專利名稱：無曲軸發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機系統(tǒng)。特別是涉及一種效率高、節(jié)省能源、有利于環(huán)境保護的無曲軸發(fā)動機。
背景技術(shù)：
發(fā)動機(內(nèi)燃機柴油機、汽油機以及利用天然氣等為燃料的燃氣發(fā)動機，包括二沖程發(fā)動機和四沖程發(fā)動機等)的主要運動件，其傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14、圖15所示，都是由曲軸10(包括有主軸頸11和曲柄12)、連桿2和活塞1構(gòu)成。在運行中，由于爆發(fā)沖程開始于活塞1位于上止點或者在上止點附近，燃料在爆發(fā)燃燒開始時產(chǎn)生的巨大膨脹壓力對曲軸旋轉(zhuǎn)所起的作用為零或者很小。因為這時通過活塞1、連桿2和曲柄12，傳遞到曲軸10上的力的作用點和曲軸10中心線的距離為零或者很小。因此，產(chǎn)生的力矩就為零或者很小，曲軸10就不能很好地旋轉(zhuǎn)，由曲軸10旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的功率就為零或者很小。所以說，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的最大缺點就是效率低、浪費能源、污染環(huán)境嚴重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種效率高、節(jié)省能源、有利于環(huán)境保護的無曲軸發(fā)動機。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體，位于機體頂端的氣缸蓋和位于機體內(nèi)側(cè)的氣缸，氣缸內(nèi)設(shè)置有與連桿的一端相連的活塞，機體固定在底座上，在底座的中間位置設(shè)置有主軸，與主軸垂直相交連接有橫桿，所述的主軸與橫桿之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式中的一種，在橫桿上以主軸的軸線為對稱的位置上分別固定設(shè)置有一個與連桿的另一端相連接的固定套，其連桿與固定套為活動連接。
所述的主軸上連接有一個或一個以上的橫桿。
所述的橫桿上的每個固定套上連接有1-2個與活塞相連的連桿。
所述氣缸的中心線在活塞位于氣缸蓋一端的止點位置時，與橫桿的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿的中心線與氣缸的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體，位于機體頂端的氣缸蓋和位于機體內(nèi)側(cè)的氣缸，氣缸內(nèi)設(shè)置有與連桿的一端相連的活塞，機體固定在底座上，在底座的中間位置設(shè)置有主軸，與主軸垂直相交連接有橫桿，所述的主軸與橫桿之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式中的一種，在主軸一側(cè)的橫桿上設(shè)置有固定套或使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)兩者之中的一種；在主軸另一側(cè)的橫桿上設(shè)置有使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)或固定套兩者之中的一種；所述的固定套上活動連接著連桿的另一端。
所述的主軸上連接有一個或一個以上的橫桿。
所述的橫桿上的每個固定套上連接有1-2個與活塞相連的連桿。
所述氣缸的中心線在活塞位于氣缸蓋一端的止點位置時，與橫桿的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿的中心線與氣缸的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
本發(fā)明所采用的又一技術(shù)方案是一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體，位于機體頂端的氣缸蓋和位于機體內(nèi)的氣缸，氣缸內(nèi)設(shè)置有與連桿的一端相連的活塞，機體固定在底座上，在底座的中間位置設(shè)置有主軸，與主軸垂直相交連接有橫桿，主軸上連接有一個或一個以上的橫桿，所述的主軸與橫桿之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種，在主軸一側(cè)的橫桿上設(shè)置有固定套或功率輸出機構(gòu)兩者之中的一種；在主軸另一側(cè)的橫桿上設(shè)置有功率輸出機構(gòu)或固定套兩者之中的一種；所述的固定套上活動連接著連桿的另一端。
所述氣缸的中心線在活塞位于氣缸蓋一端的止點位置時，與橫桿的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿的中心線與氣缸的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
