专利名称：微型椭圆齿轮发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种由椭圆齿轮构成传动系统的微型发动机，尤其涉及一种部件极 少，无连杆机构，运转无震动，可应用于航模或燃料电池的微型四冲程发动机。
二
背景技术：
目前现有微型发动机中，技术较成熟的主要为微型单缸活塞式发动机、微型三角 转子发动机、微型涡轮喷射发动机，其中单缸活塞式发动机是由摩托车的两冲程发动机缩 小体积而衍生出来的，虽然其发展经历了数十年，但是由于两冲程发动机自身的缺陷，微型 活塞式发动机不可避免的会存在很多问题。比如使用两冲程的换气方式使其污染严重，部 分可燃气体未点燃便排出使其油耗过大，每次燃烧使用的都是新气体与上一次废气的混合 气体使整机功率降低。汽缸的上下往复式运动使其有着很强的震动，往复式运动又使整机 极限转速降低。一般的微型活塞发动机使用的是热火头来点火，气体燃烧是由热火头上热 延时乌丝与汽缸压力配合点火，点火时间很难掌握，很容易过早或过晚造成整机功率降低。 另外在工作时活塞与汽缸间的摩擦力很大，使用时还要向燃料内添加专用机油来减少摩擦 力达到增加整机寿命的目的。航模中尽几年出现的微型三角转子发动机要比单缸活塞式发 动机表现得更加出色，其功率要比单缸活塞式发动机大很多，在运转时其极限转速要比单 缸活塞式发动机高很多。不过其也存在着很大的缺陷。比如使用三角转子的偏心转动来实 现连续运转，其偏心转动带来的震动是不可避免的，另外汽缸在膨胀时其动力的传动方式 使其扭力非常小，只有达到很高的转速，马力才有所体现。三角转子所形成的汽缸形状狭 长，使燃烧效率降低。另外其特有的汽缸形状与转子间的配合，使密封问题很难得到解决， 需要特殊的材料与设备才能进行加工制造。在以上三种发动机中还有一类是微型涡轮喷 射发动机，该机常被用来装配在航模飞机上，分为脉冲发动机或涡喷发动机，其优点为体积 小，功率大，转子无偏心转动。但其缺点是致命的，涡轮喷射发动机是靠高速转子的高速转 动，利用高压喷射的空气流产生推力，其油耗相当高，使航模的滞空时间较短，另外该发动 机的寿命要比普通发动机短很多。在制造时，使用材料与加工难度比普通发动机更加困难， 其也很难应用在低温环境或低燃料消耗的燃料电池上。
三
发明内容
为了制造出一种生产容易且高效能的微型发动机，本发明提出了全新的解决方 案。本发明仅由几个部件构成了一个无偏心转动的大功率微型发动机。整机由外壳，两个 对置的转子，转子内的传动系共同组成。为了减少整机部件，传动系仅由4个构件组成，其 即负责动力的输出又实现转子间的交替转动，由带有两个椭圆齿轮的输出轴、两个双联齿 轮、齿轮轴、转子上的内齿轮相互啮合而成，输出轴上的椭圆齿轮与双联齿轮上的椭圆齿轮 相啮合，比例为1 1，双联齿轮上的太阳齿轮与转子上的内齿轮相啮合，比例为1 2。当 输出轴转动一周时，转子转动半周。为了减小整机体积将两个转子的轴心去掉，改为空心转 子，其内部安放传动系统，转子是以转子外壁为轴颈以壳体内壁为轴孔进行转动的。整机汽
3缸是由转子、转子上的隔气版、壳体内壁共同构成。负责点燃气体的火花塞改为热火头，但 不同于以往的航模用热火头，本发明是采用持续高热的热火头来进行点火，巧妙的是无需 顾及点火过早或过晚的问题，使用的燃料也很随意，只需将热火头温度高于燃点即可。如改 变点火提前角则改变热火头在壳体上的位置即可，无论发动机转速如何，其点火正时都非 常精确。本发明显著的有益效果是。1.整机仅有几个部件组成，要求精度低，生产制造容易，可加工到厘米级大小。2.转子在壳体内做无偏心转动，整机在运转时无震动且摩擦力很小。3.汽缸无换气阀门机构，减小噪音，减小整机体积。4.转子的转动无往复运动，使整机极限转速很高。5.整机内有4个汽缸，该微型发动机相当于4缸发动机，功率重量比很大。6.当转子转动一周时，输出轴转动两周，即使在高速转动时换气效率依然很好。7.点火系统只需使热火头持续高热即可，无需调教混合气比例，无需安装电控打 火电路。8.传动系在内部，燃烧系环绕传动系，冷却系由外壳构成，整机各系独立。9.将换气口由一对改为两对时，本发明即改为泵或气动设备。10.启动发动机时只需先将热火头变为高热状态，再转动输出轴即可。无需顾及使 用何种燃料，发动机启动非常容易。
