专利名称：切向活塞式发动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发动机，特别是切向活塞式发动机。
背景技术：
在工业和日常生活中活塞式发动机得到十分广泛的应用。常见的例如有柱活塞式液压马达，气动马达，内燃机，柴油机等等。一般活(柱)塞式发动机分为轴向柱塞式和径向活(柱)塞式。轴向柱塞式多用于液压马达和气动马达中。它通过一斜面盘把柱塞的轴向推动力转化为切向分力，推动输出轴旋转。这种发动机要承受很大的轴向力，内摩擦很大，效率较低，结构十分笨重。
径向活塞式结构广泛应用于各种发动机，特别是内燃机等等热发动机中，它的活塞轴线通过输出轴轴线，或者说与输出轴相交。活塞的往复运动通过曲柄连杆机构转变成输出轴的连续旋转运动。由于曲柄连杆机构存在死点，在死点位置输出轴上只受到径向力而没有扭矩，不能带动输出轴旋转，(特别是在刚刚启动时)。因此通常至少需要两个工作缸，尤其是三个以上工作缸，它们相互错开一定角度设置，以便在一个工作缸出现死点时，其它的工作缸可以推动输出轴旋转。
众所周知，曲柄连杆机构主动件和从动件之间的位移或速度保持正弦关系，也就是说当输出轴大致以均匀的速度作旋转运动时工作缸活塞的速度应该按正弦函数变化，而且由于各个工作缸的连杆曲柄各自错开一定相位设置，在同一时刻各个活塞的运动速度应该是不同的，但相互必须保持一定的函数关系。也就是说，各工作缸工作介质的流量或输入速度必须保持相应的函数关系。这无论是对于液压、气动马达，还是各种热发动机来说都是难以做到的。尽管有些工作介质，如压缩空气、燃气、蒸汽有一定的可压缩性，但仍然在一定程度上会导致各工作缸之间推动力的相互抵消，使它们的效率不能得到充分发挥，也造成各传动环节内较大的径向力和内摩擦，降低了发动机的效率和寿命，加大了振动和噪声，并对构件材料的机械性能提出很高的要求；而对于不可压缩的介质，如液压油，则根本无法工作。
发明内容
本实用新型的目的在于创造一种活塞式发动机，它避免轴向柱塞式发动机和径向活塞式发动机的上述缺点，并具有更高的效率和简单的结构本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是切向活塞式发动机主要具有一输出轴和至少两个相互平行地设置的通过一分配器分别与工作介质源连接的活塞工作缸单元，活塞工作缸单元设置在输出轴的切向，即活塞工作缸的中心线和输出轴的轴线不在同一平面内，它们相互垂直交叉地离开一定距离，活塞工作缸单元的活塞杆上分别设有传动元件，它们各自与相互并排并同心地设置在输出轴上的只能向一个方向旋转的单向传动机构作单向传动连接，分配器和各活塞工作缸单元这样地连接，使得在输出轴旋转一周的过程中各活塞工作缸单元交替地从外界介质源输入工作介质。工作介质推动其活塞连同活塞杆作往复直线运动，使两个活塞杆上的传动元件通过与其作单向传动连接的单向传动机构交替地带动输出轴向同一方向旋转，从而使输出轴得到一连续的单向旋转运动。
这种结构的发动机采用单向传动机构代替现有技术中的曲柄连杆机构将活塞的往复直线运动转变为输出轴的单向旋转运动，活塞的移动方向位于输出轴的切向，作用在活塞上的工作介质的推力几乎完全用来转变成推动输出轴旋转的扭矩。它没有死点，轴和各支承环节上承受的径向力很小，摩擦损失较小，因此具有较高的效率，良好的起动性能，并且结构也十分简单。适用于由直线往复运动转变成连续旋转运动的各种类型的发动机。
在本实用新型的一种优选结构方案中活塞杆上的传动元件是齿条，安装在输出轴上的单向传动机构是超越离合器，超越离合器的外圈外缘上带有与该齿条相啮合的齿轮。这种方案输出轴可保持十分均匀的转速，冲击比较小，运动比较平稳，适用于各种转速范围，可以具有比较高的效率。
