个齿轮和齿条①分离的同时，另一个齿轮的第一个齿能够避开齿条的第二个主齿，并位于主齿的第一、二个齿之间。这里提供一种确定离合齿轮M数和齿数的办法。
如附图-2作圆O，使圆O等于齿轮②、③所在的圆。作直径BC，过B点作一直线交圆上一点A，选择合适M数使A点满足两个条件，使AB所在的直线刚好为齿轮上的齿和齿条相交的切线；AC确定的弧长刚好为该M数齿齿距的整倍数，也就是A、C分别为该齿轮两个齿的顶点，A、C间该M数的齿数(包括A、C所在的齿)即为我们要求的齿数。[注(1)齿轮顶点不可能非常尖锐；(2)为了更好的实现齿轮的转换而不至于使齿轮和齿条在转换时出现空档，实际当中在一个齿轮的最后一个齿和齿条分离时，另一个齿轮的第一个齿要嵌入齿条的第一和第二个主齿之间，实现对齿条的控制。鉴于以上两点，两个离合齿轮上的齿的顶点所确定的弧长要略大于AC所在弧长；切线AB应在齿轮的内圆切线外。]另由上图可知L＝弧长AC+线段AB，由此式我们可以确定齿轮②、③的周长，直径。(L为齿条在上下止点的运行距离)五、本发明的优点和积极效果是1、由于齿条①与齿轮②、③在运动过程中作用力较为直接的推动齿轮转动，因而热效率更高。2、齿条被固定在活塞中心部分并与活塞运动方向一致，活塞不用很大的裙部，质量大大降低，克服惯性损失的能量小也能提高发动机的热效率。3、本发明所需要的零部件的生产工艺简单，生产制造容易。4、由于齿轮齿条传动系统只是曲轴连杆的的替代品，因此能最大限度的支持目前大量生产使用的发动机。5、本发明对发动机的整机质量和体积均有所降低。6、本发明在多活塞运行的情况下，各活塞在保持高效运行速度的前提下，可以根据所需功率使部分活塞灵活的关闭或开启成为现实，这也就进一步提高了发动机的效率。
六
附图-1①为工字结构双面齿轮，顶端可以与活塞底部中心部位固定连接；②、③为两个完全相同的特殊结构齿轮，与齿条联接，将来自齿条的力量通过主动轴传递到飞轮，并轮流推动上下做往复直线运动；④和⑤为两个形状完全相同的全齿齿轮；⑥为传动链条，用来联接齿轮④、⑤；⑦为齿条①上的副齿；⑧为齿轮②、③内圆上的副齿嗫合槽，推动副齿完成齿条的方向转换；⑨为齿条①上的中间滑槽，用来固定齿条，使齿条只能顺槽上下滑动；⑩为主传动轴，其外端可与飞轮联接。此图中齿轮的运转方向为顺时针旋转，图中为齿条到达上止点时齿轮②与齿条分离，齿轮③与齿条结合时的状况。
附图-2圆O为以两个特殊齿轮的外圆，BC为圆O的直径，以AB为特殊齿轮和齿条的相交线段，使弧长AC为该M数齿齿距的整倍数，那么弧长AC间该M数的齿数(含以A、C为顶点的两个边齿)即为我们所求的该M数齿的齿数。
实施例如附图-1，齿条①为一长13cm的工字结构双面齿条，其左齿面下行齿低于右齿面上行齿约3/5齿距(此例是通过移动齿条上齿的位置来调节齿轮和齿条的离合转换)，其两个面均有8个主齿M数为3，一个副齿高1.3cm，距离最近主齿1.6cm；其通过两个侧面的中间滑槽被固定于机体而只能顺槽滑动。齿轮②、③为直径7.37cm具有8个齿、M数为3、其他部分被去掉具有一个内圆嗫合槽的一对同步等速转动齿轮；齿轮③、④为同轴齿轮，此轴为主动轴，可以连接飞轮，齿轮②、⑤为同轴齿轮，齿轮④和⑤为一对完全相同的同步等速转动齿轮，通过链条⑥传动，使两组齿轮实现顺时针同步等速旋转。齿条①在齿轮②、③的转换推动下实现上下运动约11.4cm。
权利要求
