CN104696467A - 一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于它包括往复体、不完全齿轮、储能元件、动力机构；所述往复体与储能元件连接，并通过往复体的有齿部分与不完全齿轮的有齿部分啮合；所述不完全齿轮与动力机构连接。工作方法：(1)不完全齿轮带动直线往复体作直线进程运动；储能元件储能；解除啮合后，直线往复体在储能元件作用下反方向作直线回程运动；(2)不完全齿轮驱动圆周往复体作圆周进程运动；储能元件储能；解除啮合后，圆周往复体在储能元件作用下反方向作圆周回程运动。本发明的优越性在于：传动效率高；可靠性高；可操作性强。

Description

一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构及工作方法

(一)技术领域：

本发明涉及机械机构技术，特别是一种能快速回位往复机构，即一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构及工作方法。

(二)背景技术：

直线或圆周往复机构在工业机械设备和生活家电中到处可见，如汽车发动机活塞直线往复转为曲轴连续转动、缝纫机针头上下穿针引线、空调导风板的摆动送风等等，都是往复机构在其中工作。在众多往复运动中，有一种需要快速回位的往复运动，如锻造、冲压、锤击、发射等等，往复体进程速度不要求很快，但回程速度要很快，以取得较大的冲击能量。

传统的往复机构结构形式一般为曲柄滑块机构、曲柄连杆机构和凸轮机构等，这些机构经过特殊的设计，可以作到回程速度比较高，但是经过运动学分析计算，由于机构的结构尺寸限制，回程速度会被限制在一定的范围内。附图1是一个典型的曲柄滑块往复机构示意图及运动学分析图，往复体滑块的速度v的表达式为：v＝-sinα×ω×r。由此可见，要提高往复体滑块的速度v，只有两个途径：第一，增加曲柄半径r，但这意味着机构尺寸加大，受到一定限制；第二，增加曲柄转动角速度ω，但这意味着加大动力源的速度和功率，也受到一定限制；更主要的是，往复体滑块的速度v是sinα的函数，当α＝±π/2时，sinα＝±1,也就是往复体滑块的速度v最大时，但这发生在往复体滑块进程和回程的中间，而最需要速度的回程未段，α＝0或π时，sinα＝0，因而往复体滑块的速度v＝0，这就是曲柄滑块机构往复体滑块的平均速度不够高，同时速度分布不合理的关键因素。

现有技术在需要快速回位的往复运动这个特殊的领域里面仍然延用传统的往复机构的结构形式，虽然经过某些特殊的设计，但不能摆脱回程速度不够快这一先天的问题，只好不断地加大结构尺寸，造成设备的体积、重量和成本大幅提高；不断地加大动力源的速度和功率，造成能源的浪费、机构的过度损耗、产生振动和噪音等等有害的后果。另一方面，传统的往复机构运行中部件间是存在内力的，同时，往复体在高速回程冲击作功时是与整个传动机构铰接或直接接触的，而不是自由的，冲击作功时的反作用力会直接传到传动机构上，造成对传动机构的破坏，这两方面，使得传动机构在设计、选材、维护等很多方面要采取额外的措施，大大增加了其直接和间接的成本。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构及工作方法,它能够克服现有技术的不足，本发明完全摆脱了传统往复机构结构的模式，从而彻底摆脱了往复体回程度受限因素。

本发明的技术方案：一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于它包括往复体、不完全齿轮、储能元件、动力机构；所述往复体与储能元件连接，并通过往复体的有齿部分与不完全齿轮的有齿部分啮合；所述不完全齿轮与动力机构连接。

所述往复体为直线往复体或圆周往复体；所述直线往复体与齿条连接，齿条与不完全齿轮的有齿部分啮合；所述圆周往复体与被动不完全齿轮同轴固连安装，被动不完全齿轮的有齿部分与不完全齿轮的有齿部分啮合。

所述储能元件为预紧力值连续可调的储能元件，所述往复体为直线往复体时，采用压簧储能元件、拉簧储能元件、重力储能元件或压缩空气储能元件；所述往复体为圆周往复体时，采用拉簧储能元件或重力储能元件。

