專利名稱：任意齒差數移動式高轉速內燃機的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣動力領域，更具體地說，是一種任意齒差數移動式高轉速內燃機。
背景技術：
目前，一般的內燃機(發動機)都由機體、曲柄連桿機構、配氣機構、冷卻系統、潤滑系統、燃油系統和點火系統等組成，工作過程分吸氣、壓縮、燃燒做功、排氣四個沖程。這類內燃機的傳動機構使用的都是曲柄連桿機構，通過連桿將活塞的動力傳遞給曲軸，并將活塞的往復直線運動轉變為曲軸的旋轉運動。由于這種內燃機是靠活塞的直線運動和連桿的平面運動來壓迫驅使曲軸作旋轉運動，從而造成各運動副之間存在著較大的摩擦，導致內燃機傳動效率低。這些曲軸連桿型內燃機還有如下主要缺點體積大；連桿、曲軸上的不平衡離心力較大；沖擊大，振動大；并由此引起較大的機械磨損，使內燃機壽命縮短；結構復雜、加工、制造、裝配等都比較困難；此外，一般內燃機與變速裝置是兩個獨立的機器，通常內燃機需另外安裝變速器用于后續變速，造成體積龐大。
發明內容
本發明的目的是為克服現有曲軸連桿型內燃機存在的上述缺點，本發明提供一種結構簡單緊湊、體積小、沖擊振動小、運轉平穩、功率大、壽命長、效率高的高速四沖程內燃機一任意齒差數移動式高轉速內燃機。本發明為解決其技術問題所采取的技術方案是一種任意齒差數移動式高轉速內燃機，主要由氣缸蓋(I)、排氣門(2)、進氣門(3)、氣缸(4)、缸體(5)、推桿(6)、活塞(7)、彈簧(8)、滾輪(9)、外凸內齒輪(10)、活齒(11)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)、輸出軸
(14)及起動系統、冷卻系統、供油系統、潤滑系統、配氣系統等組成。其特征在于八個氣缸環形對稱均勻布置在外凸內齒輪(10)的周圍，外凸內多相凸輪式移動傳動機構將活塞的往復直線運動轉變為輸出軸的旋轉運動——氣缸活塞(7)通過推桿(6)直接作用于外凸內齒輪(10)上,推動外凸內齒輪(10)旋轉,外凸內齒輪(10)的內部齒形面推動活齒(11)運動，活齒在活齒架(12)約束作用下沿活齒架徑向導槽做往復移動運動，迫使活齒(11)與多相激波凸輪(13 )嚙合，驅動多相激波凸輪(13 )轉動，并由與多相激波凸輪(13 )鍵聯接的輸出軸(14)輸出動力。在上述技術方案中，外凸內多相凸輪式移動傳動機構由凸輪機構和多相凸輪式移動活齒傳動機構組合而成。其中，凸輪機構由缸體(5)、彈簧(8)、推桿(6)、外凸內齒輪
(10)、滾輪(9)組成，推桿(6)的一端與活塞(7)固定聯接，另一端安裝滾輪(9)，滾輪(9)使推桿(6)與外凸內齒輪(10)之間的接觸由滑動摩擦變為滾動摩擦，彈簧(8)的一端固定在活塞(7)下面，另一端固定在氣缸下部的凸臺上，彈簧(8)使推桿上的滾輪(9)始終與外凸內齒輪(10 )接觸，每個氣缸都配有活塞、帶滾輪的推桿及彈簧。多相凸輪式移動活齒傳動機構由外凸內齒輪(10)、活齒(11)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)和與其鍵聯接的輸出軸(14)組成，外凸內齒輪(10)的外表面是四相凸輪輪廓，內部是多相凸輪式移動活齒傳動中的內齒輪齒形面，故外凸內齒輪(10)既是凸輪機構中的凸輪，又是多相凸輪式移動活齒傳動機構中的內齒輪，外凸內齒輪(10)將內燃機和多相凸輪式移動活齒傳動有機地合二為一，整個多相凸輪式移動活齒傳動機構內置于外凸內齒輪(10)的內部。