內燃機使用往復運動與旋轉運動轉換機構分析

摘要：傳統內燃機活塞往復運動轉換曲軸旋轉運動大都使用曲柄連桿機構，將一種往復運動與旋轉運動轉換機構中的齒輪曲軸、齒輪連桿、半月形滑塊、平衡限位塊，合理組合的新機構在內燃機上使用，替代曲柄連桿機構的曲軸、連桿，可使內燃機減少磨擦、減輕振動、減輕重量和體積，提高內燃機熱效率、提高功率;這種新機構能夠在汽油機上面使用，目前已經通過實驗得到了初步驗證。

關鍵詞：往復運動與旋轉運動轉換機構;齒輪曲軸;齒輪連桿;半月形滑塊;平衡限位塊

中圖分類號：TK413.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0050-02

0 ?引言

這種由往復運動與旋轉運動轉換機構的齒輪曲軸、齒輪連桿、半月形滑塊、平衡限位塊組成的新機構，部件分別用多軸機床加工制造，齒輪曲軸可制成單缸、雙缸及多缸形式，供內燃機使用;組合后的新機構可達到類似于[無連桿發動機可靠運動的條件為“連桿與曲柄在任意曲柄轉角位置，必須轉向相反，轉速相同”]的效果，實現內燃機可靠運轉。

本文用單缸機使用的新機構來說明它的構造組成和工作原理。

1 ?新機構各部分構成簡介

1.1 ?一個齒輪曲軸

采用雙支撐單拐的曲軸結構，曲柄銷的中間位置制成直齒圓柱外齒輪，齒輪上做裝配記號，齒輪的兩邊預留位置，用以安裝平衡限位塊，并有限制平衡限位塊繞曲柄銷轉動的設計，見圖1，左3位置。

1.2 一個齒輪連桿

和傳統的連桿外形相似，齒輪連桿小頭和傳統連桿小頭形狀一樣，齒輪連桿大頭采用閉合設計，內壁制成直齒圓柱內齒輪，和齒輪曲軸圓柱外齒輪模數相同，是一對內嚙合齒輪，齒輪齒數是齒輪曲軸齒輪齒數的兩倍，齒輪上做裝配記號，齒輪連桿厚度略小于曲軸齒輪上的外齒輪寬度，見圖1，左2位置。

1.3 一個半月形滑塊

滑塊的外圓弧和齒輪連桿上的齒頂圓弧一致，內圓弧和曲軸齒輪上的齒輪齒頂圓弧一致，厚度和齒輪連桿厚度一致，見圖1，左1位置。

1.4 兩個平衡限位塊

兩個平衡限位塊形狀相同，每塊由平衡限位塊蓋、平衡限位塊體組成，用螺栓安裝到齒輪曲軸外齒輪的兩邊預留位置上，裝配后平衡限位塊和齒輪曲軸各自的凹凸相符合，連接位置中間不留空隙，平衡限位塊的旋轉軸線和齒輪曲軸的旋轉軸線一致，見圖1，左4、左5位置。

2 ?新機構的組裝簡介

將齒輪連桿安裝到活塞上，將安裝好的齒輪連桿、活塞裝到到汽缸套中（齒輪連桿大頭外徑大于汽缸套直徑的，可以考慮從汽缸套下部往上安裝），將活塞向下移動保留在汽缸套內，齒輪連桿在汽缸套外面，將齒輪曲軸從齒輪連桿大頭孔中穿入，齒輪曲軸和齒輪連桿記號對正后嚙合，然后將半月形滑塊沿齒輪曲軸軸向方向裝入齒輪連桿大頭孔齒頂圓內，將兩個平衡限位塊分別緊固在齒輪曲軸上的齒輪兩邊的曲柄銷上，固定好的兩個平衡限位塊可以增加曲軸強度、限制齒輪連桿和半月形滑塊沿曲軸軸向方向活動，使機件在運動中不致脫離、脫落，新機構能可靠運動，并起到平衡齒輪曲軸曲柄銷的部分旋轉不平衡量的作用，將齒輪曲軸、齒輪活塞、半月形滑塊和平衡限位塊組成的新機構整體向上推動，用曲軸軸承、曲軸軸承座將齒輪曲軸的兩端固定在機體上，這樣就組裝完成了新的往復運動與旋轉運動轉換機構;因為連桿齒輪齒數是齒輪曲軸齒數的兩倍，所以，齒輪曲軸順時針轉動一圈的同時，它的外齒輪沿齒輪活塞上的內齒輪逆時針順序嚙合一圈，半月形滑塊隨之同時逆時針繞曲柄銷轉動一圈，共同作用驅動活塞在缸套內完成一次往復運動，新的往復運動與旋轉運動轉換機構完成一次循環。

