齿轮扭矩转化器及齿轮传动往返活塞动力机的制作方法

专利名称：齿轮扭矩转化器及齿轮传动往返活塞动力机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种往返活塞式动力机及其力扭矩转化装置，尤其是一种用齿轮传动的往返 活塞式动力机的齿轮扭矩转化器，以及该齿轮传动往返活塞动力机。
技术背景本文所称的动力机包括内燃机和蒸汽机。目前，在动力机领域中，以曲轴连杆往返活塞 式内燃机研究最深，应用最广，在各个经济领域及国防建设中都有广泛应用。这种曲轴连杆 往返活塞式内燃机的力转化机构是正弦机构，曲轴转动时，活塞存在两个止点。越靠近止点， 曲轴连杆机构将燃气推力转化为机轴扭矩的效率越低，止点是力转化的死点。在死点，不仅 不能将燃气推力转化为机轴扭矩，而且容易产生振动，减少使用寿命。可是，燃料爆炸，燃 气对活塞产生最大推力正是在死点和死点附近，这时，连杆曲轴不能有效地将燃气推力转化 为机轴扭矩，表现出机械效率低下的缺陷；待活塞远离死点，燃气推力下降，温度降低后， 连杆曲轴才能有效地将燃气推力转化为机轴扭矩，造成热效率很大的损失。另外，在曲轴连 杆把燃气推力转化为机轴扭矩的同时，也把活塞紧压在气缸壁上，产生很大的摩擦阻力，减 小机轴扭矩；并且，燃气推力越大，摩擦阻力越大，损失的机轴扭矩越大，进一步降低了曲 轴连杆力转化机构的机械效率。自从上世纪六十年代美国加州出现由汽车排放和其它工业污染引发的环境危机、七十年 代初能源危机，以及地球温室效应引起关注以后，极大地刺激了内燃机环保的研究，近些年 燃油价格不断飙升，担心燃油耗竭，更激发人们对内燃机节能减排的欲望。深知曲轴连杆往返活塞内燃机的缺陷，要它达到很高的有效热效率不现实，人们都期望 用一种更理想的力转化机构取代曲轴连杆力转化机构，并且从理性上把注意力集中到旋转活 塞内燃机。但是，经过一百多年努力，尝试过许多力转化方案，也没有完成旋转活塞内燃机 的力转化核心技术的突破，实际还是连杆曲轴往返活塞内燃机性能更优。中国专利申请 200610126406. X (变速齿轮旋转活塞动力机)，首次公开了用齿轮传动取代曲轴连杆传动的 技术，才从实验室实现旋转活塞内燃机的力转化核心技术的突破，能大幅度节能减排。但是， 该旋转活塞内燃机的旋转构件较多，制造成本可能较高。发明内容本发明所要解决的技术问题，是为往返活塞式动力机提供一种结构更简单、力转化效率 更高且便于现有技术设备升级的通过齿轮传动的的齿轮扭矩转化器，以及应用有该齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机。研究发现，齿轮传动除了适用于旋转活塞动力机作扭矩转化外，如用于活塞为往返运动 的动力机作扭矩转化，同样可以消除连杆曲轴往返活塞动力机的靠近两个活塞止点时的扭矩 损失、消除连杆曲轴传动摩擦损失大的缺陷，大幅度提高机械效率；同样可以任意选择燃烧 效率较高、有效热效率较高的活塞行程，大幅度提高有效热效率，大幅度节能减排。特别是， 对现有的连杆曲轴往返活塞动力机，齿轮传动往返活塞动力机只需用机械效率高的齿轮传动 取代原机械效率低的连杆曲轴传动，其它内燃机技术可以全套使用，技术升级方便。该新的 往返活塞动力机的力转化机构即为本发明所指的齿轮扭矩转化器。为解决上述技术问题，本发明齿轮扭矩转化器所采用的技术方案为该齿轮扭矩转化器包括有主动轴、机轴、以及主动轴和机轴之间的齿轮系，主动轴和机轴分别为力扭矩转化的 输入及输出轴；所述主动轴及机轴可为一根或多根，各主动轴与相应的机轴之间设有包含不 完全齿轮的两个齿轮系，这两个齿轮系的传动比绝对值相等；每根主动轴通过不完全齿轮与 这两个齿轮系交替啮合；机轴可以选用为所述齿轮系中任意一条从动轴。(为以下叙述方便， 在此定义本方案的齿轮扭矩转化器为"轴齿轮扭矩转化器"。)上述主动轴和机轴间的包含不完全齿轮的齿轮系的具体结构和形式，可根据齿轮系啮合 的一般常识自由构建，并不拘于某一固定形式。齿条作为直径为无限大的齿轮的特例，应用于上述方案作为主动轴齿轮时，形成的齿轮扭矩转化器在此定义为"齿条齿轮扭矩转化器"。齿条齿轮扭矩转化器的具体结构可以为 每根主动轴上设有一对齿条，该两根齿条为齿背齿并联固接，或为齿并齿固接；所述两个齿 轮系各自通过不完全齿轮固定地与其中的一根齿条交替啮合。应用上述齿轮扭矩转化器的往返活塞动力机的技术方案为 (1)、应用有上述轴齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机(以下简称为"轴齿轮齿返动力机")，包括气缸、活塞，和与之相连的齿轮扭矩转化器，齿轮扭矩转化器包括有主动轴、机轴、以及主动轴和机轴之间的齿轮系，主动轴和机轴分别为力扭矩转化的输入及输出轴；所述主动轴及机轴可为一根或多根，各主动轴与相应的机轴之间设有包含不完全齿轮的两个齿轮系，这两个齿轮系的传动比绝对值相等；每根主动轴通过不完全齿轮与这两个齿轮系交替啮合；机轴可以选用为所述齿轮系中任意一条从动轴。