CN106996441B - 往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置 - Google Patents

往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置，特别是一种应用于机械传动领域的往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置。本发明采用的往复直线运动与旋转运动转换装置包括主轴、直线运动导向机构、扇齿和齿框，扇齿与主轴固定连接，所述齿框内壁设置有齿条，齿条包括分设在扇齿两侧的第一齿条和第二齿条，往复直线运动与旋转运动转换装置还包括与主轴固定连接的换向机构。本发明采用的气缸装置，包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆、活塞和缸体，所述缸体套设在活塞上，缸体的一端设置有缸盖。采用本发明的方案可以显著提高传动效率，减少能量损耗，并能实现平稳连续运转。

Description

往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置
技术领域
本发明涉及一种往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置，特别是一种应用于机械传动领域的往复直线运动与旋转运动转换装置及气缸装置。
背景技术
在现有技术中将往复直线运动与旋转运动相互转换的机构有多种形式，其中运用最为广泛的是空气压缩机和发动机中的曲柄连杆机构，但是曲柄连杆机构的传动效率较低。以活塞式发动机为例，采用曲柄连杆机构的发动机的燃料利用率只有30％左右，且长期以来都难以有显著提升。
为了提高活塞发动机效率，相关技术人员对活塞发动机的传动装置进行了不断的改进和优化，例如公开号为CN105114179A的专利文件公开了一种轴式连杆传动系统及对置活塞发动机，该传动系统包括主轴和至少一个直线往复运动单元，直线往复运动单元包括至少一个直线往复运动体，直线往复运动体与对应轴式连杆的一端固定连接，另一端与对应的推拉框连接，推拉框内设置有滑移块，该滑移块的两侧外壁与推拉框的两横向内侧壁形成滑动配合，滑移块的内圈具有其分度圆呈椭圆状的内齿，内齿与对应设置在主轴上的齿轮循环啮合，主轴与换向块之间设置有换向机构。该装置虽然能够将直线往复运动转换成旋转运动，但是由于在工作过程中滑移块会上下移动，增加了系统的负荷和机械摩擦，并会使系统产生上下摆动，其不仅效率低，噪音大，并且运行不稳定，机构容易停滞卡死，可靠性低。
又例如公开号为CN1399063A的发明专利公开了一种扇齿发动机，其利用扇齿轮机构实现活塞往复运动到扇齿轮转动的转换，由扇齿轮同时实现齿条正方向啮合，负方向不啮合的功能。但是该技术方案在扇齿轮与齿条脱离后，与活塞杆连成整体的齿条便失去约束，在活塞带动下仍然会继续运动，造成扇齿无法再次与该齿条重新准确啮合，使传动无法连续平稳进行。
因此，现有技术中还没有一种可以显著提高传动效率，减少能量损耗，并能实现平稳连续运转的往复直线运动与旋转运动转换装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以显著提高传动效率，减少能量损耗，并能实现平稳连续运转的往复直线运动与旋转运动转换装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的往复直线运动与旋转运动转换装置包括主轴、直线运动导向机构、扇齿和可沿直线运动导向机构做直线运动的齿框，所述扇齿与主轴固定连接，所述齿框内壁设置有齿条，所述齿条包括分设在扇齿两侧的第一齿条和第二齿条，所述往复直线运动与旋转运动转换装置还包括与主轴固定连接的换向机构，所述换向机构上设置有导向曲面和导向件，所述齿框上设置有换向块，所述换向块上设置有第一曲面和第二曲面，当往复直线运动与旋转运动转换装置处于传动状态时，扇齿与齿条啮合；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于过渡状态时，扇齿与齿条啮合的同时，换向块的第一曲面处于受导向件外表面约束的状态，换向块的第二曲面处于受导向曲面约束的状态；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于换向状态时，扇齿与齿条脱开，且换向块的第一曲面处于受导向件外表面约束的状态，换向块的第二曲面处于受导向曲面约束的状态。
