惯量旋转动力发动机.pdf

本发明公开了一种惯量旋转动力发动机，包括：自由活塞式发动机，行星轴，所述行星轴与齿轮A固连，所述齿轮A与齿轮B相互啮合，所述齿轮A与旋转惯量体A直接或间接连接，所述齿轮B设为具有一定惯量的惯量齿轮C或设为与旋转惯量体B直接或间接连接，所述行星轴与旋转结构件转动连接，所述自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式动力输出端直接或间接与所述齿轮B连接，或所述自由活塞式发动机的往复式或摆动式动力输出端直接或间接与所述旋转结构件连接。本发明将自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式运动转换为旋转运动，效率高，结构简单。

1.  一种惯量旋转动力发动机，包括：自由活塞式发动机(1)，行星轴(2)，其特征在于：所述行星轴(2)与齿轮A(3)固连，所述齿轮A(3)与齿轮B(4)相互啮合，所述齿轮A(3)与旋转惯量体A(5)直接或间接连接，所述齿轮B(4)设为具有一定惯量的惯量齿轮C(9)或设为与旋转惯量体B(6)直接或间接连接，所述行星轴(2)与旋转结构件(7)转动连接，所述自由活塞式发动机(1)的直线往复式或摆动式动力输出端(8)直接或间接与所述齿轮B(4)连接，或所述自由活塞式发动机(1)的直线往复式或摆动式动力输出端(8)直接或间接与所述旋转结构件(7)连接。

2.  如权利要求1所述自由活塞式旋转动力发动机，其特征在于：所述旋转惯量体A(5)设为飞轮A(10)，或设为具有一定惯量的惯量齿轮D(11)，或设为相互啮合的齿轮C(12)和惯量齿轮E(13)构成的惯量结构体A(14)，或设为设置有惯性蓄能结构A(15)的旋转体A(16)，所述旋转惯量体B(6)设为飞轮B(17)，或设为具有一定惯量的惯量齿轮F(18)，或设为相互啮合的齿轮D(19)和惯量齿轮G(20)构成的惯量结构体B(21)，或设为设置有惯性蓄能结构B(22)的旋转体B(23)。

3.  如权利要求1所述惯量旋转动力发动机，其特征在于：所述行星轴(2)设为差速器(24)壳体(25)内的行星轮轴(26)，所述齿轮A(3)设为所述差速器(24)壳体(25)内的行星轮(27)，所述旋转惯量体A(5)设为所述差速器(24)的半轴齿轮A(28)，所述半轴齿轮A(28)直接或间接与旋转惯量体C(29)连接，所述齿轮B设为所述差速器(24)的半轴齿轮B(30)，所述半轴齿轮B(30)直接或间接与所述旋转惯量体B(6)连接，所述自由活塞式发动机(1)的直线往复式或摆动式动力输出端(8)直接或间接与行星轮轴(12)连接。

惯量旋转动力发动机
技术领域
本发明涉及自由活塞式发动机领域。
背景技术
在发动机领域中，所谓自由活塞式发动机包括直线式自由活塞式发动机和摆动式自由活塞式发动机。近年来，自由活塞式发动机的研究和开发倍受关注。实验表明，自由活塞式发动机具有效率高，污染物生成少，造价低等优势。但自由活塞式发动机也有其发展的瓶颈即往复运动的动力输出如何高效，可靠地转化为旋转动力源使用。虽然目前有不少研究中有利用液压动力系统或发电系统等将自由活塞式发动机往复式运动输出转化成旋转或其他形式的动力源，但其转换的效率和成本都需要进一步的改进。若采用传统的曲轴式，则使自由活塞的最大优势无法得以体现，与传统的往复式发动机基本上没有区别。除此之外，当自由活塞式发动机采用四冲程工作模式时，对发动机配气机构的控制就很难实现。