本發(fā)明的無曲軸發(fā)動機，由于發(fā)動機的主軸、橫桿和連桿采用上述結(jié)構(gòu)，使得爆發(fā)沖程開始時所產(chǎn)生的巨大膨脹壓力的作用點相對于主軸中心線的距離，可以根據(jù)發(fā)動機功率的需要和缸徑、沖程的大小，在合適的尺寸范圍內(nèi)選取。這樣，爆發(fā)沖程產(chǎn)生的壓力作用在橫桿上的力的作用點相對于主軸的力臂顯著增大，于是就產(chǎn)生了一個很大的力矩，所做的功可以盡可能地達到最大，因此，具有效率高、節(jié)省能源、環(huán)境污染小的特點。


圖1-1是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機橫桿和主軸之間固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1-2是圖1-1的俯視圖；圖1-3是圖1-2中A-A的剖視圖；圖1-4是圖1-2中B-B的剖視圖；圖2-1是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機橫桿和主軸之間固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-2是圖2-1的俯視圖；圖3-1是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機機身連在一起時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3-2是圖3-1的俯視圖；圖4-1是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機機身連在一起時另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4-2是圖4-1的俯視圖；圖5是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機在爆發(fā)沖程開始時的活塞、連桿、橫桿和主軸的受力情況示意圖；圖6是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機在運行中，主軸旋轉(zhuǎn)α角時的活塞、連桿、橫桿和主軸等的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7、圖9是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機上設(shè)置有輔助機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖7的俯視圖；圖10是圖9的俯視圖；圖11是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機上設(shè)置有功率輸出機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是圖11的俯視圖；圖13是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的連桿、橫桿和主軸的受力圖；圖14是現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機在爆發(fā)沖程開始時的活塞、連桿、曲柄和曲軸主軸頸的受力情況示意圖；圖15是現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機在運行中活塞越過上止點，曲軸旋轉(zhuǎn)α角時的活塞、連桿、曲柄和曲軸主軸頸等的結(jié)構(gòu)簡圖；圖16是現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機在運行中活塞越過上止點，曲軸旋轉(zhuǎn)α角時的活塞、連桿、曲柄和曲軸主軸頸等的受力圖；其中1活塞2連桿 3橫桿 4主軸5氣缸蓋 6機體 7氣缸 8固定套9底座10曲軸11主軸頸12曲柄13輔助機構(gòu) 14油缸15彈簧 16拉桿17支架 18功率輸出機構(gòu)具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明無曲軸發(fā)動機做出詳細說明。
如圖1-1、圖1-2、圖1-3、圖1-4所示，本發(fā)明的無曲軸發(fā)動機，包括有機體6，位于機體6頂端的氣缸蓋5和位于機體6內(nèi)側(cè)的氣缸7，氣缸7內(nèi)設(shè)置有與連桿2的一端相連的活塞1，機體6固定在底座9上，在底座9的中間位置設(shè)置有主軸4，與主軸4垂直相交連接有橫桿3，在主軸4上連接有一個或一個以上的橫桿3。所述的主軸4與橫桿3之間的連接為固定連接和活動連接兩種連接方式之中的一種，其中，活動連接包括有滾動軸承機構(gòu)、軸套軸瓦機構(gòu)、棘輪棘爪機構(gòu)等連接方式；固定連接包括有焊接結(jié)構(gòu)、螺紋緊固結(jié)構(gòu)和螺紋連接結(jié)構(gòu)等。
上圖所示主軸4與橫桿3的連接為固定連接。在橫桿3的兩端以主軸4的軸線為對稱的位置上分別固定設(shè)置有與連桿2的另一端相連接的固定套8，其連桿2與固定套8之間的連接為活動連接，如鉸鏈連接、軸承和軸承座連接等連接方式。
