CN103742704A - 一种机械式定时阀门 - Google Patents

Abstract

本发明属于阀门技术领域，公开了一种机械式定时阀门，包括机械式定时器和阀门，所述机械式定时器包括由计时发条驱动反转的主轴、与主轴联动的定时器凸轮和控制主轴回转速度的擒纵调速机构；所述阀门由一转轴通过正转与反转驱动打开或关闭，所述转轴上设置有用于驱动转轴反转的关阀发条，所述转轴通过一扇形齿轮与定时器主轴有限联动，扇形齿轮复位机构推动脱位的扇形齿轮靠向与其连接的齿轮；所述扇形齿轮相对于转轴具有一个自由转动角，一仅限制转轴向关闭阀门方向转动的反转限制机构由定时器的定时器凸轮触发失效；本发明将设定时间和打开阀门两个动作合二为一，大大提高了操作的便利性。并且开阀门与定时两个动作硬性结合，安全性很高。

Description

一种机械式定时阀门

技术领域

本发明属于阀门技术领域，涉及如何实现阀门定时关闭的技术，主要应用于燃气管道的阀门。 

背景技术

气体燃料在家庭应用上的普及，为人们的生活带来极大便利，但是一些问题也逐步显现出来。最为人们所重视的问题即安全问题，多年，人们把防范的重点放在燃料泄漏上，然而关注多年来所发生的事故反现，大多因阀门忘记关闭导致。针对这一问题，近年已有具有定时功能的阀门出现，但多采用电子式定时器，但因价格偏等原因，并未在家用上普及。而且其最大缺点是，当电池失效时，定时功能随之失效。对于容易忘记关闭阀门的用户来说，要求其按时更换电池，显然不容易做到。如不及时更换电池，定时阀门岂不形同虚设。 

此外，电子式定时器中电子元件可靠性低，容易损坏失效或受到干扰出错，而且电子元件怕水。因此电子式定时阀门可靠性很低。 

机械式定时器，主要由定时机构和擒纵调速机构两部分组成，定时机构由发条（下称计时发条）作为原动力驱动主轴回转，由凸轮作为触发机构触发执行机构在定时结束时动作，定时器凸轮一般单独装配在凸轮轴上，凸轮轴与主轴通过齿轮传动，对于主轴定时范围不超过一周的定时器来说，定时器凸轮也可以直接装配在主轴上。 

定时手柄一般装配在主轴上，也有部分定时器另设一个定时轴，定时轴上装配定时手柄，定时轴与主轴通过齿轮传动。 

擒纵调速机构与钟表的结构原理相同（参见天津大学精仪系计时教研室编著的《机械计时仪器》,天津科学技术出版社，天津，1980。陈昌山编著的《手表结构原理》，上海科学技术出版社，上海，1980），由摆轮游丝机构产生固定频率的摆动，通过擒纵叉将摆动传递至擒纵轮，由擒纵叉端部的两个叉瓦或圆柱销钉交替作用控制擒纵轮的转速(摆轮每摆动一次，擒纵轮转动一个齿的角度)，擒纵轮的转动由调整机构的终端调速轮通过齿轮组带动。终端调速轮与主轴通过棘轮机构（内啮合式棘轮机构）配合，主轴回转时两者联动（棘爪与棘齿啮合），擒纵叉对擒纵轮的控制最终体现在对主轴回转转速的控制上。通过手柄向发条蓄力方向旋转主轴，主轴带动凸轮转离触发相位。放开手柄，定时开始。发条驱动主轴在擒纵调速机构限制作用下缓慢回转，直到凸轮回归到触发相位，定时结束，执行机构由凸轮触发动作。 

定时器凸轮常见的有两种，一种是圆周带凸起部的常见盘式凸轮，一种是圆周上带凹口的圆盘结构。第一种是通过凸起推动执行机构完成动作，凸轮直接做为执行动作的动力源，通常用于执行机构需要的推动力较小，且执行机构动作简单的场合，如触发接触式开关。第二种是通过凹口解除对执行机构的限制，由执行机构自行完成动作，一般用于执行机构完成执行所需的动力较大或者执行动作较复杂的场合，如闹钟的定时机构的凸轮即为圆周上带凹口的圆盘结构，凹口的作用在于解除对闹钟撞锤的摆动限制。 

目前市场上存在有用于燃气管道上的采用机械式定时器的阀门，但是在阀门开关动作机构上，设计不合理，一般将开阀门与设定时分离开来，设置两个手柄分别用于打开阀门和设定时，这种结构不仅给用户操作带来不仅，而且还不可避免地，有些用户会在使用阀门时，只打开阀门，而不设定时，导到定时阀门的定时功能形同虚设，起不到防范危险的作用。 

