МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРУЖИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК F03G3/00 

Изобретение относится к транспортному и энергетическому машиностроению и может найти применение на приводах транспортных средств, электрических генераторов небольшой мощности.

Известны механические двигатели пружинного типа, используемые для аккумулирования энергии и передачи этой энергии потребителю (З.М. Аксельрод. Проектирование часов и часовых систем, Л-д, Машиностроение, 1981, с. 35-36).

Известен аккумулятор механической энергии, содержащий вал, многовитковую спиральную пружину, размещенную в барабане, один конец пружины связан с валом, а другим концом пружина закреплена на барабане, при этом пружина выполнена в виде многослойной резинометаллической ленты. При торможении транспортного средства водитель подключает к системе торможения вал, который, вращаясь, закручивает пружину относительно барабана, преобразуя тем самым кинетическую энергию транспортного средства в потенциальную энергию пружины (Патент РФ N 2046226, МПК F 16 H 33/06, опубл. 20.10.95 г.).

Недостатком данной конструкции является отсутствие функции регулирования равномерности вращения барабана, что не дает возможности получения энергии постоянной мощности.

Известен пружинный двигатель инерционного типа, используемый в качестве привода игрушечных автомобилей. Двигатель содержит маховик, свободно размещенный на оси и соединенный с ней пружиной, стопор маховика в виде его звездочки, взаимодействующей с установленным на корпусе толкателем, и выключенный заводной храповой механизм в виде храпового колеса, закрепленного на оси, и собачки, установленной на корпусе. Толкатель имеет зуб для взаимодействия со звездочкой и выступ, размещенный с возможностью взаимодействия с упругим элементом собачки для включения стопора и собачки в режиме завода пружины (Патент РФ N 1806292, МПК F 03 G 1/02, 3/08, опубл. 30.03.93).

Недостатком данного устройства является отсутствие контроля за раскручиванием пружины (в единицу времени): поскольку данный двигатель разработан для использования в игрушечных моделях транспортных средств, в нем не предусмотрены функция и конструктивные элементы, позволяющие передавать энергию вращения потребителю равномерно; в данной конструкции использован известный принцип самораскручивания заведенной пружины для получения энергии в течение рабочего цикла.

Известен заряжаемый и разряжаемый аккумулятор энергии пружинного типа, имеющий устройство для аккумулирования энергии, используемый на приводах, например на приводах транспортных средств, с пружиной и выходной передачей. Аккумулятор энергии содержит направляющий цилиндр, в котором установлена винтовая пружина. Одним концом пружина опирается относительно своего конца, а на другом снабжена средствами, преобразующими линейное движение во вращательное. Преобразование осуществляется при освобождении энергии, накопленной растянутой пружиной, которая подвергается упругой деформации. Вращательное движение передается на выход через приводной вал в виде энергии природа (Заявка Германии N 19516148, МПК F 03 G 1/00 DE, опубл. 1998 г.).

Недостатком данной конструкции является отсутствие регулирования равномерности передачи энергии вращения потребителю - такая конструкция не позволяет использовать ее в качестве привода для генераторов для получения энергии (электроэнергии). Непостоянное за единицу времени раскручивание пружины ведет к тому, что с помощью подобных средств невозможно получать энергию постоянной мощности.

Данное конструктивное решение является наиболее близким к заявляемому объекту по поставленной цели и решаемым задачам и принято нами в качестве прототипа заявляемого объекта.

Целью настоящего изобретения является обеспечение постоянства передачи энергии вращения потребителю за счет регулирования во времени работы приводной пружины при ее раскручивании.

Поставленная цель достигается тем, что в механический пружинный двигатель для получения энергии, состоящий из корпуса, пружинного механизма с приводом от внешнего источника, системы зубчатых передач с обгонной муфтой прямого вращения, выходного вала для передачи вращательного движения потребителю, введены предварительно напряженная приводная рулонная пружина и пружина кручения, рабочий и холостой барабаны, храповой механизм - прерыватель, реверсивная обгонная муфта с обоймой и крестовиной, ведущий вал, вал прерывателя, промежуточный вал, шестерня с роликовым упором, шестерня пружины кручения, шестерни с обгонными муфтами прямого и обратного хода, причем приводная рулонная пружина и пружина кручения объединены кинематической связью в пружинный механизм, рулонная пружина снабжена фиксатором и размещена на холостом и рабочем барабанах - одной стороной накручена на холостом барабане, обратной стороной - на рабочем барабане, и остановы, установленные на корпусе двигателя, фиксируют ее в крайних положениях; храповой механизм - прерыватель, состоящий из храпового колеса, закрепленного на валу прерывателя, подпружиненной собачки с роликом; шестерня с роликовым упором зацепляется с шестерней пружины кручения, установленной на промежуточном валу, а пружина кручения надета на установленный в корпусе двигателя промежуточный вал с закрепленным на нем верхним витком пружины кручения, при этом нижний виток пружины кручения прикреплен к корпусу; на промежуточном валу установлены шестерни с обгонными муфтами прямого и обратного вращения для последовательной передачи вращения на вал потребителя.

