АВТОНОМНЫЙ ПРУЖИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОНСТРУКЦИИ ПЕДДЕРА - КУЛАКОВА Российский патент 1997 года по МПК F03G1/00 

Изобретение относится к области механики, в частности к пружинным механизмам, аккумулирующим энергию при заводе и обеспечивающим вращение выходного вала благодаря упругой деформации пружины.

В обычных условиях для образования закручивающих моментов применяют пружины кручения в виде витых цилиндрических и плоских спиральных пружин. Наиболее широко, как аккумуляторы энергии (заводные пружины), применяют плоские спиральные пружины (в часовых, лентопротяжных и других механизмах).

Однако (см. Решетов Д.Н. Детали машин. М. 1989. 496 с.) данные пружинные двигатели, из-за большой неравномерности напряжения пружины, не обеспечивают возможность накопления большого количества энергии на единицу массы. То есть они являются двигателями с малой удельной энергоемкостью.

Известен пружинный двигатель (в виде силовой передачи), у которого на входной вал подается определенный крутящий момент при постоянной частоте вращения, а на выходном валу (на ободе барабана) обеспечивается переменный момент при регулируемой частоте вращения. Такое преобразование энергии достигается за счет работы витой пружины кручения, которая является связующим звеном между входным и выходным валами. Энергия, подводимая к пружине, проходит через храповой механизм и аккумулируется в ней до определенной величины (см. патент США N 4832155, МКИ: F 03 C 7/08, 1989).

Однако, при работе в автономном режиме данный пружинный двигатель, из-за малого угла закручивания, не обеспечивает значительного запаса энергии, необходимого для работы достаточно большой номенклатуры механизмов и приборов, применяемых в народном хозяйстве. Это связано с тем, что при минимальных массо-габаритных характеристиках пружинного двигателя не достигается необходимая удельная энергоемкость.

Целью изобретения является увеличение удельной энергоемкости автономного пружинного двигателя.

Данная цель достигается тем, что автономный пружинный двигатель снабжен силовым упругим элементом в виде цилиндрической витой пружины кручения с периодическими дополнительными зонами жесткости (кроме зон жесткости в узлах закрепления пружины, но как минимум с еще одной дополнительной зоной жесткости), представляющими собой объединения путем создания неразъемных соединений как минимум двух неразъемных витков и расположенных с шагом не более 8 ненагруженных рабочих витков при индексе пружины C 12 и не более 14 ненагруженных рабочих витков при индексе пружины C 8; для управления величиной крутящего момента и частотой вращения выходного вала, сопряжение между опорным диском пружины и передней крышкой корпуса выполнено коническим; кроме того, на цилиндрическом вращающемся силовом элементе (выходном валу) установлены оправка и опорный входной диск, свободно вращающиеся на валу, последний из которых соединен с храповым механизмом и рукояткой завода, а также опорный выходной диск, жестко закрепленный на валу и сопряженный с фиксатором, установленном на несущем корпусе, при этом в теле каждого опорного диска имеется отверстие для прицепа пружины, а на торце, обращенном к пружине, соответственно выполнен цилиндрический выступ, наружный диаметр которого определяется внутренним диаметром пружины, а ширина диаметром ее проволоки; при этом зазор между внутренним диаметром пружины и наружной поверхностью оправки выбирается из условий максимальной деформации пружины при закручивании моментом, не вызывающим превышения допускаемого напряжения изгиба материала пружины.

Проведенный анализ существующих технических решений в данной области не выявил конструкций пружинных двигателей с вышеприведенными признаками.

Существенной особенностью предлагаемого автономного пружинного двигателя является то, что увеличенное число витков пружины (необходимое для повышения энергоемкости двигателя) не приводит к потере изгибной прочности, за счет создания по длине пружины локальных дополнительных зон жесткости и уменьшения неравномерности жесткости самой пружины в рабочем режиме. Кроме того, создание конического сопряжения между опорным диском пружины и передней крышкой корпуса позволяет обеспечить в процессе работы двигателя выравнивание значений крутящего момента и частоты вращения выходного вала, за счет образования на сопряжении за счет определенного, изменяющегося по величине момента трения.

