一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構的制作方法
【專利摘要】一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱由主動切換不完整非圓齒輪(5)、第一從動切換不完整非圓齒輪(4)、第一從動切換不完整非圓齒輪(6)、圓柱齒輪系、箱體、箱蓋等構成。它是一種當輸入軸連續運轉，輸出軸以變化的速度順時針、逆時針往復切換旋轉方向的動力傳動裝置。主動切換不完整非圓齒輪(5)有二個變形切換齒、從動切換不完整非圓齒輪(4)(6)各有二個變形切換齒槽。主動切換不完整非圓齒輪(5)、從動切換不完整非圓齒輪(4)(6)的節曲線根據不同的主機負載和運動要求呈現多樣性的技術特征。一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構可以單軸或多軸輸出變速的往復切換旋轉方向的運動，可替代某些機械或電控換向機構。
【專利說明】一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構，其用于需要輸入 軸連續旋轉運動和輸出軸連續往復切換旋轉方向的各類機械機構。本發明屬于機械設備領 域，可應用于輕工機械行業或石油鉆采行業機械設備的往復換向及傳動機構。
【背景技術】
[0002] 許多機械設備都需要往復循環旋轉的動作，有些機械設備還需要多軸多位置輸出 往復切換旋轉方向的機構，如輕工行業的煙草機械、飲料機械，包裝機械、糧油機械、印刷機 械等。目前，一些重工機械設備也迫切需要這類機構，如石油鉆采行業的立式抽油機就是其 中一個典型案例。傳統的往復切換旋轉方向的機械機構，較為復雜，壽命和可靠性好的結構 形式不多。下面我們以石油鉆采行業的立式抽油機作為一個經典案例加以分析。
[0003] 眾所周知，作為石油鉆采設備主力裝備的游梁式抽油機，以特別能適應野外全天 候的惡劣工作環境而著稱，同時其結構簡單，易損件少，堅實耐用，可靠性強，操作簡便，維 修方便，維修費用低的優勢，使其一直在采油設備中占據主導地位。
[0004] 隨著井深和產量的不斷增加，同時隨著油井開采復雜情況的不斷出現，如高粘度、 多蠟、多沙、多氣、水淹和強腐蝕等工況，使傳統游梁式抽油機的許多問題明顯顯現出來，主 要是游梁式抽油機的能耗高、重量大，難以實現長沖程、低沖次抽油，在抽油生產中抽油桿 的事故增多，抽油泵的排量降低等。為了克服這些缺點，國內外許多廠家先后研制了前置式 抽油機、異相曲柄抽油機、空氣平衡抽油機等，雖然克服了常規游梁式抽油機的一些缺點， 但是仍沒有脫離傳統游梁式抽油機利用四連桿機構將旋轉運動轉化為往復直線運動的傳 動方式。這種四連桿機構的運動和受力特性使其在節能分析中飽受詬病，尤其是大馬拉小 車和副扭矩大的耗能問題不斷被人們的科學實踐所挑戰，各類新型節能無游梁式抽油機因 此也不斷問世。
[0005] 上個世紀80年代以后，各采油設備生產廠家相繼研發了新一代高效節能型抽油 機，糾正了上述機型的大部分問題，各種無游梁式抽油機相繼開始生產并投入采油工地使 用，無游梁的立式抽油機就是其中的典型代表。它的優點是取消了游梁式抽油機使用四連 桿機構將旋轉運動轉化為直線運動的耗能傳動環節。立式抽油機的運動規律是使用一種寬 幅皮帶或鏈條在滾筒和滾輪或鏈輪的驅動引導下做順時針、逆時針往復切換旋向的旋轉運 動，從而帶動抽油桿和抽油泵將地下原油抽吸到地面上來，不同規格的立式抽油機有不同 的沖程和沖次，當立式抽油機上下沖程換向期間才有短時間的變速運動，90%的沖程長度 是直上直下的勻速運動，因而動載較小，總機重量小，只是游梁式抽油機的三分之一到二分 之一。結構緊湊，占地面積小，特別適合做長沖程抽油機，加大沖程通過增加臺架高度的方 法完成。立式抽油機容易實現長沖程，長沖程抽油機的沖次較低，大大降低了運動系統的加 速度，慣性載荷小，慣性載荷大幅度下降，抽油機性能得到較大改善。但是，這種立式抽油機 也有其致命弱點：其一是立式鏈條抽油機的換向機構故障率較高，易損壞，其二是立式皮帶 抽油機的電機換向變頻器成本高，且難以勝任全天候的惡劣工作環境。所以，至今難以大規 模的替代游梁式抽油機。
[0006] 尋找一種機械的換向機構，使立式抽油機既具備游梁式抽油機換向可靠耐用的優 勢，又同時可以降低制造成本，適應全天候工作的惡劣環境條件。如此，立式抽油機換向部 件壽命短、不可靠的弱點就可以得到有效徹底的改變，從而使這種具有明顯技術優勢的立 式抽油機更加適應各種復雜的工作條件和環境。
【發明內容】
[0007] 1. -種切換往復不完整非圓齒輪變速箱，包括輸入軸1以及位于該輸入軸1上的 主動切換不完整非圓齒輪5、第一傳動軸2以及位于該第一傳動軸2上的第一從動切換不完 整非圓齒輪4和第一圓柱齒輪8、第二傳動軸3以及位于該第二傳動軸3上的第二從動切換 不完整非圓齒輪6和第二圓柱齒輪7、箱體11和箱蓋12,所述第一從動切換不完整非圓齒 輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6位于所述主動切換不完整非圓齒輪5的兩邊且并排 嚙合安裝，第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的旋轉速度變 化是從慢到快、勻速快速、從快到慢、再到切換旋向，當輸入軸1以及位于其上的主動切換 不完整非圓齒輪5按照順時針或逆時針方向每旋轉360度時，第一傳動軸2和第二傳動軸 3則同時按照逆時針、順時針或順時針、逆時針的順序各旋轉一次，
