專利名稱：齒輪扭矩轉化器及齒輪傳動往返活塞動力機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種往返活塞式動力機及其力扭矩轉化裝置，尤其是一種用齒輪傳動的往返 活塞式動力機的齒輪扭矩轉化器，以及該齒輪傳動往返活塞動力機。
技術背景本文所稱的動力機包括內燃機和蒸汽機。目前，在動力機領域中，以曲軸連桿往返活塞 式內燃機研究最深，應用最廣，在各個經濟領域及國防建設中都有廣泛應用。這種曲軸連桿 往返活塞式內燃機的力轉化機構是正弦機構，曲軸轉動時，活塞存在兩個止點。越靠近止點， 曲軸連桿機構將燃氣推力轉化為機軸扭矩的效率越低，止點是力轉化的死點。在死點，不僅 不能將燃氣推力轉化為機軸扭矩，而且容易產生振動，減少使用壽命。可是，燃料爆炸，燃 氣對活塞產生最大推力正是在死點和死點附近，這時，連桿曲軸不能有效地將燃氣推力轉化 為機軸扭矩，表現出機械效率低下的缺陷；待活塞遠離死點，燃氣推力下降，溫度降低后， 連桿曲軸才能有效地將燃氣推力轉化為機軸扭矩，造成熱效率很大的損失。另外，在曲軸連 桿把燃氣推力轉化為機軸扭矩的同時，也把活塞緊壓在氣缸壁上，產生很大的摩擦阻力，減 小機軸扭矩；并且，燃氣推力越大，摩擦阻力越大，損失的機軸扭矩越大，進一步降低了曲 軸連桿力轉化機構的機械效率。自從上世紀六十年代美國加州出現由汽車排放和其它工業污染引發的環境危機、七十年 代初能源危機，以及地球溫室效應引起關注以后，極大地刺激了內燃機環保的研究，近些年 燃油價格不斷飆升，擔心燃油耗竭，更激發人們對內燃機節能減排的欲望。深知曲軸連桿往返活塞內燃機的缺陷，要它達到很高的有效熱效率不現實，人們都期望 用一種更理想的力轉化機構取代曲軸連桿力轉化機構，并且從理性上把注意力集中到旋轉活 塞內燃機。但是，經過一百多年努力，嘗試過許多力轉化方案，也沒有完成旋轉活塞內燃機 的力轉化核心技術的突破，實際還是連桿曲軸往返活塞內燃機性能更優。中國專利申請 200610126406. X (變速齒輪旋轉活塞動力機)，首次公開了用齒輪傳動取代曲軸連桿傳動的 技術，才從實驗室實現旋轉活塞內燃機的力轉化核心技術的突破，能大幅度節能減排。但是， 該旋轉活塞內燃機的旋轉構件較多，制造成本可能較高。發明內容本發明所要解決的技術問題，是為往返活塞式動力機提供一種結構更簡單、力轉化效率 更高且便于現有技術設備升級的通過齒輪傳動的的齒輪扭矩轉化器，以及應用有該齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機。研究發現，齒輪傳動除了適用于旋轉活塞動力機作扭矩轉化外，如用于活塞為往返運動 的動力機作扭矩轉化，同樣可以消除連桿曲軸往返活塞動力機的靠近兩個活塞止點時的扭矩 損失、消除連桿曲軸傳動摩擦損失大的缺陷，大幅度提高機械效率；同樣可以任意選擇燃燒 效率較高、有效熱效率較高的活塞行程，大幅度提高有效熱效率，大幅度節能減排。特別是， 對現有的連桿曲軸往返活塞動力機，齒輪傳動往返活塞動力機只需用機械效率高的齒輪傳動 取代原機械效率低的連桿曲軸傳動，其它內燃機技術可以全套使用，技術升級方便。該新的 往返活塞動力機的力轉化機構即為本發明所指的齒輪扭矩轉化器。為解決上述技術問題，本發明齒輪扭矩轉化器所采用的技術方案為該齒輪扭矩轉化器包括有主動軸、機軸、以及主動軸和機軸之間的齒輪系，主動軸和機軸分別為力扭矩轉化的 輸入及輸出軸；所述主動軸及機軸可為一根或多根，各主動軸與相應的機軸之間設有包含不 完全齒輪的兩個齒輪系，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等；每根主動軸通過不完全齒輪與 這兩個齒輪系交替嚙合；機軸可以選用為所述齒輪系中任意一條從動軸。(為以下敘述方便， 在此定義本方案的齒輪扭矩轉化器為"軸齒輪扭矩轉化器"。)上述主動軸和機軸間的包含不完全齒輪的齒輪系的具體結構和形式，可根據齒輪系嚙合 的一般常識自由構建，并不拘于某一固定形式。齒條作為直徑為無限大的齒輪的特例，應用于上述方案作為主動軸齒輪時，形成的齒輪扭矩轉化器在此定義為"齒條齒輪扭矩轉化器"。齒條齒輪扭矩轉化器的具體結構可以為 每根主動軸上設有一對齒條，該兩根齒條為齒背齒并聯固接，或為齒并齒固接；所述兩個齒 輪系各自通過不完全齒輪固定地與其中的一根齒條交替嚙合。應用上述齒輪扭矩轉化器的往返活塞動力機的技術方案為 (1)、應用有上述軸齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機(以下簡稱為"軸齒輪齒返動力機")，包括氣缸、活塞，和與之相連的齒輪扭矩轉化器，齒輪扭矩轉化器包括有主動軸、機軸、以及主動軸和機軸之間的齒輪系，主動軸和機軸分別為力扭矩轉化的輸入及輸出軸；所述主動軸及機軸可為一根或多根，各主動軸與相應的機軸之間設有包含不完全齒輪的兩個齒輪系，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等；每根主動軸通過不完全齒輪與這兩個齒輪系交替嚙合；機軸可以選用為所述齒輪系中任意一條從動軸。