CN112610671A - 转动与往复摆动转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动与往复摆动转换装置，包括下箱体、输入轴、可旋转的设置于下箱体上的中间轴和输出轴、设置于下箱体上且对输入轴提供支撑的支撑机构、位于下箱体的内腔体中的曲柄摇杆机构以及与输入轴和中间轴连接的锥齿轮传动机构，曲柄摇杆机构包括曲柄、与曲柄转动连接的连杆和与连杆转动连接且与输出轴连接的摇杆，曲柄与中间轴的端部固定连接，连杆和中间轴分别位于曲柄的相对两侧。本发明的转动与往复摆动转换装置，将中间轴的长度缩短，将曲柄布置在中间轴的末端，使曲柄摇杆机构的运动平面既在箱体的内腔体中，又处在中间轴的延长线一侧，有效地避免了连杆与中间轴之间的运动干涉。

Description

转动与往复摆动转换装置

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，具体地说，本发明涉及一种转动与往复摆动转换装置。

背景技术

机械工程实践中，许多场合需要将连续的转动转换为往复摆动，如拖拉机的变速箱可输出连续转动，若要以变速箱为动力带动收割机割台的摆动割刀，就需要转动与往复摆动转换装置；再如破碎机的破碎执行头为往复摆动，而其动力源电动机则为连续转动，也可以配置转动与往复摆动转换装置。

现有的转动与往复摆动转换装置存在如下的缺陷：

(1)装配时，圆锥齿轮的正确啮合位置难以通过调试予以保证；

(2)对曲柄摇杆机构的连杆与曲柄之间的运动构件干涉问题，通常采用将曲柄设计为曲轴的形式，增加了制造、装配和维修的复杂性；

(3)摆动运动输出的摆角与曲柄摇杆机构杆长配置长期以来依赖经验，缺乏量化的设计依据。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种转动与往复摆动转换装置，目的是避免运动构件发生干涉。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：转动与往复摆动转换装置，包括下箱体、输入轴、可旋转的设置于下箱体上的中间轴和输出轴、设置于下箱体上且对输入轴提供支撑的支撑机构、位于下箱体的内腔体中的曲柄摇杆机构以及与输入轴和中间轴连接的锥齿轮传动机构，曲柄摇杆机构包括曲柄、与曲柄转动连接的连杆和与连杆转动连接且与输出轴连接的摇杆，曲柄与中间轴的端部固定连接，连杆和中间轴分别位于曲柄的相对两侧。

所述下箱体的内腔体中设置轴承座，所述中间轴通过两个第一轴承安装在轴承座和下箱体上，所述曲柄摇杆机构和锥齿轮传动机构分别位于轴承座的相对两侧。

所述支撑机构包括第一半壳体、与第一半壳体连接的第二半壳体以及设置于第一半壳体和第二半壳体之间且对所述输入轴提供支撑的第二轴承和第三轴承，输入轴从第一半壳体和第二半壳体之间穿过。

所述第一半壳体通过螺钉安装在所述下箱体上，下箱体具有让第一半壳体嵌入的安装孔和让螺钉插入的内螺纹孔，第一半壳体具有让螺钉穿过的沉孔。

所述输入轴上设置用于对所述第三轴承进行限位的锁紧螺母，锁紧螺母与输入轴为螺纹连接，所述第二轴承位于所述锥齿轮传动机构的主动锥齿轮和第三轴承之间。

所述第二轴承和所述第三轴承为角接触球轴承。

所述输出轴通过两个第四轴承安装在所述下箱体上，输出轴的长度大于所述中间轴的长度，第四轴承为圆柱滚子轴承或深沟球轴承。

所述曲柄和所述摇杆处于同一运动平面中，且所述连杆与该运动平面相平行。

本发明的转动与往复摆动转换装置，将中间轴的长度缩短，将曲柄布置在中间轴的末端，使曲柄摇杆机构的运动平面既在箱体的内腔体中，又处在中间轴的延长线一侧，有效地避免了连杆与中间轴之间的运动干涉。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是本发明转动与往复摆动转换装置的结构示意图；