在关阀方面，均由定时器凸轮提供关闭阀门的动力，这种设计主要存在两方面缺点，一方面，由于开关阀门所需要的力较大，尤其是球阀。为了定时器凸轮能提供足够大的力关闭阀门，需要为定时器配置扭力很大的发条，但发条很大的扭力仅在定时结束的短暂一刻被应用，在与关闭阀门时间相比时长几千倍的（以关闭阀门用时0.5秒，定时60分钟计算，计时过程为关闭阀门的7200倍）计时过程中，发条的大扭力毫无用处。更关键的是，发条的大扭力对擒纵调速机构的齿轮组带来了更大负担，容易导致损坏。此外，在关闭阀口的过程中，定时器凸轮与主轴之间的齿轮传动机构也需承担更大的压力，不仅对其强度要求增加，也容易损坏。另一方面，定时器凸轮的轮廓突变距离有限，一般难以满足关闭阀门所需的动作距离，还需要采用杠杆等传动机构传递放大，但杠杆的使用将大大增加产品的尺寸。 

发明内容

本发明目的在于，基于上述现有技术，提出一种结构紧凑可靠性及安全性更高的机械式定时阀门。 

采用的技术方案是：一种机械式定时阀门，包括机械式定时器和阀门，所述机械式定时器包括由计时发条驱动反转的主轴、与主轴联动的定时器凸轮和控制主轴回转速度的擒纵调速机构；所述阀门由一转轴通过正转与反转驱动打开或关闭。其特征在于，所述转轴上设置有用于驱动转轴反转的关阀发条，关阀发条的卸力方向为转轴关闭阀门的旋转方向（转轴打开阀门时则对发条蓄力），所述转轴通过一扇形齿轮与定时器主轴有限联动，所述扇形齿轮相对于转轴具有一个自由转动角，一仅限制转轴向关闭阀门方向转动的反转限制机构由定时器的定时器凸轮触发失效。 

所述扇形齿轮的有效啮合角（扇形齿轮与上级齿轮从一侧啮合开始转动到从另一侧脱位结束所转过的角度）不小于所述转轴的开、关阀门的相位差角（转轴从阀门开转动到阀门关所转过的角度），且不大于扇形齿轮相对于转轴的自由转动角。 

当扇形齿轮在正转方向上脱位时，阀门处于打开状态，且扇形齿轮相对于转轴的自由转动角在其反转方向上。扇形齿轮复位机构推动脱位的扇形齿轮靠向与其连接的齿轮（如后面提到的第一齿轮）。 

本发明所述机械式定时阀门除具有机械定时机构所固有的不依赖于电源、不容易出错、可靠性高等优点之外，还将阀门的打开动作通过扇形齿轮与定时器的主轴关联起来，由扭转定时器主轴上手柄的定时动作间接打开阀门。一方面，将设定时间和打开阀门两个动作合二为一，大大提高了操作的便利性。另一方面，无需专门设置用于打开阀门的手柄，有利于减小产品尺寸。第三方面，开阀门与定时两个动作硬性结合，强制使用者在打开阀门时必须开启阀门的定时功能，为使用过程中的安全性提供绝对的保证。 

此外，本发明采用发条机构作为关闭阀门的动力源，与现有机械式定时阀门相比，结构更加紧凑，有利于缩减产品尺寸。 

在本发明技术方案中，扇形齿轮的关键作用在于有限联动，即阀门的开关与定时器主轴之间的关联仅在定时器主轴旋转的一定转角范围内发生。这样可以解决当阀门的开关与定时器主轴关联起来时，阀门开关最大转角限制定时器主轴的最大定时转角问题，而且通过优化设计传动比，可以使阀门的打开操作，在定时器主轴定时过程中的很小的转角范围内完成。当定时范围超过这一很小的转角范围时，阀门即可以完全打开（例如，设定主轴旋转一圈为定时1小时，并设定扇形齿轮从一侧啮合到另一侧脱位，主轴转动角度为36度，则定时超过6分鈡的，即可完全打开阀门）。 

