阅读说明：本技术 一种摆动齿条-曲轴转换机构 (Swing rack-crankshaft switching mechanism ) 是由 安里千 刘庆 王聪 于 2018-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明的转换机构包括：曲轴、传动轴、传动齿轮、摆动齿条、驱动齿轮及驱动齿条等,曲轴的主轴颈和至少一根以上的传动轴安装在曲轴箱的两侧壁上,每一根传动轴上的传动齿轮与摆动齿条啮合,各摆动齿条一端部的齿条圆环安装在曲柄臂的连杆轴颈上,每个限位杆置于每一根摆动齿条的无齿背面上,各限位杆的两端部安装在各对限位扁杆的一端部,每对限位扁杆的限位圆环分别安装在传动齿轮两侧的传动轴上；延伸到附加缸体中的每根传动轴上安装数个驱动齿轮,每个驱动齿轮与驱动齿条啮合,定位杆置于每条驱动齿条的无齿背面上,每对定位圆环分别安装在驱动齿轮两侧的传动轴上,每根驱动齿条与活塞铰接,构成只有一付曲柄臂的多个汽缸的发动机组。(The conversion mechanism of the present invention includes: the main journal of the crankshaft and at least more than one transmission shaft are arranged on two side walls of the crankcase, the transmission gear on each transmission shaft is meshed with the swing rack, a rack ring at one end of each swing rack is arranged on a connecting rod journal of a crank arm, each limiting rod is arranged on the non-tooth back surface of each swing rack, two ends of each limiting rod are arranged at one end of each pair of limiting flat rods, and the limiting rings of each pair of limiting flat rods are respectively arranged on the transmission shafts at two sides of the transmission gear; each transmission shaft extending into the additional cylinder body is provided with a plurality of driving gears, each driving gear is meshed with a driving rack, the positioning rods are arranged on the back face without teeth of each driving rack, each pair of positioning rings are respectively arranged on the transmission shafts on two sides of the driving gear, and each driving rack is hinged with the piston to form the engine unit with a plurality of cylinders and only one pair of crank arms.)

一种摆动齿条-曲轴转换机构

技术领域

本发明涉及一种发动机的活塞往复直线运动转换为曲轴圆周运动的机械装置，特别涉及一种摆动齿条-曲轴联动的转换机构，替代现有的曲轴（柄）-连杆转换机构。

背景技术

目前，活塞式发动机普遍采用曲轴（曲拐）连杆机构进行直线往复运动与圆周运动相互转换的机械，曲轴连杆机构设计和制造已经十分完善，但是，由于曲轴（柄）连杆几何机构及其受力状态十分复杂，各个部件都处在复杂的三向应力状态，在实际应用中还存在明显的缺陷，有待进一步改进和优化：

1、理论分析和实际应用测试表明，传统的曲轴连杆机构中，汽缸内燃气点火后，活塞上的最大燃气爆发力经过两次分解只有百分之二十左右转换为作用在曲轴的曲拐端部的切向力，因此，极大地减小了曲轴输出的扭矩，降低了发动机的功率；

2、在曲轴（柄）连杆机构中，作用在活塞上的燃气压力被分解为沿连杆轴线方向的作用力和垂直于汽缸轴线方向作用在缸壁的侧压力，增大了活塞与缸壁之间的侧向摩擦力，加速了汽缸壁侧向磨损，会造成“卡缸”使活塞无法工作，缩短了汽缸的使用寿命；

3、曲轴连杆机构中连杆摆动产生的不平衡回转质量和回转运动引起惯性力，使活塞与汽缸壁及转动接触面产生交变冲击力，增大了各个部件间的不均匀摩擦和撞击，不仅影响发动机的输出功率，而且使发动机产生较大的振动和噪声。

