一种齿轮‑齿条‑曲轴联动发动机转换机构的制作方法

本发明涉及一种发动机的活塞往复直线运动转换为曲轴圆周运动的机械装置，特别涉及一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，替代现有的曲轴（柄）-连杆转换机构。

背景技术：

目前，活塞式发动机普遍采用曲轴（曲柄）连杆机构进行直线往复运动与圆周运动相互转换的机械，曲轴连杆机构设计和制造已经十分完善，但是，由于曲轴（柄）连杆机构及其受力状态十分复杂，各个部件都处在复杂的三向应力状态，在实际应用中还存在明显的缺陷，有待进一步改进和优化：1、现有的曲轴连杆机构中，汽缸内燃气点火后，活塞上的最大燃气压力只有百分之二十左右分解为产生输出转矩的切向力；2、在曲轴（柄）连杆机构中，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，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；3、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，在燃气爆发瞬间，由于传动角很小，输出的扭矩的切向作用力远小于活塞上的燃气压力，有计算表明传动角为10度时，活塞总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； 4、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。

为了克服传统曲轴-连杆机构上述的缺陷，本发明提供了一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构。

技术实现要素：

按照本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构包括：曲轴的主轴颈借助轴承安装在曲轴壳体两侧壁上，曲轴的曲拐臂借助齿条轴颈和主齿条的齿条接头与主齿条铰接，传动轴借助轴承安装在曲轴壳体两侧壁上，在曲轴壳体内的传动轴柱面上设置有主齿轮，主齿条的主齿排与主齿轮啮合，在主齿轮与主齿条之间设置限位机构；在曲轴壳体一侧壁或两侧壁外面设置有传动缸体和气缸体，气缸体中设置有一个或多个相同的气缸，传动轴从曲轴壳体延伸到传动缸体中，传动轴借助轴承安装在传动缸体的缸壁上，在传动轴柱面上设置一个或多个形状相同的齿轮；如果各气缸缸口的缸壁与传动缸体缸口的缸壁刚性连接，而传动缸体另一缸口的缸壁与附加缸体缸口的缸壁刚性连接，各个齿轮与各个气缸一一对应，各个齿轮分别与各齿条连杆的齿排啮合，各个齿条连杆一端部分别与各附加连杆的一端部刚性连接，各附加连杆的长度等于或大于各个齿轮的轴线到各个气缸缸口的距离，各附加连杆另一端部分别与各个气缸中的活塞铰接，若气缸体只设置一个气缸，构成单气缸发动机，若气缸体设置多个气缸，构成排列多个气缸的发动机组；如果两个气缸体中的一个或多个气缸缸口的缸壁分别与传动缸体两个缸口的缸壁刚性连接，一个气缸体中的各个气缸分别与另一个气缸体中的各个气缸对置，各对置的两个气缸之间的齿轮分别与各齿条连杆的齿排啮合，各个齿条连杆两端部分别与各附加连杆的一端部刚性连接，各附加连杆的另一端部分别与各个气缸中的活塞铰接，构成两两对置的多气缸发动机组。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，齿条接头与主齿条的一端部刚性连接，在齿条接头上开设铰接孔，铰接孔的直径等于齿条轴颈的直径，曲拐臂端部的齿条轴颈置于齿条接头的铰接孔中，铰接孔的中心为铰孔中心。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，传动轴为圆柱体，主齿轮的主轮轴线和各个齿轮的轴线与传动轴的轴线共线，主轴颈的轴线为主轴线，齿条轴颈的轴线为轴颈轴线，主轮轴线到主轴线之间的距离等于或大于主齿轮的分度圆半径加上齿条接头的铰孔中心到主齿排的分度线之间的距离再加上轴颈轴线到主轴线之间的距离的总和。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，若所述主齿轮的半径等于各个齿轮的半径，所述主齿条的主齿排的长度等于或略大于所述活塞的行程，所述曲拐臂的长度等于活塞行程的二分之一，若所述主齿轮的半径小于各个齿轮的半径，所述主齿条的主齿排的长度小于所述活塞的行程，所述曲拐臂的长度小于活塞行程的二分之一，若所述主齿轮的半径大于各个齿轮的半径，所述主齿条的主齿排的长度大于所述活塞的行程，所述曲拐臂的长度大于活塞行程的二分之一，在活塞的上、下止点处，曲拐臂与主齿条平行（即曲拐臂与主齿条之间的夹角为180°或0°）。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，主齿条的限位机构包括：两块限位槽板分别安装在主齿条的两侧面上，在两块限位槽板上分别开设与主齿条的主齿排平行的限位槽，两个限位槽的长度等于或稍大于主齿排的长度和传动轴直径之和，两个限位槽的宽度等于传动轴的直径，两个限位槽套在主齿轮两侧的传动轴上并能在传动轴上滑动，并使主齿条与主齿轮始终保持啮合状态。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，另一种主齿条的限位机构包括：在两个形状相同的限位板上分别设置圆孔，两个圆孔分别套在主齿轮两侧的传动轴上，转轮的轮轴两端分别与两个限位板的一端部刚性连接，套在轮轴上的转轮压在主齿条的无齿背面并能在无齿背面上滚动，并使主齿条与主齿轮保持始终啮合状态。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，齿条连杆的限位机构包括：滚轮的轮轴安装在限位杆一端部的凹槽的两槽帮上，限位杆的另一端部安装在传动缸体的内壁上，滚轮分别压在齿条连杆的无齿背面上，以使齿条连杆始终与齿轮啮合。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，各齿条连杆的形状相同，所述的齿排的长度等于所述活塞的行程，各齿条连杆的无齿背面与各个传动缸体内壁之间设置有齿条连杆的限位机构。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，附加缸体为只有一个缸口的壳体，附加缸体的缸内长度等于或略大于活塞的行程。