为此本发明人申请了自由活塞式旋转动力发动机(专利申请号200820180152.4)，通过在自由活塞式发动机中设置弹性曲柄连杆机构将直线往复式和摆动式运动转化为旋转动力输出，发动机的效率较目前已有的转化方式高，且输出的旋转动力可作正时控制。但该机构中由于设置了弹簧，导致该机构体积大，且在发动机高速运行时，弹性曲柄连杆机构中的弹簧会进行高频率的压缩变形，这样不仅造成了能量的损耗，还加快了弹簧的磨损，从而影响了发动机的效率和寿命，要是能够提出一种更高效的，更可靠的将自由活塞式发动机的往复直线式或摆动式动力输出转化为旋转动力输出的新型解决方案，将进一步提高自由活塞式发动机的应用前景。
发明内容
为了能够高效的，可靠的将自由活塞式发动机的往复直线式或摆动式动力输出转化为旋转动力输出，进一步提高自由活塞式发动机的效率，本发明公开了一种惯量旋转动力发动机，包括：自由活塞式发动机，行星轴，具体实现形式如下：
所述行星轴与齿轮A固连，所述齿轮A与齿轮B相互啮合，所述齿轮A与旋转惯量体A直接或间接连接，所述齿轮B设为具有一定惯量的惯量齿轮C或设为与旋转惯量体B直接或间接连接，所述行星轴与旋转结构件转动连接，所述自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式动力输出端直接或间接与所述齿轮B连接，或所述自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式动力输出端直接或间接与所述旋转结构件连接。
所述旋转惯量体A设为飞轮A，或设为具有一定惯量的惯量齿轮D，或设为相互啮合的齿轮C和惯量齿轮E构成的惯量结构体A，或设为设置有惯性蓄能结构A的旋转体A，所述旋转惯量体B设为飞轮B，或设为具有一定惯量的惯量齿轮F，或设为相互啮合的齿轮D和惯量齿轮G构成的惯量结构体B，或设为设置有惯性蓄能结构B的旋转体B。
所述行星轴设为差速器壳体内的行星轮轴，所述齿轮A设为所述差速器壳体内的行星轮，所述旋转惯量体A设为所述差速器的半轴齿轮A，所述半轴齿轮A直接或间接与旋转惯量体C连接，所述齿轮B设为所述差速器的半轴齿轮B，所述半轴齿轮B直接或间接与所述旋转惯量体B连接，所述自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式动力输出端直接或间接与行星轮轴连接。
所述旋转体A和所述旋转体B设置的惯性蓄能结构会依据转速的变化自动调节旋转体惯量的大小。
本发明中所述自由活塞式发动机是指直线式自由活塞式发动机、摆动活塞式发动机、摆动活塞式转子发动机、弧形缸转子发动机和弧形缸摆动活塞式发动机。这类发动机具有共同的特点，活塞在爆炸冲程开始时就具有力矩，而且没有可以用来对四冲程发动机的配气机构等系统进行正时控制的旋转动力源。所谓摆动活塞式发动机是指活塞在气缸内摆动，形成容积变化，而构成的发动机，此种发动机的活塞和气缸不作圆周运动；所谓摆动活塞式转子发动机，是指与摆动活塞式发动机结构相同，但活塞在摆动的同时还作圆周运动；弧形缸摆动活塞式发动机和弧形缸转子发动机的结构与摆动活塞式发动机和摆动活塞式转子发动机的结构不同，所谓弧形缸摆动活塞式发动机是指气缸的中心线设为弧形，气缸的断面设为圆形或非圆形，活塞的活塞连接件设在气缸的燃烧室密封段之外，将气缸和活塞中的一类设为固定式的发动机；若将气缸和活塞设为以所述气缸中心弧线的圆心为圆心旋转并相对摆动式，则构成所谓弧形缸转子发动机。摆动活塞式发动机和弧形缸摆动活塞式发动机各自均具有两个摆动系统。