按照本实用新型的另一种优选结构方案活塞杆上的传动元件为一棘爪、安装在输出轴上的单向传动机构的结构为棘轮与输出轴固定连接，棘爪和棘轮分别作单向传动连接。这种方案结构特别简单，反向运动的元件质量很小(在前一方案中超越离合器外圈和它上面所带的齿轮都跟随活塞和齿条作反方向运动)，但是运动不是很平稳，有一定的冲击。棘轮和棘爪之间齿面上相对滑动较大，存在一定摩擦损失。因此这种结构只适用于运动平稳性要求不高的小型发动机，例如用来驱动助力自行车或轻骑摩托车的发动机。
在另一种结构方案中各活塞杆上的传动元件仍为铰接在它上面的棘爪，但是安装在输出轴上的单向传动机构改为各固定安装在输出轴上的传动轮和套在它上面的环形单向传动带，单向传动带内侧与传动轮作传动连接，并通过一张紧轮张紧，单向传动带外侧上制有棘齿，使得平行于单向传动带平面设置的活塞工作缸单元的活塞杆上的棘爪与单向传动带上的棘齿作单向传动连接。通过这种单向传动带的中间传动避免了棘爪和棘轮齿面之间的相对滑动，减小摩擦损失。也使输出轴的转速更加均匀，并减小冲击和振动。
按照本实用新型一种优良的结构单向传动带为橡胶带或金属丝或高强度纤维加强的橡胶带，其内侧为平皮带，三角皮带或齿形带，传动轮相应地做成平皮带轮，三角皮带轮或齿形皮带轮，单向传动带的外侧上制有棘齿，它们分别和各活塞杆上的棘爪作单向传动连接。这种结构有利于进一步减小冲击和振动。但是橡胶带上的棘齿难以传递很大的功率。
为了避免这个缺点，按照一种优良的改进结构在活塞杆上铰接两个或两个以上的棘爪，其间距为单向传动带外侧上棘齿齿距的整数倍，使得两个或两个以上棘爪同时与单向传动带作单向传动连接。从而可以减小单向传动带上单个棘齿的负荷。
在本实用新型的一种优选结构方案中单向传动带为一环形的金属链条，它与固定安装在输出轴上的链轮和张紧链轮作传动连接，链条每一铡链板外侧上一体生成一棘齿，它们和各活塞杆上的棘爪作单向传动连接。这种方案的优点是棘齿具有较高的强度，制造也比较方便。缺点是链传动会带来较大的噪音。因此比较适合于低速重载的发动机。
图5为在传动轮和棘爪之间加一单向传动带的结构方案的局部侧视图，图6为图5中的C向局部视图，图7为做成金属链条的单向传动带的局部视图。图中代号1 输出轴 11a，11b 棘轮2a，2b活塞工作缸单元 12a，12b 传动轮3a，3b活塞 12a’12b’张紧轮4a，4b活塞杆 13a，13b 单向传动带5a，5b齿轮 13a’13b’单向传动带上的棘齿6a，6b齿条 15a，15b 做成金属链条的单向传动带7 凸轮 14a，14b 链轮8 分配器 14a’，14b’ 张紧链轮9a，9b超越离合器 15a’15b’侧链板10a，10b 棘爪 15a”，15b” 侧链板上的棘齿10a’10b’棘爪工作介质(压力油、压缩空气、蒸汽、燃气等等)通过分配器8交替输入两个活塞工作缸单元的工作腔。当工作介质进入工作缸2a推动活塞3a和活塞杆4a向右运动时，活塞杆末端上的齿条6a通过齿轮5a和超越离合器9a带动输出轴沿顺时针方向旋转；与此同时工作缸2b打开，排出工作介质，活塞3b和活塞杆4b在复位弹簧的作用下向左移动，活塞杆4b末端上的齿条6b带动超越离合器外圈上的齿轮5b逆时针旋转，但是由于超越离合器9b的作用，并不妨碍输出轴继续顺时针旋转。当工作介质进入工作缸2b时，活塞3b和活塞杆4b通过齿条6b、齿轮5b和超越离合器9b带动输出轴向顺时针方向旋转，而工作缸2a则排出工作介质，齿轮5a和超越离合器外圈在输出轴上空转。如此往复循环使输出轴1得到连续的顺时针旋转运动。输出轴1旋转的速度由工作介质的流量决定，输出轴输出的扭矩由工作介质的压力、工作缸直径和齿轮5a，5b的节圆半径决定。