多相外凸輪(13)是具有三個互成120°夾角且軸心對稱的凸出部分的三相凸輪，自身質量完全平衡，其輪廓曲線為余弦曲線。外凸內齒輪(10)的外表面凸輪輪廓曲線可以根據實際設計需要選定，以獲得最佳的動力學性能，提高內燃機的能量轉換效率。輸出軸(14 )、外凸內齒輪(10 )、活齒架(12 )和多相激波凸輪(13)等零件的軸心線重合并由機架軸承支承。活齒數Z11和外凸內齒輪
(10)的波數Zltl相差為3,活齒架(12)與機架固聯,多相激波凸輪(13)與輸出軸(14)鍵聯接，活齒(11)與外凸內齒輪(10)、多相激波凸輪(13)分別相嚙合均形成高副，活齒(11)可在活齒架(12)的徑向導槽中移動，活齒(11)與活齒架(12)形成移動副。在上述技術方案中，外凸內齒輪(10)的外部為具有四個互成90°夾角且軸心對稱的凸出部分的四相凸輪，八個氣缸(4)環形對稱均布在外凸內齒輪(10)的周圍，其中任意兩個相隔180°對稱布置的氣缸活塞(7)工作狀態同步，將工作狀態同步的兩個氣缸活塞作為一組，四組氣缸活塞依次進行吸氣沖程、壓縮沖程、氣體燃燒做功沖程和排氣沖程，相鄰兩組氣缸的活塞沖程進程對應于外凸內齒輪(10)轉角的相位差為45°。在上述技術方案中，輸出軸(14)的轉速取決于外凸內齒輪(10)的轉速和多相凸輪式移動活齒傳動的傳動比，而適當選擇多相凸輪式移動活齒傳動的配齒方案，可獲得較小的傳動比，可以實現高速輸出。多相凸輪式移動活齒傳動中，外凸內齒輪(10)與活齒
(11)為多齒嚙合，故可實現較大功率，平穩傳動。與已有技術相比本發明的主要發明點在于。①八個氣缸環形對稱均布在外凸內齒輪周圍，氣缸活塞通過推桿直接作用于外凸內齒輪上，動力由外凸內齒輪經多相凸輪式移動活齒傳動傳給輸出軸輸出。②外凸內齒輪的外部為具有四個互成90°夾角凸出部分的四相凸輪，而內部為多相凸輪式移動活齒傳動的內齒輪齒形面的結構，將多相凸輪式移動活齒傳動機構內置于凸輪機構的凸輪中，使凸輪機構中的凸輪和多相凸輪式移動活齒傳動機構中的內齒輪合二為一，得到外凸內多相凸輪式移動傳動機構，并用該新機構取代現有曲軸連桿型內燃機中的曲柄連桿機構，將活齒傳動技術引入內燃機技術領域，不但徹底去除了曲軸和連桿，而且將內燃機與變速裝置(增速器)合二為一，得到了一種結構緊湊、小巧的新型高轉速動力機器，與曲軸連桿型內燃機相比，本發明內燃機軸向尺寸大大減小，且在相同轉速要求下，有害氣體的排放大大減小。③內燃機的動力輸出軸為與多相激波凸輪鍵聯接的輸出軸，多相凸輪式移動活齒傳動由外凸內齒輪輸入動力，活齒架固定，多相激波凸輪輸出，可以實現較小的傳動比，內燃機高速輸出動力。④輸出軸轉速取決于多相凸輪式移動活齒傳動的傳動比，而適當選擇多相凸輪式移動活齒傳動的配齒方案，可獲得較小的傳動比，且激波器為多相激波凸輪，活齒數Z11和外凸內齒輪的波數Zltl相差為3，不需偏心安裝，整個機構受力自平衡。⑤多相外凸輪是具有三個互成120°夾角且軸心對稱的凸出部分的三相凸輪，自身質量完全平衡。
⑥多相凸輪式移動活齒傳動中，外凸內齒輪與活齒為多齒嚙合，故可實現較大功率、平穩傳動。本發明與現有曲軸連桿型內燃機相比，具有以下有益的技術效果。1.沖擊振動小、噪聲小、運轉平穩