进一步的是，所述导向件包括与换向机构固定连接的导向轴和套设在导向轴上的滚轮。
进一步的是，所述滚轮与导向轴之间设置有滚动轴承。
进一步的是，所述齿条为外齿轮型齿条，所述扇齿的轴线与主轴的轴线不重合。
进一步的是，所述直线运动导向机构为导轨，所述导轨与齿框之间设置有滚子。
进一步的是，所述换向块设置在关于齿框的水平横向中轴线对称的齿框左右两端外侧面。
进一步的是，所述换向机构为一个，所述换向块为单侧设置。
进一步的是，所述第一曲面由过渡曲面和换向曲面组成，所述换向曲面为圆弧形曲面，且在换向过程中，换向曲面圆心在主轴的中心线上。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供了一种可以显著提高传动效率，减少能量损耗，并能实现平稳连续运转的气缸装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的气缸装置，包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆、活塞和缸体，所述缸体套设在活塞上，所述连杆一端与活塞连接，另一端与齿框连接，所述缸体的一端设置有缸盖，所述往复直线运动与旋转运动转换装置上设置有端盖，所述缸体的另一端与端盖连接。
进一步的是，所述连杆、活塞、缸盖、端盖和缸体成对设置在同一个齿框的两侧。
本发明的有益效果是：采用本申请的往复直线运动与旋转运动转换装置通过与主轴同步转动的换向机构和设置在齿框上的换向块使齿框在过渡阶段和换向阶段受到换向机构的精确约束，按照设定的轨迹移动，保证了扇齿从与一边齿条逐渐脱离到完全脱离，然后又与另一边齿条从逐渐啮合到完全啮合的过程连续且平稳过渡。并使扇齿可以重新与齿条精确啮合，使整个往复直线运动转换成旋转运动的过程连续，准确完成，且装置运行过程冲击小，换向平稳，机械损耗小。
附图说明
图1为本装置传动阶段的主视图；
图2为本装置传动阶段的剖视图；
图3为本装置传动阶段的俯视图；
图4为本装置过渡阶段的主视图；
图5为本装置过渡阶段的剖视图；
图6为本装置过渡阶段的俯视图；
图7为本装置换向阶段的主视图；
图8为本装置换向阶段的剖视图；
图9为本装置换向阶段的俯视图；
图10为本装置应用在对置双缸四冲程活塞发动机的结构示意图；
图11本装置应用在对置双缸双二冲程活塞发动机的结构示意图；
图12是换向机构对称设置的结构示意图；
图13是换向块的结构示意图；
图14为本装置应用在对置气缸对置活塞二冲程发动机结构的俯视图。
图中零部件、部位及编号：主轴1、直线运动导向机构2、扇齿3、齿框4、第一齿条41、第二齿条42、换向块43、第一曲面431、过渡曲面4311、换向曲面4312、第二曲面432、换向机构5、导向曲面51、滚轮511、导向轴512、导向件52、连杆6、活塞7、缸体8、缸盖9、端盖10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为解决上述技术问题，本发明采用的往复直线运动与旋转运动转换装置，包括主轴1、直线运动导向机构2、扇齿3和可沿直线运动导向机构2做直线运动的齿框4，所述扇齿3与主轴1固定连接，所述齿框4内壁设置有齿条，所述齿条包括分设在扇齿3两侧的第一齿条41和第二齿条42，所述往复直线运动与旋转运动转换装置还包括与主轴1固定连接的换向机构5，所述换向机构5上设置有导向曲面51和导向件52，所述齿框4上设置有换向块43，所述换向块43上设置有第一曲面431和第二曲面432，前述部件的运动关系为，当往复直线运动与旋转运动转换装置处于传动状态时，扇齿3与齿条啮合；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于过渡状态时，扇齿3与齿条啮合的同时，换向块43的第一曲面431处于受导向件52外表面约束的状态，换向块43的第二曲面432处于受导向曲面51约束的状态；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于换向状态时，扇齿3与齿条脱开，且换向块43的第一曲面431处于受导向件52外表面约束的状态，换向块43的第二曲面432处于受导向曲面51约束的状态。本发明的往复直线运动与旋转运动转换装置可以实现齿框4的往复直线运动与主轴1的连续旋转运动的相互转换。其工作过程分成三个阶段：
