专利名称：机械式起动发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的起动发动机，特别是涉及将贮存的应变能作为动力能源的、机械式起动发动机。
现在的起动装置一般用电动机驱动，该电动机必须有足够大的功率以起动内燃机。一般以电池作为能源，该电池在12V电压下能提供大于200安培的电流以起动内燃机，而在起动重型柴油机时，动力源应大于此。
在特定条件下，如过热或过冷或极潮湿的条件下，电池及其相关的电系统迅速受损。特别是在服务和维修不合标准或根本就没有的情况下尤为如此。并且在一定环境下，电动起动器有火灾危险，如不允许在矿井中用这种起动器。
机械式起动机比电力起动装置为内燃机提供了更为可靠的起动能源。
迄今为止所采用的机械式起动装置一般包括贮存能量的弹簧装置，在上述弹簧装置上施加能量以将其贮存在弹簧装置中的装置以及当贮存能释放出来时，转化贮存能为所述内燃机提供起动脉冲的驱动装置。这种起动机以后称作“所述类型的起动装置”。
在所述类型的起动装置中，弹簧装置包括一组盘簧；通过人工反复转动曲柄，曲柄又转动轴上的蜗杆，所述轴通过弹簧的中心，蜗杆拧入底板，从而使蜗杆的转动移动端板压紧盘簧，而使弹簧产生形变。一旦贮存了足够的能量，就人工松开棘轮爪而将能量释放出来。弹簧将在轴向产生反作用，所述装置将轴向运动转换成转动能。转动能被送往输出轴，输出轴包括一小齿轮，该小齿轮适于啮合内燃机飞轮上的环形齿轮。
这种已知的机械式起动器利用一可拆开的手摇柄来卷绕弹簧机构以在其中贮存能量。这些手柄应有相当大的尺寸以施加必要的能量并为操作提供必要的机械效益。这反过来又将起动机的定位和定向限制在一个可以自由操作手摇柄和容易地进入那部分内燃机的位置。
压燃式发动机，例如柴油机特别适合于用这种机械式装置起动，因为在正常工作过程中，不需要有关的电力系统维持其工作。此外可用于机械式起动器的转动量受贮存能释放完毕前盘簧行程的限制。在已用的起动器上，弹簧行程又小又短。它最好用于多汽缸柴油机上，其中由起动装置转动曲柄轴，在曲柄轴转过一个弧线期间便可能引发燃烧。
如上所述，盘簧中贮存的弹性能以轴向运动的形式释放出来，该轴向运动必须转化成用于起动内燃机的转动运动。在转化过程中能量损失很大，并且这种发动机必须作得很牢固以承受弹簧施加的轴向力。这点使成本和重量都增加，从而使其应用价位增高。
因此需要一种有改进效率和通用性的机械式起动装置，该起动机可用于起动多种内燃机。同时需要机械式起动装置有减轻的重量和成本低的结构。还要求这种机械式起动装置容易操作，并且必定不需要长杆手摇柄。
根据本发明，提供了一种所述类型的机械式起动装置，其特征在于以下各特征的一个或多个，或其任何组合(i)弹簧装置包括一发条，在本说明书中术语“发条”意指一种钟表型弹簧，它由形成连续螺旋的扁平带材制成，通过旋紧弹簧的螺旋线圈而将势能贮存在其中。(ii)弹簧装置可以包括一组并行操作的带型弹簧，或一个单独的弹簧。(iii)螺旋带式弹簧的宽度，长度和厚度都可以改变以控制输出能以及起动装置的转数。(iv)螺旋弹簧装置通过使其一端相对于另一端旋转可以发生应变，旋转应与弹簧螺旋方向同向。(v)弹簧螺旋的一端可以固定在输出轴上，而另一端转动以拧紧螺旋，可以设有释放输出轴的装置，借此贮存在弹簧中的势能直接释放成转动能。(vi)通过旋转弹簧的内边，而其外端固定，则可以贮存势能。(vii)通过相对于弹簧内端旋转其外边可以贮存势能，从而可以形成使卷绕过程容易的机械增益。