由于本發明采用外凸內多相凸輪式移動傳動機構取代了現有曲軸連桿型內燃機中的曲柄連桿機構，徹底取消了曲軸和連桿，外凸內齒輪和多相凸輪式移動活齒傳動機構都是軸對稱結構，沒有偏心質量和不平衡離心力，消除了因曲軸質量偏心、連桿作平面運動引起的慣性力和傾覆力矩以及由此產生的沖擊振動和噪聲，消除了連桿偏擺導致活塞拍擊氣缸壁造成的振動和噪聲；八個氣缸環形對稱均布在外凸內齒輪周圍，其中任意兩個相隔180°對稱布置的氣缸活塞工作狀態同步，即或同時吸氣、或同時壓縮、或同時氣體燃燒做功、或同時排氣，因此，沖擊力總是成對的出現，可以相互抵消，使外凸內齒輪受合力為零，故沖擊振動較小，因而內燃機運轉非常平穩。2.結構緊湊、體積小、重量輕、軸向尺寸小
由于取消了笨重復雜的曲軸，各氣缸環形對稱均布在外凸內齒輪周圍，而且多相凸輪式移動活齒傳動機構內置于外凸內齒輪中，外凸內齒輪既是凸輪機構中的凸輪，又是多相凸輪式移動活齒傳動機構中的內齒輪，所以本發明的內燃機結構緊湊、軸向尺寸小、體積小、重量輕；本發明采用外凸內多相凸輪式移動傳動機構輸出活塞產生的動力，將內燃機與變速裝置(增速器)合二為一，無需另配變速裝置，結構大大縮減，所以結構緊湊、小巧。3.傳動比較小，整機一體化增速，高轉速輸出
本內燃機的動力輸出軸為與多相激波凸輪鍵聯接的輸出軸，多相凸輪式移動活齒傳動以外凸內齒輪輸入動力，活齒架固定，多相激波凸輪輸出，適當選擇配齒方案，可以實現較小的傳動比，而且仍然保持結構緊湊、質量小、體積小等諸多優點。內燃機高速輸出動力，可廣泛應用于需高轉速的領域，諸如直升機發動機、小型發電機等。較高的轉速輸出，在需求轉速一定的時候，可大大減少有害氣體的排放，達到節能減排的目的。4.摩擦磨損小、受力自平衡、油耗低、效率高、壽命長
因為活塞的驅動力通過推桿滾輪直接傳遞給外凸內齒輪后經多相凸輪式移動活齒傳動傳給輸出軸輸出。活塞推桿與外凸內齒輪之間為滾動摩擦聯接，傳動效率高，取消了磨損嚴重、摩擦功耗大的曲柄連桿機構。多相凸輪式移動活齒傳動為多齒嚙合、承載能力較大，傳動效率高，因多齒同時嚙合，輸出剛度大，傳動也更加平穩可靠。同時多相激波凸輪可以實現激波并保證其自身及內部活齒的受力自動平衡，在傳動裝置中不存在一齒差活齒傳動中需偏心安裝激波器而存在的慣性力、激振力和傾覆力矩等，從傳動原理上避免了傳動裝置的振動激勵，從而有利于提高傳動的效率，其效率值可達O. 9以上。機械摩擦磨損也較小，油耗低，內燃機壽命較長。5.具有良好的經濟性、動力性和排放指標
由于活塞的運動規律完全取決于外凸內齒輪的外部輪廓曲線，所以可通過選取恰當的活塞運動規律來設計凸輪輪廓，而恰當的活塞運動規律應當使氣缸中的氣體燃燒充分、完善、燃料熱能利用率高，因此，本發明內燃機具有良好的動力性、經濟性和排放指標，可達到節能環保和提聞機器效率的目的。6.結構簡單、工藝性好、生產成本低 本發明內燃機中的零件結構簡單、工藝性好、生產成本低，徹底取消了結構復雜、加工制造困難的曲軸和連桿。7.承載能力較大,轉速平穩
多相凸輪式移動活齒傳動為多齒嚙合，傳動平穩，活齒可共同分擔載荷實現功率分流。故內燃機運行平穩，抵抗沖擊和振動的能力較強，承載能力大。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。但要特別指出的是，本發明的具體實施方式
不限于下面實施例所描述的形式，所屬領域的技術人員在不付出創造性勞動的情況下，還可很容易地設計出其他的具體實施方式
，因此不應將下面給出的具體實施方式
