CN1022262C - 同心轮 - Google Patents

Abstract

同心轮是一种替代连杆曲柄机构的新颖的机械换向传动机构，它包括壳体、同心轮和直轴。此三个部件是三个同心圆柱体，具有同一条中心线。在三个部件上分别有正弦槽，正弦珠；直槽，直槽珠和圆槽、圆槽珠互相啮合，组成同心轮机构，可以完成往复运动和旋转运动的互相转换。同心轮机构和连杆曲柄机构相比有很大的优点：其机械传动效率有成倍的提高、没有死点状态、不存在对汽缸壁和对曲轴的有害分力，机器的振动小、运转平稳。

Description

本发明涉及一种涉及曲轴机械的机构，更具体地涉及一种采用同心轮结构的机械换向传动机构。

在各种动力机械和机械产品中普遍的离不开往复运动变为旋转运动或者旋转运动变为往复运动的机械换向传动机构。而几百年来人们一直习惯使用的是偏心轮这种由连杆曲柄组成的机械换向传动机构，而这种连杆曲柄的机构换向传动机构带有很多致命的弱点：它的传动效率低、有效分力较小，很大的一部分作用在缸体壁上和轴心上而且是有害的，而且当往复运动变化旋转运动时有上下死点的存在，需要设有飞轮来储存和释放能量，因此结构笨重、冲击振动也很大，有时甚至造成曲轴的断裂。

美国专利US3841165公开了一种旋转-直线运动转换机构，它具有壳体、同心环、直轴，同心环上有正弦槽，壳体上有正弦珠，同心环和直轴上有直槽，直槽中具有槽珠，但这种机构只能将旋转运动转变为直线运动，而且很难将转变成的直线运动输出。

本发明的目的在于寻求一新颖的机械换向传动机构，能有效的实现往复运动与旋转运动之间相互转换，而能提高效率、没有死点、极大地减小冲击振动，从而有效地克服了连杆曲柄机构所存在的不足之处。

本发明是这样实现的，它包括一个壳体，壳体内有一个同心轮，它也是空心的圆柱体，在同心轮内又有一个直轴。这三个部件是三个同心圆柱体，具有同一条中心线。在壳体或同心轮或直轴上加工有一条或多条在部件的圆周方向上连续的曲线槽，该槽的平面展开图为近似于正弦曲线的槽。为提高传动效率和有利槽的加工工艺，该槽的平面展开图上下两端是相同曲率半径的圆弧而中间是两个圆弧的切线，也即直线槽。同时在同心轮或直轴或壳体上有一嵌入此正弦槽内与之能啮合运动的称之为正弦珠的突起物。该正弦槽的横截面可以是半圆形的、扇形的、或矩形的，与之配合的正弦珠也可以是球形的、锥形的或圆柱形的。正弦 珠的结构可以是固定在相应的壳体上、同心轮上或直轴上的突起物，突起物可以做成带有滑动套的，或者轴承式的。

因此当有一外加力（例如内燃机的汽缸爆炸力）迫使同心轮作往复运动时，由于分别在壳体上和同心轮上的正弦槽和正弦珠的相互啮合关系，此时同心轮就一定是沿着正弦槽的方向作既往复又旋转的立体曲线运动，若我们需要使同心轮作往复运动转化为旋转运动输出，则可在同心轮和直轴之间加工一条直槽和直槽里设置直槽珠啮合工作，这样往复又旋转的同心轮就会带动直轴作单一的旋转运动，完成了同心轮机构使往复运动转化为旋转运动的使命。若在同心轮和直轴之间加工的是一条园槽和设置园槽珠啮合工作，则同心轮就会带动直轴作单一的可调节的往复运动，这也是某种工作机械所需要的。

若有一外力（例如电动机带动）带动一根直轴作旋转运动，此直轴与同心轮之间有直槽和直槽珠啮合工作，则此外力通过此直轴迫使同心轮也作旋转运动，由于分别在壳体上和同心轮上的正弦槽和正弦珠的相互啮合关系，此时同心轮也一定是沿着正弦槽的方向作既往复又旋转的立体曲线运动，若我们需要将同心轮的旋转运动力转化为往复运动输出，则可在同心轮的另一端和另一根直轴之间加工一条园槽和设置园槽珠啮合工作，这样同心轮就会带动此直轴作单一的往复运动，完成了同心轮机构使旋转运动转化为往复运动的使命。若在同心轮和此直轴之间加工的也是一条直槽和设置直槽珠啮合工作，则同心轮就会带动该直轴也作单一可调的旋转运动，这也是某种工作机械所需要的，例如作为一种减速传动机构。

综上所述同心轮机构由于正弦槽和正弦珠的啮合工作再加上直槽和直槽珠或园槽和园槽珠的配合工作能有效的完成往复运动和旋转运动的互相转换或往复旋转运动的变速，使同心轮成为一种新颖的机械换向传动机构或变速机构。

