CN1016525B - 一种转动变成直线运动的机构 - Google Patents

Abstract

一种转动变成直线运动的机构。采取摆块的直侧面有牙齿的W机构与有牙齿的直杆或链条相结合的结构。目的是使该机构既具备多齿受力和大减速能力的承载特点，又有较高的机械效率，该机构由偏心轴输入扭矩并带动W机构中的有牙齿的摆块，后者又通过共轭齿的啮合，驱动带齿的直杆或链条作直线往复运动。该机构可广泛应用于起重运输机械和压力机中。

Description

本发明属于一种机械传动。

目前，无论翻阅《机械设计手册》联合编写组编写的1983年6月北京3次印刷的《机械设计手册》，还是检索国际专利文献，均可得出：不通过任何介质，按一定的传动比，直接由连续的转动变成连续的直线运动，且具有很大行程的各种机构，无非是下列几种组合：

（1）螺杆与螺母;

（2）螺杆与齿条;

（3）滚子与螺杆;

（4）齿轮与齿条;

（5）轮子与挠性件。

它们各有所长，也各有所短。前三者传动的特点在于螺旋面的连续滑移或滚动，主动件的圆周速度方向垂直于从动件的直线移动方向。它们共有减速增力及结构紧凑小巧的优点，但（1）、（2）两组合由于承力的螺旋面滑移速率大，使它们的传动效率很低，磨损较为剧烈;第（3）组合除上述共有的优点外，由于承力的螺旋面与滚子互相滚动加上制造精度很高，因而还兼有效率高及运动精细的优点，但随之而来的结构脆弱、工艺性能差和价格较贵，则是它不可避免的缺 点;（4）、（5）两种组合的传动特点是主动轮外圆（或主动轮的节圆）的圆周速度与从动件的直线移动速度一致，所以有一个明显的优点：传动效率很高，寿命较长。但就其组合本身而言，无减速增力的功能。在低速重载的场合，它们均需配备结构庞大的减速器，因而使整机的体积增加，成本也随之大幅度上升。

从以上各种组合的机构可见，结构紧凑与否或制造成本大小与传动效率高低是一对明显存在的似乎不可调和的矛盾。

本发明之目的是提供一种由偏心轴、摆块的直侧面有牙齿的W机构与有牙齿的直杆或链条等组成传动机构的方案。使这种变转动为直线运动的传力机构既具有多齿受力（重合度大）、减速性能好和结构紧凑的优点又能具有较低的齿面滑移速度和较高的传动效率。

本发明是这样实现的：

（一）主要组成及其运动方框图。

主要组成是：偏心轴、摆块直侧面带牙齿的W机构和有牙齿的直杆或链条。

（二）各种W机构在本发明中与“摆块”的关系：

在《行星齿轮传动》（B·H柯特略者夫著，中译本，上海科学技术出版社出版，1962年4月第1次印刷。）一文中第5页记载着这样一段文字：“现在我们来讨论K-H-V传动（图6）。在平行轴之间实现传动比等于+1的机构（以后简称为机构W）是这种传动的不可分割的部分。在W机构中不采用齿轮啮合，……。”在本发明中W机构也同样是不可分割的部分，这是由于它具有独特运动的缘故：设两平行轴分别为A、B。当它们之中任一根轴A与机架固定时，在偏心轴的带动下，另一根轴B将会作平动，其上的任一点轨迹将会是一些同样的以偏心轴的偏心半径为半径的圆。本发明将此B轴作为板块状，且在它的直侧面制出足够多且具有同样齿廓的牙齿，取名“摆块”。从上简述可知：“摆块”上的牙齿，基于“同样轨迹”这一点，在来自与之共轭的带齿直杆或链条上的外力作用下，将会产生几乎同样的应力。这就是本发明之所以有很大重合度的根本所在。

根据《行星齿轮传动》一文的定义，所指的W机构的范围最起码囊括了以下几种机构，按以上构思，它们之中的任一种均可产生本发明中的“摆块”：

（1）平行四边形机构（附图4）：

四杆机构“ABCD”中，曲柄AD与曲柄CB等长，连杆CD与机架AB等长，被称为平行四边形机构。当作为偏心轴且与AD等长的另一曲柄EF以角速度+W旋转时，连杆DC上任一点将会产生E点同样的轨迹-半径等于EF的圆，但就连杆本身而言，它只作平动，与机架一样，它的旋转角速度为零，因而它是W机构的一种，若在这样的连杆的上侧面制出牙齿，即成为本发明的“摆块”了。