上述應用有本發明軸齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機，其氣缸為弧筒狀；齒 輪扭矩轉化器的主動軸位于弧筒狀氣缸的圓心；主動軸直接與活塞連接、或通過齒條或活塞 連接件與活塞連接；該齒條或活塞連接件具有與氣缸壁相適應的弧度，可隨活塞在氣缸內作弧線往返運動(記為代號H)。利用齒輪扭矩轉化器內部不完全齒輪間斷嚙合、間斷傳動的特 性，活塞受到的氣體推力，通過主動軸及不完全齒輪系，轉化為機軸上的定向旋轉驅動力。 如上所述的弧筒狀氣缸，還可具體采用如下兩種結構1) 氣缸缸體為一體固定式。主動軸通過活塞連接件與活塞連接，此時活塞連接件為L 狀，其連接活塞側具有與氣缸壁相適應的弧度。2) 氣缸缸體為部分固定式所述氣缸缸體由距離主動軸較遠的外缸體和與活塞固接并 通過活塞連接件與主動軸連接的內缸體組成。在動力機工作的過程中，固接在一起的活塞、 內缸體及活塞連接件，在弧形氣缸內以主動軸為圓心作弧線往返運動，再由軸齒輪扭矩轉化 器將燃氣對活塞的推力轉化為機軸扭矩。(2)、應用有上述齒條齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機(以下簡稱為"齒條齒返動力機")，其結構特征為齒輪扭矩轉化器主動軸上的齒輪直徑為無限大，即齒條。具體為每根主動軸上設有一對齒條，即兩根齒條為齒背齒并聯固接，或為齒并齒固接; 所述兩個齒輪系各自通過不完全齒輪固定地與其中的一根齒條交替嚙合。上述應用有本發明齒條齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機，其氣缸為弧筒狀或 直筒狀(直筒實為直徑為無限大的弧筒)；齒輪扭矩轉化器的齒條與活塞直接連接形成活塞 一齒條組件，且所述齒條與具有與氣缸壁相適應的弧度。工作狀態下，受燃氣推動的活塞一齒條組件，在直筒狀的氣缸內做直線往返運動(記為 代號Z),或采用弧形齒條在弧筒狀氣缸內作弧線往返運動。利用齒輪扭矩轉化器內部不完 全齒輪間斷嚙合、間斷傳動的特性，活塞受到的氣體推力，通過齒條及不完全齒輪系，轉化 為機軸上的定向旋轉驅動力。應用上述齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機包括內燃機和蒸汽機。根據以上所述技術方案及措施，本發明齒輪傳動往返活塞動力機的氣缸可以做成弧筒狀 或者螺旋筒狀，活塞及連接件做成與氣缸內空間相適應的弧狀或者螺旋狀，并且，可以根據 需要將數量不同的氣缸、活塞、連接件自行組合成多種結構、多缸的動力機。由于主動軸位 于弧筒狀氣缸的圓心，弧筒狀氣缸體是以主動軸為圓心的圓弧或圓，若用"圓"代表"弧 筒狀氣缸體"，用"接"代表"活塞連接件"，用"缸"代表"氣缸"，用"塞"代表"活 塞"，齒返動力機的結構有很多種，例如n(n為自然數)圓n接n缸n塞，n圓n接n缸 2n塞，n圓n接2n缸n塞，n圓n接2n缸2n塞，n圓2n接n缸2n塞，n圓2n接2n缸2n 塞，n圓n接4n缸2n塞，等等。氣缸體有全固定氣缸體及部分固定部分旋轉的氣缸體；活 塞可作弧線往返運動及直線往返運動，多個活塞間的運動配合有同步配合及異步配合。本發明齒輪傳動往返活塞動力機的優點和積極效果為一、 本發明齒輪傳動往返活塞動力機用作內燃機時，由于采用齒輪取代連桿曲軸將燃氣 對活塞的推力轉化為機軸扭矩，不論是活塞繞軸旋轉往返運動亦或者是活塞直線往返運動的 情形，均可使得1、 燃氣推力轉化成機軸扭矩呈正比關系，挽救了連桿曲軸靠近兩個活塞止點的扭矩損 失，并且還消除連桿將活塞緊壓在氣缸上的巨大摩擦損失，從而大幅度提高了力轉化機構的 機械效率及整機的有效熱效率。2、 活塞行程可以任意選擇，以使燃料燃燒效率和有效熱效率得到提高，減少不完全燃 燒物的排放，減少噪聲污染和熱污染。3、 由于齒輪傳動往返活塞內燃機的機械效率、燃料燃燒效率、有效熱效率都比連桿曲 軸內燃機大幅度提高，因此，同樣耗油量下的有效功率比連桿曲軸內燃機大幅度提高。也就 是說，同樣功率的內燃機，齒輪傳動往返活塞內燃機能大幅度節能減排。4、 齒返內燃機體積小、重量輕、功率大，單位功率的重量和體積很小。5、 齒輪傳動往返活塞內燃機僅用齒輪扭矩轉化器撤換曲軸連桿力轉化機構，其它成熟 內燃機技術能全盤使用，便于迅速升級，容易實施。二、 用本發明的齒輪傳動往返活塞動力機作為蒸汽機時，體積較小、功率大，機械效率 很高，摩擦損失和無用功損失很小，可使蒸汽機在一個絕熱系統中工作，用壓縮機負壓排汽， 既增加功率，又循環用汽，節水省熱，大幅度提高有效熱效率，污染小，使蒸汽機的適用范 圍增加。


