CN1464209A - 一种实现直线/旋转运动互换的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实现直线/旋转运动互换的方法和装置。为克服现有技术中此类装置效率低、成本高、工艺复杂的缺点，本发明设计了一种两面带齿的齿条与一种仅在部分圆周上有齿的半齿轮，通过半齿轮轮齿与双面齿条不同面上齿牙的交替啮合，实现往复直线运动与持续同向旋转运动的相互转换。本发明适用于需将直线与旋转运动进行互换的各类装置(如取代汽车、轮船、活塞式飞机发动机中的连杆与曲轴)，具有效率高，成本低、传动可靠的特点。

Description

一种实现直线/旋转运动互换的方法与装置

(一)技术领域：

本发明是一种机械运动的转换装置。具体的说，是一种往复直线运动与旋转运动相互转换的装置。

(二)背景技术：

现有机械运动中，将往复直线运动转换成为旋转运动的装置主要有：齿条—齿轮传动装置和连杆—曲轴装置。

在齿条—齿轮传动装置中，利用齿条的直线运动，带动齿轮的旋转，将直线运动转化成为旋转运动。这种传动装置结构紧凑可靠，齿条直线运动所做的功，除摩擦和驱动附件的损失外，都有效地转化为齿轮旋转所需的功，故传动效率高是其突出的优点。但由于齿条不可能无限的长，因此它不可能推动齿轮做持续性的同向旋转运动，而是带动齿轮时而顺时针旋转，时而逆时针旋转，这又是其致命的缺点。

连杆—曲轴传动是目前被广泛采用的传动装置。以发动机为例，几乎现有的各类发动机都采用这种传动装置，以将发动机活塞的往复直线运动转换成曲轴的旋转运动。这种传动装置克服了齿条—齿轮机构不能使齿轮做持续性同向旋转的缺点。但是，由于作用在活塞上的正压力的合力只有部分分力传给连杆，而连杆用来推动曲轴做旋转运动的也只是作用其上的部分分力、并且力臂不断改变、汽缸臂与活塞之间有侧压力的原因，使得活塞直线运动所做的功不能直接、有效的转化成驱动曲轴旋转所需的功。功耗大、效率低，以及结构不紧凑、体积大、重量重和由此而产生的工艺复杂、成本高，成为该种传动装置的不足之处。

(三)发明内容：

为了克服上述齿条—齿轮传动装置中存在的不能推动齿轮持续同向旋转的缺点以及连杆—曲轴传动装置中效率低、体积大和工艺复杂、成本高的不足之处，本发明提出了一种可将往复直线运动转化为持续同向旋转运动，亦可将持续同向旋转运动转换为往复直线运动的互换方法和装置。

为实现发明的目的，本发明设计了一种特殊的齿条和齿轮，其特点是该齿条为双面齿条，即齿条的两侧面都有齿，并且既可以是两外侧有齿的双外齿条，也可以是两内侧有齿的双内齿条；而齿轮为一种半齿轮，即只在齿轮的部分园周上有齿，通常轮齿的分布角α的取值范围在80°～160°之间。通过双面齿条和半齿轮有序、交替的啮合，以实现本发明的目的。即在以齿条作为主动件做往复直线运动时，通过其不同侧面上的齿牙与半齿轮的交替啮合，将齿条的往复直线运动转换成半齿轮的持续同向旋转运动；或以半齿轮作为主动件做持续同向旋转运动时，半齿轮的持续同向旋转运动。

二是用一个两外侧都有齿的齿条，即双外齿条[5]，与一对半齿轮[3][4]相配合，并通过由齿轮[6][7][8]组成的协调齿轮组，将两个半齿轮[3][4]联成一个整体，使两个半齿轮如同一个半齿轮那样，交替地与双面齿条不同侧面上的齿牙[22][23]啮合，从而实现本发明的目的。

本发明适用于需将往复直线运动与旋转运动进行互换的各类装置，特别是用于取代现有汽车、轮船、活塞式飞机等各类发动机中的连杆与曲轴。由于本发明的运动转换装置中，无中间的过渡传力零、构件，运动的转换直接，全部主动力都可用来做有用功，消除了活塞与汽缸壁之间的侧压力，故可减少构件间的摩擦损失，延长活塞与汽缸的寿命，大大提高运动的转换效率，节约能源和原材料，降低成本，而且运动的转换安全可靠。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1是具有双外齿条的直线/旋转运动互换装置的结构示意图；