本发明是通过将自由活塞式发动机的往复直线式或摆动式的输出动力转化为旋转结构件的摆动式动力，旋转结构件将摆动动力经行星轴、齿轮A和与其连接的旋转惯量体，使齿轮B最终以旋转动力输出，或是通过将自由活塞式发动机的往复直线式或摆动式的输出动力转化为齿轮B的摆动式动力，通过适当调整各惯量体的惯量或经啮合齿轮改变惯量体的转速，使旋转结构件始终具有同一旋转方向的切向力，从而使旋转结构件输出旋转动力，或是将自由活塞式发动机的往复直线式或摆动式的输出动力转化为差速器壳体的摆动式动力，通过在差速器的两个半轴齿轮上分别设置惯量体，使差速器中的一个半轴齿轮输出旋转动力。本发明所述惯量旋转动力发动机输出的旋转动力只作为整个发动机的旋转动力输出，正时旋转动力可由弹性连杆机构或其他机构来实现，这样弹性连杆机构各部件就可以设计的很小，从而减小了发动机的能量损耗，提高了效率。
本发明中的所述自由活塞式旋转动力发动机可设为行程自由式，行程限定式或负荷响应式自由活塞旋转动力发动机。行程自由式是指自由活塞旋转动力发动机的行程和两端的止点不受限制；行程限定式是指通过液压式，机械式或电磁式限定装置将活塞的行程限定；负荷响应式是指自由活塞旋转动力发动机的行程(排气量)和压缩比同时可控可调式。
本发明中所述各类齿轮或惯量齿轮也可设为链轮或带轮。
本发明有以下有益的效果：所述惯量旋转动力发动机结构简单，效率高，能够较高效、可靠地实现将往复直线式或摆动式动力转化为旋转动力输出。
工作原理
本发明所述惯量旋转动力发动机是将自由活塞式发动机的直线往复式或摆动式输出动力转化为旋转结构件的摆动动力，从而使得与其转动连接的行星轴上所固连的齿轮A绕齿轮B公转，目的是为实现齿轮B输出旋转动力。
假设旋转结构件摆动的两个极限位置分别为位置a和位置b(见图2)。当发动机的输出端未输出动力时，齿轮A和旋转结构件处于a位置，且齿轮A和齿轮B由启动马达驱动各自具有一定的初始动能，旋转方向均为顺时针，齿轮A和齿轮B的传动符合定轴传动。
当发动机输出端输出动力时，旋转结构件由a位置摆动到b位置(顺时针方向)。在旋转结构件摆动的过程中，齿轮A对齿轮B有顺时针的切向力作用，使得齿轮B顺时针加速旋转，转动动能增加，同时齿轮A因受到齿轮B的反作用力，齿轮A的自转转速降低，能量减少，此时齿轮B获得的能量应为发动机输出端的能量以及齿轮A自转转速降低释放出的能量(在不考虑各类磨擦损耗)之和；当旋转结构件摆动到b位置停止时，齿轮B和齿轮A要以定轴传动比传动，齿轮B会释放部分能量给齿轮A，使齿轮A的转速提高，能量增加，齿轮B的转速降低，能量相应减少。在这一过程中，旋转惯量体的作用是保证与其连接的齿轮始终是绕着自身的轴线同一方向旋转。因此旋转结构体和齿轮A在b位置时，齿轮A和齿轮B均获得了发动机输出端一个冲程的能量，齿轮A的自转转速和齿轮B的转速较初始位置时提高。
当发动机输出端输出相反的动力时，旋转结构件由b位置又返回到a位置(逆时针方向)。在这个过程中，齿轮A与齿轮B的啮合齿面与上一过程不同，齿轮A作用给齿轮B的力与齿轮B的旋转方向相反，齿轮B减速，因齿轮A受到齿轮B的反作用力与齿轮A的自转方向相同，使得齿轮A顺时针方向的自转加速，此时齿轮A获得的能量应为齿轮B减速释放出的能量与发动机输出端输出的能量之和(在不考虑各类摩擦损耗)。当旋转结构体摆动到a位置停止时，齿轮A和齿轮B要以定轴传动比传动，齿轮A要释放出部分能量给齿轮B使其加速，此时齿轮A和齿轮B的能量在上一过程的基础上又增加了一个冲程的能量，齿轮B的转速和齿轮A的自转转速进一步提高。
如此往复，由于与齿轮A和齿轮B连接的旋转惯量体的作用，使得齿轮A始终是以同一方向自转，齿轮B始终是以同一方向旋转且转速不断提高，从而向外输出能量。