圖1為本發明齒輪扭矩轉化器的第一種實施方式的結構示意圖。(軸齒輪扭矩轉化器 采用一條主動軸)圖2為本發明齒輪扭矩轉化器的第二種實施方式的結構示意圖。(軸齒輪扭矩轉化器 采用雙主動軸)圖3為本發明齒輪扭矩轉化器的第三種實施方式的結構示意圖。(軸齒輪扭矩轉化器 采用錐齒輪傳動)圖4為圖1的齒輪扭矩轉化器通過齒條連接活塞進行實施的結構示意圖。 圖5為圖4所示的齒輪扭矩轉化器實施方式的結構側視圖。圖6為一種無氣缸底的GH 二 n-2n-n-2n齒返內燃機剖面示意圖。 圖7為一種有氣缸底的GH 二 n-n-n-n齒返內燃機剖面示意圖。 圖8為一種有氣缸底的GH 二 n-2n-2n-2n齒返內燃機剖面示意圖。 圖9為一種有氣缸底的GH 二 n-n-2n-2n齒返內燃機剖面示意圖。圖10為一種有氣缸底的固旋缸1圓齒返內燃機連接件與活塞關系示意圖。圖11為一種無氣缸底的固旋缸1圓齒返內燃機連接件與活塞關系示意圖。圖12為一種有氣缸底的GXH 二 n-n-2n-n齒返內燃機剖面示意圖。圖13為一種無氣缸底的GXH 二 n-2n-2n-2n齒返內燃機剖面示意圖。圖14為一種有氣缸底的GXH四n-n-4n-2n齒返內燃機剖面示意圖。圖15本發明齒輪扭矩轉化器的第四種實施方式的結構示意圖。(齒條齒輪扭矩轉化器雙齒條采用齒背齒并聯固接結構)圖16為本發明齒輪扭矩轉化器的第五種實施方式的結構示意圖。(齒條齒輪扭矩轉化器雙齒條采用齒并齒固接式結構并應用了錐齒輪傳動)圖17為本發明齒輪扭矩轉化器的第六種實施方式的結構示意圖。(齒條齒輪扭矩轉化器采用n對齒條)圖18為一種采用弧筒狀氣缸的齒條齒返內燃機剖面示意圖。圖19為一種GZ四2n-2n-2n齒條齒返內燃機剖面示意圖。(使用圖15的齒輪扭矩轉化器)圖20為一種GZ 二 2n-2n-2n齒條齒返內燃機剖面示意圖。(使用圖16的齒輪扭矩轉化器)圖21為一種GZ 二 2n-2n-2n齒條齒返蒸汽機簡圖。 附圖標記說明0~ l-3-6—-機軸， -齒輪， -氣缸， 」氣門塞，O'-2—-主動軸l，0210-13--齒條， -壓縮機37-11一不完全齒輪l， ——旋轉氣缸壁， ——進氣門， ——貯氣室， 14——鍋爐。2' 4— 8—-主動軸2， ——不完全齒輪2 -活塞， 5— -噴油嘴， 9—-活塞連接件， -氣缸底，12——自動控制閥，氣缸中的散在點表示氣缸內的燃燒氣體，虛線及箭頭表示氣體流動方向。實線及箭頭表 示運動方向。
具體實施方式
(一)齒輪扭矩轉化器的實施 1、軸齒輪扭矩轉化器的實施圖1~圖3分別是采用采用單主動軸、雙主動軸(采用軸外套軸的方式)以及應用錐齒輪傳動的三種軸齒輪扭矩轉化器的結構示意圖，如圖所示，軸齒輪扭矩轉化器由n條主動軸 如O，和02、機軸O、以及各主動軸與機軸間的2個共2n個包含不完全齒輪的齒輪系組成，每條主動軸交替與傳動比絕對值相等的兩個齒輪系嚙合通過不完全齒輪進行嚙合；這兩個齒 輪系的傳動比絕對值相等。主動軸和機軸分別為力扭矩轉化的輸入及輸出軸；機軸可以選用 為齒輪系中任意一條從動軸。從圖中可以見到，由于兩個齒輪系的齒輪外嚙合次數同是奇數或偶數，因此兩條從動軸 上的不完全齒輪2、 2'反向連續旋轉。當燃氣驅使主動軸齒輪推動不完全齒輪2轉動到齒輪 嚙合終點時，不完全齒輪2'與主動軸的齒輪進入嚙合狀態，燃氣驅使主動軸反向轉動，到 不完全齒輪2'與主動軸的齒輪嚙合終點，不完全齒輪2與主動軸的齒輪進入嚙合狀態而再 次被燃氣驅動主動軸反轉而反向轉動，由于傳動比相等，每次反轉，主動軸都轉回起始位置， 把燃氣的推力通過齒輪系轉化為與機軸轉動方向相同的扭矩。齒輪扭矩轉化器主動軸上的齒輪，交替與傳動比絕對值相等的兩個齒輪系嚙合通過不完 全齒輪進行嚙合，所以，主動軸上的齒輪，可為完全齒輪，也可為不完全齒輪(如圖3所示)。顯然，主動軸和機軸間的包含不完全齒輪的齒輪系的具體結構和形式，可根據齒輪系嚙 合的一般常識自由構建，并不拘于某一固定形式。顯然，齒輪扭矩轉化器中所用的完全齒輪，可為圓柱齒輪或錐齒輪。2、齒條齒輪扭矩轉化器的實施圖15~圖17列出了齒條齒輪扭矩轉化器的幾種實施方式的結構示意圖。如圖15~16所示， 齒條齒輪扭矩轉化器由齒條IO，機軸0，以及齒條10和機軸0之間的、包含有齒輪l、不完 全齒輪2和2'、以及從動輪等的兩個齒輪系構成。齒條10和機軸在此分別作為齒輪扭矩轉 化器的力輸入和輸出部件。機軸可以選用齒輪系中任意一條或幾條從動軸充當。齒輪扭矩轉化器主動軸上的齒輪，交替與傳動比絕對值相等的兩個齒輪系嚙合通過不完 全齒輪進行嚙合。對齒條而言，是兩段不同的齒條與上述兩個齒輪系交替嚙合。圖15中，齒條齒輪扭矩轉化器的齒條10由兩根齒條齒背齒固接而成，齒條上的輪齒固 定地與各自對應齒輪系上的不完全齒輪進行交替嚙合。圖16中，齒條齒輪扭矩轉化器的齒條10由兩根齒條齒并齒固接而成，并且，應用錐齒 輪傳動。齒條上的輪齒固定地與各自對應齒輪系上的不完全齒輪進行交替嚙合。圖17為采用n (n為自然數)對齒條的齒條齒輪扭矩轉化器的結構示意圖，可將n對氣 缸的燃氣推力轉化為機軸扭矩。如圖所示，各對齒條與機軸之間組成2n個齒輪系，即各齒 條通過不完全齒輪與對應的齒輪系交替嚙合，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等。