專利名稱：齒條齒輪機構傳動式發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能量轉化與機械傳動技術，具體涉及一種齒條齒輪機構傳動的往復活塞式內燃發動機。
背景技術：
當今世界上應用最廣泛的往復活塞式發動機的前端驅動普遍采用曲柄連桿機構。該機構的功用是在作功行程中，將燃料燃燒的熱能轉變為活塞往復運動的機械能，再轉變為曲軸的旋轉運動，并實現動力輸出；在其他行程中，又將曲軸的旋轉運動轉變為活塞的往復運動，實現換氣和壓縮。
在這種發動機的作功行程中，燃氣對活塞頂部的壓力要經過兩次分解方能形成驅動曲軸旋轉的力，期中垂直于作功方向的分力壓于各活動接觸面而產生磨擦阻力。在活塞的各個位移點上，驅動力臂不斷變化，最終傳遞到曲軸使其旋轉的力均小于甚至遠小于燃氣對活塞頂的壓力。這種情況會使發動機的動力性和經濟性受到嚴重制約，同時也使得運轉系統對冷卻和潤滑條件的要求較為苛刻。在壓縮行程中也有同類情況存在，但較之為輕。
在這種發動機工作循環的任何行程中，各機件所承受的載荷都是不斷地呈不平穩變化的。左右搖擺的連桿在力的作用下會產生活塞與汽缸壁以及各轉動接觸面間的交變沖擊力，這種力會帶來各接觸面間不均勻的磨擦和撞擊，久之會造成機件的嚴重變形和損壞，從而使得發動機的性能和壽命受到較大的影響，此情況在作功和壓縮行程中尤為嚴重。
綜上所述，曲柄連桿機構是影響發動機充分發揮其能量轉化性能的一個瓶頸。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于提供一種動力性和經濟性較好的齒條齒輪機構傳動式發動機。
本發明采取的技術方案是一種齒條齒輪機構傳動式發動機，包括1#～4#汽缸、1#～4#主活塞、1#～4#副活塞、1#～2#連桿、1#～2#齒條、整向齒輪、連接缸，采用1#汽缸與2#汽缸以及3#汽缸與4#汽缸兩兩對置的結構，1#汽缸與2#汽缸之間通過連接缸連接，3#汽缸與4#汽缸亦通過連接缸連接，每個汽缸內裝有一個主活塞，主活塞內側設有直徑較主活塞小的副活塞，1#汽缸與2#汽缸內的副活塞相對，并通過帶有1#齒條的1#連桿連接，3#汽缸與4#汽缸內的副活塞相對，并通過帶有2#齒條的2#連桿連接，1#齒條、2#齒條的齒面相對應，所述相對應的1#齒條、2#齒條之間裝有整向齒輪，整向齒輪與1#齒條、2#齒條分別嚙合，形成齒輪、雙齒條連動機構。
所述連接缸上設有分別與副活塞相對應的緩沖槽，副活塞、連桿桿端無齒部分和連接缸上與副活塞相對應的緩沖槽構成緩沖機構，所述連接缸的緩沖槽上開有供連桿穿過、并防其旋轉的連桿導孔，連桿的有齒部分與連桿導孔之間留有間隙，在活塞運行過程中，當副活塞進入該緩沖槽后，連桿桿端無齒部分亦使連桿導孔封閉，從而使副活塞與緩沖槽之間形成封閉空間。
所述相對應的副活塞中心與主活塞偏心設置，齒條分度線與主活塞中心線重合。
所述1#汽缸與4#汽缸為一體結構，所述2#汽缸與3#汽缸為一體結構。
所述汽缸壁設有水套。
所述整向齒輪，具有輸出軸、棘輪機構、齒輪輪體，輸出軸上相對設置第一復合齒輪和第二復合齒輪，第一、二復合齒輪一側分別開有圓錐齒，齒面相對，其內壁分別通過對稱的棘輪機構與輸出軸相配合，第一、二復合齒輪之間裝有圓錐齒輪，圓錐齒輪分別與第一、二復合齒輪相嚙合，與輸出軸同軸的齒輪輪體一端與第一復合齒輪相連，另一端內壁與第二復合齒輪外緣之間裝有固定圓筒，相互呈滾動配合。
