專利名稱：一種直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是機械運動的轉(zhuǎn)換裝置。具體的說，是一種往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的裝置。
現(xiàn)有機械運動中，將直線運動轉(zhuǎn)換成為旋轉(zhuǎn)運動的裝置主要有齒條-齒輪傳動裝置和連桿-曲軸裝置。
在齒條-齒輪傳動裝置中，利用齒條的直線運動，帶動齒輪的旋轉(zhuǎn)，將直線運動轉(zhuǎn)化成為旋轉(zhuǎn)運動。這種傳動裝置結構緊湊可靠，齒條直線運動所做的功，除摩擦和驅(qū)動附件的損失外，都有效地轉(zhuǎn)化為齒輪旋轉(zhuǎn)所需的功，故傳動效率高是其突出的優(yōu)點。但由于齒條不可能無限的長，因此它不可能推動齒輪做持續(xù)性的同向旋轉(zhuǎn)運動，而是帶動齒輪時而順時針旋轉(zhuǎn)，時而逆時針旋轉(zhuǎn)，這又是其致命的缺點。
連桿-曲軸傳動是目前被廣泛采用的傳動裝置。以發(fā)動機為例，幾乎現(xiàn)有的各類發(fā)動機都采用這種傳動裝置，以將發(fā)動機活塞的直線運動轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。這種傳動裝置克服了齒條——齒輪機構不能使齒輪做持續(xù)性同向旋轉(zhuǎn)的缺點。但是，由于其結構本身的特點使得運動的轉(zhuǎn)換不直接，傳動所需的附件多，連桿直線運動所做的功不能直接、有效的轉(zhuǎn)化成驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)所需的功。功耗大、效率低，以及結構不緊湊、體積大、重量重和由此而產(chǎn)生的工藝復雜、成本高，也成為該種傳動裝置的不足之處。
為了克服上述齒條-齒輪傳動裝置中存在的不能推動齒輪持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)的缺點和連桿-曲軸傳動裝置中效率低、體積大和工藝復雜、成本高的不足之處，本實用新型提出了一種將往復直線運動高效、可靠地轉(zhuǎn)化為持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動的互換裝置。
為實現(xiàn)發(fā)明的目的，本實用新型設計了一種齒條——齒輪運動轉(zhuǎn)換裝置，即將一種兩面帶齒的齒條與一種工作齒分布角α的取值范圍在80°～160°之間，并且成對使用的半齒輪的組合，通過齒輪組的協(xié)調(diào)，并輔助以飛輪，使之在運動中將兩個半齒輪分別與雙面齒條的交替嚙合(即切入)或分離(即脫出)，實現(xiàn)將齒條的往復直線運動轉(zhuǎn)換為持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動。使用這種裝置，亦可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。
本實用新型適用于需將直線與旋轉(zhuǎn)運動進行互換的各類裝置，特別是用于取代現(xiàn)有各類發(fā)動機中的連桿與曲軸，能高效的將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)換成發(fā)動機所需要的持續(xù)、同向旋轉(zhuǎn)運動，從而達到減小發(fā)動機的體積，降低成本、提高效率、節(jié)約能源和延長壽命的目的。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明。


圖1為直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置的結構示意圖；圖2為直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置中齒條示意圖；圖3為半齒輪的結構示意圖；圖4為協(xié)調(diào)齒輪組工作示意圖；圖5為直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置中齒條——齒輪工作示意圖；圖6為四汽缸發(fā)動機直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置裝配簡圖。