而扇形齿轮相对于转轴之间的自由转动角，作用则在于，使计时开始后，定时器主轴的反转不影响阀门完全打开的状态。使阀在计时结束之前，始终可以保持完全打开状态。 

所述扇形齿轮可以装配在所述转轴上；也可以装配在其它安装轴上，其它安装轴与所述转轴通过齿轮等传动机构连接。 

要实现所述扇形齿轮相对于转轴具有一个自由转动角，只需扇形齿轮与转轴之间任两个相连的传动部件之间存在相对的自由转动角即可。 

两个相连部件之间相对自由转动角可以通过很多种装配结构实现。大体上可以分两类，第一类是针对于轴与孔的配合结构，比如弓形轴肩配合同心弓形轴孔，而孔的圆弧角大于轴的圆弧角。举例来说，所述转轴上端为弓形轴肩，所述扇形齿轮的圆心设与之配合的弓形轴孔，弓形轴孔的圆弧角大于弓形轴肩的圆弧角。第二类是在转动副上附加限位结构，这一类限位结构中最典型的结构是凸块与滑槽的配合。比如，将所述扇形齿轮通过轴孔松配合套装在所述转轴上，同时在所述转轴和扇形齿轮上分别设置相互配合的限位结构。具体的说，扇形齿轮通过其上的轴孔装配在转轴上，扇形齿轮的安装轴孔与转轴表面滑动配合，沿安装轴孔边缘设有沿圆周方向延伸的凹槽，转轴上设有与凹槽配合的凸块，凹槽周向宽度大于凸块周向宽度，凸块在凹槽内从与凹槽一端转动到与凹槽另一端接触所转过的角度，即是扇形齿轮相对于转轴的自由转动角。当扇形齿轮在某个方向上旋转至其上凹槽端面与凸块侧面相抵时，扇形齿轮与轴转间开始产生扭距传递。作为一种变形，所述凸块可以由是一根穿过转轴轴心的横销伸出转轴外部的端部构成。这种结构相对易于加工。凸块与凹槽反过来设置亦可，即，凸块设置扇形齿轮的安装轴孔边缘，向轴心凸出，凹槽形成于转轴上，向轴心凹入。总而言之，不论采用何种装配结构实现两个相连部件之间存相对自由转动角，均需要满足以下条件：其一，两者间连接构成转动副，其二，两者相对转动的角度有限。 

在本发明技术方案中，所述定时器的擒纵调速机构可采用常见的各种机械式钟表、定时器中所应用的擒纵机构。其主要结构组成和原理见背景技术部分描述。改变擒纵调速机构齿轮组传动比，可以改变定时器最大定时时长。 

所述定时器的计时发条可以直接装配在主轴上，也可以装配在其它轴上，然后通过齿轮机构与主轴连接。 

定时器主轴与扇形齿轮、定时器凸轮之间的连接结构可以有多种具体形式，只需实现与扇形齿轮、定时器凸轮联动即可。最简单的一种结构是直接通过齿轮机构传动，例如：所述定时器主轴上装配用于打开阀门的第一齿轮和用于驱动定时轮的第二齿轮，与定时器凸轮同轴且周向相对固定设置一第三齿轮，第一齿轮与所述扇形齿轮啮合。第二齿轮与第三齿轮啮合。当然，第一齿轮与扇形齿轮之间，以及第二齿轮与第三齿轮之间都可以设置过桥齿轮。 

所述扇形齿轮复位机构的作用在于当扇形齿轮在与之相连的齿轮（上述第一齿轮或者与之相连的过桥齿轮）某一侧脱位后，在需要复位时，推动扇形齿轮靠向与其相连的齿轮重新啮合。目的是使适当时候断开传动的传动机构在需要的时候重新联动。基于这种目的，不难想到，所述复位机构应当包括两个相同的驱动部件，或者仅包括一个驱动部件，但包括两个驱动部位，以分别负责所述扇形齿轮在与其相连的齿轮的两则脱位时推动，或者是一个部件，但具有双向驱动的功能。所述驱动部件可以是弹簧、弹片、或者其它任何可以产生顶推、牵拉或扭转作用的部件或机构。 

根据发生作用的机制，所述扇形齿轮复位机构可以分为两种：一种是在需要时即时发生作用的机构，比如由与之相连的齿轮回转而触发其动作的机构。这种机构结构上相对要复杂，至少要包括触发部件和推动扇形齿轮回转的执行部件，所述触发部件可以是机械部件，也可以是一种具有检测功能的电子元件。当然复杂的结构增加的不仅是材料成本，加工成本，也给拆装带来麻烦，所以除非在非常高档的设备中，一般不建议采用这种复位机构。另一种是持续作用的机构，比如可发生弹性变形的弹性部件，当所述扇形齿轮在某一侧即将前的一定转角内，所述扇形齿轮开始作用在弹性部件上使之发生弹性变形。从所述扇形齿轮接触到所述弹性部件开始，至所述扇形齿轮回转并脱离所述弹性部件期间，所述弹性部件持续对所述扇形齿轮发生作用。这个期间包括扇形齿轮与弹性部件接后至扇形齿轮脱位期间、所述扇形齿轮脱位后之前与之相连的齿轮继续转动期间、与之相连的齿轮回转后至所述扇形齿轮脱离弹性部件作用前的期间。持续作用式回转驱动部件相对简单，安装方便，只需将弹性部件一端或某一部分装配在适当的位置即可。但在所述扇形齿轮脱位后与之相连的齿轮继续转动期间，将会具有齿轮相互撞击的噪声。各种弹簧，如拉簧、弹簧片、扭簧等均可应用本发明中做为扇形齿轮复位机构。例如，所述扇形齿轮复位机构包括一扭簧，扭簧一端勾挂在扇形齿轮的尾部，另一端与定时阀门的壳体固定。再例如，所述扇形齿轮复位机构为分别对应所述扇形齿轮两侧边的两个弹片。 