上述应用有本发明轴齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机，其气缸为弧筒状；齿 轮扭矩转化器的主动轴位于弧筒状气缸的圆心；主动轴直接与活塞连接、或通过齿条或活塞 连接件与活塞连接；该齿条或活塞连接件具有与气缸壁相适应的弧度，可随活塞在气缸内作弧线往返运动(记为代号H)。利用齿轮扭矩转化器内部不完全齿轮间断啮合、间断传动的特 性，活塞受到的气体推力，通过主动轴及不完全齿轮系，转化为机轴上的定向旋转驱动力。 如上所述的弧筒状气缸，还可具体采用如下两种结构1) 气缸缸体为一体固定式。主动轴通过活塞连接件与活塞连接，此时活塞连接件为L 状，其连接活塞侧具有与气缸壁相适应的弧度。2) 气缸缸体为部分固定式所述气缸缸体由距离主动轴较远的外缸体和与活塞固接并 通过活塞连接件与主动轴连接的内缸体组成。在动力机工作的过程中，固接在一起的活塞、 内缸体及活塞连接件，在弧形气缸内以主动轴为圆心作弧线往返运动，再由轴齿轮扭矩转化 器将燃气对活塞的推力转化为机轴扭矩。(2)、应用有上述齿条齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机(以下简称为"齿条齿返动力机")，其结构特征为齿轮扭矩转化器主动轴上的齿轮直径为无限大，即齿条。具体为每根主动轴上设有一对齿条，即两根齿条为齿背齿并联固接，或为齿并齿固接; 所述两个齿轮系各自通过不完全齿轮固定地与其中的一根齿条交替啮合。上述应用有本发明齿条齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机，其气缸为弧筒状或 直筒状(直筒实为直径为无限大的弧筒)；齿轮扭矩转化器的齿条与活塞直接连接形成活塞 一齿条组件，且所述齿条与具有与气缸壁相适应的弧度。工作状态下，受燃气推动的活塞一齿条组件，在直筒状的气缸内做直线往返运动(记为 代号Z),或采用弧形齿条在弧筒状气缸内作弧线往返运动。利用齿轮扭矩转化器内部不完 全齿轮间断啮合、间断传动的特性，活塞受到的气体推力，通过齿条及不完全齿轮系，转化 为机轴上的定向旋转驱动力。应用上述齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机包括内燃机和蒸汽机。根据以上所述技术方案及措施，本发明齿轮传动往返活塞动力机的气缸可以做成弧筒状 或者螺旋筒状，活塞及连接件做成与气缸内空间相适应的弧状或者螺旋状，并且，可以根据 需要将数量不同的气缸、活塞、连接件自行组合成多种结构、多缸的动力机。由于主动轴位 于弧筒状气缸的圆心，弧筒状气缸体是以主动轴为圆心的圆弧或圆，若用"圆"代表"弧 筒状气缸体"，用"接"代表"活塞连接件"，用"缸"代表"气缸"，用"塞"代表"活 塞"，齿返动力机的结构有很多种，例如n(n为自然数)圆n接n缸n塞，n圆n接n缸 2n塞，n圆n接2n缸n塞，n圆n接2n缸2n塞，n圆2n接n缸2n塞，n圆2n接2n缸2n 塞，n圆n接4n缸2n塞，等等。气缸体有全固定气缸体及部分固定部分旋转的气缸体；活 塞可作弧线往返运动及直线往返运动，多个活塞间的运动配合有同步配合及异步配合。本发明齿轮传动往返活塞动力机的优点和积极效果为一、 本发明齿轮传动往返活塞动力机用作内燃机时，由于采用齿轮取代连杆曲轴将燃气 对活塞的推力转化为机轴扭矩，不论是活塞绕轴旋转往返运动亦或者是活塞直线往返运动的 情形，均可使得1、 燃气推力转化成机轴扭矩呈正比关系，挽救了连杆曲轴靠近两个活塞止点的扭矩损 失，并且还消除连杆将活塞紧压在气缸上的巨大摩擦损失，从而大幅度提高了力转化机构的 机械效率及整机的有效热效率。2、 活塞行程可以任意选择，以使燃料燃烧效率和有效热效率得到提高，减少不完全燃 烧物的排放，减少噪声污染和热污染。3、 由于齿轮传动往返活塞内燃机的机械效率、燃料燃烧效率、有效热效率都比连杆曲 轴内燃机大幅度提高，因此，同样耗油量下的有效功率比连杆曲轴内燃机大幅度提高。也就 是说，同样功率的内燃机，齿轮传动往返活塞内燃机能大幅度节能减排。4、 齿返内燃机体积小、重量轻、功率大，单位功率的重量和体积很小。5、 齿轮传动往返活塞内燃机仅用齿轮扭矩转化器撤换曲轴连杆力转化机构，其它成熟 内燃机技术能全盘使用，便于迅速升级，容易实施。二、 用本发明的齿轮传动往返活塞动力机作为蒸汽机时，体积较小、功率大，机械效率 很高，摩擦损失和无用功损失很小，可使蒸汽机在一个绝热系统中工作，用压縮机负压排汽， 既增加功率，又循环用汽，节水省热，大幅度提高有效热效率，污染小，使蒸汽机的适用范 围增加。


