CN1074102C - 往复运动与旋转运动齿轮式互换机构 - Google Patents

Abstract

一种往复运动与旋转运动齿轮式互换机构。其特征是：齿条的往复运动带动介齿轮作正反向旋转，它与双联齿轮中的一对半周齿轮交替啮合，从全周齿轮分别输出正反向的旋转运动，将往复运动转变为旋转运动，反过来从全周齿轮输入，从齿条输出，实现往复运动与旋转运动的互换。它可广泛应用于内燃机、泵、压缩机及其它往复式机械，传动的效率高，结构简单，体积小，重量轻、寿命长，成本低。

Description

往复运动与旋转运动齿轮式互换机构

本发明涉及一种传动机构，尤其是往复运动与旋转运动齿轮式互换机构。

在传动机构中，常有往复运动与旋转运动互换工况，如活塞式(往复式)发动机、往复式泵、往复式压缩机等。公知的传统的主要的互换机构是曲轴(柄)连杆机构(包括十字头)，还有曲柄滑块、曲柄滑框、曲柄摇杆、凸轮及其组合机构，上述机构的缺点是：

1、机构效率低，一般为80-85％，这是因为各连接件之间皆为滑动摩擦，如十字头与导轨之间，连杆大、小头与销轴之间的滑动摩擦有较多的损耗；在较大正压力(连杆推力分解出的垂直分力)作用下的滑动摩擦损耗更多。

2、惯性力难以平衡，产生振动；活塞、活塞杆、十字头均是非匀速的往复运动，产生惯性力；曲轴是旋转运动，重量产生离心力；连杆既有往复又有回转，故既有往复惯性力又有回转离心力，单缸的离心力可加均衡重进行平衡；但连杆的回转重量及回转半径皆是无法确定值，较难以完全平衡；而往复惯性力是难以平衡的；双缸、三缸是可以利用相互惯性力加以平衡，因为它们不共面，也难完全平衡。

3、压力与流量的脉动性较大，以往复式泵为例，曲柄的角速度不变活塞的线速度并非匀速，如在行程的前后死点，活塞线速度为零，此时流量亦为零。到行程中间，线速度有最大值，流量亦有最大值；到另一死点，又重复出现这种情况，这就形成了正弦曲线的波动。

4、另件多，材料费多，加工量大，精度高，曲轴、连杆加工难度大，制造成本高。

5、易损件多，寿命短，维修费高；由于各滑动摩擦面在传动力、惯性力作用下工作，连杆上产生的垂直分力对十字头的导轨和无十字头的柱塞(内燃机)及连杆套配合的销轴产生较快的磨损与偏磨，使零件寿命缩短。

为克服上述缺点，采用齿条、齿轮机构实现往复运动与旋转运动的互换是个方向。专利号：91229196.6，齿轮式往复旋转互换机构。采用齿条与齿轮机构实现往复运动与旋转运动的互换，但该机构存在的问题：1.往复双面齿条的中线与输出(入)齿轮的轴线是直角相交，往复行程受限于输出(入)齿轮的半径，设两个半齿轮与输出(入)齿轮的半径相等，三轮园心为O₁、O₂、O₃，从两个半齿轮的园心距O₁O₂中间作一直线至O₃，这条中线为A，则DJ＝ZM，A≈DJ Sin60°≈0.866DJ，而齿条行程S＝1/2πDJ≈1.5DJ，不能解决行程问题；若将输出(入)齿轮半径增加一倍，则 $A=\sqrt{{\left(\frac{3}{2}\mathrm{DJ}\right)}^2-{\left(\frac{1}{2}\mathrm{DJ}\right)}^2}\≈1.4\mathrm{DJ}$ ，齿条行程S＝1.5DJ仍大于中线A≈1.4DJ，仍然不能解决行程问题。2.解决的办法之一是加大输出(入)齿轮半径，使它变成1∶3，1∶4，即输出(入)齿轮旋转1周，齿条3个往复，或4个往复，则输出(入)齿轮变得很大，体积大，很难适用于内燃机。3.解决的办法之二是输出(入)齿轮采用悬臂轴单头轴承，则1个缸可以解决，多缸也无法实现同轴输出。4.该机构将往复运动转换为旋转运动为减速运动，尚可；如将旋转运动转换为往复运动，为增速运动，力矩变小，并需要将输入的动力减到很低的速度，变速箱降速比增大。由于存在上述问题，该机构很难实用。