一、传动阶段，如图1、图2，及图3所示，在此阶段扇齿3与齿条啮合，齿条与齿框4一起做直线运动，扇齿3与主轴1同步转动。齿条通过与扇齿3的啮合实现齿框的往复直线运动与主轴1的旋转运动的相互转换。
二、过渡阶段，如图4、图5，及图6所示，在此阶段扇齿3与齿条的末端啮合，同时换向机构5在主轴1带动下转动到导向件52及导向曲面51对齿框4上的换向块43产生约束的位置，此时换向块43处于导向件52及导向曲面51之间不能自由平移。
三、换向阶段，如图7、图8，及图9所示，在此阶段扇齿3与的齿条完全脱开，但是导向件52与导向曲面51仍然处于对换向块43产生约束的位置，此时换向块43处于导向件52及导向曲面51之间不能自由平移。
在过渡阶段和换向阶段，导向件52及导向曲面51对齿框4上的换向块43产生约束，即换向块43只能在导向件52与导向曲面51之间所形成的区域范围内移动。
当前述换向阶段结束后，装置又重新进入过渡阶段，扇齿3与另一边齿条的末端开始啮合，随着装置的继续运转，扇齿3与齿条完全啮合，本装置又开始进入传动阶段，并周而复始重复前述三个阶段，使本装置可以连续运转。
在换向阶段由于齿条与扇齿3完全脱开，在没有扇齿3约束的情况下齿框4有继续运动的趋势，如果齿框4继续运动则扇齿3和齿条就无法在下一个阶段正确啮合，导致装置无法连续运转。而本申请的换向机构5与主轴1同步转动，当扇齿3转动到换向阶段时换向机构5也转动到换向位置，此时换向块43的第一曲面431与导向件52外表面接触，这样导向件52的外表面对换向块43的一侧产生约束，同时换向块43的第二曲面432与导向曲面51接触，这样导向曲面51对换向块43的另一侧也产生约束。在导向件52和导向曲面51的共同约束下，与齿框4固定连接的导向块使齿框4的运动受到限制后保持静止状态，直至扇齿3转动到与齿条重新啮合进入过渡阶段。
在过渡阶段由于齿条与扇齿3只是部分啮合，单齿所受载荷较大，而本申请利用与主轴1同步转动的换向机构5，让扇齿3转动到过渡阶段时且换向块43的第一曲面431与导向件52外表面接触，换向块43的第二曲面432与导向曲面51接触，此时换向机构5上的曲面对换向块43起到导向作用，通过上述换向机构5与换向块43的相互作用与约束使换向块43沿着预定的轨迹做水平直线移动，并且在过渡阶段中原本加在扇齿3和齿条上的作用力还被分担到换向机构5的导向件52外表面及换向块43的曲面上，使得本装置在过渡过程中运行平稳，避免了出现卡死停滞的情况。本申请的直线运动导向机构2起到导向作用，以保证齿框4在直线运动导向机构2的限制下做准确地直线运动。
所述导向件52包括与换向机构5固定连接的导向轴512和套设在导向轴512上的滚轮511，使导向件52的滚轮511可以相对换向机构5自由转动，当换向块43与导向件52接触时为滚动摩擦，可以降低摩擦力。
滚轮511与导向轴512之间设置有滚动轴承，采用滚动轴承可以最大限度减低摩擦力。
齿条为外齿轮型齿条，所述扇齿3的轴线与主轴1的轴线不重合，以适应扇齿与齿条的有效啮合。此处扇齿的轴线是指扇齿所对应的齿轮的轴线。齿框4的齿条采用直线型齿条或外齿轮型齿条，与之相匹配的扇齿3的轴线与主轴1的轴线也相应有同轴或非同轴，优选采用外齿轮型齿条与偏轴扇齿3的配合，相比直线型齿条外齿轮型齿条有如下优点：可以减少过渡阶段的扇齿3与齿条的切齿程度，并且扇齿3与齿条的啮合更好，有利于改善扇齿3与齿条的受力，特别是末齿的受力，提高扇齿3和齿条的耐磨性，且能更平缓的实现过渡阶段的过渡，减少过渡阶段中产生的冲击噪音。
直线运动导向机构2为导轨，所述导轨与齿框4之间设置有滚子。采用导轨限位结构简单，体积小，限位精准，增设滚子可以减少齿框4与导轨间的摩擦。此外也可以采用限位滚轮511等其他限位方式。
所述换向块43设置在关于齿框4的水平横向中轴线对称的齿框4左右两端外侧面。采用前述方案，通过对称布置的方式来增加结构的稳定性，可以使本装置工作过程更加平稳。
如图12所示，本申请的换向机构也可以采用对称设置的形式。