(viii)发条可以是线圈式的，其内边与驱动轴相连，其外端与转动壳体相连，转动壳体优选与所述驱动轴同轴，并相对于该驱动轴可以转动。(ix)设有卷绕装置，该装置适于相对于弹簧的内边转动弹簧壳体件，以在其中贮存势能。(x)卷绕装置可以是绳索牵引卷绕机。(xi)在卷绕装置和旋转弹簧壳体之间可以设有齿轮装置，以在其间提供机械增益，所述齿轮装置可以是行星齿轮装置。(xii)发条和卷绕装置可以与控制和释放装置一起作用，该控制和释放装置包括在弹簧中贮存了一定的能量之后，自动释放弹簧势能给驱动轴的装置。(xiii)所述控制和释放装置可以包括一个制动销，以在卷绕期间阻止驱动轴的转动，并且释放装置一旦卷绕装置过程结束后便松开驱动轴。(xiv)在卷绕装置和弹簧装置之间可以设有行星齿轮装置，其包括至少三个行星齿轮，该齿轮绕着驱动轴的轴线的外周基本均匀地分布，从而提供一种固定结构以在卷绕过程中平衡应力。(xv)卷绕装置可以包括基本为圆盘状的卷绕件其适合于用绳索牵引卷绕。卷绕装置可以包括一缓冲弹簧(recoil spring)和棘轮机构，在拉动卷绕绳索时，棘轮机构啮合以驱动齿轮轮系，并且卷绕弹簧，在释放卷绕绳索的张力时，缓冲弹簧重绕绳索，为下一次拉动作准备。在这些情况下利用拉动卷绕器使使用和操作更加灵活。例如根据本发明的起动装置可以放在更小的空间内，并且起动索可以放在方便操作的位置。本发明此特点的一方面中，绳索通过一导管送至控制板或仪表盘上明显远离起动装置的位置处，起动装置本身在其操作位置连接在内燃机上。还有一优点在于，利用所述类型的绳索比利用手摇柄的危险变小。手摇柄机构的缺点可能会导致曲柄随相应臂的转动时对操作者造成伤害。(xvi)卷绕装置还包括棘轮装置，以在卷绕过程中增加弹簧中的势能。本发明一个特殊方面在于用于缓冲装置的棘轮和用于弹簧壳体的棘轮可以基本上是同心的，并设置在同一内齿轮内。(xvii)所述控制和释放装置包括在驱动轴和装置壳体之间作用的棘轮和棘爪。在先有领域机构中，棘爪可以用手工脱离配合。(xviii)棘爪可以与凸轮表面相互作用，这使得其响应于卷绕操作而被转动，可以这样设置，只有当发条上有足够的势能时，凸轮的转动才使凸轮边缘与棘爪处于分离关系。(xix)所述凸轮可以由弹簧壳体通过行星齿轮装置驱动。(xx)所述释放和控制装置的棘轮在其外表面可以设有有一定轮廓的棘轮凹槽，每个凹槽适合于与棘爪端部的相应轮廓的突出部分相互配合，其设置应该是这样的，要求摩擦最小以使棘爪与棘轮上的相应凹槽脱离配合，从而释放驱动轴。(xxi)棘爪可以锁定在壳体的固定部分上，并且棘轮与驱动轴相连。在本发明的一个具体实施例中，棘轮可以形成驱动小齿轮的一部分，该驱动小齿轮与待起动的内燃机的起动器环相配合。(xxii)起动机小齿轮和其相连的棘轮可以有中心孔，孔上在其内部刻出多头螺纹或齿。(xxiii)所述小齿轮适合于安装在轴前端的相应的多部件齿上，所述轴适合于朝向待起动的内燃机的飞轮放置。小齿轮可以例如使用压缩弹簧使其偏向一个位置，以与所述起动器环脱离配合，其设置是这样的，以使小齿轮与起动器环相配合，相对于驱动轴的小齿轮的相应转动会引起小齿轮沿着多头螺纹或齿前进，与起动器环啮合。(xxiv)棘爪沿着小齿轮行进的方向延长，以维持与棘轮上的相应的凹槽的啮合。所述装置应该是这样的，在卷绕开始时，棘爪阻止小齿轮转动，而轴将自由转动，多头螺齿和螺纹的相互作用会驱动小齿轮与起动器环啮合。在其行程的端部会阻止驱动轴进一步的转动。(xxv)本发明的一个特殊方面在于，除去弹簧的主要元件由塑性材料制成。(xxvi)行星齿轮轮系一般由填有尼龙的玻璃制成，而驱动轴，驱动小齿轮和卷绕齿轮由市场上可购到的商标名为“VERTON”的尼龙衍生物材料制成。使用这种材料有以下优点，所述设备质轻，活动部件之间不需要轴承，制造价格便宜。还有一个优点在于，在整个装置中大量使用塑料元件意味着该装置适合于在恶劣的条件下，例如高度潮湿的条件或海上环境操作。