图1为本发明齿轮扭矩转化器的第一种实施方式的结构示意图。(轴齿轮扭矩转化器 采用一条主动轴)图2为本发明齿轮扭矩转化器的第二种实施方式的结构示意图。(轴齿轮扭矩转化器 采用双主动轴)图3为本发明齿轮扭矩转化器的第三种实施方式的结构示意图。(轴齿轮扭矩转化器 采用锥齿轮传动)图4为图1的齿轮扭矩转化器通过齿条连接活塞进行实施的结构示意图。 图5为图4所示的齿轮扭矩转化器实施方式的结构侧视图。图6为一种无气缸底的GH 二 n-2n-n-2n齿返内燃机剖面示意图。 图7为一种有气缸底的GH 二 n-n-n-n齿返内燃机剖面示意图。 图8为一种有气缸底的GH 二 n-2n-2n-2n齿返内燃机剖面示意图。 图9为一种有气缸底的GH 二 n-n-2n-2n齿返内燃机剖面示意图。图10为一种有气缸底的固旋缸1圆齿返内燃机连接件与活塞关系示意图。图11为一种无气缸底的固旋缸1圆齿返内燃机连接件与活塞关系示意图。图12为一种有气缸底的GXH 二 n-n-2n-n齿返内燃机剖面示意图。图13为一种无气缸底的GXH 二 n-2n-2n-2n齿返内燃机剖面示意图。图14为一种有气缸底的GXH四n-n-4n-2n齿返内燃机剖面示意图。图15本发明齿轮扭矩转化器的第四种实施方式的结构示意图。(齿条齿轮扭矩转化器双齿条采用齿背齿并联固接结构)图16为本发明齿轮扭矩转化器的第五种实施方式的结构示意图。(齿条齿轮扭矩转化器双齿条采用齿并齿固接式结构并应用了锥齿轮传动)图17为本发明齿轮扭矩转化器的第六种实施方式的结构示意图。(齿条齿轮扭矩转化器采用n对齿条)图18为一种采用弧筒状气缸的齿条齿返内燃机剖面示意图。图19为一种GZ四2n-2n-2n齿条齿返内燃机剖面示意图。(使用图15的齿轮扭矩转化器)图20为一种GZ 二 2n-2n-2n齿条齿返内燃机剖面示意图。(使用图16的齿轮扭矩转化器)图21为一种GZ 二 2n-2n-2n齿条齿返蒸汽机简图。 附图标记说明0~ l-3-6—-机轴， -齿轮， -气缸， 」气门塞，O'-2—-主动轴l，0210-13--齿条， -压縮机37-11一不完全齿轮l， ——旋转气缸壁， ——进气门， ——贮气室， 14——锅炉。2' 4— 8—-主动轴2， ——不完全齿轮2 -活塞， 5— -喷油嘴， 9—-活塞连接件， -气缸底，12——自动控制阀，气缸中的散在点表示气缸内的燃烧气体，虚线及箭头表示气体流动方向。实线及箭头表 示运动方向。
具体实施方式
(一)齿轮扭矩转化器的实施 1、轴齿轮扭矩转化器的实施图1~图3分别是采用采用单主动轴、双主动轴(采用轴外套轴的方式)以及应用锥齿轮传动的三种轴齿轮扭矩转化器的结构示意图，如图所示，轴齿轮扭矩转化器由n条主动轴 如O，和02、机轴O、以及各主动轴与机轴间的2个共2n个包含不完全齿轮的齿轮系组成，每条主动轴交替与传动比绝对值相等的两个齿轮系啮合通过不完全齿轮进行啮合；这两个齿 轮系的传动比绝对值相等。主动轴和机轴分别为力扭矩转化的输入及输出轴；机轴可以选用 为齿轮系中任意一条从动轴。从图中可以见到，由于两个齿轮系的齿轮外啮合次数同是奇数或偶数，因此两条从动轴 上的不完全齿轮2、 2'反向连续旋转。当燃气驱使主动轴齿轮推动不完全齿轮2转动到齿轮 啮合终点时，不完全齿轮2'与主动轴的齿轮进入啮合状态，燃气驱使主动轴反向转动，到 不完全齿轮2'与主动轴的齿轮啮合终点，不完全齿轮2与主动轴的齿轮进入啮合状态而再 次被燃气驱动主动轴反转而反向转动，由于传动比相等，每次反转，主动轴都转回起始位置， 把燃气的推力通过齿轮系转化为与机轴转动方向相同的扭矩。齿轮扭矩转化器主动轴上的齿轮，交替与传动比绝对值相等的两个齿轮系啮合通过不完 全齿轮进行啮合，所以，主动轴上的齿轮，可为完全齿轮，也可为不完全齿轮(如图3所示)。显然，主动轴和机轴间的包含不完全齿轮的齿轮系的具体结构和形式，可根据齿轮系啮 合的一般常识自由构建，并不拘于某一固定形式。显然，齿轮扭矩转化器中所用的完全齿轮，可为圆柱齿轮或锥齿轮。2、齿条齿轮扭矩转化器的实施图15~图17列出了齿条齿轮扭矩转化器的几种实施方式的结构示意图。如图15~16所示， 齿条齿轮扭矩转化器由齿条IO，机轴0，以及齿条10和机轴0之间的、包含有齿轮l、不完 全齿轮2和2'、以及从动轮等的两个齿轮系构成。齿条10和机轴在此分别作为齿轮扭矩转 化器的力输入和输出部件。机轴可以选用齿轮系中任意一条或几条从动轴充当。齿轮扭矩转化器主动轴上的齿轮，交替与传动比绝对值相等的两个齿轮系啮合通过不完 全齿轮进行啮合。对齿条而言，是两段不同的齿条与上述两个齿轮系交替啮合。图15中，齿条齿轮扭矩转化器的齿条10由两根齿条齿背齿固接而成，齿条上的轮齿固 定地与各自对应齿轮系上的不完全齿轮进行交替啮合。