如圖1-1、圖1-2、圖1-3、圖1-4、圖2-1、圖3-1、圖4-1、圖5、圖6所示，所述的橫桿3上的每個固定套8連接有1-2個與活塞1相連的連桿2。當(dāng)每個固定套8上連接有1個連桿2時，各連桿2均位于橫桿3的同一側(cè)；當(dāng)每個固定套8上連接有2個連桿2時，兩個連桿2對稱設(shè)置在橫桿3的兩側(cè)。
在上述的圖1-4中所表示的是主軸4上的某個橫桿3的中心線可以與同一個主軸4上其它橫桿3的中心線不處在同一個平面上，只要它們的旋轉(zhuǎn)角度相同且旋轉(zhuǎn)運動同步即可。
其中，圖2-1所示，主軸4與橫桿3之間的連接是固定連接；圖3-1、圖4-1、圖5、圖6所示主軸4與橫桿3之間的連接是活動連接。
本發(fā)明的無曲軸發(fā)動機還可如圖7、圖8、圖9、圖10所示，包括有機體6，位于機體6頂端的氣缸蓋5和位于機體6內(nèi)側(cè)的氣缸7，氣缸7內(nèi)設(shè)置有與連桿2的一端相連的活塞1，機體6固定在底座9上，在底座9的中間位置設(shè)置有主軸4，與主軸4垂直相交連接有橫桿3，所述的主軸4與橫桿3之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種。其活動連接包括有滾動軸承機構(gòu)、軸套軸瓦機構(gòu)、棘輪棘爪機構(gòu)等連接方式；固定連接包括有焊接結(jié)構(gòu)、螺紋緊固結(jié)構(gòu)和螺紋連接結(jié)構(gòu)等。在主軸4一側(cè)的橫桿3上設(shè)置有固定套8或使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)13兩者之中的一種；主軸4另一側(cè)的橫桿3上設(shè)置有使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)13或固定套8兩者之中的一種；所述的固定套8上活動連接著連桿2的另一端。
所述的主軸4上連接有一個或一個以上的橫桿3。而且，橫桿3上的每個固定套8上連接有1-2個與活塞1相連的連桿2。當(dāng)每個固定套8上連接有1個連桿2時，各連桿2均位于橫桿3的同一側(cè)；當(dāng)每個固定套8上連接有2個連桿2時，兩個連桿2對稱設(shè)置在橫桿3的兩側(cè)。
如圖7所示，是本發(fā)明在主軸4一側(cè)的橫桿3上的固定套8上設(shè)置有兩個連桿2，只能完成兩個沖程時，在主軸4另一側(cè)的橫桿3上對應(yīng)設(shè)置有兩套輔助機構(gòu)13，輔助完成另兩個沖程，從而共完成四個沖程。
如圖9所示，是本發(fā)明在主軸4一側(cè)的橫桿3上的固定套8上設(shè)置有一個連桿2，只能完成一個沖程時，除了在主軸4另一側(cè)的橫桿3上對應(yīng)設(shè)置有兩套輔助機構(gòu)13以外，還在裝有固定套8的橫桿3上與氣缸7對應(yīng)設(shè)置有一套輔助機構(gòu)13，三套輔助機構(gòu)輔助完成另三個沖程，從而共完成四個沖程。
所述的輔助機構(gòu)13如圖9所示，可以選擇油缸14與彈簧15及拉桿16的連接方式。即，在橫桿3的一側(cè)上活動連接著拉桿16的一端，拉桿16的另一端貫穿彈簧15與油缸14連接，油缸14連接在底座9內(nèi)；同樣在橫桿3的另一側(cè)上活動連接著拉桿16的一端，拉桿16的另一端貫穿彈簧15與油缸14連接，而油缸14連接在支架17上，支架17則被固定在底座9上。
所述的輔助機構(gòu)13還可以選擇油缸結(jié)構(gòu)、油缸和杠桿配套結(jié)構(gòu)、氣缸結(jié)構(gòu)、氣缸與彈簧配套結(jié)構(gòu)以及氣缸與杠桿配套結(jié)構(gòu)等。
本發(fā)明的無曲軸發(fā)動機還可如圖11、圖12所示，包括有機體6，位于機體6頂端的氣缸蓋5和位于機體6內(nèi)側(cè)的氣缸7，氣缸7內(nèi)設(shè)置有與連桿2的一端相連的活塞1，機體6固定在底座9上，在底座9的中間位置設(shè)置有主軸4，與主軸4垂直相交連接有橫桿3，并且，在主軸4上連接有2個或n×2個的橫桿3(n為正整數(shù))。在主軸4一側(cè)的橫桿3上設(shè)置有固定套8或功率輸出機構(gòu)18兩者之中的一種；在主軸4另一側(cè)的橫桿3上設(shè)置有功率輸出機構(gòu)18或固定套8兩者之中的一種；所述的固定套8上活動連接著連桿2的另一端。而且，橫桿3上的每個固定套8上連接有1-2個與活塞1相連的連桿2。當(dāng)每個固定套8上連接有1個連桿2時，各連桿2均位于橫桿3的同一側(cè)；當(dāng)每個固定套8上連接有2個連桿2時，兩個連桿2對稱設(shè)置在橫桿3的兩側(cè)。
本發(fā)明的功率輸出機構(gòu)18可以是由油缸構(gòu)成的功率輸出機構(gòu)，也可以是由油缸與彈簧結(jié)合構(gòu)成的功率輸出機構(gòu)；還可以是由氣缸構(gòu)成的功率輸出機構(gòu)等。其中，功率輸出機構(gòu)18是通過拉桿16與橫桿3連接，拉桿16與橫桿3之間為活動連接。
在上述的各個實施例中，所述氣缸7的中心線在活塞1位于氣缸蓋5一端的止點位置時，與橫桿3的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿2的中心線與氣缸7的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°，在整個運行過程中，氣缸7的中心線、活塞1的中心線、連桿2的中心線和橫桿3的中心線在同一個平面內(nèi)。在本發(fā)明的各實施例中，都選用＝0°，β0＝0°。