作为其中的一种结构形式，本装置中的换向机构5可以为一个，其换向块43也相应为单侧设置。
所述第一曲面431由过渡曲面4311和换向曲面4312组成，所述换向曲面4312为圆弧形曲面，且在换向过程中，换向曲面4312圆心在主轴的中心线上。在过渡过程中换向块受过渡曲面4311约束，使齿框在移动过程中平稳地从过渡过程转换到换向过程。在换向过程中，换向块43受换向曲面4312约束，由于换向曲面4312为圆弧形曲面，此时其圆心在主轴1的中心线上，这样使齿框在换向过程中保持当前位置不变，直至换向结束重新进入过渡阶段。采用前述方法可使各个过程之间顺利衔接，使本装置可以连续顺畅地运转。
如图10所示，本发明采用的气缸装置，包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆6、活塞7和缸体8，所述缸体8套设在活塞7上，所述连杆6一端与活塞7连接，另一端与齿框4连接，所述缸体8的一端安装有缸盖9，所述往复直线运动与旋转运动转换装置上设置有端盖10，所述缸体8的另一端与端盖10连接。本申请的气缸装置，是在往复直线运动与旋转运动转换装置基础上加上活塞与气缸等主要部件所构成。由于本申请的往复直线运动与旋转运动转换装置具有传动效率高，能耗低，并能实现平稳连续运转的特点，因此采用本申请的往复直线运动与旋转运动转换装置替换现有技术的曲轴连杆6机构进行传动，可以大大提高气缸装置的效率，减少现有技术中活塞7对缸体8产生的磨损。具体实施时只需要在活塞7与齿框4之间增加连杆6，使活塞7的直线运动通过连杆6传递给齿框4，然后通过本装置将齿框4的往复直线运动转换成主轴1的连续旋转运动后输出。此外采用本申请的气缸装置后，相比现有技术，活塞7两侧的腔体均可以得到有效利用，且由于本申请的装置的齿框与活塞的侧向力均由导轨来承担，因此避免了现有技术活塞7对缸体8侧壁的磨损。由于发动机和压缩机的核心传动方式是往复直线运动与旋转运动转换装置，本申请的气缸装置，根据具体需求的不同，本领域一般技术人员在本气缸装置基础上可以将其设计成发动机，也可以设计成为压缩机。
采用本申请的气缸装置可以组成各种形式的发动机和压缩机，其包括但不限于以下形式：
作为一种优选的实施方式，本申请的气缸装置还可以将连杆6、活塞7、缸盖9、端盖10和缸体8成对设置在同一个齿框4的两侧，这样就可以作为双活塞的发动机或者压缩机使用。
所述往复直线运动与旋转运动转换装置为多个的组合，所述多个往复直线运动与旋转运动转换装置通过同一根动力轴输出动力或者通过同一根动力轴接收动力输入。
由于发动机和压缩机的核心传动方式是往复直线运动与旋转运动转换装置，本申请的气缸装置，根据具体需求的不同，本领域一般技术人员在本气缸装置基础上可以将其设计成发动机，也可以设计成为压缩机。
还可以根据上述形式进行合理组合。
本申请的几个具体实施例如下
实施例一，如图10，对置双缸四冲程活塞发动机，包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆6、活塞7和缸体8，所述连杆6一端与活塞7连接，另一端与齿框4连接，所述缸体8的一端设置有缸盖9，所述往复直线运动与旋转运动转换装置上设置有端盖10，所述缸体8的另一端与端盖10连接。活塞位于气缸内并可在气缸内往复运动，活塞将气缸隔离为前后两个可变空腔，活塞的前表面对应的空腔称为前腔,所示通过活塞的往复运动，及配气系统控制缸盖9上的进气口，排气口，前腔依次进行压缩，做功，排气，吸气四冲程循环。
实施例二，如图11，对置双缸双二冲程活塞发动机，包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆6、活塞7和缸体8，所述连杆6一端与活塞7连接，另一端与齿框4连接，所述缸体8的一端设置有缸盖9，所述往复直线运动与旋转运动转换装置上设置有端盖10，所述缸体8的另一端与端盖10连接。活塞位于气缸内并可在气缸内往复运动，活塞将气缸隔离为前后两个可变空腔，活塞7的前表面对应的空腔称为前腔,活塞7的后表面对应的空腔称为背腔，所示通过活塞7的往复运动，活塞的裙部控制缸体8上的进气口，配气系统控制缸盖9上的排气口，前腔进行压缩，做功，扫气，二冲程循环，背腔进行吸气，压缩循环，并通过缸体气路及缸体进气口提供前腔扫气过程的压缩气。