所述动力机构采用可调转速的减速电机，减速电机通过不完全齿轮轴与不完全齿轮连接。

所述直线往复体安装于导向套内，导向套一端为限制直线往复体的直线往复初始端，另一端安装导向套后盖；所述储能元件采用压簧储能元件时，压簧储能元件安装于导向套内置于直线往复体与导向套后盖之间；所述储能元件采用拉簧储能元件时，拉簧储能元件一端通过拉簧固定销固定，另一端与直线往复体连接；所述储能元件采用重力储能元件时，重力储能元件通过钢丝绳与直线往复体连接；所述储能元件采用压缩空气储能元件时，压缩空气储能元件置于直线往复体与导向套后盖之间，且通过密封环密封。

所述圆周往复体通过圆周往复轴安装，并配合安装有定位销；所述储能元件采用拉簧储能元件时，拉簧储能元件一端通过拉簧固定销固定，另一端通过钢丝绳与圆周往复体连接；所述储能元件采用重力储能元件时，重力储能元件通过钢丝绳与圆周往复体连接。

所述往复体为直线往复体、储能元件采用重力储能元件时，钢丝绳通过转向轮导向。

一种上述机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构的工作方法,其特征在于它包括以下步骤：

(1)往复体为直线往复体时：

直线往复体位于直线往复初始端限定的初始位置；

不完全齿轮在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮转动到有齿部份时，不完全齿轮与直线往复体的有齿部分啮合，带动直线往复体作直线进程运动；

在此过程中，直线往复体对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮转动到无齿部份时，不完全齿轮与直线往复体的有齿部分解除啮合，直线往复体在储能元件作用下反方向作直线回程运动，储能元件释放储存的能量；

直线往复体在回位过程末端，被储能元件驱使回到直线往复初始端限定的初始位置，并静止在那里，等待不完全齿轮的有齿部份再次转动到与直线往复体的有齿部分啮合，重复下一个周期的动作，作直线往复运动；

(2)往复体为圆周往复体时：

圆周往复体位于定位销限定的初始位置；

不完全齿轮在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮转动到有齿部份时，不完全齿轮与圆周往复体有齿部份啮合，驱动圆周往复体作圆周进程运动；

在此过程中，圆周往复体对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮转动到无齿部份时，不完全齿轮与圆周往复体解除啮合，圆周往复体在储能元件作用下反方向作圆周回程运动，储能元件释放储存的能量；

圆周往复体在回位过程末端，被储能元件驱使回到定位销限定的初始位置，并静止在那里，等待与不完全齿轮再次啮合，重复下一个周期的动作，作圆周往复运动。

本发明的优越性在于：

一.传动效率高

经运动学分析，在理想状态下，本发明所述的直线往复机构往复体弹簧储能和重力储能的速度函数表达式：

(式中l:往复行程；k：弹簧弹性系数；m：往复体质量)

(式中l:往复行程；g：重力加速度)

式中可见，V_弹与V_重两者都摆脱了传统曲柄滑块往复机构往复体速度函数中sinα对速度值和速度分布的限制，大大提高了机械传动效率。式中l为往复行程，与机构的结构尺寸有关，V_弹与l成正比，而V_重与l平方根成正比，可见同样增加行程，弹簧储方式对提高往复体速度效果更加明显。

二.可靠性高

本发明所述的往复机构在回程中，往复体是与动力源脱开的，没有传动内力，同时，回程工作产生的冲击和振动不会直接传导给动力系统，大大减少了动力系统的负荷和损伤，从而使机构整体的寿命、耐用度和稳定性大幅度提高。

三.可操作性强

本发明所述的往复机构通过改变不完全齿轮齿数可以调整行程；通过改变储能弹簧的预紧力、改变配重体重量或预充压缩气体压力可以调整回程往复体冲击能量；通过改变电机转速，可以调整往复频率；以上这些参数的调整对于本发明来讲可以很轻易实现，从而使本发明所述的往复机构从容面对各种工况的要求，可操作性强。

(四)附图说明：

图1为曲柄连杆机构运动学分析示意图。

图2为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为直线往复体、储能元件采用压簧储能元件时的结构示意图。

图3为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为直线往复体、储能元件采用拉簧储能元件时的结构示意图。

图4为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为直线往复体、储能元件采用重力储能元件时的结构示意图。

