内燃机起动和停止装置 本申请是申请日为1999年10月4日、申请号为99810843.x、发明名称为“内燃机起动和停止装置”的中国发明申请的分案申请。
发明背景
本发明通常涉及一种内燃机。本发明还涉及一种用于起动该内燃机的装置和方法，更具体地讲，涉及一种内燃机起动装置，该装置能够将能量储存在弹性构件中，并且然后通过释放该能量起动内燃机。本发明还涉及一种用于停止该内燃机或至少用于吸收该内燃机停机时的能量的装置和方法。该内燃机起动装置特别适用于小型的内燃机，例如用在动力除草机、发电机、吹雪机、园艺用手扶拖拉机以及其它机械中的内燃机。
小型内燃机已装备有手动反冲式起动器，该起动器包括一个中心轴、一个可绕该中心轴旋转的绳索轮、与该绳索轮相连接的收缩式离合器或犬牙式离合器以及一条缠绕在绳索轮周围的绳索。可以通过拉动起动绳索使绳索轮沿起动方向旋转，从而使犬牙式离合器与飞轮相啮合，进而使飞轮和曲轴也沿起动方向旋转。然后该内燃机被带动转够所需的圈数，从而被起动。
尽管上述类型的反冲式起动器被广泛用于小型内燃机，但在其工作过程中却存在一些固有的不足之处。例如，操作者必须具有足够的力量和手工操作的灵活性才能够拉动起动绳索，从而使飞轮和曲轴开始转动。在某些情况下，操作者可能必须将绳索拉动数次才能够将内燃机成功地起动。对于一些操作者而言，这仅仅是一种不方便，但对另外一些年老体弱的操作者而言，将一条起动绳索拉动数次可能会是一项困难地任务。
自动起动器是反冲式起动器和其它手动起动器的一种代用器具，该自动起动器包括一个电池供电的电动马达，该马达用于通过初始起动旋转驱动飞轮。只需简单地操纵一个按钮或钥匙装置形式的电动开关，就可以将这种起动器发动起来。尽管这种想法提供了一种既易于操作又有效的内燃机起动装置，但是电动马达、用于向该马达供电的电池以及附属的组件都会增加内燃机的重量和成本。对于经常被用在除草机、发电机以及类似机械中的小型内燃机而言，即使该内燃机的重量和成本只有很小量的增加，也会对该内燃机和/或该机械的市场竞争力产生负面的冲击。
另外一种类型的自动起动器是一种使用弹簧中储存的能量带动曲轴旋转并发动内燃机的内燃机起动装置。在这些内燃机起动装置中必须提供一种用于卷绕弹簧的机构。例如，美国专利No.1,936,554，该专利被让与了Briggs和Stratton公司(本发明的受让人)，展示了一个安装在弹簧附近并且可被用于卷绕弹簧的电动马达。我们知道还需要提供一种与弹簧相互连接并且可被用于卷绕该弹簧的手动曲柄机构。另外，我们还知道需要提供一种与曲轴相互连接的卷绕机构，该机构可被用于在内燃机正常运转的情况下卷绕弹簧。
发明概要
在一个具有可旋转的内燃机组件或构件的内燃机中，其中该组件或构件例如一种包括一个曲轴、飞轮和输出装置(比如，一个切割叶片)的组件，在操作者将内燃机的点火系统关闭之后，该内燃机旋转构件由于具有角动量，所以具有动能。在某些应用情况下，该角动量足够带动该可旋转的构件转过数圈。本发明的一个一般特征和优点是一种在操作者开始使内燃机停止(例如，通过操纵磁电机或电池点火系统中的一个开关)时，对可旋转的或正在旋转的内燃机构件或组件本身所带有的能量进行利用的装置或机构。更具体地讲，本发明的一个特征和优点是，在这种机构或装置中提供了一个适用于小型内燃机的内燃机起动装置，或者，提供了一种使用这种内燃机起动装置的机械。
为了便于说明，“停止”和“关闭”两个词用于指为了使内燃机停机而对点火系统或一种等价机构中的开关进行的操作。这些词还适用于指可以产生同样效果的任何操作。“内燃机惯性运转”用于指内燃机“停止”或“关闭”之后，但在可旋转的内燃机构件或组件停止运动或转动之前的情况、状态或阶段。
本发明的另外一个特征和优点是提供一种在内燃机停止时对内燃机旋转构件进行制动的机构，其中该内燃机旋转构件的能量被该制动机构所吸收和/或储存。
应该明确的是，在美国和其它国家，除草机上都需要一种在操作者开始使内燃机停止之后，使切割叶片在特定的时间内停止转动的装置。一般而言，切割叶片与曲轴相连接，这样该切割叶片就可以在内燃机停止往复运动的同时停止转动。因此，在内燃机停止的过程中，就可以在飞轮上使用一种制动机构，用以使切割叶片停止转动。本发明中的制动机构同样适用于这种情况。
根据本发明的一个方面，该内燃机起动装置包括一个能量储存机构、一个输入机构和一个输出机构。能量储存机构至少包括一个弹性构件。输入机构可以与该弹性构件相啮合，并且可以在内燃机惯性运转过程中进行运动，从而将该弹性构件加载至一种负载状态(例如，通过对该弹性构件进行压缩、拉伸或弯曲)。输出机构可以在弹性构件从负载状态卸载时响应于能量储存机构进行运动。通过这种方式，该输出机构使内燃机旋转构件沿起动方向进行运动或转动，从而驱动内燃机转够起动内燃机所需的圈数。
该内燃机起动装置还可以包括一个输入控制装置，用于将输入机构置于与内燃机旋转构件相啮合的位置处，这样，输入机构就可以在内燃机旋转构件的作用下运动，从而对弹性构件进行加载。在一个实施例中，该输入机构包括一个可旋转的输入构件(例如，一个摩擦卷轴或齿轮)，该输入构件可以在输入控制装置的作用下移动在第一位置和第二位置之间。在第一位置处，可旋转的输入构件可以与内燃机旋转构件进行旋转啮合。该输入构件可以与内燃机旋转构件的不同部分相啮合，其中包括曲轴、飞轮、一个连接在飞轮上的齿圈、或一个与曲轴相互连接的起动器型的轴套。当处于第二位置处时，该可旋转的输入构件可以旋转式地与内燃机旋转构件脱离啮合。另外，该内燃机还可以装备有一个内燃机控制装置，该装置可被操纵用于启动内燃机的停止过程。在这种情况下，输入控制装置可以与内燃机控制装置进行动态连接，这样，每当内燃机控制装置动作时，输入控制装置就可以被驱动，从而将输入机构置于与内燃机旋转构件相啮合的位置处。
在本发明的一个具体的实施例中，输入控制装置包括一个手动致动器(例如，一个按钮或横杆手柄)，一条控制绳索、一个支撑输入机构的可绕枢轴转动的壳体，和一个连接手动致动器和可转动的壳体的控制绳索和杠杆。该输入控制装置还可以与一个点火系统的地线或关闭开关相连接。当手动致动器动作时，可转动的壳体向内燃机旋转构件方向转动，从而使输入机构与内燃机旋转构件的一部分(例如，飞轮或一个连接在飞轮上的齿圈)进行旋转啮合。
能量储存机构还可以包括一个可与弹性构件相配合的驱动构件。该驱动构件可以在输入机构的作用下沿第一方向运动，从而对弹性构件进行加载，并且可以当弹性构件从负载状态卸载时在弹性构件的作用下沿第二方向运动，从而驱动输出机构。推荐该驱动机构是一种可旋转的构件，例如一个轴、一个可旋转的壳体、或一个旋转式安装在轴周围的圆形构件。在一个实施例中，该驱动构件包括一个具有一条旋转轴线的可旋转的轴部分或心轴，并且输出机构可绕该旋转轴线旋转。在另一个实施例中，驱动构件和弹性构件沿轴向与曲轴和飞轮相隔一定的距离，这样，驱动构件的旋转轴线就可以与曲轴和飞轮的旋转轴线基本重合。
该内燃机起动装置还可以包括定向传动机构(例如，一个离合器组件或组合螺杆和可轴向移动的小齿轮)，用于使输出机构与内燃机旋转构件旋转啮合。当驱动构件沿第二方向转动时，传动机构使输出机构被驱动，并且带动内燃机旋转构件沿起动方向旋转。然而，当驱动构件沿第一方向转动时，输出机构与内燃机的旋转组件可旋转式地脱离啮合。
在本发明的一个具体的实施例中，内燃机包括一个反冲式起动器，该反冲式起动器具有一个反冲弹簧、一个与该反冲弹簧动态连接的反冲滑轮，和一个中心驱动机构(例如，一个起动器轴)，该中心驱动机构可以在反冲滑轮的作用下沿驱动方向旋转，从而驱动内燃机旋转构件沿起动方向旋转。该内燃机起动装置的一个驱动构件被安装在中心驱动机构的周围，并且可在弹性构件的作用下进行旋转，从而沿驱动方向对中心驱动机构进行驱动。
