專利名稱：用于將線性往復運動轉換成轉動的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可用于替代傳統(tǒng)曲柄機構的裝置，目的是將往復的線性運動轉換成轉動和將轉動轉換成往復的線性運動。
具體而言，本發(fā)明可被應用到往復容積式內燃機或壓縮機上，但其并非僅限于這些用途。
背景技術：
內燃機的傳統(tǒng)曲柄機構具有很多缺陷。
其中一個缺陷就是摩擦力，可將其簡單地表示成“Fia”，在活塞的滑動過程中，由連桿推力的反作用產生的摩擦力作用于活塞的側向表面和缸壁之間。
這樣就使所有類型的容積往復式發(fā)動機都會由于摩擦力產生的能量損耗而存在很大的效能下降，具體而言，兩沖程(兩個循環(huán))發(fā)動機需要消耗了大量的汽油(約2％)來保證良好的操作和滑動，而汽油的燃燒又會導致污染。
另一缺陷在于連桿作用于活塞上的翻轉力，這樣就要求活塞的長度必須能夠避免活塞咬缸。但是，長度的增加又會使重量和慣性增加，從而降低了效率。
如果能夠通過使用小缸徑和大沖程而得到一定的換氣容量，那么就可以顯著減輕該機構各個部件的重量，而且還能夠提高缸體的冷卻效率。傳統(tǒng)的曲柄機構在這方面具有一定的局限性，因為傳統(tǒng)的曲柄機構通常包括一個在運動過程中同時產生平移和振動的連桿，以防止其由于空間(結構)問題而移動到沖程的極限范圍之外。
本發(fā)明的一個目的在于依據一個完全不同的原理提供一種能夠將線性往復運動轉換成轉動并能夠將轉動轉換成線性往復運動的裝置，根據本發(fā)明的原理，連桿的一端將沿一條直線移動，而不是作旋轉運動。
本發(fā)明的另一目的在于當將其應用于內燃機上時，提供一種能夠克服上述現有技術中存在的缺陷的裝置。
具體而言，該裝置允許活塞將在燃燒室內產生的力更有效地傳遞給傳動軸，這是通過在每個循環(huán)中形成一個發(fā)動機動量圖表來完成的，這一點非常有利。因為發(fā)動機的功率是由角速度和扭矩的乘積瞬時確定的，因此可以知道整體功率將增加。
本發(fā)明的又一目的在于使用能夠執(zhí)行轉動并能夠通過其形狀而自動保持平衡的部件或組件，以得到用于將線性往復移動轉換為轉動的裝置。因此，該裝置不需要添加配重。即使旋轉以很高的rpm值在進行，也不會極大降低傳動軸的振動，而且其運動也極為平滑。

發(fā)明內容
本發(fā)明通過提供一種用于將線性往復運動轉化為轉動的裝置來實現上述目的，該裝置包括-一個連桿；-一個轉子，該轉子包括連桿的轉軸，而且還可通過一同步軸直接或間接輸出或輸入動力；-用于將轉動以下述方式施加到連桿和轉子上的裝置當連桿沿一個方向轉動一定的角度時，使轉子沿相反的方向轉動該角度的一半。
連桿的銷通過一桿與缸體的活塞相連接。該連桿銷將執(zhí)行線性或近似線性的往復運動。當其運動為線性時，該桿不必以一個鉸接接頭的形式與活塞相連接，但可以與活塞剛性連接。
因此，用于與活動部件相連接的所述桿也被叫做“柱塞”。
對于內燃機而言，該活動部件就是一個執(zhí)行往復線性運動的活塞。顯然，活塞的沖程遠大于活塞的直徑。這樣就可以根據作用在活塞上的力來選擇該裝置各個部件的尺寸，當然對于小缸徑、大沖程的換氣容量而言，作用于活塞上的力也較小。這樣，就可以減少發(fā)動機的重量。所述用于對連桿和轉子施加上述相對運動的裝置最好是齒輪。