从正弦槽和正弦珠的平面展开图〔图1〕上可以看出，峰角ω的变化范围可以为：O＜ω＜90°，其中较常用的是ω＝30°、ω＝45°、ω＝60°，同心轮的行程计算公式：S＝ (C)/(8mtgω) （χSinω+n）同心轮的空间换向轨迹园半径R₂与行程S与同心轮的半径R₁的关系的计算公式：

R₂＝ (χC)/(16mtgω) ·Sinω＝ (SχSinω)/(2（χSinω+n）) (R₁πxSinω)/(8m)

R₁＝ (4mS)/(π（χSinω+n）) 。

式中符号的涵意如下：

C为同心轮的园周长

m为峰数也即同心轮上正弦槽的数目

ω为峰角度也即正弦槽在平面展开图上直线段与轴中心线的夹角

χ为轨迹园半径R₂的园心位置变化量，取定χ在0～16范围内变化，当χ取为1时χ的实际量是 (C)/(32tgω) 依此类推。

n为χ的关系数，n＝4-χ。

从正弦槽和正弦珠的机构力学图〔图2〕中可以看出，当同心轮作既往复又旋转的立体曲线运动时可以理介为正弦珠在正弦槽中作相对运动。以外加力为往复力为例，此时正弦珠在外加往复力（轴向力）P的作用下，可将往复力P分介为对正弦槽侧壁的正压力N和槽轨迹方向的分力T，T促使正弦珠沿槽的轨迹方向运动，而T又可分介为T₁和T₂，其中T₁是正弦珠沿槽轨迹方向运动时使正弦珠轴向位移（即往复位移）的分力，而T₂则是使正弦珠水平方向位移的分力，在立体的情况下也就是促使同心轮旋转运动的分力，也可称T₂为旋转分力。如果对于外加力为旋转力则在同心轮的机构力学图中也可作相似的分析，得出类似的同心轮往复分力T₁。对于内燃机而言，就相同的外加力P，或称为爆炸力P对于连杆曲柄机构和同心轮机构 可作一比较，从下列比较表格中可以看出，同心轮的机械效率要比连杆曲柄机械有很大的提高，这是在不考虑摩擦和其他阻尼情况下的理想的理论分析。

设P＝1 R₄＝R₂-R₃α＝15.9098·Sinθ

偏心轮    同心轮    同心轮增加

λ＝ (r)/(L) = 58/200 m=2.ω＝45°＝ (360R₂Sinθ)/(cy) 的机械效率

x=4,y=2

β＝Sin^-1(λSinα） R₃∶R₄＝1∶1

T＝P· T₂=P.Sinθ 增加倍数＝

(Sin(α＋β）)/(Cosβ) α＋β β α＝α θ ·Cosθ (T2-T)/(T)

0.0923    5.3    1.19    4.11    4.11    15°    0.25    1.7

0.15    8.66    1.94    6.72    6.72    25°    0.383    1.5

0.2    11.75    2.63    9.12    9.12    35°    0.4689    1.3

0.25    14.49    3.24    11.25    11.25    45°    0.5    1.0

设P＝1 R₄＝O

偏心轮    同心轮

λ＝ (r)/(L) = 58/200 m=2 ω＝45° 同心轮增加

x=4 R₄=0 的机构效率

β＝Sin^-1(λSinα） y=∞ R₅=2R₂

T＝P· T₂＝P·Sinθ 增加倍数＝

(Sin(α＋β）)/(Cosβ) α＋β β α=α ω ·COsω (T₂-T)/(T)