图16中，齿条齿轮扭矩转化器的齿条10由两根齿条齿并齿固接而成，并且，应用锥齿 轮传动。齿条上的轮齿固定地与各自对应齿轮系上的不完全齿轮进行交替啮合。图17为采用n (n为自然数)对齿条的齿条齿轮扭矩转化器的结构示意图，可将n对气 缸的燃气推力转化为机轴扭矩。如图所示，各对齿条与机轴之间组成2n个齿轮系，即各齿 条通过不完全齿轮与对应的齿轮系交替啮合，这两个齿轮系的传动比绝对值相等。如图15~图17，固接的每对齿条10与机轴之间构成两个外啮合次数同是奇数或者偶数 的齿轮系，两个齿轮系传动比绝对值相等，交替与齿条啮合。当齿条10到达止点，待啮合 的不完全齿轮2'进入齿条啮合位置时，已啮合的不完全齿轮2脱离啮合，在压縮空气、燃气推动下，活塞-齿条组件以极大的加速度赶上、推动待啮合的不完全齿轮2'，驱使不完全 齿轮2'将扭矩转化到机轴0。在这个过程中，齿条与不完全轮齿可能产生撞击，但是由于轮齿啮合间隙小，齿条与不完全齿轮运动方向相同，并且两个轮齿的速度有一个衔接过程，轮齿配合得当，齿轮撞击轻微或者可以避免。当齿条io到达另一个止点时又重复这个过程，使两个不完全齿轮2和2'在机轴0旋转过程中交替啮合齿条10。由于机轴的两个齿系，外 啮合次数同是奇数或者偶数，因此两个不完全齿轮2和2'转动方向相反，能够将活塞-齿 条交替反向的推力转化为机轴旋转方向相同的扭矩。因为两个齿系传动比绝对值相等，因此 活塞一齿条作行程相等的直线或弧线往返运动。(二)、齿轮扭矩转化器在齿轮传动往返活塞动力机中的应用-应用齿轮扭矩转化器的往返活塞动力机包括内燃机和蒸汽机。图6 14及图18~21为选用有如图1~3或图15~17所示的齿轮扭矩转化器的齿轮传动往 返活塞动力机的部分实施例的结构图图6 14中，气缸为弧筒状，可选用如图1 3所示的齿轮扭矩转化器；齿轮扭矩转化器 的主动轴0,和02位于弧筒状气缸的圆心；主动轴直接与活塞4连接，或通过齿条10(参见 图4及图5)或者活塞连接件5与活塞4连接；活塞连接件5具有与气缸壁3相适应的弧度， 可随活塞在气缸内作弧线往返运动。利用齿轮扭矩转化器内部不完全齿轮间断啮合、间断传 动的特性，活塞4受到的气体推力，通过主动轴及不完全齿轮系，转化为机轴0的定向旋转 驱动力。图6~9所示的齿轮传动往返活塞动力机，气缸缸体3为一体固定式，主动轴通过活塞连 接件与活塞连接，此时活塞连接件5为L状，其连接活塞侧具有与气缸壁相适应的弧度，可 随活塞在气缸内作弧线往返运动。图10 14所示的齿轮传动往返活塞动力机的气缸缸体为部分固定式，气缸缸体由距离主 动轴较远的外缸体3和与活塞4固接并通过活塞连接件5与主动轴0，和02连接的内缸体3' 组成。在动力机工作的过程中，固接在一起的活塞4、内缸体3'及活塞连接件5，在弧形 气缸内以主动轴为圆心作弧线往返运动，再由轴齿轮扭矩转化器将燃气对活塞的推力转化为 机轴扭矩。图18~21的齿轮传动往返活塞动力机中，选用如图15 17所示的齿轮扭矩转化器气 缸3为弧筒状(如图18)或直筒状，齿条10与活塞4直接连接形成活塞一齿条组件，且所 述齿条10与具有与气缸壁相适应的弧度(在图18中，即采用了弧形齿条)。工作状态下， 受燃气推动的活塞一齿条组件，在直筒状的气缸内做直线往返运动，或采用弧形齿条在弧筒 状气缸内作弧线往返运动。利用齿轮扭矩转化器内部不完全齿轮间断啮合、间断传动的特性， 活塞4受到的气体推力，通过齿条10及包含不完全齿轮2和2'的齿轮系，转化为机轴O上的定向旋转驱动力。齿条齿返动力机及轴齿轮齿返动力机的具体实施根据本发明釆取的方案及措施，气缸活塞工作有二冲程、四冲程，适用于内燃机，也适 用于蒸汽机，可以根据需要构成许多种类型的动力机。鉴于篇幅，把全固定气缸体简称固缸 (代号G),部分固定部分旋转的气缸体简称固旋缸(代号GX)，活塞作弧线往返运动(代号 H)，活塞作直线往返运动(代号Z)，在此仅以固缸弧线往返二冲程n圆2n接n缸2n塞(代 号GH二n-2n-n-2n)齿返内燃机(图6)、固缸弧线往返二冲程n圆n接n缸n塞(代号 GH二n-n-n-n)齿返内燃机(图7)、固缸弧线往返二冲程n圆2n接2n缸2n塞(代号GH 二 n-2n-2n-2n)齿返内燃机(图8)、固缸弧线往返二冲程n圆n接2n缸2n (代号GH 二 n-n-2n-2n)齿返内燃机(图9)、固旋缸弧线往返二冲程n圆n接2n缸n (代号GXH四 n-n-2n-n)齿返内燃机(图12)、固旋缸弧线往返二冲程n圆2n接2n缸2n (代号GXH 二 n-2n-2n-2n)齿返内燃机(图13)、固旋缸弧线往返四冲程n圆n接4n缸2n (代号GXH 四n-n-4n-2n)齿返内燃机(图14)、固缸直线往返四冲程2n齿条2n缸2n塞(代号GZ 四2n-2n-2n)齿返内燃机(图19)，固缸直线往返二冲程2n齿条2n缸2n塞(代号GZ 二 2n-2n-2n)齿返内燃机(图20)，弧线齿返蒸汽机、固缸直线往返2n齿条2n缸2n塞(代 号GZ二 2n-2n-2n)齿条齿返蒸汽机(图21)为代表作实施介绍。