弹性构件可以至少包括一个位于一个驱动构件的周围和/或与该驱动构件相连接的可卷绕的弹簧。在其它实施例中，该弹性构件可以具有不同的结构(例如，一个可压缩弹簧)或采用其它的弹性材料(例如，橡胶或合成材料)。在一个实施例中，能量储存机构包括一个用于旋转的壳体(例如，围绕曲轴或反冲式起动器的驱动轴)，并且该弹性构件大体被放置在该壳体内。该弹性构件的一部分与该壳体相连接而另有一部分与支撑构件(例如，一个固定的凸缘)相连接。
在本发明的一个具体的实施例中，该内燃机起动装置包括一个可旋转的输入机构、一个可旋转的输出机构、一个手动可释放的锁定机构、一个输入控制装置、和一个具有一个弹性构件的能量储存机构。该能量储存机构还具有一个与该弹性构件相互连接的可旋转的驱动构件。该驱动构件可以沿第一方向运动，从而将弹性构件卷绕至负载状态，并且可以当弹性构件从负载状态放松时在弹性构件的作用下沿第二方向运动。可旋转的输入机构可以与驱动构件相配合，并且使该驱动构件沿第一方向转动。输入控制装置可被操纵用于在内燃机惯性运转过程中使输入机构处于与内燃机旋转构件旋转啮合的位置上，这样，驱动构件就可以在输入机构的作用下沿第一方向旋转。另外，当驱动构件沿第二方向旋转时，可旋转的输出机构可以至少沿一个输出方向进行旋转。输出机构沿输出方向的旋转就导致了内燃机旋转构件沿起动方向的旋转。
最后，可释放的手动锁定机构可以与能量储存机构相配合，从而防止弹性构件从负载状态下发生卸载并使输出机构发生旋转。该锁定机构可以包括一个手动致动器，该致动器处于距内燃机较远的遥控位置上，并且可被操纵用于释放锁定机构，从而使弹性构件从负载状态下开始卸载。在本发明的一种形式中，该锁定机构包括一个棘爪构件和一个与能量储存机构相连接的可动构件(例如，一个棘轮)。该可动构件装备有一个棘轮表面，并且棘爪构件适于与该棘轮表面相啮合，从而对可动构件的运动进行限制。可以使用一个手动操作的开关装置将棘爪构件锁定在与可动构件相互啮合的位置上。
一种根据本发明的制动机构通常包括一个能量吸收机构、一个输入机构和一个输入控制装置。能量吸收机构至少包括一个弹性构件，并且输入机构可以与弹性构件相互配合并通过运动将弹性构件加载至一种负载状态。输入控制装置可被操纵用于将输入机构置于与内燃机旋转构件相啮合的位置上，这样，内燃机旋转构件的转动就可以带动输入机构对弹性构件进行加载。
一种根据本发明的手动操作的机械通常包括一个内燃机，该内燃机具有一个内燃机旋转构件、一个用于启动内燃机的停止过程(例如，通过操纵一个横杆手柄、按钮、或点火系统的安全停止开关)的手动致动的内燃机控制装置、和一个内燃机起动装置。该内燃机起动装置包括一个至少具有一个弹性构件的能量储存机构、一个可以通过运动将该弹性构件加载至一个负载状态的输入机构、和一个可以在弹性构件从负载状态卸载时响应于能量储存机构进行运动的输出机构。此外还提供了一个输入控制装置，用于将输入机构置于与内燃机旋转构件相啮合的位置上。当内燃机控制装置受到操纵开始启动内燃机的停止过程时，输入机构就会接着产生运动，对弹性构件进行加载。
本发明的另一个特征是一个用于防止输入机构在弹性构件达到了预定的负载状态后对该弹性构件进行过度加载的装置。如果该弹性构件包括一个可卷绕的弹簧或弹性带，那么该防止装置的功用就是防止该弹簧或弹性带被过度卷绕。该防止装置的一种形式包括一个被动态地置于输入机构和弹性构件之间的滑动式离合器。该防止装置的另一种形式包括一个可与能量储存机构或能量吸收机构中的驱动构件或其它组件相配合的摩擦制动器。
本发明的另一特征和优点是提供了一种结构简单、易于操作的内燃机起动装置。
本发明的另外一个特征和优点是提供了一种内燃机起动装置，该装置重量轻、并且不会造成整机成本的明显升高。
本发明的另外一个特征和优点是提供了一种内燃机起动装置，该装置特别适用于对现有的小型内燃机进行改装。
对附图的简要说明
图1是一个实施了本发明的除草机的透视图，该除草机包括了根据本发明的一个内燃机和一个内燃机起动装置。
图2是根据本发明的一个内燃机起动装置的透视图。
图3A是该内燃机起动装置的某些部分的零件分解图。
图3B是该内燃机起动装置的另外一些部分的零件分解图，其中包括一个动力弹簧和一个弹簧外壳。
图3C是图3A所示的内燃机起动装置的某些部分的另一个透视图，其中包括一个正齿轮。
图3D是图3B所示的内燃机起动装置的一个组件的零件分解图，其中包括一个弹簧轴。
图4是该内燃机起动装置的侧视截面图。
图5是图4所示的内燃机起动装置的一部分的放大视图。
图6是沿图5中的线6-6的俯视截面图。
图7是沿图5中的线7-7的仰视截面图。
图8是沿图4中的线8-8的俯视截面图。
图9是沿图4中的线9-9的局部仰视截面图。
图10是沿图9中的线10-10的内燃机起动装置的局部垂直截面视图。
图11是处于卷绕位置的内燃机起动装置的一个俯视截面图。
图12是一个处于松开位置的内燃机起动装置的一个俯视截面图。
图13是根据本发明的包括了一个内燃机关闭系统的内燃机起动装置的透视图。
图14是一个包括一个安全停止开关的内燃机关闭系统的仰视透视图。
图15是图13所示的内燃机起动装置的俯视截面视图，其中安全停止开关处于未动作的位置，并且弹簧锁定机构处于未啮合和开锁位置。
图16是图13所示的内燃机起动装置的俯视截面视图，其中安全停止开关处于动作位置，并且弹簧锁定机构处于啮合和开锁位置。
图17是图13所示的内燃机起动装置的俯视截面视图，其中弹簧锁定机构处于锁定位置。
图18是沿图17中的线18-18的截面图。
图19是沿图15中的线19-19的侧视图。
图20是本发明的第二个实施例的一个俯视截面图。
图21是处于松开位置的图20所示的内燃机起动装置的俯视截面图。
图22是沿图20中的线22-22的侧视截面图。
图23是沿图20中的线23-23的侧视截面图。
图24是本发明的第三个实施例的一个侧视截面图。
图25是沿图24中的线25-25的俯视截面图。
对附图的详细说明
图1表示了一个除草机械或除草机10，该除草机包括一个内燃机12和一个用于自动起动内燃机12的装置14。除草机10、内燃机12、和内燃机起动装置14各包括一个本发明的实施例。
除草机10具有一个盖板16和一个从盖板16向外和向上延伸的手柄组件18。手柄组件18具有一个安装在盖板16上的下端20和一个处于盖板16上部某一位置处的上端或手柄端22，该位置便于操纵者对除草机10进行操纵。操纵者可以通过操纵手柄组件18对除草机10的运动进行控制。内燃机12被安装在盖板16上。内燃机12是垂直轴式的，并且包括许多传统结构的组件。然而，这些内燃机组件中的大多数都基本被封闭在一个内燃机壳体24之内，因此没有在图1中进行表示。
除了内燃机起动装置14之外，图1中的除草机10还装备有一个安装在飞轮26(参看图2中的飞轮26)上部的反冲式起动器(未示出)。一个罩盖28被安装在该反冲式起动器之上，并且一条与该反冲式起动器动态相连的拉绳30穿过罩盖28向外延伸出来。当拉绳30不被使用时，该拉绳30的一个手柄端32被放置在一个拉绳固定架34上，该拉绳固定架34位于手柄组件18的上端22附近。
首先应明确的是，尽管实施了本发明的内燃机起动装置14特别适用于除草机10，该内燃机起动装置14还可以被用在其它不同的手动操作的室外动力设备和机械中，其中包括，但不仅限于，手扶草坪和园艺机械、吹雪机、和发电机。因此，本发明并不仅限于图中所示的并在此处进行说明的除草机10或内燃机12。本技术领域内的技术人员通过附图以及说明应该清楚地知道内燃机起动装置14可以怎样被应用于各种类型的机械和/或各种类型的内燃机中。
再参看图1，一个长拉杆手柄或横杆手柄36形式的内燃机控制装置与手柄组件18的上端22相连接。该横杆手柄36被支撑在手柄组件18上的两个枢轴销38上，并可以围绕该枢轴销38转动，该横杆手柄36在拉力的作用下沿远离上端22的方向偏转。当操纵者将手柄组件18的上端22和横杆手柄36握紧在一起时，横杆手柄36相对两个枢轴销38向下转动，然后就可以被保持在一个处于上端22附近的起动或运行位置处。当将横杆手柄36释放时，该横杆手柄36会自动地转向如图1所示的关闭位置。如同现有技术一样，释放横杆手柄36将会通过切断内燃机的点火系统和/或使制动器动作从而启动内燃机12的停止过程。