下面結(jié)合圖1-1至圖5敘述本發(fā)明無曲軸發(fā)動機各種實施例的工作原理。
各圖中所示I缸處于壓縮沖程終了，II缸處于吸氣沖程結(jié)束，III缸處于排氣沖程上止點(設(shè)氣缸蓋5所處的一端為上)，IV缸處于爆發(fā)(作功)沖程末尾(終止)。如圖1-1至圖1-4所示的實施例，由于其多于4個氣缸，多余氣缸的進氣(吸氣)、壓縮、爆發(fā)和排氣沖程，可以根據(jù)功率的需要和缸徑、沖程的大小合理地安排。其工作原理如下
I缸開始爆發(fā)沖程。此時，該氣缸的中心線、連桿的中心線與橫桿的中心線相互之間處于原始的夾角位置，即連桿的中心線與氣缸的中心線成β0角相交，而氣缸的中心線與橫桿的中心線的垂線成角相交。爆發(fā)開始時產(chǎn)生的巨大膨脹壓力作用在橫桿上，橫桿與主軸成垂直連接，連桿中心線與橫桿中心線的交點到主軸中心線的距離即為力臂，該距離的大小設(shè)計時可以根據(jù)功率的需要和缸徑、沖程的大小選取合適的尺寸，當(dāng)活塞與氣缸的摩擦力忽略不計時(為了便于說明問題這里暫且忽略不計，包括摩擦、振動、噪音和熱損失等)，主軸旋轉(zhuǎn)的力矩＝最大壓力÷cosβ0×Sin(90°-+β0)×力臂(最大壓力指的是爆發(fā)開始時活塞上表面所承受的總的氣壓)。其他(II、III、IV)缸的爆發(fā)沖程，因為它們的結(jié)構(gòu)原理、尺寸相同，爆發(fā)沖程發(fā)生和發(fā)展的過程和I缸完全一樣。
實施例一如圖1-1至圖1-4和圖2-1至2-2所示，當(dāng)橫桿與主軸是固定連接時，主軸是來回反復(fù)轉(zhuǎn)動的，這樣通過主軸或橫桿將功率傳送出去。
實施例二如圖3-1至圖3-2、圖4-1至圖4-2和圖5所示，橫桿與主軸之間的連接是活動連接，主軸相對于橫桿可以有兩種狀態(tài)第一種狀態(tài)橫桿的中間部位設(shè)置圓筒，圓筒和主軸之間設(shè)置有滾動軸承、或軸套軸瓦等，發(fā)動機運行中，橫桿不帶動主軸旋轉(zhuǎn)，此時，完全通過橫桿將功率輸送出去；第二種狀態(tài)橫桿與主軸之間設(shè)置有棘輪棘爪結(jié)構(gòu)，發(fā)動機運行中，橫桿帶動主軸朝一個方向旋轉(zhuǎn)，此時與傳統(tǒng)的發(fā)動機輸送功率的方式一樣，即通過主軸旋轉(zhuǎn)將功率輸送出去。但無論采取上述哪一種狀態(tài)方式，都能獲得最大的功率輸出(除去摩擦力、振動、噪音和熱損失等)。
實施例三如圖4-1和圖4-2所示，本例的結(jié)構(gòu)是適合小功率、小缸徑，工作空間狹窄的工作環(huán)境中使用的具體實施方案。其橫桿與主軸之間為活動連接，根據(jù)具體情況，它可以采用上述的第一種狀態(tài)，也可以采用上述的第二種狀態(tài)。
當(dāng)I缸爆發(fā)沖程結(jié)束時，II缸壓縮沖程終了，III缸吸氣沖程結(jié)束，IV缸排氣沖程完成。這時，II缸開始爆發(fā)沖程，其做功的原理和I缸是一樣的。
當(dāng)II缸爆發(fā)沖程結(jié)束時，I缸排氣沖程完了，III缸壓縮沖程終止，IV缸吸氣沖程完成。這時，III缸開始爆發(fā)沖程，它做功的過程和I缸、II缸做功的情況相同。
當(dāng)III缸爆發(fā)沖程結(jié)束時，I缸吸氣沖程完成，II缸排氣沖程完結(jié)，IV缸壓縮沖程告終。這時，IV缸開始爆發(fā)沖程，它做功的情況和I缸、II缸、III缸做功的情況一樣。
圖1-1至圖1-4所示的發(fā)動機中，氣缸數(shù)多于4個，如果有6個氣缸，即I、II、III、IV、V和VI缸，在這種情形中，就有可能一個沖程中有兩個氣缸處于爆發(fā)沖程。如果有8個氣缸，那么，每一個沖程都有兩個氣缸處于爆發(fā)沖程；如果有12個氣缸，那么，每一個沖程中就有3個氣缸處于爆發(fā)沖程，如此類推。每一個氣缸相繼完成4個沖程以后，繼續(xù)循環(huán)下面的沖程，如此往復(fù)不斷，發(fā)動機輸出功率。
為了充分說明本發(fā)明的優(yōu)點，下面結(jié)合圖5和圖14，將本發(fā)明無曲軸發(fā)動機在爆發(fā)沖程開始時的活塞、連桿、橫桿和主軸與現(xiàn)有技術(shù)中6130柴油機在爆發(fā)(作功)沖程開始時的活塞、連桿和曲軸的受力情況作對比分析假設(shè)這兩種發(fā)動機的缸徑X沖程＝130×150(mm)是一樣的，而且它們的連桿長度也是相同的，均為252mm。當(dāng)爆發(fā)沖程開始時，在兩種發(fā)動機的活塞上表面都有相同(細微差別忽略不計)的爆發(fā)壓力，以980.665N/cm2(100kg/cm2)計算(柴油機最大爆發(fā)壓強可達1176.798N-1372.931N/cm2-120kg-140kg/cm2)，那么在本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的活塞上(如圖5所示)，就有πR2×980.665÷cosβ0＝130165.91N(13273.23kg)÷cosβ0的壓力由活塞傳遞到連桿，再由連桿傳遞到橫桿上，此力乘以Sin(90°-+β0)，再乘以連桿與橫桿的交點到主軸中心線的距離，就是使主軸旋轉(zhuǎn)的力矩，即πR2×980.665N/cm2÷cosβ0×Sin(90°-+β0)×0.075＝9762.44331÷cosβ0×Sin(90°-+β0)(N.m)(取交點到主軸中心線的距離為75mm)。而在6130柴油機上(如圖14所示)，此時活塞中心線、連桿中心線、曲柄中心線都重合到曲軸主軸頸的中心，雖然這時在活塞上表面也具有130165.1908N的壓力，但因為這時力臂等于零，所以壓力對于曲軸旋轉(zhuǎn)來說其作用等于零。
