半圆型齿轮传动式往复直线运动与圆周运动转化器的制作方法

本发明涉及机械传动领域，具体为一种半圆型齿轮传动式往复直线运动与圆周运动转化器。

背景技术

目前，广泛应用曲轴连杆机构将往复直线运动转化为圆周运动，比如在活塞式内燃机中，可以将活塞在汽缸内的往复直线运动通过曲轴连杆转化为动力输出轴的圆周运动，如图1所示。不可否认，曲轴连杆机构具有结构简单，可靠性高等优点，但也存在着在工作过程中，活塞会挤压单侧缸壁，给汽缸密闭，及减小摩擦带来挑战，同时会产生振动，特别是在做功冲程中活塞的直线运动在通过曲轴连杆转化为动力轴圆周运动过程中，由于曲轴连杆自身结构特点，对于动力轴扭矩而言，其力臂只在某一特定点为最大，其余工作点皆小于它，尤其在上止点附近，汽缸内温度、压力最大时力臂反而处于最小区间，这会影响扭矩输出，进而影响发动机效率。

技术实现要素：

为了解决上述问题，设计出了半圆型齿轮传动式往复直线运动与圆周运动转化器。

本发明采用的技术方案是：一种半圆型齿轮传动式往复直线运动与圆周运动转化器，包括直线形齿条和半圆形齿轮；所述直线形齿条与发动机的活塞连接，两直线形齿条的齿相向设置，半圆形齿轮位于两直线形齿条之间，半圆形齿轮的中心安装有动力输出轴，直线形齿条随活塞做往复直线运动，带动半圆型齿轮做圆周运动，从而输出动力。

所述半圆形齿轮两端的齿均设置为活动结构，能够在直线形齿条运行过程中随具体情况发生相应变化。当直线形齿条位于下止点时，半圆形齿轮顺时针转动，半圆形齿轮弧线形一侧位于下部，直线形一侧处于水平状态；半圆形齿轮左侧的活动齿与左侧的直线形齿条啮合，该活动齿连接有一连杆，连杆的另一端垂直固连有挡片，所述的活动齿与半圆形齿轮的主体通过轨道滑动配合连接，半圆形齿轮的中心转动连接一凸轮轴，所述凸轮轴转动中推动挡片，使该处的活动齿能够沿半圆形齿轮的径向伸缩运动。

当直线形齿条位于下止点时，半圆形齿轮顺时针转动，其右侧的活动齿通过连接件与半圆形齿轮的中心转动连接，此刻活动齿与半圆型齿轮开始分离，另外半圆形齿轮的中心转动连接有两个凸轮轴和一个小齿轮，所述小齿轮通过连杆与右侧活动齿连接，并与一直齿条啮合；所述直齿条与半圆形齿轮滑动配合连接，且其两端平行设置有连接杆，所述连接杆的相向侧分别固连有挡板，当凸轮轴转动推动挡板，使直齿条直线往复运动，从而带动小齿轮转动，进而控制右侧活动齿的逆时针或顺时针转动，实现其与半圆形齿轮主体部分的分离或结合。

所述两个直线形齿条设有上止点和下止点，上止点和下止点分别由限位机构控制，所述限位机构包括两个凸轮轴，和设于两凸轮轴之间的限位杆，限位杆的两端分别设有挡片，限位杆通过连杆与两直线形齿条硬连接，凸轮轴转动能够推动挡片带动限位杆上下移动；所述凸轮轴分别固连有转轴，转轴上分别同轴固连有传动齿轮，所述传动齿轮与安装于半圆形齿轮的动力输出轴上的主动齿轮啮合；根据传动需求可以在主动齿轮和传动齿轮之间设置至少一个过渡齿轮。

本发明的有益效果是：用半圆形齿轮和齿条代替传统的曲轴连杆，系统运动时输现轴部部分的力臂始终为半圆形齿轮的半径r，而曲轴连杆在上止点时，汽缸内压力最大，而输出轴部分力臂却几乎为0，这种新结构可以提升扭矩，使能量转化更为顺畅，进而提高发动机效率；同时，采用该种结构运行稳定，解决了曲轴连杆结构对缸体单侧的冲击力，减少了震动。