所述棘輪機構為第一、二復合齒輪內壁分別開有第一、二棘齒，輸出軸外緣開有放置與第一、二棘爪的槽，槽內裝有支撐棘爪的彈簧片，第一、二棘齒分別與第一、二棘爪相配合。
所述固定圓筒通過固定銷與安裝圓錐齒輪的圓盤相連，圓盤外緣開有盲孔，圓錐齒輪的轉動軸置于盲孔內，通過柱塞堵住盲孔開口端，轉動軸兩端分別通過滾珠配合，圓盤側面開有供圓錐齒輪繞轉動軸轉動的孔。
本發明的有益效果是1、本發明的發動機采用齒條齒輪傳動機構意味著在作功行程中燃氣作用于主活塞的壓力無需分解，而是幾乎等值的沿連桿方向傳遞給整向齒輪去帶動輸出軸輸出作功。在其它任何行程中，來自燃氣的驅動力亦均可最大程度地得以利用。這就使得發動機內從熱能到機械能的轉化變得直接而充分，從而大幅度地提高了發動機的機械效率。
2、本發明因活塞與連桿、齒條與整向齒輪間的作用力方向單一且大小變化平穩，活塞表面各點受力均衡，故而有效地避免了背景技術中所述的發動機中各部件所承受的有害載荷的產生，對減輕各機件的機械損傷、延長發動機的使用壽命均有較大好處，并可明顯降低機械維護和維修成本。
3、自往復活塞式內燃發動機誕生至今，其結構和工作原理均未發生過大的變化，本發明的應用范圍當非常廣泛，相信它的應用會對我們面臨的能源和環境等重大問題的解決起到較大的作用。
圖1為本發明主體部分結構示意簡圖(與傳統發動機無本質區別的機構與系統未畫出)。
圖2為圖1中整向齒輪結構示意圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為圖2的B-B剖視圖。
圖5為圖2的C-C剖視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明由汽缸蓋1、水套3、整向齒輪8、連接缸9、環型機油道11、機油噴孔12、透氣回油孔13、輸出軸14、氣門15、1#汽缸2、1#主活塞4、1#副活塞5、1#連桿6、1#齒條7、1#緩沖槽10、1#連桿導孔16、2#齒條17、2#連桿18、2#汽缸19、2#主活塞25、2#副活塞26、2#緩沖槽30、2#連桿導孔29、3#汽缸20、3#主活塞23、3#副活塞24、3#緩沖槽32、3#連桿導孔31、4#汽缸21、4#主活塞27、4#副活塞28、4#緩沖槽34、4#連桿導孔33、定位銷22等構成。
本發明采用1#汽缸2與2#汽缸19以及3#汽缸20與4#汽缸21兩兩對置的結構，1#汽缸2與2#汽缸19之間通過連接缸9連接，3#汽缸20與4#汽缸21亦通過連接缸連接，汽缸壁設有水套3，一體結構的1#汽缸2與4#汽缸21外端裝有汽缸蓋1，一體結構的2#汽缸19與3#汽缸20外端亦裝有汽缸蓋，汽缸蓋1上開有氣門15，每個汽缸內裝有一個主活塞，主活塞內側設有直徑較主活塞小的副活塞，1#汽缸2與2#汽缸19內的副活塞5、26相對，并通過帶有1#齒條6的1#連桿7連接，3#汽缸20與4#汽缸21內的副活塞24、28相對，并通過帶有2#齒條17的2#連桿18連接，相對應的副活塞中心與主活塞偏心設置，齒條分度線與主活塞中心線重合，1#齒條6、2#齒條17的齒面相對應，所述相對應的1#齒條6、2#齒條17之間裝有整向齒輪8，整向齒輪8與1#齒條6、2#齒條17分別嚙合，形成齒輪、雙齒條連動機構。每個副活塞、連桿桿端無齒部分和連接缸上可在工作中與副活塞配合的緩沖槽構成緩沖機構，所述連接缸9的1#～4#緩沖槽10、30、32、34上分別開有供連桿7和連桿18穿過的1#～4#連桿導孔16、29、31、33，連桿7和連桿18的有齒部分與連桿導孔之間留有間隙，在活塞運行過程中，當副活塞進入緩沖槽后，連桿桿端無齒部分亦使連桿導孔封閉，從而使副活塞與緩沖槽之間形成封閉空間。連接缸9上開有環型機油道11、機油噴孔12、透氣回油孔13，連桿與副活塞通過定位銷22固定連接。