如圖15~圖17，固接的每對齒條10與機軸之間構成兩個外嚙合次數同是奇數或者偶數 的齒輪系，兩個齒輪系傳動比絕對值相等，交替與齒條嚙合。當齒條10到達止點，待嚙合 的不完全齒輪2'進入齒條嚙合位置時，已嚙合的不完全齒輪2脫離嚙合，在壓縮空氣、燃氣推動下，活塞-齒條組件以極大的加速度趕上、推動待嚙合的不完全齒輪2'，驅使不完全 齒輪2'將扭矩轉化到機軸0。在這個過程中，齒條與不完全輪齒可能產生撞擊，但是由于輪齒嚙合間隙小，齒條與不完全齒輪運動方向相同，并且兩個輪齒的速度有一個銜接過程，輪齒配合得當，齒輪撞擊輕微或者可以避免。當齒條io到達另一個止點時又重復這個過程，使兩個不完全齒輪2和2'在機軸0旋轉過程中交替嚙合齒條10。由于機軸的兩個齒系，外 嚙合次數同是奇數或者偶數，因此兩個不完全齒輪2和2'轉動方向相反，能夠將活塞-齒 條交替反向的推力轉化為機軸旋轉方向相同的扭矩。因為兩個齒系傳動比絕對值相等，因此 活塞一齒條作行程相等的直線或弧線往返運動。(二)、齒輪扭矩轉化器在齒輪傳動往返活塞動力機中的應用-應用齒輪扭矩轉化器的往返活塞動力機包括內燃機和蒸汽機。圖6 14及圖18~21為選用有如圖1~3或圖15~17所示的齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往 返活塞動力機的部分實施例的結構圖圖6 14中，氣缸為弧筒狀，可選用如圖1 3所示的齒輪扭矩轉化器；齒輪扭矩轉化器 的主動軸0,和02位于弧筒狀氣缸的圓心；主動軸直接與活塞4連接，或通過齒條10(參見 圖4及圖5)或者活塞連接件5與活塞4連接；活塞連接件5具有與氣缸壁3相適應的弧度， 可隨活塞在氣缸內作弧線往返運動。利用齒輪扭矩轉化器內部不完全齒輪間斷嚙合、間斷傳 動的特性，活塞4受到的氣體推力，通過主動軸及不完全齒輪系，轉化為機軸0的定向旋轉 驅動力。圖6~9所示的齒輪傳動往返活塞動力機，氣缸缸體3為一體固定式，主動軸通過活塞連 接件與活塞連接，此時活塞連接件5為L狀，其連接活塞側具有與氣缸壁相適應的弧度，可 隨活塞在氣缸內作弧線往返運動。圖10 14所示的齒輪傳動往返活塞動力機的氣缸缸體為部分固定式，氣缸缸體由距離主 動軸較遠的外缸體3和與活塞4固接并通過活塞連接件5與主動軸0，和02連接的內缸體3' 組成。在動力機工作的過程中，固接在一起的活塞4、內缸體3'及活塞連接件5，在弧形 氣缸內以主動軸為圓心作弧線往返運動，再由軸齒輪扭矩轉化器將燃氣對活塞的推力轉化為 機軸扭矩。圖18~21的齒輪傳動往返活塞動力機中，選用如圖15 17所示的齒輪扭矩轉化器氣 缸3為弧筒狀(如圖18)或直筒狀，齒條10與活塞4直接連接形成活塞一齒條組件，且所 述齒條10與具有與氣缸壁相適應的弧度(在圖18中，即采用了弧形齒條)。工作狀態下， 受燃氣推動的活塞一齒條組件，在直筒狀的氣缸內做直線往返運動，或采用弧形齒條在弧筒 狀氣缸內作弧線往返運動。利用齒輪扭矩轉化器內部不完全齒輪間斷嚙合、間斷傳動的特性， 活塞4受到的氣體推力，通過齒條10及包含不完全齒輪2和2'的齒輪系，轉化為機軸O上的定向旋轉驅動力。齒條齒返動力機及軸齒輪齒返動力機的具體實施根據本發明釆取的方案及措施，氣缸活塞工作有二沖程、四沖程，適用于內燃機，也適 用于蒸汽機，可以根據需要構成許多種類型的動力機。鑒于篇幅，把全固定氣缸體簡稱固缸 (代號G),部分固定部分旋轉的氣缸體簡稱固旋缸(代號GX)，活塞作弧線往返運動(代號 H)，活塞作直線往返運動(代號Z)，在此僅以固缸弧線往返二沖程n圓2n接n缸2n塞(代 號GH二n-2n-n-2n)齒返內燃機(圖6)、固缸弧線往返二沖程n圓n接n缸n塞(代號 GH二n-n-n-n)齒返內燃機(圖7)、固缸弧線往返二沖程n圓2n接2n缸2n塞(代號GH 二 n-2n-2n-2n)齒返內燃機(圖8)、固缸弧線往返二沖程n圓n接2n缸2n (代號GH 二 n-n-2n-2n)齒返內燃機(圖9)、固旋缸弧線往返二沖程n圓n接2n缸n (代號GXH四 n-n-2n-n)齒返內燃機(圖12)、固旋缸弧線往返二沖程n圓2n接2n缸2n (代號GXH 二 n-2n-2n-2n)齒返內燃機(圖13)、固旋缸弧線往返四沖程n圓n接4n缸2n (代號GXH 四n-n-4n-2n)齒返內燃機(圖14)、固缸直線往返四沖程2n齒條2n缸2n塞(代號GZ 四2n-2n-2n)齒返內燃機(圖19)，固缸直線往返二沖程2n齒條2n缸2n塞(代號GZ 二 2n-2n-2n)齒返內燃機(圖20)，弧線齒返蒸汽機、固缸直線往返2n齒條2n缸2n塞(代 號GZ二 2n-2n-2n)齒條齒返蒸汽機(圖21)為代表作實施介紹。1、齒條齒返動力機具體實施舉例1 ) GZ四2n-2n-2n (即固缸直線四沖程2n齒條2n缸2n塞)齒條齒返內燃機 圖19是GZ四2n-2n-2n齒條齒返內燃機的縱剖面簡圖。