根據權利要求2，通過將連桿安裝到冕形齒輪上，其中冕形齒輪或行星齒輪的節(jié)距圓直徑等于“配合”齒輪(具有內齒或外齒的齒圈)的節(jié)距圓直徑的一半，就可以使冕形齒輪或行星齒輪圍繞其軸線轉動一個角度2a。同時，轉子及行星齒輪的中心(或連桿的中心)將沿相反的方向圍繞轉子中心轉動一個角度a，而轉子可以是一個與發(fā)動機傳動軸直接或間接連接的轉動部件(當應用到內燃機上時)。
這樣，本發(fā)明的效果在于連桿將沿一條幾乎為線性的路線移動，而且所述路線最好為線性，假設根據權利要求6，兩個相互嚙合的齒輪(線性齒輪和配合齒輪或齒圈)的中心限定了一條線段，該線段的長度等于行星齒輪的轉動中心的軌跡半徑，該其軌跡半徑又完全等于連桿銷和行星齒輪(冕形齒輪)的中心之間的距離。
設置有齒輪的本發(fā)明之裝置還可使用具有外齒而不是內齒的“配合齒輪”或齒圈，如權利要求3和4所述。在這兩種情況下，配合齒輪的齒狀部分的直徑(節(jié)距圓的直徑)總是等于行星齒輪(行星齒輪的齒狀部分)直徑的兩倍。
根據權利要求7，根據本發(fā)明的構思設計的幾個相同類型的裝置可用于構成一種可將動力輸出給(收集到)傳動軸的機器上，而傳動軸又同時與裝置的不同轉子相嚙合。
可通過閱讀下面對本發(fā)明之最佳實施例的詳細說明而更加容易地理解本發(fā)明及其優(yōu)點。


現參照兩個在附圖中示出的最佳實施例來對本發(fā)明加以說明，但這只是說明性的，而不是對本發(fā)明的限制，其中附圖圖1為與傳統(tǒng)的曲柄機構相比，本發(fā)明之裝置的操作原理圖；圖2為由帶內齒的齒圈或配合齒輪、與連桿成一體的行星齒輪及連桿構成的部件在與活動部件的上死點(TDC)相對應的位置上的視圖，圖中示出了采用兩個齒輪的實施例；圖3為圖2所示之部件的另一視圖，圖中示出了行星齒輪的一個中間位置，而且從相對轉動的角度方面示出了操作原理的條件是如何得到滿足的，和連桿銷是如何沿一條直線(X軸)移動的；圖4為位于四個不同位置上的行星齒輪(冕狀齒輪)的移動順序；圖5示出了用一個圓盤替代連桿的應用情況，目的是在圓盤上形成多個銷，而這些銷的軌跡與“往復”線性軌跡彼此異相對應；圖6a為本發(fā)明第一實施例的視圖，該實施例尤其適用于執(zhí)行線性往復運動的活動部件具有較小行程的情況下；圖6b為圖6a所示的實施例的部件分解圖；
圖7為本發(fā)明第二實施例的剖視圖，該實施例尤其適用于在缸體內具有較大行程的活塞，而且配合齒輪或齒圈具有外齒的情況下。
具體實施例方式
本發(fā)明所依據的原理在于將傳統(tǒng)曲柄機構的臂劃分成兩個鉸接部分，并在運動過程中，使這兩個鉸接部分沿相反的方向轉動，而且一個部分的轉動量是另一部分轉動量的兩倍。為更好地說明該原理，在圖1中的左側示出了一個由一連桿和一曲柄構成的容積往復式發(fā)動機位于TDC(上死點)位置和一個一般位置上的情況，而在圖1的右側示出了相同的發(fā)動機，但其曲柄被劃分成兩個與線段OC和CB相對應的部分，這兩個部分在鉸接墊C處相互鉸接，而且在運動過程中，線段CB被迫圍繞鉸鏈C轉動一個兩倍于線段OC的轉動角度但方向相反。在這兩個視圖中，中心O表示傳動軸的軸線(或者是傳動軸的軸線與附圖平面的交點)。