实施例三，单缸四冲程活塞发动机，在实施例一的基础上，去掉一边的气缸，汽缸盖，活塞及连杆，即可构成本实施例的单缸四冲程活塞发动机。
实施例四，单缸二冲程活塞发动机，在实施例二的基础上，去掉一边的气缸，汽缸盖，活塞7及连杆，即可构成本实施例的单缸单活塞二冲程发动机。
实施例五，如图14，采用三套往复直线运动与旋转运动转换装置，在同一个活塞缸中对置设置两个连杆6及两个活塞7，形成对置气缸对置活塞二冲程发动机，即OPOC发动机。

Claims (10)

1.往复直线运动与旋转运动转换装置，包括主轴(1)、直线运动导向机构(2)、扇齿(3)和可沿直线运动导向机构(2)做直线运动的齿框(4)，所述扇齿(3)与主轴(1)固定连接，所述齿框(4)内壁设置有齿条，所述齿条包括分设在扇齿(3)两侧的第一齿条(41)和第二齿条(42)，其特征在于：所述往复直线运动与旋转运动转换装置还包括与主轴(1)固定连接的换向机构(5)，所述换向机构(5)上设置有导向曲面(51)和导向件(52)，所述齿框(4)上设置有换向块(43)，所述换向块(43)上设置有第一曲面(431)和第二曲面(432)，当往复直线运动与旋转运动转换装置处于传动状态时，扇齿(3)与齿条完全啮合；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于过渡状态时，扇齿(3)与齿条部分啮合的同时，换向块(43)的第一曲面(431)处于受导向件(52)外表面约束的状态，换向块(43)的第二曲面(432)处于受导向曲面(51)约束的状态；当往复直线运动与旋转运动转换装置处于换向状态时，扇齿(3)与齿条完全脱开，且换向块(43)的第一曲面(431)处于受导向件(52)外表面约束的状态，换向块(43)的第二曲面(432)处于受导向曲面(51)约束的状态；往复直线运动与旋转运动转换装置能够以连续的方式进入换向状态、过渡状态和传动状态。
2.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述导向件(52)包括与换向机构(5)固定连接的导向轴(512)和套设在导向轴(512)上的滚轮(511)。
3.如权利要求2所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述滚轮(511)与导向轴(512)之间设置有滚动轴承。
4.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述齿条为外齿轮型齿条，所述扇齿(3)的轴线与主轴(1)的轴线不重合。
5.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述直线运动导向机构(2)为导轨，所述导轨与齿框(4)之间设置有滚子。
6.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述换向块(43)设置在关于齿框(4)的水平横向中轴线对称的齿框(4)左右两端外侧面。
7.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述换向机构(5)为一个，所述换向块(43)为单侧设置。
8.如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置，其特征在于：所述第一曲面(431)由过渡曲面(4311)和换向曲面(4312)组成，所述换向曲面(4312)为圆弧形曲面，且在换向过程中，换向曲面(4312)的圆心在主轴(1)的中心线上。
9.采用如权利要求1所述的往复直线运动与旋转运动转换装置的气缸装置，其特征在于：包括往复直线运动与旋转运动转换装置、连杆(6)、活塞(7)和缸体(8)，所述缸体(8)套设在活塞(7)上，所述连杆(6)一端与活塞(7)连接，另一端与齿框(4)连接，所述缸体(8)的一端设置有缸盖(9)，所述往复直线运动与旋转运动转换装置上设置有端盖(10)，所述缸体(8)的另一端与端盖(10)连接。
10.权利要求9所述的气缸装置，其特征在于：所述连杆(6)、活塞(7)、缸盖(9)、端盖(10)和缸体(8)成对设置在同一个齿框(4)的两侧。
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