定时器凸轮作为一种触发机件，需要根据反转限制机构的具体结构进行设计，可以是盘式凸轮结构，或者侧面带销柱的圆盘、或者圆周上带凹口的圆盘，或者只是一个可转动的杆状的构件。 

所述反转限制机构其作用在于限制转轴反向旋转，可以是各种具有单向旋转限制功能，且其旋转限制功能在被触发时可失效的机构，可以有很多种具体形式，至少应包括单向传动机构和锁止机构，结构最为简单，且效果优秀一种是，通过棘轮机构实现单向传动，通过非转动齿与转动齿啮合或配合的方式，限制棘轮机构中的棘轮或支撑棘爪部件转动，当非转动齿脱离转动齿时，限制功能失效。针对这种结构，定时器凸轮的结构只要实现在转动某特征相位时，触发非转动齿脱离转动齿即可。或者在计时过程中限制非转动齿脱离转动齿，计时结束时撤销对其限制。 

例如，一锁止轮通过棘轮机构与所述转轴连接，转轴反转时与锁止轮联动，锁止轮圆周上设齿，一端带有卡齿的锁杆移动设置，卡齿嵌入锁止轮的齿槽内，限制锁止轮转动，进一步地，转轴反转亦被限制。锁止轮的齿面与卡齿的齿面相互作用，对锁杆产生一个指向另一端的作用力。锁杆另一端抵靠在定时器定时器凸轮外缘上，定时器凸轮为圆周上带有凹口的圆盘结构。当锁杆端部移动进入定时器凸轮的凹口时，锁杆在锁止轮的作用下向定时器凸轮方向移动，另一端卡齿从锁止轮的齿槽内脱出，锁杆对锁止轮的转动限制失效，转轴反转限制被解除。 

再例如，同样是一锁止轮通过棘轮机构与所述转轴连接，转轴反转时与锁止轮联动，一端侧面带有卡齿的锁杆摆动设置，卡齿卡嵌在锁止轮的齿槽内，限制锁止轮转动，进一步地，转轴反转亦被限制。锁止轮的齿面与卡齿的齿面相互作用，对锁杆产生一个指向卡齿后方的推力。锁杆另一端设有销结构或凸缘结构，侧面抵靠在定时器凸轮外缘上，定时器凸轮为圆周上带有凹口的圆盘结构。当定时器凸轮凹口对正销结构或凸缘结构时，该端向定时器凸轮圆心方向摆动，另一端卡齿从锁止轮的齿槽内脱出。对锁止轮的限制撤销，转轴在发条作用下反转，关闭阀门。 

考虑到用于关闭阀门的发条的扭力比较大，如转轴直接将扭矩传递给锁止轮，卡齿作用在锁止轮齿牙上受力较大，容易损坏，针对这个问题，可以在转轴与锁止轮之间加设一对相互啮合的过桥齿轮，其中大齿轮通过棘轮机构装配在转轴上，小齿轮与锁止轮同轴相对固定设置。 

基于上述构思，下面给出一种相对优选的反转限制机构结构： 

所述反转限制机构包括一个通过棘轮机构与转轴连接的锁止轮和一个摆动设置的锁杆。锁止轮圆周上设齿，锁杆第一端设有卡齿，锁杆第二端抵靠在定时器凸轮外缘上，定时器凸轮为圆周上带有凹口的圆盘结构，当定时器凸轮外缘非凹口部位对应锁杆第二端时，锁杆第一端的卡齿嵌在锁止轮的齿槽内，当定时器凸轮的凹口对应锁杆另一端时，锁杆第二端向定时器凸轮中心摆动，锁杆第一端的卡齿从锁止轮的齿槽内脱出。

所述锁止轮可以直接与棘轮机构的棘轮同轴固定在一起，或者与棘轮机构的棘轮通过一对过桥齿轮连接。棘轮机构的棘爪设置在所述转轴上，棘轮机构的棘轮齿面倾斜方向与转轴正转方向相同。 

作为一种等效变形，所述锁止轮可以与棘轮机构的棘轮同轴固定在一起，但棘轮机构的棘爪不设置在所述转轴上，而是设置在一过桥轴上，过桥轴通过一对齿轮与转轴连接。 

再或者，棘轮机构的棘爪铰接在所述锁止轮上，锁止轮与棘轮机构的棘轮同轴心设置；棘轮机构的棘轮与所述转轴固定，或者与转轴通过齿轮机构连接。 

作为一种改进，为了使整体结构更紧凑，定时器凸轮和转轴可以同轴心设置，定时器凸轮安装轴中心带通孔，转轴由通孔穿过。此外，也可以不设置定时器凸轮安装轴，而是将定时器凸轮可转动地套装在转轴上，用于定时器凸轮与定时器主轴传动的齿轮同样可转动地套装在转轴上，通过销钉结构使其与定时器凸轮固定，或至少在转动方向上相对固定。采用中空结构的定时器凸轮安装轴安装定时器凸轮时，为了保证定时器凸轮与同步齿轮的可靠同步，以确保定时的准确性，也可以采用销钉结构将两者固定。 