На фиг. 1 показана конструктивная схема автономного пружинного двигателя; на фиг. 2 схемы работы известной (см. фиг. 2,а) и предлагаемой (см. фиг. 2,д) конструкций цилиндрических пружин кручения.

Конструкция автономного пружинного двигателя содержит (см. фиг. 1): рукоятку завода 1, которая вместе с храповым колесом 2 механизма 3 прикреплена с помощью шпилек к опорному диску 5; остальная часть храпового механизма 3 закреплена на задней крышке 6 несущего корпуса 7. Опорный диск 5 свободно установлен в корпусе 7 и на выходном валу 8, имеет отверстие 9 и цилиндрический выступ 10 для крепления и центрирования цилиндрической пружины кручения 11. Пружина 11 закреплена загнутыми концами (прицепами) к опорным дискам 5 и 12, при этом крайние витки ее прижаты к торцам дисков и опираются на цилиндрические выступы 10 и 13. Она содержит дополнительную зону жесткости 14 в виде объединения 2-х или 3-х рабочих витков, путем создания с помощью скоб 15 неразъемного соединения (объединение витков путем создания неразъемного соединения может быть выполнено различными способами: скобами или бандажами; сваркой всей окружности, точечной сваркой, сваркой оплавлением, пайкой и т. д. ). Диск 12 жестко установлен на валу 8 с помощью штифта 16, сопряжен по конической поверхности с передней крышкой 17 и может фиксироваться относительно корпуса 7 через штопорные отверстия 18 штоком 19 фиксатора 20. Крышка 17 и фиксатор 20 закреплены на корпусе 7, при этом характер соединения с нулевым натягом конических поверхностей крышки 17 и диска 12 обеспечивается при сборке двигателя с помощью набора регулировочных прокладок 21. На валу 8 свободно установлена оправка 22, а на выходном конце вала жестко закреплено (или изготовлено за одно целое с валом) зубчатое колесо для передачи крутящего момента от двигателя к передаточному или исполнительному механизму. Присоединительной частью двигателя является фланец передней крышки 17.

Автономный пружинный двигатель работает следующим образом. Вращением рукоятки завода 1 по часовой стрелке (или против, в зависимости от направления навивки пружины) осуществляется завод двигателя (закручивание пружины кручения 11). При этом шток 19 фиксатора 20, находящийся в нижнем положении и удерживаемый пружиной фиксатора, стопорит от вращения опорный диск 12 и пружину 11, накапливающую при этом потенциальную энергию. Храповой механизм 3 обеспечивает передачу крутящего момента от рукоятки завода 1 к опорному диску 5 в одном направлении и препятствует его возврату на рукоятку 1. Крутящий момент от диска 5 через прицепы пружины 11 передается на ее витки.

При работе пружин, от взаимодействия их прицепов с сопряженными элементами оси, пружины на концах несколько искривляются, при этом витки, получившие перекос, приходят в соприкосновение между собой, что нежелательно, так как возникающее при этом трение между витками искажает характеристику пружин (см. пунктир на фиг. 2,б и для сравнения характеристику пружины предложенной конструкции на фиг. 2,г) и сокращает срок службы вследствие износа. Для исключения отмеченного недостатка, в предлагаемой заявке пружина закрепляется особым способом.

В данной конструкции автономного пружинного двигателя крайние витки прижаты к торцам дисков и опираются на их цилиндрические выступы, поэтому искривления оси пружины на ее концах не происходят.