如圖所示，氣缸3為直氣缸， 活塞4與齒條10聯接；齒條10由兩根齒條齒背齒并聯固接而成，齒條上的輪齒固定地與各 自對應齒輪系上的不完全齒輪進行交替嚙合。氣缸都安置氣缸底9，并在氣缸底9上安置配 氣系統、供油系統。燃氣推動活塞一齒條作直線運動，由齒條齒輪扭矩轉化器(參見圖15) 將直線運動轉化為機軸0的單向轉動。當采用4齒條4氣缸體共機軸結構時，即形成GZ四4-4-4型(即4齒條4缸4活塞 四沖程直線)齒返內燃機。其工作過程是l個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒條 齒輪扭矩轉化器換檔，噴油嘴8向第1氣缸中的壓縮空氣噴油，燃油爆炸，推動活塞4和齒 條10直線運動，齒輪扭矩轉化器將活塞受到的推力轉化為與機軸轉動方向相同的扭矩驅動 機軸轉動。在第l氣缸做功的同時，第2氣缸為排氣沖程，第3氣缸為進氣沖程，第4氣缸 為壓縮沖程。四個氣缸的沖程同時完成，以后做功按照4-3-2-l氣缸的程序依次反復循環。 2) GZ二2n-2n-2n(g卩固缸直線二沖程2n齒條2n缸2n塞)齒條齒返內燃機 圖20是GZ二2n-2n-2n齒條齒返內燃機的縱剖面簡圖。如圖所示，氣缸3為直氣缸，活塞4與齒條10聯接，齒條10由兩根齒條齒并齒固接而成；氣缸都安置氣缸底9，并在氣 缸底安置配氣系統、供油系統。燃氣推動活塞一齒條作直線運動，由齒條齒輪扭矩轉化器(參 見圖16)將直線運動轉化為機軸0的單向轉動。當采用4齒條4氣缸體共機軸時，即形成GZ二 4-4-4型(即4齒條4缸4活塞二沖 程直線)齒返內燃機。為了便于表達做功過程，將每一個活塞行程從壓縮止點到排氣止點分 為四程，1—3程為做功程，4程為排氣程，那么，活塞在1程初、2程末、4程末和活塞反 回到2程末時都有一個氣缸開始做功，每個氣缸的壓縮沖程都有氣缸在做功，使機軸在轉動 過程中始終有氣缸在做功，比較均衡地輸出功率。相比之下，四缸四沖程曲軸連桿內燃機對 機軸的功率輸出是間斷的，并且輸出的扭矩也小得多。顯然，GZ四2n-2n-2n、 GZ 二 2n-2n-2n內燃機的結構很接近現在汽車使用的曲軸連桿 內燃機，其差別主要是燃氣對活塞的推力轉化為機軸扭矩，前者用齒條齒輪轉化，后者用 曲軸連桿轉化，不用贅述，前者機械效率比后者高得多。其次是前者可以設計到最佳的活 塞行程，以便獲得最佳燃燒效率和最佳有效熱效率，后者的活塞行程卻被限制為缸徑的2倍 左右，難以選擇最佳燃燒效率和最佳有效熱效率的行程。所以，GZ四2n-2n-2n、GZ二2n-2n-2n 內燃機的機械效率、燃燒效率、有效熱效率都要比曲軸連桿四沖程內燃機高得多。另外，前 .者內燃機形狀扁平，占空間很小，安置于軸上方不影響車輛裝載。3)、齒條齒返蒸汽機的實施圖21為GZ 二 2n-2n-2n (即固缸直線二沖程2n齒條2n缸2n塞)型齒條齒返蒸汽機 的結構簡圖。如圖所示，齒條齒返蒸汽機主要由氣缸3、活塞4、齒輪扭矩轉化器(參見圖 15)、貯氣室ll、自動控制閥12、壓縮機13、鍋爐14等部分組成。氣缸為直氣缸，活塞一 齒條在直氣缸3內直線滑動；齒條齒輪扭矩轉化器將活塞受到蒸氣的推力轉化為與機軸轉動 方向相同的扭矩驅動機軸O。假如水蒸汽的溫度是50(TC左右，GZ 二 2-2-2蒸汽機工作過程是自動控制閥12使第 二氣缸排氣閥打開，第一氣缸進汽閥打開，鍋爐14提供的蒸汽推動活塞4，活塞行程達設 定值時進氣閥關閉，讓蒸汽膨脹做功，做功沖程結束時蒸汽溫度接近10(TC。在第一氣缸做 功的同時，第二氣缸排氣閥打開，進氣閥關閉，第二氣缸進行排氣沖程，直到第二氣缸活塞 到達排氣止點，排氣閥關閉，進氣閥打開，重復第一氣缸的做功過程。在排氣過程中，壓縮 機12使排氣道和排氣的氣缸處于負壓，活塞運動阻力減小，增加蒸汽機的功率和效率。2、軸齒輪齒返動力機具體實施舉例1)、 GH二n-2n-n-2n (gp:固缸弧線二沖程n圓2n接n缸2n塞)齒返內燃機 圖6是GH二n-2n-n-2n齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖示，在一個氣缸3內安置兩個 活塞4，兩個活塞通過兩個活塞連接件5與齒輪扭矩轉化器(參見圖2)的兩條主動軸O,、02固接，噴油嘴8及氣門塞6設置在氣缸壁上。活塞連接件5為L狀，其連接活塞側具有與 氣缸壁相適應的弧度。在配氣系統、供油系統的配合下，爆炸氣體推動兩個活塞4向相反的 方向轉動，形成雙往返活塞內燃機。兩個活塞將兩個反向的燃氣推力轉化為兩條主動軸的兩 個相反方向的扭矩，再由齒輪扭矩轉化器轉化為兩個與機軸轉動方向相同的扭矩同時驅動機 軸0。以GH二l-2-l-2齒返內燃機為例，其工作過程是兩個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖 程完成，齒輪扭矩轉化器換檔，噴油嘴8向氣缸中壓縮空氣噴油燃燒，推動兩個活塞4向相 反方向繞軸轉動，連接件5將兩個活塞受到的推力轉化為主動軸0,、 02的扭矩，如圖9的 齒輪扭矩轉化器將兩條主動軸方向相反的扭矩轉化為方向相同的扭矩同時驅動機軸轉動。