實施例一本實施例是一個用于代替雙汽缸發(fā)動機連桿——曲軸的直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，主要由主軸[1][2]、半齒輪[3][4]、齒條[5]、齒輪組[6][7][8]、小軸[9]、前小蓋[10]、機箱前蓋[11]、箱座[12]、飛輪[16]和傳動齒輪[17]組成。
為了實現(xiàn)用直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置取代雙汽缸發(fā)動機連桿-曲軸機構的目的，本實用新型設計了一種兩面帶齒的齒條[5]和一種工作齒只分布在分布角α=120°區(qū)域內(nèi)的半齒輪[3]和[4]，通過由齒輪[6][7][8]組成的齒輪組的協(xié)調(diào)和飛輪[16]的配合，使齒條[5]和兩個半齒輪[3]和[4]的運動成為一個相互協(xié)調(diào)的有機整體兩個半齒輪[3]和[4]在齒條[5]所產(chǎn)生的往復直線運動的推動下，依次輪流進入工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。由于齒輪組的協(xié)調(diào)，當齒條[5]推動處于工作狀態(tài)的半齒輪[3]或[4]旋轉(zhuǎn)時，另一個處于非工作狀態(tài)的半齒輪[4]或[3]也做同步同向旋轉(zhuǎn)運動。這樣，分別與兩個半齒輪[3]和[4]鍵接的主軸[1]和[2]就都做持續(xù)性的同步同向旋轉(zhuǎn)運動，并將該旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由與主軸[2]鍵接的傳動齒輪[17]輸出。從而實現(xiàn)了往復直線運動與持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換。
除上述技術手段外，還對半齒輪和齒條的所有齒牙進行修銼，使其齒頂角≤110°；齒條[5]兩面對應齒牙的中心線有1.5mm的錯位，加上飛輪的作用，就可保證齒條在運動至最右(左)端處，齒條由右(左)行變?yōu)樽?右)行時，其中一個半齒輪能與齒條對應齒相嚙合，從而由非工作狀態(tài)進入工作狀態(tài)(切入)，而另一個半齒輪則退出與齒條的嚙合，從工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入非工作狀態(tài)(脫出)。這樣，通過兩個半齒輪不斷的依次交替旋轉(zhuǎn)，加上齒輪組的協(xié)調(diào)作用，便可實現(xiàn)持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)的目的。
以下對本實施例做一詳細論述。
齒條[5]齒條[5]是一種齒牙分布在齒條中央兩側面的特制齒條，每面8個齒，齒距P=17.28mm，總長L=456mm，左右往復運動的距離為152mm，寬度B=40mm，高度H=30mm；齒條兩面所對應的齒不在同一中心線上整體上有1.5mm的錯位。為保證齒條[5]與半齒輪[3]、[4]能很好地嚙合，取模數(shù)M為5.5，齒頂高h′=4.5mm，齒根高h″=5.5mm。齒頂角修銼成110°。齒條[5]的兩端作成單耳狀，與發(fā)動機活塞上特制的雙耳相鉸接，傳遞活塞的往復直線運動。
齒輪[3]和[4]是一種非標準直齒圓柱齒輪，工作齒分布在部分齒根圓上，故稱之為半齒輪。本實施例中，半齒輪[3][4]的幾何參數(shù)為分度圓直徑D=99mm，模數(shù)M為5.5，齒頂高h′=4.5mm，齒根高h″=5.5mm,D頂=D+2h′=108mm,D根=D-2h″=88mm，齒距P=πm=17.28mm；分度圓齒厚S=P/2=8.64mm，工作齒分布角α=120°，每20°一個齒，故每個半齒輪都是7個齒。其他參數(shù)的計算均與標準直齒圓柱齒輪相同。工作齒的齒頂需進行修銼，使齒頂角等于110°，使其在運動過程中能方便的切入和脫出。在未分布工作齒的外廓，其直徑比齒根圓直徑小3mm，以使半齒輪進入非工作狀態(tài)后與齒條之間有必要的間隙。半齒輪[3]和[4]及齒條[5]的齒寬為20mm，材料均選用40#鋼。
