CN101337571A - 用于往复运动转换的行星齿轮机构 - Google Patents

Abstract

发明一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，可将脚的蹬踏运动或活塞往复运动转换成旋转运动的装置，代替曲柄机构。应用于自行车上，保持圆周蹬踏方式，提高转换效率，主动轮采用大链盘和长的踏板固定联结，从动轮固定在空心中轴上的，主动轮随曲柄绕着从动轮旋转，利用踏板相对曲柄反向旋转的特性，主动轮直接将脚的蹬踏力以转矩的形式传给中轴，骑车过程中，脚的前后同时用力，压着主动轮随曲柄绕着中轴公转同时产生自转，带动中轴旋转，由脚后跟的施加力的方向始终垂直作用于踏板的全部形成转矩，与曲柄所在的角度无关，当主动轮和从动轮的齿数比值为3时，传动比为4，脚的蹬踏力有3/4的直接形成转矩，总转换效率超过90％。

Description

用于往复运动转换的行星齿轮机构

技术领域

用于往复运动与旋转运动之间的转换的装置，可以代替现有的曲柄机构，将往复运动转换成旋转运动的形式，它特别适合用在自行车以及各种类型脚踏驱动装置。

背景技术

曲柄由于简单可靠，并能充分利用了惯性一直被广泛用于往复运动与旋转运动之间的转换。曲柄的缺点是被驱动过程所施加的力中只有垂直曲柄的分量形成转矩，通过曲柄得到转矩是按正弦变化的，它存在两个死点位置，由于此位置的惯性最大，在驱动过程中是利用惯性渡过死点，在整个过程中有三分之一的力作用到曲柄轴上没有转换成转矩，它的起始点力矩小，转换效率60％左右。曲柄作回转运动，踏板做复杂的平面运动，它分解为随脚做往复运动和随同曲柄的旋转运动，其中只有往复运动部分参加做功，随同曲柄的旋转运动的特性没有被利用，它属于空转，不产生有用功。自行车在行驶过程中，当曲柄旋转时，脚的后跟压着踏板反向旋转同样大小的角度，才能保持脚底与踏板接触，在整个过程中踏板可以与脚一直保持垂直，只是由于现有的技术中踏板是自由旋转体用不上力，没有形成有用功。在现有技术中，其性能的改善只是围绕改变受力的角度和周期性尺寸改变来增加垂直曲柄的分量来提高效率，其中一类是将曲柄的活动形式改为往复形式，躲开死角，提高初始力矩，但由于运动的方向突然的改变，损失了动能，机械运动方式变得复杂，往复式蹬踏，肌肉得不到放松，易疲劳，另一类则采用椭圆链轮或周期性改变曲柄的有效长度来改善自行车的性能，虽然改进的方案很多，但都未得到广泛的应用。

现有技术中行星齿轮机构用于往复运动与旋转运动之间的转换的方案的共同点使用单连杆与行星齿轮相联接，力是通过连杆作用于行星齿轮上的一点，使行星轮绕着太阳轮公转和自转，多数方案使用内齿轮配合1/2齿数比的小的行星轮，实现连杆直线运动用来改善活塞的工作条件，减少摩擦来提高发动机寿命和效率，由于是单连杆，力会沿连杆会指向太阳轮的轴心，因此存在死点，行星齿轮机构所得到的转矩与行星齿轮所在的位置有关，其效率与曲柄相似。

发明内容

曲柄连杆机构一直被用在自行车和活塞式发动机，虽然转换效率只有60％左右，在现有的技术方案中还是没有能取代它，骑车的人们只能在力和速度之间找一个平衡点。本发明提出一个新的技术方案，提供一个新的往复运动与旋转运动之间的转换的途径，可以代替曲柄连杆机构，将转换效率由曲柄所能达到的63％提高到90％以上，提高机器的做功能力。