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，其中，曲轴壳体外面的曲轴的主轴颈借助联轴器与转动装置的转轴联动，将转动装置输出的圆周运动转换为齿条连杆的往复直线运动。

采用本发明提供的齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，实现直线往复运动与旋转圆周运动相互转换，动力传递和运动方式转换更为合理,克服了曲柄连杆机构中固有的缺点。本发明的转换装置具有以下优点：

本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构，具有以下优点：

1. 本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构的各个运动部件在运动过程中，作用在曲轴的齿条轴颈上做圆周运动的切向力借助主齿条及传动轴上的主齿轮和齿轮几乎等值传递到直线运动的齿条连杆和附加连杆及活塞上，驱使活塞做往复直线运动，反之，活塞往复运动的作用力借助附加连杆和齿条连杆以及传动轴上的齿轮和主齿轮不需分解几乎等值传递到主齿条的齿排上，活塞往复运动的作用力沿主齿条的齿排方向驱动齿条轴颈和曲轴旋转，当旋转的曲拐臂与主齿条垂直或接近垂直（即曲拐臂与主齿条之间的夹角等于或接近90°）时，气缸中作用在活塞上最大燃气爆发力借助附加连杆和齿条连杆、传动轴上的齿轮和主齿轮及主齿条近似等值传递到齿条轴颈上，此时，作用在活塞上最大燃气爆发力等于或略小于作用在齿条轴颈上的切向力，圆周运动的齿条轴颈和曲轴输出最大的扭矩等，理论计算和模型机实验表明本发明的转换机构输出最大的扭矩是传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩的2至3倍，极大地提高了直线往复运动与圆周运动相互转换的转换效率；

2. 本发明的转换机构中，往复直线运动的各齿条连杆和附加连杆及各个活塞借助一根传动轴上的主齿轮和各个齿轮与传递动条和曲轴联动将多个活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，消除了传统曲轴-连杆机构中连杆摆动引起的活塞与气缸缸壁之间侧向摩擦产生的侧向压力和由侧向摩擦力引起的汽缸壁侧向磨损及“卡缸”，不仅提高了活塞的做功效率，也可减少活塞的活塞裙长度；

3. 若主齿轮的半径小于各个齿轮的半径，主齿条的主齿排的长度小于活塞的行程，曲拐臂可减小，曲拐臂的转动质量和转动惯量及转动运动引起惯性力也随之减小；

4.本发明转换机构的各个齿条连杆和附加连杆皆为往复直线运动，减小了连杆摆动产生的不平衡回转质量和回转运动引起惯性力，减小了发动机的振动和噪声，提高了发动机的输出功率。