同理，差速器也能实现将直线往复式或摆动式动力输出转化为旋转动力输出，其结构与上述结构是等价的。
附图说明
图1是本发明的一个实施例结构示意图
图2是图1的A-A向视图
图3是本发明自由活塞的动力输出为摆动式的一个实施例结构示意图
图4是本发明自由活塞的动力输出为往复直线式的一个实施例结构示意图
图5是本发明所述惯量旋转体A设为惯量齿轮的实施例结构示意图
图6是本发明所述所述惯量旋转体A设为由齿轮和惯量齿轮构成的惯量结构体的实施例结构示意图
图7是本发明所述齿轮A与齿轮B为外啮合的实施例结构示意图
图8是本发明所述齿轮A与齿轮B为外啮合的另一个实施例结构示意图
图9是本发明旋转惯量体A和旋转惯量体B分别设置有惯量蓄能结构的实施例结构示意图
图10是图9的B向视图
图11是本发明所述惯量旋转动力发动机的另一个实施例结构示意图
具体实施方式
附图编号
1.自由活塞式发动机    2.行星轴         3.齿轮A
4.齿轮B               5.旋转惯量体A    6.旋转惯量体B
7.旋转结构件          8.动力输出端     9.惯量齿轮C
10.飞轮A            11.惯量齿轮D      12.齿轮C
13.惯量齿轮E        14.惯量结构体A    15.惯量蓄能结构A
16.旋转体A          17.飞轮B          18.惯量齿轮F
19.齿轮D            20.惯量齿轮G      21.惯量结构体B
22.惯量蓄能结构B    23.旋转体B        24.差速器
25.壳体             26.行星轮轴       27.行星轮
28.半轴齿轮A        29.旋转惯量体C    30.半轴齿轮B
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
请参照图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10所示惯量旋转动力发动机，包括：自由活塞式发动机1，行星轴2，所述行星轴2与齿轮A3固连，所述齿轮A3与齿轮B4相互啮合，所述齿轮A3与旋转惯量体A5直接或间接连接，所述齿B4)设为具有一定惯量的惯量齿轮C9或设为与旋转惯量体B6直接或间接连接，所述行星轴2与旋转结构件7转动连接，所述自由活塞式发动机1的直线往复式或摆动式动力输出端8直接或间接与所述齿轮B4连接，或所述自由活塞式发动机1的直线往复式或摆动式动力输出端8直接或间接与所述旋转结构件7连接。
请参照图1、2、3、4、5、6、7、8、9和10所示惯量旋转动力发动机，所述旋转惯量体A5设为飞轮A10，或设为具有一定惯量的惯量齿轮D11，或设为相互啮合的齿轮C12和惯量齿轮E13构成的惯量结构体A14，或设为设置有惯性蓄能结构A15的旋转体A16，所述旋转惯量体B6设为飞轮B17，或设为具有一定惯量的惯量齿轮F18，或设为相互啮合的齿轮D19和惯量齿轮G20构成的惯量结构体B21，或设为设置有惯性蓄能结构B22的旋转体B23。
请参照图11所示惯量旋转动力发动机，所述行星轴2设为差速器24壳体25内的行星轮轴26，所述齿轮A3设为所述差速器24壳体25内的行星轮27，所述旋转惯量体A5设为所述差速器24的半轴齿轮A28，所述半轴齿轮A28直接或间接与旋转惯量体C29连接，所述齿轮B设为所述差速器24的半轴齿轮B30，所述半轴齿轮B30直接或间接与所述旋转惯量体B6连接，所述自由活塞式发动机1的直线往复式或摆动式动力输出端8直接或间接与行星轮轴12连接。