Верхняя поверхность храпового колеса прерывателя снабжена одним или несколькими расположенными равномерно по окружности зубьями с вытянутыми верхними наклонными поверхностями и радиальными пазухами в нижней части каждого зуба, подпружиненная собачка храпового колеса снабжена вращающимся роликом, а заглубления радиальной пазухи выполнены с глубиной, приближенной по размеру радиуса ролика собачки, при этом нижняя сторона собачки выполнена с пологим наклоном, длина которого меньше длины шага зубьев, а подпружиненная собачка выполнена в форме дуги с радиусом, описанным из центра вала храпового колеса.

Реверсивная обгонная муфта закреплена на валу прерывателя и установлена внутри шестерни с роликовым упором с возможностью свободного вращения на валу прерывателя; в обойме выполнены гнезда трапецеидальной формы с размещенными в них подпружиненными шариками с возможностью заклинивания/расклинивания обоймы и шестерни с роликовым упором. Крестовина, размещенная выше уровня обоймы и свободно вращающаяся на валу прерывателя, снабжена шарнирами, свободные концы которых прижаты подпружиненными шариками и выступами, размещенными в радиальных пазухах зубьев храпового колеса.

Расстояние между роликовым упором и центром вала прерывателя выбрано равным среднему радиусу дуги собачки, а высота роликового упора выполнена с условием, чтобы при взаимодействии роликового упора с собачкой ролик собачки выводился из зацепления зуба храпового колеса.

После высвобождения фиксатора рулонная пружина, раскручиваясь, вращает вал прерывателя, храповое колесо, реверсивную обгонную муфту с роликом, шестерню с обгонной муфтой прямого вращения, промежуточный вал и вал потребителя, преодолевая усилие пружины кручения, при этом ролик собачки храпового колеса, двигаясь по поверхности зуба храпового колеса, упирается в пазуху зуба храпового колеса, приостанавливая дальнейшее раскручивание рулонной пружины. Ролик собачки храпового колера, нажимая на выступ крестовины реверсивной обгонной муфты, расклинивает обойму и шестерню с роликовым упором, и пружина кручения, раскручиваясь, через свою шестерню вращает шестерню с роликовым упором, нажимающим на нижнюю поверхность собачки, приподнимает ролик собачки над зубом храпового колеса; одновременно пружина кручения через промежуточный вал вращает шестерню с обгонной муфтой обратного вращения и вал потребителя. При выходе ролика собачки из зацепления с зубом храпового колеса возобновляется раскручивание рулонной пружины, цикл повторяется после поворачивания храпового колеса до упора ролика собачки и следующей по порядку пазухе зуба, и далее до полного раскручивания рулонной пружины.

На фиг. 1 показана схема общего вида механического пружинного двигателя для получения энергии.

На фиг. 2 показан пружинный двигатель с рулонной пружиной (вид сверху, вид сбоку).

На фиг. 3 показана схема взаимодействия шестерни с роликовым упором, шестерни пружины кручения и промежуточного вала (вид сверху).

На фиг. 4 показано храповое колесо (вид сверху, вид сбоку).

На фиг. 5 показана собачка храпового колеса (вид сбоку и вид сверху).

На фиг. 6 показаны шестерня с роликовым упором, реверсивная обгонная муфта и храповое колесо (вид сверху, продольный разрез).

На фиг. 7 дана циклограмма взаимодействия предварительно напряженной приводной рулонной пружины и пружины кручения.