整向齒輪8為雙向驅動定向輸出齒輪，雙向驅動定向輸出齒輪為申請人的一項專利技術，專利號為ZL 03212913.0，它可以實現上級器件以正或反兩個方向實行驅動時輸出端均按固定方向轉動，在此過程中相關部件可實行自適應性切換，無需其它外部構件施動介入。雙向驅動定向輸出齒輪在各類機械設備中有較廣泛的應用，可依輪體的不同設置而制作為多種轉動輪件，如齒輪、滾輪、鏈輪等，相應的上級驅動件可為齒輪、齒條、傳動帶、鏈條等，本發明中則采用齒輪輪體。
如圖2～5所示，整向齒輪8由螺孔801、第一棘齒802、第一棘爪803、彈簧片804、輸出軸14、第一復合齒輪806、螺栓807、圓錐齒輪808、固定銷809、圓盤810、第二復合齒輪811、固定圓筒812、齒輪輪體813、第二棘齒814、第二棘爪815、滾珠軸承816、滾珠817、柱塞818、轉動軸819等構成。輸出軸14上相對設置第一復合齒輪806和第二復合齒輪811，輸出軸14與第一、二復合齒輪806、811之間分別裝有滾動軸承816，第一、二復合齒輪806、811一側分別開有圓錐齒，齒面相對，第一、二復合齒輪806、811內壁分別開有第一、二棘齒802、814，輸出軸14外緣開有放置與第一、二棘爪803、815的槽，槽內裝有支撐棘爪的彈簧片804，第一、二棘齒802、814分別與第一、二棘爪803、815相配合，第一、二棘爪803、815數量分別為2個同向，第一、二復合齒輪806、811之間裝有圓錐齒輪808，圓錐齒輪808分別與第一、二復合齒輪806、811相嚙合，圓錐齒輪808數量為3個均布；與輸出軸14同軸的齒輪輪體813一端與第一復合齒輪806相連，另一端內壁與第二復合齒輪811外緣之間裝有固定圓筒812，相互呈滾動配合，固定圓筒812通過固定銷809與安裝圓錐齒輪808的圓盤810相連，圓盤810外緣開有盲孔820，圓錐齒輪808的轉動軸819置于盲孔820內，通過柱塞818堵住盲孔開口端，柱塞818與盲孔820開口端通過螺紋連接，轉動軸819兩端分別通過滾珠817配合，圓盤810側面開有供圓錐齒輪808繞軸轉動的孔。如圖2所示，固定圓筒812上開有機油道821，機油道821通至柱塞818與轉動軸819之間。
整向齒輪8的兩個帶有圓錐齒和棘齒的第一、二復合齒輪806、811分別通過第一、二棘爪803、815作用于輸出軸14，該二齒輪于兩側與有固定位置的圓錐齒輪808相嚙合，雙向驅動時，它們交替同向作用于輸出軸，使其定向轉動。
當上級驅動使齒輪輪體813順時針轉動時，齒輪輪體813通過固定螺栓807帶動第一復合齒輪806在棘齒802及第一棘爪803的作用下使輸出軸14順時針旋轉，而第二復合齒輪811在圓錐齒輪808的傳動下逆時針空轉。
當上級驅動使齒輪輪體813逆時針轉動時，第一復合齒輪806繞輸出軸14逆時針空轉，而第二復合齒輪811在圓錐齒輪808的傳動下通過其棘齒及棘爪的帶動使輸出軸順時針旋轉。
若使棘爪及棘齒均與圖中反向，則在雙向驅動下輸出軸14即作定向的逆時針旋轉。
本發明原理如下一、齒條齒輪機構該機構由活塞、帶齒條的連桿、整向齒輪及輸出軸等組成，它將活塞的往復直線運動轉變為輸出軸的旋轉運動而輸出動力。