图2是下箱体的结构示意图；

图3是第一半壳体的结构示意图；

图4是输入轴与主动锥齿轮的结构示意图；

图5是中间轴的结构示意图；

图6是从动锥齿轮的结构示意图；

图7是曲柄的结构示意图；

图8是摆动轴的结构示意图；

图9是摇杆的结构示意图；

图10是连杆的结构示意图；

图11是通过不同的杆长配置摇杆摆角的原理图；

图中标记为：1、下箱体；101、安装孔；102、内螺纹孔；103、轴承座孔；104、轴承座；105、轴承座孔；106、轴承座孔；107、轴承座孔；2、第一半壳体；201、端面；202、通孔；203、沉孔；204、沉孔；205、沉孔；3、输入轴；301、主动锥齿轮；302、轴颈；303、轴颈；304、外螺纹；4、中间轴；401、中间轴段；402、轴颈；403、键槽；404、轴颈；405、轴颈；406、轴颈；407、键槽；408、轴颈；5、输出轴；501、中间轴段；502、轴颈；503、轴颈；504、键槽；505、轴颈；6、从动锥齿轮；601、轮齿；602、通孔；603、键槽；701、第一轴承；801、第二轴承；802、第三轴承；9、曲柄；901、通孔；902、通孔；903、键槽；10、连杆；1001、通孔；1002、通孔；11、摇杆；1101、通孔；1102、通孔；1103、键槽。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图10所示，本发明提供了一种转动与往复摆动转换装置，包括上箱体、下箱体1、输入轴3、可旋转的设置于下箱体1上的中间轴4和输出轴5、设置于下箱体1上且对输入轴3提供支撑的支撑机构、位于下箱体1的内腔体中的曲柄摇杆机构以及与输入轴3和中间轴4连接的锥齿轮传动机构，曲柄摇杆机构包括曲柄9、与曲柄9转动连接的连杆10和与连杆10转动连接且与输出轴5连接的摇杆11，曲柄9与中间轴4的端部固定连接，连杆10和中间轴4分别位于曲柄9的相对两侧。

具体地说，如图1所示，下箱体1为内部中空的箱体结构，上箱体(图中未示出)用于封闭下箱体1的顶部开口，上箱体安装在下箱体1上，中间轴4和输出轴5的轴线相平行，输入轴3的轴线与中间轴4和输出轴5的轴线相垂直，中间轴4位于输入轴3和输出轴5之间。中间轴4的长度小于输出轴5的长度，曲柄9的长度方向上的一端与中间轴4的长度方向上的一端固定连接，曲柄9的长度方向上的另一端与连杆10的长度方向上的一端转动连接，连杆10的长度方向上的另一端与摇杆11的一端转动连接，摇杆11的另一端与输出轴5固定连接。曲柄9和摇杆11处于同一运动平面中，且连杆10的长度方向与该运动平面相平行。锥齿轮传动机构包括相啮合的主动锥齿轮和从动锥齿轮6，主动锥齿轮与输入轴3的一端固定连接，输入轴3的另一端与动力源连接，从动锥齿轮6与中间轴4固定连接且从动锥齿轮6位于中间轴4的长度方向上的两端之间的位置处，下箱体1的内腔体中设置轴承座104，中间轴4通过两个第一轴承701安装在轴承座104和下箱体1上，曲柄9和从动锥齿轮6分别位于轴承座104的相对两侧。下箱体1的顶面上设置让其中一个第一轴承701嵌入的轴承座孔103，轴承座的顶面上设置让另一个第一轴承701嵌入的轴承座孔105，轴承座孔103和轴承座孔105均为半圆形孔，轴承座的顶面上设置上盖，上盖具有让个第一轴承701嵌入的轴承座孔，上盖的轴承座孔与轴承座孔105为同轴孔，上箱体上也设置让第一轴承701嵌入的轴承座孔，上箱体上的轴承座孔与轴承座孔103为同轴孔。通过在下箱体1的内部空腔设置轴承座104，同时，将轴承座孔105设置为剖分式结构，从而，将中间轴4的长度缩短，并将中间轴4布置在轴承座孔103与轴承座孔105之间，而曲柄9布置在中间轴4的末端，使曲柄摇杆机构的运动平面既在下箱体1的空腔中，又处在中间轴4的延长线一侧，有效地避免了连杆10与中间轴4之间的运动干涉。