本发明的目的是为了避免上述机构的缺点而提供的一种往复运动与旋转运动的齿轮式互换机构。

本发明的目的是这样实现的：本机构由齿条、介齿轮、双联齿轮、齿条导框、缓冲器、轴、轴承、箱体构成；齿条M作往复运动，齿条导框安装有缓冲器，以化解齿条往复惯性力的危害性；齿条M与介齿轮A啮合，介齿轮A随齿条往复作正反向的旋转运动，介齿轮A的周节数可以调整；介齿轮A通过轴F、G、H与双联齿轮B、C组合，A、B、C三轮的园心O₁O₂O₃，构成等腰三角形O₁O₂＝O₁O₃，双联齿轮由一对几何尺寸相同的半周齿轮和一对几何尺寸相同的全周齿轮构成，一对半周齿轮的分度园周长＝往复行程S×2，其齿周一半有轮齿，一半无轮齿，切去的轮齿数应与保留的轮齿数相等，一对半周齿轮有轮齿的一边同向安装，介齿轮A与B轮的半周齿轮和与C轮的半周齿轮的啮合点和脱开点均位于O₁O₂与O₁O₃的两条等腰线上，当介齿轮A的轮齿啮上C轮的半周齿轮的轮齿时即脱开B轮的半周齿轮的轮齿，反之，当介齿轮A的轮齿啮上B轮的半周齿轮的轮齿时即脱开C轮的半周齿轮的轮齿，双联齿轮B、C的一对全周齿轮互相啮合于O₂O₃的中心线的中心点上，B、C的全周齿轮的齿顶园半径应≥半周齿轮的齿顶园半径；两个双联齿轮的中心线与齿条的分度线平行，齿条M、介齿轮A与B、C轮的半周齿轮处在一个平面上；如齿条M向右运动，带动介齿轮A顺时针方向转动，此时如将一对半周齿轮有轮齿的一边安在右边，介齿轮A即带动C轮的半周齿轮有轮齿的半边逆时针方向转动，同时通过全周齿轮带动B轮的半周齿轮有轮齿的半边顺时针方向空转，直到齿条M向右走完一个行程，C轮的半周齿轮有轮齿的半边旋转半周；此时一对半周齿轮有轮齿的半边已同时转到左边，如齿条M向左运动，带动介齿轮A逆时针方向转动，并带动B轮的半周齿轮有轮齿的半边顺时针方向转动，同时通过全周齿轮带动C轮的半周齿轮有轮齿的半边逆时针方向空转，直到齿条M向左走完一个行程，B轮的半周齿轮有轮齿的半边旋转半周，齿条M和B、C轮的半周齿轮有轮齿的半边均回到原来的位置，齿条走一个往复，B、C两轮的半周齿轮均旋转一周，此为一个往复，如此周而复始，循环往复，即构成往复运动转变为旋转运动。若从齿条M输入往复运动的动力Na，则可以从B、C轮的全周齿轮分别得到正、反两个方向的旋转运动的动力Ne，反之，若从B、C轮的全周齿轮分别输入旋转运动的动力Na，则从齿条M得到往复运动的动力Ne，构成往复运动与旋转运动的互换，而且可以从齿条M左右输入，从B、C轮的全周齿轮分别输出，也可以从全周齿轮B、C轮分别输入，从齿条M左右输出。本机构适用的范围很宽。本机构通过轴承安装于箱体中使用，可以替代内燃机中的曲轴连杆机构，也可与减速箱、变速箱组合在一起使用。本机构轮齿的模数相同，按照传递功率的大小进行选择。本机构一般采用易于制造的直齿园柱齿轮，也可以视负荷大小、动力需要采用斜齿园柱齿轮和齿条人字齿轮。