图5为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为直线往复体、储能元件采用压缩空气储能元件时的结构示意图。

图6为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为圆周往复体、储能元件采用拉簧储能元件时的结构示意图。

图7为本发明所涉一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构当往复体为圆周往复体、储能元件采用重力储能元件时的结构示意图。

其中，1为不完全齿轮轴；2为直线往复体；3为齿条；4为不完全齿轮；5为导向套；6为压簧储能元件；7为导向套后盖；8为拉簧储能元件；9为重力储能元件；10为转向轮；11为钢丝绳；12为压缩空气储能元件；13为定位销；14为圆周往复体；15为圆周往复轴；16为密封环；17为拉簧固定销；18为直线往复初始端。

(五)具体实施方式：

实施例：一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于它包括往复体、不完全齿轮4、储能元件、动力机构；所述往复体与储能元件连接，并通过往复体的有齿部分与不完全齿轮4的有齿部分啮合；所述不完全齿轮4与动力机构连接。(见图2-图7)

所述往复体为直线往复体2或圆周往复体14；所述直线往复体2与齿条3连接，齿条3与不完全齿轮4的有齿部分啮合；所述圆周往复体14与被动不完全齿轮同轴固连安装，被动不完全齿轮的有齿部分与不完全齿轮4的有齿部分啮合。(见图2-图7)

所述储能元件为预紧力值连续可调的储能元件，所述往复体为直线往复体2时，采用压簧储能元件6、拉簧储能元件8、重力储能元件9或压缩空气储能元件12(见图2-图5)；所述往复体为圆周往复体14时，采用拉簧储能元件8或重力储能元件9(见图6-图7)。

所述动力机构采用可调转速的减速电机，减速电机通过不完全齿轮轴1与不完全齿轮4连接。(见图2-图7)

所述直线往复体2安装于导向套5内，导向套5一端为限制直线往复体2的直线往复初始端18，另一端安装导向套后盖7(见图2-图5)；所述储能元件采用压簧储能元件6时，压簧储能元件6安装于导向套5内置于直线往复体2与导向套后盖7之间(见图2)；所述储能元件采用拉簧储能元件8时，拉簧储能元件8一端通过拉簧固定销17固定，另一端与直线往复体2连接(见图3)；所述储能元件采用重力储能元件9时，重力储能元件9通过钢丝绳11与直线往复体2连接(见图4)；所述储能元件采用压缩空气储能元件12时，压缩空气储能元件12置于直线往复体2与导向套后盖7之间，且通过密封环16密封(见图5)。

所述圆周往复体14通过圆周往复轴15安装，并配合安装有定位销13(见图6-图7)；所述储能元件采用拉簧储能元件8时，拉簧储能元件8一端通过拉簧固定销17固定，另一端通过钢丝绳11与圆周往复体14连接(见图6)；所述储能元件采用重力储能元件9时，重力储能元件9通过钢丝绳11与圆周往复体14连接(见图7)。

所述往复体为直线往复体2、储能元件采用重力储能元件9时，钢丝绳11通过转向轮10导向。(见图4)

一种上述机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构的工作方法,其特征在于它包括以下步骤：

(1)往复体为直线往复体2(见图2-图5)时：

直线往复体2位于直线往复初始端18限定的初始位置；

不完全齿轮4在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮4转动到有齿部份时，不完全齿轮4与直线往复体2的有齿部分啮合，带动直线往复体2作直线进程运动；

在此过程中，直线往复体2对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮4转动到无齿部份时，不完全齿轮4与直线往复体2的有齿部分解除啮合，直线往复体2在储能元件作用下反方向作直线回程运动，储能元件释放储存的能量；

直线往复体2在回位过程末端，被储能元件驱使回到直线往复初始端18限定的初始位置，并静止在那里，等待不完全齿轮4的有齿部份再次转动到与直线往复体2的有齿部分啮合，重复下一个周期的动作，作直线往复运动；

(2)往复体为圆周往复体14(见图6-图7)时：

圆周往复体14位于定位销13限定的初始位置；

不完全齿轮4在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮4转动到有齿部份时，不完全齿轮4与圆周往复体14有齿部份啮合，驱动圆周往复体14作圆周进程运动；