一个按钮40形式的手动致动器被安装在手柄组件18的某一位置上，推荐该位置与用于支撑横杆手柄36的两个枢轴销38的其中一个相邻。按钮40与横杆手柄36动态连接。如下文将述，操纵者可以通过按压按钮40并且在按钮40被压下的同时将横杆手柄36向下旋转至起动位置从而使内燃机起动装置14动作，从而使内燃机12起动。这样，只有在操作者使用了两个相互独立的动作之后，内燃机起动装置14才能够开始工作，这种独立的动作可以是例如按压(和保持)按钮40，和向下转动横杆手柄36。在其它的实施例中，该横杆手柄36可以被一种或多种按钮装置、杠杆装置、或其它形式的手动致动器所代替。本技术领域内的技术人员通过此处的详细说明以及附图将会很清楚地理解这种更改。
图2表示了内燃机起动装置14的一个详细视图，该起动装置14被安装在了内燃机壳体24上，并且位于齿圈44的一些外齿42的附近。齿圈44是飞轮26的一部分，二者都被可旋转式地安装在了内燃机12的曲轴(未示出)上。当飞轮26沿顺时针旋转时，该飞轮26就会使曲轴沿起动或运行方向旋转，并驱动内燃机转过起动内燃机所需的旋转圈数。内燃机12起动之后，它就开始在本身动力的驱动下旋转，然后就可以驱动曲轴和飞轮26进行旋转。
为了便于说明，曲轴和飞轮26可以被称作在内燃机运转的情况下一起转动的可旋转的内燃机构件或组件。该内燃机旋转组件还可以沿起动方向旋转，从而驱动内燃机转过起动内燃机所需的旋转圈数。在本发明的其它应用情况下，该内燃机旋转组件还可以包括一种或多种输出装置(例如，一个除草机的切割叶片)。
当横杆手柄36被释放时，内燃机12的停止过程就被启动。然而，即使在内燃机停止之后，正在旋转的包括曲轴、飞轮26和其它输出装置(除草机的切割叶片)的内燃机构件还具有足够的角动量，能够驱动曲轴和飞轮26转过另外的一些圈数。这种在横杆手柄36被释放后(例如，在关闭了内燃机的点火之后)曲轴和飞轮26继续进行的旋转通常被称作内燃机惯性运转。现有技术中采用了一种飞轮制动装置，用于在内燃机惯性运转过程中直接与飞轮26相啮合，从而使曲轴、飞轮26以及其它输出装置迅速停止转动。根据本发明的一个方面，内燃机起动装置14被用作一个制动机构，并且在被用作这种机构时，在内燃机惯性运转过程中对正在旋转的曲轴和飞轮26所具有的能量进行吸收和储存。在其它的实施例中，除草机10或其它机械同时装备有实施了本发明的内燃机起动装置14和一个传统的飞轮制动器。在这些应用情况下，内燃机起动装置14被用于辅助飞轮制动器迅速地结束内燃机的惯性运转。
现在参看图2-4，内燃机起动装置14装备有一个弹簧外壳46、一个受到垂直支撑并且穿过弹簧外壳46的中心的弹簧驱动构件或弹簧轴48、和一个可以与弹簧驱动轴48(参看图4)相接合的卷绕金属带或动力弹簧50形式的弹性构件。一条垂直的中心轴线52沿纵向穿过弹簧轴48，并且大体与曲轴(参看图3B)相平行。弹簧轴48从弹簧外壳46向上延伸并且穿过一个被支撑在弹簧外壳46上的可旋转的壳体54(参看图2)。
如下将述，可旋转的壳体54受到旋转支撑，用于围绕中心轴线52摆动。可旋转的壳体54在内燃机惯性运转过程中保持住一个可与飞轮26相啮合的可旋转的轴组件或输入组件56(参看图3D)，从而使动力弹簧50被卷绕。可旋转的壳体54还保持住一个可以与输入组件56相啮合的并且被动态置于输入组件56和弹簧轴48之间传动或驱动组件58(参看图3A)。最后，可旋转的壳体54保持住一个可旋转的输出组件60(参看图3A)，该输出组件60可以与齿圈44进行选择性的啮合，从而驱动飞轮26旋转，进而启动内燃机12的起动过程。下文将对组件56、58和60中的每一个及其工作过程进行详细说明。
应该明确的是，内燃机起动装置14也适用于与飞轮26直接相配合，而不通过齿圈44。例如，可旋转的输出组件60可适用于与飞轮26的外表面(例如，整体铸造的齿)相啮合。
从图3B中可以最清楚地看出，弹簧外壳46包括一个圆柱部分62、一个大体扁平的底64，和一个顶盖66，它们通过螺栓68或类似的连接件被连接在一起。扁平底64上加工有两个沿直径方向相对的扁平凸缘70和一个其中安装有轴承74的中心孔72。圆柱部分62上加工有两个沿直径方向相对的凸出部分76，该凸出部分76定义了两个向内相互面对的沟槽78。在最后的组装过程中，通过使沟槽78与扁平凸缘70和在顶盖66上的螺栓孔(未示出)相对齐，并使螺栓68从其中穿过，就可以将圆柱部分62、扁平底64和顶盖66连接在一起。
推荐动力弹簧50采用不锈钢或碳钢结构的、伸长的、相对较宽的金属带。在本发明的几种形式中，动力弹簧50的宽度介于大约一英寸至三英寸的范围内。在一个具体的实施例中，动力弹簧50的宽度为三英寸，并且可以产生足够使内燃机12旋转七至八圈的起动扭矩。然而应该明确的是，动力弹簧50的宽度、长度和/或厚度可以较大或较小。另外，弹性构件可以是其它的几种形式，包括可压缩弹簧或一种由橡胶或合成材料加工成的高弹力弹性带。
动力弹簧50的一个外边缘或外端80可以被折入其中一个沟槽78中，如图3B所示(还可以参看图8)。然后，该外端80被螺栓68所固定，和/或被固定在螺栓68和垂直凸出部分76之间。
参看图3B，动力弹簧50具有一个大体位于弹簧外壳附近并且与弹簧轴48相邻的一个内边缘或内端82(参看图8)。弹簧轴48的一个较粗的心轴部分84垂直位于弹簧外壳46内的中部，并且受到轴承74和一个凸缘轴承86的旋转支撑。弹簧轴48的一个上部88比下面的心轴部分84细，并且穿过可旋转的壳体54向上延伸。在如图所示的实施例中，弹簧轴48的上部88的直径的推荐值为0.390英寸，而下部心轴部分84的直径的推荐值为0.620英寸。从图8所示的俯视截面图中可以最清楚地看出，下部心轴部分84的直径的一部分被切去，从而形成一个垂直延伸的小孔90，而动力弹簧50的内端82被加工成一个整环，然后，该整环就可以与小孔90相配合或被小孔90钩住。
申请人通过大量的实验发现，“小孔”型的弹簧与弹簧轴的连接可以达到最满意的效果。一旦动力弹簧50完全卸载，该“小孔”型的连接就允许弹簧50与弹簧轴48脱钩，从而允许弹簧轴48继续旋转，同时不会损坏动力弹簧50。具体来讲，在卷绕和松开过程中，动力弹簧50上的应力和应力集中都得到了最小化。其结果是，图中所示的实施例经发现可以工作数千个循环(内燃机起动)而不会失效。
再次参看图3B，弹簧外壳46的顶盖66包括一个盖板表面92和两个从盖板表面92大体向外延伸的安装托架94和96。第一个安装托架94位于内燃机壳体24上的一个起动器固定件(未示出)附近，而第二个安装托架96沿大体相反的方向延伸，并且也被固定在内燃机壳体24上。安装托架94和96同时对弹簧外壳46和可旋转的壳体54进行支撑，其中壳体54与内燃机壳体24相邻，同时与齿圈44的外齿42相邻。另外，顶盖66具有一个向前延伸的固定臂98，该臂98上加工有一个小孔100。如下将述，可旋转的壳体54通过一个固定在小孔100上的回复弹簧102被拉向一边。
参看图3B，顶盖66的盖板表面92包括一个圆形支柱104，该圆形支柱104具有一个与中心轴线52共轴线的垂直孔106。可旋转的壳体54的一个下旋转托架108被置于圆形支柱104的上方，并且具有一个沿轴向与垂直孔106相对齐的底部开口110。然后，凸缘轴承86被套装在弹簧轴48上，并且向上延伸穿过垂直孔106和底部开口110(参看图3D和4)。弹簧轴48延伸穿过凸缘轴承86进入可旋转的壳体54内，并且与凸缘轴承86的内表面之间具有一定的间隙。因此，弹簧轴4可以在凸缘轴承86内自由旋转。
参看图3A、3B和4，可旋转的壳体54是通过将下旋转托架108和一个相应的上旋转托架112相连接而构成的。从图3B中可以最清楚地看出，下旋转托架108具有一个大体扁平的盖板114和一个相对较短并且向上延伸的外周壁116，其中底部开口110位于盖板114的中间部位。一个凸缘或杆臂118从周壁116向外延伸，其上加工有一个用于连接一个控制绳索122的孔120和一个用于固定回复弹簧102的一端的孔124。
