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齿扇发动机原理设计 0 引言 曲柄连杆机构在动力的传输过程中活塞受到侧向力,存在工作死点,因此传动的机械效率不高。本文提出一种由齿轮齿条机构代替曲柄连杆机构的扇齿发动机, 介绍了该发动机的运行原理和换向结构,并设计出一种凸轮结构来解决齿条换向过程中存在的问题。 1 齿扇发动的工作原理 齿扇发动机的工作原理如图1a所示。当气缸I内的气体做功时，推动活塞及齿轮向右运动，带动扇形齿轮绕输出轴6逆时针转动，输出功率。当输出轴转过越180°后，扇形齿轮与下齿条脱离，如图1b所示。由气缸II燃烧，使活塞向左做功，由上齿条推动输出轴由180°转到360°，继续输出功率，回到图1a的位置，完成一个工作循环。 a) b) 图1 扇齿发动机的原理图 1-气缸体，2-活塞，3-齿条，4-导轨，5扇形齿轮，6-输出轴，7-进气阀，8-排气阀 本机构发动机采用二行程工作制，由微机控制进气阀、排气阀、点火等动作循环。图1a中，7为进气阀，8为排气阀。工作过程如下：首先，先打开进气阀7，带压的混合气体进入燃烧室，进够气体后，关闭进气阀7，同时点火；气缸I向右做功；待活塞行至右止点，扇形齿轮转过180°，打开排气阀8。气缸II完成进气、点火，活塞向左移动作功，输出齿轮由180°转过360°，完成一个工作循环。由上看出，本方案的每个气缸，只有做功、排气两个行程，再加上进气时间。因此，气缸利用率较现有发动机提高约一倍，整体体积缩小50%。 采用微机控制后，气缸由四行程减少为两行程，并省去了凸轮系、连杆系、摇杆系等机构，从而使发动机大为简化。 2工作过程分析 齿条的A、B、C、D、E、F齿分别与扇形齿轮的a、b、c、d、e、f齿啮合。在实际工作中，由于输出轴上有飞轮，因此，假设扇形齿轮始终作等速旋转运动。为分析方便，设坐标系0xy为固定坐标系，始终固定在纸面上；设为扇形齿轮上的半径OP随扇形齿轮一起转动，作为扇形齿轮传动的一个位置标志。下面对齿轮齿条的工作过程进行分析。 假设上齿条即将和齿轮脱离的地方为啮合起点，这个时候齿轮和上齿条进行最后啮合，之后就马上脱离，如图2所示。由图看出，齿条F齿的齿顶与扇齿f齿的齿根啮合，是非正常啮合，为了减少他们之间的磨损，对齿条的齿顶进行了倒圆角处理。此时齿轮逆时针转动，由于左边气体的阻力不断增大，齿条向左减速，在下个时刻齿轮齿条脱离啮合。 齿轮脱离齿条啮合后依靠自身惯性运动到一个角度∠xOP=5°，齿条在该过程中加速到停止，之后由于左边气缸中点火，燃气推动齿条急剧向右加速。在图3的位置齿轮齿条再次啮合。不过这次是下齿条推动齿轮转动，此时下齿条的A齿的齿根和齿轮a齿的齿顶非正常啮合。为了减少它们之间的磨损，将齿轮齿顶部分都倒了圆角。同时为了避免a齿和f齿在运动过程中和齿条的齿干涉，将其齿顶削短了5mm,如图3所示。 图2 上啮合终点 图3下啮合起始点位置 下齿条与齿轮啮合上，开始非正常啮合过程。齿轮运动5°后，齿轮的齿面运动到齿条的齿上，开始正常的啮合。如图4所示，齿轮开始和下面的齿条进行正常啮合。之后齿轮运动160°，齿轮齿条一直保持正常啮合，持续到图5的位置，这个时候齿轮齿条正常啮合结束。 图4 下齿条正常啮合起点 图5 下齿条正常啮合终点 从图5开始齿轮的f齿根与下齿条F齿的齿顶啮合，是非正常啮合。该过程一直持续到图6的位置，这个过程中齿轮转过的角度大约为5°，到图6的位置后，齿条由于受到右边气缸中气体的阻力，会逐渐减速，直到速度为0。之后右边气缸中气体点火，可燃气体推动齿条急剧加速，齿条速度很快达到最大速度。到图7的位置后上齿条的A齿的齿顶与齿轮的a齿的齿根开始啮合，图示位置齿轮齿条刚刚接触，非正常啮合刚开始。 非正常啮合结束后开始正常啮合，啮合过程与下齿条和齿轮啮合过程类似， 在此不再详细叙述。 图6 下齿条啮合结束点 图7 上齿条啮合起点 由上面的分析可以知道，每180°为一个运动周期，啮合过程完全类似。齿轮齿条的啮合情况是：经过180°后由上齿条啮合转到下齿条啮合，之后又回到上齿条啮合。在齿轮转过的180°的范围内有160°齿轮和齿条是正常啮合的，还有10°齿轮与齿条完全脱离，还有10°齿轮和齿条是非正常的啮合。 3 换向过程中存在的问题 扇齿发动机在左、右两个止点附近存在两个换向过程, 在换向过程中有段时间齿轮齿条处于完全脱离的状态。以左止点为例,持续过程如图8所示从图8a开始,齿轮匀速运动,齿条向左减速,齿轮齿条开始脱离,之后齿轮仍然匀速运动,齿条速度到0后(即到达左止点) ，开始向右加速, 持续到图8b, 齿轮齿条才再次啮合。右止点附近的换向过程和上面类似,不再单独