如图1至图4所示，支撑机构包括第一半壳体2、与第一半壳体2连接的第二半壳体(图中未示出)以及设置于第一半壳体2和第二半壳体之间且对输入轴3提供支撑的第二轴承801和第三轴承802，输入轴3从第一半壳体2和第二半壳体之间穿过。第一半壳体2通过螺钉安装在下箱体1上，下箱体1具有让第一半壳体2嵌入的安装孔101和让螺钉插入的内螺纹孔，第一半壳体2具有让螺钉穿过的沉孔205。安装孔101为在下箱体1的顶面上设置的半圆形孔，安装孔101的轴线与输入轴3的轴线相平行，内螺纹孔为沿安装孔101的径向朝向下箱体1的内部延伸。第一半壳体2和第二半壳体均为半圆弧形结构，第一半壳体2的外直径与安装孔101的直径大小相同，第一半壳体2和第二半壳体为同轴设置且第一半壳体2和第二半壳体通过螺栓固定连接，形成的壳体为剖分式结构。第一半壳体2和第二半壳体的长度大小相同，第一半壳体2的中心处为让输入轴3穿过的通孔202，第二半壳体的中心处也为让输入轴3穿过的通孔，第一半壳体2和第二半壳体的中心处的通孔为同轴孔。第一半壳体2的长度方向上的一端设置让第二轴承801嵌入的沉孔203，第一半壳体2的长度方向上的另一端设置让第三轴承802嵌入的沉孔204，通孔202位于沉孔203和沉孔204之间，沉孔203和沉孔204的直径大于通孔202的直径。第二半壳体的长度方向上的两端分别设置有让第二轴承801和第三轴承802嵌入的沉孔，第二半壳体的长度方向上的两端设置的沉孔分别与第一半壳体2上的沉孔203和沉孔204对齐且同轴。

如图1和图4所示，输入轴3上设置锁紧螺母，锁紧螺母与输入轴3为螺纹连接，锁紧螺母用于对第三轴承802进行限位，锁紧螺母与输入轴3为螺纹连接，第二轴承801位于锥齿轮传动机构的主动锥齿轮和第三轴承802之间。第二轴承801安装在输入轴3的轴颈302上，第三轴承802安装在输入轴3的轴颈303上，输入轴3的外圆面上设置于锁紧螺母为螺纹连接的外螺纹304，轴颈303位于轴颈302和外螺纹304之间，轴颈302的直径大于轴颈303的直径，主动锥齿轮与轴颈302固定连接。因输入轴3为高速轴且同时承受径向力和轴向力，第二轴承801和第三轴承802为角接触球轴承；并且在输入轴3上安装锁紧螺母，锁紧螺母为圆螺母，其可以用于在输入轴3的轴向上对第三轴承802的内圈起到限位作用。箱体和壳体采用剖分式结构，并在锁紧螺母与第三轴承802的内圈之间设置第一垫片，第一垫片夹在锁紧螺母和第三轴承802的内圈之间，下箱体1上设置用于对中间轴4进行轴向限位的端盖，该端盖与位于轴承座孔103中的第一轴承701的外圈之间设置第二垫片，第一垫片和第二垫片具有厚度大小不同的多种型号。因此，通过在锁紧螺母与第三轴承802以及在第一轴承701的外圈与端盖之间设置垫片调整，以便于主动锥齿轮与从动锥齿轮6正确啮合位置的调试，解决了空间齿轮正确啮合位置难以通过调试予以保证的技术难题。

如图1和图5所示，中间轴4的中间轴段401直径最大，往两端直径逐渐变小。中间轴4的轴径402上开有键槽403，用于实现从动锥齿轮6相对于中间轴4的周向固定，以传递扭矩；中间轴4的轴径404用于安装第一轴承701的内圈，安装时，第一轴承701的外圈落在轴承座孔103中；中间轴4的轴径405用于安装另一个第一轴承701的内圈，安装时，第一轴承701的外圈落在轴承座孔105中。因中间轴4为低速轴且同时承受径向力和轴向力，此处第一轴承701为圆锥滚子轴承；轴径406上开有键槽407，用于实现曲柄9相对于中间轴4的周向固定以传递扭矩；中间轴4的轴径408上设有外螺纹，用于安装圆螺母，以轴向固定曲柄9的外端面。

如图1和图6所示，从动锥齿轮6上加工有轮齿601，沿中心线开有通孔602，其一端设有键槽603。从动锥齿轮6安装到中间轴4上时，通孔602与轴径402为过盈配合，并通过键、键槽603和键槽403形成周向固定。

如图1所示，装配时，将输入轴3通过第二轴承801和第三轴承802安装在第一半壳体2上，再将中间轴4通过两个第一轴承701安装在下箱体1和轴承座上，将上盖盖合在轴承座上，然后将第一垫片安装在输入轴3上，将第二垫片安装在中间轴4上，调整主动锥齿轮与从动锥齿轮6之间的啮合位置，调整完成后，再将第二半壳体盖合在第一半壳体2上。

如图1和图7所示，曲柄9为矩形截面的杆状结构，曲柄9的两端为半圆形结构，曲柄9的两端均设置圆柱形的通孔901和902；通孔901的外端设有键槽903；曲柄9安装到中间轴4上时，通孔901与轴径406为过盈配合，且通过键与键槽903、键槽407实现曲柄9相对于中间轴4的周向固定。