Механический пружинный двигатель для получения энергии (фиг. 1) состоит из приводной рулонной пружины 1 с приводом от внешнего источника, например электродвигателя 2, с зубчатой передачей 3. В сжатом (заведенном) состоянии рулонная пружина 1 стопорится фиксатором 4, а остановы 4а и 4б (фиг. 2, на фиг. 1 не показаны) фиксируют рулонную пружину в крайних (спущенном и заведенном) состояниях. Концы рулонной пружины 1 неподвижно закреплены на холостом 5 и рабочем 6 барабанах, которые неподвижно установлены на холостом 7 и рабочем 8 валах, барабаны установлены на холостом и рабочем валах 7 и 8, причем на барабан 5 рулонная пружина накручена одной стороной внутрь, а на барабан 6 - обратной стороной (фиг. 2). На рабочем валу 8 установлена шестерня с обгонный муфтой 9, связанная с шестерней 10 вала прерывателя 11. Вал прерывателя 11 установлен в корпусе 12 на подшипниках 13 (фиг. 1). На валу 11 закреплена реверсивная обгонная муфта 14 (фиг. 6) и храповой механизм - прерыватель, состоящий из храпового колеса 15, подпружиненной собачки 16, закрепленной на оси 17 в корпусе 12. Верхняя поверхность храпового колеса 15 выполнена с зубьями 18 (фиг. 4) с вытянутыми верхними наклонными поверхностями 19 и радиальными пазухами 20 в нижней части каждого зуба. Зубья 18 равномерно расположены по окружности храпового колеса 15, и количество зубов не превышает двух. Подпружиненная собачка 16 храпового колеса 15 прижимается к храповому колесу пружиной 21 (фиг. 1, 5). Свободный конец собачки 16 выполнен в виде дуги с радиусом, обеспечивающим зазор с храповым колесом 15, а в нижней части собачки 16 храпового колеса 15 размещен ролик 22, причем радиальные пазухи 20 зубьев 18 выполнены по радиусу ролика 22, а заглубление радиальной пазухи 20 должно быть таким, чтобы ролик 22 надежно фиксировался в ней и предотвращалось самопроизвольное накатывание ролика 22 на зубья 18 (фиг. 4).

Нижняя часть собачки 16 выполнена с пологим наклоном, длина которого меньше шага зубьев 18. Реверсивная обгонная муфта 14 состоит из закрепленного на валу 11 храпового колеса 15, нижняя часть которого является обоймой 24 с гнездами 25 трапецеидальной формы с установленными в них подпружиненными шариками 26, причем форма гнезд 25 позволяет заклинивать/расклинивать шарики 26. Одним боком шарики 26 прижимаются к обойме 24, а другим - к шестерне 23. Выше уровня обоймы 24 на валу 11 установлена крестовина 27 с возможностью вращения относительно вала 11. На крестовине 27 установлены шарнирные упоры 28, их количество равно количеству шариков 26. Один конец каждого из упоров 28 шарнирно закреплен на крестовине 27, а другой конец - упирается в подпружиненный шарик 26 для его расклинивания и высвобождения шестерни 23. Крестовина 27 выполнена с выступами 29, верхняя часть которых размещена в гнезде радиальной пазухи 20 зуба 18, выходя за пределы гнезда на величину хода выступа 29 (фиг. 3, 6). На шестерне 23 установлен роликовый упор 30, взаимное расположение по высоте роликового упора 30 и нижней поверхности дуги собачки 16 храпового колеса 15 должно быть таким, чтобы при вращении шестерни 23 роликовый упор 30, нажимая на нижнюю наклонную поверхность дуги собачки 16, приподнимал ролик 22 на высоту зуба 18 и тем самым возобновлял вращение вала прерывателя 11, а после прохождения роликового упора 30 под собачкой 16 последняя опускалась бы под воздействием пружины 21, и ролик 22, войдя в пазуху 20 зуба 18, останавливал вращение вала 11. Шестерня 23 зацеплена с шестерней 31 пружины кручения 32, которая установлена на промежуточном валу 33 (фиг. 1).

Верхний виток пружины кручения 32 прикреплен к промежуточному валу 33, а последний - к неподвижному упору 34 в корпусе 12 на подшипнике 35.

На валу 33 (фиг. 1) установлены обгонные муфты с шестерней прямого вращения 36 (передает вращение от рулонной пружины) и шестерней 37 обратного вращения (передает вращение от пружины кручения). Обгонная муфта прямого вращения 36 соединена с шестерней 38 входного вала 39 редуктора 40. На выходном валу 43 редуктора 40 установлен маховик 44 и посредством упругой муфты 45 вал 43 редуктора 40 соосно соединен с валом 46 потребителя 47.

Рабочий цикл начинается с исходного положения предварительно напряженной приводной рулонной пружины 1. В начале цикла рулонная пружина 1 закручена на холостом барабане 5 с усилием P_рул.1 (усилие полностью закрученной рулонной пружины) (фиг. 7) и зафиксирована от раскручивания фиксатором 4, шестерня с обгонной муфтой 9 законтрена, роликовый упор 30 приподнимает подпружиненную собачку 16 над вершиной одного из зубьев 18 храпового колеса 15.