對于這兩種情況而言，緊隨TDC位置的一個一般位置如圖1的頂部所示。在傳統(tǒng)的曲柄機構中，用于使活塞產生一定位移量s的曲柄銷B將沿半徑OB的圓形軌跡t移過一個角度a。根據本發(fā)明的結構，在活塞的位移s過程中，線段OC將圍繞軸線O順時針(逆時針)轉動一個角度b，而線段BC將圍繞鉸鏈C逆時針(順時針)轉動。
這種相對移動將使連桿銷(點B)產生一條幾乎為線性的軌跡，根據線段BC的長度是否大于或小于線段OC的長度(在圖1中，線段BC大于OC，而軌跡具有一個朝向右側的凸出部分，如圖所示)，其軌跡相對軸線XX有一個面朝右側或左側的略微凸出的部分。
顯然，如果OC＝CB，那么點B的軌跡將完全為線性，而且將通過中心O。對于該原理的實例而言，可以采用齒輪，這樣就允許在運動過程中通過其齒輪比實現本發(fā)明的原理，根據齒輪比的限制條件，當線段OC圍繞其中心O覆蓋一角度b時，線段CB將沿相反的轉動方向轉動一個兩倍于該轉角的角度。
對于合理的較短活塞行程而言，為使機械部件具有顯著的阻力，而采用一個以下述方式配置的具有內齒的配合齒輪或齒圈1和行星齒輪或冕狀齒輪3(見圖2)使齒圈的節(jié)距圓直徑兩倍于行星齒輪的節(jié)距圓直徑。
圖2示出了能夠使其相對移動產生所需往復運動的主要部件的結構。在該圖中，通過與圖1的右側相比，可以看出齒圈1的中心O1與點O對應，而行星輪3的中心O2與點C相對應，最后，與行星輪一體制成的連桿4由線段CB示意性地表示；點O3與點B相對應并“覆蓋”點T，即與在上死點TDC處，齒狀部分2、5的兩個節(jié)距圓彼此相切的點T重合。
現在可以想象我們迫使線段O1-O2圍繞點O1向右(順時針)轉動一個角度a，而齒圈1的位置總是處于同一平面內，如圖3所示。與齒圈1相嚙合的行星輪3也將由于其中心O2圍繞O1的轉動而相對軸線O2轉動，所述行星輪的轉動(角度)將與角度2a相對應(因為這兩個部件直徑的齒輪傳動比為2∶1)，而且將沿相反的方向(逆時針)轉動。與行星輪3一體制成的上述連桿4將轉動與后者的轉角相同的角度，從而再次沿圖2的軸線X移動其中心O3。
在圖4中示出了該裝置在轉動過程中可能經過的許多位置中的某些位置，為更好地說明位移的動力學原理，該圖還示出了與行程結束位置相對應的兩個位置S和I。我們注意到如果通過將與行星輪一體制成的圓盤固定到一個相對點O2轉動一定角度的一般位置O4上而用圓盤6來替代圖2的連桿4，如圖5所示，那么所述的點將在轉動過程中沿一個相對第一軌跡(X軸)傾斜一定角度的不同線性軌跡移動。
總之，可在圓盤6上圍繞該圓盤連接多個能夠線性往復運動并以任意的角度異相動作的活動部件。
這樣，為清楚起見，可以與其功能相一致的原則將線段AB(圖1)定義為“柱塞”，線段BC定義為“連桿”，將一缸體定義為“轉子”，其中缸體的軸線穿過O，而且該缸體還包含與附圖平面在點C相交的軸線。
圖6a示出了從多個可能的實施例中選出的第一實施例之剖視圖，當活塞的行程受到限制時，該第一實施例的裝置是最佳的。
圖6b示出了圖6a所示的同一實施例在略微變形后的部件分解透視圖。
在圖6a中，齒圈1被安裝在設置有蓋8的部件或機架7內。
半徑為R/2的行星輪3被安裝在轉子30內，而如圖6b所示的轉子30設置有一圓筒形的支座9。行星輪3的有齒部分5與配合輪或齒圈1嚙合，而齒圈1的內齒部分的半徑為行星輪3的半徑的兩倍(等于R)。
在圖6b中可以看到，圓筒形支座9具有一間斷部分，即，該支座沒有沿支座30的整個縱向延長部分延伸，從而使行星輪3的有齒部分5能夠與配合輪或齒圈1相互嚙合，而齒圈1的齒由附圖標記2表示。