本发明结构亦可用于任何形式的旋转运动转换为往复直线运动的机械，例如，活塞式油、气、水泵及活塞式压缩机等。

附图说明

图1是本发明的的发动机转换机构第一实施例正视示意图；

图2是本发明的发动机转换机构的第一实施例A-A截面中，活塞在上止点时，曲拐臂与主齿条平行的示意图；

图3是本发明的发动机转换机构的第一实施例B-B截面示意图；

图4是本发明的发动机转换机构的第一实施例C-C截面示意图；

图5是本发明第一实施例中，活塞在上止点附近时，曲拐臂与主齿条位置示意图；

图6是本发明第一实施例中，活塞在下止点时，曲拐臂与主齿条平行的示意图；

图7（a）、（b）是本发明第一实施例中，齿条和齿条接头示意图；

图8（a）、（b）是本发明第一实施例中，主齿轮与齿条之间的限位机构示意图；

图9（a）、（b）是本发明第二实施例中，主齿轮与齿条之间的另一种限位机构示意图；

图10是本发明的第一实施例中，齿条连杆的无齿背面与传动缸体缸壁之间设置有的限位机构示意图；

图11是本发明的发动机转换机构的第三实施例E-E截面示意图；

图12是本发明的发动机转换机构的第三实施例D-D截面示意图；

图13是本发明的第四实施例的侧视示意图；

图14是本发明的第五实施例转换机构与转动装置连接示意图。

具体实施方案

下面参照说明书附图详细描述本发明提供的一种齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构的具体实施方式。

如图1、2、3、4所示，本发明第一实施例的运行过程如下：曲轴1的主轴颈101转动地安装在曲轴壳体3两侧壁上，在主齿条2一端部设置齿条接头6，曲拐臂102端部的齿条轴颈103借助齿条接头6与主齿条2铰接，传动轴4安装在曲轴壳体3的两侧壁的轴承301中，主齿条2的主齿排201与设置在传动轴4柱面上的主齿轮401啮合，主齿条2与主齿轮401之间设置限位机构42；在延伸到曲轴壳体3一侧壁外面的传动轴4上安装传动缸体9，传动轴4借助轴承901安装在传动缸体9两侧壁上，气缸体8中的气缸801缸口的缸壁802安装在传动缸体9缸口的缸壁902上，传动缸体9另一缸口的缸壁902与附加缸体10缸口的缸壁100对接，传动缸体9的内腔与气缸801和附加缸体10的内腔相通，只有一个缸口的附加缸体10的缸内长度等于活塞7的行程，在传动缸体9内的传动轴4柱面上设置与传动轴4同轴线的齿轮402，齿轮402与齿条连杆5的齿排501啮合，在齿条连杆5的无齿背面506与传动缸体9内壁之间设置限位机构59，齿条连杆5一端部与附加连杆一端部刚性连接，附加连杆502的长度等于或大于齿轮402的轴线到气缸801缸口的距离，附加连杆502的另一端部与气缸801中的活塞7铰接，活塞7借助传动轴4上的齿轮402和主齿轮401与曲轴壳体3中的曲轴1和主齿条2联动，构成单气缸801的发动机。

如图7所示，在齿条接头6上开设铰接孔601，铰接孔601的直径等于齿条轴颈103的直径，曲拐臂102端部的齿条轴颈103置于齿条接头6的铰接孔601中，铰接孔601的中心为铰孔中心602。

如图5、7所示，主齿轮401的主轮轴线403和各个齿轮402的轴线与传动轴4的轴线共线，主轴颈101的轴线为主轴线104，齿条轴颈103的轴线为轴颈轴线105，主轮轴线403到主轴线104之间的距离等于或大于主齿轮401的分度圆404半径加上铰孔中心602到主齿排201的分度线205之间的距离再加上轴颈轴线105到主轴线104之间的距离总和。

如图2、6所示，主齿条2的主齿排201的长度等于或略大于活塞7的行程，在活塞7的止点处，曲拐臂102与主齿条2平行（即曲拐臂102与主齿条2之间的夹角为180°或0°）。