本發明的發動機最好由四個汽缸組成一個工作單元。以四汽缸四沖程發動機為例，其結構形式為四個汽缸分為兩組，兩個汽缸并列排置在一起成為一組。一組的汽缸分別與另一組的汽缸一一直對，每個汽缸內裝有一個主活塞，相對汽缸里的活塞分別與連桿的兩端呈背向固定連接，兩組之間以連接缸連接，兩個連桿平行且其上的齒條齒面相對，二齒條分別于兩側與裝在傳動軸上的整向齒輪相嚙合，形成連動機構。每個活塞內側設有副活塞，副活塞、連桿桿端無齒部分和連接缸上與副活塞配合的緩沖槽構成緩沖機構，在活塞運行過程中，當副活塞進入緩沖槽后，緩沖槽內的空氣被封閉，封閉的空氣可阻止活塞頂部與汽缸蓋相撞并可以為下一行程提供輔助動力。
發動機工作時，在燃氣壓力的推動下，一側活塞-連桿運動時，會通過整向齒輪輪齒帶動另一側連桿及活塞反向運動。隨著活塞-連桿的往復運動，雙側齒條會產生對整向齒輪輪齒的往返轉矩，該轉矩經整向齒輪整向后形成恒向的輸出轉矩，對工作機械作功。
二、起動系統本發明的發動機的起動系統由起動電機、齒輪組及配套的油電路附屬裝置組成，在起動電機的帶動下，齒輪組輸出往返的轉矩作用于整向齒輪，從而帶動連桿及活塞作往返運動，完成發動機起動工作。
三、潤滑系統本發明的發動機在殼體和一些固定部件內設置油道，在必要位置開有機油噴孔。機油泵推動機油在油道內循環流動，高壓機油經噴孔噴出，對各運動接觸面實施潤滑。
與傳統發動機一樣，本發明發動機(四行程)的每個汽缸的工作循環也包括進氣、壓縮、作功、排氣四個行程，各行程在四個汽缸間不間斷的循環輪換(如表1)，從而使發動機連續運轉。
起動時，起動系統帶動連桿作一次完整的往返行程(完成表1中前二項所列的工作)。
由表中的第三欄起，起動系統停止工作，動力由各汽缸作功行程提供，發動機進入正常的運轉狀態。
表1四汽缸四行程發動機各汽缸工作順序表
注表中“”為重復上一循環。
以上為就本發明的發動機區別于傳統發動機的主要技術特征所作的說明，作為與之配套的其它相關機構與系統均與傳統發動機無根本區別，且為通用技術，可依發動機的結構形式具體配置，這里不再贅述。
權利要求
1.一種齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于包括1#～4#汽缸(2、19、20、21)、1#～4#主活塞(4、25、23、27)、1#～4#副活塞(5、26、24、28)、1#～2#連桿(6、18)、1#～2#齒條(7、17)、整向齒輪(8)、連接缸(9)，采用1#汽缸(2)與2#汽缸(19)以及3#汽缸(20)與4#汽缸(21)兩兩對置的結構，1#汽缸(2)與2#汽缸(19)之間通過連接缸(9)連接，3#汽缸(20)與4#汽缸(21)亦通過連接缸連接，每個汽缸內裝有一個主活塞，主活塞內側設有直徑較主活塞小的副活塞，1#汽缸(2)與2#汽缸(19)內的副活塞相對，并通過帶有1#齒條(6)的1#連桿(7)連接，3#汽缸(20)與4#汽缸(21)內的副活塞相對，并通過帶有2#齒條(17)的2#連桿(18)連接，1#齒條(6)、2#齒條(17)的齒面相對應，所述相對應的1#齒條(6)、2#齒條(17)之間裝有整向齒輪(8)，整向齒輪(8)與1#齒條(6)、2#齒條(17)分別嚙合，形成齒輪、雙齒條連動機構。
2.按照權利要求1所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述連接缸上設有分別與副活塞相對應的緩沖槽，副活塞、連桿桿端無齒部分和連接缸上與副活塞相對應的緩沖槽構成緩沖機構，所述連接缸的緩沖槽上開有供連桿穿過的連桿導孔，連桿的有齒部分與連桿導孔之間留有間隙，在活塞運行過程中，當副活塞進入該緩沖槽后，連桿桿端無齒部分亦使連桿導孔封閉，從而使副活塞與緩沖槽之間形成封閉空間。