本机构与现有技术相比，具有如下的优点：

1、传动效率高：本机构是通过齿轮传动的，加工精度高，安装正确的齿轮付之间，滑动摩擦量很小，传动机构效率较高，一般一对齿轮副传动损失在1-2％之间，齿条与介齿轮啮合，介齿轮与两个半周齿轮交替啮合，两个全齿轮啮合，总共三对传动副，传动损失在3-6％之间，取平均数是4.5％。高于曲轴(柄)连杆机构10％以上。

2、降低往复惯性力的危害性：本机构产生往复惯性力的运动件只有一根齿条，如减轻齿条制造重量，并在导框上安装缓冲器，可将往复惯性力的危害性降到很低的程度，比曲轴连杆机构小得多，振动也小得多，机构运转更为平稳。

3、可以提高内燃机的热效率，内燃机的热效率受限于曲柄半径和连杆长度；热效率随着气缸初压力的上升而上升；又随着末压力的下降而上升。本机构使气缸行程增加，可使初压力增高，未压力降低，从而增加热效率。本机构无曲轴、无连杆、可以按热效率的最佳曲线选择气缸行程。在机体高度不变的情况下，可使缸体加长，同时用齿条接受活塞的推力，活塞无需有导向的功能，可以不要裙边，无需做得那么长，以增加缸体容积；从而使气缸的行程增加，燃气充分澎涨，排气温度、压力降低，使热效率提高。