如图3、4、5所示，主齿轮401和各个齿轮402与传动轴4同轴线，主齿轮401的半径和各个齿轮402的半径相等，轴线403到主轴线104之间的距离稍大于主齿轮401的分度圆404半径加上铰孔中心602到主齿排201的分度线205之间的距离再加上轴颈轴线105到主轴线104之间的距离的总和，齿轮402和主齿轮401的轴线在传动轴4的轴线403上。

如图8所示，限位机构42包括：在两个形状相同的限位板11上设置圆孔110，圆孔110分别套在主齿轮401两侧的传动轴4上，轮轴111的两端与两个限位板11的一端部刚性连接，转轮12套在轮轴111上，转轮12压在主齿条2的无齿背面204上，以使主齿条2始终与主齿轮401啮合。

如图10所示，限位机构59包括：滚轮13的轮轴14安装在限位杆15一端部上的凹槽151的两槽帮152上，限位杆15的另一端部安装在传动缸体9的内壁上，滚轮13压在齿条连杆5的无齿背面506上并能在无齿背面506上滚动，以使齿条连杆5的齿排501始终与齿轮401啮合。

本发明第一实施例的运行过程如下：

如图1所示，曲轴1的曲拐臂102和齿条轴颈103绕主轴颈101逆时针旋转，曲拐臂102和与其铰接的主齿条2之间的夹角随之增大，与主齿条2的主齿排201啮合主齿轮401带动传动轴4上的及齿轮402逆时针转动，与齿轮402啮合的齿条连杆5带动附加连杆502和活塞7向上止点运动，在此运行过程中，主齿条2与主齿轮401之间设置的限位机构42使主齿条2与主齿轮401始终处于啮合状态，齿条连杆5与传动缸体9内壁之间的限位机构59使齿条连杆5与齿轮402始终处于啮合状态，此时，齿条轴颈103与齿条接头6之间作用力借助主齿条2及传动轴4上的主齿轮401和齿轮402几乎等值传递到直线运动的齿条连杆5和附加连杆502及活塞7上。

如图2、3所示，当逆时针旋转的曲拐臂102与主齿条2平行（即曲拐臂102与主齿条2之间的夹角为180°）时，主齿条2沿曲拐臂102方向的运动速度为零，此时，与主齿条2啮合的传动轴4的主齿轮401以及与齿条连杆5啮合的齿轮402停止转动，齿条连杆5及与附加连杆502铰接的活塞7到达上止点。

继续逆时针旋转的曲拐臂102和齿条轴颈103带动主齿条2开始反向运动，与主齿条2啮合的主齿轮401带动传动轴4和齿轮402开始顺时针转动，与齿轮402啮合的齿条连杆5带动附加连杆502和活塞7开始向下止点运动，曲拐臂102和主齿条2之间的夹角随之减小。

如图5所示，当逆时针旋转曲拐臂102与主齿条2垂直或接近垂直（即曲拐臂102与主齿条2之间的夹角等于或接近90°）时，气缸801中作用在活塞7上最大燃气爆发力借助附加连杆502和齿条连杆5、传动轴4上的齿轮402和主齿轮401及主齿条近似等值传递到齿条轴颈103上，此时，沿主齿排201方向作用力等于或略小于作用在齿条轴颈103的切向力并驱动齿条轴颈103和曲拐臂102做圆周运动，活塞7上最大燃气爆发力驱动曲拐臂102产生的扭矩等于或略小于活塞7的总作用力乘以齿条轴颈103绕主轴颈101旋转的旋转半径，此时，作用在活塞7上最大燃气爆发力等于或略小于作用在齿条轴颈103上的切向力，圆周运动的齿条轴颈103和曲轴1输出的最大扭矩等于或略小于活塞7最大的总作用力乘以齿条轴颈103绕主轴颈101旋转的旋转半径，理论计算和模型机实验表明本发明的转换机构输出最大的扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增大2到3倍。

如图6所示，当曲拐臂102与主齿条2再次平行（即曲拐臂102与主齿条2之间的夹角为0°）时，主齿条2沿曲拐臂102方向的运动速度为零，此时，与主齿条2啮合的传动轴4的主齿轮401以及与齿条连杆5啮合的齿轮402停止转动，主齿条2和活塞7到达下止点。