1、齿条齿返动力机具体实施举例1 ) GZ四2n-2n-2n (即固缸直线四冲程2n齿条2n缸2n塞)齿条齿返内燃机 图19是GZ四2n-2n-2n齿条齿返内燃机的纵剖面简图。如图所示，气缸3为直气缸， 活塞4与齿条10联接；齿条10由两根齿条齿背齿并联固接而成，齿条上的轮齿固定地与各 自对应齿轮系上的不完全齿轮进行交替啮合。气缸都安置气缸底9，并在气缸底9上安置配 气系统、供油系统。燃气推动活塞一齿条作直线运动，由齿条齿轮扭矩转化器(参见图15) 将直线运动转化为机轴0的单向转动。当采用4齿条4气缸体共机轴结构时，即形成GZ四4-4-4型(即4齿条4缸4活塞 四冲程直线)齿返内燃机。其工作过程是l个活塞4到达压縮止点，压縮冲程完成，齿条 齿轮扭矩转化器换档，喷油嘴8向第1气缸中的压縮空气喷油，燃油爆炸，推动活塞4和齿 条10直线运动，齿轮扭矩转化器将活塞受到的推力转化为与机轴转动方向相同的扭矩驱动 机轴转动。在第l气缸做功的同时，第2气缸为排气冲程，第3气缸为进气冲程，第4气缸 为压縮冲程。四个气缸的冲程同时完成，以后做功按照4-3-2-l气缸的程序依次反复循环。 2) GZ二2n-2n-2n(g卩固缸直线二冲程2n齿条2n缸2n塞)齿条齿返内燃机 图20是GZ二2n-2n-2n齿条齿返内燃机的纵剖面简图。如图所示，气缸3为直气缸，活塞4与齿条10联接，齿条10由两根齿条齿并齿固接而成；气缸都安置气缸底9，并在气 缸底安置配气系统、供油系统。燃气推动活塞一齿条作直线运动，由齿条齿轮扭矩转化器(参 见图16)将直线运动转化为机轴0的单向转动。当采用4齿条4气缸体共机轴时，即形成GZ二 4-4-4型(即4齿条4缸4活塞二冲 程直线)齿返内燃机。为了便于表达做功过程，将每一个活塞行程从压縮止点到排气止点分 为四程，1—3程为做功程，4程为排气程，那么，活塞在1程初、2程末、4程末和活塞反 回到2程末时都有一个气缸开始做功，每个气缸的压縮冲程都有气缸在做功，使机轴在转动 过程中始终有气缸在做功，比较均衡地输出功率。相比之下，四缸四冲程曲轴连杆内燃机对 机轴的功率输出是间断的，并且输出的扭矩也小得多。显然，GZ四2n-2n-2n、 GZ 二 2n-2n-2n内燃机的结构很接近现在汽车使用的曲轴连杆 内燃机，其差别主要是燃气对活塞的推力转化为机轴扭矩，前者用齿条齿轮转化，后者用 曲轴连杆转化，不用赘述，前者机械效率比后者高得多。其次是前者可以设计到最佳的活 塞行程，以便获得最佳燃烧效率和最佳有效热效率，后者的活塞行程却被限制为缸径的2倍 左右，难以选择最佳燃烧效率和最佳有效热效率的行程。所以，GZ四2n-2n-2n、GZ二2n-2n-2n 内燃机的机械效率、燃烧效率、有效热效率都要比曲轴连杆四冲程内燃机高得多。另外，前 .者内燃机形状扁平，占空间很小，安置于轴上方不影响车辆装载。3)、齿条齿返蒸汽机的实施图21为GZ 二 2n-2n-2n (即固缸直线二冲程2n齿条2n缸2n塞)型齿条齿返蒸汽机 的结构简图。如图所示，齿条齿返蒸汽机主要由气缸3、活塞4、齿轮扭矩转化器(参见图 15)、贮气室ll、自动控制阀12、压縮机13、锅炉14等部分组成。气缸为直气缸，活塞一 齿条在直气缸3内直线滑动；齿条齿轮扭矩转化器将活塞受到蒸气的推力转化为与机轴转动 方向相同的扭矩驱动机轴O。假如水蒸汽的温度是50(TC左右，GZ 二 2-2-2蒸汽机工作过程是自动控制阀12使第 二气缸排气阀打开，第一气缸进汽阀打开，锅炉14提供的蒸汽推动活塞4，活塞行程达设 定值时进气阀关闭，让蒸汽膨胀做功，做功冲程结束时蒸汽温度接近10(TC。在第一气缸做 功的同时，第二气缸排气阀打开，进气阀关闭，第二气缸进行排气冲程，直到第二气缸活塞 到达排气止点，排气阀关闭，进气阀打开，重复第一气缸的做功过程。在排气过程中，压縮 机12使排气道和排气的气缸处于负压，活塞运动阻力减小，增加蒸汽机的功率和效率。2、轴齿轮齿返动力机具体实施举例1)、 GH二n-2n-n-2n (gp:固缸弧线二冲程n圆2n接n缸2n塞)齿返内燃机 图6是GH二n-2n-n-2n齿返内燃机的横剖面简图。如图示，在一个气缸3内安置两个 活塞4，两个活塞通过两个活塞连接件5与齿轮扭矩转化器(参见图2)的两条主动轴O,、02固接，喷油嘴8及气门塞6设置在气缸壁上。活塞连接件5为L状，其连接活塞侧具有与 气缸壁相适应的弧度。在配气系统、供油系统的配合下，爆炸气体推动两个活塞4向相反的 方向转动，形成双往返活塞内燃机。