的實施例理解為本發明的保護范圍，將本發明的保護范圍限制在所給出的實施例。圖1是任意齒差數移動式高轉速內燃機的結構示意圖。圖2是外凸內齒輪及多相凸輪式移動活齒傳動機構的示意圖。上述各附圖中圖識標號的標識對象是1氣缸蓋、2排氣門、3進氣門、4氣缸、5缸體、6推桿、7活塞、8彈簧、9滾輪、10外凸內齒輪、11活齒、12活齒架、13多相激波凸輪、14輸出軸。
具體實施例圖1，圖2所示任意齒差數移動式高轉速內燃機，由氣缸蓋(I)、排氣門(2)、進氣門(3)、氣缸(4)、缸體(5)、推桿(6)、活塞(7)、彈簧(8)、滾輪(9)、外凸內齒輪(10)、活齒
(11)、活齒架(12 )、多相激波凸輪(13 )、輸出軸(14 )等組成。八個氣缸(4 )軸心對稱地環形均布在外凸內齒輪(10)的周圍，相鄰兩個氣缸的夾角為45°。每個氣缸(4)中有一個活塞
(7)，推桿(6)的一端與活塞(7)固結在一起，另一端裝有滾輪(9)，滾輪(9)使推桿(6)與外凸內齒輪(10)之間的聯接為滾動摩擦聯接，彈簧(8)的一端固定在活塞(7)底部，另一端固定在氣缸(4)下部的凸臺上，彈簧(8)的作用是使推桿(6)上的滾輪(9)始終與外凸內齒輪(10)接觸。外凸內齒輪(10)的外部是具有互成90°夾角且軸心對稱的四個凸出部分的四相凸輪，內部是內齒輪齒形面。外凸內齒輪(10)將凸輪機構和多相凸輪式移動活齒傳動機構有機的結合為一體。外凸內齒輪(10)既是凸輪機構中的凸輪，又是多相凸輪式移動活齒傳動機構中的內齒輪，整個多相凸輪式移動活齒傳動機構內嵌于外凸內齒輪(10)的內部。多相外凸輪(13)是具有三個互成120°夾角且軸心對稱的凸出部分的三相凸輪，自身質量完全平衡，本實施例中采用余弦曲線為多相外凸輪(13)的輪廓曲線。多相凸輪式移動活齒傳動機構由外凸內齒輪(10)、活齒(11)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)和與多相激波凸輪(13)鍵聯接的輸出軸(14)組成。活齒架(12)與機架固聯,活齒(11)與外凸內齒輪
(10)、多相激波凸輪(13)分別相嚙合形成高副，活齒(11)可在活齒架(12)的徑向導槽中移動，活齒與活齒架(12)形成移動副。輸出軸(14)、外凸內齒輪(10)、活齒架(12)和多相激波凸輪(13)等零件的軸心線重合并由機架軸承支承。因此本發明內燃機不僅有多相凸輪式移動活齒傳動的一系列優點，而且結構非常緊湊。外凸內齒輪(10)的外表面凸輪輪廓曲線可按需要選取不同的曲線。本實施例按活塞(7)作余弦加速度運動規律來確定凸輪輪廓曲線，即當外凸內齒輪(10)勻速轉動時，活塞(7)按余弦加速度運動規律作往復直線運動，其運動周期為外凸內齒輪(10)旋轉周期的四分之一。本實施例內燃機的動力輸出軸為與多相激波凸輪(13 )鍵聯接的輸出軸(14 )，多相凸輪式移動活齒傳動以外凸內齒輪(10 )輸入動力，活齒架固定，多相激波凸輪(13)輸出，可以實現較大的傳動比，內燃機可高速輸出動力。本發明所述內燃機的工作原理是當內燃機工作時，氣體燃燒做功汽缸中的活塞
