CN2052042U - 活塞无侧向力的圆滑块内燃机 - Google Patents

Abstract

一种活塞无侧向力的圆滑块内燃机，主要是通过 圆滑块和内齿轮副来实现的，即将内齿圈固定在机体 上，圆滑块上固定小齿轮并与内齿圈啮合，小齿轮和 圆滑块一体在曲柄轴颈上旋转。该结构设计新颖、磨 损小、能耗低，效率高，体积小、重量轻，加工容易，适 用于制造各种型号的单缸、多缸的二冲程、四冲程的 柴油机、汽油机，也可以用作设计制造各种压缩机。

Description

内燃机（或发动机）是机动车辆上的核心装置，机动车的行驶靠它来推动，因此，内燃机的好坏直接关系到机动车辆的质量与能耗问题。为了提高机动车辆的性能与油耗，人们对内燃机（或发动机）的结构作了各种改进的努力，成效也是显著的，但是，就目前情况看，还有许多问题有待进一步解决，例如，传统的往复式活塞内燃机有以下三方面的问题：

1、曲轴曲柄半径较大（为行程的1／2）连杆较长（一般为行程的1.7－3.0倍），整机体积大，重量大；

2、结构不适应热力过程对容积变化的要求，活塞的运动较复杂，其运动方程为S＝r［1－coswt＋1（1－ $\sqrt{1-r/\mathrm{lsi}{n}^2\mathrm{wt}})$ ］，其中r为曲柄半径、L为连杆长度，w为曲轴旋转角速度，t为时间。该情况不但使得热效率低，而且出现二阶及二阶以上的往复惯性力，再加上连杆的摆动引起的惯性力，使其难以平衡，因此效率低，振动大，噪音大。

3、连杆有一定的摆角，活塞产生侧向压力，磨损较大。

由于以上原因，从19世纪初，许多科学家就致力于研究改进内燃机的结构，如威蒂·帕森斯和汪克尔等提出了上百种机型（详见科学出版社1973年出版的《旋转活塞发动机》一书），试制成功的也不下十几种，但是由于结构设计上未能解决密封和磨损问题，达不到使用要求。

近几年来，人们为此发明了多种偏心圆滑块无连杆机构（实际上偏心圆滑块的偏心距为等效连杆，所以叫偏心圆滑块连杆较为合适），从而解决了传统机重量大、体积大、振动大、热效率低和旋转活塞式不易密封的缺点。从近几年来国内外发表的文章和专利文件来看，这种结构的研究方案都十分相近，其中多采用曲柄圆滑块机构。这类机构是活塞柄上有一个大圆孔，圆滑块装在孔中，圆滑块上有一偏心孔，曲柄轴颈装于孔内，圆滑块的偏心半径和曲轴半径相等，均等于活塞行程的四分之一，圆滑块的旋转方向与曲轴的旋转方向相反，从而把活塞往复运动变成曲轴的旋转运动，并且行程为曲轴半径的四倍，但是这种机构仍有两个问题有待克服。

一、曲轴旋转和活塞运动的同步问题：当活塞行至二倍曲轴半径时，即曲轴旋转90°此时圆滑块与曲轴处于同轴位置，因此圆滑块可以在此位置与曲轴同时空转，活塞不动，必须有一装置使曲轴旋转和活塞同步运动。

二、活塞侧向压力较大：活塞侧向力F＝ptga，其中p为活塞正压力，a为连杆摆角，因此侧压力和连杆摆角成正相关，而连杆的最大摆角为arcsina＝ (r)/(L) ，其中 (r)/(L) 为曲柄半径与连杆长度的比值，传统机构以1／2计，a为30°，则活塞最大侧压力F＝p.tg30°＝0.58p、而此种偏心圆滑块机构 (r)/(L) ＝1最大摆角a＝90°，就这点来说最大侧压力应为无限大，实际上此时，曲柄旋转和活塞不同步，活塞不再运动，侧压力也等于零，但是若无其它措施，在接近90°时活塞侧压力接近无限大。