图1中所示活塞工作缸单元2a，2b，为单作用缸，在管路作相应改变的情况下也可以采用双作用缸。
在
图1所示实施例中分配器8为一移动式滑阀，它由固定安装在输出轴1上并和输出轴同步旋转的凸轮7控制。分配器也可以做成旋转式的，直接安装在输出轴1上。在所示情况下凸轮7有一个最高点，输出轴1旋转一周工作缸2a，2b通过分配器8交替地输入或排出工作介质一次。在这种情况下活塞3a，3b的工作行程应大致相当于齿轮5a，5b节圆周长之半，如果希望缩短活塞3a，3b的工作行程，凸轮7可以设置两个相位错开180°的最高点，使输出轴1旋转一周通过凸轮7和分配器8控制工作介质推动活塞3a，3b往复运动两次。
图2中齿条6a，6b连接在(或加工在)活塞杆4a，4b上，在这种情况下如果齿条悬伸太长，齿条背面可加设辅助支承和导向装置(末画出)。为了避免这种结构上的复杂化，齿条6a，6b也可以直接加工在活塞3a，3b上，齿轮5a，5b可以穿过缸体上的缺口(末画出)与齿条6a，6b啮合。
在上述实施例中超越离合器和分配器均为现有技术中成熟的元件，不是本发明的内容，在此不作详细叙述。
以下叙述的几种实施例只在局部与上面所述的实施例有区别，因此下面只对不同之处加以说明，其余部分参照对第一个实施例的说明。
按图3和4的结构方案和按
图1和2的方案的不同之处在于，活塞杆上的传动元件是铰接在活塞杆(也可以在活塞)上的棘爪10a，10b，单向传动机构是固定连接在输出轴1上的棘轮11a，11b，棘爪10a，10b分别与棘轮11a，11b作单向传动连接。活塞杆4a，4b的往复运动通过棘爪和棘轮交替地带动输出轴1单方向旋转。这里需要指出的是，棘爪只能带动棘轮转过有限的角度。因此要推动输出轴1旋转一周，活塞工作缸单元2a，2b必须至少往复运动2至3次，这时凸轮7必须有2或3个甚至更多的最高点。在必要的情况下，凸轮7可不直接安装在输出轴1上，而是安装在与输出轴1平行设置的另一根轴上，两根轴之间可以通过一对齿轮作传动连接，使安装凸轮7的轴升速。
在按图5和6的改进方案中各活塞杆上的传动元件为铰接在它上面的棘爪10a，10b，安装在输出轴上的单向传动机构分别包括固定安装在输出轴上的传动轮12a，12b，和套在它上面的环形单向传动带13a，13b，单向传动带13a，13b内侧与传动轮12a，12b作传动连接，并通过一张紧轮12a’，12b’张紧，单向传动带13a，13b外侧上制有棘齿13a，13b，使得平行于传动带平面设置的工作缸2a，2b的活塞杆上的棘爪10a，10b可与单向传动带上的棘齿13a’，13b’作单向传动连接。活塞杆可以通过棘爪10a，10b，单向传动带13a，13b和传动轮12a，12b交替地带动输出轴1单向旋转较大的角度(例如180°)，并且在理论上输出轴的转速可以保持基本恒定。这里单向传动带13a，13b必须借助于一(末画出的)调整机构通过张紧轮12a’，12b’张紧，使单向传动带所在平面基本上与活塞工作缸单元轴线所在平面平行。当一个活塞杆向一个方向移动时，铰接在它上面的棘爪10a或10b与相应的单向带动带13a或13b上的棘齿13a’或13b’嵌合，并带动单向传动带向同一方向运动，而当活塞杆退回时棘爪10a或10b在单向传动带13a或13b的齿顶上打滑，而不影响单向传动带13a或13b向同一方向继续运动，当两个活塞工作缸2a，2b的活塞杆交替地往复运动时，便带动单向传动带13a，13b，从而带动传动轮12a，12b及输出轴1连续地向同一方向旋转。