齒輪組由三個材料為40#鋼的完全相同的標準直齒圓柱齒輪[6]、[7]、[8]組成。齒輪組外側兩個齒輪[6]、[8]的中心距00′=140mm，因此其分度圓直徑D=70mm，取模數(shù)M=5，(其他參數(shù)同標準直齒圓柱齒輪)，h′=5mm,h″=6.25mm,h=11.25mm,D頂=80mm,D根=57.5mm，齒距P=15.71mm，分度圓齒厚S=7.85mm。
飛輪[16]本實施例中，飛輪[16]的外廓直徑為250mm，質(zhì)量=7.5kg，為鑄鐵材料。
傳動齒輪[17]該傳動齒輪[17]是分度圓直徑D=99mm，模數(shù)M為5.5的標準直齒圓柱齒輪，齒頂高h′=5.5mm，齒根高h″=6.88mm，全齒高=12.38mm,D頂=110mm,D根=85.24mm，齒距P=17.28mm，分度圓齒厚S=8.64mm。材料為40#鋼。
主軸[1]和[2]用45號鋼，全長L=300mm，最小直徑D=30mm。
小軸[9]材料為45#鋼，全長120mm，最小直徑30mm。
前小蓋[10]固定在機箱蓋[11]上，其上有支撐小軸[9]的軸承座。材料為HT200。
機箱材料HT200，由箱蓋[11]和箱座[12]組成。在箱座兩側壁上有與齒條[5]橫斷面形狀相似的安裝孔[20]及供齒條在其中做往復直線運動的滑道。在箱座底板和前蓋上有轉(zhuǎn)軸[1][2]的軸承座，前蓋上在兩個轉(zhuǎn)軸軸承的中間還有一個小軸[9]的軸承座。機箱的最大外廓尺寸為340×200×146mm。
本實用新型裝置所產(chǎn)生的持續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，是通過與半齒輪[4]同軸的傳動齒輪[17]輸出。
本實施例的結構關系如下將齒條[5]安裝在箱座[12]兩側壁安裝孔[20]的滑道中，使齒條能在滑道中順暢的做往復直線運動；主軸[1]和[2]分別裝入機箱和前蓋對應的軸承中，半齒輪[3]和[4]分別裝在兩個主軸[1]和[2]上，半齒輪的軸向位置應在機箱底板和前蓋的中央，并分別與齒條[5]相嚙合。安裝時，應使當其中一個半齒輪[3]處于工作狀態(tài)時，另一個半齒輪[4]則處于非工作狀態(tài)；齒輪組中的齒輪[8]用鍵固定在機箱前蓋外的主軸[1]上，齒輪[7]鍵接在支撐該齒輪的小軸[9]上，齒輪[6]鍵接在機箱前蓋外的主軸[2]上；飛輪[16]固定在機箱外側的主軸[1]上，以保證兩個半齒輪工作與非工作狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換；齒條[5]兩端有連接耳片[18][19]，分別與兩汽缸發(fā)動機中的兩活塞上特制的雙耳片鉸接；傳動齒輪[17]在機箱外與主軸[2]固定連接，使主軸的持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由傳動齒輪[17]向外輸出，從而實現(xiàn)本實用新型的全部目的。
實施例二本實施例是一個用于代替四汽缸發(fā)動機連桿——曲軸的直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，主要由主軸[1][2]、兩組半齒輪[3][4]和[13][15]、兩個齒條[5]和[14]、齒輪組[6][7][8]、小軸[9]、前小蓋[10]、機箱前蓋[11]、箱座[12]、飛輪[16]和傳動齒輪[17]組成。