为了克服传统曲轴-连杆机构上述的缺陷，本发明提供了一种摆动齿条-曲轴转换机构。

发明内容

按照本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构包括：只有一付曲柄臂和其端部连杆轴颈的曲轴、传动轴、传动齿轮、摆动齿条、驱动齿轮及驱动齿条等，其特征在于：曲轴的主轴颈和数根传动轴安装在曲轴箱的两侧壁上，各根传动轴的轴线按一定的间隔分布在以主轴颈的轴线为中心的圆周上，每根传动轴的柱面上同轴安装传动齿轮，与传动齿轮的个数相等的摆动齿条分别与各个传动齿轮啮合，每根摆动齿条的齿条圆环安装在曲柄臂的连杆轴颈上，在每根摆动齿条及与其啮合的传动齿轮两侧的传动轴上设置限位机构；每根传动轴延伸到紧贴曲轴箱一侧或两侧的附加缸体中，在附加缸体中的每根传动轴的柱面上同轴安装各个驱动齿轮，在每根驱动齿条及与其啮合的驱动齿轮两侧的传动轴上设置定位机构。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，在附加缸体上设置有汽缸，每根驱动齿条一端部或两端部与汽缸中的活塞铰接，构成只有一付曲轴的多个汽缸的发动机组。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，齿条圆环设置在每根摆动齿条的一端部，每根摆动齿条的有效长度大于主轴颈的轴线与连杆轴颈的轴线之间的距离的2倍，每个齿条圆环的中心线与连杆轴颈的轴线共线。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，每个限位杆置于摆动齿条的无齿背面上，每个限位杆的两端部分别转动地安装在一对限位扁杆的一端部，这对限位扁杆的另一端部分别是限位圆环，这两个限位圆环分别安装在摆动齿条及与其啮合的传动齿轮两侧的传动轴上，每个限位杆两端部的一对限位扁杆内侧面之间的距离略大于摆动齿条及与其啮合的传动齿轮的宽度，每个限位圆环的内径等于传动轴的直径，每根摆动齿条的无齿背面上的限位杆和与摆动齿条啮合的传动齿轮的分度圆之间的间隔等于这根摆动齿条的分度线到无齿背面之间的距离。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，每个定位杆置于驱动齿条的无齿背面上，每个定位杆的两端部分别转动地安装在一对定位扁杆的一端部，这一对定位扁杆的另一端部分别是定位圆环，这两个定位圆环分别安装在驱动齿条及与其啮合的驱动齿轮两侧的传动轴上，每个定位杆两端的定位扁杆内侧面之间的距离略大于与驱动齿条及与其啮合的驱动齿轮的宽度，每个定位圆环的内径等于传动轴的直径，每根驱动齿条的无齿背面上的定位杆和与驱动齿条啮合的驱动齿轮的分度圆之间的间隔等于这根驱动齿条的分度线到无齿背面之间的距离。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，设定过主轴颈的轴线和连杆轴颈的轴线的平面为曲柄臂的中分平面，曲柄臂的中分平面与每一个传动齿轮的分度圆相切时，与这个传动齿轮同轴的各驱动齿轮驱动的驱动齿条及其端部的活塞在其上止点或下止点，此时，曲柄臂的中分面与各摆动齿条的分度线之间的夹角接近0°。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，各传动轴的形状相同，各传动轴的轴线与主轴颈的轴线平行，在以主轴颈的轴线为中心的圆周上的各相邻的两根传动轴的轴线之间的圆弧所对应的圆心角等于或小于180°，每一根传动轴上的传动齿轮的分度圆与主轴颈轴线之间的间隔等于或稍大于主轴颈的轴线与连杆轴颈的轴线之间的距离加上这根摆动齿条上的齿条圆环的中心线到这根摆动齿条的分度线的垂直线段的长度；通过调整每根传动轴与主轴颈之间的距离，可使与每个传动齿轮同轴的各驱动齿轮驱动的驱动齿条及在上止点的活塞开始向下止点运动时，与每个传动齿轮啮合的摆动齿条的分度线与曲柄臂的中分平面接近正交，即与每个传动齿轮啮合的摆动齿条与曲柄臂的夹角接近90°，此时，若活塞所在的气缸内的燃气爆发，作用在这个活塞上的燃气爆发力借助驱动齿条、逆时针转动的驱动齿轮和传动轮及摆动齿条几乎等值转换为作用在连杆轴颈的切向力，连杆轴颈带动曲轴将会输出最大的扭矩，模型机实验表明本发明的转换机构输出的最大扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增大2倍以上。

本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，其中，在曲轴箱的一侧设置带有柱塞的数个缸体，与每个驱动齿轮啮合的驱动齿条一端部或两端部与各缸体内的柱塞连接，曲轴箱外面的曲轴的主轴颈通过连接机构与动力设备的转动轴相联构成水泵、压缩机等。

采用本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构，实现直线往复运动与旋转圆周运动相互转换，动力传递和运动方式转换更为合理,克服了曲拐连杆机构中固有的缺点，具有以下主要优点：