[0008] 其特征在于：
[0009] 主動切換不完整非圓齒輪5順時針旋轉并開始與第二從動切換不完整非圓齒輪6 的有齒形部分進入相互嚙合時，第二從動切換不完整非圓齒輪6與同軸動力連接的第二圓 柱齒輪7開始作逆時針旋轉，與第二圓柱齒輪7嚙合的第一圓柱齒輪8以及與第一圓柱齒 輪8同軸動力連接的第一從動切換不完整非圓齒輪4做順時針旋轉，當主動切換不完整非 圓齒輪5與第二從動切換不完整非圓齒輪6嚙合并順時針旋轉了 180度時，第二傳動軸3 以及位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪6和第二圓柱齒輪7則逆時針旋轉了一次， 第一傳動軸2以及位于其上的第一從動切換不完整非圓齒輪4、第一圓柱齒輪8則順時針旋 轉了 一次；
[0010] 當主動切換不完整非圓齒輪5繼續順時針旋轉并開始與第一從動切換不完整非 圓齒輪4的有齒形部分進入相互嚙合時，第一從動切換不完整非圓齒輪4與同軸動力連接 的第一圓柱齒輪8均作逆時針旋轉，與第一圓柱齒輪8嚙合的第二圓柱齒輪7以及與第二 圓柱齒輪7同軸動力連接的第二從動切換不完整非圓齒輪6做順時針旋轉，當主動切換不 完整非圓齒輪5與第一從動切換不完整非圓齒輪4嚙合并順時針繼續旋轉了 180度時，第 二傳動軸3以及位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪6和第二圓柱齒輪7順時針旋轉 了一次，第一傳動軸2以及位于其上的第一從動切換不完整非圓齒輪4、第一圓柱齒輪8則 逆時針旋轉了一次。
[0011] 2.根據權利要求1所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，其還具 有輸出軸10以及位于該輸出軸10上的輸出軸圓柱齒輪9，所述輸出軸圓柱齒輪9與所述第 一圓柱齒輪8或與第二圓柱齒輪7嚙合，或采用2組輸出軸10以及位于其上的輸出軸圓柱 齒輪9同時與第一圓柱齒輪8和第二圓柱齒輪7嚙合。
[0012] 3.根據權利要求1所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于：
[0013] 所述主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28由二個弧度為60度的變速區29、一 個弧度為60度的勻速區30、一個弧度為180度無齒型區31構成；所述主動切換不完整非 圓齒輪5的節曲線28中的勻速區30位于有齒形部分，對應大圓弧R1區域；所述主動切換 不完整非圓齒輪5的節曲線28中的無齒型區31對應小圓弧R2區域；主動切換不完整非圓 齒輪5的中心線通過勻速區30中間的一個齒槽；所述主動切換不完整非圓齒輪5的齒數是 偶數，齒槽數是奇數，
[0014] 第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33 均由二個角度為60度的變速區35、一個弧度為180度的勻速區37、一個弧度為60度的無 齒型區36構成；所述第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的 節曲線33中的勻速區37位于有齒形部分，對應小圓弧R2區域；所述第一從動切換不完整 非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33中的無齒形區36對應大圓弧R1 區域；第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的旋轉中心線通 過勻速區37中段部位的一個輪齒；所述第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不 完整非圓齒輪6的齒數是奇數，齒槽數則是偶數，
[0015] 所述主動切換不完整非圓齒輪5、第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切 換不完整非圓齒輪6的旋轉中心"0"，是大圓弧R1和小圓弧R2的幾何中心，
[0016] 主動切換不完整非圓齒輪5與第一從動切換不完整非圓齒輪4或第二從動切換不 完整非圓齒輪6嚙合運轉時，當從動切換不完整非圓齒輪嚙合運行至勻速區時，其傳動比I 符合公式：
[0017] I = R1/R2,
[0018] I的取值區間是：最大數值為Imax=Rl :最小數值為Imin = 1/R1 ;
[0019] 所述主動切換不完整非圓齒輪5變速區29的節曲線32、第一從動切換不完整非圓 齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6變速區35的節曲線34的數學表達式F( α )均符 合公式：
[0020] F(a )=Rl*sin(a )/R2 ;
[0021] 其中：
[0022] R1為主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28、第一從動切換不完整非圓齒輪4和 第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33的大圓弧區域的半徑；
[0023] R2為主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28、第一從動切換不完整非圓齒輪4和 第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33的小圓弧區域的半徑；