本发明所述方案可以适用于阀杆转动式阀门，如球阀，截止阀等，也可以适用于阀杆移动式的阀门，如隔膜阀。 

当用于球阀时，所述转轴可以是阀杆本身，也可以与阀杆同轴同步联动装配，还可以与阀杆通过齿轮传动机构连接，如转轴是阀杆本身，或与阀杆同轴同步联动装配在一起，则其开关阀门的相位差角为90度。 

在本发明中，关阀发条的作用则是为了关阀阀门。因此，当转轴不是球阀的阀杆本身时，作为本发明的一种等效替代方式，所述关阀发条可以装配在阀杆上。 

此外，还可以衍生出另一种具体结构，即所述转轴是阀杆本身，关阀发条可以装配在阀杆上。扇形齿轮安装在一过桥轴上，扇形齿轮相对过桥轴存在一转动余角，过桥轴相对于转轴还存在一个转动余角，两个余角之和，刚好等于所述的扇形齿轮相对于转轴的自由转动角。 

当用于阀芯移动式阀门时，所述转轴与阀杆（或用于推拉隔膜的连杆）可以通过连杆机构（如曲柄滑块机构）、凸轮机构、齿轮齿条传动机构联接。 

在本发明中，手动扭转手柄，使主轴向发条蓄力方向旋转以设定定时时长的过程，称为定时，放开手柄后，发条开始释放势能，驱动各部件动作的过程，称为计时。说明书提及的正转，是指各部件在定时过程中的转动方向，包括打开阀门的转动方向；反转，是指各部件在计时过程中的转动方向，包括关闭阀门的转动方向。回转，是指部件与上次转动方向相反的转动。 

附图说明

图1为基于本发明所述方案的一种机构式定时球阀的结构示意图。 

图2为图1中A-A向截面图。 

图3为起始状态下，扇形齿轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图4为定时过程中，打开阀门前一刻，扇形齿轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图5为定时过程中，阀门打开后，扇形齿轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图6为计时过程中，扇形齿轮反转脱位后，扇形齿轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图7为计时结束后，阀门关闭后，扇形齿轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图8为起始状态下，定时器凸轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图9为定时过程中，定时器凸轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图10为定时过程中，定时器凸轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图11为计时过程中，定时器凸轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图12为计时结束后，定时器凸轮与定时器主轴间的连接关系示意图。 

图13为起始状态下，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图。 

图14为定时过程中，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图。 

图15为定时过程中，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图。 

图16为计时过程中，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图。 

图17为计时结束后，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图，该图为锁杆向内摆动状态。 

图18为计时结束后，定时器凸轮与锁止轮、锁杆间的传动关系示意图，该图为锁杆向外摆动状态。 

图19为反转限制机构的锁止轮与转轴的连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以一个采用本发明所述传动机构的机械式定时球阀为例对本发明所述技术方案的技术原理及其效果做进一步说明。 

参照图1-19，该组图公开的是一种定时结束后可报警提示的机械式定时球阀，其中，图3-7为扇形齿轮与转轴在定时、计时过程中a-e五个状态下的传动关系，图8-12所示为定时器凸轮与定时器主轴在定时、计时过程中a-e五个状态下的传动关系，图13-18所示为定时器凸轮与锁止轮在定时、计时过程中a-e五个状态下的传动关系。 

图示机械式定时球阀包括机械式定时器和球阀两大部分，机构式定时器的擒纵调速机构（未示出）可以采用结构相对简单的常见销钉式擒纵机构调速，包括摆轮游丝机构、擒纵叉、擒纵轮、齿轮组、调速轮组成，摆轮上设有摆钉，擒纵叉摆动设置，叉头有与摆钉配合的叉槽，摆轮通过摆钉与叉槽的配合关系带动擒纵叉往复摆动，擒纵叉的叉尾设有两个圆柱销钉，擒纵轮为圆周均匀设置多个平齿的齿轮结构，擒纵叉在摆动时，两个圆柱销钉交替进出擒纵轮的齿槽，摆轮每摆动一次，擒纵轮可转动一个齿的角度。擒纵轮与终端调速轮之间通过齿轮组传动。 

所述终端调速轮5通过内啮合棘轮机构安装在定时器主轴1上，定时器的主轴1上安装有用于打开阀门的第一齿轮2、用于定时的第二齿轮3、主轴最上端设手柄，第一齿轮2与扇形齿轮26啮合。 

定时器凸轮20固定装配在一筒轴23上，筒轴上还装配一与第二齿轮3啮合的第三齿轮22。定时器凸轮20为圆盘结构，圆周上设有一凹口32。第三齿轮22上设有一销孔，定时器凸轮20上固定设有一伸入第三齿轮的销孔内的销钉21。销钉21与销孔配合，以确保定时器凸轮20与第三齿轮22同步转动。 