1.本发明的齿条和导向槽-曲轴转换机构中，当与每个传动齿轮同轴的各驱动齿轮带动的驱动齿条及其在上止点的活塞开始向下止点运动时，与每个传动齿轮啮合的摆动齿条与曲柄臂的夹角接近90度，此时，若气缸中的燃气爆发，作用在活塞上最大燃气爆发力借助每根传动轴上的各驱动齿条和各驱动齿轮、传动齿轮和摆动齿条等几乎等值转换为做旋转运动的连杆轴颈上的切向力，曲轴将输出最大的扭矩，理论计算表明曲轴输出的最大扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增大3倍以上，模型机实验表明曲轴输出最大的扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭至少矩增大2倍以上，因此，本发明的转换机构的转换效率较传统的曲轴-连杆机构的转换效率可大幅度提高；

2.本发明的转换机构中，各个活塞的往复直线运动借助各驱动齿条和各驱动齿轮及传动齿轮和摆动齿条直接转换为曲柄臂旋转的切向力，彻底消除了传统曲轴-连杆机构中连杆传动引起的活塞与气缸缸壁之间的侧向压力及由侧向压力引起的汽缸壁的磨损，可延长汽缸的使用寿命；

3.本发明转换机构中，每对传动轴上可设置若干个驱动齿轮和驱动齿条及气缸，可构成只有一付曲拐（曲柄）超大功率的发动机组，不仅节省了大量的曲拐（曲柄），而且也提高了转换效率；

4.本发明转换机构中，传动齿轮半径和驱动齿轮半径可根据设计要求改变其大小，曲轴的转动直径即可小于或大于活塞的行程，以便更为合理的利用气缸中燃气的爆发力，以提高转换机构的机械效率；

5.本发明的曲轴和摆动齿条及传动齿轮等在单独的曲轴箱内，不受气缸中燃气爆发产生高温的影响，提高了转换机构的主要部件的使用寿命。

本发明结构亦可用于任何形式的旋转运动转换为往复直线运动的机械，例如，活塞式油、气、水泵及活塞式压缩机等。

附图说明

图1是本发明的的转换机构第一实施例正视示意图；

图2是本发明的转换机构第一实施例的A-A截面示意图；

图3是本发明的转换机构第一实施例的B-B截面的示意图；

图4是本发明第一实施例中，摆动齿条和传动齿轮及限位杆和限位扁杆示意图；

图5是本发明第一实施例中，驱动齿条和驱动齿轮及定位杆和定位扁杆示意图；

图6是本发明第一实施例中，传动轴与主轴颈之间的距离示意图；

图7是本发明第一实施例中，曲柄臂的中分平面与一根传动轴的传动齿轮的分度圆相切时，与这根传动轴联动的活塞在上止点示意图；

图8是本发明第一实施例中，与一根传动轴联动的活塞开始向下止点运动时，与传动齿轮啮合的摆动齿条的分度线与曲柄臂的中分平面接近正交示意图；

图9是本发明第一实施例中，曲柄臂的中分平面与另一根传动轴的传动齿轮的分度圆相切时，与这根传动轴联动的活塞在上止点示意图；

图10是本发明的第一实施例中，与另一根传动轴联动的活塞开始向下止点运动时，与传动齿轮啮合的摆动齿条的分度线与曲柄臂的中分平面接近正交示意图示意图；

图11是本发明的转换机构的第二实施例示意图；

图12是本发明的转换机构的第三实施例示意图。

具体实施方案

下面参照说明书附图详细描述本发明提供的一种摆动齿条-曲轴转换机构的

具体实施方式

。

本发明第一实施例如下所述：

如图1、2、3所示，只有一付曲柄臂102和其端部连杆轴颈103的曲轴1的主轴颈101和两根传动轴4安装在曲轴箱9的两侧壁上，两根传动轴4的轴线401在以主轴颈101的轴线104为中心的圆周上，每根传动轴4的柱面上同轴安装传动齿轮3，两根摆动齿条2分别与两个传动齿轮3啮合，每根摆动齿条2的齿条圆环200安装在曲柄臂102的连杆轴颈103上，在每根摆动齿条2及与其啮合的传动齿轮3两侧的传动轴4上设置限位机构；每根传动轴4延伸到曲轴箱9一侧的附加缸体10中，在附加缸体10中的每根传动轴4的柱面上同轴安装两个驱动齿轮5，每个驱动齿轮5与驱动齿条6啮合，在每根驱动齿条6及与其啮合的驱动齿轮5两侧的传动轴4上设置定位机构；在附加缸体10上设置四个汽缸8，每个汽缸8中的活塞7与每根驱动齿条6一端部铰接，构成只有一付曲轴1的多个汽缸8的发动机组。

如图1、4所示，各个摆动齿条2的结构相同，每个齿条圆环200设置在摆动齿条2的一端部，每根摆动齿条2的有效长度大于主轴颈101的轴线104与连杆轴颈103的轴线105之间的距离的2倍，每个齿条圆环200的中心线204与连杆轴颈103的轴线105共线。

