本發(fā)明涉及一種往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置及氣缸裝置，特別是一種應用于機械傳動領(lǐng)域的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置及氣缸裝置。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中將往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的機構(gòu)有多種形式，其中運用最為廣泛的是空氣壓縮機和發(fā)動機中的曲柄連桿機構(gòu)，但是曲柄連桿機構(gòu)的傳動效率較低。以活塞式發(fā)動機為例，采用曲柄連桿機構(gòu)的發(fā)動機的燃料利用率只有30％左右，且長期以來都難以有顯著提升。

為了提高活塞發(fā)動機效率，相關(guān)技術(shù)人員對活塞發(fā)動機的傳動裝置進行了不斷的改進和優(yōu)化，例如公開號為cn105114179a的專利文件公開了一種軸式連桿傳動系統(tǒng)及對置活塞發(fā)動機，該傳動系統(tǒng)包括主軸和至少一個直線往復運動單元，直線往復運動單元包括至少一個直線往復運動體，直線往復運動體與對應軸式連桿的一端固定連接，另一端與對應的推拉框連接，推拉框內(nèi)設置有滑移塊，該滑移塊的兩側(cè)外壁與推拉框的兩橫向內(nèi)側(cè)壁形成滑動配合，滑移塊的內(nèi)圈具有其分度圓呈橢圓狀的內(nèi)齒，內(nèi)齒與對應設置在主軸上的齒輪循環(huán)嚙合，主軸與換向塊之間設置有換向機構(gòu)。該裝置雖然能夠?qū)⒅本€往復運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動，但是由于在工作過程中滑移塊會上下移動，增加了系統(tǒng)的負荷和機械摩擦，并會使系統(tǒng)產(chǎn)生上下擺動，其不僅效率低，噪音大，并且運行不穩(wěn)定，機構(gòu)容易停滯卡死，可靠性低。

又例如公開號為cn1399063a的發(fā)明專利公開了一種扇齒發(fā)動機，其利用扇齒輪機構(gòu)實現(xiàn)活塞往復運動到扇齒輪轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)換，由扇齒輪同時實現(xiàn)齒條正方向嚙合，負方向不嚙合的功能。但是該技術(shù)方案在扇齒輪與齒條脫離后，與活塞桿連成整體的齒條便失去約束，在活塞帶動下仍然會繼續(xù)運動，造成扇齒無法再次與該齒條重新準確嚙合，使傳動無法連續(xù)平穩(wěn)進行。

因此，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種可以顯著提高傳動效率，減少能量損耗，并能實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)運轉(zhuǎn)的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可以顯著提高傳動效率，減少能量損耗，并能實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)運轉(zhuǎn)的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置包括主軸、直線運動導向機構(gòu)、扇齒和可沿直線運動導向機構(gòu)做直線運動的齒框，所述扇齒與主軸固定連接，所述齒框內(nèi)壁設置有齒條，所述齒條包括分設在扇齒兩側(cè)的第一齒條和第二齒條，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置還包括與主軸固定連接的換向機構(gòu)，所述換向機構(gòu)上設置有導向曲面和導向件，所述齒框上設置有換向塊，所述換向塊上設置有第一曲面和第二曲面，當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于傳動狀態(tài)時，扇齒與齒條嚙合；當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于過渡狀態(tài)時，扇齒與齒條嚙合的同時，換向塊的第一曲面處于受導向件外表面約束的狀態(tài)，換向塊的第二曲面處于受導向曲面約束的狀態(tài)；當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于換向狀態(tài)時，扇齒與齒條脫開，且換向塊的第一曲面處于受導向件外表面約束的狀態(tài)，換向塊的第二曲面處于受導向曲面約束的狀態(tài)。