3.按照權利要求1所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述相對應的副活塞中心與主活塞偏心設置，齒條分度線與主活塞中心線重合。
4.按照權利要求1所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述1#汽缸(2)與4#汽缸(21)為一體結構，所述2#汽缸(19)與3#汽缸(20)為一體結構。
5.按照權利要求1所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述汽缸壁設有水套。
6.按照權利要求1所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述整向齒輪，具有輸出軸、棘輪機構、齒輪輪體，輸出軸(14)上相對設置第一復合齒輪(806)和第二復合齒輪(811)，第一、二復合齒輪(806、811)一側分別開有圓錐齒，齒面相對，其內壁分別通過對稱的棘輪機構與輸出軸(14)相配合，第一、二復合齒輪(806、811)之間裝有圓錐齒輪(808)，圓錐齒輪(808)分別與第一、二復合齒輪(806、811)相嚙合，與輸出軸(14)同軸的齒輪輪體(813)一端與第一復合齒輪(806)相連，另一端內壁與第二復合齒輪(811)外緣之間裝有固定圓筒(812)，相互呈滾動配合。
7.按照權利要求6所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述棘輪機構為第一、二復合齒輪(806、811)內壁分別開有第一、二棘齒(802、814)，輸出軸(14)外緣開有放置與第一、二棘爪(803、815)的槽，槽內裝有支撐棘爪的彈簧片(804)，第一、二棘齒(802、814)分別與第一、二棘爪(803、815)相配合。
8.按照權利要求6所述齒條齒輪機構傳動式發動機，其特征在于所述固定圓筒(812)通過固定銷(809)與安裝圓錐齒輪(808)的圓盤(810)相連，圓盤(810)外緣開有盲孔(820)，圓錐齒輪(808)的轉動軸(819)置于盲孔(820)內，通過柱塞(818)堵住盲孔開口端，轉動軸(819)兩端分別通過滾珠(817)配合，圓盤(810)側面開有供圓錐齒輪(808)繞轉動軸(819)轉動的孔。
全文摘要
本發明涉及一種齒條齒輪機構傳動式發動機，四個汽缸分為兩組，兩個汽缸并列排置在一起成為一組。一組的汽缸分別與另一組的汽缸一一直對，每個汽缸內裝有一個主活塞，相對汽缸里的活塞分別與連桿的兩端呈背向固定連接，兩組之間以連接缸連接，兩個連桿平行且其上的齒條齒面相對，二齒條分別于兩側與裝在傳動軸上的整向齒輪相嚙合，形成連動機構。本發明采用齒條齒輪傳動機構意味著在作功行程中燃氣作用于主活塞的壓力無需分解，而是幾乎等值的沿連桿方向傳遞給整向齒輪去帶動輸出軸輸出作功。在其它任何行程中，來自燃氣的驅動力亦均可最大程度地得以利用。這就使得發動機內從熱能到機械能的轉化變得直接而充分，大幅度地提高了發動機的機械效率。
文檔編號F02B75/00GK1807844SQ200510045718
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月21日 優先權日2005年1月21日
發明者劉戰國 申請人:劉戰國