从目前，国内外对此机构发表的文章和公开的各个专利文献来看所不同之处，就在于采用了不同的机构来解决以上两个问题，例如：1980年日本《机械设计》第三期报导的日本原口工业公司发明的无连杆发动机是采用在曲轴曲柄臂上开一个圆弧槽，在活塞上有相应的凸起，到接近90°和270°时，靠此槽和凸起使活塞曲轴同步运动，对活塞的侧向压力改善不大；我国专利CN86210915U是采用在偏心圆滑块一端面的圆孔处有一凸台，凸台上开有一与中心对称的槽，与装配在机体上的可在与气缸垂直的平面上滑动的一组滑动付中的滑动销相配合，以解决90°和270°时的不同步，同样对克服活塞的侧压力作用也不大，1981年《内燃机关》第八期报导的日本工业大学研究的无连杆发动机是采用十字型布置的双滑轨与双滑块互为同步的方法解决的，这种方法，使各个滑块的侧压力（即活塞对气缸的侧压力）大幅度的降低，但最大侧压力仍有F＝p.tg45°，即F＝p仍比传统机大，另外我国专利CN85200337U的同步机构是将一对2：1的内外齿轮付的内齿圈与圆滑块同心铆接在活塞上，小齿轮与曲轴曲柄轴颈同心固定在曲轴颈上，以解决90°和270°时的同步问题、但是由于齿圈固定在活塞上，齿轮传动的切向力作用在活塞边缘，使活塞受以力距，形成活塞扭转，加剧了活塞与气缸的磨损，同时活塞受冲击载荷，容易打坏齿轮机构。

本实用新型的目的在于针对以上问题提供一种既体积小，重量轻又振动小，噪音低、效率高，寿命长的活塞无侧向力的圆滑块内燃机。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。将内齿圈与曲轴同心固定在机体上，圆滑块上固定小齿轮，小齿轮与内齿圈啮合，小齿轮和圆滑块一体在曲柄轴径上旋转。也就是说，在现有的活塞柄上大圆孔内装偏心圆滑块制成滑动付或滚动付，在圆滑块上固定一小齿轮与其成为一体，小齿轮的偏心半径和曲轴半径相等，小齿轮中心连通圆滑块有一通孔，孔的偏心距等于曲轴半径，即小齿轮与圆滑块的偏心孔同轴，孔内装曲柄曲轴轴径成滑动付或滚动付，内齿圈与曲轴同心固定在机体上，或固定在曲轴主轴径轴承座上，小齿轮与内齿圈进行啮合构成以内齿圈为太阳轮的行星齿轮付，即小齿轮和圆滑块一体在曲柄轴径上旋转，实现活塞不再依靠缸体或任何其它导轨约束而作直线往复运动或与轴旋转运动的相互转换，内齿圈与小齿轮的齿数比为2：1。当曲轴旋转时，由于内齿圈和曲柄轴径的约束，使小齿轮随曲轴轴径公转的同时，作与曲轴方向相反的自转，自转的角速度为公转的2倍，从而使圆滑块的中心（即活塞柄中心）作直线移动，不存在90°时的不同步的问题，也没有活塞侧向力，活塞柄不需要导轨等导向装置。加工容易。从以上可见，此新型结构主要是通过圆滑块和内齿轮付来实现活塞直线往复和曲轴的旋转运动相互转换，活塞对气缸无侧向力，振动小，噪音小，效率高，节约能源，使用价值大。