如圖6所示，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機在運行中，設(shè)主軸旋轉(zhuǎn)角為α。
如圖15所示，6130柴油機在運行中，爆發(fā)沖程開始后，活塞越過上止點，設(shè)曲軸旋轉(zhuǎn)角為α。
下面根據(jù)圖6、圖15的結(jié)構(gòu)簡圖，分別畫出它們的受力圖。
圖13是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的連桿、橫桿和主軸的受力圖；圖16是現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機的連桿、曲柄和曲軸主軸頸的受力圖。
以圖13、圖16為依據(jù)，進一步分析計算本發(fā)明無曲軸發(fā)動機和現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機在運行中的受力情況和力矩大小。
為了和現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機的對比簡單、明顯，在下面實例一、實例二、實例三和其后的計算中，假設(shè)無曲軸發(fā)動機初始狀態(tài)下的角和β0角都為0°(活塞運行到上止點時的位置為初始狀態(tài))，即＝0°，β0＝0°。
實例一圖13是本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的連桿、橫桿和主軸的受力圖，圖中O-O為氣缸中心線，B點是當(dāng)活塞位于上止點時連桿EC與橫桿AB的交點，AC是當(dāng)橫桿AB繞主軸A運轉(zhuǎn)α角度時的位置，C點是連桿EC與橫桿AC的交點，也是活塞上此時承受的壓力，通過連桿EC的傳遞，作用在橫桿AC上的力的作用點。假設(shè)當(dāng)α＝5°時在氣缸內(nèi)活塞上表面的壓強為110kg/cm2，即110×9.80665/cm2。計算步驟如下設(shè)α＝5°，AB＝AC＝75mm，EC＝252mm根據(jù)計算F＝110×9.80665×πR2＝143182.5019(N)，β＝0.064889203°，θ＝85.06488806°則連桿EC上的分力F1為F1＝F/COSβ＝143182.5937(N)施加在C點上的切向力F2為F2＝F/COSβ×SINθ＝142651.782(N)作用在主軸上的力矩為M＝F/COSβ×SINθ×0.075＝10698.88365(N.m)圖16是現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機的活塞、連桿和曲軸的受力圖，圖中X點為曲軸主軸頸的中心，XY代表曲柄的長度，ZY代表連桿，Z點是連桿與活塞連接的交點，Y是連桿與曲柄的交點。設(shè)α＝5°時氣缸上表面的壓強和無曲軸發(fā)動機相同。
設(shè)α＝5°，XY＝75mm，ZY＝252mm根據(jù)計算F＝110×9.80665×πR2＝143182.5019(N)，β＝1.486373914
則連桿ZY上的分力F1為F1＝F/COSβ＝143230.6958(N)施加在Y點上并且垂直于XY，使XY繞X點作順時針運轉(zhuǎn)的切向力F2F2＝F/COSβ×SIN(α+β)＝16180.33045(N)使曲軸繞X點作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩為M＝F/COSβ×SIN(α+β)×0.075＝1213.524784(N.m)由此可見，α＝5°時，在本發(fā)明無曲軸發(fā)動機中，施加在主軸上的力矩是10698.88365N.m，而在6130柴油機中，施加在曲軸上的力矩為1213.524784N.m，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機主軸上的力矩是6130柴油機曲軸上力矩的8.8倍。
實例二在圖13中，設(shè)α＝10°，AB＝AC＝75mm，EC＝252mm，設(shè)此時活塞上表面的壓強為120kg/cm2，即120×9.80665/cm2根據(jù)計算F＝120×9.80665×πR2＝156199.093(N)β＝0.259063864°，θ＝80.25906392°則連桿EC上的分力F1為F1＝F/COSβ＝156200.6896(N)施加在C點上的切向力F2為F2＝F/COSβ×SINθ＝153948.7188(N)對主軸A點的力矩為M＝F/COSβ×SINθ×0.075＝11546.15391(N.m)在圖16中，設(shè)α＝10°，XY＝75mm，ZY＝252mm，設(shè)此時活塞上表面的壓強和無曲軸發(fā)動機相同。
