CN101832377A - 往复运动动力转换成旋转动力的机械机构 - Google Patents

Abstract

一种将往复运动动力转换成旋转动力输出、并可实现无级调速的机械机构。动力源拉动绳索，绳索再拉动绳鼓旋转，绳鼓通过超越离合器带动动力输出轴旋转；或是动力源驱动摆杆摆动，通过摆杆上的绳索牵引头拉动绳索，绳索再拉动绳鼓旋转，绳鼓通过超越离合器带动动力输出轴旋转。由于绳索牵引头在摆杆上的位置是可以调节的，通过调节绳索牵引头处在摆杆上不同位置，就可调节动力源与动力输出轴之间的力矩和速度的转动比。本发明机械机构有效率高、可实现无级调速的优点，且结构简单，动力源可以是气缸或人力、畜力。可应用于内燃机、自行车等机械，或用于需要无级调速的设备。

Description

往复运动动力转换成旋转动力的机械机构

技术领域

本发明涉及一种机械机构，特别是一种将往复运动动力转换成旋转动力输出，并可实现无级调速的机械机构。

背景技术

在机械设备中，很多地方需要将往复运动动力源转换成旋转动力输出，例如内燃机、蒸汽机的动力源气缸就是作往复运动的动力，它们需要转换成旋转动力输出；而人力、畜力踩踏作为动力，也是往复运动动力，往往也要转换成旋转动力(例如驱动车轮转动)。现有技术是用曲轴连杆机构来实现这个转换，例如内燃机、蒸汽机是气缸带动曲轴连杆机构后，转换成旋转，人力转换成旋转也是用曲轴连杆机构，例如人蹬动自行车的曲柄使它旋转。

但曲轴连杆机构有明显的缺陷，就是力的转换效率低。这是因为曲轴连杆机构中，只有当曲轴转到与动力源运动方向相垂直位置附近，动力源提供的力才做有用功；而当曲柄转到了与动力源运动方向接近一条直线附近时，即二个端点(死点)附近时，动力源提供的力基本不是作用到旋转输出，而是作用到曲轴的固定轴承上了。另外如果动力源提供的力是均匀的，经曲轴连杆机构后输出的功率就变成以正弦曲线式的、波动的，引起机械设备的震动、运转不平稳。而且曲轴机构会产生与气缸运动方向垂直的分力，使活塞与气缸壁的摩擦力变大，有加快机械磨损和降低机械效率的缺点。

机械设备中有不少需要无级调速，现有技术中常应用电动机或液压系统实施无级调速，用机械机构实施无级调速的很少，这是因为可实现无级调速的机械机构不多，且往往有可调节的范围小、机械效率低的缺点，例如斜面皮带轮机构。而现有的将往复运动动力转换成旋转动力输出的机械机构都是不能调速的，如曲轴连杆机构的尺寸是固定的，所以动力源与输出轴传动的力矩、速度的比值是不可调的。若是需要调速度、力矩的设备，要另加调速机械装置。

发明内容

本发明的目的，是提供一种新的将往复运动转换成旋转动力的机械机构，其效率将高于曲轴机构；同时，这个机械机构可以方便地调节动力源与输出轴之间力矩和速度的转动比，实现无级调速。

本发明是用以下方案实现的：往复运动的动力源(气缸活塞或人力畜力)拉动绳索，绳索的另一端卷在绳鼓上，这样绳索就将往复运动的力作用到绳鼓上，拉动绳鼓旋转，达到了将这动力转换成旋转的目的。由于动力源是往复运动的、是单向出力的，当动力源作功行程结束后，绳鼓就反向旋转将绳索卷回去，所以绳鼓需要通过超越离合器与动力输出轴连接，这样当绳鼓反向旋转而把绳索卷回时，不会影响动力输出轴继续正向旋转。所以，本发明机械机构就是由往复运动的动力源拉动绳索，绳索拉动绳鼓旋转，绳鼓通过超越离合器带动动力输出轴旋转。