[0024] a為主動切換不完整非圓齒輪5的變速區29節曲線32、第一從動切換不完整非 圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的變速區35節曲線34上的任意一點在其各自 完整的節曲線坐標系內對應的角度。
[0025] 4.根據權利要求1-3之一所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于， 在所述主動切換不完整非圓齒輪5的2個變速區29靠近無齒型區31的端部各有一個變形 切換齒39 ;在所述第一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的2 個變速區35靠近無齒型區36的端部各有一個變形切換齒齒槽38。
[0026] 5.根據權利要求4所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，所述主 動切換不完整非圓齒輪5的變形切換齒39的齒厚是與其相鄰輪齒齒厚的3倍，變形切換齒 39的齒全高是與其相鄰輪齒齒全高的1. 0倍至1. 65倍，變形切換齒39的齒頂線線段形狀 和與其相鄰的節曲線線段平行，該變形切換齒39的齒廓仍是漸開線齒廓。
[0027] 6.根據權利要求5所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，所述第 一從動切換不完整非圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的變形切換齒齒槽38的 齒槽厚度是與其相鄰的輪齒齒槽厚度的3倍，變形切換齒齒槽38的齒槽深度是與其相鄰的 輪齒齒槽深度的1. 〇倍至1. 75倍，變形切換齒齒槽38的齒根線的線段形狀和與其相鄰的 節曲線線段平行。
[0028] 7. -種傳動機構，其特征在于，該傳動機構包含如權利要求1-6之一所述的切換 往復不完整非圓齒輪變速箱。
[0029] 8.根據權利要求7所述的傳動機構，其特征在于，該傳動機構中的切換往復不完 整非圓齒輪變速箱的輸入軸1可與鏈輪、皮帶輪、各類齒輪機構中的一個或多個的組合通 過聯軸器連接后實施動力輸入。
[0030] 9.根據權利要求7或8所述的傳動機構，其特征在于，所述切換往復不完整非圓齒 輪變速箱的輸出軸10通過聯軸器與第三傳動軸21以及位于其上的第三圓柱齒輪13、第四 傳動軸15以及位于其上的第四圓柱齒輪14連接，從而實現動力輸出。
[0031] 10.根據權利要求7或8所述的傳動機構，其特征在于，所述切換往復不完整非圓 齒輪變速箱的輸出軸10通過聯軸器與可與鏈輪系、皮帶輪系或鏈輪、皮帶輪、圓柱齒輪系 中之一或組合連接，從而實現動力輸出。
[0032] 11. -種立式抽油機，其特征在于，其抽油桿上下往復的換向機構是安裝了如權利 要求7-10之一所述的傳動機構。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0033] 圖1是本發明的一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱的簡圖。
[0034] 圖2是圖1中切換往復不完整非圓齒輪變速箱的主動切換不完整非圓齒輪5順時 針旋轉在起始〇度時的狀態圖。
[0035] 圖3是圖1中切換往復不完整非圓齒輪變速箱的主動切換不完整非圓齒輪5順時 針旋轉在180度時的狀態圖。
[0036] 圖4是主動切換不完整非圓齒輪5向第二從動切換不完整非圓齒輪6切換的瞬時 狀態。
[0037] 圖5是第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速由慢到快旋轉過程 中的一個瞬時狀態。
[0038] 圖6是第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速勻速、快速旋轉過 程中的一個瞬時狀態。
[0039] 圖7是第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速由快到慢旋轉過程 中的一個瞬時狀態。
[0040] 圖8是主動切換不完整非圓齒輪5向第一從動切換不完整非圓齒輪4切換的瞬時 狀態。
[0041] 圖9是第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速由慢到快旋轉過程 中的一個瞬時狀態。
[0042] 圖10示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速勻速、快速旋 轉過程中的一個瞬時狀態。
[0043] 圖11示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速由快到慢旋 轉過程中的一個瞬時狀態。
[0044] 圖12是主動切換不完整非圓齒輪5再次向第二從動切換不完整非圓齒輪6切換 的瞬間，又一次新的往復切換旋向的運動開始了。
[0045] 圖13是本發明的另一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱的簡圖。
[0046] 圖14是本發明的又一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱的簡圖。