根據(jù)計算F＝120×9.80665×πR2＝156199.093(N)，β＝2.962423202則連桿ZY上的分力F1為F1＝F/COSβ＝156408.1099(N)施加在Y點上并且垂直于XY，使XY繞X點作順時針運轉(zhuǎn)的切向力F2F2＝F/COSβ×SIN(α+β)＝35084.21223(N)使曲軸繞X點作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩為M＝F/COSβ×SIN(α+β)×0.075＝2631.315918(N.m)由此可見，α＝10°時，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機主軸上的力矩是6130柴油機曲軸上力矩的4.39倍。
實例三
在圖13中，設(shè)α＝20°，AB＝AC＝75mm，EC＝252mm，設(shè)此時活塞上表面的壓強為140kg/cm2，即140×9.80665N/cm2根據(jù)計算F＝140×9.80665×πR2＝182232.2751(N)，β＝1.028435627°，θ＝71.02843578°則施加在C點上的切向力F2為F2＝F/COSβ×SINθ＝172361.1904(N)對主軸A點的力矩為M＝F/COSβ×SINθ×0.075＝12927.08928(N.m)在圖16中，設(shè)α＝20°，XY＝75mm，ZY＝252mm，設(shè)此時活塞上表面的壓強和無曲軸發(fā)動機相同。
根據(jù)計算F＝140×9.80665×πR2＝182232.2751(N)，β＝5.842354404°則連桿ZY上的分力F1為F1＝F/COSβ＝183183.7804(N)施加在Y點上并且垂直于XY，使XY繞X點作順時針運轉(zhuǎn)的切向力F2F2＝F/COSβ×SIN(α+β)＝79849.17193(N)使曲軸繞X點作順時針旋轉(zhuǎn)的力矩為M＝F/COSβ×SIN(α+β)×0.075＝5988.687895(N.m)由此可見，當(dāng)α＝20°時，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機主軸上的力矩是6130柴油機曲軸上力矩的2.16倍。
綜上所述，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機比傳統(tǒng)發(fā)動機在相同條件下功效要高，而且是數(shù)倍于傳統(tǒng)發(fā)動機，這還只是僅舉4個沖程，即吸氣、壓縮、爆發(fā)、排氣中的一個沖程，在其他三個沖程吸氣、壓縮和排氣沖程中，因為是耗費發(fā)動機已有的能量，完成同樣的工作本發(fā)明無曲軸發(fā)動機比傳統(tǒng)發(fā)動機更省力，耗力只是傳統(tǒng)發(fā)動機的幾分之一。
在實際應(yīng)用中，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機連桿的中心線與橫桿的中心線的交點到主軸的距離，其比較合適的數(shù)值是該距離值為1.2-10倍的缸徑。
借用現(xiàn)有技術(shù)6130柴油機做參照物，目的是為了對比明顯，其實本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的優(yōu)越性遠不止這些。如假設(shè)本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的連桿與橫桿的交點到主軸的距離為400mm，即AB＝AC＝400mm，缸徑×沖程＝130×150(mm)，其效率會更高。
例如當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角α＝0°時，β＝0°，θ＝90°，假設(shè)這時活塞上表面壓強為100kg/cm2×9.80665＝980.665N/cm2，于是，加在主軸上的力矩為M＝52066.364N.m，而6130柴油機此時的旋轉(zhuǎn)力矩為零，二者無法相比。
當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角α＝5°時，β＝0.346077837°，θ＝85.34607763°，設(shè)此時活塞上表面的壓強為110×9.80665N/cm2，F(xiàn)＝143182.5019N，于是，加在主軸上的力矩為M＝57085.21072N.m，是6130柴油機的47倍。
當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角α＝10°時，β＝1.381803162°，θ＝81.38180334°，設(shè)這時活塞上表面的壓強為120×9。80665N/cm2，F(xiàn)＝156199.093N，于是，加在主軸上的力矩為M＝61792.13882N.m，是6130柴油機的23.5倍。
當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)角α＝20°時，β＝5.493106877°，θ＝75.49310671°，設(shè)此時活塞上表面的壓強為140kg/cm2，即140×9.80665＝1372.931N/cm2，F(xiàn)＝182232.2751N，于是，加在主軸上的力矩為M＝70894.46967N.m，是6130柴油機的11.8倍。
