本發明涉及一種發動機的活塞往復直線運動轉換為曲軸圓周運動的機械裝置，特別涉及一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，替代現有的曲軸（柄）-連桿轉換機構。

背景技術：

目前，活塞式發動機普遍采用曲軸（曲柄）連桿機構進行直線往復運動與圓周運動相互轉換的機械，曲軸連桿機構設計和制造已經十分完善，但是，由于曲軸（柄）連桿機構及其受力狀態十分復雜，各個部件都處在復雜的三向應力狀態，在實際應用中還存在明顯的缺陷，有待進一步改進和優化：1、現有的曲軸連桿機構中，汽缸內燃氣點火后，活塞上的最大燃氣壓力只有百分之二十左右分解為產生輸出轉矩的切向力；2、在曲軸（柄）連桿機構中，作用在活塞上的燃氣壓力被分解為沿連桿軸線方向的作用力和垂直于汽缸軸線方向作用在缸壁的側壓力，增大了活塞與缸壁之間的側向摩擦力，加速了汽缸壁側向磨損，不僅降低了活塞的做功效率，而且還會造成“卡缸”使活塞無法工作；3、作用在曲軸（柄）上的沿連桿軸線方向的作用力再次分解為垂直曲軸半徑方向的切向力和沿半徑方向的法向力，在燃氣爆發瞬間，由于傳動角很小，輸出的扭矩的切向作用力遠小于活塞上的燃氣壓力，有計算表明傳動角為10度時，活塞總作用力只有百分之二十左右轉換為產生曲軸扭矩的切向作用力； 4、曲軸連桿機構中連桿擺動產生的不平衡回轉質量和回轉運動引起慣性力，使活塞與汽缸壁及轉動接觸面產生交變沖擊力，增大了各個部件間的不均勻摩擦和撞擊，不僅影響發動機的輸出功率，而且使發動機產生較大的振動和噪聲。

為了克服傳統曲軸-連桿機構上述的缺陷，本發明提供了一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構。