图2是双外齿条的结构示意图；

图3是半齿轮的结构示意图；

图4是协调齿轮组工作示意图；

图5是双外齿条—半齿轮工作示意图；

图6是四汽缸发动机中双外齿条—半齿轮结构示意图；

图7是双内齿条的结构示意图；

图8是双内齿条—半齿轮工作示意图；

图9是具有双内齿条的直线/旋转运动互换装置的结构示意图。

实施例一：

本实施例是一个用于代替双汽缸发动机连杆一曲轴的具有双内齿条的直线/旋转运动互换装置，主要由主轴[1]、半齿轮[3]、双内齿条[24]、箱盖[11]、箱座[12]、飞轮[16]和传动齿轮[17]组成。

双内齿条[24]是一种特制的矩形环形齿条，其齿牙[22][23]分布在齿条中央两内侧面，每侧8个齿，齿距P＝17.28mm，总长L＝752mm，左右往复运动的距离为152mm，宽度B＝40mm，全高H＝170mm；有齿部分断面高＝30mm(不含齿高)。为保证齿条[24]与半齿轮[3]能很好地啮合，取模数M为5.5，齿顶高h′＝4.5mm，齿根高h″＝5.5mm。齿条[24]的两端有单耳[18][19]，与发动机活塞上特制的双耳铰接，以传递活塞的往复直线运动。

本实施例的齿顶角β＝110°，并且齿条两侧齿牙[22][23]所对应的中心线之间有1.5mm的错位，以利于齿条齿牙与半齿轮轮齿在左、右极点处能顺利地进行切入与脱出的转换。

齿轮[3]是一种非标准直齿圆柱齿轮，其几何参数为：分度圆直径D＝99mm，模数M为5.5，齿顶高h′＝4.5mm，齿根高h″＝5.5mm，D_顶＝D+2h′＝108mm，D_根＝D-2h″＝88mm，齿距P＝πm＝17.28mm；分度圆齿厚S＝P/2＝8.64mm，齿顶角β＝110°，工作齿分布角α＝120°，每20°一个齿，故半齿轮的齿数是7。其他参数的计算均与标准直齿圆柱齿轮相同。在未分布轮齿的外廓，其直径比齿根圆直径小3mm，以使半齿轮无齿部分与齿条齿牙间有必要的间隙。半齿轮[3]及齿条[24]的齿宽为20mm，材料均选用40#钢。装置，主要由主轴1、半齿轮3、双内齿条24、箱盖11、箱座12、飞轮16和传动齿轮17组成。

双内齿条24是一种特制的矩形环形齿条，其齿牙22、23分布在齿条中央两内侧面，每侧8个齿，齿距P＝17.28mm，总长L＝752mm，左右往复运动的距离为152mm，宽度B＝40mm，全高H＝170mm；有齿部分断面高＝30mm(不含齿高)。为保证齿条24与半齿轮3能很好地啮合，取模数M为5.5，齿顶高h′＝4.5mm，齿根高h″＝5.5mm。齿条24的两端有单耳18、19，与发动机活塞上特制的双耳铰接，以传递活塞的往复直线运动。

本实施例的齿顶角β＝110°，并且齿条两侧齿牙2223所对应的中心线之间有1.5mm的错位，以利于齿条齿牙与半齿轮轮齿在左、右极点处能顺利地进行切入与脱出的转换。

齿轮3是一种非标准直齿圆柱齿轮，其几何参数为：分度圆直径D＝99mm，模数M为5.5，齿顶高h′＝4.5mm，齿根高h″＝5.5mm，D_顶＝D+2h′＝108mm，D_根＝D-2h″＝88mm，齿距P＝πm＝17.28mm；分度圆齿厚S＝P/2＝8.64mm，齿顶角β＝110°，工作齿分布角α＝120°，每20°一个齿，故半齿轮的齿数是7。其他参数的计算均与标准直齿圆柱齿轮相同。在未分布轮齿的外廓，其直径比齿根圆直径小3mm，以使半齿轮无齿部分与齿条齿牙间有必要的间隙。半齿轮3及齿条24的齿宽为20mm，材料均选用40#钢。

飞轮16：本实施例中，飞轮16的外廓直径为250mm，质量＝7.5kg，为铸铁材料。

传动齿轮17：该传动齿轮17是分度圆直径D＝99mm，模数M为5.5的标准直齿圆柱齿轮，齿顶高h′＝5.5mm，齿根高h″＝6.88mm，全齿高＝12.38mm，D_顶＝110mm，D_根＝85.24mm，齿距P＝17.28mm，分度圆齿厚S＝8.64mm。材料为40#钢。

主轴1：用45#钢制成，全长L＝240mm，最小直径D＝30mm。

机箱：材料HT200，由箱盖11和箱座12组成。在箱座两侧壁上有与齿条24横断面形状相似的安装槽25及供齿条在其中做往复直线运动的滑道26。在箱座底板和前盖上有转轴1的轴承座。机箱的最大外廓尺寸为240×160×146mm。