本发明解决问题的技术方案是：它将行星齿轮机构和曲柄连杆机构特点结合起来，依据曲柄作回转运动中，踏板要随同曲柄做旋转运动，通过踏板和行星轮的固定联结，同时采用大的行星轮和小的太阳轮，将往复运动所施加的力垂直作用于踏板的两端，力在踏板的被分成两部分，只有小部分的力通过行星轮的轴用在曲柄旋转形成行星轮的公转，带给太阳轮的转矩与角度有关，曲柄在旋转中可以充分地利用惯性保持旋转的连续性，其它大部分的力被直接用于踏板的旋转形成转矩通过行星轮的自转，带动太阳轮同步旋转，这部分的力的转换与角度无关。方案中，行星轮作为主动齿轮，太阳轮作为从动齿轮，曲柄作为行星架，本机构有增速作用，行星轮和太阳轮齿数比为K，行星轮和太阳轮旋转方向相反时，行星轮跟随曲柄旋转一圈，太阳轮旋转K+1圈，其中的K周靠着行星轮的自转所驱动，由于用于行星轮的自转的力的方向总是和作用点的速度的方向相一致，这部分的能量转换和角度无关。它基本结构如图1所示，踏板3和主动齿轮2固定联接，主动齿轮2通过主动轴1可转动地装设在曲柄4的一端，曲柄4的另一端可转动与中轴7活动联接，左右两个从动齿轮6分别固定在中轴7的两端，主动齿轮2随曲柄4绕中轴7旋转，主动齿轮3与从动齿轮6相互带动同步旋转，驱动力垂直作用于踏板3的两端使主动齿轮2绕从动齿轮6公转的同时产生自转，由主动齿轮2带动从动齿轮6旋转，通过中轴7带动负载旋转同时带动另一边的从动齿轮6和主动齿轮2旋转。

本发明特别适合用于自行车，因为自行车是圆周式蹬踏方式，与踏板运动轨迹一致，机构中完全是旋转运动，制造容易，完全可以利用现有工艺和设备，由于效率提高，转矩接近恒定，自行车的速比至少可以提高一半，与普通曲柄相比，可以取消变速器，同时做到既省了力又提高了速度。

本发明用于活塞式发动机要复杂些活塞做直线运动，踏板随曲柄旋转，踏板要两点受力，增加结构的复杂性，但转换效率却可以提高到90％，应用时，把每个机构作为一个单元，通过主轴可以将多个机构简单地组合成一体。

本发明的基本点，采用行星齿轮结构，踏板和主动齿轮的固定联结，踏板的作用就将垂直作用于踏板的力分成两部分，分别驱动曲柄旋转和主动齿轮的自转，利用主动齿轮自转传递能量来提高工作效率，因此在本发明中踏板可以定义为：在主动齿轮有与一端面相垂直的受力的平面，这个平面能够保持与作用力的方向相互垂直，同时保持两个受力点，因此，踏板的形式是多样的，可以是折叠的，它可以是滑轨，可以是主动齿轮上的两个联接轴。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案进一步说明发明所提出技术方案。

图1用于往复运动转换的行星齿轮机构俯视示意图。

图2用于活塞式往复运动转换的行星齿轮机构俯视示意图。

图3链条传动右半部分俯视剖面图。

图中1.主动轴，2.主动齿轮，3.踏板，4.曲柄，5.曲柄轴，6.从动齿轮，7.中轴，8.延伸板，9.过渡轮，10.传动轮，11.护板，12.缓冲弹簧，13.机座，14.垫圈，15.传动轮b，16.主轴，17.联接杆，18.U型梁，19.后踏板，20.前踏板，21.活塞，22.滑轨，23.滑块。

具体实施方案1

如图1所示，是一种于往复运动转换的行星齿轮机构的基本的结构，该方案使用齿轮传动，往复运动的施加的力垂直作用于踏板3两端，使踏板3随曲柄4绕中轴7公转和自转，自转保持踏板3和施力物体的之间的面的接触，公转引起踏板3水平和垂直的位移，在公转的过程中，当加速度为0时惯性和踏板3的水平位移速度最大，垂直位移为零，旋转靠着惯性维持，随着水平移开始逐步减小加速度和垂直位移开始逐步增加，当加速度和垂直位移速度达到最大时水平位移速度降到0并改变移动的方向，随后，水平位移速度开始逐步增加，蓄积能量，垂直位移速度开始逐步减小，在公转中，水平和垂直位移量是按正弦规律变化，惯性得到充分的利用。因为踏板3的自转角度的大小和曲柄4是相同的，只要曲柄4发生旋转，踏板3就要有一端抬高而受到压力使踏板产生反转，与曲柄所处的角度无关，由踏板3的自转形成转矩则通过主动齿轮2和从动齿轮6传递带动中轴7旋转，主动齿轮2越大，从动齿轮6旋转圈数越多，自转提供的转矩所占的比例越大，机构受角度影响越小。在该方案中，踏板3固定在主动齿轮2，主动轴1固定在曲柄4的前端，主动齿轮2可转动装设主动轴1上，左右两个从动齿轮6被分别固定在中轴7的两端，左右两个曲柄4的另一端分别在靠近从动齿轮6位置可转动地装设在中轴7上，主动齿轮2与从动齿轮6相互啮合，中轴7和主轴16可转动地装设在机座13，传动齿轮10固定中轴7的中部，传动齿轮b 15固定在主轴16上，传动齿轮10和传动齿轮b 15相互啮合，主轴16和中轴7之间进行齿轮传动，在这个方案中，因为左右曲柄没有相互固定联接，为了保持左右曲柄之间的180度相位差，需要往复运动的端平面和踏板的之间能够保持接触，维持左右踏板之间的平行。

