专利名称：直线螺旋传动机构发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将热能转换为机械能的内燃式发动机。
目前以蒸气、汽油、柴油为燃料的蒸气机，内燃机，其核心的机械传动部份都是采用曲柄连杆机构，利用活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，将热能转换为机械能。现有内燃式发动机也称为曲柄连杆机构发动机。
曲柄连杆机构发动机工作原理如
图1，曲柄连杆机构发动机结构示意图，资料来源于《汽车构造》第二页，由吉林工业大学汽车教研室编，人民交通出版社1978年出版。其工作过程如下在气缸3上部安装进气门1，排气门2，在可燃气体膨胀压力作用下，活塞4由上止点A向下止点B移动，推动连杆5带动曲轴6旋转，活塞4往复直线运动四次，曲轴6旋转二周，产生可燃气体的进气、压缩、作功、排气四个工作循环，为四行程内燃式发动机。
现有内燃式曲柄连杆机构发动机的有效热效率汽油机为30-35％，柴油机为35-45％。
内燃机发明已经有100多年历史，人们为了节约能源提高发动机的有效热效率，采用最先进的技术措施，如，电脑控制直喷燃烧增大发动机压缩比，同时采用防爆震装置；设计多气门进、排气利用废气增压等方法效果并不显著，其主要原因是曲柄连杆机构的传动效率，速度特性严重地阻碍了内燃机有效热效率的提高，表现为一、曲柄连杆机构传动效率低，只有70％左右。
1、曲柄连杆机构作功行程受力分析图，如图2在作功行程中，气体压力是推动活塞向下运动的力。这时燃烧室产生的最大膨胀压力，直接作用在活塞顶部，设活塞所承受的总压力为P(输入力)，传到活塞销上，可分解为P1和P2。分力P2把活塞压向气缸壁，形成活塞与气缸壁的侧压力。分力P1通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上。P1或可分解为两上分力P3和T。沿曲柄方向的分力P3使曲轴主轴颈与主轴承产生压紧力。与曲柄垂直的分力T除了使主轴颈与主轴承产生压紧力外，或对曲柄形成扭矩M＝T·R，推动曲轴旋转，T为输出力。
以上各种力，在作功行程的过程中的变化规律如下输入力P在上止点后，燃烧最高压力点为最大，随着曲轴转角的增加，气缸容积增大，P由最大开始迅速下降，当活塞到下止点前，排气门打开时为最小。活塞侧压力P2在上止点后，燃烧最高压力点时，P2为最小，随着曲轴转角的增加P2由小增大，当活塞到达下止点前，排气门打开前，P2为最大。
曲轴正压力P3在上止后，燃烧最高压力点时，P3为最大，随着曲轴转角的增加，P3由大到小，在排气门打开时为最小。
输出力T活塞在上止后，燃烧最高压力点时，T最小，随曲轴转角的增加，T逐渐增大，当曲轴转角为90°时，T为最大。
从以上分析看出曲柄连杆机构发动机做功行程中，P由大-→小，P2由小-→大，P3由大-→小，T由小-→大。其中P2、P3为损耗。
2、曲柄连杆机构传动效率的计算。
根据机械原理，设输入力P为常数，计算曲轴转角0°-90°时的传动效率η为 作曲柄连杆机构传动效率计算图、如图3，图中P-输入力，T-输出力，b-连杆长度，R-曲轴半径，a-曲轴转角，β-连杆中心与曲轴中心夹角。