两个活塞将两个反向的燃气推力转化为两条主动轴的两 个相反方向的扭矩，再由齿轮扭矩转化器转化为两个与机轴转动方向相同的扭矩同时驱动机 轴0。以GH二l-2-l-2齿返内燃机为例，其工作过程是两个活塞4到达压縮止点，压縮冲 程完成，齿轮扭矩转化器换档，喷油嘴8向气缸中压縮空气喷油燃烧，推动两个活塞4向相 反方向绕轴转动，连接件5将两个活塞受到的推力转化为主动轴0,、 02的扭矩，如图9的 齿轮扭矩转化器将两条主动轴方向相反的扭矩转化为方向相同的扭矩同时驱动机轴转动。当 活塞转动临近进气门7，排气门的气门塞6打开，完成做功冲程。活塞转动超过进气门7时， 新鲜空气进入气缸，扫出气缸内的废气，活塞到达换气止点，齿轮扭矩转化器换档，齿轮扭 矩转化器带动两个活塞往回转动，气缸继续换气，待活塞超过进气门，进气停止，继续排气， 到设定的气缸容积，排气门关闭，进入压縮期。活塞继续往回转动，直到压縮止点进入第二 做功循环。若采用2个圆的气缸配合，可以做到两缸交替做功，使气缸在进入换气、压縮冲 程时也有气缸做功。2)、 GH二n-n-n-n (即固缸弧线二冲程n圆n接n缸n塞)齿返内燃机图7是GH二n-n-n-n型齿返内燃机的横剖面简图。如图示，气缸为弧筒形，主动轴位 于弧筒形气缸的中心，活塞4通过连接件5与主动轴固接。气缸安置气缸底9，并在气缸底 安置配气系统、供油系统。单圆单缸或双圆双缸工作时采用图1所示的单主动轴扭矩转化器。 双圆双缸以上配合工作采用图2所示的双主动轴齿轮扭矩转化器或多主动轴的齿轮扭矩转 化器，将活塞受到的燃气推力转化为机轴的扭矩。单气缸结构时的工作过程是活塞4到达压縮止点，压縮冲程完成，齿轮扭矩转化器换 档，喷油嘴8向气缸中的压縮空气喷油爆炸，推动活塞4绕轴转动，连接件5将活塞受到的 推力转化为主动轴的扭矩，如图8的齿轮扭矩转化器将主动轴的扭矩转化为与机轴转动方向 相同的扭矩。当活塞转动到进气门7边缘，排气门的气门塞6打开，完成做功冲程。活塞转 动超过进气门7，新鲜空气进入气缸，气缸内的废气从排气门排出。活塞到达换气止点后， 齿轮扭矩转化器换档，齿轮扭矩转化器带动活塞往回转动，气缸继续换气，活塞超过进气门 7，进气停止，继续排气，到设定的气缸容积，排气门关闭，进入压縮期。活塞继续往回转 动，直到压縮止点进入第二做功循环。如采用两个同样结构的的气缸在同一条主动轴上配合， 用图1的扭矩转化器可以两缸交替做功，使该气缸体在换气压缩冲程都有气缸做功。如四个 同样结构的的气缸活塞在两条主动轴上配合，用图2的扭矩转化器，每一缸在做功到半途时 都有另一缸开始做功，使得机轴输出的扭矩更均衡。3) 、 GH 二 n-2n-2n-2n (即固缸弧线二冲程n圆2n接2n缸2n塞)齿返内燃机图8是GH 二 n-2n-2n-2n型齿返内燃机的横剖面简图。如图示，在一圆两个气缸3内安 置两个活塞4，由两个连接件5将活塞4与主动轴0" Oz固接，2个气缸都安置气缸底9， 并在气缸底9安置配气系统、供油系统。工作过程2个活塞4到达压缩止点，压缩冲程完成，齿轮扭矩转化器换档，喷油嘴8 向2个气缸中的压缩空气喷油爆炸，推动2个活塞绕主动轴转动，连接件5将活塞受到的推 力转化为2条主动轴的扭矩，如图2的齿轮扭矩转化器将两条主动轴的扭矩转化为与机轴转 动方向相同的扭矩。当活塞转动到进气门7边缘，排气门的气门塞6打开，完成做功冲程。 活塞转动超过进气门7，新鲜空气进入气缸，气缸内的废气从排气门排出，活塞到达换气止 点，齿轮扭矩转化器换档，齿轮扭矩转化器带动活塞往回转动，气缸继续换气，活塞超过进 气门，进气停止，继续排气，到设定的气缸容积，排气门关闭，进入压縮期。活塞继续往回 转动，直到压缩止点进入第二做功循环。两圆配合，可以两圆交替做功，使两圆的气缸在换 气压縮冲程有气缸做功。4) 、 GH二n-n-2n-2n (即固缸弧线二冲程n圆n接2n缸2n塞)齿返内燃机 图9是GH二n-n-2n-2n型齿返内燃机的横剖面简图。如图示， 一个圆安置两个弧形气缸， 一条连接件5将两个活塞4与一条主动轴固接，气缸都安置有气缸底9，并在气缸底安 置配气系统、供油系统。1圆2缸或2圆4缸工作时扭矩转化器使用图1所示的单主动轴扭 矩转化器。2圆2缸以上配合工作使用图2所示的双主动轴或多主动轴的齿轮扭矩转化器， 将活塞受到的燃气推力转化为机轴的扭矩。将活塞连接件换为弧形齿条，即做成GH 二 n-2n-2n齿条齿返内燃机。工作过程 一个活塞4到达压縮止点，压縮冲程完成，齿轮扭矩转化器换档，喷油嘴8 向气缸中的压縮空气喷油爆炸，推动两个活塞绕主动轴转动，连接件5将活塞受到的推力转 化为一条主动轴的扭矩，如图1的齿轮扭矩转化器将主动轴的扭矩转化为与机轴转动方向相 同的扭矩。