技術實現要素：

按照本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構包括：曲軸的主軸頸借助軸承安裝在曲軸殼體兩側壁上，曲軸的曲拐臂借助齒條軸頸和主齒條的齒條接頭與主齒條鉸接，傳動軸借助軸承安裝在曲軸殼體兩側壁上，在曲軸殼體內的傳動軸柱面上設置有主齒輪，主齒條的主齒排與主齒輪嚙合，在主齒輪與主齒條之間設置限位機構；在曲軸殼體一側壁或兩側壁外面設置有傳動缸體和氣缸體，氣缸體中設置有一個或多個相同的氣缸，傳動軸從曲軸殼體延伸到傳動缸體中，傳動軸借助軸承安裝在傳動缸體的缸壁上，在傳動軸柱面上設置一個或多個形狀相同的齒輪；如果各氣缸缸口的缸壁與傳動缸體缸口的缸壁剛性連接，而傳動缸體另一缸口的缸壁與附加缸體缸口的缸壁剛性連接，各個齒輪與各個氣缸一一對應，各個齒輪分別與各齒條連桿的齒排嚙合，各個齒條連桿一端部分別與各附加連桿的一端部剛性連接，各附加連桿的長度等于或大于各個齒輪的軸線到各個氣缸缸口的距離，各附加連桿另一端部分別與各個氣缸中的活塞鉸接，若氣缸體只設置一個氣缸，構成單氣缸發動機，若氣缸體設置多個氣缸，構成排列多個氣缸的發動機組；如果兩個氣缸體中的一個或多個氣缸缸口的缸壁分別與傳動缸體兩個缸口的缸壁剛性連接，一個氣缸體中的各個氣缸分別與另一個氣缸體中的各個氣缸對置，各對置的兩個氣缸之間的齒輪分別與各齒條連桿的齒排嚙合，各個齒條連桿兩端部分別與各附加連桿的一端部剛性連接，各附加連桿的另一端部分別與各個氣缸中的活塞鉸接，構成兩兩對置的多氣缸發動機組。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，齒條接頭與主齒條的一端部剛性連接，在齒條接頭上開設鉸接孔，鉸接孔的直徑等于齒條軸頸的直徑，曲拐臂端部的齒條軸頸置于齒條接頭的鉸接孔中，鉸接孔的中心為鉸孔中心。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，傳動軸為圓柱體，主齒輪的主輪軸線和各個齒輪的軸線與傳動軸的軸線共線，主軸頸的軸線為主軸線，齒條軸頸的軸線為軸頸軸線，主輪軸線到主軸線之間的距離等于或大于主齒輪的分度圓半徑加上齒條接頭的鉸孔中心到主齒排的分度線之間的距離再加上軸頸軸線到主軸線之間的距離的總和。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，若所述主齒輪的半徑等于各個齒輪的半徑，所述主齒條的主齒排的長度等于或略大于所述活塞的行程，所述曲拐臂的長度等于活塞行程的二分之一，若所述主齒輪的半徑小于各個齒輪的半徑，所述主齒條的主齒排的長度小于所述活塞的行程，所述曲拐臂的長度小于活塞行程的二分之一，若所述主齒輪的半徑大于各個齒輪的半徑，所述主齒條的主齒排的長度大于所述活塞的行程，所述曲拐臂的長度大于活塞行程的二分之一，在活塞的上、下止點處，曲拐臂與主齒條平行（即曲拐臂與主齒條之間的夾角為180°或0°）。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，主齒條的限位機構包括：兩塊限位槽板分別安裝在主齒條的兩側面上，在兩塊限位槽板上分別開設與主齒條的主齒排平行的限位槽，兩個限位槽的長度等于或稍大于主齒排的長度和傳動軸直徑之和，兩個限位槽的寬度等于傳動軸的直徑，兩個限位槽套在主齒輪兩側的傳動軸上并能在傳動軸上滑動，并使主齒條與主齒輪始終保持嚙合狀態。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，另一種主齒條的限位機構包括：在兩個形狀相同的限位板上分別設置圓孔，兩個圓孔分別套在主齒輪兩側的傳動軸上，轉輪的輪軸兩端分別與兩個限位板的一端部剛性連接，套在輪軸上的轉輪壓在主齒條的無齒背面并能在無齒背面上滾動，并使主齒條與主齒輪保持始終嚙合狀態。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，齒條連桿的限位機構包括：滾輪的輪軸安裝在限位桿一端部的凹槽的兩槽幫上，限位桿的另一端部安裝在傳動缸體的內壁上，滾輪分別壓在齒條連桿的無齒背面上，以使齒條連桿始終與齒輪嚙合。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，各齒條連桿的形狀相同，所述的齒排的長度等于所述活塞的行程，各齒條連桿的無齒背面與各個傳動缸體內壁之間設置有齒條連桿的限位機構。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，附加缸體為只有一個缸口的殼體，附加缸體的缸內長度等于或略大于活塞的行程。

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，其中，曲軸殼體外面的曲軸的主軸頸借助聯軸器與轉動裝置的轉軸聯動，將轉動裝置輸出的圓周運動轉換為齒條連桿的往復直線運動。

采用本發明提供的齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，實現直線往復運動與旋轉圓周運動相互轉換，動力傳遞和運動方式轉換更為合理,克服了曲柄連桿機構中固有的缺點。本發明的轉換裝置具有以下優點：