△ABC中，由正弦定理得Rsinβ=bsinα⇒sinβ=Rsinαb]]>cosβ=1-sin2β]]>=1-(Rsinαb)2]]>ΔCDE中，∵sin(α+β)=TP1]]>∴T=P1sin(α+β)=Pcosβ(sinαcosβ+cosαsinβ)]]>=Psinα+Pcosαsinβcosβ]]>=Psinα+PcosαRsinαb2-R2sin2α]]>T‾=∫0π2Tdα=∫bb2-R2(Psinα+RPsinαcosαb2-R2sin2α)dα]]>令b2-R2sin2α=t]]>sinα=b2-t2R2=b2-t2R]]>cosα=1-b2-t2R2=R2-b2+t2R]]>α=arcsinb2-t2R]]>
当α＝0，t＝bα=π2,t=b2-R2]]>dα=d(arcsinb2-t2R)=12·-2tb2-t2·dt1-(b2-t2R)2]]>=∫bb2-R2(P·b2-t2R+P·R·b2-t2R·R2-b2+t2Rt)12·-2tb2-t21-(b2-t2R)2dt]]>=-P∫bb2-R2(b2-t2R+b2-t2·R2-b2+t2Rt)tR2-b2+t2·b2-t2dt]]>=-PR∫bb2-R2(tR2-b2+t2+1)dt]]>=-P2R∫bb2-R21R2-b2+t2d(R2-b2+t2)-PR·t|bb2-R2]]>=-P2R·2R2-b2+t2|bb2-R2-PR(b2-R2-b)]]>=-PR(R2-b2+b2-R2-R2-b2+b2)-Pb2-R2R+PbR]]>=PR(R+b-b2-R2)]]>
根据以上计算公式用摩托车、轿车、货车、柴油机发动机曲柄连杆机构有关参数，代入公式计算出曲柄连杆机构的传动效率如表一。
表一
二、曲柄连杆机构发动机有效热效率低曲柄连杆机构发动机将热能转换为机械能时，曲柄连杆机构是热能转换为机械能的戴体，前文分析，曲柄连杆机构的传动效率只有70％左右，造成膨胀力P30％的机械损失，所以，曲柄连杆机构发动机的有效热效率低，只有40％左右。
三、曲柄连杆机构发动机增加压缩比产生爆震燃烧根据“内燃机原理”，提高发动机有效热效率的办法是提高发动机的压缩比，当汽油发动机增加压缩比时将产生爆震燃烧，其主要原因受曲柄连杆机构传动效率和速度特性的影响，造成膨胀力P和活塞移动速度不同步，产生爆震燃烧。
四、曲柄连杆机构发动机磨损大。
通过前文分析，膨胀力P的30％作用在活塞，气缸，曲轴等运动另件上，不能转换为输出力，造成发动机磨损加大。
本发明的目的在于提供一种有效热效率更高的内燃式发动机。
本发明的目的是这样实现的，即，这种直线螺旋传动机构发动机，包括气门、气缸、活塞、连杆，螺旋转换套，直线套，其关键在于在气缸上部装有进气门、排气门，在缸体左、右内腔装有直线套和螺旋转换套，螺旋转换套通过轴承支承在缸体内，可旋转运动，由后盖固定，其伸出端装有飞轮，直线套与螺旋转换套相邻安装，同时固定在缸体内。气缸内腔装有活塞，活塞通过活塞销与连杆左端连接，在连杆中部周面上装有多个钢球，钢球一半的凸出部份位于直线套半圆球面凹槽中，在连杆右端周面上安装有2个钢球，钢球一半的凸出部份位于螺旋转换套内表面对称的半圆球面螺旋凹槽中。
所述的气缸上部装有进气门、排气门、气缸内腔装有活塞，活塞通过活塞销与连杆左端连接，连杆中部周面装有多个钢球，其数量≥6，连杆右端周面安装有钢球，其数量为螺旋转换套内表面螺旋线数量的一半，其数量为≥2。
所述的螺旋转换套内表面加工有对称的左、右螺旋圆滑相交的半圆球面凹槽，螺旋线数量根据设计确定，应为偶数，其数量应≥4，左、右螺旋线导程h=Dπ/4,]]>螺旋线升程S＝活塞行程，螺旋角a＝45°。
所述的直线套内表面加工有多条等分的半圆球面凹槽，其数量为≥6，有效行程＞S。