3 ?新機構的特點

3.1 減小機械摩擦損失，提高發動機熱功率

發動機機械損失的30%，來自活塞及活塞環（組）的摩擦阻力，其中活塞裙部與活塞環（組）的摩擦阻力比例大約各占一半，新機構齒輪曲軸上的外齒輪和齒輪連桿在相互嚙合、運動時，半月形滑塊總是被外齒輪驅動轉動到嚙合點的相對位置，曲軸齒輪對連桿齒輪及活塞產生的徑向推力被抵消，只有連桿齒輪繞曲柄銷上的外齒輪的翻轉力，對活塞和汽缸壁之間的摩擦作用較小;

活塞裙部和汽缸壁之間的潤滑油膜由于沒有來自傳統曲柄連桿機構的連桿推力所形成的剪切力，不容易因擠壓而斷裂，潤滑條件得到良好改善，活塞裙部與汽缸壁之間摩擦力進一步減小;

齒輪連桿大頭沒有橫向的左右旋轉擺動，活塞銷和銷孔、連桿孔之間沒有摩擦力，沒有發動機機械摩擦損失;

受此幾個原因的影響，發動機機械摩擦損失降低，發動機能提高熱功率，提高有效轉矩;將來技術成熟以后，還可以考慮將缸孔、活塞都正圓加工，連桿和活塞制成一體，減掉活塞銷和活塞銷孔質量，進一步提高發動機熱功率。

3.2 減輕振動

新機構的齒輪曲軸驅動齒輪連桿帶動活塞在缸套內往復運動，齒輪連桿大頭沒有橫向的左右旋轉擺動，只有上下往復運動，齒輪連桿大頭質量不再是回轉不平衡質量;曲柄銷的部分回轉不平衡質量被兩個平衡限位塊平衡掉，剩下的回轉不平衡質量曲柄銷的外齒輪，和半月形滑塊在齒輪連桿大頭內組成一個完整的圓柱形，完成回轉、旋轉的同時隨齒輪連桿一起上下往復運動，這樣齒輪曲軸總的回轉運動不平衡質量都得到了平衡，離心慣性力影響減小，發動機的上下、左右振動都得到減輕;

齒輪曲軸上的齒輪驅動連桿齒輪時，推力一部分由齒輪曲軸和齒輪連桿的嚙合部直接傳遞，另一部分由齒輪曲軸，結合半月形滑塊從曲柄銷的軸心向齒輪連桿傳遞，多方位、多方向的傳遞方式使活塞運動平順、換向圓滑，活塞工作時減少粗暴，振動減輕;

傳統內燃機的曲柄連桿機構“活塞上止點到曲軸轉90°的對應的位置，大于曲軸由90°運轉到活塞下止點的距離”，“活塞下行是前半程較快，后半程比較慢（活塞上行是前半程慢后半程快）”，正是因為單個行程中周期性的速度快慢變化“導致了發動機有二階不平衡”，這種二階慣性力不平衡增強了內燃機振動，而新機構理論上每個半程行程，活塞運動的速度沒有周期性的快慢變化，可以減少二階慣性力不平衡對內燃機振動影響;幾個因素的影響使新機構能夠減輕內燃機振動。

