CN2450438Y - 一种直线/旋转运动互换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种直线/旋转运动互换装置。为克服现有技术中直线/旋转互换装置中效率低、体积大、工艺复杂的缺点,本实用新型设计了一种两面带齿的齿条与一种工作齿分布角α在80°～160°之间取值并成对使用的半齿轮,通过两个半齿轮分别与双面齿条的交替啮合或分离,将齿条的直线运动转换为持续同向旋转运动。本实用新型适用于需将直线与旋转运动进行互换的各类装置,特别是用于取代连杆与曲轴,具有体积小,成本低、效率高的特点。

Description

一种直线/旋转运动互换装置

本实用新型是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。

现有机械运动中，将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，由于其结构本身的特点使得运动的转换不直接，传动所需的附件多，连杆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，也成为该种传动装置的不足之处。

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和连杆-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，本实用新型提出了一种将往复直线运动高效、可靠地转化为持续同向旋转运动的互换装置。

为实现发明的目的，本实用新型设计了一种齿条——齿轮运动转换装置，即：将一种两面带齿的齿条与一种工作齿分布角α的取值范围在80°～160°之间，并且成对使用的半齿轮的组合，通过齿轮组的协调，并辅助以飞轮，使之在运动中将两个半齿轮分别与双面齿条的交替啮合(即切入)或分离(即脱出)，实现将齿条的往复直线运动转换为持续同向旋转运动。使用这种装置，亦可将旋转运动转换为直线运动。

本实用新型适用于需将直线与旋转运动进行互换的各类装置，特别是用于取代现有各类发动机中的连杆与曲轴，能高效的将活塞的往复直线运动转换成发动机所需要的持续、同向旋转运动，从而达到减小发动机的体积，降低成本、提高效率、节约能源和延长寿命的目的。

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

图1为直线/旋转运动互换装置的结构示意图；

图2为直线/旋转运动互换装置中齿条示意图；

图3为半齿轮的结构示意图；

图4为协调齿轮组工作示意图；

图5为直线/旋转运动互换装置中齿条——齿轮工作示意图；

图6为四汽缸发动机直线/旋转运动互换装置装配简图。

实施例一：

本实施例是一个用于代替双汽缸发动机连杆——曲轴的直线/旋转运动互换装置，主要由主轴[1][2]、半齿轮[3][4]、齿条[5]、齿轮组[6][7][8]、小轴[9]、前小盖[10]、机箱前盖[11]、箱座[12]、飞轮[16]和传动齿轮[17]组成。

为了实现用直线/旋转运动互换装置取代双汽缸发动机连杆-曲轴机构的目的，本实用新型设计了一种两面带齿的齿条[5]和一种工作齿只分布在分布角α=120°区域内的半齿轮[3]和[4]，通过由齿轮[6][7][8]组成的齿轮组的协调和飞轮[16]的配合，使齿条[5]和两个半齿轮[3]和[4]的运动成为一个相互协调的有机整体：两个半齿轮[3]和[4]在齿条[5]所产生的往复直线运动的推动下，依次轮流进入工作状态和非工作状态。由于齿轮组的协调，当齿条[5]推动处于工作状态的半齿轮[3]或[4]旋转时，另一个处于非工作状态的半齿轮[4]或[3]也做同步同向旋转运动。这样，分别与两个半齿轮[3]和[4]键接的主轴[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[2]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。

除上述技术手段外，还对半齿轮和齿条的所有齿牙进行修锉，使其齿顶角≤110°；齿条[5]两面对应齿牙的中心线有1.5mm的错位，加上飞轮的作用，就可保证齿条在运动至最右(左)端处，齿条由右(左)行变为左(右)行时，其中一个半齿轮能与齿条对应齿相啮合，从而由非工作状态进入工作状态(切入)，而另一个半齿轮则退出与齿条的啮合，从工作状态转入非工作状态(脱出)。这样，通过两个半齿轮不断的依次交替旋转，加上齿轮组的协调作用，便可实现持续同向旋转的目的。

以下对本实施例做一详细论述。

齿条[5]：齿条[5]是一种齿牙分布在齿条中央两侧面的特制齿条，每面8个齿，齿距P=17.28mm，总长L=456mm，左右往复运动的距离为152mm，宽度B=40mm，高度H=30mm；齿条两面所对应的齿不在同一中心线上整体上有1.5mm的错位。为保证齿条[5]与半齿轮[3]、[4]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。齿顶角修锉成110°。齿条[5]的两端作成单耳状，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。

齿轮[3]和[4]是一种非标准直齿圆柱齿轮，工作齿分布在部分齿根圆上，故称之为半齿轮。本实施例中，半齿轮[3][4]的几何参数为：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，工作齿分布角α=120°，每20°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。工作齿的齿顶需进行修锉，使齿顶角等于110°，使其在运动过程中能方便的切入和脱出。在未分布工作齿的外廓，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]和[4]及齿条[5]的齿宽为20mm，材料均选用40#钢。

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00′=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。

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]和[2]：用45号钢，全长L=300mm，最小直径D=30mm。

小轴[9]：材料为45#钢，全长120mm，最小直径30mm。

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

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]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。在箱座底板和前盖上有转轴[1][2]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340×200×146mm。