四
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1整机外观的各个角度2发动机解剖示意3传动系构件示意4转子构件示意5传动系与转子安装示意6齿轮比例7发动机外壳示意8各部件展开示意9四冲程做功原理10四冲程做功原理表图11转子交替转动原理12转子交替转动原理表图中1.输出轴2.齿轮轴3.上双联齿轮4.下双联齿轮5.上转子6.下转子7.壳 体8.热火头9.上盖10.下盖11.壳体螺栓12.输出轴孔13.齿轮轴孔14.双联齿轮孔 15.排气口 16.进气口
五
具体实施例方式1.发动机的各种部件
如图1所示，为整机外观示意图，从图中可以清楚的了解到该发动机是一个圆柱 状，输出轴两端位于圆柱的上下两个侧面，不过其并不在侧面圆的中心点位置，而是偏向一 侧。发动机在圆柱的圆周面上安装有两个气口，分别为进气口、排气口，气口位于圆周面的 一侧，另一侧安装有一个热火头用来负责点火。在发动机的四周安装有螺栓，将整机固定。如图2所示，为整机的内部解剖示意图，从图中可以清楚的了解到本发明的主要 技术特征，其中输出轴(1)穿过上盖(9)与下盖(10)并可以在机体内转动，齿轮轴(2)与输 出轴(1)平行且被上盖(9)与下盖(10)固定在它们中间。在输出轴上还设有两个椭圆齿 轮，椭圆齿轮不可绕输出轴转动，在齿轮轴(2)上套有两个双联齿轮(3) (4)，双联齿轮(3) (4)可绕齿轮轴(2)转动，由以上构件构成的传动系被安装在两个转子(5) (6)的内部。转 子圆环内设有内齿轮，发动机正是由输出轴连接两个双联齿轮，两个双联齿轮又连接上下 转子上的内齿轮，才使气体膨胀后的动力得以连续输出。如图3所示，为传动系的构件示意图，本发明传动系仅有4个构件，分别为输出轴 (1)、齿轮轴(2)、上双联齿轮(3)、下双联齿轮(4)。其中输出轴上还设置有两个椭圆齿轮 (X) (Y)，该椭圆齿轮(X) (Y)位于输出轴(1)轴长的中心部位，并偏移一定距离，且不可绕输 出轴转动。在齿轮轴(2)轴长的中心部位还设有轴挡，用来固定双联齿轮(3) (4)，防止双联 齿轮转动时在轴向方向位移。其中上下两个双联齿轮(3) (4)外型基本相同，都是由一个太 阳齿轮(A)与一个偏移一定距离的椭圆齿轮(B)并列构成。椭圆齿轮(B)与输出轴上的椭 圆齿轮(X)或(Y)齿数与大小相同。在双联齿轮(3) (4)上，以太阳齿轮(A)的中心为轴心 设置一个通透的双联齿轮孔(14)，使其可以套在齿轮轴(2)上转动。如图4所示，为发动机的转子部件，在发动机内设置有上转子(5)与下转子(6)两 个转子，且上下两个转子对置组合进行交替转动。两个转子形状一致，在加工时只需用同样 的加工方法生产出两个，安装时将两个转子(5) (6)对置180度合并即可。为解决密封问题 可以在两个转子的接触面上设置密封环凹槽及密封环即可。在设计转子的外形时，为了节 省体积，本发明中发动机的转子并没有设计轴心孔，取而代之的是一个空洞。转子正是一个 中心为空洞状的圆环构件，传动系统则安装在其内部。两个转子(5) (6)的圆环内侧都设有 内齿轮，内齿轮齿数是双联齿轮(3) (4)上的太阳齿轮(3A) (4A)齿数的2倍。在每个转子 的外圈圆周面上，对置180度还设置有2个隔气板，汽缸正是由两个转子(5) (6)的外圈圆 周面与转子上的4个隔气板及壳体内壁组成。该隔气板与活塞作用相同，在气体膨胀时推 动转子运动从而使膨胀力传递给输出轴。