[0047] 圖15是本發明的第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪 6的節曲線33和速度分布區域。
[0048] 圖16是本發明的主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28和速度分布區域。
[0049] 圖17是本發明的主動切換不完整非圓齒輪5、第一從動切換不完整非圓齒輪4、第 二從動切換不完整非圓齒輪6的變形切換齒輪齒和變形切換齒齒槽。
[0050] 圖18是圖1所示切換往復不完整非圓齒輪變速箱附加上其輸入、輸出傳動機構的 簡圖。
[0051] 圖19是安裝了本發明切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構的立式抽油 機的簡圖。
【具體實施方式】：
[0052] 本發明所述的一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱（圖1)及其傳動機構（圖 18)，可以提供輸入軸連續旋轉輸出軸按順時針、逆時針或逆時針、順時針的旋轉規律往復 切換旋向旋轉輸出的功能（圖1、圖2、圖3)。
[0053] 作為一個實施例，我們將其安裝在石油鉆采行業的立式抽油機上（圖18)，實現了 換向可靠、精確便捷，大幅度提高了立式抽油機的性能。下面我們分別敘述本發明的實施方 式。
[0054] 1.切換往復不完整非圓齒輪變速箱的【具體實施方式】
[0055] 圖1示出了切換往復不完整非圓齒輪變速箱是由輸入軸1以及位于該輸入軸1上 的主動切換不完整非圓齒輪5、第一傳動軸2以及位于該第一傳動軸2上的第一從動切換不 完整非圓齒輪4和第一圓柱齒輪8、第二傳動軸3以及位于該第二傳動軸3上的第二從動切 換不完整非圓齒輪6和第二圓柱齒輪7、輸出軸10以及位于該輸出軸10上的輸出軸圓柱齒 輪9、箱體11、箱蓋12等零部件構成的。
[0056] 同時，圖1也示出了使這種切換往復不完整非圓齒輪變速箱的輸出軸10、第一傳 動軸2、第二傳動軸3能夠往復切換旋向的重要功能齒輪組即變形切換齒輪組的構成，它是 由1個主動齒輪也就是主動切換不完整非圓齒輪5和2個從動切換不完整非圓齒輪也就是 第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6所構成的。主動切換不完 整非圓齒輪5是安裝在輸入軸1之上，第一從動切換不完整非圓齒輪4是安裝在第一傳動 軸2之上，第二從動切換不完整非圓齒輪6安裝在第二傳動軸3之上，這2個從動切換不完 整非圓齒輪分別安裝在主動切換不完整非圓齒輪5的兩邊且并排嚙合安裝。
[0057] 圖1還示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4與第一圓柱齒輪8同軸安裝并同軸 動力連接，第二從動切換不完整非圓齒輪6與第二圓柱齒輪7同軸安裝并同軸動力連接，其 中，第二圓柱齒輪7與第一圓柱齒輪8相互嚙合安裝，安裝在輸出軸10之上的輸出軸圓柱 齒輪9則與第一圓柱齒輪8相互嚙合并向切換往復不完整非圓齒輪變速箱之外傳輸往復切 換旋向的旋轉運動。
[0058] 圖2示出了安裝完畢后的這種切換往復不完整非圓齒輪變速箱工作時主動切換 不完整非圓齒輪5在0度時的狀態圖 ：
[0059] 當主動切換不完整非圓齒輪5順時針旋轉并開始與第二從動切換不完整非圓齒 輪6的有齒形部分進入相互嚙合時，第二從動切換不完整非圓齒輪6與同軸動力連接的第 二圓柱齒輪7開始作逆時針旋轉，與第二圓柱齒輪7嚙合的第一圓柱齒輪8以及與第一圓 柱齒輪8同軸動力連接的第一從動切換不完整非圓齒輪4做順時針旋轉，與順時針旋轉的 第一圓柱齒輪8相互嚙合的圓柱齒輪9則和動力連接的輸出軸10同時做逆時針旋轉。當 主動切換不完整非圓齒輪5與從動切換不完整非圓齒輪6嚙合并順時針旋轉了 180度時， 第二傳動軸3和位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪6和第二圓柱齒輪7、輸出軸10 以及位于其上的輸出軸圓柱齒輪9逆時針旋轉了一次，第一傳動軸2以及位于其上的第一 從動切換不完整非圓齒輪4、第一圓柱齒輪8則順時針旋轉了一次。
[0060] 圖3示出了主動切換不完整非圓齒輪5在180度時的狀態圖：
[0061] 當主動切換不完整非圓齒輪5繼續順時針旋轉并開始與第一從動切換不完整非 圓齒輪4的有齒形部分進入相互嚙合時，第一從動切換不完整非圓齒輪4與同軸動力連接 的第一圓柱齒輪8均作逆時針旋轉，與第一圓柱齒輪8嚙合的第二圓柱齒輪7以及與第一 圓柱齒輪7同軸動力連接的第二從動切換不完整非圓齒輪6做順時針旋轉，與逆時針旋轉 的第一圓柱齒輪8相互嚙合的輸出軸圓柱齒輪9則與動力連接的輸出軸10同時做順時針 旋轉，當主動切換不完整非圓齒輪5與第一從動切換不完整非圓齒輪4嚙合并順時針繼續 旋轉了 180度后，第二傳動軸3以及位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪6和第二圓 柱齒輪7、輸出軸10和位于其上的輸出軸圓柱齒輪9順時針旋轉了一次，第一傳動軸2以及 位于其上的第一從動切換不完整非圓齒輪4、第一圓柱齒輪8則逆時針旋轉了一次。
[0062] 圖4示出了主動切換不完整非圓齒輪5向第二從動切換不完整非圓齒輪6切換的 瞬時狀態。
[0063] 圖5示出了第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速由慢到快旋轉 過程中的一個瞬時狀態。