如图4所示，限位杆12置于摆动齿条2的无齿背面202上，限位杆12的两端部分别转动地安装在一对限位扁杆11的一端部，这一对限位扁杆11的另一端部分别是限位圆环111，这两个限位圆环111分别安装在摆动齿条2及与其啮合的传动齿轮3两侧的传动轴4上，限位杆12两端部的一对限位扁杆11内侧面之间的距离略大于摆动齿条2及与其啮合的传动齿轮3的宽度，每个限位圆环111的内径等于传动轴4的直径，摆动齿条2的无齿背面202上的限位杆12和与摆动齿条2啮合的传动齿轮3的分度圆301之间的间隔等于该摆动齿条2的分度线201到无齿背面202之间的距离。

如图5所示，定位杆14置于驱动齿条6的无齿背面601上，定位杆14的两端部分别转动地安装在一对定位扁杆13的一端部，这对定位扁杆13另一端部分别是定位圆环131，这两个定位圆环131分别安装在驱动齿条6及与其啮合的驱动齿轮5两侧的传动轴4上，定位杆14两端的定位扁杆13内侧面之间的距离略大于与驱动齿条6及与其啮合的驱动齿轮5的宽度，每个定位圆环131的内径等于传动轴4的直径，驱动齿条6的无齿背面601上的定位杆14和与该驱动齿条6啮合的驱动齿轮5的分度圆之间的间隔等于这根驱动齿条6的分度线602到无齿背面601之间的距离。

如图7、9所示，设定过主轴颈101的轴线104和连杆轴颈103的轴线105的平面为曲柄臂102的中分平面107，曲柄臂102的中分平面107与每一个传动齿轮3的分度圆301相切时，与这个传动齿轮3同轴的各驱动齿轮5驱动的驱动齿条6及其端部的活塞7在其上止点或下止点，此时，曲柄臂102的中分平面107与各摆动齿条2的分度线201之间的夹角很小。

如图1、2、6所示，两根传动轴4的形状相同，各传动轴4的轴线401与主轴颈101的轴线104平行，在以主轴颈101的轴线104为中心的圆周上的两根传动轴4的轴线401之间的圆弧对应的圆心角等于180°，每根传动轴4上的传动齿轮3的分度圆301与主轴颈101之间的间隔稍大于主轴颈101的轴线104与连杆轴颈103的轴线105之间的距离加上摆动齿条2上的齿条圆环200的中心线204到这个摆动齿条2的分度线201的垂直线段205的长度。

如图8、10所示，通过调整每根传动轴4与主轴颈101之间的距离，可使与每个传动齿轮3同轴的各驱动齿轮5驱动的驱动齿条6及在上止点的活塞8开始向下止点运动时，与每个传动齿轮3啮合的摆动齿条2的分度线201与曲柄臂102的中分平面107接近正交，即与每个传动齿轮3啮合的摆动齿条2与曲柄臂102的夹角接近90°，此时，若活塞7所在的气缸8内的燃气爆发，作用在这个活塞7上的燃气爆发力借助驱动齿条6、顺时针转动的驱动齿轮5和传动轮3及摆动齿条2几乎等值转换为作用在连杆轴颈103上的切向力，连杆轴颈103带动曲轴1将会输出最大的扭矩，模型机实验表明本发明的转换机构输出最大的扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增大2倍以上。

如图2、3所示，附加缸体10紧贴在曲轴箱9的一侧，附加缸体10的长度稍大于每个活塞7的行程，在附加缸体10上的各个气缸8皆相同。

本发明第一实施例的运行过程如下：

运行步骤一：如图1所示，逆时针旋转的连杆轴颈103带动与摆动齿条2啮合的传动轴4上的传动轮3及与其同轴的两个驱动齿轮5逆时针转动，两个逆时针转动的驱动齿轮5各自驱动驱动齿条6及活塞7向上止点运动；与此同时，与另一根摆动齿条2啮合另一根传动轴4上的传动轮3及与其同轴的两个驱动齿轮5顺时针转动，两个顺时针旋转的驱动齿轮5各自驱动齿条6及活塞7向下止点运动。

运行步骤二：如图7所示，参照步骤一所述，当两个逆时针转动的驱动齿轮5各自带动驱动齿条6及活塞7到达上止点时，曲柄臂102的中分平面107与传动轴4上的逆时针转动的传动齿轮3的分度圆301相切；与此同时，顺时针转动的两个驱动齿轮5带动齿条6带动活塞7到达向下止点。

