内燃机使用往复运动与旋转运动转换机构分析

摘要：传统内燃机活塞往复运动转换曲轴旋转运动大都使用曲柄连杆机构，将一种往复运动与旋转运动转换机构中的齿轮曲轴、齿轮连杆、半月形滑块、平衡限位块，合理组合的新机构在内燃机上使用，替代曲柄连杆机构的曲轴、连杆，可使内燃机减少磨擦、减轻振动、减轻重量和体积，提高内燃机热效率、提高功率;这种新机构能够在汽油机上面使用，目前已经通过实验得到了初步验证。

关键词：往复运动与旋转运动转换机构;齿轮曲轴;齿轮连杆;半月形滑块;平衡限位块

中图分类号：TK413.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0050-02

0  引言

这种由往复运动与旋转运动转换机构的齿轮曲轴、齿轮连杆、半月形滑块、平衡限位块组成的新机构，部件分别用多轴机床加工制造，齿轮曲轴可制成单缸、双缸及多缸形式，供内燃机使用;组合后的新机构可达到类似于[无连杆发动机可靠运动的条件为“连杆与曲柄在任意曲柄转角位置，必须转向相反，转速相同”]的效果，实现内燃机可靠运转。

本文用单缸机使用的新机构来说明它的构造组成和工作原理。

1  新机构各部分构成简介

1.1  一个齿轮曲轴

采用双支撑单拐的曲轴结构，曲柄销的中间位置制成直齿圆柱外齿轮，齿轮上做装配记号，齿轮的两边预留位置，用以安装平衡限位块，并有限制平衡限位块绕曲柄销转动的设计，见图1，左3位置。

1.2 一个齿轮连杆

和传统的连杆外形相似，齿轮连杆小头和传统连杆小头形状一样，齿轮连杆大头采用闭合设计，内壁制成直齿圆柱内齿轮，和齿轮曲轴圆柱外齿轮模数相同，是一对内啮合齿轮，齿轮齿数是齿轮曲轴齿轮齿数的两倍，齿轮上做装配记号，齿轮连杆厚度略小于曲轴齿轮上的外齿轮宽度，见图1，左2位置。

1.3 一个半月形滑块

滑块的外圆弧和齿轮连杆上的齿顶圆弧一致，内圆弧和曲轴齿轮上的齿轮齿顶圆弧一致，厚度和齒轮连杆厚度一致，见图1，左1位置。

1.4 两个平衡限位块

两个平衡限位块形状相同，每块由平衡限位块盖、平衡限位块体组成，用螺栓安装到齿轮曲轴外齿轮的两边预留位置上，装配后平衡限位块和齿轮曲轴各自的凹凸相符合，连接位置中间不留空隙，平衡限位块的旋转轴线和齿轮曲轴的旋转轴线一致，见图1，左4、左5位置。

2  新机构的组装简介

将齿轮连杆安装到活塞上，将安装好的齿轮连杆、活塞装到到汽缸套中（齿轮连杆大头外径大于汽缸套直径的，可以考虑从汽缸套下部往上安装），将活塞向下移动保留在汽缸套内，齿轮连杆在汽缸套外面，将齿轮曲轴从齿轮连杆大头孔中穿入，齿轮曲轴和齿轮连杆记号对正后啮合，然后将半月形滑块沿齿轮曲轴轴向方向装入齿轮连杆大头孔齿顶圆内，将两个平衡限位块分别紧固在齿轮曲轴上的齿轮两边的曲柄销上，固定好的两个平衡限位块可以增加曲轴强度、限制齿轮连杆和半月形滑块沿曲轴轴向方向活动，使机件在运动中不致脱离、脱落，新机构能可靠运动，并起到平衡齿轮曲轴曲柄销的部分旋转不平衡量的作用，将齿轮曲轴、齿轮活塞、半月形滑块和平衡限位块组成的新机构整体向上推动，用曲轴轴承、曲轴轴承座将齿轮曲轴的两端固定在机体上，这样就组装完成了新的往复运动与旋转运动转换机构;因为连杆齿轮齿数是齿轮曲轴齿数的两倍，所以，齿轮曲轴顺时针转动一圈的同时，它的外齿轮沿齿轮活塞上的内齿轮逆时针顺序啮合一圈，半月形滑块随之同时逆时针绕曲柄销转动一圈，共同作用驱动活塞在缸套内完成一次往复运动，新的往复运动与旋转运动转换机构完成一次循环。

3  新机构的特点

3.1 减小机械摩擦损失，提高发动机热功率

发动机机械损失的30%，来自活塞及活塞环（组）的摩擦阻力，其中活塞裙部与活塞环（组）的摩擦阻力比例大约各占一半，新机构齿轮曲轴上的外齿轮和齿轮连杆在相互啮合、运动时，半月形滑块总是被外齿轮驱动转动到啮合点的相对位置，曲轴齿轮对连杆齿轮及活塞产生的径向推力被抵消，只有连杆齿轮绕曲柄销上的外齿轮的翻转力，对活塞和汽缸壁之间的摩擦作用较小;

活塞裙部和汽缸壁之间的润滑油膜由于没有来自传统曲柄连杆机构的连杆推力所形成的剪切力，不容易因挤压而断裂，润滑条件得到良好改善，活塞裙部与汽缸壁之间摩擦力进一步减小;

齿轮连杆大头没有横向的左右旋转摆动，活塞销和销孔、连杆孔之间没有摩擦力，没有发动机机械摩擦损失;