图6中所示的单向传动带13a，13b由橡胶或金属丝(或高强度纤维)加强的橡胶组成(类似于现有技术中的齿形带)。其内侧可以做成平皮带、三角皮带或齿形皮带，传动轮12a，12b和张紧轮12a’12b’相应地做成平皮带轮、三角皮带轮或齿形皮带轮，单向传动带外侧上制有棘齿13a’，13b’。在采用两个活塞工作缸的结构时，活塞杆4a，4b的行程大致相当于单向传动带13a，13b中心平面包围在传动轮12a，12b上(约180°)的周长，而棘齿13a’，13b’的齿距应为活塞杆4a，4b行程的整分数。
图6中画出铰接在活塞杆4a，4b上的两个棘爪10a，10a’，10b，10b’，其中棘爪10a’，10b’用虚线画出，两个棘爪10a，10a’，10b，10b’的间距等于单向传动带13a，13b上的棘齿13a’，13b’的齿距或它的整数倍，棘爪10a，10a’，10b，10b’在工作行程中与单向传动带13a，13b上两个棘齿13a’，13b’同时咬合，以减小棘齿上的载荷。必要时可设置3个棘爪。棘爪10a，10b，10a’，10b’可由耐磨的塑料制成，其强度做得略小于单向传动带上的棘齿13a’，13b’，从而使得在过载时宁愿棘爪10a，10b，10a’，10b’断裂，而不使棘齿13a’，13b’断裂，以尽可能地避免更换价格昂贵的单向传动带。
在图7所示的结构中单向传动带做成环形金属链条15a，15b，其每个侧链板15a’，15b’外侧上一体生成一棘齿15a”，15b”，它们和铰接在活塞杆4a，4b上的棘爪10a，10b作单向传动连接，固定安装在输出轴1上的链轮14a，14b和张紧链轮14a’，14b’与做成金属链条的单向传动带15a，15b作传动连接。侧链板15a’，15b’上的棘齿15a”.15b”可方便地在冲制侧链板15a’，15b’时一次成形。
在必要情况下上述各种方案都可以配备三个或三个以上活塞工作缸单元和相应数量的单向传动机构，以使三个活塞工作缸单元轮流地带动输出轴旋转，或在四个活塞工作缸单元时各自两两带动输出轴旋转。尤其是四个活塞工作缸单元可以分成两组，在起动或需要加速时两组同时开动，在到达预定转速后可关闭其中一组，以节约能源。
这里需要指出，本实用新型中所指的单向传动机构并不仅仅局限于所示几个实施例中的结构，而是指这样的传动机构，即其主动件向某一方向运动时，可带动从动件向一个方向运动(旋转或移动)，而当主动件向相反方向运动时，从动件并不跟随着反方向运动，而是保持不动，或者可以继续向原方向运动。这种单向传动机构除本实用新型中提到的超越离合器，棘轮棘爪、棘爪和单向传动带外，也可以是各种机械的，电磁的或其他类型的只作单方向传动的离合器。
权利要求1.切向活塞式发动机，主要具有一输出轴(1)和至少两个相互平行地设置的通过一分配器(8)分别与工作介质源连接的活塞工作缸单元(2a，2b)，其特征是活塞工作缸单元(2a，2b)设置在输出轴(1)的切向，即活塞工作缸单元(2a，2b)的中心线和输出轴(1)的轴线不在同一平面内，它们相互垂直交叉地离开一定距离，活塞工作缸单元(2a，2b)的活塞杆(4a，4b)上分别设有传动元件，它们各自与相互并排并同心地设置在输出轴(1)上的只能向一个方向旋转的单向传动机构作单向传动连接。
2.按权利要求1所述的切向活塞式发动机，其特征是各活塞杆(4a，4b)上的传动元件为一齿条(6a，6b)，安装在输出轴(1)上的单向传动机构分别为超越离合器(9a，9b)，超越离合器外圈的外缘上带有与该齿条(6a，6b)相啮合的齿轮(5a，5b)。