如图5所示，为传动系与转子的安装示意图，图中输出轴⑴位于转子内侧，并贯 穿转子，齿轮轴(2)也安放在转子内侧并与输出轴(1)并行，在齿轮轴(1)的上方套有上双 联齿轮(3)，在其下方套有下双联齿轮(4)，两个双联齿轮并列放置，中间由齿轮轴(2)上的 轴挡隔开，在输出轴(1)中心位置设有上下两个椭圆齿轮(X) (Y)，其中靠上的椭圆齿轮(Y) 与上双联齿轮上的椭圆齿轮(3B)相啮合，其中靠下的椭圆齿轮(X)与下双联齿轮上的椭圆 齿轮(4B)相啮合，且椭圆齿轮间的齿数比例为1 1。此时当输出轴(1)勻速转动时，两个 双联齿轮(3) (4)做变速运动，即每一个双联齿轮转动的角速度都是一个余弦曲线。且两个 双联齿轮的速度刚好相反，当其中一个角速度最大时，另一个角速度最小，两个双联齿轮始 终在做变速转动。图中双联齿轮(3) (4)上的太阳齿轮是一个正圆齿轮(A)，在转动时，上双 联齿轮(3)上的太阳齿轮(3A)与上转子上的内齿轮相啮合，下双联齿轮(4)上的太阳齿轮
5(4A)与下转子上的内齿轮相啮合，从而可以使输出轴在勻速转动时上下两个转子做变速转 动，实现汽缸间的容积变化。如图6所示为其中一组齿轮间的比例示意图，图中位于左侧的 是输出轴上的一个椭圆齿轮(X)或(Y)，位于右侧的是双联齿轮(3)或(4)，在图中可以看 出两个相互啮合的椭圆齿轮其大小与齿数相同，太阳齿轮(A)与外接的内齿轮其大小与齿 数比为1 2。所以本发动机在转动时转子转动一周，输出轴则转动两周。如图7所示，是本发动机的外壳部分，发动机的外壳是由位于转子外围的壳体(7) 及上盖(9)与下盖(10)组成，并由位于壳体周围的螺栓固定。发动机外壳也可作为冷却系 使用，在壳体圆周的一侧还设置了一套气口，分为进气口(15)与排气口(16)，且气口间距 略等于活塞的最高厚度。壳体的高度等于两个转子对置组合后的高度，在壳体圆周的另一 侧安装有热火头(8)，该热火头不同于以往微型活塞式发动机的热火头，在发动机工作时， 将热火头(8)上的点火线圈加热到高热状态并高于燃料的燃点即可，其使用的材料可以考 虑类似防风打火机内的热延时钨丝或某些耐高温的钼合金。在上下两个盖(9) (10)上，分 别设置有输出轴孔(12)与齿轮轴孔(13)，其中输出轴孔(12)是一个穿透上盖(9)与下盖 (10)的稍大一些的孔，其作用固定输出轴(1)的同时使输出轴两端可以探出，其中齿轮轴 孔(13)是稍小一些的孔，该孔无需穿透上盖(9)与下盖(10)，只起到将齿轮轴⑵固定的 作用。如图8所示为发动机各种部件展开示意图，其中位于中间的是传动系统，由输出 轴(1)、齿轮轴(2)、上双联齿轮(3)、下双联齿轮(4)构成，传动系统的外围是燃烧系统，由 上转子(5)与下转子(6)及壳体(7)构成的四个汽缸即是，点火系统由位于壳体(7)上的 热火头(8)构成，在燃烧系统的外围是整机的冷却系统与换气系统，由壳体(7)、上盖(9)、 下盖(10)与排气口(15)进气口(16)组成，整机外壳由壳体螺栓(11)固定即可。本发明 部件极少，且要求精度较比活塞式发动机低很多，很容易进行加工制造。2.发动机的工作过程当将以上部件组合后，即完成了一个四缸微型发动机的安装过程，发动机含有传 动系、润滑系、点火系、燃烧系、换气系、冷却系、惯性系、各大系统。当启动发动机时，需先将 热火头通电，使热火头上的热延时钨丝高热并大于燃料燃点，再转动输出轴即可启动发动 机。启动后的发动机在工作时，输出轴是勻速转动，转子是变速转动。在发动机内部设 置有椭圆齿轮与双联齿轮及转子内齿轮，他们之间互相啮合从而使整机内的四个汽缸容积 发生变化，实现四冲程原理。在气体膨胀做功时，气体膨胀力是作用在两个转子的隔气板上 的，此时两个隔气板上的作用力是相同的，但转子还是向单方向进行转动。实现此转动方式 的重要构件就是上下双联齿轮及输出轴上的椭圆齿轮。