0.0225    1.29    0.29    1.0    1.0    45°    0.5    21.2

0.0923    5.3    1.19    4.11    4.11    45°  0.5    4.4

0.15    8.66    1.94    6.72    6.72    45°    0.5    2.3

0.2    11.75    2.63    9.12    9.12    45°    0.5    1.5

0.25    14.49    3.24    11.25    11.25    45°    0.5    1.0

0.4356    25.69    5.69    20.0    20.0    45°    0.5    0.15

表格表符号的涵意如下：

偏心轮

r：曲轴半径

L：连杆长度

λ：曲轴半径与连杆长度之比

P：沿汽缸中心线对活塞的作用力

T：使曲轴旋转的切向力

α：曲轴旋转角度（表中为点火角度）

β：连杆摆动角

同心轮

m：峰数

ω：峰角度

α：同心轮传动角度

θ：大小切园的弧角度

R₂：换向轨迹园半径

R₃：正弦珠半径

R₄：小切园半径

C：同心轮周长

T₂：使同心轮旋转之分力

χ：换向轨迹园半径R₂的园心位置（χ＝1～16）

y：R₂的若干等分数

R₅：大切园半径

本发明与几百年来习用的连杆曲柄机构其优点是显而易见的，它的机械传动效率要比连杆曲柄有很大的成倍的提高，没有死点状态，即使同心轮在上下顶点时也有旋转运动，它是处于始终不停的运动状态。若应用于内燃机中，不存在对汽缸壁和对曲轴的有害分力N和R，因而机 器的振动小，运转平稳，也不会造成曲轴的折断，对缸壁无磨损，也无需飞轮，结构轻巧，紧凑，重量轻，节省材料，降低加工成本，内燃机中可提早点火、提高工作效率、充分利用汽缸的有限容积、充分接受爆炸冲量、维修保养也方便、而且通过峰数m的变化、可以调节往复和旋转数的比例关系，得到高频振动或低速转动，可以省去或作为减速箱来使用。

本发明的同心轮机构，还可广泛地使用于其它需把旋转运动和往复运动互相转换的机械上或需变速的机械上，例如压缩机电动机泵等等。

图面说明：

附图1：本发明的立体示意图和平面展开图

附图2：本发明的机构力学图

附图3：本发明的实施例一剖视图

附图4：本发明的实施例二剖视图

附图5：本发明的实施例三剖视图

附图6：本发明的实施例四剖视图

附图7：本发明的实施例五剖视图

附图8：本发明的实施例六剖视图

下面是本发明的具体实施例1：

如图3所示，本实施例包括一个壳体〔1〕，壳体〔1〕内有一个同心轮〔2〕，它也是空心的园柱体，在同心轮〔2〕的一端内有直轴〔3a〕，在另一端有直轴〔3b〕，这四个部件是四个同心的园柱体，具有同一条中心线。在同心轮〔2〕上制有正弦槽〔4〕，在壳体〔1〕的内壁有一个向内突出的正弦珠〔5〕，和正弦珠座〔5a〕，正弦珠〔5〕做成套筒型的与同心轮〔2〕上的正弦槽〔4〕啮合。在同心轮〔2〕的内壁上和直轴〔3a〕上制有直槽〔6〕，在二条直槽之间啮合有直槽珠〔7〕，这样可以使行程增加一倍，在同心轮〔2〕的另一端上和直轴〔3b〕的凸肩 上均制有园弧槽〔8〕，在二条园弧槽〔8〕之间啮合有园槽珠〔9〕。

当外力为往复力作用于直轴〔3b〕时，通过直轴〔3b〕的凸肩和园槽〔9〕的传动，迫使同心轮〔2〕作轴向的往复运动，但由于同心轮〔2〕的正弦槽〔4〕和壳体〔1〕上的正弦珠〔5〕啮合在一起，而正弦珠〔5〕又是固定在壳体〔1〕上不动的，因此迫使同心轮〔2〕沿着正弦槽〔4〕的轨迹方向作又往复又旋转的运动。同心轮〔2〕的旋转运动在直轴〔3b〕的一端只是形成园槽珠〔9〕和园槽〔8〕的相对运动，而不会使直轴〔3b〕旋转，在直轴〔3a〕一端，同心轮〔2〕的往复运动只是使直槽珠〔7〕在直槽〔6〕中作相对的往复运动，而不会使直轴〔3a〕发生往复运动，这样同心轮的旋转运动就通过直槽〔6〕和直槽〔7〕的园周切向力传递到了直轴〔3a〕上，使直轴〔3a〕作单一的旋转运动。这样由直槽〔3b〕输入的往复运动从直轴〔3a〕作旋转运动输出，通过同心轮机构完成了机械换向传动，往复运动转换成了旋转运动，反之也可。

本发明的实施例2：

如图4所示，本实施例基本与实施例1相同，结构上只是正弦珠〔5〕由实施例1的套筒园柱形换成3园珠形，正弦槽的横剖面相应的成为半园型的了，动作原理也完全一样。

本发明的实施例3：

如图5所示：本实施例也是基本与实施例1相同，结构上只是正弦珠〔5〕换成了轴承型，动作原理与实施例1完全一样。

本发明的实施例4：

如图6所示：本实施例是壳体〔1〕为双层套筒型，正弦槽〔4〕加工在壳体〔1〕的内套筒上，而正弦珠〔5〕则园定在同心轮〔2〕上，动作原理与实施例1相同。

本发明的实施例5：

如图7所示：本实施例的正弦槽〔4〕加工在直轴〔3〕上，正弦珠 〔5〕则固定在同心轮〔2〕上，壳体〔1〕和直轴〔3〕上均制有直槽〔6〕，二条直槽〔6〕之间啮合有直槽珠〔7〕，在壳体〔1〕和同心轮〔2〕上均制有园槽〔8〕，在二条园槽〔8〕之间啮合有园槽珠〔9〕。外加旋转力使同心轮〔2〕旋转则通正弦珠〔5〕和正弦槽〔4〕使直轴〔3〕沿着正弦槽〔4〕的轨迹方向既旋转又往复运动，再通过直槽〔6〕和直槽珠〔7〕使壳体〔1〕也旋转起来，这是旋转运动的变化，可变更转速和位置。