[0064] 圖6示出了第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速勻速、快速旋 轉過程中的一個瞬時狀態。
[0065] 圖7示出了第二從動切換不完整非圓齒輪6逆時針旋轉時輸出轉速由快到慢旋轉 過程中的一個瞬時狀態。
[0066] 圖8示出了主動切換不完整非圓齒輪5向第一從動切換不完整非圓齒輪4切換的 瞬時狀態。
[0067] 圖9示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速由慢到快旋轉 過程中的一個瞬時狀態。
[0068] 圖10示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速勻速、快速旋 轉過程中的一個瞬時狀態。
[0069] 圖11示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4逆時針旋轉時輸出轉速由快到慢旋 轉過程中的一個瞬時狀態。
[0070] 圖12示出了主動切換不完整非圓齒輪5再次向第二從動切換不完整非圓齒輪6 切換的瞬間，又一次新的輸出往復切換旋向的旋轉運動開始了。
[0071] 圖13示出了本發明的另一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱：當主機不需要第 一傳動軸2或第二傳動軸3的轉速進行變化時，可以去除輸出軸10和位于其上的輸出軸圓 柱齒輪9,直接采用第一傳動軸2或第二傳動軸3作為輸出軸，這樣仍可達到輸出往復切換 旋向的旋轉運動的目的。
[0072] 圖14示出了本發明的又一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱：當主機需要在所 述切換往復不完整非圓齒輪變速箱內再添加一個或若干個輸出軸時，我們可以再增加一套 或幾套"輸出軸10以及位于輸出軸10之上的輸出軸圓柱齒輪9"，并且使新增添的輸出軸 圓柱齒輪9與箱體內原有的輸出軸圓柱齒輪9或第二圓柱齒輪7相互嚙合，構成由第一傳 動軸2、第二傳動軸3、一個或多個輸出軸10共同組成的多軸多位置輸出往復切換旋轉方向 的輸出功能。
[0073] 2.主動切換不完整非圓齒輪5和第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換 不完整非圓齒輪6的具體實施方法：
[0074] 圖2和圖3還示出了主動切換不完整非圓齒輪5和第一從動切換不完整非圓齒輪 4、第二從動切換不完整非圓齒輪6在切換往復不完整非圓齒輪變速箱內裝配完畢后的排 列狀態。
[0075] 圖15和圖16分別示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非 圓齒輪6、主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線形態，它們是由大圓弧R1和小圓弧R2以及 位于Rl、R2之間的變速區節曲線組成的。
[0076] 圖15示出了第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的 節曲線33均由二個角度為60度的變速區35、一個弧度為180度的勻速區37、一個弧度為 60度的無齒型區36構成。該第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒 輪6的節曲線33中的勻速區37位于有齒形部分，對應小圓弧R2區域。同時該從第一動變 形切換齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33中的無齒形區36對應大圓弧 R1區域。按照上述節曲線加工完畢的第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完 整非圓齒輪6的旋轉中心線通過勻速區37中段部位的一個輪齒，而且第一從動切換不完整 非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的齒數是奇數，齒槽數則是偶數。
[0077] 圖16示出了主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28是由二個弧度為60度的變 速區29、一個弧度為60度的勻速區30、一個弧度為180度無齒型區31構成。該主動切換 不完整非圓齒輪5的節曲線28中的勻速區30位于有齒形部分，對應大圓弧R1區域。同時 該主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28中的無齒型區31對應小圓弧R2區域。按照上 述節曲線加工完畢的主動切換不完整非圓齒輪5的旋轉中心線通過勻速區30中間的一個 齒槽，而且主動切換不完整非圓齒輪5的齒數是偶數，齒槽數是奇數。
[0078] 圖15和圖16還示出：主動切換不完整非圓齒輪5與第一從動切換不完整非圓齒 輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線形態是相似的，但其各區域參數數值卻不是 完全相同的。由于所述切換往復不完整非圓齒輪變速箱負載變化形式和運動要求具有多樣 性，因此主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28和第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從 動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33也具有多樣性，同時也就決定了主動切換不完整非圓 齒輪5和第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6也具有多樣性。