如图1和图8所示，输出轴5通过两个第四轴承安装在下箱体1上，输出轴5的长度大于中间轴4的长度，第四轴承为圆柱滚子轴承或深沟球轴承。输出轴5的中间轴段501直径最大，往两端直径依次减小。输出轴5的轴径502用于安装一个第四轴承，输出轴5的轴径505用于安装另一个第四轴承；输出轴5的轴径503的外端设有键槽504，用于实现摇杆11与输出轴5的周向固定，以传递扭矩。

如图1和图9所示，摇杆11为矩形截面的杆状结构，两端为半圆形结构，摇杆11的两端各开有圆柱形的通孔1101和1102；通孔1101的外端设有键槽1103；摇杆11安装到输出轴5上时，通孔1101与轴径503为过盈配合，且通过键与键槽504、键槽1103实现摇杆11相对于输出轴5的周向固定。

安装时，第四轴承的内圈与轴径502为过盈配合，该第四轴承的外圈落在上箱体的顶面上设置的轴承座座孔106中；另一个第四轴承的内圈与轴径505为过盈配合，该第四轴承的外圈落在上箱体的顶面上设置的轴承座座孔107中。因输出轴5为低速摆动轴且仅承受径向力，第四轴承选择圆柱滚子轴承或深沟球轴承。

如图1和图10所示，连杆10为矩形截面的杆状结构，两端为半圆形结构，连杆10的两端各开有圆柱形的通孔1001和1002。

如图1所示，曲柄摇杆机构安装时，须确保曲柄9与摇杆11在同一运动平面中，且连杆10的运动平面与之平行，连杆10在通孔1001和通孔902处与曲柄9实现铰链连接；连杆10在通孔1002和通孔1102处与摇杆11实现铰链连接。

如图1所示，将输入轴3及其轴上零件装配完成，将中间轴4及其轴上零件装配完成，将输出轴5及其轴上零件装配完成，再将上箱盖盖合在下箱体1上。

如图1所示，输入轴3可通过联轴器直接与动力源相连接，亦可在轴端装配带轮后，将动力接入。通过主动锥齿轮与从动锥齿轮6的啮合将输入轴3的整周转动变换为曲柄9的整周转动，进而通过连杆10和摇杆11又将曲柄9的整周转动转换为输出轴5的往复转动，输出轴5的输出端可用于连接摆动执行系统。

如图1、图7、图9、图10和图11所示，曲柄的两端的通孔901的中心和通孔902的中心之间的距离为曲柄的长度，曲柄的长度记为L₁；

中间轴4与输出轴5两轴线之间的距离为机架杆的杆长，机架杆的长度记为L₄；

连杆的两端的通孔1001的中心和通孔1002的中心之间的距离为连杆的长度，连杆的长度记为L₂；

摇杆的两端的通孔1101的中心和通孔1102的中心之间的距离为摇杆的长度，摇杆的长度记为L₃。

记曲柄的两端的通孔901和通孔902的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为A，B；中间轴4和输出轴5的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为A，D；连杆两端的通孔1001和通孔1002的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为B，C；摇杆两端的通孔1101和通孔1102的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为D，C。则：四杆机构ABCD的杆长分别为：AB＝L₁；BC＝L₂；CD＝L₃；AD＝L₄。

其核心设计技术在于，可通过四杆机构ABCD的杆长配置得到不同的摆动摇杆摆幅(摆角)，现将通过杆长配置得到不同的摆动摇杆摆角的方法简述如下。

如图11所示，以曲柄AB(杆长记为L₁)为最短杆(曲柄AB的长度小于连杆BC、摇杆CD、机架杆AD的长度)，以直线AD(杆长记为L₄)为机架杆，曲柄AB整周旋转使摇杆CD做往复摆动运动，设摇杆CD的工作行程与回程的平均速度比为K；

如图11所示，将曲柄AB与连杆BC拉直共线时，形成直线AB₂C₂，此时曲柄的两端的通孔901和通孔902的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为A，B₂，连杆两端的通孔1001和通孔1002的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为B₂，C₂；将曲柄AB与连杆BC重叠共线时，形成直线B₁AC₁，此时曲柄的两端的通孔901和通孔902的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为A，B₁，连杆两端的通孔1001和通孔1002的轴线与曲柄摇杆机构的运动平面的交点分别为B₁，C₁；直线AB₂C₂与直线B₁AC₁之间的夹角记为θ，摇杆的往复摆角记为ψ，则：

θ＝180°·(K-1)/(K+1) (1)