進一步的是，所述導向件包括與換向機構(gòu)固定連接的導向軸和套設在導向軸上的滾輪。

進一步的是，所述滾輪與導向軸之間設置有滾動軸承。

進一步的是，所述齒條為外齒輪型齒條，所述扇齒的軸線與主軸的軸線不重合。

進一步的是，所述直線運動導向機構(gòu)為導軌，所述導軌與齒框之間設置有滾子。

進一步的是，所述換向塊設置在關(guān)于齒框的水平橫向中軸線對稱的齒框左右兩端外側(cè)面。

進一步的是，所述換向機構(gòu)為一個，所述換向塊為單側(cè)設置。

進一步的是，所述第一曲面由過渡曲面和換向曲面組成，所述換向曲面為圓弧形曲面，且在換向過程中，換向曲面圓心在主軸的中心線上。

本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供了一種可以顯著提高傳動效率，減少能量損耗，并能實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)運轉(zhuǎn)的氣缸裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的氣缸裝置，包括往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置、連桿、活塞和缸體，所述缸體套設在活塞上，所述連桿一端與活塞連接，另一端與齒框連接，所述缸體的一端設置有缸蓋，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置上設置有端蓋，所述缸體的另一端與端蓋連接。

進一步的是，所述連桿、活塞、缸蓋、端蓋和缸體成對設置在同一個齒框的兩側(cè)。

本發(fā)明的有益效果是：采用本申請的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置通過與主軸同步轉(zhuǎn)動的換向機構(gòu)和設置在齒框上的換向塊使齒框在過渡階段和換向階段受到換向機構(gòu)的精確約束，按照設定的軌跡移動，保證了扇齒從與一邊齒條逐漸脫離到完全脫離，然后又與另一邊齒條從逐漸嚙合到完全嚙合的過程連續(xù)且平穩(wěn)過渡。并使扇齒可以重新與齒條精確嚙合，使整個往復直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動的過程連續(xù)，準確完成，且裝置運行過程沖擊小，換向平穩(wěn)，機械損耗小。

附圖說明

圖1為本裝置傳動階段的主視圖；

圖2為本裝置傳動階段的剖視圖；

圖3為本裝置傳動階段的俯視圖；

圖4為本裝置過渡階段的主視圖；

圖5為本裝置過渡階段的剖視圖；

圖6為本裝置過渡階段的俯視圖；

圖7為本裝置換向階段的主視圖；

圖8為本裝置換向階段的剖視圖；

圖9為本裝置換向階段的俯視圖；

圖10為本裝置應用在對置雙缸四沖程活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11本裝置應用在對置雙缸雙二沖程活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是換向機構(gòu)對稱設置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是換向塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14為本裝置應用在對置氣缸對置活塞二沖程發(fā)動機結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖中零部件、部位及編號：主軸1、直線運動導向機構(gòu)2、扇齒3、齒框4、第一齒條41、第二齒條42、換向塊43、第一曲面431、過渡曲面4311、換向曲面4312、第二曲面432、換向機構(gòu)5、導向曲面51、滾輪511、導向軸512、導向件52、連桿6、活塞7、缸體8、缸蓋9、端蓋10。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置，包括主軸1、直線運動導向機構(gòu)2、扇齒3和可沿直線運動導向機構(gòu)2做直線運動的齒框4，所述扇齒3與主軸1固定連接，所述齒框4內(nèi)壁設置有齒條，所述齒條包括分設在扇齒3兩側(cè)的第一齒條41和第二齒條42，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置還包括與主軸1固定連接的換向機構(gòu)5，所述換向機構(gòu)5上設置有導向曲面51和導向件52，所述齒框4上設置有換向塊43，所述換向塊43上設置有第一曲面431和第二曲面432，前述部件的運動關(guān)系為，當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于傳動狀態(tài)時，扇齒3與齒條嚙合；當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于過渡狀態(tài)時，扇齒3與齒條嚙合的同時，換向塊43的第一曲面431處于受導向件52外表面約束的狀態(tài)，換向塊43的第二曲面432處于受導向曲面51約束的狀態(tài)；當往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置處于換向狀態(tài)時，扇齒3與齒條脫開，且換向塊43的第一曲面431處于受導向件52外表面約束的狀態(tài)，換向塊43的第二曲面432處于受導向曲面51約束的狀態(tài)。本發(fā)明的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置可以實現(xiàn)齒框4的往復直線運動與主軸1的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的相互轉(zhuǎn)換。其工作過程分成三個階段：