本实用新型装置所产生的持续旋转运动，是通过与半齿轮[4]同轴的传动齿轮[17]输出。

本实施例的结构关系如下：

将齿条[5]安装在箱座[12]两侧壁安装孔[20]的滑道中，使齿条能在滑道中顺畅的做往复直线运动；主轴[1]和[2]分别装入机箱和前盖对应的轴承中，半齿轮[3]和[4]分别装在两个主轴[1]和[2]上，半齿轮的轴向位置应在机箱底板和前盖的中央，并分别与齿条[5]相啮合。安装时，应使当其中一个半齿轮[3]处于工作状态时，另一个半齿轮[4]则处于非工作状态；齿轮组中的齿轮[8]用键固定在机箱前盖外的主轴[1]上，齿轮[7]键接在支撑该齿轮的小轴[9]上，齿轮[6]键接在机箱前盖外的主轴[2]上；飞轮[16]固定在机箱外侧的主轴[1]上，以保证两个半齿轮工作与非工作状态的顺利转换；齿条[5]两端有连接耳片[18][19]，分别与两汽缸发动机中的两活塞上特制的双耳片铰接；传动齿轮[17]在机箱外与主轴[2]固定连接，使主轴的持续同向旋转运动经由传动齿轮[17]向外输出，从而实现本实用新型的全部目的。

实施例二：

本实施例是一个用于代替四汽缸发动机连杆——曲轴的直线/旋转运动互换装置，主要由主轴[1][2]、两组半齿轮[3][4]和[13][15]、两个齿条[5]和[14]、齿轮组[6][7][8]、小轴[9]、前小盖[10]、机箱前盖[11]、箱座[12]、飞轮[16]和传动齿轮[17]组成。

为了实现用直线/旋转运动互换装置取代四汽缸发动机连杆——曲轴机构的目的，本实用新型设计了一种两面带齿的齿条[5][14]和一种工作齿分布角α=108°的半齿轮[3][4]和[l3][15]，通过由齿轮[6][7][8]组成的齿轮组和飞轮[16]的协调和配合，使齿条[5]和半齿轮[3][4]、以及齿条[14]和半齿轮[13][15]的运动成为一个相互协调的有机整体：当半齿轮[3][4]在齿条[5]所做的往复直线运动的推动下，依次轮流进入工作状态和非工作状态时，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工作状态和非工作状态，而且由于齿轮组的作用，当齿条[5]和[14]分别推动处于工作状态的半齿轮[3]和[13]或[4]和[15]旋转时，另两个处于非工作状态的半齿轮[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[2]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。

除上述技术手段外，还对半齿轮和齿条的所有齿牙进行修锉，使其齿顶角≤110°、齿条两面对应齿牙的中心线有2mm的错位，以利于半齿轮的切入与脱出。

以下对本实施例做一详细论述。

齿条：齿条[5]和[14]是一种特制的齿条，齿牙分布在齿条中央两侧面，每面8个齿，齿距P=15.71mm，总长456mm，左右往复运动的距离为150mm，宽度B=40mm，高度H=26.4mm齿条两面所对应的齿不在同一中心线上，有2mm的错位。为保证齿条[5]和[14]与半齿轮[3][4]和[13][15]能很好地啮合，取模数M为5，齿顶高h′=5.7mm，齿根高h″=6.8mm。齿顶角修锉成110°。齿条[5]和[14]的两端作成单耳状，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。

本实用新型中的两对齿轮[3][4]和[13][15]是一种非标准直齿圆柱齿轮，工作齿分布在部分齿根圆上，故称之为半齿轮。本实施例中，半齿轮[3][4]和[13][15]的几何参数为；分度圆直径D=100mm，模数M为5，齿顶高h′=5.7mm，齿根高h″=6.8mm,D_顶=D+2h′=111.4mm,D _根=D-2h"=86.4mm，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。工作齿的齿顶需进行修锉，使齿顶角等于110°，使其在运动过程中能方便的切入和脱出。在未分布工作齿的外廓，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]的齿宽为20mm，材料均选用40#钢。

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00′=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5=7.85mm。

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]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及供齿条在其中做往复直线运动的滑道。在箱座底板和前盖上有转轴[1][2]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。

本实用新型装置所产生的持续旋转运动，是通过安装在主轴[2]上的传动齿轮[17]输出。

本实施例的结构关系如下：

将齿条[5]和[14]安装在箱座[12]两侧壁安装孔的滑道中，使齿条能在滑道中顺畅的做往复直线运动；主轴[1]和[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]和[2]上，并分别与齿条[5]和[14]相啮合。安装时，应使其中两个半齿轮[3][13]处于工作状态时，另两个半齿轮[4][15]则处于非工作状态；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；飞轮[16]固定在机箱外侧的主轴[1]上，以保证两组半齿轮工作与非工作状态的顺利转换；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[2]固定连接，使主轴的持续同向旋转运动经由传动齿轮[17]向外输出，从而实现本实用新型的全部目的。

Claims (5)

1．一种直线/旋转运动互换装置，主要由主轴[1][2]、齿轮[3][4]、齿条[5]、飞轮[16]、齿轮[6][7][8]组成，其特征是：

a．装置中的齿轮[3][4]为一种工作齿分布角α的取值范围在80°～160°之间的半齿轮：

b．齿条[5]为一种两面均有齿的双面齿条。

2．如权利要求1所述的齿条[5]，其特征是齿条[5]的工作齿数为与其啮合的半齿轮的工作齿的齿数加1。

3．如权利要求1所述直线/旋转运动互换装置，其特征是半齿轮[3]安装在主轴[1]上，半齿轮[4]安装在主轴[2]上，齿条[5]安装在半齿轮[3]和[4]之间，并与半齿轮啮合。

4．如权利要求1所述直线/旋转运动互换装置，其特征是当半齿轮[3]处于工作状态时，另一个半齿轮[4]则处于非工作状态。

5．如权利要求1所述的直线/旋转运动互换装置，其特征是该装置可以由多对半齿轮和多个齿条组成。

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