本发明的实施例6：

如图8所示，本实施例基本上与实施例互相同，结构上只是壳体〔1〕做成双层套筒型，正弦槽〔4〕加工在壳体〔1〕的内套筒上，而正弦珠〔5〕则固定在直轴〔3〕上，而同心轮〔2〕和直轴〔3〕之间是直槽〔6〕和直槽珠〔7〕，同心轮〔2〕和壳体〔1〕之间是园槽〔8〕和园槽珠〔9〕，其动作原理与实施例5完全一样。

从上述六个实施例可以看出本发明的同心轮机构包括壳体〔1〕、同心轮〔2〕和直轴〔3〕还有在其上面的正弦槽〔4〕、直槽〔6〕和园槽〔8〕，啮合着的正弦珠〔5〕、直槽珠〔7〕和园槽珠〔9〕。可以组合成各种形式的机械换向传动机构。

Claims (9)

1、一种同心轮机构，该机构包括具有同一轴线的壳体1、同心轮2以及直轴3a，同心轮2的外壁配置一种在平面展开图上近似于正弦曲线的槽，壳体1内壁具有与该槽啮合的元件5，同心轮2的内壁与直轴3a的外壁上开有直槽，直槽珠7配置于上述直槽之间并与其啮合，其特征在于：同心轮2配置直轴3a的相对侧配置一个圆盘形轴3b，该轴3b与直轴3a同心，所述的圆盘与轴垂直，圆盘上配置圆形槽，与该圆形槽相对的同心轮2的内端壁上也配置圆形槽，圆槽珠9配置于上述圆槽之间并与其啮合。

2、一种同心轮机构，该机构包括具有同一轴线的壳体1、同心轮2以及直轴3a，同心轮2的内壁与直轴3a的外端壁上开有直槽，直槽珠7配置于上述直槽之间并与其啮合，其特征在于：壳体1内壁配置一种在平面展开图上近似于正弦曲线的槽，同心轮2的外壁具有与该槽啮合的元件5，同心轮2配置直轴3a的相对侧配置一个圆盘形轴3b，该轴3b与直轴3a同心，所述的圆盘与轴垂直，圆盘上配置圆形槽，与该圆形槽相对的同心轮2的内壁上也配置圆形槽，圆槽珠9配置于上述圆槽之间并与其啮合。

3、一种同心轮机构，该机构包括具有同一轴线的壳体1、同心轮2以及直轴3，直轴3上配置直槽，其特征在于：直轴3上配置一种在平面展开图上近似于正弦曲线的槽，同心轮2的内壁上具有与该槽啮合的元件5，与直轴3的直槽相对的壳体1的内壁上配置直槽，直槽珠7配置于上述直槽之间并且与其啮合，同心轮2的端面设置圆形槽，与该圆形槽相对的外壳1的端面上也设置圆形槽，圆槽珠9配置于上述圆槽之间并与其啮合。

4、一种同心轮机构，该机构包括具有同一轴线的壳体1、同心轮2以及直轴3，直轴3上配置直槽，其特征在于：壳体1上配置一种在平面展开图上近似于正弦曲线的槽，直轴3上具有与该槽啮合的元件5，与直轴3直槽相对的同心轮2的内壁上配置直槽;直槽珠7配置于上述直槽之间并且与其啮合，同心轮2的端面设置圆形槽，与该圆形槽相对的外壳1的端面上也设置圆形槽，圆槽珠9配置于上述圆槽之间并与其啮合。

5、如权利要求1或2或3或4所述的同心轮机构，其特征在于壳体（1）或同心轮（2）或直轴（3）上的正弦槽（4）为一条，峰数m＝2。

6、如权利要求1或2或3或4所述的同心轮机构，其特征在于壳体（1）或同心轮（2）或直轴（3）上的正弦槽（4）为二条或多条并列组成，正弦槽的峰数为单峰或双峰或多峰。

7、如权利要求1或2或3或4所述的同心轮机构，其特征在于正弦槽（4）的横截是半圆形或扇形或矩形的，与之配合的正弦珠是球形的或锥形的或圆柱形的。

8、如权利要求1或2或3或4所述的同心轮机构，其特征在于所述的正弦珠（5）的结构是固定在壳体（1）或固定在同心轮（2）上，或直轴（3）上的突起物，可以做成带有滑动套的或轴承式的。

9、如权利要求1或2或3或4所述的同心轮机构，其特征在于所述的正弦槽（4）的平面展开图上下两端是相同的曲率半径的圆弧，中间是两个圆弧的切线，切线的斜度为峰角度ω，其变化范围为0＜ω＜90°。

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