4、同上理由可以提高往复式压缩机、泵的排量、压力和容积效率。

5、降低流量，压力的脉动性，本机构输出的往复运动为匀速运动，只是在死点有小量的脉动；可以避免曲柄连杆机构那种正弦曲线的波动。

6、本机构适用的范围比较宽，可以广泛应用于内燃机，往复式压缩机、往复式泵、冲床、压力机、压铸机、往复式输送机、往复式上、下料机构等。

7、本机构使用寿命长，另件少，可降低材料消耗，节省材料费；齿轮加工，制造工艺性好；避免现有技术中许多易损件和一些制造难度大的另、部件，制造成本低。

8、结构简单，紧凑、体积小，重量轻，装拆维修方便。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

附图1，往复运动与旋转运动齿轮式互换机构整体结构示意图

附图2，缓冲器的结构与作用示意图

附图3，介齿轮与半周齿轮啮合线及其共轮齿形求解图

附图4，齿条与双联齿轮直接组合示意图

附图5，宝塔形介齿轮结构与作用示意图

附图6，异形半周齿轮结构与作用示意图

图1所示为往复运动与旋转运动齿轮式互换机构的整体结构，该机构由齿条M(1)、介齿轮A(2)、双联齿轮B(3)、(5)、C(4)、(6)、轴F(7)、G(8)、H(9)、齿条导框(10)、缓冲器(11)以及轴承、箱体构成；齿条M(1)作往复运动，齿条M(1)安装在导框(10)上，导框(10)由滚柱(12)、滚套(13)、托板(14)组成，使齿条M(1)往复运动成为滚动摩擦；导框(10)的端头和中部两侧安装有缓冲器(11)，齿条M(1)的端头装有传力板(15)，以化解往复运动惯性力的危害性；齿条M(1)与介齿轮A(2)啮合，齿条M(1)的往复运动带动介齿轮A(2)作正反向的旋转运动，介齿轮A(2)的周节数可以调整；介齿轮A(2)通过轴F(7)、G(8)、H(9)与双联齿轮B(3)、(5)、C(4)(6)组合，A、B、C三轮的园心O₁O₂O₃构成等腰三角形O₁O₂＝O₁O₃，双联齿轮由一对几何尺寸相同的半周齿轮B(3)、C(4)和一对几何尺寸相同的全周齿轮B(5)、C(6)构成，一对半周齿轮的分度园周长＝往复行程S×2，其齿周一半有轮齿，一半无轮齿，切去的轮齿数应与保留的轮齿数相等，一对半周齿轮有轮齿的一边同向安装，介齿轮A(2)与B(3)、C(4)的半周齿轮的啮合点和脱开点均位于O₁O₂与O₁O₃的两条等腰线上，当介齿轮A(2)的轮齿啮上B(3)半周齿轮的轮齿时即脱开C(4)半周齿轮的轮齿，反之，当介齿轮A(2)的轮齿啮上C(4)半周齿轮的轮齿时即脱开B(3)的半周齿轮的轮齿；双联齿轮B(5)、C(6)的全周齿轮互相啮合于O₂O₃的中心线的中心点上，全周齿轮B(5)、C(6)的齿顶园半径应≥半周齿轮B(3)、C(4)的齿顶园半径；两个双联齿轮的中心线O₂O₃与齿条M(1)的分度线平行，齿条M(1)、介齿轮A(2)与双联齿轮B(3)、C(4)处在一个平面上。如齿条M(1)向右运动，带动介齿轮A(2)顺时针方向转动，此时如将一对半周齿轮B(3)、C(4)有轮齿的一边安在右边，介齿轮A(2)即带动半周齿轮C(4)有轮齿的半边逆时针方向转动，同时通过全周齿轮C(6)、B(5)带动半周齿轮B(3)有轮齿的半边顺时针方向空转，直到齿条M(1)向右走完一个行程，C(4)有轮齿的半边旋转半周；此时半周齿轮C(4)、B(3)有轮齿的半边已同时转到左边，如齿条M(1)向左运动，带动介齿轮A(2)逆时针方向转动，并带动半周齿轮B(3)有轮齿的半边顺时针方向转动，同时通过全周齿轮B(5)、C(6)带动半周齿轮C(4)有转齿的半边逆时针方向空转，直到齿条M(1)向左走完一个行程，半周齿轮B(3)有轮齿的半边旋转半周，齿条M(1)，半周齿轮B(3)、C(4)有轮齿的半边均回到原来的位置，此时，齿条M(1)走完一个往复，半周齿轮B(3)、C(4)均旋转一周，此为一个往复，如此周而复始，循环往复，即构成往复运动转变为旋转运动。若从齿条M(1)输入往复运动的动力Na，，则可以从全周齿轮B(5)、C(6)分别输出旋转运动的动力Ne，反之，若从全周齿轮B(5)、C(6)分别输入旋转运动的动力Na，则从齿条M(1)得到往复运动的动力Ne，构成往复运动与旋转运动的互换。而且可以从齿条M(1)左、右输入，从全周齿轮B(5)、C(6)任一轮输出，也可以从全周齿轮B(5)、C(6)任一轮输入，从齿条M(1)左右输出。本机构适用的范围很宽。它们通过轴承组装于箱体中使用，可以取代曲轴连杆机构应用于内燃机，也可以与减速箱、变速箱组合在一起使用。本机构轮齿的模数相同，按照传递功率的大小进行选择。本机构一般采用易于制造的直齿园柱齿轮，也可以视负荷大小，动力需要采用斜齿园柱齿轮，或齿条人字齿轮。

图2所示为缓冲器的结构与作用，本缓冲器由气柱塞(16)、油柱塞(17)、气缸底面与气柱塞(16)端面间的复位弹簧(18)、油柱塞(17)置于油缸(19)内、油缸体通过螺钉(27)安装固定在缓冲气体内、油缸底面与油柱端面间设有刚度较大的反拨弹簧(20)及缓冲器体(21)等另件构成；其作用是：赋有往复运动质量的齿条M(1)在死点前与气柱塞(16)相接触后，气柱塞(16)封闭气缸(17)的通气口(22)，缸内气体和复位弹簧(18)受压缩，气压增高，气压力与复位弹簧(18)的弹性力使齿条M(1)与缓冲器(11)成柔性接触(锤打在弹簧上)，以减少接触冲击力；气缸气体受压缩到一定数值，大于油柱塞(17)阻力时，气缸体即油柱塞(17)被推动，油柱塞(17)压缩反拨弹簧(20)向油缸(19)内方移动，缸壁油口(23)成为排油口，排油阻力成为液压缓冲力，排油口(23)被油柱塞(17)顺序地由大到小逐一封闭，使排油阻力逐渐上升，从而使反力由小到大，它与反拨弹簧(20)压缩量增加的阻力增加值共同缓冲往复件质量匀速运动在死点停止由负加速度(-a)产生的惯性冲击力，到近死点时油缸最后最小的排油口(23)被封闭，阻力升到最大受可调压力阀(24)控制值，以缓冲往复件惯性力所需的阻力值。当齿条M(1)到死点后，另一折返半周齿轮B(3)或C(4)与介齿轮A(2)啮合进入干扰位(失去原方向的作用力)时，反拨弹簧(20)，气缸中高压气体的膨胀力及复位弹簧(18)复原力之合力，对齿条M(1)产生加速度力，使带有往复质量的齿条M(1)得到加速度(a)，顺利升到工作速度，从而大大降低折返半周齿轮B(3)或C(4)齿轮首齿上的加速作用力。这时油缸(19)从其外围与缓冲器壳体(25)形成的油箱(21)中吸入液压油，气柱塞(16)由复位弹簧(18)推动到位后开放通气口(22)，气体缸与大气相通，整个缓冲器复位，这样周而复始，发挥齿条M(1)往复运动的缓冲作用。