當 活塞轉動臨近進氣門7，排氣門的氣門塞6打開，完成做功沖程。活塞轉動超過進氣門7時， 新鮮空氣進入氣缸，掃出氣缸內的廢氣，活塞到達換氣止點，齒輪扭矩轉化器換檔，齒輪扭 矩轉化器帶動兩個活塞往回轉動，氣缸繼續換氣，待活塞超過進氣門，進氣停止，繼續排氣， 到設定的氣缸容積，排氣門關閉，進入壓縮期。活塞繼續往回轉動，直到壓縮止點進入第二 做功循環。若采用2個圓的氣缸配合，可以做到兩缸交替做功，使氣缸在進入換氣、壓縮沖 程時也有氣缸做功。2)、 GH二n-n-n-n (即固缸弧線二沖程n圓n接n缸n塞)齒返內燃機圖7是GH二n-n-n-n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖示，氣缸為弧筒形，主動軸位 于弧筒形氣缸的中心，活塞4通過連接件5與主動軸固接。氣缸安置氣缸底9，并在氣缸底 安置配氣系統、供油系統。單圓單缸或雙圓雙缸工作時采用圖1所示的單主動軸扭矩轉化器。 雙圓雙缸以上配合工作采用圖2所示的雙主動軸齒輪扭矩轉化器或多主動軸的齒輪扭矩轉 化器，將活塞受到的燃氣推力轉化為機軸的扭矩。單氣缸結構時的工作過程是活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪扭矩轉化器換 檔，噴油嘴8向氣缸中的壓縮空氣噴油爆炸，推動活塞4繞軸轉動，連接件5將活塞受到的 推力轉化為主動軸的扭矩，如圖8的齒輪扭矩轉化器將主動軸的扭矩轉化為與機軸轉動方向 相同的扭矩。當活塞轉動到進氣門7邊緣，排氣門的氣門塞6打開，完成做功沖程。活塞轉 動超過進氣門7，新鮮空氣進入氣缸，氣缸內的廢氣從排氣門排出。活塞到達換氣止點后， 齒輪扭矩轉化器換檔，齒輪扭矩轉化器帶動活塞往回轉動，氣缸繼續換氣，活塞超過進氣門 7，進氣停止，繼續排氣，到設定的氣缸容積，排氣門關閉，進入壓縮期。活塞繼續往回轉 動，直到壓縮止點進入第二做功循環。如采用兩個同樣結構的的氣缸在同一條主動軸上配合， 用圖1的扭矩轉化器可以兩缸交替做功，使該氣缸體在換氣壓縮沖程都有氣缸做功。如四個 同樣結構的的氣缸活塞在兩條主動軸上配合，用圖2的扭矩轉化器，每一缸在做功到半途時 都有另一缸開始做功，使得機軸輸出的扭矩更均衡。3) 、 GH 二 n-2n-2n-2n (即固缸弧線二沖程n圓2n接2n缸2n塞)齒返內燃機圖8是GH 二 n-2n-2n-2n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖示，在一圓兩個氣缸3內安 置兩個活塞4，由兩個連接件5將活塞4與主動軸0" Oz固接，2個氣缸都安置氣缸底9， 并在氣缸底9安置配氣系統、供油系統。工作過程2個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪扭矩轉化器換檔，噴油嘴8 向2個氣缸中的壓縮空氣噴油爆炸，推動2個活塞繞主動軸轉動，連接件5將活塞受到的推 力轉化為2條主動軸的扭矩，如圖2的齒輪扭矩轉化器將兩條主動軸的扭矩轉化為與機軸轉 動方向相同的扭矩。當活塞轉動到進氣門7邊緣，排氣門的氣門塞6打開，完成做功沖程。 活塞轉動超過進氣門7，新鮮空氣進入氣缸，氣缸內的廢氣從排氣門排出，活塞到達換氣止 點，齒輪扭矩轉化器換檔，齒輪扭矩轉化器帶動活塞往回轉動，氣缸繼續換氣，活塞超過進 氣門，進氣停止，繼續排氣，到設定的氣缸容積，排氣門關閉，進入壓縮期。活塞繼續往回 轉動，直到壓縮止點進入第二做功循環。兩圓配合，可以兩圓交替做功，使兩圓的氣缸在換 氣壓縮沖程有氣缸做功。4) 、 GH二n-n-2n-2n (即固缸弧線二沖程n圓n接2n缸2n塞)齒返內燃機 圖9是GH二n-n-2n-2n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖示， 一個圓安置兩個弧形氣缸， 一條連接件5將兩個活塞4與一條主動軸固接，氣缸都安置有氣缸底9，并在氣缸底安 置配氣系統、供油系統。1圓2缸或2圓4缸工作時扭矩轉化器使用圖1所示的單主動軸扭 矩轉化器。2圓2缸以上配合工作使用圖2所示的雙主動軸或多主動軸的齒輪扭矩轉化器， 將活塞受到的燃氣推力轉化為機軸的扭矩。將活塞連接件換為弧形齒條，即做成GH 二 n-2n-2n齒條齒返內燃機。工作過程 一個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪扭矩轉化器換檔，噴油嘴8 向氣缸中的壓縮空氣噴油爆炸，推動兩個活塞繞主動軸轉動，連接件5將活塞受到的推力轉 化為一條主動軸的扭矩，如圖1的齒輪扭矩轉化器將主動軸的扭矩轉化為與機軸轉動方向相 同的扭矩。做功活塞到達進氣門7邊緣時，做功缸排氣門的氣門塞6打開，完成做功沖程， 做功活塞轉動超過進氣門7，新鮮空氣進入氣缸，氣缸內的廢氣從排氣門排出。