（2）少齿差（N型）行星齿轮传动中的输出机构-包括销轴式和滑块式（见《机械设计手册》中册第二版第674页-《机械设计手册》联合编写组编写）。

（3）格林联轴节[十字滚动联轴节-《行星齿轮传动》（B·H柯特略者夫著。陈德健等译，上海科学技术出版社出版。1962年4月第一次印刷）第5页注释。]

如将（2）、（3）机构中与行星轮相固连的部分作成“直侧面有牙齿”，也就成为本发明中的“摆块”了。

（三）偏心轴、摆块以及带齿的直杆或链条之间的关系（附图2、附图3）;

今以直杆或链条上的牙齿齿廓是“圆”（取名此“圆”为针轮或滚子，相应的直杆为针杆，相应的链条为滚子链），摆块上的牙齿齿廓是摆线的等距曲线这一情况为例，作出说明如下（其它类型的共轭齿的情况与此类同）;

图2表示本发明一个实例的结构原理。

图3a、3b、3c及3d表示出某瞬时图2中的摆块（11）、 （12）、（13）及（14）、针轮（4）和各偏心盘（6）之间的关系。图3中的○○₁、○○₂、○○₃及○○₄分别是与摆块相对应的各偏心盘的偏心半径，它们的尺寸均为e，而与水平线的夹角即“相位”φ却分别为0、 1/2 π、π及 3/4 π。它们的相位差△φ＝ 1/2 π。图3还表示出相邻摆块侧面的齿槽（图3a的EFG”。图3d的“E₁F₁G₁”）中心线相对于通过各摆块孔的圆心O1、O2、O3及O4的水平线的位置关系：

图3a两者重合;图3d、3c及3b则分别相距c、2c和3c。其中c叫“直线位差”，其值：

C＝ 1/4 ×2πe＝ 1/2 πe

另外：

（1）当摆块数为m时。相位差△φ＝ (2π)/(m) ;直线位差c＝ (2πe)/(m) 。

（2）针轮节距（或直杆牙齿节距）＝摆块牙齿节距＝T＝2πe。此值与摆块孔的圆心在整转走过的路程相吻合。在这节距中，按需要又可安置n个齿（n＝1、2、3、4），这时节线上相邻牙齿同侧齿廓之距离，称作牙距Tn，其值：

Tn＝ (T)/(n+1)

假设当图2中的由主动轴（5）和偏心盘（6）组成的偏心轴旋转时，使图3中的偏心半径作逆时针方向转动，在图示瞬间，摆块（11）已处在一个周期的末了位置，即将脱离针轮;摆块（14）刚好进入啮合;摆块（13）及（12）均处于脱离位置。若偏心轴转过四分之一转，也就是偏心半径按逆时针方向转过 1/2 π，则各摆块孔的圆心将分别易位：

摆块孔的圆心    易位后所处相位φ

O₄→O

O₃→ 3/4 π

O₂→π

O₁→ 1/2 π

其结果是：摆块（14）结束啮合，摆块（13）进入啮合，其余则处于脱离状态。依此类推，循环不息。这当中每个摆块的工作角度均为 1/2 π-从 3/2 π到2π，并依次推动带齿的直杆或链条移动距离 1/2 πe。在偏心轴转动一整转后，直杆或链条的累计移距为2πe。

从上述可知，欲使直杆或链条能连续运动，摆块的数量必须是二块以上。

（四）在“摆块”的直侧面加工成一定形状的牙齿。

本发明直接承载的从动件为带牙齿的直杆或链条。摆块的牙齿必须与之共轭，即它的齿廓方程应以需求的运动规律及从动件齿廓为条件。以基本啮合定理为根据进行导出。作为例子，下面列出与针轮共轭的摆块齿廓方程如下（附图5）：

设需求的直杆或链条的运动规律为S＝eωt。得：

y（t）＝e（1-Cosωt）+aSin 1/2 ωt……（A）

式中：

S为直杆或链条的移距;t为时间参数;e为偏心轴的偏心距;a为针轮外半径;ω为偏心轴的旋转角速度。图5所示“xoy”是以节线上一点为原点，且与摆块固连的直角坐标系。