现在参看图3A，上旋转托架112包括一个向下延伸的外壁126、一个多级的顶部128、和一个从外壁126延伸出的下边缘部分130。上旋转托架112还包括一个向上延伸的圆形轴套132，其中有一个孔或顶部开口134穿过。该顶部开口134与下旋转托架108上的底部开口110共轴线，并且其轴线与中心轴线52重合。一个上部轴承136被保持在顶部开口134中，这样，上旋转托架112就与上部轴承136的外表面进行滑动配合。然而，上部轴承136的内表面却与弹簧轴48的外表面之间存有一定的间隙，这样，弹簧轴48就可以在上部轴承136内自由旋转。因此，可旋转的壳体54就可以通过下旋转托架108绕凸缘轴承86的自由旋转和上旋转托架112绕上部轴承136的自由旋转被支撑用于围绕中心轴线52转动或摆动。另外，弹簧轴48穿过上部轴承136延伸至上旋转托架112的上面。一个保持夹138被固定在上，用于将可旋转的壳体54保持在弹簧轴48上。
参看图4所示的截面图，可旋转的壳体54具有一个其中安装有输入组件56的右侧部分和一个其中安装有输出组件60和传动组件58的左侧部分。输入组件56包括一个被可旋转式地支撑在上旋转托架112和下旋转托架108之间并且大体与弹簧轴48平行的输入轴140。一个摩擦卷轴142被固定安装在输入轴140上，用于与输入轴140一起旋转。详细情况参看3A，推荐摩擦卷轴142具有一个硬金属轴芯144和一个最好由橡胶材料加工成的外表面146。摩擦卷轴142与飞轮26(见图2)的外表面相邻，并且如下将述，可以与可旋转的壳体54一起沿横向移动或摆动，从而与飞轮26旋转啮合。
输入组件56还包括一个安装在摩擦卷轴142下面的输入轴140上的输入齿轮148。该输入齿轮148与传动组件58中的小齿轮或离合器齿轮150大体相对齐并且相啮合。当飞轮26通过与摩擦卷轴142的旋转配合使输入轴140旋转时，输入齿轮148就会驱动离合器齿轮150旋转。
离合器齿轮150围绕安装在弹簧轴48上，并且沿轴向处于凸缘轴承86的上方(例如，见图4和5)。从图3A和3C中可以最清楚地看出，离合器齿轮150上加工有上圆形凹槽152、下圆形凹槽154、和四个沿径向位于圆形凹槽152、154外侧的等间距分布的铆钉孔156。一个圆形的上离合器盘158被置于上圆形凹槽152内，同时一个下离合器盘160被置于下圆形凹槽154内。上离合器盘158具有一个中心开口162，该中心开口162具有一个被两个向上延伸的弯壁或型板164所切割的圆形轮廓(例如，一个“蝶形领结”)(还可参看图6)。这两个弯曲型板164沿中心开口162被相互隔开，并且具有形成了上离合器盘158的型面或配合表面的侧壁表面166。与之类似，下离合器盘160也具有一个中心开口168，但该中心开口168具有一个扁平的星形轮廓，从而形成了数个内配合齿170。
在其它的实施例中，中心开口162、168可以具有不同的轮廓，从而定义出不同的配合表面或齿结构。这些结构的设计部分地取决于传递给离合器盘158和160的单元负载以及材料的强度。在如图3A和3C所示的实施例中，中心开口168被设计有较大的配合表面，(和较多的配合齿170)，从而进一步将负载分散开，以便于减小施加在下离合器盘160上的应力。
特别参看图3C，下凹槽154上加工有一个中心轮毂172和一对从直径上的两个相对位置处沿半径方向向外延伸的凹陷的键槽174。下离合器盘160被置于下凹槽154内，并与中心轮毂172同圆心。在下离合器盘160和离合器齿轮150之间，一个贝氏(belleville)垫圈176和一个耐磨盘178也被放置在下凹槽154内(见图3A)。耐磨盘178上的两个向外延伸的凸缘或键180被容纳在凹陷的键槽174内，从而防止耐磨盘178产生转动。耐磨盘178还将负载从贝氏(belleville)垫圈176分配到下离合器盘160上。在其它的实施例中，可以使用一个波形垫圈或其它类型的弹簧垫圈代替贝氏(belleville)垫圈176。
现在参看图3A和5，传动组件58还包括一个位于离合器齿轮150下面的棘轮182，该棘轮182具有一个中心开口184和外棘齿186。如图5所示，棘轮182与凸缘轴承86同轴心，并且外棘齿186恰从离合器齿轮150的外圆周下部向外延伸出。另外，一个具有一系列铆钉孔190和一个中心开口192的大体扁平的圆盘188被置于上离合器盘158上的上圆形凹槽152内。轴肩铆钉194延伸穿过孔190、离合器齿轮150和棘轮182，并且将传动组件58的各组件锁紧固定在一起。因此，传动组件58包括以下组件：圆盘188；离合器齿轮150；耐磨盘178；贝氏(belleville)垫圈176；棘轮182；以及上和下离合器盘158、160。这些传动组件在离合器齿轮150与输入齿轮148相啮合时，一般作为一个整体单元一起旋转。在其它的实施例中，传动组件58可以通过使用螺栓、螺钉或类似的传统固定件被固定。
现在参看图3D、7和5，一个驱动离合器机构196被固定安装在弹簧轴48上，并处于凸缘轴承86的正上方。如俯视图图7所示，离合器机构196具有一个星形结构，该星形结构与下离合器盘160的中心开口168的星形轮廓相对应，并且可以与下离合器盘160的配合齿170进行旋转配合。当离合器齿轮150在输入齿轮148的作用下顺时针旋转时，下离合器盘160就会驱动离合器机构196，从而驱动弹簧轴48沿顺时针方向旋转，进而对动力弹簧50进行卷绕。当动力弹簧50被卷绕的圈数超过了预定圈数时，该动力弹簧50产生的增大的阻力使下离合器盘160与离合器齿轮150之间的配合产生滑动，从而使传动组件58与弹簧轴48脱离配合。其结果是，弹簧轴48停止旋转，从而防止了动力弹簧50被过度卷绕。
现在参看图3A和4，输出组件60包括一个安装在弹簧轴48上的螺旋轴198，并且处于离合器齿轮150的上凹槽152与上旋转托架112之间。螺旋轴198上加工有一个沿轴向顺时针向上延伸并且终止于一个轴头202处的螺旋凹槽或滑道200，其中轴头202位于上旋转托架112的下表面的附近。上离合器盘158的型板164向上延伸并且与螺旋轴198的一个底部分204相配合(见图5)。从图6中可以最清楚地看出，底部分204具有一个与上离合器盘158的中心开口162的轮廓相对应的形状或结构，因此，该底部分204就可以与上离合器盘158的型面166进行刚性配合。
输出组件60还包括一个小齿轮206，该小齿轮206位于圆盘188的上面，并且被安装用于围绕螺旋轴198向上旋转。该小齿轮206具有一系列外齿208和一个带有中心开口的凸出的中心轮毂210(见图3A)。该中心开口的内表面由一个与螺旋轴198上的滑道200相对应并且相啮合的螺旋凹槽或滑道212所限定。因此，当螺旋轴198与弹簧轴48一起沿逆时针方向旋转时，小齿轮206就会围绕螺旋轴198沿轴向向上旋转。
当小齿轮206到达轴头202时，该小齿轮206就停止轴向运动并且在螺旋轴198的驱动下进行转动，此时小齿轮206与齿圈44处在同一个旋转平面内。然后，小齿轮206的外齿208与齿圈44的外齿42相啮合，并且驱动齿圈44和飞轮26沿顺时针方向或起动方向旋转。在这一工作阶段中，小齿轮206被称作处于顶部位置或啮合位置(如图4中的虚线所示)。然而，当内燃机加快了起动速度时，齿圈44的转速开始超过小齿轮206的转速，这样，齿圈44的外齿42就开始驱动小齿轮206的外齿208，从而使小齿轮206围绕螺旋轴198沿轴向向下旋转并且返回到传动组件58上面的底部位置或脱离啮合位置处(如图4中的实线所示)。