還應該注意到，在圖6a中，半徑為R/2的行星輪設置有一個一體的輪轂11，該輪轂容納在轉子30的延伸部分內。
輪轂11被安裝在軸承或軸承銅襯(陰影部分)內。
行星輪3和轉子30還分別被軸承12或軸承銅襯13所支承。
由附圖標記10表示并鄰近壁8的轉子30的一部分可形成圖6b所示的變形結構中的齒輪，在這種結構中，所述齒輪14處于暴露狀態(tài)下(圖6a所示的上壁7已被省去)，而且可用于通過一個從多個裝置吸收和收集動力的同步軸(未示出)使如圖6b所示的同一類型的多個裝置同步工作。
圖6a所示的裝置的另一種變形結構在于(見圖6b)本發(fā)明的裝置關于連桿4的連桿銷15對稱設置，即本發(fā)明的裝置被“復制”，就是說可將另一個行星輪3’安裝到第二轉子30內，目的是提高該機構的阻力。
在圖6a中，傳動軸由附圖標記16表示，而且與轉子30一體制成；該傳動軸從壁8向外伸出。還可以看到該傳動軸16支承在一個軸承銅襯17上。
很明顯，在圖6a中，軸18、19、20分別表示部件16、3、15的軸。應該注意和強調的是在將一個以上的機構裝配在同一個發(fā)動機內時，需要使這些機構同步工作。
這可通過下述方式得以實現-齒輪14可被剛性連接(例如通過鍵連接)或直接形成于各個轉子30上，每個所述的齒輪都與其它齒輪(例如見圖6a中齒圈1和蓋子8之間的區(qū)域；轉子30的部分10)具有相同的節(jié)距圓直徑；-將一橫向軸添加到該部件中，該軸上設置有多個與裝置(機構)的數量相當的齒輪，橫向軸上的每個齒輪都與對應的齒輪14相互嚙合。
當然，由于除同步功能外，添加的軸，也能實現每個機構所要完成的收集任務，因此將在其機架的輸出裝置上形成一個發(fā)動機或機器的動力輸出裝置。
到現在為止，所作的說明僅僅是針對許多可能結構中的一種進行的，目的是將操作原理付諸實踐，而操作原理在于在轉動過程中，使線段OC和CB(圖1)圍繞其各自的中心沿相反的方向移過一定的角度，但其中一條線段的移動角度是另一條線段移動角度的一半。
可圖2中可看到，上述的說明采用了包括有一齒圈和一行星輪的技術方案，如上所述，這種方案能夠為將具有很大阻力的機械部件應用到行程較短的活塞上提供了可能性。
在活塞行程較長的情況下，通過圖7所示的技術方案也可以得到類似的結果。
旨在將上述動力學原理付諸實踐的許多可能方案中，圖7所示的設計方案只是一種建議。
圖7示出了下述基本部件-一個該機構的支架21，在該支架中，兩個軸22、23可在各自的軸承銅襯(陰影部分)內自由活動；-一個同步主軸22，該主軸22與半徑分別為R2、R3的兩個齒輪24、25一體制成；-一個同步副軸23，該副軸23與半徑分別為R4和R1的兩個齒輪26、27一體制成；-一個轉子30，該轉子30與一個半徑為R5的齒輪28一體制成；-一個連桿4，該連桿4上設置有一個用來與“柱塞”相連接的銷或軸15并與一個半徑為R6的齒輪29一體制成。
此外，每個齒輪都具有下述數值的節(jié)距圓半徑R1＝2rR2＝3rR3＝4rR4＝2rR5＝3rR6＝r其中r為任意值。
假設部件30沿任意方向轉動一個角度a，那么半徑為R5并與部件30一體制成的齒輪28將沿相反的方向將等同的轉動傳遞給半徑為R2的齒輪24及齒輪25(R3)，因為R5和R2的齒輪比＝1；因此，半徑為R3的齒輪25將轉動一個角度-a。而齒輪25與半徑為R4的齒輪26相嚙合并將將兩倍于該轉動角度的轉動沿相反的方向傳遞給齒輪26，即其轉動的角度為2a，因為二者之間的齒輪比為2∶1。