球阀部分包括阀体10、阀杆14、球形的阀芯13，阀体10与定时器部分的壳体固定在一起，组成整个阀门的壳体4，阀杆14装配在阀体10上的阀杆装配孔内，下端连接头11插在阀芯上端的槽形扁口12内。 

阀杆上设有一穿过阀杆轴心的横销15，阀杆装配孔上端对应阀杆上端横销15的部位设有两个中心对称的扇形槽16。横销15两端伸出阀杆14的部分分别位于两个扇形槽16内，横销端部在扇形槽内的自由转动角为90度。 

阀杆上端设一槽形扁口，与阀杆同轴设置的转轴27的下端连接头9插在阀杆上端的槽形扁口内，并与其相匹配。 

转轴27上装配有用于关闭阀门的发条盘8，发条盘外壳与壳体4固定，发条盘内部的发条内端固定在阀杆上，外端与发条盘外壳固定。 

在发条盘8上方设置有一通过内啮合棘轮机构6装配在转轴上的过桥大齿轮7。过桥大齿轮7为环形，内缘为棘轮34，外缘为齿轮，棘轮齿面倾斜方向与转轴打开阀门的转动方向相同。过桥大齿轮侧面设有一与之啮合的过桥小齿轮17，与过桥小齿轮17同轴安装有一个圆周上设均匀的齿的锁止轮18。摆动设置的锁杆19一端设有两个与锁止轮的齿配合的卡齿36，锁杆19可在两个卡齿36交错被冲击时摆动。锁杆另一端设有撞锤35，撞锤35一侧设有一撞铃（未示出），锁杆19上还设有一锁销31，所述锁销31侧面抵压在所述定时器凸轮20的圆周上，当定时器凸轮凹口32以外的圆周面对应锁杆上的锁销31时，锁杆19的摆动受到定时器凸轮20的外缘阻挡，不能摆动，静止的锁杆的卡齿36的受力面与锁止轮18的齿面相抵，锁止轮18被锁定无法转动，阀门关闭动作间接受到限制。当定时器凸轮旋转至其上凹口32对应锁杆上的锁销31时，锁杆上的锁销31可自由出入凹口32，定时器凸轮20对锁杆19的限制作用消失，锁杆对锁止轮的锁止作用即被撤消，锁止轮18与过桥小齿轮17、过桥大齿轮7、转轴27、阀杆14、阀芯13一起在关阀发条作用下同步转动，阀门被逐渐关闭。同时，锁止轮18的齿面交替冲击锁杆的两个卡齿36，锁杆连续摆动直到阀门完全关闭。锁杆每摆动一次，其上撞锤35撞击一次撞铃。 

在本例中，上述反转限制机构，一方面可以在被触发失效前，限制阀杆反转，另一方面通过带有双卡齿结构的锁杆实现，在阀门关闭的同时，由锁杆撞击撞铃，达到提示用户的效果。 

显然，如不需要铃声提示功能，或以其它方式提示用户计时已结束，则锁杆上设置一个与锁止轮的齿配合的卡齿即可，另一端也无需设置撞锤。 

过桥齿轮的作用在于减小卡齿受到的冲击力，延长锁止轮及锁杆使用寿命，如不考虑此问题，可以省略过桥齿轮，直接将锁止轮18像过桥大齿轮7那样通过棘轮机构6装配在转轴上。 

扇形齿轮26通过位于其旋转中心的轴孔套配在转轴27的上端，扇形齿轮26尾部（与设齿的一侧相对的另一侧）设有一以扇形齿轮旋转中心为圆心的弧形扁孔30，扭簧28一端29设有弯脚，弯脚29插在弧形扁孔30内，扭簧28另一端与壳体4固定。设置弧形扁孔的效果是：扭簧的弯脚从扁孔一端到另一端的过程中，与扇形齿轮不相互作用。这种结构可避免扇形齿轮在复位后受到扭簧不必要的作用力。 

扇形齿轮26的下面，围绕其轴孔设置两个沿轴孔中心中心对称的扇形槽24，一穿过转轴27的轴心的横销25的两端分别设置在两个扇形槽24内。横销25端部在扇形槽内的自由转动角，即为扇形齿轮相对于转轴的自由转动角。 