[0079] 圖15和圖16進一步示出了主動切換不完整非圓齒輪和從動切換不完整非圓齒輪 的設計原理和方法，可以看出主動切換不完整非圓齒輪5或第一從動切換不完整非圓齒輪 4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的旋轉中心"0"，是大圓弧R1和小圓弧R2的幾何中心。
[0080] 主動切換不完整非圓齒輪（5)與第一從動切換不完整非圓齒輪（4)或第二從動切 換不完整非圓齒輪（6)嚙合運轉時，當從動切換不完整非圓齒輪嚙合運行至勻速區時，其 傳動比I符合公式：
[0081] I = R1/R2,
[0082] I的取值區間是：最大數值為Imax=Rl，最小數值為Imin=l/Rl ;
[0083] 所述主動切換不完整非圓齒輪5的變速區29的節曲線32或第一從動切換不完整 非圓齒輪4、第二從
[0084] 動變形切換齒輪6的變速區35的節曲線34的數學表達式F ( α )符合公式：
[0085] F(a )=Rl*sin(a )/R2 ;
[0086] 其中：
[0087] R1為主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28或從第一動變形切換齒輪4、第二從 動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33的大圓弧區域的半徑；
[0088] R2為主動切換不完整非圓齒輪5的節曲線28或第一從動切換不完整非圓齒輪4、 第二從動切換不完整非圓齒輪6的節曲線33的小圓弧區域的半徑；
[0089] a為主動切換不完整非圓齒輪5的變速區29節曲線32、第一從動切換不完整非 圓齒輪4和第二從動切換不完整非圓齒輪6的變速區35節曲線34上的任意一點在其各自 完整的節曲線坐標系內對應的角度。
[0090] 圖17示出了在數控機床上加工完畢的主動切換不完整非圓齒輪5有2個變速區 29,該變速區29靠近無齒型區31的端部各有一個變形切換齒39,在所述第一從動切換不完 整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的2個變速區35靠近無齒型區36的端部各 有一個變形切換齒齒槽38。
[0091] 加工主動切換不完整非圓齒輪5的變形切換齒39的技術要求是：變形切換齒39 的齒厚是與其相鄰輪齒齒厚的3倍，變形切換齒39的齒全高是與其相鄰輪齒齒全高的1. 0 倍至1. 65倍，變形切換齒39的齒頂線線段形狀和與其相鄰的節曲線線段平行，該變形切換 齒39的齒廓仍是漸開線齒廓。
[0092] 加工第一從動切換不完整非圓齒輪4、第二從動切換不完整非圓齒輪6的變形切 換齒齒槽38的技術要求是：變形切換齒齒槽38的齒槽厚度是與其相鄰的輪齒齒槽厚度的 3倍，變形切換齒齒槽38的齒槽全高是與其相鄰的輪齒齒槽全高的1. 0倍至1. 75倍，變形 切換齒齒槽38的齒根線的線段形狀和與其相鄰的節曲線線段平行。
[0093] 上述切換不完整非圓齒輪組加工并組裝完畢后，即可運轉切換往復不完整非圓齒 輪變速箱，此時的切換往復不完整非圓齒輪變速箱在順時針和逆時針兩個旋轉方向上的輸 出速度也就具有了從慢到快、勻速快速、從快到慢、再到切換旋向的速度變化特征。
[0094] 3.切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構的實施方法
[0095] 圖18所示的切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構是由切換往復不完整 非圓齒輪變速箱、與輸出軸10或第一傳動軸2、第二傳動軸3動力連接的第三傳動軸21以 及位于其上的第三圓柱齒輪13、第四傳動軸15以及位于其上的第四圓柱齒輪14、與輸入軸 1動力連接的第五傳動軸16以及位于其上的皮帶輪17、第六輸入軸18以及位于其上的皮 帶輪19、位于皮帶輪17和皮帶輪18之上的皮帶20組成。
[0096] 圖18還不出了第二圓柱齒輪13和第四圓柱齒輪14是相互哨合的關系，第二傳動 軸21的任意一端，均可米用聯軸器與輸出軸10或第一傳動軸2、第二傳動軸3的軸端部實 施動力連接。輸入軸1與第五傳動軸16也是采用聯軸器相互連接的。
[0097] 其中，輸入軸1還可以與鏈輪或各類齒輪機構或鏈輪、皮帶輪、各類齒輪機構的任 意組合通過聯軸器與第五傳動軸16實現動力連接。
[0098] 圖18進一步示出了我們可以用一套或多套"第三圓柱齒輪13、第四圓柱齒輪14、 第四輸出軸15、第三傳動軸21"與所述切換往復不完整非圓齒輪變速箱的第一傳動軸2或 第二傳動軸3或輸出軸10或同時與第一傳動軸2、第二傳動軸3、輸出軸10的各個軸端實 施單軸或多軸的動力連接（如圖16中虛線所示），其動力連接的方法是將一個或多個第三 傳動軸21的軸端通過聯軸器與第一傳動軸2或第二傳動軸3或輸出軸10或同時與第一傳 動軸2、第二傳動軸3、輸出軸10的各個軸端相連接，即可實現單軸輸出往復切換旋向的旋 轉運動或多軸多位置輸出往復切換旋向的旋轉運動。該傳動機構中的第三圓柱齒輪13、第 四圓柱齒輪14還可以用其他鏈輪或皮帶輪或圓柱齒輪系或鏈輪、皮帶輪、圓柱齒輪系的任 意組合所替代。