做功活塞到达进气门7边缘时，做功缸排气门的气门塞6打开，完成做功冲程， 做功活塞转动超过进气门7，新鲜空气进入气缸，气缸内的废气从排气门排出。与此活塞做 功的同时，另一个活塞受同一个连接件的带动，进行换气一压縮冲程换气活塞随做功活塞 的运动而往回转动，超过气门7，进气停止，继续排气，到设定气缸容积，排气门关闭，进 入压縮期;活塞继续往回转动，直到压縮止点，图1的齿轮扭矩转化器换档，进入做功冲程。 如此，两个活塞交替做功，交替换气、压缩。当两个圆用图2的双主动轴扭矩转化器，令活 塞转动不同步，可以在每个活塞做功行程达到一半时有另一个活塞开始做功，使机轴能连续 输出较均衡的扭矩。5) 、 GXH二n-n-2n-n (gp:固旋缸弧线二冲程n圆n接2n缸n塞)齿返内燃机图12是GXH 二 n-n-2n-n型齿返内燃机的横剖面简图。该气缸为部分固定式如图10 所示，外缸体3固定，内缸体3，与活塞4及活塞连接件5固接。如图12所示， 一圆一个 活塞4将一个弧形气缸分隔为两个独立的气缸，两个气缸都安置气缸底9，并在气缸底安置 配气系统、供油系统。活塞4与转动的气缸壁3'、连杆5、主动轴02固接。可采用n个圆 的气缸配合工作，由齿轮扭矩转化器较均衡地将活塞受到的燃气推力转化为机轴转动方向的 扭矩驱动机轴。2个圆的工作过程是l个圆的活塞4到达一个气缸的压縮止点，压縮冲程完成，齿轮 扭矩转化器换档，喷油嘴8向气缸中的压缩空气喷油爆炸，推动活塞绕主动轴转动，活塞连 接件5将活塞受到的推力转化为1条主动轴的扭矩，齿轮扭矩转化器将主动轴的扭矩转化为 与机轴转动方向相同的扭矩。在一个气缸开始做功的同时，同圆的另一个气缸进入压縮冲程。 与此同时，另一个圆的一个气缸进入吸气冲程，另一个气缸进入排气冲程。如此，2个圆4 个气缸2个活塞用一条主动轴同时完成四个冲程，另一条主动轴也可以固接2个圆4个气缸 2个活塞，让八个气缸不同步地完成四个冲程， 一个如图9的两主动轴齿轮扭矩转化器就可 以让4个圆8个气缸四冲程做功，每个活塞做功到行程一半就有另一个气缸开始做功，使机 轴0较均匀地连续输出很大的功率。6) 、 GXH 二 n-2n-2n-2n (g|l:固旋缸弧线二冲程n圆2n接2n缸2n塞)齿返内燃机图13是GXH二n-2n-2n-2n型齿返内燃机的横剖面简图。如图所示，在横剖面为圆形的 弧筒形气缸内安置2个活塞将圆气缸分隔为2个独立的气缸。如图11的气缸横截面示意图所 示，该气缸为部分固定式，外缸体3固定，内缸体3'与活塞4及活塞连接件5固接。两个 活塞分别固接在两部分转动气缸壁3'上，通过两个连接件与两条主动轴固接。爆炸气体推 动两个活塞4向相反的方向转动，形成双活塞弧线往返内燃机。齿轮扭矩转化器将两条主动 轴的两个相反方向的扭矩，同时转化为两个与机轴转动方向相同的扭矩驱动机轴0。一个圆的工作过程是两个活塞4到达压縮止点，压縮冲程完成，齿轮扭矩转化器换档， 喷油嘴8向两个气缸中之一气缸的压縮空气喷油爆炸，推动两个活塞4向相反方向绕轴转动， 连接件5将活塞受到的推力转化为主动轴0" 02的扭矩，如图2的齿轮扭矩转化器将两条 主动轴方向相反的扭矩转化为方向相同的扭矩同时驱动机轴转动，机轴0具有比一条主动轴 转化扭矩大一倍的扭矩。在两个气缸中之一气缸开始做功的同时，之二气缸的排气门、进气 门先后打开，废气排出，同时进气、换气，活塞转动接近排气门时，排气门、进气门先后关 闭，进入压縮期。两个活塞继续受燃气推动，直到压縮止点，齿轮扭矩转化器换档，喷油器 向之二气缸喷油，进入之二气缸做功、之一气缸排气、换气、压縮的循环。7) 、 GXH四n-n-4n-2n (即固旋缸弧线四冲程n圆n接4n缸2n塞)齿返内燃机图14是GXH四n-n-4n-2n型齿返内燃机的横剖面简图。如图示，该气缸为部分固定式，外缸体3固定，内缸体3'与活塞4及活塞连接件5固接。1个活塞连接件将1个旋转气缸 内壁、2个活塞与1条主动轴固接，2个活塞将两个弧形的气缸分隔为4个独立的气缸，4 个气缸都安置气缸底，并在气缸底安置配气系统、供油系统。 一个圆的4个气缸可以同时完 成做功、排气、进气、压缩四个冲程，n个圆的气缸配合工作，可以错开做功，使机轴0较 均衡地输出扭矩。一个圆的工作过程是两个活塞4到达压缩止点，压縮冲程完成，齿轮扭矩转化器换档， 喷油嘴8向第1气缸中压縮空气喷油爆炸，推动两个活塞4绕主动轴转动，连接件5将活塞 受到的推力转化为主动轴的扭矩，如图1的齿轮扭矩转化器将主动轴的扭矩转化为与机轴转 动方向相同的扭矩驱动机轴转动。在第1气缸做功的同时，第2气缸为排气冲程，第3气缸 为进气冲程，第4气缸为压縮冲程。四个气缸的冲程同时完成，以后做功按照4-3-2-1气缸 的程序依次反复循环。2圆8气缸，用图2的齿轮扭矩转化器，在每个活塞做功行程达到一 半时有另一个活塞开始做功，使机轴能连续输出较均衡的扭矩。