按照上述组装而成的直线螺旋传动机构发动机其工作过程如下述当活塞在可燃气体膨胀力作用下，由上止点向下止点移动时，推动连杆，连杆中部周面钢球沿直线套内表面直线半圆球面凹槽平行移动，连杆右端周面钢球作用在螺旋转换套内表面对称的左、右半圆球面螺旋凹槽，推动螺旋转换套和飞轮保持同一方向旋转运动。当螺旋转换套导程h=Dπ/4]]>时活塞往复直线运动四次，螺旋转换套和飞轮旋转一周，产生可燃气体的进气、压缩、作功、排气四个工作循环，其工作原理与现有曲柄连杆发动机相同，作功次数比曲柄连杆机构发动机提高一倍，发动机升功率将提高一倍。
本发明与现有技术相比具有以下特点一、提高发动机传动效率40％，速度比为1，增力比为0.98。
本发明直线螺旋传动机构发动机的运动特性是属于机械传动的螺旋传动机构。根据机械原理，螺旋传动可将直线运动转变为旋转运动，也可将旋转运动转变为直线运动，同时传递动力。本发明的直线螺旋传动机构的结构型式属于螺旋传动中的螺母旋转运动，螺杆往复直线运动，其传力特性与螺旋传动三构件斜面机构类似。
结合附图4，螺旋传动三构件斜面机构结构简图，图中螺旋升角-a1，a2，外力-P、Q，摩擦角ρ＝arctgf，摩擦系数-f，对有关参数作如下分析作功(进气)行程时，输入力P，输出力Q，构件2上升 当摩擦角ρ相等时， 当a1＝a2＝45°时， 压缩(排气)行程时，输入力Q，输出力P，构件2下滑， 当摩擦角ρ相等时， 当a1＝a2＝45°时， 当直线螺旋传动机构发动机螺旋转换套导程h=Dπ/4,]]>左、右螺旋升角a1＝a2＝45°，螺旋升程S＝活塞行程，滚动摩擦系数f＝0.002-0.004，摩擦角ρ＝arctgf＝14′时作功(进气)行程， 压缩(排气)行程，
通过以上分析说明，本发明螺旋传动机构发动机所实施的直线螺旋传动机构的传动效率比曲柄连杆机构的传动效率提高40％，速度比为1，增力比为0.98。
二、直线螺旋传动机构发动机的有效热效率可提高40％直线螺旋传动机构是直线螺旋传动机构发动机将热能转换为机械能的戴体，由于直线螺旋传动机构的传动效率比曲柄连杆机构的传动效率提高40％，所以，直线螺旋传动机构发动机的有效热效率将在现有曲柄连杆机构发动机有效热效率的基础上提高40％，发动机千瓦小时油耗将降低40％。
三、直线螺旋传动机构发动机升功率将提高一倍当发动机输出轴和飞轮旋转一周时，活塞往复直线运动的次数与螺旋转换套内表面螺旋线导程相关，当螺旋线导程h=Dπ/4]]>时，活塞往复直线运动四次，比曲柄连杆机构四行程发动机作功次数提高一倍，根据“内燃机原理”，发动机升功率(四行程)将提高一倍，设计时选定不同的导程，发动机升功率将提高一倍，或一倍以上。
四、直线螺旋传动机构发动机不产生爆震燃烧，发动机磨损减小。
由于本发明所实施的直线螺旋传动机构的速度比为1，增力比为0.98，传动效率为0.98，能实现膨胀力与活塞移动速度的同步，发动机增加压缩比时，不会产生爆震燃烧，同时发动机机械磨损减小。
五、可替代曲柄连杆在其它范围的应用本发明所实施的直线螺旋传动机构的传动效率，工作效率比曲柄连杆机构有较大的提高，同时可应用于空压机、气压马达、液压油泵、液压马达的设计和制造。
六、本发明直线螺旋传动机构发动机的整体设计，制造工艺，材料应用提出了更高的要求。
附图1——图12图1为现有技术曲柄连杆机构发动机结构示意图。
图2为曲柄连杆机构作功行程受力分析图。
图3为曲柄连杆机构传动效率计算图。
图4为螺旋传动三构件斜面机构结构简图。
图5为本发明直线螺旋传动机构发动机结构示意图。
图6为本发明直线套端面结构示意图。
图7为本发明螺旋转换套内表面螺旋线展开图。
图8为本发明的第二实施例，为双缸直线螺旋传动机构发动机布局示意图。
图9为本发明的第三实施例，为直列多缸直线螺旋机构发动机布局示意图。
图10为本发明的第四实施例，为圆周排列多缸直线螺旋传动机构发动机布局示意图。