3.3 減少重量，減小體積

新機構的齒輪曲軸曲拐短，旋轉半徑小，連桿和曲軸重疊部分較短，連桿可以做短些，連桿質量減輕，往復慣性力的影響減小，旋轉半徑小旋轉慣量小，對發動機提高熱效率有貢獻，缸體和機油盤的高度也可以降低，連桿大頭無擺動，發動機的內部所需要的空間減小，缸體可以變窄，發動機的重量減少，體積減小。

3.4 可提高發動機轉速，提高功率

曲柄連桿機構的最大旋轉力臂是曲軸半徑;

根據新機構的工作原理，齒輪曲軸配合半月形滑塊直接驅動齒輪連桿帶動活塞，新機構的最大旋轉力臂是曲軸軸心線到齒輪嚙合點，曲軸半徑是最大旋轉力臂的一半，所以新機構和曲柄連桿機構不同的是：曲軸的最大旋轉力臂是曲軸半徑的兩倍;如果采用兩種不同機構的發動機，缸徑、行程、轉速相同，新機構的曲軸半徑只有傳統曲柄連桿機構曲軸半徑的一半，此時按照轉速和線速度關系公式V=3.14nr/30（米/秒）（其中V是線速度、n是轉速、r是旋轉半徑）計算，新機構發動機曲柄銷軸心繞曲軸旋轉的線速度只有曲柄連桿機構發動機曲柄銷軸心繞曲軸旋轉線速度的一半，顯然新機構的發動機更容易達到高速運轉，使用新機構可提高發動機轉速，提高功率。

4 ?機構能否運行的驗證

根據往復運動與旋轉運動轉換機構的特點，選用一款190F單缸通用汽油機，參數：活塞缸徑90mm、活塞行程65mm、發動機排量0.420L（實際計算是0.413L）、壓縮比8.3：1、標定轉速3600r/min;汽缸壓力約1.07MPa，曲軸半經是32.5mm，它的最大旋轉力臂也是32.5mm。

新機構機件材料選用45#鋼，選擇齒輪模數1.5，齒數44：22。

曲軸半徑=齒輪軸心距=（齒數-齒數）*1.5/2=16.5mm，最大旋轉力臂=16.5mm*2=33mm，改裝新機構后的汽油機參數：活塞缸徑90mm、活塞行程16.5*2*2=66mm，發動機排量0.420L，使用加厚汽缸墊實測，改裝后的發動機汽缸壓力約1.05MPaa，推斷壓縮比和8.3：1接近。

圖2是新機構狀態示意圖，圖3是新機構完成狀態示意圖。

改裝后的發動機去掉了平衡軸及平衡軸驅動齒輪， 潤滑方式仍采用激踐潤滑，加注足量潤滑油后，發動機順利啟動，持續運轉越一分鐘，轉速約1500-1800r/min，發動機運轉平穩，振動較小;因為新機構機件加工工藝簡單、機件表面粗糙，沒有繼續進行試驗，只是驗證了使用往復運動與旋轉運動轉換機構的新機構可以用于汽油機。

5 ?結論

綜合以上論述和驗證結果，可以得出：往復運動與旋轉運動轉換機構可以在汽油機上使用;使用往復運動與旋轉運動轉換機構可以減少發動機機械損失，提高發動機熱功率，提高發動機功率，減輕發動機振動，減輕發動機重量和體積;此往復運動與旋轉運動轉換機構可以在部分范圍內替代曲柄連桿機構。

參考文獻：

[1]蔡吉洲.往復運動和旋轉運動轉換機構[P].中國專利：201620

3442268，2016-10-26.

[2]杜發榮.無連桿發動機活塞側向力分析[N].洛陽工學院學報，1996-17-1.

[3]蔡吉洲.雙向無連桿活塞往復運動機構[P].中國專利：2016

108703841，2019-05-17.

[4]王曉鵬.發動機平衡[G].汽車工程解讀，2019-07-04.

作者簡介：蔡吉洲（1968-），男，山東煙臺人，中級汽車維修工、汽車維修質量檢驗員，山東省交通運輸集團有限公司員工，從事汽車維修、檢驗工作。