本方案适用圆形轨迹往复驱动形式，对于活塞直线式往复驱动形式则需要考虑公转引起踏板相对活塞产生水平的位移，如图2用于活塞式往复运动转换的行星齿轮机构示意图所示，踏板3形式为一滑轨22和滑块23做滑动配合，滑块23通过推杆和活塞21固定联接，滑块23随活塞21作直线的上下往复运动，滑轨22随滑块23上下往复运动同时进行水平往复的滑动。带动主动齿轮的公转和自转，通过传动齿轮10和传动齿轮b 15的传递，主轴可以将多个往复运动转换的行星齿轮机构组合起来，保持固定的相位差运转。

在图2中滑轨22滑块23可以被两支相互平行的连杆代替，踏板3的形式是两只固定在主动齿轮的联接轴，相当踏板3的两端，活塞21有两只联接轴，其间距和主动齿轮的间距相同，连杆的两端分别可转动地装设在主动齿轮2的和活塞21的联接轴上，两支连杆在主动齿轮2和活塞21之间形成平行四边形，主动齿轮2在旋转过程中两支连杆的距离周期性变化，联接轴间距大小要保证两支连杆不能相碰。工作时，活塞通过两支连杆驱动主动齿轮2的公转和自转，该方案方法简单，尺寸小，缺点增加侧面摩擦，效率没有滑轨方式的高。

具体实施方案2

如图3所示，该实施方案中使用的是链条传动，可以直接用在自行车及其他脚踏装置，该图以主动轴1和中轴7的轴心线为截面的右半部分俯视剖面图，在左半部分的图中没有传动齿轮10，其余的部件相同。人在骑车时，脚做着圆周性的蹬踏运动，使曲柄旋转的同时，踏板在脚的作用下要跟随曲柄反向旋转同样大小的角度，根据这个性质，主动齿轮2和向后加长的踏板3分别固定在主动轴1两端，主动轴1可转动地装设在曲柄4的前端，曲柄4的另一端固定在曲柄轴5上，左右两个曲柄4相差180度固定在曲柄轴5的两端，左右两个从动齿轮6固定在中轴7的两端，中轴7为空心的轴，它可转动地套在曲柄轴5上，当平行力垂直作用于踏板3上，在踏板3的带动下主动齿轮2随曲柄绕从动齿轮6公转的同时以相反的方向自转，带动从动齿轮旋转，再经中轴7带动另一边从动齿轮6和主动齿轮2旋转。通过调整齿轮的啮合位置使左和右踏板3相互平行，由于左右曲柄相互固定联接，左右从动齿轮相互固定联接，保证在蹬踏过程中，左右两个主动齿轮同步旋转，左右踏板则保持平行做一上一下相位差为180度的圆周形的往复运动。在骑车过程中，踏板3的前端的力作用到主动轴1，使曲柄4绕着中轴7旋转，踏板的后端则带动主动齿轮2自转，其旋转方向与曲柄相反，主动齿轮2通过从动齿轮6带动中轴7旋转，中轴7旋转方向与主动齿轮2相反，与曲柄4相同，中轴7带动自行车前进，通过这个过程，踏板3上所施加力由主动齿轮2直接以转矩形式传递给中轴7，其中脚后跟的施加力由于全部用于踏板3旋转直接形成转矩，与曲柄5所处的角度无关，其所占的比例由主动齿轮2与从动齿轮6的齿数比值决定，中轴7和曲柄4的转速比等于主动齿轮2与从动齿轮6齿数比加一。该方案用于26时自行车，主动齿轮2和从动齿轮6齿数比值3时，中轴7的传动轮10和后轮的飞轮的齿数比采用1，总的传动比等于中轴7和曲柄4旋转的圈数比为4，脚的蹬踏力3/4的被直接形成转矩，总转换效率超过90％，由于接近恒定力矩输出，它得到的转矩相当传动比2.2的普通的26时自行车在30度得到的转矩。