(7)，其驅動力通過推桿(6)及滾輪(9)作用于外凸內齒輪(10)上，推動外凸內齒輪(10)逆時針旋轉，動力由外凸內齒輪(10)經多相凸輪式移動活齒傳動機構傳給輸出軸(14)輸出；由于外凸內齒輪(10 )的旋轉，滾輪(9 )沿著外凸內齒輪(10 )輪廓滾動而使推桿(6 )和沒有做功的活塞(7)在氣缸(4)內滑動，完成吸氣、或壓縮氣體、或排氣的任務。在圖1中，將氣缸a和e、b和f、c和g、d和h各作為一組,則可分為四組氣缸。設氣缸a、e中的活塞處于吸氣沖程的開始位置，氣缸b、f中的活塞處于壓縮沖程的開始位置，氣缸c、g中的活塞處于氣體燃燒做功沖程的開始位置，氣缸d、h中的活塞處于排氣沖程的開始位置，相鄰兩組氣缸活塞的沖程進程相差一個沖程，對應于外凸內齒輪(10)轉角的相位差為45° ;則外凸內齒輪(10)逆時針轉過45°以后，氣缸b、f又開始燃燒做功，外凸內齒輪再逆時針轉過45°之后,氣缸a、e又開始燃燒做功,氣缸a、e燃燒做功完成以后接著是氣缸d、h開始燃燒做功，之后又輪到氣缸c和g燃燒做功，如此循環下去，使外凸內齒輪(10)連續平穩地運轉，外凸內齒輪的內齒形面推動活齒(11)在活齒架(12)的徑向導槽中移動，在活齒架(12)的約束作用下迫使活齒(11)與多相激波凸輪(13)嚙合，驅動多相激波凸輪(13)轉動，并由與多相激波凸輪(13)鍵聯接的輸出軸(14)連續平穩地將動力和運動輸出。由于每組氣缸中的兩個氣缸相隔180°對稱布置，并且工作狀態隨時相同，所以八個活塞(7)對外凸內齒輪
(10)的綜合作用效果是外凸內齒輪(10)只受純力偶的作用，而合力為零。由于外凸內齒輪(10)和多相凸輪式移動活齒傳動機構不僅具有結構對稱性，而且受力也是對稱的，故它們所受合力為零，只受力偶作用。因此本發明內燃機的沖擊振動小，運轉平穩。為說明本發明內燃機的變速特性，設活齒(11)的齒數為Zn=8，外凸內齒輪(10)的波數為Zltl=Il,外凸內齒輪(10)的轉速為n1Q=600r/min，活齒架(12)與機架固定連接，故活
齒架(12)的角速度 u=0，則多相凸輪式移動活齒傳動的傳動比為
權利要求
1.任意齒差數移動式高轉速內燃機，主要由氣缸蓋(I)、排氣門(2)、進氣門(3)、氣缸(4)、缸體(5)、推桿(6)、活塞(7)、彈簧(8)、滾輪(9)、外凸內齒輪(10)、活齒(11)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)、輸出軸(14)及供油系統、冷卻系統、起動系統、配氣系統、潤滑系統組成，其特征在于八個氣缸(4)環形對稱均布在外凸內齒輪(10 )的周圍，外凸內多相凸輪式移動傳動機構將活塞(7)的往復直線運動轉變為輸出軸的旋轉運動——氣缸活塞(7)通過推桿(6)直接作用于外凸內齒輪(10)上,推動外凸內齒輪(10)旋轉,動力由外凸內齒輪經多相凸輪式移動活齒傳動傳給與多相激波凸輪鍵聯接的輸出軸(14)高速輸出，外凸內齒輪(10)將內燃機和多相凸輪式移動活齒傳動有機地融為一體，使內燃機無需再配備變速器，高速輸出。
2.根據權利要求1所述的任意齒差數移動式高轉速內燃機，其特征在于上述外凸內多相凸輪式移動傳動機構由凸輪機構和多相凸輪式移動活齒傳動機構有機的組合而成；其中，凸輪機構由缸體(5)、彈簧(8)、推桿(6)、外凸內齒輪(10)組成,推桿(6)的一端與活塞(7)固定聯接，另一端安裝滾輪(9)，滾輪(9)使推桿(6)與外凸內齒輪(10)之間為滾動摩擦聯接，彈簧(8)使推桿(6)上的滾輪(9)始終與外凸內齒輪(10)接觸；多相凸輪式移動活齒傳動機構由外凸內齒輪(10)、活齒(11)