在本發(fā)明無曲軸發(fā)動機上，在主軸旋轉(zhuǎn)角α＝21.77403814°，當(dāng)連桿與橫桿交點到主軸的距離為400mm，連桿長為252mm，缸徑×沖程＝130×150(mm)時，沖程就能達到150mm。事實上，爆發(fā)沖程在6130柴油機上在曲軸旋轉(zhuǎn)60°-70°時，氣缸內(nèi)燃油的燃燒就基本全部結(jié)束，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機燃油在氣缸內(nèi)的燃燒會比它好。
上面的分析比較只是為了容易看出差別，所以選擇缸徑、沖程都一樣。根據(jù)本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的主軸、橫桿和連桿的結(jié)構(gòu)特點，沖程選擇在1.2-15倍缸徑，主軸旋轉(zhuǎn)角度也應(yīng)作適當(dāng)改變，更重要的是選擇合適的角和β0角的初始值，即0°≤＜30°，0°≤β0＜15°，才比較合適。
以上分析比較，僅從效力方面而論，本發(fā)明還有其他方面的優(yōu)越性，例如1.加工主軸和橫桿要比加工曲軸既省時又省力，而且精度更容易保證，特別是大型和超大型發(fā)動機；2.本發(fā)明無曲軸發(fā)動機在運行中，活塞對氣缸壁的側(cè)向力比傳統(tǒng)發(fā)動機在運行中活塞對氣缸壁的側(cè)向力要小得多，活塞環(huán)對氣缸壁橢圓形磨損要輕得多，因此而引起的功率損失也小得多，噪音也小得多，同時，也使本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的致傾復(fù)性危險也要小得多。
3.在爆發(fā)沖程開始時，因為傳統(tǒng)內(nèi)燃機活塞、連桿、曲軸結(jié)構(gòu)的原因，使得巨大的膨脹壓力無處施展，重重的壓在活塞、連桿和曲軸上，使得這些零件必須增加強度，否則容易損壞，氣缸內(nèi)相同的壓強對氣缸壁與活塞環(huán)的密封、氣缸與氣缸蓋的密封，以及它所帶來的壓力對連桿的軸套、軸瓦、曲軸的軸瓦、氣缸蓋的緊固螺釘?shù)榷际菢O其嚴重的負擔(dān)。而在本發(fā)明無曲軸發(fā)動機上，這一切都大為改觀，變害為利。最大的膨脹壓力作用在橫桿上，而橫桿又垂直作用在主軸上，這個力矩有多大，效力是相當(dāng)驚人的。在這一點上，傳統(tǒng)發(fā)動機與本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的比較，不是百分之幾十的差距，而是無法相比。
4.本發(fā)明無曲軸發(fā)動機由于沖程可以做得比傳統(tǒng)發(fā)動機的沖程大很多，所以進氣可以更多，燃燒要比傳統(tǒng)發(fā)動機好，傳統(tǒng)發(fā)動機在爆發(fā)沖程中，曲軸旋轉(zhuǎn)60°-70°，燃燒基本結(jié)束，那么在本發(fā)明中，如果也讓主軸旋轉(zhuǎn)60°-70°，燃油在氣缸中燃燒會更充分，同樣的燃料燃燒轉(zhuǎn)變成的機械能會更大，廢氣排放造成的污染會更小。
5.本發(fā)明無曲軸發(fā)動機除了燃料在氣缸中的燃燒要比傳統(tǒng)發(fā)動機更好以外，即使相同的燃料產(chǎn)生相等的動能，由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點，從運動學(xué)和動力學(xué)的角度來分析，本發(fā)明無曲軸發(fā)動機的往復(fù)慣性力比傳統(tǒng)發(fā)動機的要大，即使在上止點和下止點兩處，往復(fù)慣性力也可以被利用，這在傳統(tǒng)發(fā)動機上是做不到的。而旋轉(zhuǎn)慣性力比傳統(tǒng)的要小，所以轉(zhuǎn)化為主軸的旋轉(zhuǎn)力距要比傳統(tǒng)的曲軸的旋轉(zhuǎn)力距要大得多。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明無曲軸發(fā)動機進行了多方面的描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)力要求所保護的范圍的情況下，還可以做出更多的實施形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之列。
權(quán)利要求
1.一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體(6)，位于機體(6)頂端的氣缸蓋(5)和位于機體(6)內(nèi)側(cè)的氣缸(7)，氣缸(7)內(nèi)設(shè)置有與連桿(2)的一端相連的活塞(1)，其特征在于，機體(6)固定在底座(9)上，在底座(9)的中間位置設(shè)置有主軸(4)，與主軸(4)垂直相交連接有橫桿(3)，所述的主軸(4)與橫桿(3)之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種，在橫桿(3)上以主軸(4)的軸線為對稱的位置上分別固定設(shè)置有一個與連桿(2)的另一端相連接的固定套(8)，其連桿(2)與固定套(8)為活動連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述的主軸(4)上連接有一個或一個以上的橫桿(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述的橫桿(3)上的每個固定套(8)上連接有1-2個與活塞(1)相連的連桿(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述氣缸(7)的中心線在活塞(1)位于氣缸蓋(5)一端的止點位置時，與橫桿(3)的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿(2)的中心線與氣缸(7)的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