下面仅以举例方式参照附图对本发明详细说明。
其中
图1是根据本发明的起动装置的纵部图；图2是与图1等同的视图，示出起动器小齿轮处于啮合位置；图3是图1装置的端盖的端视图；图4是图3的侧视图；图5是图1装置的弹簧壳体和机壳的侧视图；图6是沿图5中A-A线所取的剖视图7是图1所示装置的驱动轴的细节图；图8是图1所示装置的卷绕棘轮的剖视图；图9是图8的端视图；图10是通过图1所示弹簧滚筒的剖视图；图11是图1所示装置的棘爪凸轮的细节图；图12、12A、12B和12C是棘爪的细节图。
根据本发明的起动装置包括一大致为圆柱形的外壳10。壳体10在其尾端有一端盖11，该端盖有一向内伸出的中心凸出部分12。端盖11上有多个向前伸出的舌片13(见图4)，其适合于与圆柱形壳体10尾端上的相应部分啮合以将端盖固定在其上。端盖11的端面14大致为圆形并具有向内伸出的环状凸缘15。端盖11的外圆柱面16具有开口17，它具有一对轴向延伸的圆形凸出部18，该凸出部一起界定了绳索导向开口19。
圆柱形壳体10在其前端有一向内延伸的环形壁20，其上具有一中间台阶部分21，该台阶部分在其内端有一前伸部分22。前伸部分22终止于一向内延伸的凸缘22，该凸缘上有多个沿圆周分布的向外延伸的配合元件24，每个配合元件外端都有一个向内的钩25。中间台阶部分21在其内表面配有构成环形齿轮26的多个齿。前伸部分22由一对间隔开的平行壁和一对大致为弧形的壁28界定，(见图6)下壁29有一向内伸出的弧形钩30，弧形钩大致沿前伸部分的纵向延伸，并用于界定一大致为圆柱形的凹槽31，该凹槽沿其长度纵向开口，用于接受棘爪元件，如以后所描述的。
圆柱形壳体10的环形壁20的前伸部分22适于承载小齿轮外壳35，该外壳包括大致为圆柱形的部分36，其适合于叠合圆柱形壳体10的前伸部分22，并与前伸部分购成滑动配合，所述部分36有从其大致向内延伸的向前的环状壁37，该环状壁上有多个开口38，每个开口内壁有台阶或制动部分39，应这样设置，小齿轮壳体35套在壳体10的圆柱形部分22之上，每个配合元件24的钩状部分25锁进制动部分39以将小齿轮壳体35固定就位。前壁37有齿轮外壳40，其下端被切除，并在其前端终止于轴颈41。壳体40由沿圆周分布的凸缘42(见图2)增强。
轴颈41上支承有一向轴颈尾端延伸的短轴43，所述短轴终止于一有缺口的凸缘44。以45表示的驱动轴有一大致中空的中心孔46，该孔扩张形成环状轴肩47，该轴肩与短轴的有缺口的凸缘44相配合以将驱动轴限制在所述短轴上，所述驱动轴可相对于短轴旋转。
驱动轴45靠近其前端有多个螺旋花键或齿，在其尾端之后紧接有另一个变小的圆柱形部分48、49，这两部分构成支承面。
轴的尾端部分在其外表面有多个纵向沟槽或花键，每一个近似为0.5mm深并朝向尾端51延伸，尾端直径稍微减小，并且有构成支承表面的光滑圆柱形表面。