附图说明

图1为曲轴连杆转化器的结构示意图。

图2为直线形齿条位于下齿点时半圆型齿轮与其啮合状态的结构示意图。

图3为直线形齿条往上运动带动半圆型齿轮顺时针转动180度到达齿条上止点的结构示意图。

图4为直线形齿条往下运动带动半圆型齿轮顺时针转动180度回到齿条下止点的结构示意图。

图5为半圆型齿轮和直线型齿条的连接结构示意图。

图6为限位机构的结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，此装置主要由两根与发动机活塞3相连的直线形齿条1和与直线形齿条1相啮合的半圆型齿轮2组成，齿条随活塞做往复直线运动，带动半圆型齿轮2做圆周运动，从而输出动力。从图2到图4为它的一个完整工作过程。图2中，直线形齿条1从下止点往上运动带动半圆型齿轮2顺时针转动至图3，即到达齿条上止点，齿轮旋转180度。图3中直线形齿条1向下运动，继续带动半圆型齿轮2顺时针转动至图4，即回到齿条下止点完成一次工作过程。

以上为此装置工作过程，但还有一些细节问题，需添加几个伺服机构加以解决。问题和解决方案如下：

1、图2至图4中a处的问题：在从图3运动至图4中a处齿轮上的活动齿2-1要与直线形齿条1左侧齿条上的齿发生啮合，但此过程中，两者是相向而行，会发生撞齿，无法啮合。为解决此问题，a处的活动齿2-1连接有一连杆5，连杆5的另一端垂直固连有挡片6，所述a处的活动齿2-1与半圆形齿轮2通过轨道7滑动配合连接，半圆形齿轮2的中心转动连接一凸轮轴8，所述凸轮轴8转动中推动挡片6，使a处的活动齿2-1沿半圆形齿轮2的径向伸缩运动。从而实现当半圆型齿轮2转动到某一位置时，a处的活动齿2-1开始收缩进去，防止撞齿，转动另一些位置时，再将a处的活动齿2-1释放出来与直线形齿条1上的齿啮合，参与传动。且在一个工作过程中，会出现两次收缩释放的情况。收缩、释放如图5所示。

2、图2至图4时b处的问题：在图2中，b处齿轮上的活动齿2-2与右侧齿条上的齿啮合，在从图2至图3运动过程中右侧齿条向上运动带动及b处活动齿2-2逆时针转动与a处活动齿2-1顺时针转动刚好相反。为解决这个问题，b处应如图5所示，b处的活动齿2-2与半圆型齿轮2分离，并通过连接件9与半圆形齿轮2的中心转动连接，半圆形齿轮2的中心动力输出轴4转动连接有两个凸轮轴10、11和一个小齿轮12，所述小齿轮12通过连杆13与b处活动齿2-2连接，并与一直齿条14啮合；所述直齿条14与半圆形齿轮2滑动配合连接，且其两端平行设置有连接杆15，所述连接杆15的相向侧分别固连有挡板16、17，当凸轮轴10、11转动推动挡板16、17，使直齿条14直线往复运动，从而带动小齿轮12转动，进而控制b处活动齿2-2的逆时针或顺时针转动，实现其与半圆形齿轮2主体部分的分离或结合。

且如图2至图4所示一个工作过程，出现两次分离再重新结合的情况。当然b处活动齿2-2的分离和重新结合，也可由行星齿轮机构实现。

3、上、下止点的限位。要实现齿条在上、下止点处静止不动，需两限位机构18控制，具体结构包括：两个凸轮轴19、20，和设于两凸轮轴19、20之间的限位杆21，限位杆21的两端分别设有挡片22、23，限位杆21通过连杆24与两直线形齿条1硬连接，凸轮轴19、20转动能够推动挡片22、23带动限位杆21上下移动；所述凸轮轴19、20分别固连有转轴25、26，转轴25、26上同轴固连有传动齿轮27、28，所述传动齿轮27、28与安装于半圆形齿轮2的动力输出轴4上的主动齿轮29啮合。限位杆21运动至最上端的位置时，直齿条抵达上止点；限位杆21运动至最下端的位置时，直齿条抵达下止点，如图6所示。

半圆型齿轮2传动虽然结构比曲轴连杆复杂，主要是增加了齿条、齿轮、几个凸轮轴，但在现有技术条件下相关部件之间的摩擦、损耗问题已能很好解决，如汽车变速箱中也有大量齿轮传动，进、排气门开关也靠凸轮轴控制，半圆型齿轮2传动可以增加扭矩进而提升发动机效率。

该转化器输出扭矩力臂在任意时刻均为半圆齿轮2的半径r，故而力臂恒定，扭矩只随气缸产生的压力变化，从而使整体输出效率较曲轴连杆结构大幅提高，且输出稳定。总体而言，半圆型齿轮2传动优于曲轴连杆传动。