以下结合附图对本实用新型的机构及特点作详细说明。

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。

图2为本实用新型活塞与活塞柄为一体的结构正视示意图。

图3为本实用新型活塞与活塞柄为一体的结构侧视示意图。

图4为本实用新型活塞柄可以摆动的结构示意图。

图5为本实用新型内齿圈结构正视图。

图6为本实用新型内齿圈结构侧视图。

图7为本实用新型带偏心小齿轮的圆滑块正视示意图。

图8为本实用新型带偏心小齿轮的圆滑块侧视示意图。

由图1可知，本实用新型是由机体1、气缸2、活塞3、曲轴4、飞轮5、缸盖6、圆滑块及小齿轮7、内齿圈8以及配气、润滑、燃料供给、点火、冷却***等所组成。活塞3上有一柄，柄与活塞可以铸造为一体（如图2、3），也可以用销连接成可以摆动的型式（如图4），在活塞柄上开有一大圆孔，孔内装偏心圆滑块做成滑动付或滚动付，圆滑块上有一偏心半径和曲轴半径相等的小齿轮，小齿轮与圆滑块7制成一体或者固定连接，同时小齿轮中心有一孔连通圆滑块，小齿轮与圆滑块一体在曲柄轴颈上旋转。孔的偏心距等于曲轴半径（如图7、8），空内装曲轴曲柄轴径成滑动付或滚动付，内齿圈8与曲轴4同心固定在机体1上，与圆滑块上的小齿轮进行啮合，构成以内齿圈为太阳轮的行星齿轮付，即小齿轮和圆滑块一体在曲柄轴颈上旋转。实现活塞不再依靠缸体或任何其它导轨约束而作直线往复运动与轴旋转运动的相互转换，齿数比为2：1，其运动方程为：S＝2r（L－coswt），V＝2rwsinwt，a＝2rw²coswt，其中S为活塞位移，V为活塞速度，a为活塞加速度，w为曲轴旋转角速度，t为时间，由此可见，活塞作简谐直线运动，无二阶及二阶以上的往复惯性力，无连杆的摆动惯性力。活塞行程为曲柄半径的四倍，圆滑块等效连杆等于曲柄半径，因此可不用专门的曲轴箱。当曲轴旋转时，由于内齿圈和曲柄轴径的约束，使小齿轮随曲轴轴径公转的同时，作与曲轴方向相反的自转，自转的角速度为公转的2倍，从而使圆滑块的中心（即活塞柄中心）作直线移动，不存在90°（或270°）时的不同步问题，不存在活塞有侧向力，不需要导向装置，减少磨损，降低损耗，延长寿命，提高效率。机体可采用铸铁做成，活塞采用铝合金铸造成整体式活塞，曲轴为40Cr组合式，偏心圆滑块与小齿轮为一体的结构，与内齿圈均用18CrMnTi渗碳淬火制成。本实用新型的结构适用于制造各种型号单缸，多缸的二冲程，四冲程的柴油机，汽油机，也可以用作设计制造各种压缩机。图1就是本实用新型四冲程12马力的水冷汽油内燃机，额定转速300转／分，油耗率220－230g／psn，整机重量40－50kg，由此可见，该实用新型结构新颖，体积小，能耗低，工艺简单，效率高，是一种很有实用价值的新型内燃机，它的投入使用，必将为人类作出积极的贡献。

Claims (1)

1. 一种活塞无侧向力的圆滑块内燃机，由机体、气缸、缸盖、曲轴、活塞、飞轮、圆滑块、小齿轮、内齿圈以及配气、润滑、燃料、供给、点火和冷却***组成，活塞上有一固定或可以摆动的活塞柄，柄上有一大圆孔，与圆滑块用滑动付或滚动付相配合，圆滑块上有一偏心半径等于曲柄半径的偏心孔，与曲柄轴径成滑动付或滚动付相配合，其特征在于，内齿圈8与曲轴4同心固定在机体1上，小齿轮及圆滑块7为一体，装入无导轨的活塞柄上的大圆孔内，小齿轮与圆滑块的偏心孔等径的中心孔，孔内装曲轴曲柄轴径成滑动付或滚动付，圆滑块上的小齿轮与内齿圈进行啮合，构成以内齿圈为太阳轮的行星齿轮付。

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