За счет неравнопрочности пружины по ее длине (крайние витки обычно жестче других), при закручивании происходит неравномерное изменение ее геометрических параметров. При этом ее средний диаметр D изменяется от D до D min (на середине пружины при отсутствии дополнительных(ной) зон(зоны) жесткости (см. фиг. 2,в и 2,г) до D' min, а на середине шага зоны жесткости (см. фиг. 2, ж и 2,з) D'' min. Наружный диаметр (D+d) и внутренний диаметр (D-d) изменяются в соответствии с изменением среднего диаметра D. Число витков при этом увеличивается, а угол подъема витков уменьшается. Индекс пружины (c D/d) уменьшается в соответствии с изменением (уменьшением) параметра D, а кривизна витков увеличивается. С этим связана потеря изгибной прочности у пружин известных конструкций. Из-за возникновения вдоль оси пружины осевой силы сжатия возможно искривление продольной оси (потеря ее устойчивости).

Известно, что для повышения устойчивости пружины ее устанавливают на оправку (см. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х томах; т. 3. М.Машиностроение, 1992. 558 с.). Зазор Z между внутренним диаметром пружины (недеформированной пружины) и наружным диаметром оправки рекомендуется принимать табличным, назначаемым по конструктивным соображениям в зависимости только от величины среднего диаметра пружины. Максимальная энергоемкость пружинного двигателя имеет место в том случае, если пружина максимально допустимо нагружена. Поэтому в процессе максимального нагружения, а значит и максимального деформирования пружины в поперечном сечении оправка не должна оказывать сопротивления. То есть зазор Z должен определяться расчетным путем, из условий максимальной деформации в поперечном сечении пружины при закручивании моментом, не вызывающим превышения максимального напряжения изгиба материала пружины. При этом оправка обеспечивает не только устойчивость пружины, но и предохраняет ее от перегрузки.

Управление работой двигателя обеспечивается фиксатором 20. Он позволяет включать или прерывать работу двигателя, а также готовить его к заводу. Эти операции выполняют в зависимости от положений штока 19 и фиксатора 20. При нижнем положении штока 19 его конец находится в стопорном отверстии 18 обода диска 12 и фиксирует его от вращения. При верхнем положении штока 19 (он фиксируется на этом уровне после поворота на некоторый угол относительно своей оси), он не удерживает диск 12 от вращения и крутящийся момент от пружины 11 через диск 12 и штифт 16 поступает на вал 8. При среднем положении штока он прижат с помощью пружины фиксатора 20 к наружной поверхности обода диска 12 и готов войти своим концом в стопорное отверстие диска 12 и зафиксировать его.

Чтобы получить необходимое время работы автономного двигателя при одном заводе пружины и равномерное вращение его выходного вала, к пружине следует приложить определенный, уменьшающийся по мере ее раскручивания момент сопротивления. Такой момент создается на конических поверхностях трения диска 12 крышки 17, за счет определенного угла конуса их сопряженных поверхностей и действия на поверхности трения изменяющейся осевой силы сжатия пружины.

Определенный дополнительный момент сопротивления вращению пружины уменьшает скорость ее раскручивания до нужной величины, а следовательно, обеспечивает определенное время этого процесса и работы автономного пружинного двигателя.

По мере раскручивания пружины происходит уменьшение ее осевой силы сжатия, а следовательно и момента сопротивления (момента трения T_f), и с такой же закономерностью уменьшается крутящий момент пружины T_кр и частота вращения n. Поэтому поступающий на вал 8 результирующий (равномерный) крутящий момент Tε обеспечивает его равномерное вращение. Характеристики пружин (пружинных двигателей), изображающие зависимости крутящего момента и частоты вращения от угла закручивания v (раскручивания) показаны на фиг. 2,б (для пружины известной конструкции и на фиг. 2, е (для пружины предлагаемой конструкции).

Автономный пружинный двигатель, как и все остальные пружинные двигатели характеризуется основными техническими данными: мощностью P, Вт; частотой вращения выходного вала n с^-1. Однако необходимым показателем, характеризующим вновь предлагаемый автономный двигатель, является время работы двигателя при номинальном режиме от одного завода пружины t, мин.