與此活塞做 功的同時，另一個活塞受同一個連接件的帶動，進行換氣一壓縮沖程換氣活塞隨做功活塞 的運動而往回轉動，超過氣門7，進氣停止，繼續排氣，到設定氣缸容積，排氣門關閉，進 入壓縮期;活塞繼續往回轉動，直到壓縮止點，圖1的齒輪扭矩轉化器換檔，進入做功沖程。 如此，兩個活塞交替做功，交替換氣、壓縮。當兩個圓用圖2的雙主動軸扭矩轉化器，令活 塞轉動不同步，可以在每個活塞做功行程達到一半時有另一個活塞開始做功，使機軸能連續 輸出較均衡的扭矩。5) 、 GXH二n-n-2n-n (gp:固旋缸弧線二沖程n圓n接2n缸n塞)齒返內燃機圖12是GXH 二 n-n-2n-n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。該氣缸為部分固定式如圖10 所示，外缸體3固定，內缸體3，與活塞4及活塞連接件5固接。如圖12所示， 一圓一個 活塞4將一個弧形氣缸分隔為兩個獨立的氣缸，兩個氣缸都安置氣缸底9，并在氣缸底安置 配氣系統、供油系統。活塞4與轉動的氣缸壁3'、連桿5、主動軸02固接。可采用n個圓 的氣缸配合工作，由齒輪扭矩轉化器較均衡地將活塞受到的燃氣推力轉化為機軸轉動方向的 扭矩驅動機軸。2個圓的工作過程是l個圓的活塞4到達一個氣缸的壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪 扭矩轉化器換檔，噴油嘴8向氣缸中的壓縮空氣噴油爆炸，推動活塞繞主動軸轉動，活塞連 接件5將活塞受到的推力轉化為1條主動軸的扭矩，齒輪扭矩轉化器將主動軸的扭矩轉化為 與機軸轉動方向相同的扭矩。在一個氣缸開始做功的同時，同圓的另一個氣缸進入壓縮沖程。 與此同時，另一個圓的一個氣缸進入吸氣沖程，另一個氣缸進入排氣沖程。如此，2個圓4 個氣缸2個活塞用一條主動軸同時完成四個沖程，另一條主動軸也可以固接2個圓4個氣缸 2個活塞，讓八個氣缸不同步地完成四個沖程， 一個如圖9的兩主動軸齒輪扭矩轉化器就可 以讓4個圓8個氣缸四沖程做功，每個活塞做功到行程一半就有另一個氣缸開始做功，使機 軸0較均勻地連續輸出很大的功率。6) 、 GXH 二 n-2n-2n-2n (g|l:固旋缸弧線二沖程n圓2n接2n缸2n塞)齒返內燃機圖13是GXH二n-2n-2n-2n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖所示，在橫剖面為圓形的 弧筒形氣缸內安置2個活塞將圓氣缸分隔為2個獨立的氣缸。如圖11的氣缸橫截面示意圖所 示，該氣缸為部分固定式，外缸體3固定，內缸體3'與活塞4及活塞連接件5固接。兩個 活塞分別固接在兩部分轉動氣缸壁3'上，通過兩個連接件與兩條主動軸固接。爆炸氣體推 動兩個活塞4向相反的方向轉動，形成雙活塞弧線往返內燃機。齒輪扭矩轉化器將兩條主動 軸的兩個相反方向的扭矩，同時轉化為兩個與機軸轉動方向相同的扭矩驅動機軸0。一個圓的工作過程是兩個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪扭矩轉化器換檔， 噴油嘴8向兩個氣缸中之一氣缸的壓縮空氣噴油爆炸，推動兩個活塞4向相反方向繞軸轉動， 連接件5將活塞受到的推力轉化為主動軸0" 02的扭矩，如圖2的齒輪扭矩轉化器將兩條 主動軸方向相反的扭矩轉化為方向相同的扭矩同時驅動機軸轉動，機軸0具有比一條主動軸 轉化扭矩大一倍的扭矩。在兩個氣缸中之一氣缸開始做功的同時，之二氣缸的排氣門、進氣 門先后打開，廢氣排出，同時進氣、換氣，活塞轉動接近排氣門時，排氣門、進氣門先后關 閉，進入壓縮期。兩個活塞繼續受燃氣推動，直到壓縮止點，齒輪扭矩轉化器換檔，噴油器 向之二氣缸噴油，進入之二氣缸做功、之一氣缸排氣、換氣、壓縮的循環。7) 、 GXH四n-n-4n-2n (即固旋缸弧線四沖程n圓n接4n缸2n塞)齒返內燃機圖14是GXH四n-n-4n-2n型齒返內燃機的橫剖面簡圖。如圖示，該氣缸為部分固定式，外缸體3固定，內缸體3'與活塞4及活塞連接件5固接。1個活塞連接件將1個旋轉氣缸 內壁、2個活塞與1條主動軸固接，2個活塞將兩個弧形的氣缸分隔為4個獨立的氣缸，4 個氣缸都安置氣缸底，并在氣缸底安置配氣系統、供油系統。 一個圓的4個氣缸可以同時完 成做功、排氣、進氣、壓縮四個沖程，n個圓的氣缸配合工作，可以錯開做功，使機軸0較 均衡地輸出扭矩。一個圓的工作過程是兩個活塞4到達壓縮止點，壓縮沖程完成，齒輪扭矩轉化器換檔， 噴油嘴8向第1氣缸中壓縮空氣噴油爆炸，推動兩個活塞4繞主動軸轉動，連接件5將活塞 受到的推力轉化為主動軸的扭矩，如圖1的齒輪扭矩轉化器將主動軸的扭矩轉化為與機軸轉 動方向相同的扭矩驅動機軸轉動。在第1氣缸做功的同時，第2氣缸為排氣沖程，第3氣缸 為進氣沖程，第4氣缸為壓縮沖程。四個氣缸的沖程同時完成，以后做功按照4-3-2-1氣缸 的程序依次反復循環。2圓8氣缸，用圖2的齒輪扭矩轉化器，在每個活塞做功行程達到一 半時有另一個活塞開始做功，使機軸能連續輸出較均衡的扭矩。