卷在绳鼓上的绳索其尾端是固定在绳鼓上的，所以绳索拉动绳鼓并不是依靠摩擦力。

为了能调节动力源与动力输出轴之间力矩和速度的转动比，可在上面技术方案基础上增加一个摆杆，这时本发明机构就改为：往复运动动力源驱动摆杆摆动，通过摆杆上的绳索牵引头拉动绳索，绳索拉动绳鼓旋转，绳鼓通过超越离合器带动动力输出轴旋转。

为了调节速度，绳索牵引头在摆杆上的位置是可以调节的，通过调节绳索牵引头处在摆杆上不同位置，调节动力源与动力输出轴之间的力矩和速度的转动比。从杠杆原理可以得出，在动力源的作用力和速度相同情况下，当绳索牵引头调节到距离摆动圆心近时，动力输出轴的输出力矩大而速度慢，绳索牵引头调节到距离摆动圆心远时，动力输出轴的输出力矩小而速度快。所以，通过调节绳索牵引头在摆杆上不同位置，就可实现调节动力源与动力输出轴之间力矩和速度的转动比的目的。

虽然严格讲，摆杆被推动时走的不是直线而是一个圆弧，但摆杆的摆动角度不大时，此时弧线近似直线，可以用往复运动的动力源推动。

绳索牵引头在摆杆上调整位置，可由销孔与销钉机构实现，或由卡槽与卡子机构实现，或用螺杆滑板装置实现。销孔与销钉、卡槽与卡子等特点是结构简单；而用螺杆滑板装置实现时，绳索牵引头可以调节到摆杆调整范围内的任意位置，可实现无级调速；螺杆还可以用电动机驱动，以便实现自动化控制调速。

为了使动力输出轴有连续的功率输出，本发明机构可用两个或两个以上的往复运动动力源(例如双脚蹬踏，或用两个或更多气缸)，来共同驱动动力输出轴。这样，当一个动力源在作功行程时，另一个动力源在返程，就可达到平稳、连续地输出功率的目的。同理，若有两个以上动力源时，可均匀分配它们的作功行程和返程，相互配合，使功率输出更平稳。

绳鼓的反转可由弹簧或发条完成；或在有两个动力源时，由正转的绳鼓，通过回转拉索和滑轮组成的机构，拉动另一个绳鼓反转。由弹簧或发条完成绳鼓反转，可在绳鼓内设扭力弹簧或发条，当绳鼓正转时，扭力弹簧或发条被卷紧；而动力源在返程时，扭力弹簧或发条的力使绳鼓倒转，并卷回绳索。当有两个以上动力源时，可设计成一个动力源作功而另一个动力源在回程，两个绳鼓也因此一个正转时另一个反转；在两个绳鼓上都卷上回转拉索，这回转拉索通过一个滑轮使这两个绳鼓相互联系，当其中一个绳鼓正转时，回转拉索通过滑轮，拉动另一个绳鼓反转；这样，由回转拉索和滑轮组成的绳鼓的回转机构就可完成绳鼓的反转。

活塞或摆杆的回程也需要外加动力完成，本发明机构采用一个简单的技术方案来实现：当两个活塞或摆杆组成一对时，这两个活塞或摆杆直接用一个杠杆联系起来，这样当一个活塞在作功冲程时，通过这杠杆，直接推动另一个活塞或摆杆的回程。

当然，活塞的回程可用低压的压缩气体推动活塞回程，也可以用现有技术中的飞轮曲轴机构推动。

往复运动的动力源，可以是内燃机一样的气缸，或者是蒸汽、压缩空气驱动的气缸，或者是人力、畜力的驱动。

尽管本发明机构的作用是将往复运动动力转换成旋转动力，但若要用本发明机构当作无级调速机构，也可以通过曲柄机构先将旋转动力转换成摆杆的摆动，然后再利用绳索牵引头在摆杆上位置的调节来完成无级调速。