方程（A）所代表的是一条摆线a的等距曲线b。它是这样得出的：

用运动转化法使摆块相对于针杆停止运动，而针杆额外获得一个与摆块运动方向相反的平动。这时，与针杆相固定的点O在摆块平面上经过的轨迹，将相当于图5中半径为e的滚圆d在节线ox上滚动时，与之相固定的O点在不动平面上经过的轨迹。此轨迹的等距曲线 （间距为a）即为方程（A）所代表的曲线b。根据同样的理由，当摆块上设置针轮时，在移动的直杆上的共轭齿廓也将是由滚圆m所形成摆线n的等距曲线。另外，作为齿廓，出于应用和加工上的实际需要，在运动精度要求不高的使用场合，可以将曲线b用近似的圆弧来代替。

当偏心距e较大时，用直齿-渐开线作为本发明的共轭齿廓也完全是可行的，总之，只要符合运动规律S＝eωt，又互相共轭的齿廓，均可作为本发明所需要的齿廓。

从上述首先可知，本发明的齿面重合度很大，这是其特点之一。根据式：

S＝eωt;当ωt＝2π时，S＝2πe＝T

可知当偏心距e较小时，主动偏心轴每转一转，带牙齿的直杆或链条之移距也较小，因而本发明具有较好的减速性能，这是其特点之二。当采用四块“摆块”时，根据理论推导得出：如果本发明中的共轭齿廓采用“圆”及“摆线”的等距曲线，它们在传动过程中的损失系数φ约为8.5%。而对于螺旋角为2.5°、摩擦系数为0.1的普通螺旋运动副说来，其损失系数则高达70%。由此可见，本发明还具有较高的传动效率及较长的寿命，这是其特点之三。

基于这些特点，在传递动力相当的情况下，本发明的体积和重量只有齿轮齿条传动机构的 1/3 ～ 1/2 ; 整机传动效率则是螺杆螺母机构的2.5～3倍。它可广泛地应用于起重运输机械和压力机械中。

附图1为本发明一个实例的立体示意图。

附图2为同一实例的结构原理图。

附图3是偏心盘、摆块及针杆的运动关系图。（4）是针轮;（6）是偏心盘;（11）、（12）、（13）和（14）是摆块;O是主动轴的中心;O₁、O₂、O₃和O₄是摆块孔的圆心;e是偏心盘的偏心半径;T是针杆或牙齿的节距。

附图4是平行四杆机构的示意图。

附图5是摆线图。a及n是摆线;d和m是滚圆。它们的半径为e;C是针轮;b是摆线a的等距曲线。[x（t），y（t）]是该等距曲线上点的坐标;xoy是以节线上一点为原点的且与摆块固连的直角坐标系。

下面结合附图叙述本发明的一个实施例，附图1和2所示的一个小型手动起重机械。左侧板（1）与右侧板（10）固定于基础上。主动轴（5）通过衬套支承于左、右侧板上;四块偏心盘（6）以相互间隔90°相位角通过平键与主动轴固连;四块摆块（11）、（12）、（13）和（14）通过四个铜套（7）滑套于四块偏心盘（6）上，三根与主动轴平行的限制销轴（9）通过螺丝、螺母将左、右侧板相互固定，同时又通过三个限制套（8）穿插于上述四块摆块各自的三个孔中。这样，由（1）、（8）、（9）、（10）及（11）、（12）、（13）和（14）组成了本实例的W机构-销轴式输出机构。 四块摆块的右侧面制出摆线（或接近摆线）齿，并可与针轮（4）相啮合，这些齿其节距虽均一致，但不同摆块上齿之间却存有“直线位差”;针轮（4）通过销轴支承于针杆（3）中;针杆（3）一方面通过上述摆线齿支承于与之啮合的摆块右侧面，另一方面又背靠于约束滚轮（2）的圆面上;约束滚轮（2）通过销轴又支承于左、右侧板上。

当主动扭矩通过主动轴右侧轴端传入时，主动轴就带着偏心盘转动，由于销轴式输出机构的作用，每块摆块均作平动，其上各点均作以偏心盘之偏心距为半径的圆运动。通过其上摆线齿与针轮的啮入与啮出，各摆块轮流不断地迫使针杆上升或下降，从而使针杆完成顶（或拉）起置于其上端（或系于其下端）货物的起重使命。

Claims (3)

1、一种转动变成直线运动的机构，其特征在于该机构由偏心轴、摆块直侧面带牙齿的W机构与有牙齿的直杆或链条组成。

2、按照权利要求1所述的机构，其特征在于W机构中设有二块以上的直侧面有牙齿的摆块。

3、按照权利要求1、2所述的机构，其特征在于摆块和直杆或链条上的牙齿齿廓互相共轭或接近共轭。

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