尽管螺旋轴198被安装用于与弹簧轴48一起旋转，但是当小齿轮206在螺旋轴198的旋转驱动下与齿圈44进入初始啮合时，上离合器盘158和螺旋轴198的底部分204之间的摩擦配合允许螺旋轴198相对弹簧轴48滑动。然而，在内燃机经过了初始旋转(其中输出组件60受到大的负载)之后，上离合器盘158和螺旋轴198之间的摩擦配合就保证了螺旋轴198不会发生滑动。这样，内燃机12继续转动并且小齿轮206继续驱动齿圈44使内燃机12起动。
还应该明确的是，当弹簧轴48沿顺时针方向旋转时(例如，当动力弹簧50被卷绕或加载时)，螺旋轴198上的螺旋滑道200可以防止小齿轮206围绕螺旋轴198沿轴向向上运动。这样，只有当弹簧轴48沿逆时针方向旋转时，输出组件60才能够驱动齿圈44旋转。
图1-19表示了根据本发明的弹簧锁定机构的第一个实施例。该弹簧锁定机构可被操纵用于防止动力弹簧50松开并导致弹簧轴48发生旋转。另外，一个手动操作的开关装置可被操纵用于将弹簧锁定机构锁定在配合位置上，从而防止对动力弹簧50的意外释放或松开。如下所述，该开关装置具有两种方案。
首先参看图3B，第一个实施例中的弹簧锁定机构包括一个棘爪214，该棘爪214可以围绕一个固定螺钉216在限定范围内旋转，并且被固定在螺钉216和一个扭矩弹簧218之间。扭矩弹簧218也被共轴安装在螺钉216上，并且螺钉216将扭矩弹簧218和棘爪214固定在了顶盖66的盖板表面92上。下旋转托架108上加工有一个长孔220，该长孔220被用于允许螺钉216向下延伸至盖板表面92上，但使棘爪214被安装在下旋转托架108之上。如下将述，长孔220的形状还允许可旋转的壳体54在不受螺钉216的阻挡的情况下进行旋转。
棘爪214具有一个圆形旋转端或第一端222和一个定义了一个凸轮表面226的弯曲的第二端224，其中螺钉216从第一端222中穿过。另外，扭矩弹簧218具有一个固定在盖板表面92上的第一端228和一个与棘爪214相配合的第二端230。扭矩弹簧218被用于对棘爪214施加顺时针方向的力，从而使棘爪214与棘轮182相啮合。在棘爪214处于啮合位置时，棘爪214的凸轮表面226啮合并锁定在棘轮182的外棘齿186上。方案视图图11表示了处于啮合位置的棘爪214。
当棘爪214处于啮合位置时，该棘爪214阻止了棘轮182的逆时针旋转。弹簧轴48的逆时针旋转也受到了阻止，这样，就防止了动力弹簧50被释放并且驱动弹簧轴48进行旋转。然而，因为棘爪214和外棘齿186的形状使棘爪214只能与外棘齿186的一侧相啮合，所以棘轮沿顺时针方向的旋转并不受到限制。因此，即使当棘爪214处于啮合位置时，动力弹簧50也可以在离合器齿轮150发生顺时针旋转时被卷绕。
如上所述，开关装置具有两种方案。第一种方案如图1-12所示，而该开关装置的第二种方案如图13-19所示。下面首先对该开关装置的第一种方案进行描述，然后再对第二种方案进行说明。
开关装置的第一种方案包括一个可拆卸的开关手柄232、一个开关杆234和一个可转凸轮236。开关手柄232又包括一个向下延伸的支柱238(见图10)，该支柱238具有一个穿过其下表面的垂直孔或键槽240。键槽240以及相应的开关手柄232可以与一个从开关杆234向上延伸的键柱242相配合。通过键槽240与键柱242的配合，开关杆234就可以随开关手柄232的转动而转动。进而，可转凸轮236也可以随开关手柄232的转动而转动。
如图10所示，开关杆234被支撑在一个开关支撑孔244内，该支撑孔244位于一个从内燃机壳体24上延伸出的支撑托架246上。开关手柄232的开关手柄支柱238可被插入开关支撑孔244，从而与键柱242相配合，这样就可以通过手动对可转凸轮236进行操作。然而，开关手柄232可以被从开关支撑孔244中拆下来。当开关手柄232被拆下时，开关杆234和可转凸轮236就不能够再被手动操纵了。
参看图9和10，一个开关杆长孔248被加工在上旋转托架112的下部凸缘部分130上，从而使开关杆234能够延伸进入并且穿过下旋转托架108。如下将述，当可旋转壳体54被控制绳索122拉动时，开关杆长孔248的形状还允许可旋转壳体54滑动经过开关杆234。
如图9所示，可转凸轮236具有一个伸长的凸轮部分250和一个从该伸长的凸轮部分250中分出的后部252。可转凸轮236可以沿逆时针方向旋转，从而使伸长的凸轮部分250与棘爪214的第二端224相接合，同时使后部252与下旋转托架108的外壁116进行摩擦配合。在此位置处，可转凸轮236防止了棘爪214与棘轮182脱离啮合，进而防止了动力弹簧50的意外松开。图9表示了处于啮合位置的棘爪214以及处于锁定位置的开关装置中的可转凸轮236。
图11表示了沿顺时针方向从锁定位置转向脱离配合位置或开锁位置的可转凸轮236。当可转凸轮236处于脱离配合位置时，它不再与棘爪214相接合。因此，此时棘爪214就可以被释放，从而与棘轮182脱离啮合，进而使动力弹簧150松开。另外，如图11和12所示，可以通过拉动控制绳索122使可旋转的壳体54沿顺时针方向转动。在图11中，可转凸轮236与开关杆长孔248的底部相邻(如方案视图图11所示)，但是当可旋转的壳体54沿顺时针方向摆动时，开关杆长孔248的顶部距可转凸轮236更近。可旋转的壳体54滑动经过固定的螺钉216和开关杆234(如图12所示)。一个向上延伸的凸台254(见图3B和4)被加工在下旋转托架108内，被用作一个输入轴140的支承件。当可旋转的壳体54沿顺时针方向摆动时，凸台254使棘爪214与棘轮182脱离啮合。
参看图2，一个第三安装托架256从内燃机壳体上延伸出来，该托架256包括一个孔(未示出)，该孔内支撑有一个绳索安装件258。绳索安装件258支撑着一个绳索套260的一端，该绳索套260内安装有可轴向移动的控制绳索122(例如，一条bowden绳索)。控制绳索122与按钮装置40和/或横杆手柄36相连接，并且可在按钮装置40和/或横杆手柄36相连接的操纵下被拉动。控制绳索122从绳索安装件258上延伸出并且被连接在杆臂118上的孔120中。现在参看图9和12，控制绳索122可以被向内或向外移动(通过操纵按钮装置40和/或横杆手柄36)，从而移动杆臂118，从而使可旋转的壳体54发生摆动。
参看俯视图图11和12，回复弹簧102将杆臂118连接在了固定臂98上，并且对可旋转的壳体54施加了一个逆时针方向的拉力。当横杆手柄36被释放从而启动了内燃机12的停止过程时，回复弹簧102使可旋转的壳体54沿逆时针方向摆动至一个被称作卷绕位置的位置处。
在如图9-11所示的卷绕位置处，摩擦卷轴142与飞轮26旋转配合，因此产生沿逆时针方向的转动。其结果是，输入齿轮148和输入轴140也沿逆时针方向转动，并且输入齿轮148驱动离合器齿轮150以及传动组件58的其余部分一起沿顺时针旋转。然后，传动组件58驱动弹簧轴48沿顺时针方向旋转，从而使动力弹簧50被卷绕。当内燃机的惯性运转结束时，棘爪214与棘轮182相互啮合和锁紧，从而防止弹簧轴48的逆时针旋转以及动力弹簧50的松开。
当按钮40被压下并且横杆手柄36向下转动时，控制绳索122拉动可旋转的壳体54沿顺时针方向摆动至一个被称作松开或起动位置的位置处，如图12所示。当可旋转的壳体54处于松开位置处时，摩擦卷轴142就被移动离开飞轮26，并与之脱离旋转接合。可旋转的壳体54接下来的顺时针运动使凸台254与棘爪214相接触并使棘爪214与棘轮182脱离啮合。然后，动力弹簧50可以被松开，并驱动弹簧轴48和螺旋轴198沿逆时针方向旋转。与之相应，小齿轮206绕螺旋轴198沿轴向向上旋转，并且与齿圈44进入旋转啮合，从而驱动齿圈44和飞轮26沿顺时针或起动方向旋转。然后内燃机12被驱动转过起动内燃机12所需的圈数。最后，当内燃机12被发动起来并开始加速时，齿圈44驱动小齿轮206绕螺旋轴198向下旋转至该小齿轮206的脱离啮合位置处。
如图13-19所示的开关装置的第二种方案通过一种类似于该开关装置的第一种方案的方式工作(例如，将与棘轮182相啮合的棘爪214锁定)。这种方案特别适用于其中的开关杆234不能够靠近棘爪214的内燃机中。