5.一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體(6)，位于機體(6)頂端的氣缸蓋(5)和位于機體(6)內(nèi)側(cè)的氣缸(7)，氣缸(7)內(nèi)設(shè)置有與連桿(2)的一端相連的活塞(1)，其特征在于，機體(6)固定在底座(9)上，在底座(9)的中間位置設(shè)置有主軸(4)，與主軸(4)垂直相交連接有橫桿(3)，所述的主軸(4)與橫桿(3)之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種，在主軸(4)一側(cè)的橫桿(3)上設(shè)置有固定套(8)或使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)(13)兩者之中的一種；在主軸(4)另一側(cè)的橫桿(3)上設(shè)置有使活塞連桿繼續(xù)正常運行的輔助機構(gòu)(13)或固定套(8)兩者之中的一種；所述的固定套(8)上活動連接著連桿(2)的另一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述的主軸(4)上連接有一個或一個以上的橫桿(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述的橫桿(3)上的每個固定套(8)上連接有1-2個與活塞(1)相連的連桿(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述氣缸(7)的中心線在活塞(1)位于氣缸蓋(5)一端的止點位置時，與橫桿(3)的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿(2)的中心線與氣缸(7)的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
9.一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體(6)，位于機體(6)頂端的氣缸蓋(5)和位于機體(6)內(nèi)的氣缸(7)，氣缸(7)內(nèi)設(shè)置有與連桿(2)的一端相連的活塞(1)，其特征在于，機體(6)固定在底座(9)上，在底座(9)的中間位置設(shè)置有主軸(4)，與主軸(4)垂直相交連接有橫桿(3)，主軸(4)上連接有兩個或兩個以上的橫桿(3)，所述的主軸(4)與橫桿(3)之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種，在主軸(4)一側(cè)的橫桿(3)上設(shè)置有固定套(8)或功率輸出機構(gòu)(18)兩者之中的一種；在主軸(4)另一側(cè)的橫桿(3)上設(shè)置有功率輸出機構(gòu)(18)或固定套(8)兩者之中的一種；所述的固定套(8)上活動連接著連桿(2)的另一端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無曲軸發(fā)動機，其特征在于，所述氣缸(7)的中心線在活塞(1)位于氣缸蓋(5)一端的止點位置時，與橫桿(3)的中心線的垂線成角相交，其中，角所在的范圍是0°≤＜30°；與此同時，連桿(2)的中心線與氣缸(7)的中心線成β0角相交，其中，β0角所在的范圍是0°≤β0＜15°。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無曲軸發(fā)動機，包括有機體，位于機體頂端的氣缸蓋和位于機體內(nèi)側(cè)的氣缸，氣缸內(nèi)設(shè)置有與連桿的一端相連的活塞，機體固定在底座上，在底座的中間位置設(shè)置有主軸，與主軸垂直相交連接有一個或一個以上的橫桿，所述的主軸與橫桿之間的連接為固定連接或活動連接兩種連接方式之中的一種，在橫桿上以主軸的軸線為對稱的位置上分別固定設(shè)置有一個與連桿的另一端相連接的固定套，其連桿與固定套為活動連接。每個固定套上連接有1－2個與活塞相連的連桿。本發(fā)明由于發(fā)動機的主軸、橫桿和連桿采用上述的結(jié)構(gòu)，爆發(fā)壓力可以產(chǎn)生很大的力距，所做的功可以盡可能地達到最大，因此，具有效率高、節(jié)省能源、環(huán)境污染小的特點。
文檔編號F02B75/00GK1940267SQ20061015292
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者夏華榮 申請人:夏華榮