一、傳動階段，如圖1、圖2，及圖3所示，在此階段扇齒3與齒條嚙合，齒條與齒框4一起做直線運動，扇齒3與主軸1同步轉(zhuǎn)動。齒條通過與扇齒3的嚙合實現(xiàn)齒框的往復直線運動與主軸1的旋轉(zhuǎn)運動的相互轉(zhuǎn)換。

二、過渡階段，如圖4、圖5，及圖6所示，在此階段扇齒3與齒條的末端嚙合，同時換向機構(gòu)5在主軸1帶動下轉(zhuǎn)動到導向件52及導向曲面51對齒框4上的換向塊43產(chǎn)生約束的位置，此時換向塊43處于導向件52及導向曲面51之間不能自由平移。

三、換向階段，如圖7、圖8，及圖9所示，在此階段扇齒3與的齒條完全脫開，但是導向件52與導向曲面51仍然處于對換向塊43產(chǎn)生約束的位置，此時換向塊43處于導向件52及導向曲面51之間不能自由平移。

在過渡階段和換向階段，導向件52及導向曲面51對齒框4上的換向塊43產(chǎn)生約束，即換向塊43只能在導向件52與導向曲面51之間所形成的區(qū)域范圍內(nèi)移動。

當前述換向階段結(jié)束后，裝置又重新進入過渡階段，扇齒3與另一邊齒條的末端開始嚙合，隨著裝置的繼續(xù)運轉(zhuǎn)，扇齒3與齒條完全嚙合，本裝置又開始進入傳動階段，并周而復始重復前述三個階段，使本裝置可以連續(xù)運轉(zhuǎn)。

在換向階段由于齒條與扇齒3完全脫開，在沒有扇齒3約束的情況下齒框4有繼續(xù)運動的趨勢，如果齒框4繼續(xù)運動則扇齒3和齒條就無法在下一個階段正確嚙合，導致裝置無法連續(xù)運轉(zhuǎn)。而本申請的換向機構(gòu)5與主軸1同步轉(zhuǎn)動，當扇齒3轉(zhuǎn)動到換向階段時換向機構(gòu)5也轉(zhuǎn)動到換向位置，此時換向塊43的第一曲面431與導向件52外表面接觸，這樣導向件52的外表面對換向塊43的一側(cè)產(chǎn)生約束，同時換向塊43的第二曲面432與導向曲面51接觸，這樣導向曲面51對換向塊43的另一側(cè)也產(chǎn)生約束。在導向件52和導向曲面51的共同約束下，與齒框4固定連接的導向塊使齒框4的運動受到限制后保持靜止狀態(tài)，直至扇齒3轉(zhuǎn)動到與齒條重新嚙合進入過渡階段。

在過渡階段由于齒條與扇齒3只是部分嚙合，單齒所受載荷較大，而本申請利用與主軸1同步轉(zhuǎn)動的換向機構(gòu)5，讓扇齒3轉(zhuǎn)動到過渡階段時且換向塊43的第一曲面431與導向件52外表面接觸，換向塊43的第二曲面432與導向曲面51接觸，此時換向機構(gòu)5上的曲面對換向塊43起到導向作用，通過上述換向機構(gòu)5與換向塊43的相互作用與約束使換向塊43沿著預定的軌跡做水平直線移動，并且在過渡階段中原本加在扇齒3和齒條上的作用力還被分擔到換向機構(gòu)5的導向件52外表面及換向塊43的曲面上，使得本裝置在過渡過程中運行平穩(wěn)，避免了出現(xiàn)卡死停滯的情況。本申請的直線運動導向機構(gòu)2起到導向作用，以保證齒框4在直線運動導向機構(gòu)2的限制下做準確地直線運動。