驱动轴45的中心孔46适于在其尾端容纳一个卷绕棘轮52(见图8)，该棘轮包括大致为管状的部分53，该管状部分适合于进入驱动轴45的中心孔46，还包括环形盘54，环形盘54终止于指向尾端的圆周形凸缘55。环形盘54的尾端面靠近其圆周6支承沿圆周分布的棘轮固定器56、57，图9示出了这种固定器。棘轮固定器56是一个“外”棘轮固定器，而棘轮固定器57是一个“内”固定器。每个棘轮固定器包括有一长部件59和一短部件60的臂58。臂58与长元件59和短元件60的交点一起界定了一圆柱形承窝，其适合于容纳“犬骨”形的棘轮元件的相应部分(未示出)。
所述犬骨形元件同样依次传递并在两相邻固定器之间延伸。外棘轮固定器56包括犬骨形棘轮元件62，该元件62具有棘爪部分63和弧状延伸臂64。其设置应该是这样的，棘爪部分63离开环形盘54的中心向外延伸。
内棘轮固定器57包括犬骨形棘轮元件62′，该元件62′具有棘爪元件63′和弧形臂64′。在此情况下其设置应该是这样的，使得棘爪元件向内指向盘64的轴。在每个夹持器57和58中的犬骨形棘轮元件62、62′的整套组合用于形成即可向内又可向外操作的环形棘轮组件。
管状部分53的末端支承着相对于其可转动的绳索元件69。它包括大致为圆形的卷绕滚筒体70，在筒体70的前面上支承有一个适合与内棘爪63′相配合的棘轮，相应犬骨形棘轮元件62′由环形盘54上的固定件57支持。元件69有一向前伸出的凸出部分72，该凸出部分进入卷绕棘轮52的管状部分53。卷绕滚筒体70的轴上有一盲孔73，其适于接收凸出部分72，该凸出部分有用于驱动轴、卷绕棘轮和卷绕滚筒组件的后支承。滚筒有一周向绳索接收沟槽74，绳索端进入并固定在凹槽75上，然后卷绕在沟槽74内，借助端盖11内的绳索引导开口19从滚筒引出。在端盖11和卷绕滚筒69之间设有缓冲弹簧76以在每个拉动行程中重绕绳索。
轴45上支承有装有轴颈以及相对于其转动的，以80表示的弹簧壳体。弹簧壳体有一大致为圆柱形的外壁81；前端面82，在其内端终止于向前延伸的套筒83，在该套筒的外圆柱表面有多个轮齿84，这些轮齿形成一36齿24dp(径节)的直齿轮。后端面有一个适于容纳驱动轴45的中心孔，并在后端面的内外端之间，有绕壳体的轴线周围分布的轮毂85，每个轮毂适合支承在其上自由转动的18个齿12dp的直齿轮，每个上述齿轮与由卷绕棘轮支承的中心齿轮65配合。每个直齿轮87还与固定在端盖14和壳体10上的环形齿轮88相配合。环形齿轮88在其后部有一棘轮延伸部分89，该部分89在其圆筒形内表面上有多个适合与外犬骨形棘轮爪相配合的棘轮台阶，以使弹簧滚筒80相对于壳体10只沿一个方向转动。
滚筒80上支承有一单一的，螺旋卷绕的时钟弹簧形片簧，其内端固定在驱动轴45上，其外端固定在壳体80上。弹簧的内端通过胶粘固定在轴上，从而使轴上的花键形成弹簧钢和轴之间的相互配合。滚筒壳体80由塑性材料制成，其内侧变粗糙，其主要区域粘在弹簧的相邻表面，其设置是这样的，轴45锁住而不能旋转，拉动绳索端使卷绕滚筒转动以使内棘轮之间相互作用，以驱动卷绕棘轮绕其轴线相对于轴转动，而外棘轮骑在外棘爪上。卷绕棘轮52的转动引起弹簧滚筒80通过中心齿轮65，直齿轮87和环形齿轮88以相对于卷绕滚筒69的转速大大减小的转速转动。当绳索被拉到其最大行程时，缓冲弹簧被张紧，这样释放绳索会允许缓冲弹簧76改变弹簧滚筒80的转向，以使卷绕滚筒相对于卷绕棘轮52移动，卷绕棘轮52通过棘爪63和棘轮伸出部分89上的棘轮台阶的相互配合而被锁定，不能反转，从而允许在主弹簧90上施加额外张力以作为势能而贮存起来。连续地拉动卷绕滚筒上的绳索以及随后的释放，会导致弹簧90中贮存的势能的叠加，直至达到最佳张力值。