8)、弧线齿返蒸汽机如将弧线齿返内燃机去掉供油系统，将配气系统改为蒸汽配气系统，即成为弧线往返活 塞蒸汽机。弧线齿返蒸汽机主要由气缸3，活塞4，连接件5，主动轴，齿轮扭矩转化器，配气系 统组成。活塞4在弧形气缸3内弧形滑动活塞4通过连接件5与主动轴固接，气缸都安置气 缸底9，在气缸底安置配气系统，齿轮扭矩转化器将活塞受到的蒸汽推力转化为与机轴转动 方向相同的扭矩驱动机轴0。例如水蒸汽温度50(TC左右，GXH 二 1-1-2-1 (即固旋缸弧形二冲程1圆1接2缸1 塞)蒸汽机的工作过程是第二气缸排气阀打开，第一气缸进汽阀打开，蒸汽推动活塞，行 程达设定容积时进气阀关闭，让蒸汽膨胀做功，做功冲程结束时蒸汽温度接近10(TC，第一 气缸排气阔打开，第一气缸进入排气冲程。与此同时，第二气缸排气阀关闭进气阀打开，第 二气缸蒸汽做功，重复第一气缸过程。由上述技术方案及实施例易知，本发明齿轮扭矩转化器不但适用于往返活塞式动力机， 还可适用于往返活塞式压縮机。
权利要求
1. 齿轮扭矩转化器，包括有主动轴、机轴、以及主动轴和机轴之间的齿轮系，主动轴和机轴分别为力扭矩转化的输入及输出轴，其特征在于主动轴及机轴为一根或多根，各主动轴与相应的机轴之间设有包含不完全齿轮的两个齿轮系，这两个齿轮系的传动比绝对值相等；每根主动轴通过不完全齿轮与这两个齿轮系交替啮合；机轴可以选用为所述齿轮系中任意一条从动轴。
2、 如权利要求1所述的齿轮扭矩转化器，其特征在于主动轴上的齿轮直径为无限大， 即齿条。
3、 如权利要求2所述的齿轮扭矩转化器，其特征在于每根主动轴上设有一对齿条， 该两根齿条为齿背齿并联固接，或为齿并齿固接；所述两个齿轮系各自通过不完全齿轮固定 地与其中的一根齿条交替啮合。
4、 齿轮传动往返活塞动力机，包括气缸、活塞，和与之相连的齿轮扭矩转化器，齿轮 扭矩转化器包括有主动轴、机轴、以及主动轴和机轴之间的齿轮系，主动轴和机轴分别为力 扭矩转化的输入及输出轴，其特征在于主动轴及机轴可为一根或多根，各主动轴与相应的 机轴之间设有包含不完全齿轮的两个齿轮系，这两个齿轮系的传动比绝对值相等；每根主动 轴通过不完全齿轮与这两个齿轮系交替啮合；机轴可以选用为所述齿轮系中任意一条从动 轴。
5、 如权利要求4所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于气缸为弧筒状；齿轮 扭矩转化器的主动轴位于弧筒状气缸的圆心；主动轴直接与活塞连接、或通过齿条或活塞连 接件与活塞连接；该齿条或活塞连接件具有与气缸壁相适应的弧度。
6、 如权利要求5所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于所述气缸缸体为一体 固定式；所述活塞连接件为L状，其连接活塞侧具有与气缸壁相适应的弧度。
7、 如权利要求5所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于所述气缸缸体由距离 主动轴较远的外缸体和与活塞固接并通过连接件与主动轴连接的内缸体组成。
8、 如权利要求4所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于主动轴上的齿轮直径 为无限大，即齿条。
9、 如权利要求8所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于每根主动轴上设有一 对齿条，两根齿条为齿背齿并联固接，或为齿并齿固接；所述两个齿轮系各自通过不完全齿 轮固定地与其中的一根齿条交替啮合。
10、 如权利要求9所述的齿轮传动往返活塞动力机，其特征在于气缸为弧筒状或直筒状；齿轮扭矩转化器的齿条与活塞直接连接，且所述齿条与具有与气缸壁相适应的弧度。
全文摘要
本发明公开了一种齿轮扭矩转化器以及应用有该齿轮扭矩转化器的齿轮传动往返活塞动力机。该齿轮扭矩转化器，包括有主动轴、机轴、以及主动轴和机轴之间的齿轮系，主动轴和机轴分别为力扭矩转化的输入及输出轴；该主动轴及机轴可为一根或多根，各主动轴与相应的机轴之间设有包含不完全齿轮的两个齿轮系，这两个齿轮系的传动比绝对值相等；每根主动轴通过不完全齿轮与这两个齿轮系交替啮合；机轴可以选用为所述齿轮系中任意一条从动轴。应用本齿轮扭矩转化器的往返活塞动力机，能大幅度提高了力转化机构的机械效率及整机的有效热效率，减少不完全燃烧物的排放，减少噪声污染和热污染，并且便于利用现有成熟动力机技术，升级简便，容易实施。
文档编号F16J10/00GK101270801SQ20081007351
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者耕 黎 申请人:耕 黎