所述導向件52包括與換向機構(gòu)5固定連接的導向軸512和套設在導向軸512上的滾輪511，使導向件52的滾輪511可以相對換向機構(gòu)5自由轉(zhuǎn)動，當換向塊43與導向件52接觸時為滾動摩擦，可以降低摩擦力。

滾輪511與導向軸512之間設置有滾動軸承，采用滾動軸承可以最大限度減低摩擦力。

齒條為外齒輪型齒條，所述扇齒3的軸線與主軸1的軸線不重合，以適應扇齒與齒條的有效嚙合。此處扇齒的軸線是指扇齒所對應的齒輪的軸線。齒框4的齒條采用直線型齒條或外齒輪型齒條，與之相匹配的扇齒3的軸線與主軸1的軸線也相應有同軸或非同軸，優(yōu)選采用外齒輪型齒條與偏軸扇齒3的配合，相比直線型齒條外齒輪型齒條有如下優(yōu)點：可以減少過渡階段的扇齒3與齒條的切齒程度，并且扇齒3與齒條的嚙合更好，有利于改善扇齒3與齒條的受力，特別是末齒的受力，提高扇齒3和齒條的耐磨性，且能更平緩的實現(xiàn)過渡階段的過渡，減少過渡階段中產(chǎn)生的沖擊噪音。

直線運動導向機構(gòu)2為導軌，所述導軌與齒框4之間設置有滾子。采用導軌限位結(jié)構(gòu)簡單，體積小，限位精準，增設滾子可以減少齒框4與導軌間的摩擦。此外也可以采用限位滾輪511等其他限位方式。

所述換向塊43設置在關(guān)于齒框4的水平橫向中軸線對稱的齒框4左右兩端外側(cè)面。采用前述方案，通過對稱布置的方式來增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以使本裝置工作過程更加平穩(wěn)。

如圖12所示，本申請的換向機構(gòu)也可以采用對稱設置的形式。

作為其中的一種結(jié)構(gòu)形式，本裝置中的換向機構(gòu)5可以為一個，其換向塊43也相應為單側(cè)設置。

所述第一曲面431由過渡曲面4311和換向曲面4312組成，所述換向曲面4312為圓弧形曲面，且在換向過程中，換向曲面4312圓心在主軸的中心線上。在過渡過程中換向塊受過渡曲面4311約束，使齒框在移動過程中平穩(wěn)地從過渡過程轉(zhuǎn)換到換向過程。在換向過程中，換向塊43受換向曲面4312約束，由于換向曲面4312為圓弧形曲面，此時其圓心在主軸1的中心線上，這樣使齒框在換向過程中保持當前位置不變，直至換向結(jié)束重新進入過渡階段。采用前述方法可使各個過程之間順利銜接，使本裝置可以連續(xù)順暢地運轉(zhuǎn)。

如圖10所示，本發(fā)明采用的氣缸裝置，包括往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置、連桿6、活塞7和缸體8，所述缸體8套設在活塞7上，所述連桿6一端與活塞7連接，另一端與齒框4連接，所述缸體8的一端安裝有缸蓋9，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置上設置有端蓋10，所述缸體8的另一端與端蓋10連接。本申請的氣缸裝置，是在往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置基礎(chǔ)上加上活塞與氣缸等主要部件所構(gòu)成。由于本申請的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置具有傳動效率高，能耗低，并能實現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)運轉(zhuǎn)的特點，因此采用本申請的往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置替換現(xiàn)有技術(shù)的曲軸連桿6機構(gòu)進行傳動，可以大大提高氣缸裝置的效率，減少現(xiàn)有技術(shù)中活塞7對缸體8產(chǎn)生的磨損。具體實施時只需要在活塞7與齒框4之間增加連桿6，使活塞7的直線運動通過連桿6傳遞給齒框4，然后通過本裝置將齒框4的往復直線運動轉(zhuǎn)換成主軸1的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動后輸出。此外采用本申請的氣缸裝置后，相比現(xiàn)有技術(shù)，活塞7兩側(cè)的腔體均可以得到有效利用，且由于本申請的裝置的齒框與活塞的側(cè)向力均由導軌來承擔，因此避免了現(xiàn)有技術(shù)活塞7對缸體8側(cè)壁的磨損。由于發(fā)動機和壓縮機的核心傳動方式是往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置，本申請的氣缸裝置，根據(jù)具體需求的不同，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在本氣缸裝置基礎(chǔ)上可以將其設計成發(fā)動機，也可以設計成為壓縮機。