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)和與其鍵聯接的輸出軸(14)組成，且外凸內齒輪(10)、活齒架(12)、多相激波凸輪(13)、輸出軸(14)的軸心線重合，并由機架軸承支承，活齒架(12)與機架固聯，外凸內齒輪(10)的波數Zltl和活齒數Z11相差為3，多相激波凸輪(13)與輸出軸(14)鍵聯接，活齒(11)與外凸內齒輪(10)、多相激波凸輪(13)分別相嚙合形成高副，活齒(11)可在活齒架(12)的徑向導槽中移動，活齒(11)與活齒架(12)形成移動副。
3.根據權利要求1、2所述的任意齒差數移動式高轉速內燃機，其特征在于上述外凸內齒輪(10)的外部是具有四個互成90°夾角且軸心對稱的凸出部分的四相凸輪，內部是多相凸輪式移動活齒傳動中的內齒輪齒形面，所以外凸內齒輪(10)既是凸輪機構中的凸輪，又是多相凸輪式移動活齒傳動機構中的內齒輪，整個多相凸輪式移動活齒傳動機構內嵌于外凸內齒輪(10)的內部；多相外凸輪(13)是具有三個互成120°夾角且軸心對稱的凸出部分的三相凸輪，自身質量完全平衡，其輪廓曲線為余弦曲線。
4.根據權利要求1至3所述的任意齒差數移動式高轉速內燃機，其特征在于輸出軸的轉速取決于外凸內齒輪的轉速和多相凸輪式移動活齒傳動的傳動比，而適當選擇多相凸輪式移動活齒傳動的配齒方案，可獲得較小的傳動比，可以實現高速輸出。
5.根據權利要求1至4所述的任意齒差數移動式高轉速內燃機，其特征在于上述的內燃機，其八個氣缸(4)環形對稱均布在外凸內齒輪(10)的周圍，其中任意兩個相隔180°對稱布置的氣缸活塞(7)工作狀態同步，將工作狀態同步的兩個氣缸活塞作為一組，四組氣缸活塞依次進行吸氣沖程、壓縮沖程、氣體燃燒做功沖程和排氣沖程，相鄰兩組氣缸的活塞沖程進程對應于外凸內齒輪(10 )轉角的相位差為45 ° ;氣缸活塞(7 )通過推桿(6 )直接作用于外凸內齒輪(10)上,推動外凸內齒輪(10)旋轉,外凸內齒輪(10)的齒形面推動活齒(11)在活齒架(12)的徑向導槽中移動，而活齒架(12)與機架固定聯接，故活齒在活齒架的約束作用下迫使多相激波凸輪(13)高速轉動，多相激波凸輪(13)通過鍵聯接將動力傳遞給輸出軸(14)輸出，實現高速輸出。
6.根據權利要求1至5所述的任意齒差數移動式高轉速內燃機，其特征在于多相凸輪 式移動活齒傳動中，外凸內齒輪與活齒為多齒嚙合，故可實現較大功率，平穩傳動。
全文摘要
任意齒差數移動式高轉速內燃機，涉及燃氣動力領域。本發明提供一種新型內燃機，八個氣缸環形對稱均布在外凸內齒輪周圍，使外凸內齒輪受合力為零，氣缸活塞通過推桿直接作用于外凸內齒輪上，動力由外凸內齒輪經多相凸輪式移動活齒傳動傳給與多相激波凸輪鍵聯接的輸出軸。該內燃機省去了傳統內燃機中的連桿和曲軸，其外凸內多相凸輪式移動傳動機構沒有偏心質量、具有慣性力及工作載荷自平衡的特點，輸出軸轉速取決于活齒傳動的傳動比，若活齒架固定，則多相激波凸輪高速輸出，可廣泛應用于需高轉速的領域，諸如直升機發動機、小型發電機等，輸出轉速一定時，可減少有害氣體的排放。該內燃機結構簡單緊湊、軸向尺寸小，受力自平衡，運轉平穩。
文檔編號F16H37/12GK103047008SQ20131000895
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者梁尚明, 賀飛飛, 李 杰 申請人:四川大學