图3所示为介齿轮与半周齿轮啮合线及其共轭齿形的求解，介齿轮A(2)、半周齿轮B(3)、C(4)的园心O₁(28)、O₂(29)、O₃(30)，构成等腰三角形O₁O₂＝O₁O₃介齿轮A(2)与半周齿轮B(3)相啮合于O₁O₂的中心线上节点C₁(31)，介齿轮A(2)与半周齿轮C(4)相啮合于O₁O₃的中心线上节点C₂(32)；通过节点C₁(31)、C₂(32)作两条啮合线，一条为N₁-N₂(33)，一条为n₁-n₂(34)，N₁-N₂(33)，n₁-n₂(34)应是一条重合线，其重合度是通过介齿轮A(2)的周节和轮齿的几何尺寸进行调整的；当介齿轮A(2)沿着n₁-n₂(34)移动推动半周齿轮C(4)转动时，半周齿轮B(3)沿着N₂-N₁(33)移动脱开介齿轮A(2)的啮合；反之，当介齿轮A(2)沿着N₁-N₂(33)移动推动半周齿轮B(3)转动时，半周齿轮C(4)沿着n₂-n₁(34)移动脱开介齿轮A(2)的啮合。这样，周而复始，从齿根到齿顶，从啮上到脱开，求得共轭齿形，共轭的精度愈高，运动的冲击力愈小，效率愈高。

图4所示为齿条与双联齿轮的直接组合，齿条M(1)可以与介齿轮A(2)啮合，也可以与双联齿轮的两个半周齿轮B(3)、C(4)直接组合，B(3)、C(4)的园心直线O₂(29)、O₃(30)与齿条M(1)的分度线(35)平行，齿条M(1)与半周齿轮B(3)有轮齿的半边啮合于节点C₁(31)，齿条M(1)与半周齿轮C(4)有轮齿的半边啮合于节点C₂(32)，C₁(31)到O₂(29)与C₂(32)到O₃(30)的两线平行，构成平行四边形；从齿条M(1)输入动力，即可带动半周齿轮B(3)有轮齿的半边顺时针方向旋转，同时通过全周齿轮B(5)、C(6)带动半周齿轮C(4)有轮齿的半边逆时针方向空转，当它们走完一个行程时，反过来齿条M(1)带动半周齿轮C(4)有轮齿的半边逆时针方向转动，同时通过全周齿轮C(6)、B(5)带动半周齿轮B(3)有轮齿的半边顺时针方向空转，当它们走完一个行程时，齿条M(1)与半周齿轮B(3)、C(4)有轮齿的半边均回到原来的位置，齿条M(1)为一个往复，半周齿轮B(3)、C(4)旋转一周，即可从全周齿轮B(5)、C(6)得到正、反方向的旋转运动。通过M(1)与双联齿轮B(3)、(5)与C(4)、(6)的直接组合，可以将往复运动转变为旋转运动，反过来，也可以将旋转运动转变为往复运动。这种组合形式可以省去介齿轮A(2)，但必须加长齿条M(1)，而且其啮合状况，输出入的可变性和适应性不如有介齿轮A(2)的形式。