Эти характеристики определяют и величину запасаемой двигателем энергии и величины факторов, которыми она реализуется результирующего крутящего момента Tε, н•м, и суммарного числа оборотов вала nε. При этом величина запасаемой энергии предлагаемым автономным пружинным двигателем A_з, определяется формулой
A_з= nε•Tε, (н•м). (I).
Область маломощных приводных устройств постоянно расширяется и это указывает на перспективность применения малогабаритных автономных двигателей механического типа (как менее безопасных, не требующих потребления энергии, дешевых и простых в изготовлении). Такие двигатели, обладающие относительно большой удельной энергоемкостью при минимальных массо-габаритных характеристиках, с определенным энергетическим запасом и режимом его реализации, могут выполнять одновременно и контрольную функцию дозирования механического воздействия по времени.

Предлагаемая конструкция автономного пружинного двигателя позволяет поддерживать изгибную прочность пружины при увеличении ее длины и получить двигатели с необходимым объемом энергии при их рациональных массо-габаритных характеристиках. Этот тип двигателей позволяет удовлетворить потребные параметры энергии большой серии устройств медицинской, бытовой, развлекательной, (игрушки) техники и стать альтернативным, широко применяемым в настоящее время двигателем, а в некоторых областях техники (нефтехимической, шинной, газовой) и наиболее приемлемым с технологической точки зрения и взрыво- и пожарбезопасности.

Использование: изобретение относится к области механики, в частности к пружинным механизмам, обеспечивающим вращение выходного вала за счет упругой деформации пружины, полученной при ее заводе. Сущность автономного пружинного двигателя заключается в сохранении изгибной прочности пружины при увеличении угла ее закручивания для увеличения емкости (а следовательно и удельной энергоемкости) двигателя, за счет создания периодических дополнительных зон кроме зон жесткости в узлах закрепления пружины, представляющих собой объединения путем создания неразъемных соединений как минимум двух рабочих витков. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автономный пружинный двигатель, содержащий силовой упругий элемент в виде пружины, цилиндрический вращающийся силовой элемент (выходной вал), несущий корпус, храповой механизм и рукоятку завода пружины, отличающийся тем, что двигатель снабжен силовым упругим элементом в виде цилиндрической витой пружины кручения, выполненной с периодическими дополнительными зонами жесткости (как минимум с одной дополнительной зоной жесткости, кроме зон жесткости в узлах закрепления пружины), представляющими собой объединение путем создания неразъемных соединений как минимум двух рабочих витков, расположенных с шагом не более восьми ненагруженных рабочих витков при индексе пружины С 18, не более 11 ненагруженных рабочих витков при индексе пружины C 12, и не более 14 ненагруженных рабочих витков при индексе пружины С 8, при этом величина запасенной энергии А_з оценивается формулой
A_з= nε • Tε, н • м,
где Tε- номинальный крутящий момент на валу двигателя, н•м;
nε- суммарное число оборотов вала. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для управления величиной крутящего момента и частотой вращения выходного вала, сопряжение между опорным диском пружины и передней крышкой корпуса выполнено конически. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на цилиндрическом вращающемся силовом элементе (выходном валу) установлены оправка и опорный входной диск, свободно вращающиеся на валу, последний из которых соединен с храповым механизмом и рукояткой завода, опорный выходной диск, жестко закрепленный на валу и сопряженный с фиксатором, установленным на несущем корпусе, при этом в теле каждого опорного диска имеется отверстие для прицепа пружины, а на торце, обращенном к пружине, соответственно выполнен цилиндрический выступ, наружный диаметр которого определяется внутренним диаметром пружины, а ширина диаметром ее проволоки, и отверстие для прицепа пружины. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что зазор между внутренним диаметром пружины и наружной поверхностью оправки выбирается из условия максимальной деформации пружины при закручивании моментом, не вызывающим превышения допускаемого напряжения изгиба материала пружины.