在气体膨胀时，由于输出轴上的上 下两个椭圆齿轮与上下两个双联齿轮上的椭圆齿轮相啮合，当输出轴上的椭圆齿轮力臂最 短时，此时双联齿轮上的椭圆齿轮力臂最长，使其中一个转子很难带动输出轴转动。而就在 这一刻另一个转子所啮合的齿轮却很容易带动输出轴转动，此两个转子间又相互间接的啮 合，使其转动是相互的。所以其中一个转子很难带动另一个转子转动，如在两个转子间同时 施加两个大小相等，方向相反的力时，则此时一个转子即带动另一个转子转动。因为转子间 是由椭圆齿轮实现相互作用的，所以在转动时，力臂是变化的，当输出轴转动一定角度后， 两个转子间的力臂几乎相等时，作用在两个转子上的方向相反的两个力无法继续推动转子运动。将膨胀后的废气排出机体，此时转子靠惯性前进，且这个时间是顺间的。之后，转子 间力臂又重新产生差值，可此时不同的是，原来被动的转子变为主动的转子，原来主动的转 子变为被动的转子。就这样转子间的主动变为被动，被动变为主动并进行周期性变化。当 一个转子变为被动转子时，其上方的隔气板位置刚好位于进气口与排气口中间，此时主动 转子转动使其上的隔气板实现气体的膨胀、排出、吸入、压缩过程。当其又变为被动转子时 其位置刚好位于进气口与排气口中间，刚刚的被动转子又变为主动转子实现以上过程，整 个过程周而复始，所以使发动机得以连续的运转。如图9，10所示为发动机的换气原理图，假设输出轴由0度开始启动，其中一个转 子上的隔气板分别命名为Al，A2，另一个转子上的隔气板命名为Bl，B2，当输出轴转动到 180度时，Al，B1实现进气冲程；Bl，A2实现压缩冲程；A2，B2实现膨胀冲程；B2，A1实现排 气冲程。当输出轴转动到360度时，Al，B1实现压缩冲程；Bl，A2实现膨胀冲程；A2，B2实 现排气冲程；B2，A1实现进气冲程。当输出轴转动到540度时，A1，B1实现膨胀冲程；B1，A2 实现排气冲程；A2，B2实现进气冲程；B2，A1实现压缩冲程。当输出轴转动到720度时，A1， B1实现排气冲程；Bl，A2实现进气冲程；A2，B2实现压缩冲程；B2，A1实现膨胀冲程。此时 两个转子又回到原始位置并重新开始下一周的冲程循环，由此可见当转子转动一周时，进 行了 16次冲程，输出轴转动两周，并且发动机输出功率4次。即当输出轴转动一周时，转子 转动半周，发动机输出功率2次。所以本发明是一个大功率的微型发动机。如图11，12是转子间的交替转动原理图。如图中所示，假设输出轴与两个转子都 刚好处于0度位置，且两个转子上的隔气板处于最接近状态，此时每个汽缸内的冲程都刚 刚结束并处于下个冲程的开始阶段。当输出轴继续转动并转动到45度时，此时A转子转 动到10度，B转子转动到20度。当输出轴转动到90度时，A转子转动到15度，B转子转 动到75度。当输出轴转动到180度时，A转子转动到30度，B转子转动到150度。可以看 出，当输出轴在一周转动的前半圈时，A转子转动速度较慢，B转子转动速度较快，此时整机 内的汽缸容积发生变化，4个汽缸刚好同时完成进气、吸气、压缩、膨胀过程。且当输出轴转 动180度时，刚好A转子上的隔气板与B转子上的隔气板位置进行交换。在输出轴继续进 行转动时，即完成一周转动的后半圈，输出轴转动到225度时，A转子转动到50度，B转子转 动到160度。输出轴转动到270度时，A转子转动到105度，B转子转动到165度。输出轴 转动到360度时，A转子转动到180度，B转子转动到180度。可以看出输出轴的后半圈转 动中，A转子转动速度较快，B转子转动速度较慢，此时汽缸间继续同时进行四个冲程，依此 类推，完成了发动机的四冲程原理使整机可以连续的运转。以上所描述的是本发明作为发动机的原理，本发明的输出轴转动与其内腔体的容 积变化是可以互相逆转的，当将本发明壳体一侧的热火头也改为一套气口时，使整机壳体 上设置有两个进气口与两个排气口，则本发明即改为一个泵或气液动设备。