本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構，具有以下優點：

1. 本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構的各個運動部件在運動過程中，作用在曲軸的齒條軸頸上做圓周運動的切向力借助主齒條及傳動軸上的主齒輪和齒輪幾乎等值傳遞到直線運動的齒條連桿和附加連桿及活塞上，驅使活塞做往復直線運動，反之，活塞往復運動的作用力借助附加連桿和齒條連桿以及傳動軸上的齒輪和主齒輪不需分解幾乎等值傳遞到主齒條的齒排上，活塞往復運動的作用力沿主齒條的齒排方向驅動齒條軸頸和曲軸旋轉，當旋轉的曲拐臂與主齒條垂直或接近垂直（即曲拐臂與主齒條之間的夾角等于或接近90°）時，氣缸中作用在活塞上最大燃氣爆發力借助附加連桿和齒條連桿、傳動軸上的齒輪和主齒輪及主齒條近似等值傳遞到齒條軸頸上，此時，作用在活塞上最大燃氣爆發力等于或略小于作用在齒條軸頸上的切向力，圓周運動的齒條軸頸和曲軸輸出最大的扭矩等，理論計算和模型機實驗表明本發明的轉換機構輸出最大的扭矩是傳統曲軸-連桿機構中輸出的最大扭矩的2至3倍，極大地提高了直線往復運動與圓周運動相互轉換的轉換效率；

2. 本發明的轉換機構中，往復直線運動的各齒條連桿和附加連桿及各個活塞借助一根傳動軸上的主齒輪和各個齒輪與傳遞動條和曲軸聯動將多個活塞的往復直線運動轉換為曲軸的旋轉運動，消除了傳統曲軸-連桿機構中連桿擺動引起的活塞與氣缸缸壁之間側向摩擦產生的側向壓力和由側向摩擦力引起的汽缸壁側向磨損及“卡缸”，不僅提高了活塞的做功效率，也可減少活塞的活塞裙長度；

3. 若主齒輪的半徑小于各個齒輪的半徑，主齒條的主齒排的長度小于活塞的行程，曲拐臂可減小，曲拐臂的轉動質量和轉動慣量及轉動運動引起慣性力也隨之減小；

4.本發明轉換機構的各個齒條連桿和附加連桿皆為往復直線運動，減小了連桿擺動產生的不平衡回轉質量和回轉運動引起慣性力，減小了發動機的振動和噪聲，提高了發動機的輸出功率。

本發明結構亦可用于任何形式的旋轉運動轉換為往復直線運動的機械，例如，活塞式油、氣、水泵及活塞式壓縮機等。

附圖說明

圖1是本發明的的發動機轉換機構第一實施例正視示意圖；

圖2是本發明的發動機轉換機構的第一實施例A-A截面中，活塞在上止點時，曲拐臂與主齒條平行的示意圖；

圖3是本發明的發動機轉換機構的第一實施例B-B截面示意圖；

圖4是本發明的發動機轉換機構的第一實施例C-C截面示意圖；

圖5是本發明第一實施例中，活塞在上止點附近時，曲拐臂與主齒條位置示意圖；

圖6是本發明第一實施例中，活塞在下止點時，曲拐臂與主齒條平行的示意圖；

圖7（a）、（b）是本發明第一實施例中，齒條和齒條接頭示意圖；

圖8（a）、（b）是本發明第一實施例中，主齒輪與齒條之間的限位機構示意圖；

圖9（a）、（b）是本發明第二實施例中，主齒輪與齒條之間的另一種限位機構示意圖；

圖10是本發明的第一實施例中，齒條連桿的無齒背面與傳動缸體缸壁之間設置有的限位機構示意圖；

圖11是本發明的發動機轉換機構的第三實施例E-E截面示意圖；

圖12是本發明的發動機轉換機構的第三實施例D-D截面示意圖；

圖13是本發明的第四實施例的側視示意圖；

圖14是本發明的第五實施例轉換機構與轉動裝置連接示意圖。

具體實施方案

下面參照說明書附圖詳細描述本發明提供的一種齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構的具體實施方式。