轴45在弹簧滚筒80的前面82的前部支承一个装有轴颈以便绕轴65转动的凸轮元件93。凸轮元件63包括一个大致为平的圆盘，并且有向前延伸的凸轮件94。凸轮件93的后端面有三个均匀分布的、其上支承有柱95的齿轮，每个柱95上支承一个行星齿轮96，该齿轮的齿适合于在弹簧滚筒80的圆柱形延伸部分83上的轮齿84和壳体10内部的环形齿轮26之间啮合，其设置应该是这样的，使得滚筒80的转动用于驱动凸轮94绕轴45转动。凸轮94形状一般如图11所示，凸轮表面大致为偏心的，并且其大致半个表面是弓形的，然后延伸进凸轮臂98。凸轮棘爪100(见图12)大致为纵向的，并且有一转动部分101，其沿凸轮的纵向延伸，并适合于容纳在钩30内(见图6)，棘爪凸部根据图12的截面12A、12B、12C沿棘爪长度的各中间阶段，大致为圆形。
凸轮件的前部，轴45支承着小齿轮104，其包括适合与待起动内燃机的起动器环的齿相配合的前齿部105，中间部分106，以及适合与棘爪100相配合的后棘轮107。小齿轮104利用压缩弹簧108相对于齿轮壳体35受向后的弹力。中间部分在其内表面109上有多个螺旋花键或齿110；其适合与驱动轴上的螺旋花键或齿48配合。设置应该是这样的，使得轴45和小齿轮104之间的相对转动会导致小齿轮沿轴45的轴线或者向前或者向后移至它行程的极限。
当小齿轮沿驱动轴轴向移动时，它沿棘爪100滑动，棘爪不同的外形与在小齿轮上的棘轮107相配合。棘爪100的凸部和形状这样设置，使得棘爪的凸部通过棘轮的相应凹槽受到“自动凸轮”控制(selfcaming)，并且这样设置，使得如图2所示，当小齿轮整个向前时，只需很小的力便可使棘爪与小齿轮脱离配合。
在操作中，拉动卷绕绳索会使卷绕滚筒69转动，从而使包括驱动轴45的整个驱动装置相应转动。通过弹簧108的作用使小齿轮稍受固定而不能转动，从而使小齿轮前行到一个位置，在此位置齿轮105与待起动的内燃机的起动器环上的相应齿配合。当小齿轮行至其行程的终端时，图12C示出的棘爪的形状会与棘轮107的凹槽相配合，从而锁定小齿轮，不能相对于小齿轮壳体和与其相连的壳体10转动。同时，由于小齿轮在其行程的前端，轴45也会锁定而不转动。拉动绳索会使弹簧90以上述方式卷绕弹簧90并使凸轮转动。卷绕绳索的不断拉动会使弹簧90逐渐上紧，直至凸轮94旋转至凸轮凸角97与棘爪100配合，从而提升棘爪体100，使其与小齿轮104的棘轮107的相应凹槽脱离配合。
轴45和所支承的小齿轮104脱离其限制后在弹簧的作用下自由转动，从而使轴有转动运动，所述轴驱动小齿轮，而小齿轮又驱动待起动的内燃机飞轮上的环形齿轮，当内燃机起动时，环形齿轮的齿隙使小齿轮105上的摩擦负载减小和移去。压缩弹簧108使小齿轮脱离与环形齿轮的配合而到达起动位置。凸轮94已转动，从而使凸角97经过与棘爪100的接触点，棘爪100与棘轮107相配合，棘爪体会与臂98相接触，所述臂98是柔性的，用于使凸轮与凹槽脱离配合，直至卷绕达到这种程度，即小齿轮再次沿轴45向前移动与环形齿轮配合，此时，凸轮凸角94已前行足够的距离，使臂与棘爪脱离配合，并且棘爪将再与棘轮107的凹槽配合。
除弹簧外，起动装置的元件全由结构塑性材料制成。从而使最终的起动装置质轻，不需要轴承，除弹簧外基本防腐。