权利要求
一种微型椭圆齿轮发动机，整机部件极少且其形状为圆柱状，由壳体螺栓固定；在发动机内由输出轴、双联齿轮、齿轮轴、转子上的内齿轮构成发动机的传动系；由两个对置的转子、壳体内壁构成发动机的汽缸；由壳体上的热火头及进排气口构成发动机的点火系及换气系；由发动机的外壳作为冷却系；当输出轴椭圆齿轮、双联齿轮、转子的内齿轮相互啮合时，两个转子与输出轴间的力臂发生周期性变化，从而使气体膨胀力推动输出轴转动，构成发动机。
2.根据权利要求1所述，其特征在于构成发动机传动系的部件分别为输出轴，上双联 齿轮，下双联齿轮，齿轮轴，转子内齿轮；在发动机内，齿轮轴与输出轴平行放置，在齿轮轴 上套有上双联齿轮与下双联齿轮，且使输出轴上的椭圆齿轮与双联齿轮上的椭圆齿轮相啮 合，其比例为1 1，使双联齿轮上的太阳齿轮与转子上的内齿轮相啮合，其比例为1 2; 传动系统其即负责动力的输出又实现汽缸间容积的变化。
3.根据权利要求2所述，其特征在于传动系中的输出轴上带有上下两个椭圆齿轮，且 椭圆齿轮是非中心的固定在输出轴上且不可绕输出轴转动；当为了减少整机部件时，可以 将输出轴与两个椭圆齿轮制作为一个整体，当对部件数量没限制时，可以将两个椭圆齿轮 以非中心的套在输出轴上并设置键槽固定，使其不可绕输出轴转动。
4.根据权利要求2所述，其特征在于双联齿轮是一个太阳齿轮与一个椭圆齿轮并列构 成的，且椭圆齿轮要偏移一定距离；双联齿轮的轴心孔设在其上的太阳齿轮的中心点位置； 双联齿轮上的太阳齿轮与转子内齿轮比例为1 2，双联齿轮上的椭圆齿轮与输出轴上的 椭圆齿轮比例为1 1。
5.根据权利要求1所述，其特征在于转子的结构是一个无轴心孔的圆环构件，在圆环 内侧设置有内齿轮，在圆环的外侧间隔180度设有两个隔气板；整机内设置有上下两个对 置的转子，并将传动系安装转子内部。
6.根据权利要求1所述，其特征在于发动机的燃烧系由两个转子对置放置并与壳体内 壁共同组成四个汽缸，由两个转子接触面上的密封环进行气体密封，由壳体上的热火头进 行点火；上下转子以其环形外壁为轴颈，以壳体的环形内壁为轴孔进行交替转动，从而使四 个汽缸容积发生周期性变化实现四个冲程。
7.根据权利要求1所述，其特征在于发动机壳体一侧安装的点火系统是一个持续高热 的热火头，其材料可以使用具有热延时效应的钨丝或耐热好的钼合金；在发动机工作时，只 需使热火头持续高热，温度高于燃料燃点即可。
8.根据权利要求1所述，其特征在于发动机的换气系是位于壳体一侧的一个进气口与 一个排气口；气口无阀门机构，直接在壳体上打孔即可，且气口的间距略等于转子上隔气板 的最高厚度。
9.根据权利要求1所述，其特征在于发动机的外壳由上盖、壳体、下盖并列排置，由壳 体螺栓固定而成，并可作为冷却系；壳体的高度等于两个转子对置组合后的高度，壳体内侧 为环状且与转子外环刚好匹配，在壳体的外侧圆周上分别设置有一个进气口一个排气口及 一个热火头；发动机的上下盖结构基本相同，都设置有输出轴孔及齿轮轴孔。
10.根据权利要求1所述，其特征在于将本发明中的热火头也改为一套气口时，使整机 外部设置有两个进气口与两个排气口，则本发明即变为泵或气液动设备。
全文摘要
一种部件极少的微型椭圆齿轮发动机，整机形状为圆柱状，由壳体螺栓固定；在其内部由输出轴、齿轮轴、上下双联齿轮、及转子上的内齿轮构成整机的传动系；由两个对置的转子、壳体内壁构成发动机的汽缸；由壳体上的热火头及进排气口构成发动机的点火系及换气系；当输出轴椭圆齿轮、双联齿轮、转子的内齿轮相互啮合时，两个转子与输出轴间的力臂发生周期性变化，从而使气体膨胀力推动输出轴转动，构成发动机。
文档编号F01C1/22GK101852093SQ20091010402
公开日2010年10月6日 申请日期2009年6月8日 优先权日2009年6月8日
发明者尚世群 申请人:尚世群