在此过程中，圆周往复体14对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮4转动到无齿部份时，不完全齿轮4与圆周往复体14解除啮合，圆周往复体14在储能元件作用下反方向作圆周回程运动，储能元件释放储存的能量；

圆周往复体14在回位过程末端，被储能元件驱使回到定位销13限定的初始位置，并静止在那里，等待与不完全齿轮4再次啮合，重复下一个周期的动作，作圆周往复运动。

Claims (8)

1.一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于它包括往复体、不完全齿轮、储能元件、动力机构；所述往复体与储能元件连接，并通过往复体的有齿部分与不完全齿轮的有齿部分啮合；所述不完全齿轮与动力机构连接。

2.根据权利要求1所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述往复体为直线往复体或圆周往复体；所述直线往复体与齿条连接，齿条与不完全齿轮的有齿部分啮合；所述圆周往复体与被动不完全齿轮同轴固连安装，被动不完全齿轮的有齿部分与不完全齿轮的有齿部分啮合。

3.根据权利要求1所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述储能元件为预紧力值连续可调的储能元件，所述往复体为直线往复体时，采用压簧储能元件、拉簧储能元件、重力储能元件或压缩空气储能元件；所述往复体为圆周往复体时，采用拉簧储能元件或重力储能元件。

4.根据权利要求1所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述动力机构采用可调转速的减速电机，减速电机通过不完全齿轮轴与不完全齿轮连接。

5.根据权利要求2所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述直线往复体安装于导向套内，导向套一端为限制直线往复体的直线往复初始端，另一端安装导向套后盖；所述储能元件采用压簧储能元件时，压簧储能元件安装于导向套内置于直线往复体与导向套后盖之间；所述储能元件采用拉簧储能元件时，拉簧储能元件一端通过拉簧固定销固定，另一端与直线往复体连接；所述储能元件采用重力储能元件时，重力储能元件通过钢丝绳与直线往复体连接；所述储能元件采用压缩空气储能元件时，压缩空气储能元件置于直线往复体与导向套后盖之间，且通过密封环密封。

6.根据权利要求2所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述圆周往复体通过圆周往复轴安装，并配合安装有定位销；所述储能元件采用拉簧储能元件时，拉簧储能元件一端通过拉簧固定销固定，另一端通过钢丝绳与圆周往复体连接；所述储能元件采用重力储能元件时，重力储能元件通过钢丝绳与圆周往复体连接。

7.根据权利要求5所述一种机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构,其特征在于所述往复体为直线往复体、储能元件采用重力储能元件时，钢丝绳通过转向轮导向。

8.一种权利要求1所述机械储能式不完全齿轮快速回位往复机构的工作方法,其特征在于它包括以下步骤：

(1)往复体为直线往复体时：

直线往复体位于直线往复初始端限定的初始位置；

不完全齿轮在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮转动到有齿部份时，不完全齿轮与直线往复体的有齿部分啮合，带动直线往复体作直线进程运动；

在此过程中，直线往复体对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮转动到无齿部份时，不完全齿轮与直线往复体的有齿部分解除啮合，直线往复体在储能元件作用下反方向作直线回程运动，储能元件释放储存的能量；

直线往复体在回位过程末端，被储能元件驱使回到直线往复初始端限定的初始位置，并静止在那里，等待不完全齿轮的有齿部份再次转动到与直线往复体的有齿部分啮合，重复下一个周期的动作，作直线往复运动；

(2)往复体为圆周往复体时：

圆周往复体位于定位销限定的初始位置；

不完全齿轮在减速电机的驱动下沿一个方向连续转动；

当不完全齿轮转动到有齿部份时，不完全齿轮与圆周往复体有齿部份啮合，驱动圆周往复体作圆周进程运动；

在此过程中，圆周往复体对储能元件作功，储能元件储能；

当不完全齿轮转动到无齿部份时，不完全齿轮与圆周往复体解除啮合，圆周往复体在储能元件作用下反方向作圆周回程运动，储能元件释放储存的能量；

圆周往复体在回位过程末端，被储能元件驱使回到定位销限定的初始位置，并静止在那里，等待与不完全齿轮再次啮合，重复下一个周期的动作，作圆周往复运动。