采用本申請的氣缸裝置可以組成各種形式的發(fā)動機和壓縮機，其包括但不限于以下形式：

作為一種優(yōu)選的實施方式，本申請的氣缸裝置還可以將連桿6、活塞7、缸蓋9、端蓋10和缸體8成對設置在同一個齒框4的兩側(cè)，這樣就可以作為雙活塞的發(fā)動機或者壓縮機使用。

所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置為多個的組合，所述多個往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置通過同一根動力軸輸出動力或者通過同一根動力軸接收動力輸入。

由于發(fā)動機和壓縮機的核心傳動方式是往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置，本申請的氣缸裝置，根據(jù)具體需求的不同，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在本氣缸裝置基礎(chǔ)上可以將其設計成發(fā)動機，也可以設計成為壓縮機。

還可以根據(jù)上述形式進行合理組合。

本申請的幾個具體實施例如下

實施例一，如圖10，對置雙缸四沖程活塞發(fā)動機，包括往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置、連桿6、活塞7和缸體8，所述連桿6一端與活塞7連接，另一端與齒框4連接，所述缸體8的一端設置有缸蓋9，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置上設置有端蓋10，所述缸體8的另一端與端蓋10連接?；钊挥跉飧變?nèi)并可在氣缸內(nèi)往復運動，活塞將氣缸隔離為前后兩個可變空腔，活塞的前表面對應的空腔稱為前腔,所示通過活塞的往復運動，及配氣系統(tǒng)控制缸蓋9上的進氣口，排氣口，前腔依次進行壓縮，做功，排氣，吸氣四沖程循環(huán)。

實施例二，如圖11，對置雙缸雙二沖程活塞發(fā)動機，包括往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置、連桿6、活塞7和缸體8，所述連桿6一端與活塞7連接，另一端與齒框4連接，所述缸體8的一端設置有缸蓋9，所述往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置上設置有端蓋10，所述缸體8的另一端與端蓋10連接?；钊挥跉飧變?nèi)并可在氣缸內(nèi)往復運動，活塞將氣缸隔離為前后兩個可變空腔，活塞7的前表面對應的空腔稱為前腔,活塞7的后表面對應的空腔稱為背腔，所示通過活塞7的往復運動，活塞的裙部控制缸體8上的進氣口，配氣系統(tǒng)控制缸蓋9上的排氣口，前腔進行壓縮，做功，掃氣，二沖程循環(huán)，背腔進行吸氣，壓縮循環(huán)，并通過缸體氣路及缸體進氣口提供前腔掃氣過程的壓縮氣。

實施例三，單缸四沖程活塞發(fā)動機，在實施例一的基礎(chǔ)上，去掉一邊的氣缸，汽缸蓋，活塞及連桿，即可構(gòu)成本實施例的單缸四沖程活塞發(fā)動機。

實施例四，單缸二沖程活塞發(fā)動機，在實施例二的基礎(chǔ)上，去掉一邊的氣缸，汽缸蓋，活塞7及連桿，即可構(gòu)成本實施例的單缸單活塞二沖程發(fā)動機。

實施例五，如圖14，采用三套往復直線運動與旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換裝置，在同一個活塞缸中對置設置兩個連桿6及兩個活塞7，形成對置氣缸對置活塞二沖程發(fā)動機，即opoc發(fā)動機。