上述装置的自动凸轮释放结构可以防止弹簧过度卷绕。如果弹簧过度卷绕，就不再能实现弹簧能量的平滑传递，在很多情况下，弹簧紧裹(collapses)以防止大量或足够的能量传递，本发明的凸轮释放装置克服了上述问题。通过改变行星齿轮系的各种元件之间的齿数比就能改变弹簧的输出性能，通过改变弹性长度、厚度和宽度的组合就可以改变弹簧自身的能量传送装置。
根据本发明的大体如上所述的起动装置适合于起动各种内燃机。
权利要求
1.一种起动发动机，其特征在于弹簧装置包括发条。
2.如权利要求1所述的起动装置，其特征在于所述弹簧装置是多个发条。
3.如权利要求1或2所述的起动装置，其特征在于，当卷绕装置已在弹簧上施加了预定量的能量后，由控制装置操作以将弹簧中的势能释放出来以起动发动机或内燃机。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述卷绕装置包括一绳索牵引卷绕器。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于螺旋的内端固定在轴上，而弹簧螺旋的外端转动以拧紧弹簧。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动装置包括适合于与待起动内燃机飞轮上的齿形环相配合的小齿轮，其特征还在于在弹簧装置卷绕前，小齿轮与内燃机上的起动器环啮合。
7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述卷绕装置包括作用于绳索滚筒和环形齿轮之间的卷绕棘轮组件上的同心棘轮。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于将弹簧中的势能释放给驱动轴的控制装置包括直接或间接作用于轴和壳体之间的棘爪和棘轮组件和凸轮装置，该凸轮装置响应弹簧的卷绕而操作，在弹簧中的势能积蓄到一定值时该凸轮装置释放棘爪装置。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于在卷绕装置和滚筒之间的齿轮轮系是行星齿轮轮系。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，由行星齿轮轮系驱动所述控制装置。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，除去弹簧外的元件由塑性材料制成。
12.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述弹簧螺旋的内端通过弹簧和轴之间的粘接而固定在轴上。
13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于弹簧螺旋的上端利用粘接剂连接在弹簧壳体上。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于所述粘接剂是以异丁烯酸甲酯为基的粘接剂。
15.一种用于内燃机的机械式起动装置，其大约为参照图1至图12所描述的装置。
16.一种压燃机，其包括前述权利要求中任一项所述的机械式起动装置。
全文摘要
用于内燃机的起动发动机(10),其使用贮存的应变能作为动力进行机械操作,其中弹簧装置包括一发条(90)。
文档编号F02N5/02GK1181127SQ9619322
公开日1998年5月6日 申请日期1996年2月16日 优先权日1995年2月22日
发明者J·M·彭顿 申请人:彭塞姆有限公司