與齒輪26一體制成(剛性連接)的齒輪27將轉動一個角度2a，從而相對產生轉動而且轉動角度為a的部件30產生一個2a-a＝a的相對轉動。
因此，齒輪29及一體設置有軸或銷15的連桿(在圖1中為線段CB)將通過與齒輪R1的嚙合及使其中心在部件30上的轉動而旋轉一個角度-2a，所述轉動是部件23和30之間的相對轉角a的兩倍(齒輪比為2∶1)而且方向相反。
總之，已經看出，如果部件30(轉子)轉動一個角度a，那么部件4(連桿)將沿相反的方向旋轉一個角度2a，即是轉角a的兩倍，從而實現上述的原理。
工業(yè)實用性由曲柄和連桿構成的傳統(tǒng)裝置絕對不能實現的一些目標可通過能夠將線性往復運動轉化成轉動的本發(fā)明之裝置來完成。
簡言之，一些目標如下所述-提高Mm值(發(fā)動機的扭矩)；-完全消除代表摩擦力的傳統(tǒng)力(Fia)的影響，而摩擦力又是阻礙運動的最不論的因素之一，而且該摩擦力是在活塞的滑動過程中由曲柄沖擊力的反作用力而產生的，并作用于活塞側面和缸壁之間。因此，極大地降低了用于缸壁潤滑的油量；-不用過大增加發(fā)動機的容量，就可以使用更大的工作容積和較小的缸徑。
因此，可以得到大沖程和與大沖程有關的極長的缸體側面，從而能夠更加有效地散熱；-顯著降低該裝置組成部分的重量(前面一段的直接結果)；-在該裝置內，轉動部分或部件能夠通過其形狀自然平衡。因此，不需要為該裝置設置配置。
實驗證明對于相同的恒定工作容積而言，與傳統(tǒng)的發(fā)動機相比，本發(fā)明可以使傳動軸得到更高的功率和更平滑(規(guī)則)的轉動，而且還極大減少了振動。
最后，無需任何鉸鏈就可將定位在“柱塞”(見圖1中的線段AB)端部的活塞連接到柱塞本身上，所述活塞具有最小的縱向尺寸，只要其長度足以保證形成活塞環(huán)。
按照條約第19條的修改1.一種用于將轉動轉化成線性往復運動及將線性往復運動轉化為轉動的裝置，尤其是用于容積式內燃機和壓縮機內的裝置，其特征在于，其包括一個連桿(4)和一個轉子(30)，該轉子包含有連桿(4)的轉動軸線，所述副曲柄和轉子均設置于副曲柄銷(15)的一側；其還包括用于將轉動以下述方式作用于連桿(4)和轉子(30)上的裝置(1，3；22，24，25，23，26，27，29)當連桿(4)沿一個方向轉動一定的角度時，使所述轉子(30)沿相反的方向轉動該角度的一半。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于所述裝置包括一個殼體(7)；一個由一整體部件構成的內部轉子(30)；一個與所述連桿(4)一體制成的行星輪(3)，該行星輪(3)定位于安裝在轉子(30)內的兩個支架之間；一個具有內齒并與所述殼體(7)一體制成的齒圈(1)，其中功率的輸入或收集是通過一根與轉子(30)一體制成并和轉子一起轉動的軸(16)來完成的。
3.根據權利要求1的裝置，其特征在于所述連桿(4)與行星輪(29)一體制成，而且所述行星輪(29)與一個具有外齒的配合輪(27)相嚙合。
4.根據上述權利要求之一的裝置，其特征在于所述裝置可用于由多個相同類型的裝置構成的機器結構中，而且這些相同類型的裝置通過一根同時與各個裝置上的轉子(30)相嚙合的軸彼此同步工作；所述軸的軸線以下述方式設定不與每個裝置上的副曲柄(4)的銷(15)的線性往復運動產生干涉。