图5所示为宝塔形介齿轮的结构与作用，为使输出的往复行程具有可调性，起到降速增矩或增速降矩，适应多级输出的需要，可将介齿轮A(2)改为一组宝塔形齿轮，这组宝塔形齿轮可根据需要选择不同的分度园半径，可由两个或多个齿轮组成；图5所示为三个齿轮(36)、(37)、(38)组成，其中有一个齿轮担负介齿轮A(2)在机构的运转，其余两个齿轮分别担负往复行程S的输出任务，齿轮(36)、(37)、(38)联结于轴F(7)，分别与齿条(39)、(40)、(41)啮合，组成梯级的输出。

图6所示为异形半周齿轮的结构与作用，半周齿轮B(3)、C(4)是旋转1周1个往复行程，也可以改成 $\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=\frac{1}{2}$ 或 $\frac{1}{8}+\frac{1}{8}+$ $\frac{1}{8}+\frac{1}{8}=\frac{1}{2}$ 的齿轮，即2个往复旋转1周或4个往复旋转1周；它们切去的轮齿与保留的轮齿相等，即切去的

轮齿与保留的轮齿相等，有轮齿的齿周＝往复行程S，它们同向安装，其往复与旋转原理均与图1中所叙述的相同；图6所示齿轮(42)、(43)为 $\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=\frac{1}{2}$ ，有齿的齿周90°＝切去齿的齿周90°；这种异形半周齿轮的作用是：(1)可以降速增矩；(2)可以将多缸体、多角度的力矩组合在一个输出轴上输出。只是有轮齿的齿周与切去轮齿的齿周分得愈小，齿轮愈大，影响体积。

Claims (4)

1，一种往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，该机构由齿条M(1)，介齿轮A(2)，双联齿轮B(3)，B(5)，C(4)，C(6)，轴F(7)，G(8)，H(9)，齿条导框(10)，缓冲器(11)以及轴承，箱体构成；其特征是：齿条M(1)安装在导框(10)上，导框(10)的端头和中部两侧安装有缓冲器(11)；齿条M(1)与介齿轮A(2)啮合，介齿轮A(2)的周节数可以调整；介齿轮A(2)通过轴F(7)，G(8)，H(9)与双联齿轮B(3)，B(5)，C(4)，C(6)组合，A，B，C三轮的圆心O₁，O₂，O₃构成等腰三角形，O₁O₂＝O₁O₃，一对半周齿轮B(3)与C(4)和一对全周齿轮B(5)与C(6)的几何尺寸相同；半周齿轮B(3)，C(4)的分度园周长＝往复行程s×2，其齿周一半有齿轮，一半去轮齿，一对半周齿轮有轮齿的半边同向安装，介齿轮A(2)与B(3)，C(4)的半周齿轮的啮合点和脱开点均位于O₁O₂与O₁O₃的两条等腰线上；双联齿轮的全周齿轮B(5)，C(6)互相啮合于O₂O₃的中心线的中心点上；全周齿轮B(5)，C(6)的齿顶园半径应≥半周齿轮B(3)，C(4)的齿顶园半径；两个双联齿轮的中心线O₂O₃与齿条M(1)的分度线平行；齿条M(1)，介齿轮A(2)与双联齿轮的半周齿轮B(3)，C(4)处在一个平面上；上述齿轮的模数相同；一般采用直齿圆柱齿轮，也可采用斜齿圆柱齿轮或齿条人字齿轮；它们通过轴承组装于箱体中。

2，根据权利要求1所述的往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，其特征在于，其缓冲器(11)，由气柱塞(16)，油柱塞(17)，复位弹黄(18)，油缸(19)，反拨弹黄(20)，排油口(23)，调压力阀(24)，缓冲器体(21)构成。

3，根据权利要求1所述的往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，其特征在于，其介齿轮A(2)可以是一组宝塔形齿轮(36)，(37)，(38)组成。

4，根据权利要求1所述的往复运动与旋转运动齿轮式互换机构，其特征在于，其半周齿轮B(3)，C(4)可以是异形齿轮(42)，(43)为 $\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=\frac{1}{2}$ 或 $\frac{1}{8}\×4=\frac{1}{2}$ ，即两个往复＝1周或4个往复＝1周。

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