本例中，所述扇形齿轮26的有效啮合角（从第一齿轮一侧开始啮合到另一侧脱位，扇形齿轮所转过的角度）大于所述转轴的开、关相位差角，等于其相对于转轴的自由转动角。 

其工作过程如下： 

a) 使用阀门前，阀门处于关闭状态，扇形齿轮处于反转脱位状态（在第一齿轮反转方向侧脱位），扇形齿轮的弧形扁孔的正转方向端抵压在扭簧端部的弯脚上，扭簧发生正向形变，扭簧对扇形齿轮产生一正转驱动力，使其正转侧齿抵靠在第一齿轮的齿上，如图3所示。此时，扇形齿轮在正转方向上相对于转轴的自由转角等于其相对于转轴的自由转动角与所述转轴的开、关相位差角之差。在反转方向上相对于转轴的自由转角等于所述转轴的开、关相位差角；

b）开始使用阀门时，正向旋转定时器主轴，第一齿轮正转，扇形齿轮在扭簧作用下开始与第一齿轮啮合，并随之正转，当扇形齿轮的旋转角度等于其相对于转轴的自由转动角与所述转轴的开、关相位差角之差时，扇形齿轮下面的扇形槽反转方向侧的端面与转轴上的横销相接触，此时，扇形齿轮相对于转轴的自由转动角全部在其反转方向上，如图4所示。扇形齿轮继续随第一齿轮正转，将通过横销带动转轴开始正转；

c）当扇形齿轮在第一齿轮正转方向侧脱位时，扇形齿轮转过的角度等于其相对于转轴的自由转动角，则转轴随扇形齿轮转过的角度刚好等于转轴的开、关相位差角，此时，阀门完全打开，扇形齿轮相对于转轴的自由转动角还是全部在其反转方向上。并且此时，扇形齿轮的弧形扁孔的反转方向端抵压在扭簧端部的弯脚上，扭簧已过其正向临界点，发生反向开变，其对扇形齿轮的作用力反向，对扇形齿轮产生一反转驱动力，如图5所示。定时器凸轮的凹口顺时针转到另一侧，锁杆端部的锁销抵在定时器凸轮外缘上，后一卡齿嵌入锁止轮齿槽内，转轴反转被限制，如图15所示；

d）放开定时手柄，计时开始，第一齿轮随主轴在定时发条作用下开始反转，扇形齿轮在扭簧作用下开始与第一齿轮重新啮合，并随之反转，当扇形齿轮转过的角度等于其相对于转轴的自由转动角，其与第一齿轮脱离啮合，回归到反转脱位状态，如图6所示。此时，扇形齿轮下面的扇形槽正转方向侧的端面刚好与转轴上的横销相接触，但未相互作用，扭簧返回正向形变状态，开始对扇形齿轮产生一正转驱动力。在扇形齿轮的整个反转过程中，因为自由转动角的存在，转轴未发生动作；定时器凸轮上的凹槽尚未回转到起始位，反转限制机构状态不变，如图16所示；

e）计时结束，定时器凸轮凹口回归起始位，锁销可自由出入凹口，转轴在关阀发条作用下反转，开始关闭阀门，同时通过棘轮机构、过桥齿轮带动锁止轮转动，锁止轮齿面交替冲击锁销上的两个卡齿，锁杆连续摆动，撞锤反复向外撞击，如图17、18所示。当反转角度达到转轴的开关相位差角，阀门被完全关闭，此时，定时阀门各部件均回到初始状态，扇形齿轮在正转方向上相对于转轴的自由转动角等于自由转动角与所述转轴的开、关相位差角之差。在反转方向上相对于转轴的自由转动角等于所述转轴的开、关相位差角，如图7所示。

由以上过程不难看出，在整个过程中，扇形齿轮的扇形槽正转方向侧的端面与转轴上的横销始终不发生作用。也就是说，扇形齿轮相对于轴转的自由转动角可以更大，并不影响其作用效果，只要满足如下条件即可： 

1、在初始状态下，当扇形齿轮在反转方向上脱位，阀门处于关闭状态，扇形齿轮在正转方向上应当相对于转轴存在自由转角(R_正关)，该自由转角等于扇形齿轮的有效啮合角（R_啮合）与转轴的开、关相位差角（R_开关差）之差。该条件一方面保证，扇形齿轮在复位前，不与转轴发生作用，扇形齿轮则可以在远小于开关阀门的扭矩的作用下即可从脱位状态复位，实现与第一齿轮啮合。另一方面保证，扇形齿轮在正转方向上脱位时，阀门已完全打开；

2、扇形齿轮相对于转轴的自由转动角（R）不小于扇形齿轮的有效啮合角（R_啮合）。该条件保证在扇形齿轮在反转时，不带动转轴提前关闭阀门；

用公式表示为：R_正关>0，R_正关+R_开关差=R_啮合，R≥R_啮合。

上述扇形齿轮与转轴之间的传动关系，是实现“设定时间同时打开阀门，计时结束前阀门不被关闭”这一目的的关键所在。 

不难想到的是，如果作为扇形齿轮复位机构的扭簧对扇形齿轮可以产生足够克服关阀发条及阀杆、阀芯摩擦阻力的扭矩，则在初始状态下，扇形齿轮在正转方向上可以不具有相对于转轴的自由转角。也就是，实现“设定时同时打开阀门，且计时结束前阀门不被关闭”这一目的的最低条件是：扇形齿轮的有效啮合角（R_啮合）不大于扇形齿轮相对于转轴的自由转动角（R），也不小于转轴的开、关相位差角（R_开关差）。当扇形齿轮在正转方向上脱位时，阀门打开，且此时其相对于转轴的自由转动角在其反转方向上，即，此时，扇形齿轮在反转方向上相对于转轴的自由转角（R_反开）等于扇形齿轮相对于转轴的自由转动角； 