图11为本发明的第五实施例，为直线螺旋传动机构发动机A型结构布局示意图。
图12为本发明的第六实施例，为直线螺旋传动机构发动机B型结构布局示意图。
以下将结合附图对本发明的具体结构作进一步的描述图5、图6、图7展示了本发明的第一实施例，在本实施例中，缸体15右腔安装有螺旋转换套18，该套由轴承16支承在缸体15内，可作旋转运动，该套外表面装有配重19，该套伸出端装有飞轮21，由后盖20固定。在螺旋转换套内表面加工有对称的左，右螺旋圆滑相交的半圆球面螺旋凹槽，其螺旋线导程h=Dπ/4,]]>螺旋升程S＝活塞行程，左、右螺旋升角a为45°。在缸体15左腔与螺旋转换套18相邻处安装有直线套14，直线套14固定在缸体15内，该套内表面加工有六条等分的直线半圆球面凹槽，其有效行程大于S。在气缸12上部安装进气门7，排气门8，在气缸12内腔装有活塞9，活塞9通过活塞销10与连杆11左端连接，在连杆11中部周面加工有六个等分的半圆球面凹槽，半圆球面凹槽中装有六个钢球13，钢球13一半的凸起球面与直线套14半圆球面连接，在连杆11右端周面加工有2个对称的半圆球面凹槽，2个半圆球面凹槽中装有2个钢球17，钢球17一半的凸起球面与螺旋转换套18内表面对称的半圆球面螺旋凹槽连接。当可燃气体经进气门7进入气缸12膨胀作功，推动活塞9由上止点A向下止点B移动时，活塞9通过活塞销10推动连杆11向右移动，连杆11通过钢球13沿直线套14向右直线移动，连杆右端通过2个钢球17作用在螺旋转换套18内表面对称的左螺旋球面凹槽，推动螺旋转换套18旋转运动，当连杆11通过下止点B向上止点A移动时，2个钢球17作用在螺旋转换套18内表面对称的右螺旋球面凹槽，推动螺旋转换套18在保持旋转方向不变的条件下旋转运动，当活塞9往复直线运动四次，螺旋转换套18和飞轮21旋转一周，产生可燃气体的进气、压缩、作功、排气四个工作循环，其工作原理与现有四行程曲柄连杆机构发动机原理相同，同一转速时发动机作功次数提高一倍，升功率将提高一倍。
以上结构中，螺旋转换套螺旋线导程h=Dπ/4,]]>螺旋线升程S＝活塞行程，a——螺旋角为45°，D——螺旋转换套内径，d——直线套内径，A——上止点，B——下止点，π——圆周率。
图8为双缸直线螺旋传动机构发动机布局示意图，为本发明的第二实施例，其目的是扩大气缸总排量，用于设计和制造小排量发动机时，左、右单缸机共用一个螺旋转换套18和飞轮21，飞轮21采用齿轮输出动力。
图9为直列多缸直线螺旋传动机构发动机布局示意图，为本发明的第三实施例，其目的是扩大气缸总排量，单缸机22之间采用齿轮21，中间齿轮23连接，共同驱动齿轮24输出动力。单缸机22旋转方向相同，各缸工作循环应根据单缸机22数量平均等分角度安装，其目的是保证运转平稳，受力均匀。
图10为圆周排列多缸直线螺旋传动机构发动机布局示意图，为本发明的第四实施例，其目的是扩大气缸总排量，设计制造时根据工作条件确定单缸机22数量，各缸工作循环应根据单缸机22数量，平均等分角度安装，其目的是保证运转平稳，受力均匀。单缸机22旋转方向相同，单缸机22用齿轮21与输出齿轮25连接，共同驱动齿轮25输出动力。
图11为直线螺旋传动机构发动机A型结构布局示意图，为本发明的第五实施例，其目的是缩短发动机的总长度，该结构取消直线套14，钢球13，为保证螺旋转换套18旋转运动时，连杆11能保持往复直线运动状态，采取以下结构措施连杆11中心与气缸12、活塞9中心保持一定的偏心距C安装，其工作原理与本发明第一实施例完全相同，同时可应用于单缸机、双缸机、多缸机的设计和制造。