现对本实施例的结构关系和装配过程做一详细描述：

装配时，应先选定半齿轮的旋转方向。本实施例选定半齿轮的旋转方向为逆时针旋转。其装配过程为：

将齿条24置于箱座12两侧壁安装槽25的滑道26中，使双内齿条24处于其一侧齿牙22的中心线位于另一侧齿牙23的中心线偏左1.5mm的位置，再将主轴1装入箱底板的轴承后，先将半齿轮3与主轴键接，再将主轴装入前盖的轴承中，然后将前盖固定在机箱上，最后将飞轮16和传动齿轮17于箱外与主轴1相连接。应注意的是，在将半齿轮3与主轴1键接前，应先将双内齿条24推至右极点处，键接后，将半齿轮旋3转到其轮齿切入双内齿条24的齿牙23，脱出齿牙22的位置，并确保上述位置不变时，再将主轴1装入前盖的轴衬中。全部装好后，当推动双内齿条24向左运动时，应能顺畅地推动半齿轮3逆时针旋转。否则应重新安装。

工作中，当双内齿条24右行时，齿牙22与半齿轮3的轮齿啮合，使之逆时针旋转。当齿条右行至最右端(右极点)处，半齿轮3轮齿在与齿牙22脱离(脱出)的同时，进入与齿牙23的啮合(切入)状态。这样，当齿条24在右极点处由右行变成左行时，该齿条的齿牙23与半齿轮3轮齿的啮合使半齿轮继续逆时针旋转。待齿条24行至最左端(左极点)处时，半齿轮3轮齿在与齿牙23脱离的同时，重新与齿牙22啮合，当齿条24在左极点处由左行变成右行时，便继续推动半齿轮3逆时针旋转。上述过程的不断重复，便实现了将齿条24的往复直线运动转换为半齿轮的持续同向旋转运动。该旋转运动经与半齿轮同轴的传动齿轮17向外传出。

实施例二：

本实施例是一个用于代替四汽缸发动机连杆——曲轴装置的、具有双外齿条的直线/旋转运动互换装置。主要由主轴12、两组半齿轮34和13、15、两个双外齿条5和14、协调齿轮组6和7和8、小轴9、前小盖10、机箱前盖11、箱座12和传动齿轮17组成。

齿条：双外齿条5和14是一种特制的齿条，齿牙22和23分布在齿条中央两外侧，每面8个齿，齿距P＝15.71mm，总长456mm，左右往复运动的距离为148mm，宽度B＝40mm，高度H＝26mm；为保证齿条5、14能分别与半齿轮3、4和13、15很好地啮合，取模数M为5，齿顶高h′＝5.96mm，齿根高h″＝7mm。齿条5、14的两端有单耳18、19，与发动机活塞上特制的双耳相铰接，传递活塞的往复直线运动。

半齿轮：两对齿轮3、4和13、15是一种非标准直齿圆柱齿轮，其几何参数为；分度圆直径D＝100mm，模数M为5，齿顶高h′＝5.96mm，齿根高h″＝7mm，D_顶＝D+2h′＝111.92mm，D_根＝D-2h″＝86mm，齿距P＝πm＝15.71mm；分度圆齿厚S＝P/2＝7.85mm，工作齿分布角α＝108°，每18°一个齿，故每个半齿轮都是7个齿。其他参数的计算均与标准直齿圆柱齿轮相同。在未分布轮齿的外廓，其直径比齿根圆直径小3mm，以使半齿轮进入非工作状态后与齿条之间有必要的间隙。半齿轮3、4和13、15及齿条5和14的齿宽均为20mm，材料均选用40#钢。

协调齿轮组：由三个材料为40#钢的完全相同的标准直齿圆柱齿轮6、7、8组成。齿轮组外侧两个齿轮6、8的中心距OO′＝140mm，因此其分度圆直径D＝70mm，取模数M＝5，(其他参数同标准直齿圆柱齿轮)，h′＝5mm，h″＝6.25mm，h＝11.25mm，D_顶＝80mm，D_根＝57.5mm，齿距P＝15.71mm，分度圆齿厚S＝7.85mm。

传动齿轮17：该传动齿轮17是分度圆直径D＝99mm，模数M为5.5的标准直齿圆柱齿轮，齿顶高h′＝5.5mm，齿根高h″＝6.88mm，全齿高＝12.38mm，D_顶＝110mm，D_根＝85.24mm，齿距P＝17.28mm，分度圆齿厚S＝8.64mm。材料为40#钢。

主轴1和2：用45号钢，全长L＝450mm，最小直径为32mm。

小轴9：全长120mm，最小直径32mm。材料选用45#钢。

前小盖10：材料为HT200。固定在机箱前盖11上，其上有支撑小轴9的轴承座。

机箱：材料HT200，由箱盖11和箱座12组成。在箱座两侧壁上有与齿条5和14横断面形状相似的安装孔20及供齿条在其中做往复直线运动的滑道21。在箱座底板和前盖上有转轴12的轴承座，前盖上在两个转轴轴承的中间还有一个小轴9的轴承座。机箱的最大外廓尺寸为340×200×226mm。