该开关装置的第二种方案包括几个该开关装置的第一种方案不具备的特征。如图13所示，这些附加特征包括：一个固定支撑板262；一个旋转连接件264；一个滑动件266；和一个凸轮支柱268。固定支撑板262被安装在下旋转托架108下面的顶盖66上，并且，在开关装置的这种方案中，提供了一个用于安装旋转连接件264的旋转安装点。在该方案中，固定支撑板262上还设有一个用于连接回复弹簧102的固定臂98。
旋转连接件264被旋转安装在了固定支撑板262上，并且可以由开关杆234直接进行操纵。旋转连接件264通过枢轴与滑动件266的一端相连接。该滑动件266延伸在固定支撑板262和下旋转托架108之间。凸轮支柱268被固定在滑动件266的另一端，并且穿过固定支撑板262中的引导长孔270向下延伸，同时穿过下旋转托架108中的一个窗口向上延伸。旋转连接件264在开关杆234的作用下产生的旋转运动可以使滑动件266和凸轮支柱268在图15和17所示的两个位置之间移动。
图17表示了处于锁定位置的开关装置的第二种方案，其中旋转连接件264已经被沿逆时针方向进行了转动，从而使凸轮支柱268与棘爪214相接合。在此位置处，凸轮支柱268防止了棘爪214与棘轮182脱离啮合，从而防止了动力弹簧50的松开。
图15和16表示了处于开锁位置的开关装置的第二二种方案，其中开关手柄232和旋转连接件264已经被沿顺时针方向进行了转动。其结果是，凸轮支柱268沿引导长孔270滑动，并且移动离开棘爪214。在图16中，棘爪214尽管处于开锁位置，但依旧与棘轮182啮合在一起。在图15中，通过可旋转的壳体54的运动，棘爪214与棘轮182脱离了啮合。
图13-19还表示了一种用于在特殊情况下通过切断内燃机12的点火系统电路来关闭内燃机12的装置或系统。尽管在其它的图中没有进行表示，但我们也应该明白本发明的所有实施例都包括一个内燃机关闭系统。还应注意的是，该内燃机起动装置14的上、下旋转托架108、112以及其它构件推荐采用金属的导电材料。
上述内燃机关闭系统的工作方式在美国专利Nos.4,971,001、5,040,644和5,086,890中进行了描述(这三个专利都被让与了Briggs和Stratton Corporation，此处引入作为参考)。更具体地讲，如图14和19所示，一个安全停止开关272被固定安装在了固定支撑板262的下表面上。该安全停止开关272包括一个弹性接线柱274和一个接地触点276。
该弹性接线柱274与一条导线278之间具有电气连接，同时该导线278还连接在点火系统(未示出)的主绕组上。接地触点276被置于支撑板262的外边缘附近，并且延伸在支撑板262的上表面上。一个水平延伸的接触片280从支撑板262之外的下旋转托架108上向外延伸，并且可以与下旋转托架108一起移动。
如图15所示，当下旋转托架108发生旋转从而使棘爪2 14解锁时，接地触点276与接触片280相分离，这样就可以使点火系统处于工作状态。如图16所示，当横杆手柄36被释放时，下旋转托架108发生旋转从而将棘爪214锁定，同时使接触片280与接地触点276相接触，从而使停止开关272接地。在这种条件下，点火系统被接地，从而使内燃机12不能够运行。
参看图14、16和17，一个接触片止动件282被设置在下旋转托架108上，并且从此处向下延伸。当该开关装置的第二种方案被用于将滑动件266从如图15和16所示的开锁位置移动至如图17所示的锁定位置时，该滑动件266与接触片止动件282相接合(还可参看图18)。这种动作使下旋转托架108沿顺时针发生旋转，从而使摩擦卷轴142与飞轮26脱离配合。接触片280具有足够的宽度，能够允许下旋转托架108进行充分的旋转，以便使摩擦卷轴142与飞轮26脱离配合，同时该接触片280本身保持与接地触点276相接触，从而将点火系统接地。
除上述内燃机关闭系统的方案外，还可以采用许多种其它的方案。例如，一种方案可以在例如横杆手柄36等致动器被释放时将点火系统接地。或者，美国专利Nos.4,971,001、5,040,644和5,086,890中所说明和展示的点火系统和内燃机关闭系统也可以被直接应用在本发明中。
在除如图1-19所示的上述实施例之外的其它实施例中，该内燃机起动装置可以被装备有两个或多个弹簧外壳，这些弹簧外壳各自保持有一个动力弹簧。这些弹簧可以以串联的方式驱动一个弹簧轴旋转。另外，数个动力弹簧也可以被保持在一个弹簧外壳中。更具体地讲，可以将三个一英寸的弹簧按上下叠放在一起，并且将每一个弹簧的内端都连接或固定在同一个弹簧轴上。然后，这三个弹簧就会按并联方式工作，并且产生一个等价于一个三英寸弹簧的起动扭矩。
根据本发明的一个方面，内燃机起动装置14可被方便地应用在现有的内燃机12上。例如，如图1-19所示的内燃机12原先装备有一个安装在内燃机壳体24附近的电动起动器。电池、发电机、飞轮制动器、配线、和电动起动器已被拆下，并且内燃机起动装置14被插入并安装在了原先安装电动起动器的同一位置处。另外，如图所示的内燃机起动装置14中的小齿轮206和螺旋轴198与使用在电动起动器组件中的相同。
还应注意的是，如图1-19所示的内燃机起动装置14中的输入组件56可以方便地被其它形式的输入组件所代替。例如，一个具有旋转驱动装置的电池和电动马达组件可以被操纵用于选择性地与离合器齿轮150相配合。或者，这种具有旋转驱动装置的电池和电动马达组件也可以被用作输入组件56的备用输入装置。
图20-23表示了一个实施了本发明的第二种内燃机起动装置，该起动装置适用于一个具有垂直曲轴315的第二种内燃机313。该内燃机起动装置的某些组件被安装在一个飞轮317和一个内燃机壳体319之间。具体而言，一个动力弹簧321与飞轮317的底部相连接，被用于驱动内燃机313转过起动所需的圈数。因此，图20-23所示的内燃机起动装置可以被称作根据本发明的内燃机起动装置的一种飞轮之下方案。
现在参看图22和23，该内燃机起动装置具有一个输入机构或输入组件323，该输入组件323包括安装在可旋转壳体329内的一个小齿轮轴327和一个惰轮轴329。这两个轴327、329大体位于飞轮317一侧，并且大体与曲轴315平行。一个摩擦卷轴331被固定安装在小齿轮轴327的某一位置上，该位置使其能够被横向移动，从而进入与飞轮317的旋转配合(还可参看图20)。
另外，一个扭矩限制离合器组件333被安装在摩擦卷轴331的下面，并且可动态地被置于小齿轮轴327和摩擦卷轴331之间。离合器组件333包括一个离合器盘335、一个离合器外壳341、一个盘337、一个驱动构件339、和一个压缩弹簧(未示出)。该离合器组件333的工作方式与上述内燃机起动装置14的第一个实施例中的传动组件58的工作方式类似。当弹簧的阻力达到一个预定值时，离合器组件333被用来防止动力弹簧321被过度卷绕。在本发明的一个具体的实施例中，离合器组件333的最大额定负载大约为十五英镑。
一个下部小齿轮343被固定安装在小齿轮轴325上，位于摩擦卷轴331之下，并且大体处于小齿轮轴325的中间位置上。惰轮轴327被安装在大体与小齿轮轴325平行的位置上，并且带有一个惰转齿轮345和一个具有一系列外齿349的棘轮347。棘轮347被固定安装在惰轮轴327上，并位于惰转齿轮345之下。下部小齿轮343与惰转齿轮345位于同一个旋转平面内，并且当摩擦卷轴331与飞轮317发生旋转配合时，该小齿轮343可以与惰转齿轮345旋转啮合，从而驱动惰转齿轮345和惰轮轴327旋转。
现在参看图20和23，可旋转壳体329被安装在内燃机外壳319的附近，并且有一个上旋转托架351和一个下旋转托架353组成。上、下旋转托架351、353分别具有左端壁351a、353a和右端壁351b、353b。右端壁351b、353b通过一对右凸缘359相互配合并被固定在了一起，而左端壁351a、353a通过一对左凸缘361相互配合并被固定在了一起。从图20中可以最清楚地看出，可旋转壳体329被支撑在一个固定板363上，该固定板363被连接在了内燃机外壳369上并从连接处延伸出来。固定板363是一个大体扁平的板，包括一个延伸在上旋转托架351和下旋转托架353之间的外部分365。