在不同条件下，各杆长应满足下列条件：

(1)若机架杆AD(杆长记为L₄)为最长杆(即机架杆AD的长度大于曲柄AB、连杆BC、摇杆CD的长度)，则：

L₁+L₄≤L₂+L₃ (2)

(2)若连杆BC(杆长记为L₂)为最长杆(即连杆BC的长度大于曲柄AB、机架杆AD、摇杆CD的长度)，则：

L₁+L₂≤L₄+L₃ (3)

(3)若摇杆CD(杆长记为L₃)为最长杆(即摇杆CD的长度大于曲柄AB、机架杆AD、连杆BC的长度)，则：

L₁+L₃≤L₂+L₄ (4)

如图11所示，在ΔC₁C₂D和ΔC₁C₂A中，由余弦定理计算C₁C₂ ²得：

将式(5)整理，可得：

代入式(1)，在摇杆CD工作行程与回程的平均速度比K选定的前提下，摇杆摆角与各杆长之间关系满足式(7)：

摇杆CD的工作行程与回程的平均速度比K＝1时的实施例：

(1)AD(杆长记为L₄)为最长杆，杆长须满足下列条件：

L₁+L₄≤L₂+L₃ (8)

由式(7)可知摇杆摆角的最大值和摆角调整范围如下：

(a)增大L₂，减小L₃。使L₁＝L₃，L₂＝L₄，可得摇杆最大摆角ψ＝180°。

(b)而增大L₃，使L₁＜L₃＜L₄，可得在大于0°而小于180°范围内的摇杆摆角ψ＝2arcsin(L₁/L₃)。

(2)BC(杆长记为L₂)为最长杆，杆长须满足下列条件：

L₁+L₂≤L₄+L₃ (9)

由式(7)可知摇杆摆角的最大值和摆角调整范围如下：

(a)增大L₄，减小L₃。使L₁＝L₃，L₂＝L₄，可得摇杆最大摆角ψ＝180°。

(b)增大L₃，使L₁＜L₃＜L₄，可得在大于0°而小于180°范围内的摇杆摆角ψ＝2arcsin(L₁/L₃)。

(3)摇杆CD(杆长记为L₃)为最长杆，杆长须满足下列条件：

L₁+L₃≤L₂+L₄ (10)

由式(7)可知摇杆摆角的最大值和摆角调整范围如下：

(a)仅当ABCD为菱形时，即L₁＝L₂＝L₃＝L₄时，可得摇杆最大摆角ψ＝180°。

(b)当ABCD不是菱形时，可得在大于0°而小于180°范围内的摇杆摆角ψ＝2arcsin(L₁/L₃)。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.转动与往复摆动转换装置，其特征在于：包括下箱体、输入轴、可旋转的设置于下箱体上的中间轴和输出轴、设置于下箱体上且对输入轴提供支撑的支撑机构、位于下箱体的内腔体中的曲柄摇杆机构以及与输入轴和中间轴连接的锥齿轮传动机构，曲柄摇杆机构包括曲柄、与曲柄转动连接的连杆和与连杆转动连接且与输出轴连接的摇杆，曲柄与中间轴的端部固定连接，连杆和中间轴分别位于曲柄的相对两侧。

2.根据权利要求1所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述下箱体的内腔体中设置轴承座，所述中间轴通过两个第一轴承安装在轴承座和下箱体上，所述曲柄摇杆机构和锥齿轮传动机构分别位于轴承座的相对两侧。

3.根据权利要求1所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述支撑机构包括第一半壳体、与第一半壳体连接的第二半壳体以及设置于第一半壳体和第二半壳体之间且对所述输入轴提供支撑的第二轴承和第三轴承，输入轴从第一半壳体和第二半壳体之间穿过。

4.根据权利要求3所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述第一半壳体通过螺钉安装在所述下箱体上，下箱体具有让第一半壳体嵌入的安装孔和让螺钉插入的内螺纹孔，第一半壳体具有让螺钉穿过的沉孔。

5.根据权利要求3或4所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述输入轴上设置用于对所述第三轴承进行限位的锁紧螺母，锁紧螺母与输入轴为螺纹连接，所述第二轴承位于所述锥齿轮传动机构的主动锥齿轮和第三轴承之间。

6.根据权利要求3或4所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述第二轴承和所述第三轴承为角接触球轴承。

7.根据权利要求1至6任一所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述输出轴通过两个第四轴承安装在所述下箱体上，输出轴的长度大于所述中间轴的长度，第四轴承为圆柱滚子轴承或深沟球轴承。

8.根据权利要求1至7任一所述的转动与往复摆动转换装置，其特征在于：所述曲柄和所述摇杆处于同一运动平面中，且所述连杆与该运动平面相平行。

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