8)、弧線齒返蒸汽機如將弧線齒返內燃機去掉供油系統，將配氣系統改為蒸汽配氣系統，即成為弧線往返活 塞蒸汽機。弧線齒返蒸汽機主要由氣缸3，活塞4，連接件5，主動軸，齒輪扭矩轉化器，配氣系 統組成。活塞4在弧形氣缸3內弧形滑動活塞4通過連接件5與主動軸固接，氣缸都安置氣 缸底9，在氣缸底安置配氣系統，齒輪扭矩轉化器將活塞受到的蒸汽推力轉化為與機軸轉動 方向相同的扭矩驅動機軸0。例如水蒸汽溫度50(TC左右，GXH 二 1-1-2-1 (即固旋缸弧形二沖程1圓1接2缸1 塞)蒸汽機的工作過程是第二氣缸排氣閥打開，第一氣缸進汽閥打開，蒸汽推動活塞，行 程達設定容積時進氣閥關閉，讓蒸汽膨脹做功，做功沖程結束時蒸汽溫度接近10(TC，第一 氣缸排氣闊打開，第一氣缸進入排氣沖程。與此同時，第二氣缸排氣閥關閉進氣閥打開，第 二氣缸蒸汽做功，重復第一氣缸過程。由上述技術方案及實施例易知，本發明齒輪扭矩轉化器不但適用于往返活塞式動力機， 還可適用于往返活塞式壓縮機。
權利要求
1. 齒輪扭矩轉化器，包括有主動軸、機軸、以及主動軸和機軸之間的齒輪系，主動軸和機軸分別為力扭矩轉化的輸入及輸出軸，其特征在于主動軸及機軸為一根或多根，各主動軸與相應的機軸之間設有包含不完全齒輪的兩個齒輪系，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等；每根主動軸通過不完全齒輪與這兩個齒輪系交替嚙合；機軸可以選用為所述齒輪系中任意一條從動軸。
2、 如權利要求1所述的齒輪扭矩轉化器，其特征在于主動軸上的齒輪直徑為無限大， 即齒條。
3、 如權利要求2所述的齒輪扭矩轉化器，其特征在于每根主動軸上設有一對齒條， 該兩根齒條為齒背齒并聯固接，或為齒并齒固接；所述兩個齒輪系各自通過不完全齒輪固定 地與其中的一根齒條交替嚙合。
4、 齒輪傳動往返活塞動力機，包括氣缸、活塞，和與之相連的齒輪扭矩轉化器，齒輪 扭矩轉化器包括有主動軸、機軸、以及主動軸和機軸之間的齒輪系，主動軸和機軸分別為力 扭矩轉化的輸入及輸出軸，其特征在于主動軸及機軸可為一根或多根，各主動軸與相應的 機軸之間設有包含不完全齒輪的兩個齒輪系，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等；每根主動 軸通過不完全齒輪與這兩個齒輪系交替嚙合；機軸可以選用為所述齒輪系中任意一條從動 軸。
5、 如權利要求4所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于氣缸為弧筒狀；齒輪 扭矩轉化器的主動軸位于弧筒狀氣缸的圓心；主動軸直接與活塞連接、或通過齒條或活塞連 接件與活塞連接；該齒條或活塞連接件具有與氣缸壁相適應的弧度。
6、 如權利要求5所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于所述氣缸缸體為一體 固定式；所述活塞連接件為L狀，其連接活塞側具有與氣缸壁相適應的弧度。
7、 如權利要求5所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于所述氣缸缸體由距離 主動軸較遠的外缸體和與活塞固接并通過連接件與主動軸連接的內缸體組成。
8、 如權利要求4所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于主動軸上的齒輪直徑 為無限大，即齒條。
9、 如權利要求8所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于每根主動軸上設有一 對齒條，兩根齒條為齒背齒并聯固接，或為齒并齒固接；所述兩個齒輪系各自通過不完全齒 輪固定地與其中的一根齒條交替嚙合。
10、 如權利要求9所述的齒輪傳動往返活塞動力機，其特征在于氣缸為弧筒狀或直筒狀；齒輪扭矩轉化器的齒條與活塞直接連接，且所述齒條與具有與氣缸壁相適應的弧度。
全文摘要
本發明公開了一種齒輪扭矩轉化器以及應用有該齒輪扭矩轉化器的齒輪傳動往返活塞動力機。該齒輪扭矩轉化器，包括有主動軸、機軸、以及主動軸和機軸之間的齒輪系，主動軸和機軸分別為力扭矩轉化的輸入及輸出軸；該主動軸及機軸可為一根或多根，各主動軸與相應的機軸之間設有包含不完全齒輪的兩個齒輪系，這兩個齒輪系的傳動比絕對值相等；每根主動軸通過不完全齒輪與這兩個齒輪系交替嚙合；機軸可以選用為所述齒輪系中任意一條從動軸。應用本齒輪扭矩轉化器的往返活塞動力機，能大幅度提高了力轉化機構的機械效率及整機的有效熱效率，減少不完全燃燒物的排放，減少噪聲污染和熱污染，并且便于利用現有成熟動力機技術，升級簡便，容易實施。
文檔編號F16J10/00GK101270801SQ20081007351
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月31日 優先權日2008年3月31日
發明者耕 黎 申請人:耕 黎