5.根據權利要求4的裝置，其特征在于所述軸除了使各個裝置同步操作外還收集每個裝置的扭矩并通過一個動力輸出裝置將這些扭矩輸出。
權利要求
1.一種用于將轉動轉化成線性往復運動及將線性往復運動轉化為轉動的裝置，尤其是用于容積式內燃機和壓縮機內的裝置，其特征在于，其包括-一個連桿(4)；-一個轉子(30)，該轉子包含有連桿(4)的轉動軸線，而且轉動能量可直接或間接從該轉子輸出或輸入到該轉子內；-對連桿(4)和轉子(30)施加轉動的裝置(1，3；22，24，25，23，26，27，29)，從而當連桿(4)沿一個方向轉動一定的角度時，所述轉子(30)沿相反的方向旋轉該角度的一半。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于所述連桿(4)被安裝到一個行星輪(3)上或與該行星輪(3)一體制成，所述行星輪的直徑等于其配合輪或齒圈(1；27)之直徑的一半。
3.根據權利要求2的裝置，其特征在于所述配合輪或齒圈(1)是一個設置有內齒的齒輪。
4.根據權利要求2的裝置，其特征在于所述配合輪或齒圈是一個具有外齒(27)的齒輪。
5.根據權利要求3或4的裝置，其特征在于兩個相互嚙合的齒輪的中心，即配合齒輪(1；27)和行星齒輪(3)的中心限定了一條線段，該線段的長度等于行星輪(3)及與該行星輪一體制成的連桿(4)之轉動中心的軌跡半徑；所述線段等于、小于或大于連桿銷(15)和行星輪(3)的中心之間的距離。
6.根據權利要求5的裝置，其特征在于當所述線段等于連桿銷(15)和行星輪(3)的中心之間的距離時，連桿銷(15)將在裝置的操作過程中作完全線性的往復運動。
7.根據上述權利要求之一的裝置，其特征在于所述裝置可用于由多個相同類型的裝置構成的機器結構中，而且這些相同類型的裝置通過一根同時與各個裝置上的轉子(30)相嚙合的軸彼此同步工作；所述軸的軸線以下述方式設定不與每個裝置上的連桿銷(15)的線性往復運動產生干涉。
8.根據權利要求7的裝置，其特征在于所述軸除了使各個裝置同步操作外還收集每個裝置的扭矩并通過一個動力輸出裝置將這些扭矩輸出。
9.根據上述權利要求之一的裝置，其特征在于一個圓盤(6)替代連桿(4)剛性安裝到所述行星輪(3)上，這樣就可以在圓盤周邊的內部相對圓盤(6)的中心(O2)以一個等于所述行星輪(3)之節(jié)距圓半徑的距離設置多個以任意角度異相操作的“連桿”銷(O4)，所述多個連桿銷能夠分別獨立地執(zhí)行往復線性運動。
全文摘要
一種用于將往復線性運動轉化成轉動和將轉動轉化成往復線性運動的裝置,其包括:一個安裝在一行星輪(3)上的連桿(4),而行星輪(3)又與一個設置有外齒(27)或內齒(1)的齒圈(1,27)相嚙合。齒圈(1,27)和行星輪(3)的節(jié)距圓半徑形成了2∶1的齒輪比。連桿(4)的連桿銷(15)能夠執(zhí)行線性運動,這樣能夠得到多個優(yōu)點,尤其是將其應用到內燃機中時。
文檔編號F02B75/32GK1376237SQ00813224
公開日2002年10月23日 申請日期2000年8月9日 優(yōu)先權日1999年9月24日
發(fā)明者安德烈亞·迪·福賈 申請人:安德烈亞·迪·福賈