1.发动机、压缩机齿轮齿条系统传动方法，包括使用一根齿条、两个齿轮组和一个传动齿轮或传动链条。其特征为齿条为一根工字结构的两面齿条，齿条通过两个侧面的中间滑槽被固定于机体，一端可与活塞底部中心固定连接；两个相同的齿轮组分别由一个全齿齿轮和一个部分有齿的特殊齿轮组成，其中一组的轴为主传动轴可与飞轮连接。两个全齿齿轮通过传动链条或传动齿轮传动使两个齿轮组作同向等速转动；两组齿轮分列于齿条两侧，通过两个部分有齿的特殊齿轮与齿条联系并通过离合转换轮流推动齿条转动半周，使齿条作往复直线运动，齿条则通过两个齿轮组向外输送动力。齿条两个面上的齿均分为主齿和副齿，主齿的大小和数目均与两个特殊齿轮上的齿相同；副齿则大于主齿位于主齿前方一定距离。两个完全相同的特殊形状齿轮，不但只在特定部分有一定数量的齿其它部分的齿均被去掉，而且在齿的前方(顺运转方向)一定距离的齿轮内圆部分被去掉形成一个刀形的副齿嗫合槽。齿轮与齿条连动的主齿数刚刚可以使其运行半周时与齿条离合。而副齿则是在结合之初主齿尚未完全吻合时，由特殊齿轮的内圆嗫合槽推动副齿而使齿条换向；由此可见副齿和齿轮内圆嗫合槽的位置应是在齿条换向时能够产生最大作用力的地方，也就是齿条在上下止点时通过该齿轮中心作齿条的垂线所经之处，这是副齿和齿轮内圆嗫合槽所在的最佳位置；副齿和齿轮内圆嗫合槽对齿条没有双向控制作用，只协助主齿换向。
2.如权利要求1所述的齿轮齿条系统传动方法的离合转换，其特征在于必须对齿轮齿条传动系统的离合转换进行调节，在保持两个特殊齿轮同步转动，齿条两面的齿位置相同的基础上，通过这两个齿轮的位置或齿轮上齿的位置进行调节时，其调节距离应当控制在一个齿距内，使一个齿轮和齿条①分离的同时，另一个齿轮的第一个齿能够避开齿条的第二个主齿，并位于主齿的第一、二个齿之间。
3.如权利要求2所述的齿轮齿条系统传动方法的两个与齿条相接的齿轮，确定离合齿轮M数和齿数的办法为作圆O，使圆O等于两特殊齿轮所在的圆。作直径BC，过B点作一直线交圆上一点A，选择合适M数使A点满足两个条件，使AB所在的直线刚好为齿轮和齿条相接的切线；AC确定的弧长刚好为该M数齿齿距的整倍数，也就是A、C分别为该齿轮两个齿的顶点，A、C间该M数的齿数(包括A、C所在的齿)即为我们要求的齿数。[注(1)实践中由于齿条和齿轮的齿轮顶点不可能非常尖锐；(2)为了更好的实现齿轮的转换而不至于使齿轮和齿条在转换时出现空档，实际当中在一个齿轮的最后一个齿和齿条分离时，另一个齿轮的第一个齿要嵌入齿条的第一和第二个齿之间，实现对齿条的控制。鉴于以上两点，两个离合齿轮上的齿的顶点所确定的弧长要略大于AC所在弧长；切线AB应在齿轮的内圆切线外。]
全文摘要
本方法中所用的齿轮齿条式传动系统由一根工字结构双面齿条和两个具有两个齿轮的齿轮组和一个传动链条或传动齿轮组成，结构简单是曲轴连杆的替代品，可以最大限度的支持现有的发动机的生产和技术的应用。因其齿条直接固定于活塞底部中心部位，可以大幅度降低活塞质量；齿条直接推动齿轮转动；可以分组或独立组装各活塞，根据所需功率大小灵活开启或关闭部分活塞；因此可以大幅度提高的热效率。
文档编号F04B35/00GK1789684SQ20041009715
公开日2006年6月21日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者朱兵晓 申请人:朱兵晓