图3中，主动轴1的一端与主动齿轮2铆接，另一端为外螺纹，其中左边主动轴1为右旋螺纹，右边主动轴1为左旋螺纹，踏板3和主动轴1螺纹联接，主动轴1的中部通过轴承可转动装设在曲柄4前端的轴承孔里，主动轴1中部装配两个轴承，两轴承之间隔有垫圈14，防止轴承的外圈被压的不能转动，曲柄4的轴承孔中间有台阶，轴承从左右嵌入曲柄的轴承孔，台阶防止轴承在孔内左右窜动，保证主动轴1正常旋转。

从动齿轮6的轴向有安装部，其安装孔为内螺纹，从动齿轮6有齿的一端嵌入轴承，空心的中轴7的两端分别在左右从动齿轮的安装部做螺纹联接，右端为右旋螺纹，左端为左旋螺纹，曲柄轴5的中部通过从动齿轮6的轴承可转动地装设在中轴7的内孔，中轴7通过两个轴承可转动地装设自行车中轴的机座13，传动齿轮10固定在右从动齿轮6的安装部上。

使用链条传动时为了实现主动齿轮2和从动齿轮6旋转方向相反，需要过渡轮9将链条联接起来，过渡轮9可转动地装设在固定在曲柄4上的延伸板8上所装配的轴上，该轴的可方便拆卸，以便调整二踏板3之间平行度，图中所示的齿轮的为链轮，将从动齿轮6位置处于主动齿轮2和过渡轮9之间，链条由主动齿轮2和从动齿轮6中间穿过后，再从动齿轮6和过渡轮9中间穿过，绕过渡轮9直接回到主动齿轮2，完成链条的闭合，链条外层与从动齿轮6啮合，链条的内层与主动齿轮2和过渡轮9啮合，图中没有画出链条。

图3中的踏板3结构是为了减轻重量和保持足够强度，踏板3包含一个截面为L型的面板固定在联接杆17上，联接17杆有内螺纹能与主动轴1螺纹联接，U型梁18固定在截面为L型的面板上，U型梁18两端分别固定前踏板20和后踏板19，由于踏板3的重心不在主动轴1上会自然下垂，前踏板20的作用是使踏板恢复水平，行驶时可以不受力，踏板3的合适的长度根据脚的长度决定，后踏板19的固定位置决定踏板3的长度，U型梁上可以设置多个安装孔供给后踏板19选择。

本方案也可以直接采用齿轮传动，取消过渡轮9，主动齿轮2和从动齿轮6直接啮合。

图3中的传动轮10用来向飞轮输出能量，也可以换成棘轮，通过棘轮将花毂可转动地装设在中轴7中部，直接驱动车轮。

图3中的护板11防止刮裤子，缓冲弹簧12做脚后跟的缓冲，曲柄4和曲柄轴5固定联接可以沿用现有的方法如销钉或梯形四方体。

本方案可以充分利用现有的加工设备和工艺，主动齿轮，曲柄的加工，铆接和螺纹联接都可以沿用现有的技术，机构全部是旋转运动方式，可靠性高，它使自行车的性能大幅度提高。

Claims (10)

1.一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，代替曲柄装置，用于往复运动与旋转运动之间转换的装置，用于自行车和活塞发动机，其特征是：机构左边和右边分别包含主动轴(1)，主动齿轮(2)，踏板(3)，曲柄(4)和从动齿轮(6)，中间包含中轴(7)，机架(13)，其中，踏板(3)和主动齿轮(2)固定联接，主动齿轮(2)通过主动轴(1)可转动地装设在曲柄(4)的前端，曲柄(4)的另一端与中轴(7)可转动地联接，左右两个从动齿轮(6)分别固定在中轴(7)的两端，中轴(7)可转动地装设在机架(13)，主动齿轮(2)随曲柄(4)绕中轴(7)旋转，踏板(3)和主动齿轮(2)绕从动齿轮(6)公转和自转，踏板(3)通过主动齿轮(2)带动从动齿轮(6)和中轴(7)旋转，经中轴(7)同时带动另一边从动齿轮(6)和主动齿轮(2)旋转。

2.根据权利要求1所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：还包含一个曲柄轴(5)，其中，主动齿轮(2)和踏板(3)分别固定在主动轴(1)的两端，主动轴(1)中部可转动地装设于曲柄(4)的前端，左右两个曲柄(4)的另一端相差180度固定于曲柄轴(5)的两端，中轴(7)为空心轴，中轴(7)可转动地套在曲柄轴(5)上。