如圖1、2、3、4所示，本發明第一實施例的運行過程如下：曲軸1的主軸頸101轉動地安裝在曲軸殼體3兩側壁上，在主齒條2一端部設置齒條接頭6，曲拐臂102端部的齒條軸頸103借助齒條接頭6與主齒條2鉸接，傳動軸4安裝在曲軸殼體3的兩側壁的軸承301中，主齒條2的主齒排201與設置在傳動軸4柱面上的主齒輪401嚙合，主齒條2與主齒輪401之間設置限位機構42；在延伸到曲軸殼體3一側壁外面的傳動軸4上安裝傳動缸體9，傳動軸4借助軸承901安裝在傳動缸體9兩側壁上，氣缸體8中的氣缸801缸口的缸壁802安裝在傳動缸體9缸口的缸壁902上，傳動缸體9另一缸口的缸壁902與附加缸體10缸口的缸壁100對接，傳動缸體9的內腔與氣缸801和附加缸體10的內腔相通，只有一個缸口的附加缸體10的缸內長度等于活塞7的行程，在傳動缸體9內的傳動軸4柱面上設置與傳動軸4同軸線的齒輪402，齒輪402與齒條連桿5的齒排501嚙合，在齒條連桿5的無齒背面506與傳動缸體9內壁之間設置限位機構59，齒條連桿5一端部與附加連桿一端部剛性連接，附加連桿502的長度等于或大于齒輪402的軸線到氣缸801缸口的距離，附加連桿502的另一端部與氣缸801中的活塞7鉸接，活塞7借助傳動軸4上的齒輪402和主齒輪401與曲軸殼體3中的曲軸1和主齒條2聯動，構成單氣缸801的發動機。

如圖7所示，在齒條接頭6上開設鉸接孔601，鉸接孔601的直徑等于齒條軸頸103的直徑，曲拐臂102端部的齒條軸頸103置于齒條接頭6的鉸接孔601中，鉸接孔601的中心為鉸孔中心602。

如圖5、7所示，主齒輪401的主輪軸線403和各個齒輪402的軸線與傳動軸4的軸線共線，主軸頸101的軸線為主軸線104，齒條軸頸103的軸線為軸頸軸線105，主輪軸線403到主軸線104之間的距離等于或大于主齒輪401的分度圓404半徑加上鉸孔中心602到主齒排201的分度線205之間的距離再加上軸頸軸線105到主軸線104之間的距離總和。

如圖2、6所示，主齒條2的主齒排201的長度等于或略大于活塞7的行程，在活塞7的止點處，曲拐臂102與主齒條2平行（即曲拐臂102與主齒條2之間的夾角為180°或0°）。

如圖3、4、5所示，主齒輪401和各個齒輪402與傳動軸4同軸線，主齒輪401的半徑和各個齒輪402的半徑相等，軸線403到主軸線104之間的距離稍大于主齒輪401的分度圓404半徑加上鉸孔中心602到主齒排201的分度線205之間的距離再加上軸頸軸線105到主軸線104之間的距離的總和，齒輪402和主齒輪401的軸線在傳動軸4的軸線403上。

如圖8所示，限位機構42包括：在兩個形狀相同的限位板11上設置圓孔110，圓孔110分別套在主齒輪401兩側的傳動軸4上，輪軸111的兩端與兩個限位板11的一端部剛性連接，轉輪12套在輪軸111上，轉輪12壓在主齒條2的無齒背面204上，以使主齒條2始終與主齒輪401嚙合。

如圖10所示，限位機構59包括：滾輪13的輪軸14安裝在限位桿15一端部上的凹槽151的兩槽幫152上，限位桿15的另一端部安裝在傳動缸體9的內壁上，滾輪13壓在齒條連桿5的無齒背面506上并能在無齒背面506上滾動，以使齒條連桿5的齒排501始終與齒輪401嚙合。