图12为直线螺旋传动机构发动机B型结构布局示意图，为本发明的第六实施例，其目的是缩短发动机的总长度，该结构取消直线套14，钢球13，为保证螺旋传换套18旋转运动时连杆11能保持往复直线运动状态，采取以下结构措施气缸12、活塞9加工成椭圆形，其工作原理与本发明的第一实施例完全相同，可同时应用于单缸机、双缸机、多缸机的设计和制造。
权利要求
1.一种直线螺旋传动机构发动机，包括气门、气缸、活塞、连杆、螺旋转换套、直线套，其特征在于在缸体(15)内腔装有螺旋转换套(18)，其外表面装有配重(19)，通过轴承(16)支承在缸体(15)右腔可旋转运动，由后盖(19)固定，其伸出端装有飞轮(21)，直线套(14)固定安装在缸体(15)左腔，气缸(12)上部装有进气门(7)，排气门(8)，气缸(12)内腔装有活塞(9)，通过活塞销(10)与连杆(11)左端连接，在连杆中部周面装有多个钢球(13)，钢球(13)的一半凸出球面位于直线套(14)内表面半圆球面凹槽中，在连杆(11)右端周面装有多个钢球(17)，钢球(17)的一半凸出球面位于螺旋转换套(18)内表面对称的半圆球面螺旋凹槽中。
2.按照权利要求1所述的直线螺旋传动机构发动机，其特征在于螺旋转换套(18)内表面加工有对称的左、右螺旋圆滑相交的半圆球面螺旋凹槽，其左、右螺旋线导程 应保证螺旋线数量为偶数，其数量应≥4，螺旋线升程S＝活塞行程，螺旋角a为45°。
3.按照权利要求1所述的直线螺旋传动机构发动机，其特征在于直线套(14)内表面加工有多条等分的半圆球面直线凹槽，其直线半圆球面凹槽数量应≥6，有效行程＞S。
4.按照权利要求1所述的直线螺旋传动机构发动机，其特征在于气缸(12)上部装有进气门(7)，排气门(8)，内腔装有活塞(9)，通过活塞销(10)与连杆(11)左端连接，连杆(11)中部周面加工有多个等分的半圆球面凹槽，其数量应与直线套(14)内表面直线半圆球面凹槽相等，球面半径相同，连杆(11)右端周面加工有多个等分的半圆球面凹槽，其数量为螺旋转换套(18)内表面螺旋线数量的一半应≥2，球面半径相同。
5.按照权利要求1所述的直线螺旋传动机构发动机所具有的特征，为简化结构、缩短发动机总长度，取消直线套(14)，钢球(13)，所实施简化结构为①直线螺旋传动机构发动机A型，该结构所具有的特征为连杆(11)中心与气缸(12)、活塞(9)中心保持一定的偏心距C安装。②直线螺旋传动机构发动机B型，该结构所具有的特征为气缸(12)、活塞(9)加工成椭圆形。
6.按照权利要求1所述的直线螺旋传动机构发动机以及简化结构所实施的直线螺旋传动机构发动机A型，直线螺旋传动机构发动机B型，所具有的特征可同时应用于空压机、气压马达、液压油泵、液压马达的设计和制造。
全文摘要
一种新型直线螺旋传动机构发动机，在气缸上部装有进气门、排气门，在缸体左、右内腔装有直线套和螺旋转换套，螺旋转换套通过轴承支承在缸体内，可旋转运动，由后盖固定，其伸出端装有飞轮，直线套与螺旋转换套相邻安装，并固定在缸体内。气缸内腔装有活塞，活塞通过活塞销与连杆左端连接，在连杆中部周面安装有多个钢球，钢球一半的凸轮部分位于直线套半圆球面凹槽中，在连杆右端周面安装多个钢球，钢球一半的凸轮部分位于螺旋转换套内表面对称的半圆球面螺旋凹槽中。本发明所具有的特征可同时应用于空压机、气压马达、液压油泵、液压马达的设计和制造。
文档编号F02B75/40GK1687571SQ20051005705
公开日2005年10月26日 申请日期2005年5月10日 优先权日2005年5月10日
发明者余长模 申请人:余长模