现对本实施例的结构关系和装配过程做一详细描述：

装配时，应先选定半齿轮的旋转方向。本实施例选定半齿轮的旋转方向为顺时针旋转。其装配过程为：

将齿条5、14安装在箱座12两侧壁安装孔20的滑道21中，并使其处于右极点位置；主轴1、2分别装入机箱和前盖对应的轴承中，半齿轮3、13和4、15分别装在两个主轴1、2上，并分别与齿条5、14相啮合；将半齿轮3和13的轮齿分别处于切入双外齿条5、14上侧齿牙23位置，而半齿轮4、15的轮齿分别处于脱出齿牙22的位置，并在整个安装过程中确保上述位置不变。齿轮组中的齿轮8在机箱前盖外与主轴1键接，齿轮7键接在支撑该齿轮的小轴9上，齿轮6在机箱前盖外与主轴2键接；齿条5、14两端有连接耳片，分别与发动机中活塞上特制的双耳片铰接；传动齿轮17在机箱外与主轴连接，其个数和安装位置，根据需要确定，其作用是将主轴的持续同向旋转运动经由传动齿轮17向外输出，从而实现本发明的全部目的。

工作中，双外齿条5、14以及半齿轮组3、4和13、15，在由齿轮6、7、8组成的齿轮组的配合下，成为一个相互协调的有机整体：当齿条5向右行时，齿牙22与半齿轮4的轮齿啮合，使之顺时针旋转，同时，半齿轮3与齿牙23处于非啮合状态；当齿条5右行至最右端(右极点)处，半齿轮4的轮齿与齿牙22脱离(脱出)的同时，齿牙23进入与半齿轮3轮齿的啮合(切入)状态，这样，当齿条5由右行变为左行时，齿牙23与半齿轮3处于啮合，而半齿轮4与齿牙22处于非啮合状态，故使半齿轮继续顺时针旋转。

当半齿轮组3、4在齿条5所做的往复直线运动的推动下，依次轮流进入啮合状态和非啮合状态时，另外两个半齿轮13、15在齿条14的推动下，也同步依次轮流进入啮合状态和非啮合状态，而且在由齿轮6、7、8组成的齿轮组的作用下，当齿条5和14分别推动处于啮合状态的半齿轮3和13或4和15旋转时，另两个处于非啮合状态的半齿轮4和15或3和13也做同步同向旋转运动。这样，分别与半齿轮3、13和4、15键接的两个主轴1和2就都做持续性的同步同向旋转运动，并将该旋转运动经由与主轴键接的传动齿轮17输出。从而实现了往复直线运动与持续同向旋转运动的转换。

Claims (5)

1.一种利用齿轮与齿条实现直线/旋转运动互换的方法，其特征是通过齿轮与齿条的有序、交替啮合实现往复直线运动与持续同向旋转运动之间的相互转换。

2.一种为实现权利要求1所述直线/旋转运动互换方法而设计的装置，主要有齿轮(3)、(4)和(13)(15)、齿条(5)、(14)和(24)、主轴(1)、(2)、机箱(12)、飞轮(16)、传动齿轮(17)组成，其特征是：

a.装置中的齿轮(3)、(4)和(13)(15)为一种轮齿分布角α的取值范围在80°～160°之间的半齿轮：

b.装置中的齿条(5)(14)和(24)为一种两侧面均有齿的双面齿条，齿牙(22)、(23)可以是分布在齿条两外侧的双外齿条(5)、(14)，亦可以是分布在齿条两内侧的双内齿条(24)。

3.如权利要求1所述的实现直线/旋转运动互换的方法，其特征是实现互换的过程为：

当双面齿条右行时，其一侧齿牙(22)与半齿轮的轮齿啮合，使半齿轮向某个设定的方向旋转；

当齿条右行至最右端(右极点)处，半齿轮轮齿脱离(脱出)与齿条齿牙(22)的啮合，同时与齿条的另一侧齿牙(23)进入啮合(切入)状态，并且齿条的运动方向改为左行；

当齿条行至最左端(左极点)处时，半齿轮轮齿脱离(脱出)与齿条齿牙(23)的啮合，重新与齿牙(22)啮合，并且齿条由左行改为右行；

在齿条的齿牙(22)、(23)和半齿轮有序、交替的啮合过程中，半齿轮始终向设定的方向旋转。

4.如权利要求2所述的齿条(5)、(14)和(24)，其特征是该齿条的齿数为与其啮合的半齿轮的齿数加1。

5.如权利要求2所述直线/旋转运动互换装置，其特征是该装置可以由多个半齿轮和多个双面齿条组成。

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