本發明第一實施例的運行過程如下：

如圖1所示，曲軸1的曲拐臂102和齒條軸頸103繞主軸頸101逆時針旋轉，曲拐臂102和與其鉸接的主齒條2之間的夾角隨之增大，與主齒條2的主齒排201嚙合主齒輪401帶動傳動軸4上的及齒輪402逆時針轉動，與齒輪402嚙合的齒條連桿5帶動附加連桿502和活塞7向上止點運動，在此運行過程中，主齒條2與主齒輪401之間設置的限位機構42使主齒條2與主齒輪401始終處于嚙合狀態，齒條連桿5與傳動缸體9內壁之間的限位機構59使齒條連桿5與齒輪402始終處于嚙合狀態，此時，齒條軸頸103與齒條接頭6之間作用力借助主齒條2及傳動軸4上的主齒輪401和齒輪402幾乎等值傳遞到直線運動的齒條連桿5和附加連桿502及活塞7上。

如圖2、3所示，當逆時針旋轉的曲拐臂102與主齒條2平行（即曲拐臂102與主齒條2之間的夾角為180°）時，主齒條2沿曲拐臂102方向的運動速度為零，此時，與主齒條2嚙合的傳動軸4的主齒輪401以及與齒條連桿5嚙合的齒輪402停止轉動，齒條連桿5及與附加連桿502鉸接的活塞7到達上止點。

繼續逆時針旋轉的曲拐臂102和齒條軸頸103帶動主齒條2開始反向運動，與主齒條2嚙合的主齒輪401帶動傳動軸4和齒輪402開始順時針轉動，與齒輪402嚙合的齒條連桿5帶動附加連桿502和活塞7開始向下止點運動，曲拐臂102和主齒條2之間的夾角隨之減小。

如圖5所示，當逆時針旋轉曲拐臂102與主齒條2垂直或接近垂直（即曲拐臂102與主齒條2之間的夾角等于或接近90°）時，氣缸801中作用在活塞7上最大燃氣爆發力借助附加連桿502和齒條連桿5、傳動軸4上的齒輪402和主齒輪401及主齒條近似等值傳遞到齒條軸頸103上，此時，沿主齒排201方向作用力等于或略小于作用在齒條軸頸103的切向力并驅動齒條軸頸103和曲拐臂102做圓周運動，活塞7上最大燃氣爆發力驅動曲拐臂102產生的扭矩等于或略小于活塞7的總作用力乘以齒條軸頸103繞主軸頸101旋轉的旋轉半徑，此時，作用在活塞7上最大燃氣爆發力等于或略小于作用在齒條軸頸103上的切向力，圓周運動的齒條軸頸103和曲軸1輸出的最大扭矩等于或略小于活塞7最大的總作用力乘以齒條軸頸103繞主軸頸101旋轉的旋轉半徑，理論計算和模型機實驗表明本發明的轉換機構輸出最大的扭矩比傳統曲軸-連桿機構中輸出的最大扭矩增大2到3倍。

如圖6所示，當曲拐臂102與主齒條2再次平行（即曲拐臂102與主齒條2之間的夾角為0°）時，主齒條2沿曲拐臂102方向的運動速度為零，此時，與主齒條2嚙合的傳動軸4的主齒輪401以及與齒條連桿5嚙合的齒輪402停止轉動，主齒條2和活塞7到達下止點。

如圖1所示，當繼續逆時針旋轉的齒條軸頸103帶動主齒條2開始再次反向運動，與主齒條2嚙合的主齒輪401帶動傳動軸4和齒輪402開始逆時針轉動，此時，相關聯的各個部件將重復上述的運行過程。

本發明的齒輪-齒條-曲軸聯動發動機轉換機構中各個運動部件將周而復始地重復上述運行過程，活塞7的往復直線運動轉換為曲軸1輸出的圓周運動。

本發明第二實施例與第一實施例不同之處在于：如圖9所示，本發明中的限位機構42結構如下：兩塊限位槽板202分別安裝在主齒條2兩側面上，在兩塊限位槽板202上分別開設與主齒條2的主齒排201平行的限位槽203，限位槽203的長度等于主齒排201的長度與轉動軸4直徑之和，兩個限位槽203寬度等于所述傳動軸4的直徑，兩個限位槽203套在主齒輪401兩側的傳動軸4上并能在傳動軸4上滑動，以使主齒條2始終與主齒輪401嚙合。