如图1所示，当继续逆时针旋转的齿条轴颈103带动主齿条2开始再次反向运动，与主齿条2啮合的主齿轮401带动传动轴4和齿轮402开始逆时针转动，此时，相关联的各个部件将重复上述的运行过程。

本发明的齿轮-齿条-曲轴联动发动机转换机构中各个运动部件将周而复始地重复上述运行过程，活塞7的往复直线运动转换为曲轴1输出的圆周运动。

本发明第二实施例与第一实施例不同之处在于：如图9所示，本发明中的限位机构42结构如下：两块限位槽板202分别安装在主齿条2两侧面上，在两块限位槽板202上分别开设与主齿条2的主齿排201平行的限位槽203，限位槽203的长度等于主齿排201的长度与转动轴4直径之和，两个限位槽203宽度等于所述传动轴4的直径，两个限位槽203套在主齿轮401两侧的传动轴4上并能在传动轴4上滑动，以使主齿条2始终与主齿轮401啮合。

本发明第二实施例的运行过程与第一实施例的运行过程相同。

如图11、12所示，本发明的第三实施例与第一实施例的不同之处在于：气缸体8中的四个气缸801的缸壁802安装在传动缸体9一侧的缸壁902上，传动缸体9另一侧的缸壁902与附加缸体10缸口的缸壁100对接，传动缸体9的缸腔与四个气缸801及附加缸体的缸腔相通，在传动缸体9内的传动轴4柱面上设置的四个齿轮402各对应一个气缸801，两根齿条连杆5的齿排501从传动轴4的一侧分别与两个齿轮402啮合，另两根齿条连杆5的齿排501从传动轴4的另一侧分别与另外两个齿轮402啮合，在各齿条连杆5的无齿背面506与各个传动缸体9内壁之间设置有限位机构59，以使各个齿条连杆5的齿排501始终与各个齿轮401啮合，各齿条连杆5一端部分别与附加连杆502的一端部刚性连接，四根附加连杆502的长度略大于齿轮402的轴线到各个气缸801缸口的距离，各附加连杆502另一端部分别与四个气缸801中的活塞7铰接，四个活塞7借助一根传动轴4与曲轴壳体3中的曲轴1和主齿条2联动，构成直排的四个气缸801发动机组。

本发明第三实施例的运行过程与第一实施例的运行过程不同之处在于：

如图11、12所示，四个气缸801中的活塞7借助四根附加连杆502和四根齿条连杆5及传动轴4上的四个齿轮402和主齿轮401驱动曲轴壳体3中的主齿条2和曲轴做圆周运动，其中，在传动轴4一侧的两根齿条连杆5和两个活塞7与在传动轴4另一侧的两根齿条连杆5和两个活塞7的运动方向相反。

如图13所示，本发明的第四实施例与第一实施例的不同之处在于：两个气缸体8中的两个气缸801的缸壁802分别安装在传动缸体9两侧的缸壁902上，传动缸体9的缸腔与四个气缸801相通，一个气缸体8的两个气缸801与另一个气缸体8中的两个气缸801对置，两根齿条连杆5的齿排501分别与传动轴4的两个齿轮402啮合，两根齿条连杆5两端部分别与附加连杆502的一端部刚性连接，四个附加连杆502的长度略大于齿轮402的轴线到各气缸801缸口的距离，四根附加连杆502的另一端部分别与四个气缸801中的活塞7铰接，四个活塞7借助一根传动轴4的两个齿轮402和主齿轮401与曲轴壳体3中主齿条2和的曲轴1联动，构成对置的四个气缸801发动机组。

本发明第四实施例的运行过程与第一实施例的不同之处在于：

如图13所示，四个气缸801中的活塞7借助两根齿条连杆5驱动传动轴4上的两个齿轮402与曲轴壳体3中的主齿轮（401）和主齿条2及曲轴1联动，各个运动部件的运行过程与第一实施例的运行过程相同。

如图14所示，本发明第五实施例：曲轴壳体3外面的曲轴1的主轴颈101借助联轴器17与转动装置18的转轴16联动，转动装置18输出的圆周运动通过本发明的转换机构转换为齿条连杆5和活塞7的往复直线运动。

本发明第五实施例的运行过程与本发明第一实施例的运行过程相反。

以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。