[0099] 4.立式抽油機的具體實施方法
[0100] 圖19示出的立式抽油機是在現有的立式抽油機的基礎上，去除該立式抽油機地 面現有的傳動和換向機構，保留現有的立式抽油機的機架23、抽油桿24、
[0101] 皮帶25、平衡重26、滾筒27等部件，并安裝上本發明的切換往復不完整非圓齒輪 變速箱及其傳動機構，即可構成一種具有切換上下沖程方向的新型立式抽油機。
[0102] 具體安裝方法是：
[0103] 將傳動機構中的第五傳動軸16的軸端部與切換往復不完整非圓齒輪變速箱的輸 入軸1的軸端部通過聯軸器相連接，將第六傳動軸18的軸端部與電機22的軸端部通過聯 軸器相連接，即可使位于第五傳動軸16及第六傳動軸18上的鏈輪或皮帶輪或齒輪機構或 鏈輪、皮帶輪、齒輪機構的任意組合正常運轉，實現立式抽油機的動力輸入。
[0104] 將切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構的輸出軸（10)或第一傳動軸 (2)或第二傳動軸（3)的軸端部與第三傳動軸21通過聯軸器相連接，使位于第三傳動軸21 之上的第三圓柱齒輪13、位于第四傳動軸15之上的第四圓柱齒輪14正確嚙合，再將第四傳 動軸（15)的軸端部與原立式抽油機的部件滾筒27的軸端部通過聯軸器連接，即可實現對 立式抽油機的動力傳導，并使這種新型立式抽油機正常運轉。
[0105] 這種安裝了切換往復不完整非圓齒輪變速箱及其傳動機構的新型立式抽油機，由 于其換向機構采用了可靠的切換往復不完整非圓齒輪變速箱實施上下沖程的換向功能，使 以往立式抽油機換向功能不可靠的技術難關得以克服。
【權利要求】
1. 一種切換往復不完整非圓齒輪變速箱，包括輸入軸（1)以及位于該輸入軸（1)上的 主動切換不完整非圓齒輪（5)、第一傳動軸（2)以及位于該第一傳動軸（2)上的第一從動切 換不完整非圓齒輪（4)和第一圓柱齒輪（8)、第二傳動軸（3)以及位于該第二傳動軸（3)上 的第二從動切換不完整非圓齒輪（6)和第二圓柱齒輪（7)、箱體（11)和箱蓋（12)，所述第 一從動切換不完整非圓齒輪（4)、第二從動切換不完整非圓齒輪（6)位于所述主動切換不 完整非圓齒輪（5)的兩邊且并排嚙合安裝，第一從動切換不完整非圓齒輪（4)、第二從動切 換不完整非圓齒輪￠)的旋轉速度變化是從慢到快、勻速快速、從快到慢、再到切換旋向， 當輸入軸（1)以及位于其上的主動切換不完整非圓齒輪（5)按照順時針或逆時針方向每旋 轉360度時，第一傳動軸（2)和第二傳動軸（3)則同時按照逆時針、順時針或順時針、逆時 針的順序各旋轉一次， 其特征在于： 主動切換不完整非圓齒輪（5)順時針旋轉并開始與第二從動切換不完整非圓齒輪（6) 的有齒形部分進入相互嚙合時，第二從動切換不完整非圓齒輪￠)與同軸動力連接的第二 圓柱齒輪（7)開始作逆時針旋轉，與第二圓柱齒輪（7)嚙合的第一圓柱齒輪（8)以及與第 一圓柱齒輪（8)同軸動力連接的第一從動切換不完整非圓齒輪（4)做順時針旋轉，當主動 切換不完整非圓齒輪（5)與第二從動切換不完整非圓齒輪（6)嚙合并順時針旋轉了 180度 時，第二傳動軸（3)以及位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪（6)和第二圓柱齒輪（7) 則逆時針旋轉了一次，第一傳動軸（2)以及位于其上的第一從動切換不完整非圓齒輪（4)、 第一圓柱齒輪（8)則順時針旋轉了一次； 當主動切換不完整非圓齒輪（5)繼續順時針旋轉并開始與第一從動切換不完整非圓 齒輪（4)的有齒形部分進入相互嚙合時，第一從動切換不完整非圓齒輪（4)與同軸動力連 接的第一圓柱齒輪（8)均作逆時針旋轉，與第一圓柱齒輪（8)嚙合的第二圓柱齒輪（7)以 及與第二圓柱齒輪（7)同軸動力連接的第二從動切換不完整非圓齒輪（6)做順時針旋轉， 當主動切換不完整非圓齒輪（5)與第一從動切換不完整非圓齒輪（4)嚙合并順時針繼續旋 轉了 180度時，第二傳動軸（3)以及位于其上的第二從動切換不完整非圓齒輪（6)和第二 圓柱齒輪（7)順時針旋轉了一次，第一傳動軸（2)以及位于其上的第一從動切換不完整非 圓齒輪（4)、第一圓柱齒輪（8)則逆時針旋轉了一次。
2. 根據權利要求1所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，其還具有輸 出軸10以及位于該輸出軸（10)上的輸出軸圓柱齒輪（9)，所述輸出軸圓柱齒輪（9)與所述 第一圓柱齒輪（8)或與第二圓柱齒輪（7)嚙合，或采用2組輸出軸（10)以及位于其上的輸 出軸圓柱齒輪（9)同時與第一圓柱齒輪（8)和第二圓柱齒輪（7)嚙合。