本發明第二實施例的運行過程與第一實施例的運行過程相同。

如圖11、12所示，本發明的第三實施例與第一實施例的不同之處在于：氣缸體8中的四個氣缸801的缸壁802安裝在傳動缸體9一側的缸壁902上，傳動缸體9另一側的缸壁902與附加缸體10缸口的缸壁100對接，傳動缸體9的缸腔與四個氣缸801及附加缸體的缸腔相通，在傳動缸體9內的傳動軸4柱面上設置的四個齒輪402各對應一個氣缸801，兩根齒條連桿5的齒排501從傳動軸4的一側分別與兩個齒輪402嚙合，另兩根齒條連桿5的齒排501從傳動軸4的另一側分別與另外兩個齒輪402嚙合，在各齒條連桿5的無齒背面506與各個傳動缸體9內壁之間設置有限位機構59，以使各個齒條連桿5的齒排501始終與各個齒輪401嚙合，各齒條連桿5一端部分別與附加連桿502的一端部剛性連接，四根附加連桿502的長度略大于齒輪402的軸線到各個氣缸801缸口的距離，各附加連桿502另一端部分別與四個氣缸801中的活塞7鉸接，四個活塞7借助一根傳動軸4與曲軸殼體3中的曲軸1和主齒條2聯動，構成直排的四個氣缸801發動機組。

本發明第三實施例的運行過程與第一實施例的運行過程不同之處在于：

如圖11、12所示，四個氣缸801中的活塞7借助四根附加連桿502和四根齒條連桿5及傳動軸4上的四個齒輪402和主齒輪401驅動曲軸殼體3中的主齒條2和曲軸做圓周運動，其中，在傳動軸4一側的兩根齒條連桿5和兩個活塞7與在傳動軸4另一側的兩根齒條連桿5和兩個活塞7的運動方向相反。

如圖13所示，本發明的第四實施例與第一實施例的不同之處在于：兩個氣缸體8中的兩個氣缸801的缸壁802分別安裝在傳動缸體9兩側的缸壁902上，傳動缸體9的缸腔與四個氣缸801相通，一個氣缸體8的兩個氣缸801與另一個氣缸體8中的兩個氣缸801對置，兩根齒條連桿5的齒排501分別與傳動軸4的兩個齒輪402嚙合，兩根齒條連桿5兩端部分別與附加連桿502的一端部剛性連接，四個附加連桿502的長度略大于齒輪402的軸線到各氣缸801缸口的距離，四根附加連桿502的另一端部分別與四個氣缸801中的活塞7鉸接，四個活塞7借助一根傳動軸4的兩個齒輪402和主齒輪401與曲軸殼體3中主齒條2和的曲軸1聯動，構成對置的四個氣缸801發動機組。

本發明第四實施例的運行過程與第一實施例的不同之處在于：

如圖13所示，四個氣缸801中的活塞7借助兩根齒條連桿5驅動傳動軸4上的兩個齒輪402與曲軸殼體3中的主齒輪（401）和主齒條2及曲軸1聯動，各個運動部件的運行過程與第一實施例的運行過程相同。

如圖14所示，本發明第五實施例：曲軸殼體3外面的曲軸1的主軸頸101借助聯軸器17與轉動裝置18的轉軸16聯動，轉動裝置18輸出的圓周運動通過本發明的轉換機構轉換為齒條連桿5和活塞7的往復直線運動。

本發明第五實施例的運行過程與本發明第一實施例的運行過程相反。

以上實施例僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計的前提下，本領域工程技術人員對本發明的技術方案作出各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。