本发明机械机构的优点是：往复运动动力源的动力都作用到动力输出轴，机械效率比现有技术高；通过调节绳索牵引头在摆杆的位置就可实现调节输出力矩和速度，可以方便地实现无级调速或有级调速；结构简单，制作成本低；另外不同于曲轴机构，本发明机构中，绳索拉动的距离长一点或短一点，对动力输出没什么影响，这在以人力、畜力为动力源时，有可适应不同腿长的优点，也可让人根据肌肉的疲劳情况，调整踩踏的行程。

附图说明

附图1是本发明机构的基本原理图。

附图2是利用摆杆、可调节输出力矩和速度的机构示意图。

附图3是实现绳索牵引头调节在摆杆上位置的三种方案的示意图。

附图4是应用本发明原理应用到自行车的驱动机构示意图。

附图5是应用本发明原理的一种自行车整车结构示意图。

附图6是本发明原理应用到内燃机的示意图。

附图中，1是气缸，2是活塞杆，3是杠杆，4是绳索，5是超越离合器，6是绳鼓，7是动力输出轴，8是回转拉索，9是滑轮，10是摆杆，11是绳索牵引头，12是摆杆连动绳索，13是销钉，14是螺杆，15是电动机，16是扇形齿轮，17是卡子，18是车轮。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明原理及其实施方式。

附图1中，往复运动的动力源是气缸(1)活塞(2)，可由压缩空气或压力蒸气驱动，两个活塞(2)通过绳索(4)轮流拉动两个绳鼓(6)旋转，绳鼓(6)通过超越离合器(5)带动动力输出轴(7)旋转。此气缸(1)，可以是用压缩空气、蒸汽为动力的气缸，也可以也可以如内燃机的气缸。活塞(2)的回程不输出功率，这时绳鼓(6)的回转是通过回转拉索(8)、滑轮(9)组成的机构拉动。

利用回转的绳鼓(6)再通过绳索(4)，也可以拉动不作功的活塞(2)的回程，但用这样传动拉回活塞(2)的机械效率比较低，所以可在两个活塞(2)中间设置杠杆(3)，杠杆(3)的作用就是让作功的活塞(2)直接带动回程的活塞(2)，这样使一对活塞直接联动，以提高机械的效率和可靠性。

绳索(4)是传递动力的，而回转拉索(8)只传递将回程的绳鼓(6)回转的力；绳索(4)和回转拉索(8)的尾端都是固定在绳鼓(6)上，所以绳索(4)、回转拉索(8)拉动绳鼓(6)并不是依靠摩擦力传递。超越离合器(5)可使用现有技术的各类单向超越离合器。

附图2是往复运动动力源通过摆杆(10)来带动绳索机构的示意图，从图中可以看到，摆杆(10)一端是铰接，所以可在往复运动动力源的推动下作摆动；往复运动动力源(例如人力蹬踏)驱动摆杆(10)摆动，通过摆杆(10)上的绳索牵引头(11)拉动绳索(4)，绳索(4)轮流拉动两个绳鼓(6)旋转，绳鼓(6)通过超越离合器(5)带动动力输出轴(7)旋转。与附图1中所示机构不同的是，由于有了这摆杆机构，可以实现输出速度和力矩的调节。看附图2中，绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的位置是可以调节的，通过调节绳索牵引头(11)处在摆杆(10)上不同位置，就可调节动力源与动力输出轴之间的力矩和速度的转动比：从杠杆原理可以得出，在动力源的作用力和速度相同情况下，当绳索牵引头(11)调节到距离摆动圆心近时，动力输出轴的力矩大而速度慢，绳索牵引头调节到距离摆动圆心远时，动力输出轴的力矩小而速度快。这样，通过调节绳索牵引头(11)在摆杆(10)上不同位置，就可实现调节动力源与动力输出轴之间力矩和速度的转动比的目的。

摆杆(10)可以由人力、畜力驱动，也可以用气缸推动。两个摆杆(10)的回程动力，可以通过杠杆(3)来相互提供，也可以用摆杆连动绳索(12)和滑轮(9)组成的机构来提供；附图2上这两种机构都画上了，实际上只需选用其中之一。

绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的调节，可以有多种机械机构可以实现，附图3所示为其中三种：图中A所示是以销钉(13)和开在摆杆(10)上的销钉孔来实现：把销钉拨出后，可将绳索牵引头(11)调到需要的有销钉孔的档位，再用销钉插入固定。图中B所示是用螺杆来调整位置，摆杆(10)中间有一螺杆(14)，而这时摆杆本身就的是个滑板，绳索牵引头(11)可在这摆杆上滑移，上面相应有个螺孔，用电动机(15)通过扇形齿轮(16)转动螺杆(14)，就可让绳索牵引头(11)调整在摆杆(10)上的位置。用螺杆机构，绳索牵引头(11)可在设计调整范围内任意位置停下，可以实现无级调速；由于是用电动机等驱动螺杆(14)转动，可方便地实现调速自动化。图中C所示的是利用卡槽、卡子(17)来调节绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的位置，摆杆(10)上面设有卡槽，把卡子(17)拨出，就可在摆杆(10)上移动绳索牵引头(11)到所需位置，再利用卡子(17)卡在相应的卡槽内，就将绳索牵引头(11)固定在这个位置了。

附图4和附图5是本发明原理应用到自行车的示意图，其中附图4是驱动机构的示意图，附图5是自行车整车结构的示意图；由人力直接踩踏摆杆(10)，通过绳索(4)、绳鼓(6)、超越离合器(5)就可驱动动力输出轴(7)上的车轮(18)；改变绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的位置，就可调节自行车的速度，比现有技术用链轮组或行星齿轮调速的机械效率更高，而制造更简易。另外人力都作用到驱动，比曲柄机构的效率有较大提高。

附图6是本发明机构用于内燃机式气缸转换为旋转输出的示意图。这儿所用气缸为四冲程式内燃机式气缸，四个气缸共同作功，直接并联的两个气缸中一个在作功冲程，另一个在不作功冲程。而两对并联的气缸中，一对在向前推时，另一对在后退。这样四个气缸协调作功，带动摆杆(10)，再通过绳索(4)、绳鼓(6)、超越离合器(5)，可使动力输出轴不断向外输出功率。而只要调节绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的位置，就可实现调节输出速度和力矩了。这样的内燃机，可以简单地实现无级调速，并且其机械效率也比用曲柄连杆机构时高。

Claims (6)

1.一种将往复运动动力转换成旋转动力的机械机构，其特征是：往复运动的动力源拉动绳索(4)，绳索(4)拉动绳鼓(6)旋转，绳鼓(6)通过超越离合器(5)带动动力输出轴(7)旋转。

2.一种将往复运动动力转换成旋转动力的机械机构，其特征是：往复运动的动力源驱动摆杆(10)摆动，通过摆杆上的绳索牵引头(11)拉动绳索(4)，绳索(4)拉动绳鼓(6)旋转，绳鼓(6)通过超越离合器(5)带动动力输出轴(7)旋转。

3.如权利要求2所述的机械机构，其特征在于绳索牵引头(11)在摆杆(10)上的位置是可以调节的，通过调节绳索牵引头(11)处在摆杆(10)上不同位置，调节动力源与动力输出轴(7)之间的力矩和速度的转动比。

4.如权利要求2所述的机械机构，其特征在于绳索牵引头(11)在摆杆(10)上调整位置，可由销孔与销钉(13)实现，或由卡槽与卡子(17)实现，或用螺杆(14)滑板装置实现。

5.如权利要求1、2所述的机械机构，其特征在于绳鼓(6)的回转是通过回转拉索(8)、滑轮(9)组成的机构拉动；或绳鼓(6)的回转由弹簧完成。

6.如权利要求1、2所述的机械机构，其特征在于当两个活塞(2)或摆杆(10)组成一对时，这两个活塞(2)或摆杆(10)直接用一个杠杆(3)联系起来，这样当一个活塞(2)或摆杆(10)在作功行程时，可通过杠杆(3)，直接推动另一个活塞(2)或摆杆(10)的回程。

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