3. 根據權利要求1所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于： 所述主動切換不完整非圓齒輪（5)的節曲線（28)由二個弧度為60度的變速區（29)、 一個弧度為60度的勻速區（30)、一個弧度為180度無齒型區（31)構成；所述主動切換不 完整非圓齒輪（5)的節曲線（28)中的勻速區（30)位于有齒形部分，對應大圓弧R1區域； 所述主動切換不完整非圓齒輪（5)的節曲線（28)中的無齒型區（31)對應小圓弧R2區域； 主動切換不完整非圓齒輪（5)的中心線通過勻速區（30)中間的一個齒槽；所述主動切換不 完整非圓齒輪（5)的齒數是偶數，齒槽數是奇數， 第一從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪（6)的節曲線（33) 均由二個角度為60度的變速區（35)、一個弧度為180度的勻速區（37)、一個弧度為60度 的無齒型區（36)構成；所述第一從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓 齒輪（6)的節曲線（33)中的勻速區（37)位于有齒形部分，對應小圓弧R2區域；所述第一 從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪（6)的節曲線（33)中的無 齒形區（36)對應大圓弧R1區域；第一從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完 整非圓齒輪（6)的旋轉中心線通過勻速區（37)中段部位的一個輪齒；所述第一從動切換不 完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪￠)的齒數是奇數，齒槽數則是偶數， 所述主動切換不完整非圓齒輪（5)、第一從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切 換不完整非圓齒輪（6)的旋轉中心"0"，是大圓弧R1和小圓弧R2的幾何中心， 主動切換不完整非圓齒輪（5)與第一從動切換不完整非圓齒輪（4)或第二從動切換不 完整非圓齒輪（6)嚙合運轉時，當從動切換不完整非圓齒輪嚙合運行至勻速區時，其傳動 比I符合公式： I=R1/R2， I的取值區間是：最大數值為Imax=Rl :最小數值為Imin=l/Rl ; 所述主動切換不完整非圓齒輪（5)變速區（29)的節曲線（32)、第一從動切換不完整非 圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪（6)變速區（35)的節曲線（34)的數學表達式 F(a)均符合公式： F(a )=Rl*sin(a )/R2 ; 其中： R1為主動切換不完整非圓齒輪（5)的節曲線（28)、第一從動切換不完整非圓齒輪（4) 和第二從動切換不完整非圓齒輪￠)的節曲線（33)的大圓弧區域的半徑； R2為主動切換不完整非圓齒輪（5)的節曲線（28)、第一從動切換不完整非圓齒輪（4) 和第二從動切換不完整非圓齒輪（6)的節曲線（33)的小圓弧區域的半徑； a為主動切換不完整非圓齒輪（5)的變速區（29)節曲線（32)、第一從動切換不完整 非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪（6)的變速區（35)節曲線（34)上的任意一 點在其各自完整的節曲線坐標系內對應的角度。
4. 根據權利要求1-3之一所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，在所 述主動切換不完整非圓齒輪（5)的2個變速區（29)靠近無齒型區（31)的端部各有一個變 形切換齒（39);在所述第一從動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪 (6)的2個變速區（35)靠近無齒型區（36)的端部各有一個變形切換齒齒槽（38)。
5. 根據權利要求4所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，所述主動切 換不完整非圓齒輪（5)的變形切換齒（39)的齒厚是與其相鄰輪齒齒厚的3倍，變形切換齒 (39)的齒全高是與其相鄰輪齒齒全高的1.0倍至1.65倍，變形切換齒（39)的齒頂線線段 形狀和與其相鄰的節曲線線段平行，該變形切換齒（39)的齒廓仍是漸開線齒廓。
6. 根據權利要求5所述的切換往復不完整非圓齒輪變速箱，其特征在于，所述第一從 動切換不完整非圓齒輪（4)和第二從動切換不完整非圓齒輪￠)的變形切換齒齒槽（38) 的齒槽厚度是與其相鄰的輪齒齒槽厚度的3倍，變形切換齒齒槽（38)的齒槽深度是與其相 鄰的輪齒齒槽深度的1. 〇倍至1. 75倍，變形切換齒齒槽（38)的齒根線的線段形狀和與其 相鄰的節曲線線段平行。
7. -種傳動機構，其特征在于，該傳動機構包含如權利要求1-6之一所述的切換往復 不完整非圓齒輪變速箱。
8. 根據權利要求7所述的傳動機構，其特征在于，該傳動機構中的切換往復不完整非 圓齒輪變速箱的輸入軸（1)可與鏈輪、皮帶輪、各類齒輪機構中的一個或多個的組合通過 聯軸器連接后實施動力輸入。
9. 根據權利要求7或8所述的傳動機構，其特征在于，所述切換往復不完整非圓齒輪變 速箱的輸出軸（10)通過聯軸器與第三傳動軸21以及位于其上的第三圓柱齒輪13、第四傳 動軸15以及位于其上的第四圓柱齒輪14連接，從而實現動力輸出。
10. 根據權利要求7或8所述的傳動機構，其特征在于，所述切換往復不完整非圓齒輪 變速箱的輸出軸（10)通過聯軸器與可與鏈輪系、皮帶輪系或鏈輪、皮帶輪、圓柱齒輪系中 之一或組合連接，從而實現動力輸出。
11. 一種立式抽油機，其特征在于，其抽油桿上下往復的換向機構是安裝了如權利要求 7-10之一所述的傳動機構。
【文檔編號】F16H3/093GK104121338SQ201410093553
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2014年3月14日
【發明者】榮世德, 董劍, 吳序堂, 張瑞, 薛金元, 潘鋒 申請人:董劍, 潘輝