Подпружиненные шарики 26 обгонной муфты 14 в трапецеидальных гнездах 25 обоймы 24 законтривают реверсивную обгонную муфту 14 и шестерню 23, выступы 29 крестовины 27 выходят из пазух 20 зубьев 18 храпового колеса 15 и законтрены. Пружина кручения 32 предварительно затянута до усилия P_кр.1 (минимальное усилие пружины кручения, достаточное для обеспечения потребителя энергией) (фиг. 7). Шестерня 36 с обгонной муфтой прямого вращения законтрена, шестерня с обгонной муфтой обратного вращения 37 расконтрена. Все детали механического пружинного двигателя находятся в покое.

После освобождения фиксатора 4 приводная рулонная пружина 1 раскручивается, вращая в прямом направлении: рабочий вал 8, шестерню с обгонной муфтой 9, вал 11, храповое колесо 15, реверсивную обгонную муфту 14 с шестерней 23, шестерню 31 и промежуточный вал с закрепленным к нему витком пружины кручения 32, шестерню с обгонной муфтой прямого вращения 36, шестерню 38, входной вал 39, выходной вал 43 редуктора 40, маховик 44 и вал 46 потребителя 47. При этом под воздействием пружины 21 ролик 22 движется по вытянутой верхней наклонной поверхности 19 зуба 18 храпового колеса 15 до тех пор, пока ролик 22 не достигнет радиальной пазухи 20 зуба 18.

Вращением шестерни 31 пружина кручения 32 будет затянута на расчетный угол, и ее усилие достигнет величины P_кр.2 (максимальное усилие закручивания пружины кручения в конце цикла закручивания) (фиг. 7).

При повороте храпового колеса 15 и достижения роликом 22 собачки 16 выступа 29 крестовины 27 ролик 22 нажимает на выступ 29, поворачивая при этом крестовину 27 вокруг вала 11 на величину хода выступа 29; крестовина 27, поворачивая шарнирные упоры 28, которые отжимают шарики 26, расконтривает шестерню 23; зуб 18 храпового колеса 15 своей пазухой 20 упирается в ролик 22, храповое колесо 15 останавливается, и приостанавливается раскручивание приводной рулонной пружины 1.

Под воздействием раскручивающего усилия пружины кручения 32 промежуточный вал 33 вращается в обратном направлении, расконтривается шестерня 23 с обгонной муфтой 14, законтривается шестерня с обгонной муфтой обратного хода 37 и при этом через паразитную шестерню 41 и шестерню 42 входного вала 39 редуктора 40 продолжается вращение вала 46 потребителя 47.

Под воздействием раскручивающего усилия пружины кручения 32 расконтренная шестерня 23 с роликовым упором 30 вращается в обратном направлении, роликовый упор 30 нажимает на нижнюю наклонную поверхность дуги подпружиненной собачки 16, поднимает ее, ролик 22 выходит из зацепления с зубом 18, раскручивание приводной рулонной пружины возобновляется.

Пружина кручения 32 с шестернями 23 и 31, промежуточным валом 33 имеет возвратно-вращательное движение на угол, определяемый передаточным числом шестерен 23, 31 и количеством зубьев храпового колеса 15, то есть при передаточном числе 1:1 и одном зубе угол составит 360^o, при двух зубьях -180^o. В конце хода пружины кручения 32 ее усилие снижается от P_кр.2 до P_кр.1 (фиг 7).

Цикл работы механического пружинного двигателя от взаимодействия рулонной пружины 1 и пружины кручения 32 повторяется, приводная рулонная пружина 1 постепенно раскручивается до тех пор, пока ее усилия (P_рул.2) (фиг. 7) и энергии двигателя будет достаточно для потребителя.

По завершении раскручивания приводной рулонной пружины новый цикл работы двигателя начинается с заведения рулонной пружины 1.

Использование изобретения: данное изобретение можно использовать в автомобилестроении, в качестве двигателя для электромобиля, путем подсоединения к генератору электродвигателя; в качестве привода для заводных и электрических игрушек; в качестве переносного автономного источника электрической энергии постоянной мощности для потребления электрической энергии отдельным хозяйственным объектом.