用公式表示为：R≥R_啮合≥R_开关差，R_反开=R。

此外，在本例中，转轴非阀杆，但与阀杆同轴同步转动，其传动效果与转轴即为阀杆本身的效果相同，不同之处仅在于机件安装的方便性上，转轴上要安装发条盘、防反转齿轮、用于安装定时器凸轮的筒轴等多个部件，阀杆上要连接阀芯，并设置90度开关限位结构，如转轴与阀杆为同一根轴，要实现多个部件的在同一根轴上的装配，其整个轴的结构将非常复杂。转轴与阀杆分体设计，可以在设计转轴结构时，不用考虑阀芯、阀体等与之装配的关系，而发条盘、防反转齿轮、定时器凸轮筒轴等部件，可以分别从两端装入转轴，转轴结构则相对简单。各部件的安装也相对方便。 

Claims (10)

1.一种机械式定时阀门，包括机械式定时器和阀门，所述机械式定时器包括由计时发条驱动反转的主轴、与主轴联动的定时器凸轮和控制主轴回转速度的擒纵调速机构；所述阀门由一转轴通过正转与反转驱动打开或关闭，其特征在于，所述转轴上设置有用于驱动转轴反转的关阀发条，所述转轴通过一扇形齿轮与定时器主轴有限联动，扇形齿轮复位机构推动脱位的扇形齿轮靠向与其连接的齿轮；

所述扇形齿轮相对于转轴具有一个自由转动角，一仅限制转轴向关闭阀门方向转动的反转限制机构由定时器的定时器凸轮触发失效；

所述扇形齿轮的有效啮合角不小于所述转轴的开、关阀门的相位差角，且不大于扇形齿轮相对于转轴的自由转动角；

当扇形齿轮在正转方向上脱位时，阀门处于打开状态，且扇形齿轮相对于转轴的自由转动角在其反转方向上。

2.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，当扇形齿轮在反转方向上脱位，阀门处于关闭状态时，所述扇形齿轮在正转方向上相对于转轴存在自由转角，该自由转角等于扇形齿轮的有效啮合角与转轴的开、关相位差角之差。

3.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，所述扇形齿轮通过轴孔松配合套装在所述转轴上，所述转轴和扇形齿轮上分别设置相互配合的限位结构。

4.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，所述扇形齿轮通过其上的轴孔装配在转轴上，扇形齿轮的安装轴孔与转轴表面滑动配合，沿安装轴孔边缘设有沿圆周方向延伸的凹槽，转轴上设有与凹槽配合的凸块，凹槽周向宽度大于凸块周向宽度。

5.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，扇形齿轮上，围绕其轴孔设置两个沿轴孔中心中心对称的扇形槽，一穿过转轴轴心的横销的两端分别设置在两个扇形槽内。

6.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，所述扇形齿轮复位机构包括一扭簧，扭簧一端勾挂在扇形齿轮的尾部，另一端与定时阀门的壳体固定。

7.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，所述定时器主轴上装配有用于打开阀门的第一齿轮和用于驱动定时轮的第二齿轮，与定时器凸轮同轴且周向相对固定设置一第三齿轮，第一齿轮与所述扇形齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮啮合。

8.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，所述反转限制机构包括一个通过棘轮机构与转轴连接的锁止轮和一个摆动设置的锁杆；锁止轮圆周上设齿，锁杆第一端设有卡齿，锁杆第二端抵靠在定时器凸轮外缘上，定时器凸轮为圆周上带有凹口的圆盘结构，当定时器凸轮外缘非凹口部位对应锁杆第二端时，锁杆第一端的卡齿嵌在锁止轮的齿槽内，当定时器凸轮的凹口对应锁杆另一端时，锁杆第二端向定时器凸轮中心摆动，锁杆第一端的卡齿从锁止轮的齿槽内脱出。

9.根据权利要求8所述的机械式定时阀门，其特征在于，棘轮机构的棘爪设置在所述转轴上，棘轮机构的棘轮齿面倾斜方向与转轴正转方向相同，所述锁止轮直接与棘轮机构的棘轮同轴固定在一起，或者与棘轮机构的棘轮通过一对过桥齿轮连接。

10.根据权利要求1所述的机械式定时阀门，其特征在于，定时器凸轮和转轴同轴心设置，定时器凸轮安装轴中心带通孔，转轴由通孔穿过。

Images