3.按权利要求1所述的切向活塞式发动机，其特征是活塞杆(4a，4b)上的传动元件为铰接在它上面的棘爪(10a，10b)，安装在输出轴(1)上的单向传动机构的结构为棘轮(11a，11b)与输出轴(1)固定连接，棘爪(10a，10b)和棘轮(11a，11b)分别作单向传动连接。
4.按权利要求1所述的切向活塞式发动机，其特征是各活塞杆(4a，4b)上的传动元件为铰接在它上面的棘爪(10a，10b)，安装在输出轴(1)上的单向传动机构包括固定安装在输出轴(1)上的传动轮(12a，12b)和套在它上面的环形单向传动带(13a，13b)，单向传动带(13a，13b)内侧与传动轮(12a，12b)作传动连接，并通过一张紧轮(12a’，12b’)张紧，单向传动带(13a，13b)外侧上制有棘齿(13a’，13b’)，使得平行于单向传动带平面设置的活塞工作缸单元(2a，2b)的活塞杆(4a，4b)上的棘爪(10a，10b)与单向传动带(13a，13b)上的棘齿(13a’，13b’)作单向传动连接。
5.按权利要求4所述的切向活塞式发动机，其特征是单向传动带(13a，13b)为橡胶带或金属丝或高强度纤维加强的橡胶带，其内侧为平皮带，三角皮带或齿形皮带，传动轮(12a，12b)和张紧轮(12a’，12b’)做成相应的平皮带轮，三角皮带轮或齿形皮带轮，单向传动带(13a，13b)外侧上制有棘齿(13a’，13b’)，它们分别和各活塞杆(4a，4b)上的棘爪(10a，10b)作单向传动连接。
6.按权利要求4或5所述的切向活塞式发动机，其特征是活塞杆(4a，4b)上的传动元件为铰接在它上面的两个或两个以上的棘爪(10a，10b；10a’，10b’)，其间距为单向传动带(13a，3b)外侧上的棘齿(13a’，13b’)的齿距的整数倍，使得两个或两个以上棘爪(10a，10b；10a’，10b’)同时与单向传动带(13a，13b)作单向传动连接。
7.按权利要求1所述的切向活塞式发动机，其特征是活塞杆(4a，4b)上的传动元件为铰接在它上面的棘爪(10a，10b)，单向传动机构为一做成金属链条的单向传动带(15a，15b)，它与固定安装在输出轴(1)上的链轮(14a，14b)和张紧链轮(14a’，14b’)作传动连接，链条每一个侧链板(15a’，15b’)外侧上一体生成一棘齿(15a”，15b”)，它们和活塞杆(4a，4b)上的棘爪(10a，10b)作单向传动连接。
专利摘要本实用新型涉及一种发动机，特别是切向活塞式发动机，它具有一个输出轴、至少两个沿输出轴轴向并排地同心安装在同一输出轴上，可向同一方向旋转的单向传动机构、至少两个相互平行设置的，其活塞或活塞杆上分别带有一传动元件的活塞工作缸单元和一个分配器，活塞工作缸单元设置在输出轴切向，各活塞(3a，3b)或活塞杆(4a，4b)上的传动元件(5a，5b，10a，10b)分别与安装在输出轴(1)上的单向传动机构(9a，9b，11a，11b)作单向传动连接，活塞工作缸单元(2a，2b)通过分配器交替地输入工作介质，工作介质推动其活塞连同活塞杆作往复直线运动，使两个活塞或活塞杆上的传动元件通过与其作单向传动连接的单向传动机构交替地带动输出轴向同一方向旋转。按本实用新型的切向活塞式发动机具有更高的效率和更好的起动性能，可适用于各种工作介质的发动机。
文档编号F02B75/32GK2554367SQ0126449
公开日2003年6月4日 申请日期2001年10月9日 优先权日2001年10月9日
发明者孙季初 申请人:孙季初