特别参看图23，外部分365上加工有一个第一固定支柱367和一个带有一个轴承371的凸台或第二固定支柱369。惰轮轴327具有一个支撑在上旋转托架351上的顶端327a和一个支撑在下旋转托架353上的下端327b。在两端之间，惰轮轴327被旋转支撑在了轴承371上。因此，当惰轮轴327在轴承371之内旋转时，整个可旋转壳体329都可以通过惰轮轴327与轴承371之间的转动配合沿惰轮轴327的一条纵向轴线373旋转。
特别参看图20和23，该内燃机起动装置还装备有一个具有一个凸轮表面379的棘爪377和一个扭矩弹簧(未示出)，该扭矩弹簧被安装在第一固定支柱367上，并与棘爪377相配合。棘爪377受到弹簧的偏置力，这样就可以使凸轮表面379与棘轮347的外齿349相啮合，从而防止惰轮轴327发生逆时针转动。另外，一个半岛状板383被安装在左凸缘361之间并且从安装处向外延伸，同时处在棘爪377的下面。一个凸销385从半岛状板383向上延伸，并且可以与棘爪377相接合，从而使棘爪377与棘轮347脱离啮合。
现在参看图20和21，控制绳索359的一个弯曲端391与一个加工在右凸缘359中的小孔387相连接。控制绳索389可以在控制绳索套395内沿轴向移动，该控制绳索套395被固定支撑在绳索固定件397内。控制绳索389可以与一个处在远离内燃机外壳319的遥控位置上的手动控制系统(未示出)相连接，用于移动可旋转壳体329。在许多实施例中，控制绳索389都与一个远离内燃机313的手动致动器相连接，例如横杆手柄、杠杆、或按钮。
通过操纵控制绳索389，可以使可旋转壳体329绕惰轮轴327摆动，从而使摩擦卷轴331与飞轮317相互配合或脱离配合。图20表示了处于配合或卷绕状态(例如在内燃机惯性运转过程中)的可旋转壳体329。摩擦卷轴331与飞轮317相配合，这样，飞轮317的顺时针旋转可以驱动摩擦卷轴331和小齿轮轴325沿逆时针方向进行旋转。其结果是，下部小齿轮343驱动惰转齿轮345沿顺时针方向进行旋转。
图21表示了处于脱离配合位置的可旋转壳体329，其中控制绳索389已被用于使可旋转壳体329向外移动，从而使摩擦卷轴331不再与飞轮317相配合。当可旋转壳体329被摆动脱离飞轮317时，凸销385与棘爪277相配合，并且强迫棘爪377与棘轮347脱离啮合，这样，惰轮轴327就可以沿逆时针方向进行旋转了。
现在参看图22和23，输入组件323可以与一个传动或驱动机构旋转配合，该驱动机构包括一个安装在曲轴315上的主齿轮399。惰转齿轮345与主齿轮399相啮合，这样，当棘爪377与棘轮347相互啮合和锁定时，主齿轮399同时也被锁定。参看图22，主齿轮399被安装在一个驱动联接器401上，并且一个弹簧轴405被同轴心地安装在联接器401的一部分上。弹簧轴405包括一个突出部分(未示出)，动力弹簧321的一个内端415被连接在了该突出部分上。
动力弹簧321被安装在了一个驱动外壳或弹簧外壳407内，该弹簧外壳407具有一个水平的顶盖409和一个敞开的底部。该弹簧外壳407还具有一个围绕或包围住动力弹簧321的一个外端413的圆形外壁411。动力弹簧321的外端413并固定连接在了弹簧外壳407上。
当主齿轮399在惰转齿轮345的驱动下沿逆时针旋转时，弹簧轴405就会发生旋转，从而对动力弹簧321进行卷绕。当棘爪377与棘轮347相互啮合和锁定时，就可以防止处于卷绕状态的动力弹簧321被松开。
参看图20和22，一个弹簧输出机构或输出机构包括一个定向离合器组件403，该离合器组件403被安装在曲轴315上，并且处于弹簧轴405和主齿轮399的上方。离合器组件403包括一个棘轮417、一个离合器套筒419、一个离合器盖421、和一个离合器滚珠423。棘轮417被固定安装在了弹簧轴405上，并因此可以与弹簧轴405以及联接器401一起旋转。这样，当主齿轮399在输入组件323的驱动下发生旋转时，棘轮417就可以在主齿轮399的驱动下沿逆时针进行旋转。反之，当动力弹簧321松开时，棘轮417和弹簧轴405沿顺时针旋转。
棘轮417包括数个等距分布的凸出部分或凸轮齿425，该凸轮齿425的一侧倾斜，而相反的一侧向内凹陷。离合器套筒419被同轴安装在了棘轮417上，并且通过飞轮317与曲轴315固定相连。离合器套筒419定义了一个容纳有离合器滚珠423的大体呈杯状的凹槽427和该凹槽427内的承窝429，其中承窝429分布在从棘轮417沿径向向外的位置处。最后，离合器盖421从离合器套筒419的边缘处延伸向棘轮417，从而将凹槽427包围。如下将述，棘轮417可以在一定的转速范围内沿顺时针或起动方向旋转，从而驱动离合器套筒419旋转，但是不能够驱动离合器套筒419沿反方向或逆时针方向旋转。
离合器套筒419还包括数个沿径向面向内部的凸轮表面431，离合器滚珠423可以通过棘轮417的凸轮齿425被锲靠在凸轮表面431上。当棘轮417的一个凸轮齿425将一个离合器滚珠423锲靠在一个邻近的凸轮表面431上时(如图21所示)，离合器组件403就开始处于接合状态。当动力弹簧321被松开并且驱动弹簧轴405和棘轮417沿顺时针旋转时，就可以导致离合器组件403的这种接合。然后，离合器组件403驱动飞轮317和曲轴315沿顺时针或起动方向旋转，从而驱动内燃机313转过初始起动所需的圈数。
当内燃机313转变为自己提供动力并达到运行速度时，作用在离合器滚珠423上的足够大的离心力就会将离合器滚珠423向外抛入承窝429中，从而远离凸轮齿425。其结果是，棘轮417的转速超过了离合器套筒419的转速，从而使离合器组件403与飞轮317脱离了旋转配合。
图20表示了处于卷绕状态的内燃机起动装置。如前所述，该卷绕状态可以通过操纵与控制绳索389相连接的手动致动器，例如横杆手柄或按钮，(例如，释放横杆手柄)来实现。一个回复弹簧433被连接在右凸缘359和内燃机外壳319之间，并且将可旋转壳体329拉向飞轮317一侧。当飞轮317沿顺时针或起动方向旋转时(例如，在内燃机惯性运转过程中)，一旦将控制绳索389释放，回复弹簧433的回复力就会使可旋转壳体329围绕惰轮轴327产生摆动，并且向内摆向飞轮317，直至使摩擦卷轴331与飞轮317发生旋转配合。然后，惰转齿轮345驱动主齿轮399逆时针旋转，从而对动力弹簧321进行卷绕。离合器组件403中的棘轮417也沿逆时针方向旋转；然而，当离合器滚珠423处在凸轮齿425和凸轮表面431之间时，凸轮齿425使棘轮417可以从离合器滚珠423之上经过。这样，离合器组件403就与飞轮317脱离了旋转配合。
当动力弹簧321被卷绕够预定的圈数时，离合器组件333就会发生动作，从而使摩擦卷轴331与小齿轮轴325脱离配合。当这种情况发生时，飞轮317的旋转就不能够再驱动主齿轮399旋转了，从而也就停止了对动力弹簧321的卷绕。因此，离合器组件333防止了动力弹簧321的过度卷绕。
当内燃机313的停止过程被启动时(例如，通过释放横杆拉杆)，一个飞轮制动组件(未示出)就会与飞轮317相配合从而使飞轮317停止旋转。控制绳索389可以与该飞轮制动组件相连接，从而当手动致动器(未示出)被释放时，该飞轮制动组件和该内燃机起动装置的输入组件323可以同时被启用。就此而言，该内燃机起动装置通过在内燃机惯性运转过程中使用动力弹簧321吸收飞轮317和曲轴315的角动量，对飞轮317的制动起到了辅助作用。在其它的实施例中，该飞轮制动组件可以被取消，这样，该内燃机起动装置只提供单一的制动机构，用于对飞轮317、曲轴315以及其它输出装置进行制动。