為了實現(xiàn)用直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置取代四汽缸發(fā)動機連桿——曲軸機構的目的，本實用新型設計了一種兩面帶齒的齒條[5][14]和一種工作齒分布角α=108°的半齒輪[3][4]和[l3][15]，通過由齒輪[6][7][8]組成的齒輪組和飛輪[16]的協(xié)調(diào)和配合，使齒條[5]和半齒輪[3][4]、以及齒條[14]和半齒輪[13][15]的運動成為一個相互協(xié)調(diào)的有機整體當半齒輪[3][4]在齒條[5]所做的往復直線運動的推動下，依次輪流進入工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)時，另外兩個半齒輪[13][15]在齒條[14]的推動下，也同步依次輪流進入工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，而且由于齒輪組的作用，當齒條[5]和[14]分別推動處于工作狀態(tài)的半齒輪[3]和[13]或[4]和[15]旋轉(zhuǎn)時，另兩個處于非工作狀態(tài)的半齒輪[4]和[15]或[3]和[13]也做同步同向旋轉(zhuǎn)運動。這樣，分別與半齒輪[3][13]和[4][15]鍵接的兩個主軸[1]和[2]就都做持續(xù)性的同步同向旋轉(zhuǎn)運動，并將該旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由與主軸[2]鍵接的傳動齒輪[17]輸出。從而實現(xiàn)了往復直線運動與持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換。
除上述技術手段外，還對半齒輪和齒條的所有齒牙進行修銼，使其齒頂角≤110°、齒條兩面對應齒牙的中心線有2mm的錯位，以利于半齒輪的切入與脫出。
以下對本實施例做一詳細論述。
齒條齒條[5]和[14]是一種特制的齒條，齒牙分布在齒條中央兩側面，每面8個齒，齒距P=15.71mm，總長456mm，左右往復運動的距離為150mm，寬度B=40mm，高度H=26.4mm齒條兩面所對應的齒不在同一中心線上，有2mm的錯位。為保證齒條[5]和[14]與半齒輪[3][4]和[13][15]能很好地嚙合，取模數(shù)M為5，齒頂高h′=5.7mm，齒根高h″=6.8mm。齒頂角修銼成110°。齒條[5]和[14]的兩端作成單耳狀，與發(fā)動機活塞上特制的雙耳相鉸接，傳遞活塞的往復直線運動。
本實用新型中的兩對齒輪[3][4]和[13][15]是一種非標準直齒圓柱齒輪，工作齒分布在部分齒根圓上，故稱之為半齒輪。本實施例中，半齒輪[3][4]和[13][15]的幾何參數(shù)為；分度圓直徑D=100mm，模數(shù)M為5，齒頂高h′=5.7mm，齒根高h″=6.8mm,D頂=D+2h′=111.4mm,D根=D-2h"=86.4mm，齒距P=πm=15.71mm；分度圓齒厚S=P/2=7.85mm，工作齒分布角α=108°，每18°一個齒，故每個半齒輪都是7個齒。其他參數(shù)的計算均與標準直齒圓柱齒輪相同。工作齒的齒頂需進行修銼，使齒頂角等于110°，使其在運動過程中能方便的切入和脫出。在未分布工作齒的外廓，其直徑比齒根圓直徑小3mm，以使半齒輪進入非工作狀態(tài)后與齒條之間有必要的間隙。半齒輪[3][4]和[13][15]及齒條[5]和[14]的齒寬為20mm，材料均選用40#鋼。
齒輪組由三個材料為40#鋼的完全相同的標準直齒圓柱齒輪[6]、[7]、[8]組成。齒輪組外側兩個齒輪[6]、[8]的中心距00′=140mm，因此其分度圓直徑D=70mm，取模數(shù)M=5，(其他參數(shù)同標準直齒圓柱齒輪)，h′=5mm,h″=6.25mm,h=11.25mm,D頂=80mm,D根=57.5mm，齒距P=15.71mm，分度圓齒厚5=7.85mm。
飛輪[16]本實施例中，飛輪[16]的外廓直徑為250mm，質(zhì)量=7.5kg，為鑄鐵材料。
傳動齒輪[17]該傳動齒輪[17]是分度圓直徑D=99mm，模數(shù)M為5.5的標準直齒圓柱齒輪，齒頂高h′=5.5mm，齒根高h″=6.88mm，全齒高=12.38mm,D頂=110mm,D根=85.24mm，齒距P=17.28mm，分度圓齒厚S=8.64mm。材料為40#鋼。
主軸[1]和[2]用45號鋼，全長L=450mm，最小直徑為32mm。