Изобретение относится к транспортному и энергетическому машиностроению и может быть использовано на приводах транспортных средств, электрических генераторов небольшой мощности. Техническим эффектом является обеспечение постоянства передачи энергии вращения потребителю за счет регулирования во времени работы приводной пружины при ее раскручивании. Основное отличие конструкции по изобретению состоит в том, что в механический пружинный двигатель помимо приводной рулонной пружины введены пружина кручения, прерыватель, реверсивная обгонная муфта, образующие единый механизм, позволяющий увеличить цикл работы рулонной пружины и обеспечить постоянство передачи энергии потребителю. Изобретение может быть использовано, например, в качестве двигателя для электромобиля путем подсоединения к генератору электродвигателя, в качестве привода для заводных и электрических моделей и детских игрушек, в качестве переносного источника электроэнергии постоянной мощности. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Механический пружинный двигатель для получения энергии, состоящий из корпуса, пружинного механизма с приводом от внешнего источника, системы зубчатых и цепных передач с обгонной муфтой прямого вращения, выходного вала для передачи вращательного движения потребителю, отличающийся тем, что в механический пружинный двигатель введены предварительно напряженная приводная рулонная пружина и пружина кручения, рабочий и холостой барабаны, храповой механизм-прерыватель, реверсивная обгонная муфта с обоймой и крестовиной, ведущий вал, вал прерывателя, промежуточный вал, шестерня с роликовым упором, шестерня пружины кручения, шестерни с обгонными муфтами прямого и обратного хода, причем приводная рулонная пружина и пружина кручения объединены кинематической связью в пружинный механизм, рулонная пружина снабжена фиксатором и размещена на холостом и рабочем барабанах - одной стороной накручена на холостом барабане, обратной стороной - на рабочем барабане; храповой механизм-прерыватель, состоящий из храпового колеса, закрепленного на валу прерывателя, подпружиненной собачки с роликом; шестерня с роликовым упором зацепляется с шестерней пружины кручения, установленной на промежуточным валу, а пружина кручения надета на установленный в корпусе двигателя промежуточный вал с закрепленным на нем верхним витком пружины кручения, при этом нижний виток пружины кручения прикреплен к корпусу; на промежуточном валу установлены шестерни с обгонными муфтами прямого и обратного вращения для последовательной передачи вращения на вал потребителя. 2. Механический пружинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что верхняя поверхность храпового колеса прерывателя снабжена одним или несколькими расположенными равномерно по окружности зубьями с вытянутыми верхними наклонными поверхностями и радиальными пазухами в нижней части каждого зуба, подпружиненная собачка храпового колеса снабжена вращающимся роликом, а заглубления радиальной пазухи выполнены глубиной, приближенной по размеру к радиусу ролика собачки, при этом нижняя сторона собачки выполнена с наклоном, длина которого меньше длины шага зубьев, а подпружиненная собачка выполнена в форме дуги с радиусом, описанным из центра вала храпового колеса. 3. Механический пружинный двигатель по п.12, отличающийся тем, что реверсивная обгонная муфта закреплена на валу прерывателя и установлена внутри шестерни с роликовым упором с возможностью свободного вращения на валу прерывателя; в обойме выполнены гнезда трапецеидальной формы с размещенными в них подпружиненными шариками с возможностью заклинивания/расклинивания обоймы и шестерни с роликовым упором; крестовина, размещенная выше уровня обоймы и свободно вращающаяся на валу прерывателя, снабжена шарнирами, свободные концы которых прижаты подпружиненными шариками и выступами, размещенными в радиальных пазухах зубьев храпового колеса. 4. Механический пружинный двигатель по пп.2 и 3, отличающийся тем, что расстояние между роликовым упором и центром вала прерывателя выбрано равным среднему радиусу дуги собачки, а высота роликового упора выполнена с условием, чтобы при взаимодействии роликового упора с собачкой ролик собачки выводился из зацепления зуба храпового колеса. 5. Механический пружинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что после высвобождения фиксатора рулонная пружина, раскручиваясь, вращает вал прерывателя, храповое колесо, реверсивную обгонную муфту с роликом, шестерню с обгонной муфтой прямого вращения, промежуточный вал и вал потребителя, преодолевая усилие пружины кручения, при этом ролик собачки храпового колеса, двигаясь по поверхности зуба храпового колеса, упирается в пазуху зуба храпового колеса, приостанавливая дальнейшее раскручивание рулонной пружины; ролик собачки храпового колеса, нажимая на выступ крестовины реверсивной обгонной муфты, расклинивает обойму и шестерню с роликовым упором, и пружина кручения, раскручиваясь, через свою шестерню вращает шестерню с роликовым упором, нажимающим на нижнюю поверхность собачки, приподнимает ролик собачки над зубом храпового колеса; одновременно пружина кручения через промежуточный вал вращает шестерню с обгонной муфтой обратного вращения и вал потребителя; при выходе ролика собачки из зацепления с зубом храпового колеса возобновляется раскручивание рулонной пружины, цикл повторяется после поворачивания храпового колеса до упора ролика собачки в следующей по порядку пазухе зуба и далее до полного раскручивания рулонной пружины.