受此几个原因的影响，发动机机械摩擦损失降低，发动机能提高热功率，提高有效转矩;将来技术成熟以后，还可以考虑将缸孔、活塞都正圆加工，连杆和活塞制成一体，减掉活塞销和活塞销孔质量，进一步提高发动机热功率。

3.2 减轻振动

新机构的齿轮曲轴驱动齿轮连杆带动活塞在缸套内往复运动，齿轮连杆大头没有横向的左右旋转摆动，只有上下往复运动，齿轮连杆大头质量不再是回转不平衡质量;曲柄销的部分回转不平衡质量被两个平衡限位块平衡掉，剩下的回转不平衡质量曲柄销的外齿轮，和半月形滑块在齿轮连杆大头内组成一个完整的圆柱形，完成回转、旋转的同时随齿轮连杆一起上下往复运动，这样齿轮曲轴总的回转运动不平衡质量都得到了平衡，离心惯性力影响减小，发动机的上下、左右振动都得到减轻;

齿轮曲轴上的齿轮驱动连杆齿轮时，推力一部分由齿轮曲轴和齿轮连杆的啮合部直接传递，另一部分由齿轮曲轴，结合半月形滑块从曲柄销的轴心向齿轮连杆传递，多方位、多方向的传递方式使活塞运动平顺、换向圆滑，活塞工作时减少粗暴，振动减轻;

传统内燃机的曲柄连杆机构“活塞上止点到曲轴转90°的对应的位置，大于曲轴由90°运转到活塞下止点的距离”，“活塞下行是前半程较快，后半程比较慢（活塞上行是前半程慢后半程快）”，正是因为单个行程中周期性的速度快慢变化“导致了发动机有二阶不平衡”，这种二阶惯性力不平衡增强了内燃机振动，而新机构理论上每个半程行程，活塞运动的速度没有周期性的快慢变化，可以减少二阶惯性力不平衡对内燃机振动影响;几个因素的影响使新机构能够减轻内燃机振动。

3.3 减少重量，减小体积

新机构的齿轮曲轴曲拐短，旋转半径小，连杆和曲轴重叠部分较短，连杆可以做短些，连杆质量减轻，往复惯性力的影响减小，旋转半径小旋转惯量小，对发动机提高热效率有贡献，缸体和机油盘的高度也可以降低，连杆大头无摆动，发动机的内部所需要的空间减小，缸体可以变窄，发动机的重量减少，体积减小。

3.4 可提高发动机转速，提高功率

曲柄连杆机构的最大旋转力臂是曲轴半径;

根据新机构的工作原理，齿轮曲轴配合半月形滑块直接驱动齿轮连杆带动活塞，新机构的最大旋转力臂是曲轴轴心线到齿轮啮合点，曲轴半径是最大旋转力臂的一半，所以新机构和曲柄连杆机构不同的是：曲轴的最大旋转力臂是曲轴半径的两倍;如果采用两种不同机构的发动机，缸径、行程、转速相同，新机构的曲轴半径只有传统曲柄连杆机构曲轴半径的一半，此时按照转速和线速度关系公式V=3.14nr/30（米/秒）（其中V是线速度、n是转速、r是旋转半径）计算，新机构发动机曲柄销轴心绕曲轴旋转的线速度只有曲柄连杆机构发动机曲柄销轴心绕曲轴旋转线速度的一半，显然新机构的发动机更容易达到高速运转，使用新机构可提高发动机转速，提高功率。

4  机构能否运行的验证

根据往复运动与旋转运动转换机构的特点，选用一款190F单缸通用汽油机，参数：活塞缸径90mm、活塞行程65mm、发动机排量0.420L（实际计算是0.413L）、压缩比8.3：1、标定转速3600r/min;汽缸压力约1.07MPa，曲轴半经是32.5mm，它的最大旋转力臂也是32.5mm。

新机构机件材料选用45#钢，选择齿轮模数1.5，齿数44：22。

曲轴半径=齿轮轴心距=（齿数-齿数）*1.5/2=16.5mm，最大旋转力臂=16.5mm*2=33mm，改装新机构后的汽油机参数：活塞缸径90mm、活塞行程16.5*2*2=66mm，发动机排量0.420L，使用加厚汽缸垫实测，改装后的发动机汽缸压力约1.05MPaa，推断压缩比和8.3：1接近。

图2是新机构状态示意图，图3是新机构完成状态示意图。

改装后的发动机去掉了平衡轴及平衡轴驱动齿轮， 润滑方式仍采用激践润滑，加注足量润滑油后，发动机顺利启动，持续运转越一分钟，转速约1500-1800r/min，发动机运转平稳，振动较小;因为新机构机件加工工艺简单、机件表面粗糙，没有继续进行试验，只是验证了使用往复运动与旋转运动转换机构的新机构可以用于汽油机。

5  结论

综合以上论述和验证结果，可以得出：往复运动与旋转运动转换机构可以在汽油机上使用;使用往复运动与旋转运动转换机构可以减少发动机机械损失，提高发动机热功率，提高发动机功率，減轻发动机振动，减轻发动机重量和体积;此往复运动与旋转运动转换机构可以在部分范围内替代曲柄连杆机构。

参考文献：

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[2]杜发荣.无连杆发动机活塞侧向力分析[N].洛阳工学院学报，1996-17-1.

[3]蔡吉洲.双向无连杆活塞往复运动机构[P].中国专利：2016

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[4]王晓鹏.发动机平衡[G].汽车工程解读，2019-07-04.

作者简介：蔡吉洲（1968-），男，山东烟台人，中级汽车维修工、汽车维修质量检验员，山东省交通运输集团有限公司员工，从事汽车维修、检验工作。