小軸[9]全長120mm，最小直徑32mm。材料選用45#鋼。
前小蓋[10]材料為HT200。固定在機箱前蓋[11]上，其上有支撐小軸[9]的軸承座。
機箱材料HT200，由箱蓋[11]和箱座[12]組成。在箱座兩側壁上有與齒條[5]和[14]橫斷面形狀相似的安裝孔及供齒條在其中做往復直線運動的滑道。在箱座底板和前蓋上有轉(zhuǎn)軸[1][2]的軸承座，前蓋上在兩個轉(zhuǎn)軸軸承的中間還有一個小軸[9]的軸承座。機箱的最大外廓尺寸為340×200×226mm。
本實用新型裝置所產(chǎn)生的持續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，是通過安裝在主軸[2]上的傳動齒輪[17]輸出。
本實施例的結構關系如下將齒條[5]和[14]安裝在箱座[12]兩側壁安裝孔的滑道中，使齒條能在滑道中順暢的做往復直線運動；主軸[1]和[2]分別裝入機箱和前蓋對應的軸承中，半齒輪[3][13]和[4][15]分別裝在兩個主軸[1]和[2]上，并分別與齒條[5]和[14]相嚙合。安裝時，應使其中兩個半齒輪[3][13]處于工作狀態(tài)時，另兩個半齒輪[4][15]則處于非工作狀態(tài)；齒輪組中的齒輪[8]在機箱前蓋外與主軸[1]鍵接，齒輪[7]鍵接在支撐該齒輪的小軸[9]上，齒輪[6]在機箱前蓋外與主軸[2]鍵接；飛輪[16]固定在機箱外側的主軸[1]上，以保證兩組半齒輪工作與非工作狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換；齒條[5][14]兩端有連接耳片，分別與發(fā)動機中活塞上特制的雙耳片鉸接；傳動齒輪[17]在機箱外與主軸[2]固定連接，使主軸的持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由傳動齒輪[17]向外輸出，從而實現(xiàn)本實用新型的全部目的。
權利要求1．一種直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，主要由主軸[1][2]、齒輪[3][4]、齒條[5]、飛輪[16]、齒輪[6][7][8]組成，其特征是a．裝置中的齒輪[3][4]為一種工作齒分布角α的取值范圍在80°～160°之間的半齒輪b．齒條[5]為一種兩面均有齒的雙面齒條。
2．如權利要求1所述的齒條[5]，其特征是齒條[5]的工作齒數(shù)為與其嚙合的半齒輪的工作齒的齒數(shù)加1。
3．如權利要求1所述直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，其特征是半齒輪[3]安裝在主軸[1]上，半齒輪[4]安裝在主軸[2]上，齒條[5]安裝在半齒輪[3]和[4]之間，并與半齒輪嚙合。
4．如權利要求1所述直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，其特征是當半齒輪[3]處于工作狀態(tài)時，另一個半齒輪[4]則處于非工作狀態(tài)。
5．如權利要求1所述的直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置，其特征是該裝置可以由多對半齒輪和多個齒條組成。
專利摘要本實用新型是一種直線/旋轉(zhuǎn)運動互換裝置。為克服現(xiàn)有技術中直線/旋轉(zhuǎn)互換裝置中效率低、體積大、工藝復雜的缺點,本實用新型設計了一種兩面帶齒的齒條與一種工作齒分布角α在80°～160°之間取值并成對使用的半齒輪,通過兩個半齒輪分別與雙面齒條的交替嚙合或分離,將齒條的直線運動轉(zhuǎn)換為持續(xù)同向旋轉(zhuǎn)運動。本實用新型適用于需將直線與旋轉(zhuǎn)運動進行互換的各類裝置,特別是用于取代連桿與曲軸,具有體積小,成本低、效率高的特點。
文檔編號F16H19/04GK2450438SQ0022696
公開日2001年9月26日 申請日期2000年11月8日 優(yōu)先權日2000年11月8日
發(fā)明者馬德民, 張瓔 申請人:馬德民, 張瓔