运行步骤三：如图8所示，在上止点的两个活塞7开始向下止点运动时，与摆动齿条2啮合的传动轮3及其同轴的两个驱动齿轮5开始顺时针转动，曲柄臂102的中分平面107与摆动齿条2的分度线201接近正交，即这根摆动齿条2与曲柄臂102接近正交时，若开始向下止点运动的一个活塞7所在的气缸8内的燃气爆发，作用在这个活塞7上的燃气爆发力借助驱动齿条6及与其啮合的顺时针转动的驱动齿轮5和传动轮3及摆动齿条2几乎等值转换为作用在连杆轴颈103上的切向力，连杆轴颈103带动曲轴1将会输出最大的扭矩；与此同时，在下止点的两个活塞7开始向上止点运动，与另一摆动齿条2啮合的传动轮3及其同轴的两个驱动齿轮5开始逆时针转动。

运行步骤四：如图9所示，继续顺时针转动的两个驱动齿轮5驱动驱动齿条6及其端部的活塞7到达下止点；与此同时，继续逆时针转动的传动轮3及其同轴的两个驱动齿轮5带动驱动齿条6端部的活塞7到达上止点，曲柄臂102的中分平面107与另一根传动轴4上的逆时针转动的传动齿轮3的分度圆301相切。

运行步骤五：如图10所示，在下止点的两个活塞7开始向上止点运动，与摆动齿条2啮合的传动轮3及其同轴的两个驱动齿轮5开始逆时针转动；与此同时，与另一摆动齿条2啮合的传动轮3及两个驱动齿轮5开始顺时针转动，在上止点的两个活塞7开始向下止点运动，此时，这根摆动齿条2的分度线201与曲柄臂102的中分平面107接近正交，即摆动齿条2与曲柄臂102接近正交，若开始向下止点运动的一个活塞7所在的气缸8内的燃气爆发，作用在这个活塞7上的燃气爆发力借助驱动齿条6、顺时针转动的驱动齿轮5和传动轮3及与其啮合的摆动齿条2几乎等值传递到连杆轴颈103上，连杆轴颈103带动曲轴1将输出最大的扭矩。

运行步骤六：如图1所示，继续逆时针旋转的连杆轴颈103带动与摆动齿条2啮合的传动轮3及其同轴的驱动齿轮5继续逆时针转动，继续逆时针转动的驱动齿轮5驱动与其啮合的驱动齿条6端部的活塞7向上止点运动；与此同时，与顺时针转动的驱动齿轮5驱动与其啮合的驱动齿条6端部的活塞7继续向下止点运动，本发明的转换机构中的各个部件将周而复始地重复运行步骤一到运行步骤五的运行过程，将两个活塞8的往复直线运动转换为曲轴1转动。

在上述运动过程中，两个限位杆12与两根摆动齿条2的无齿背面202紧密接触，以使每根摆动齿条2的分度线201始终与每个传动轮3啮合，每个定位杆14与每根驱动齿条6的无齿背面601紧密接触，以使每根驱动齿条6的齿面600始终与驱动齿轮5啮合。

通过理论计算表明，本发明的转换机构输出最大的扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增加3倍，模型机实验表明，本发明的转换机构输出最大的扭矩比传统曲轴-连杆机构中输出的最大扭矩增加约2倍以上。

本发明的第二实施例如下所述：

如图11所示，在曲轴箱（9）的两侧壁以主轴颈101的轴线104为中心的圆周上设置相同的三根传动轴4，相邻的各传动轴4的轴线401之间的圆弧对应的圆心角等于120°，在连杆轴颈103上和每根传动轴4上设置的各个部件与第一实施例中的连杆轴颈103上和每根传动轴4上设置的各个部件相同，其中，与每根传动轴4上的两个驱动齿轮5分别啮合的两根驱动齿条6一端部分别与附加缸体10上设置的气缸8中的活塞7铰接，构成只有一付曲轴1的六个气缸8的发动机组。

本发明的第二实施例的运行过程：

参照第一实施例的运行过程，每根传动轴4上各种部件及缸8中的活塞7的运行过程与第一实施例中的每根传动轴4上各种部件及气缸8中的活塞7的运行过程相同。

本发明的第三实施例：

如图12所示，附加缸体10上设置带有柱塞15的水泵缸体19，与每个驱动齿轮5啮合的驱动齿条6两端部与每个水泵缸体19内的柱塞15连接，曲轴箱9外面的曲轴1的主轴颈101通过连接机构16与电动机17的转动轴18相联，电动机17的转动轴18输出的扭矩转换水泵中的柱塞往复直线运动。

以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。