3.根据权利要求2所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：还包含一个传动齿轮(10)，主动轴(1)的一端与主动齿轮(2)铆接，另一端为外螺纹，其中左主动轴为右旋螺纹，右主动轴为左旋螺纹，踏板(3)和主动轴(1)螺纹联接，主动轴(1)的中部通过轴承可转动地装设在曲柄(4)前端的轴承孔内，主动轴(1)中部装配两个轴承，两轴承之间隔有垫圈(14)，曲柄(4)的轴承孔中间有台阶，从动齿轮(6)的轴向位置有一安装部，安装部的安装孔为内螺纹，从动齿轮(6)有齿的一端嵌入轴承，中轴(7)的两端分别在左和右两个从动齿轮(6)的安装部做螺纹联接，右端为右旋螺纹，左端为左旋螺纹，曲柄轴(5)的中部通过嵌入从动齿轮(6)的轴承可转动地装设在中轴(7)的内孔里，中轴(7)通过两个轴承可转动地装设于机架(13)，传动齿轮(10)固定在右从动齿轮(6)的安装部上。

4.根据权利要求3所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：使用链条传动，左边和右边分别还包含过渡轮(9)，延伸板(8)和链条，延伸板(8)固定在曲柄(4)的端面上，延伸板(8)固定一个安装轴，过渡轮(9)可转动地装设在该轴上，从动齿轮(6)位置处于主动齿轮(2)和过渡轮(9)的中间，链条起始于主动齿轮(2)，由主动齿轮(2)和从动齿轮(6)中间穿过，和从动齿轮(6)啮合，由从动齿轮(6)和过渡轮(9)的中间穿过再绕过渡轮(9)后直接回到主动齿轮(2)，和主动齿轮(2)啮合，链条外层与从动齿轮(6)啮合，链条的内层与主动齿轮(2)和过渡轮(9)啮合。

5.根据权利要求3所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：主动齿轮(2)和从动齿轮(6)相互啮合或通过中间齿轮啮合。

6.根据权利要求4或5所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：还包含一个花毂，一个棘轮，棘轮代替传动齿轮(10)，棘轮的内圈固定在中轴(7)上，花毂一端固定棘轮的外圈，花毂另一端通过轴承可转动地装设在中轴(7)上。

7.根据权利要求3所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：踏板(3)包含一块截面为L型面板，一联接杆(17)，一根U型梁(18)，前踏板(20)和后踏板(19)，截面为L型面板固定在联接杆(17)上，联接杆(17)有内螺纹能与主动轴(1)螺纹联接，U型梁(18)固定在L型面板上，U型梁(18)两端的分别固定安装前踏板(20)和后踏板(19)。

8.根据权利要求1所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：还包含传动齿轮(10)，传动齿轮b(15)，主轴(16)，其中，踏板(3)固定在主动齿轮(2)的端面上，主动轴(1)固定在曲柄(4)的前端，主动齿轮(2)可转动地装设主动轴(1)上，左右两个曲柄(4)的另一端分别在靠近从动齿轮(6)的位置可转动地装设在中轴(7)上，主动齿轮(2)与从动齿轮(6)相互啮合，中轴(7)和主轴(16)可转动地装设在机架(13)，传动齿轮(10)固定中轴(7)的中部，传动齿轮b(15)固定在主轴(16)上，传动齿轮(10)和传动齿轮b(15)相互啮合，主轴(16)和中轴(7)之间进行齿轮传动。

9.根据权利要求8所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：左边和右边分别还包含滑块(23)，滑轨(22)，推杆，活塞(21)，其中，踏板(3)做成滑轨(22)和滑块(23)滑动配合，滑块(23)通过推杆和活塞(21)固定联接，滑块(23)随活塞(21)作直线的上下往复运动，滑轨(22)随滑块(23)上下往复运动同时进行水平往复运动，带动主动齿轮(2)公转和自转。

10，根据权利要求8所述的一种用于往复运动转换的行星齿轮机构，其特征是：左边和右边分别还包两支连杆，活塞(21)，其中，踏板(3)是固定在主动齿轮(2)上的两个连接轴，活塞的有两个连接轴，其间距和主动齿轮(2)上的两个连接轴间距相同，连杆的两端分别可转动地装设主动齿轮(2)和活塞的(21)连接轴上，两支连杆在主动齿轮(2)和活塞(21)的连接轴之间形成平行四边形，活塞(21)通过两支连杆推动主动齿轮(2)公转和自转。

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