图24和25表示了根据本发明的内燃机起动装置的第三个实施例，该实施例适用于一种具有垂直曲轴525的内燃机521。该内燃机起动装置被安装在了一个传统的反冲式起动器513和一个飞轮515之间，该飞轮515被旋转支撑在了曲轴525的一个输出端527上。就此而言，该内燃机起动装置可以被称作根据本发明的内燃机起动装置的飞轮之上方案。
参看图24，内燃机521包括一个围绕在内燃机起动装置和飞轮515周围的下壳体517、和一个大体覆盖住了反冲式起动器513的上壳体519。反冲式起动器513包括一个通过一个离合器组件533被旋转安装在一个驱动构件或驱动轴531上的反冲卷轴或滑轮529。另外，一个向下延伸的起动器轴535被旋转安装在了驱动轴531上，并且位于离合器组件533和驱动轴531之间。
反冲滑轮529上加工有一个面朝上的凹槽或凹入部分537，该凹槽537位于离合器组件533的周围，并且容纳有一个反冲弹簧539。反冲弹簧539的一端被固定在一个向下延伸的固定凸缘543上，而相反的一端固定在反冲滑轮529上。另外，该反冲滑轮529上设有一条沿周长方向的凹槽，该凹槽内缠绕着一条起动器拉绳547。该起动器拉绳547从上壳体519上的一个开口(未示出)中延伸出来，并且具有一个手柄端(未示出)，该手柄端可被操纵者拉动，从而使反冲滑轮529沿顺时针方向旋转。
起动器轴535围绕驱动轴531向下延伸，它包括一个位于反冲滑轮529之下的径向延伸的下轴毂部分551。一个操纵块553通过螺栓被安装在了驱动轴531的底部，但是可以相对该底部摩擦旋转，同时该操纵块553与下轴毂部分551相邻。与传统方案一样，数个受到弹簧拉力的离合器爪555被可旋转式地容纳在了下轴毂部分551内，并且与操纵块553相邻。当通过拉动起动器拉绳547而使反冲滑轮529发生顺时针旋转时，离合器爪555便在操纵块553的作用下沿径向向外转动。
一个被置于操纵块553下方的圆形起动器罩557被旋转安装在了曲轴525的输入端527上，并且位于飞轮515的上方。起动器罩557从输入端527沿径向向上延伸，它包括一个围绕在下轴毂部分551和操纵块553周围的外边缘部分559。起动器罩557在外边缘部分559的内侧上设有一个大体径向的接合面561。当离合器爪555沿径向向外转动时(例如，通过拉动起动器拉绳547)，该离合器爪555就会与接合面561接合，从而与起动器罩557进行旋转配合。
通过拉动起动器拉绳547使反冲滑轮529沿顺时针旋转，并且驱动起动器轴535旋转，就可以使内燃机521被起动。离合器爪555驱动起动器罩557沿顺时针方向转动，然后起动器罩557又驱动曲轴525也沿顺时针方向转动，，从而起动内燃机521。
参看图24和25，该内燃机起动装置包括一个圆形的驱动外壳567(“弹簧外壳”)。该弹簧外壳567通过一个定向离合器组件569被安装在起动器轴535的下轴毂部分551的周围。弹簧外壳567包括一个外周壁571，该外周壁571与一个向下延伸的固定支撑凸缘579一起组成了一个环形壳体，该壳体内部安装有一个动力弹簧575。推荐动力弹簧575或其它的弹性构件由大约一英寸宽的金属带加工而成。从图25中可以最清楚地看出，动力弹簧575的内端或内边缘577被连接在了固定凸缘579上，而动力弹簧575外端581被固定在了弹簧外壳567的外壁571上。在另外一个实施例中，内端577可以被卷成一个圆环状，从而通过一个小孔与固定凸缘579相连接，正如本发明的第一个实施例一样(例如，见图8)。
动力弹簧575可以通过弹簧外壳567的逆时针旋转而被卷绕。定向离合器组件569被设计具有以下功能：当弹簧外壳567沿顺时针方向旋转时，允许弹簧外壳567与起动器轴535进行旋转配合，但是当弹簧外壳567沿逆时针方向旋转时，则不允许这种旋转配合。
弹簧外壳567包括一个周向凸缘583，该凸缘583从外壁571向下延伸，并且具有一个面向内部的锥形表面585。一个摩擦卷轴587与弹簧外壳567相邻。该摩擦卷轴587也具有一个推荐用橡胶材料加工成的锥形外表面589以及一个可以用金属或塑料材料加工成的轴芯591。摩擦卷轴587被旋转安装在了一个轴593上，而该轴593又与一个杆臂549相连接。杆臂549可以与一个远离内燃机521的控制组件(未示出)相连接，该控制组件可以控制杆臂549，使之操纵摩擦卷轴587相对弹簧外壳567向上或向下移动。
该内燃机起动装置还包括一个被旋转安装在曲轴525的输入端527上的重绕罩601。如图24所示，重绕罩60从起动器罩557的外侧沿径向向上延伸，并且包括一个大体沿轴向延伸的圆锥表面603。圆锥表面603与弹簧外壳567的圆锥表面585镜面相对，从而在二者之间形成了一个锲形的凹槽621。
在内燃机运行状态下或在内燃机惯性运转过程中，重绕罩601在曲轴525的驱动下沿顺时针方向旋转。在内燃机惯性运转过程中，摩擦卷轴587被向上移动，从而与重绕罩601的圆锥表面603和弹簧外壳567的圆锥表面585同时进入配合。因此，重绕罩601驱动摩擦卷轴587沿逆时针方向旋转，同时摩擦卷轴587又驱动弹簧外壳567沿逆时针方向旋转。其结果是，当曲轴525在内燃机惯性运转过程中旋转时，就会间接地对动力弹簧575进行卷绕。
现在参看图25，该内燃机起动装置包括一个弹簧驱动的制动组件607，该制动组件607从下壳体517上的一个开口605中延伸出来，并且被安装在了弹簧外壳567的外壁571的附近。制动组件607包括一个安装在旋转支柱623上并与一个扭矩弹簧613相配合的旋转托架。扭矩弹簧613被用于将旋转支柱623沿径向向内拉向弹簧外壳567的外壁571。制动组件607还包括一个与外壁571摩擦配合的弧形闸瓦615以及一条与托架609上的一个杆臂617相连接的控制绳索619。
根据本发明的一种形式，控制绳索619与一个横杆手柄(未示出)动态连接。当横杆手柄被压下时，控制绳索619拉动托架609向外旋转，从而将闸瓦615拉离外壁571。反之，当横杆手柄被释放时，托架609在扭矩弹簧613的作用下向内旋转，从而使闸 615与外壁571进行摩擦配合。其结果是，制动组件607阻止了弹簧外壳567的顺时针旋转。
当横杆手柄被释放时，摩擦卷轴587几乎在制动组件607与弹簧外壳567的外壁571进入配合的同时，进入与弹簧重绕罩601和弹簧外壳567的配合。这样，该内燃机起动装置还被用作飞轮515、曲轴525和内燃机521的一个制动机构。在其它的实施例中，该内燃机起动装置的工作过程具有以下特点：摩擦卷轴587与弹簧重绕罩601和弹簧外壳567之间的相互接合发生在制动组件607与弹簧外壳567的外壁571之间的配合之前。这种滞后保证了对动力弹簧575的充分卷绕，但是制动组件的动作时间必须被调整好，从而防止动力弹簧575被过度卷绕。
接下来为了起动内燃机521，横杆手柄被压下，从而使制动组件607和摩擦卷轴587分别被从各自的摩擦配合位置上移开。其结果是，储存在动力弹簧575中的能量被释放出，用于驱动弹簧外壳567沿顺时针或起动方向(如图25中的箭头YY所示)旋转。然后，弹簧外壳567驱动定向离合器组件569，并且使起动器轴535也沿顺时针或起动方向YY旋转。接着，通过离合器爪555的连接，起动器轴535的顺时针旋转驱动起动器罩557发生旋转，从而驱动曲轴525沿起动方向或顺时针方向旋转。
在该内燃机起动装置的实施例的另一种方案中，储存在动力弹簧575中的能量可以被用作反冲式起动器滑轮529的辅助动力。已被卷绕的动力弹簧575可以被设置为当施加在起动器拉绳547上的力增大时被释放。更具体地讲，当施加在起动器拉绳547上的力降低至一个预定水平时，制动组件607可以被重新用于使弹簧外壳567停止转动，在这种情况下，动力弹簧575中的剩余能量还可以被用在以后的起动操作中。
尽管上文已经展示和描述了本发明的几个实施例，但本领域内的技术人员应该明白在本发明的范围之内还可以有许多其它的实施例。