УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ С УСТРОЙСТВОМ ФИКСАЦИИ КРАЙНИХ ПОЛОЖЕНИЙ ЗУБЧАТОЙ РАМКИ Российский патент 2002 года по МПК F16H19/04 F02B75/32 

Изобретение относится к области двигателестроения, компрессоростроения, а именно к устройству преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот).

Известны устройства преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащие кривошипно-шатунный механизм; содержащие бесшатунный механизм Баландина (см. С.С.Баландин "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания". Машиностроение. 1972 г. Стр. 19, 20, рис. 13); содержащие вращающийся в одном направлении диск с цевками или зубчатое колесо, находящееся в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками подвижной рамки (см. патент ФРГ 3529921, кл. F 02 B 75/32, 1987 г.; см. "Механизмы". Под ред. С.Н.Кожевникова, Машиностроение, 1976 г., стр. 488, рис. 7.120), содержащие зубчатое колесо, перекатывающееся по зубчатому венцу колбообразного шатуна (см. описание патента ФРГ DE 3230508 А1, кл. F 01 В 9/96, опубл. 23.02.84 г., 12 л.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее зубчатое колесо, перекатывающееся по зубчатому венцу колбообразного шатуна (см. описание патента ФРГ DE 3230508 А1, кл. F 01 В 9/96, опубл. 23.02.84 г., 12 л.).

В указанном устройстве поршневой машины имеется шатун, который на колбообразном конце преобразован в зубчатый венец, имеющий форму криволинейного окна. Зубчатый венец находится в зацеплении с зубчатым колесом, сидящим на вале. Зубчатое колесо соединено с кулачком, посаженным на тот же вал. Кулачок взаимодействует с упорами, закрепленными на шатуне. Вращающееся зубчатое колесо перекатывается по периметру зубчатого венца, передает через него окружное усилие и изменяет направление движения возвратно-поступательного устройства. При этом работа описанного устройства в принципе невозможна без строгого указания на форму и требуемые пропорции между основными сопрягаемыми поверхностями деталей. Без определения этих признаков не обеспечивается постоянство параметров зацепления механизма, невозможно обеспечить плавность и безударность его работы в той мере, в которой становится допустимым его использование в двигателях внутреннего сгорания; компрессорах; устройствах, где действуют большие механические усилия и имеют место высокие скорости поступательного и вращательного движения.

Отмеченные недостатки описанного устройства не позволяют реализовать конструктивные и технологические преимущества данного типа устройств, обусловленные отсутствием шатунов и коленчатого вала.

Задачей изобретения является определение пропорций и необходимых технических условий, при которых обеспечивается непрерывность, безударность зацепления и постоянство его основных параметров для любого момента времени цикла с учетом требований, предъявляемых к быстроходным механизмам.

Решение поставленной задачи достигается тем, что зубчатые полуокружности рамки выполнены с радиусом большим, чем у вращающегося зубчатого колеса на величину, равную или превышающую половину высоты зуба, а самой зубчатой рамке обеспечена возможность поперечного возвратно-поступательного перемещения с фиксацией своих крайних положений при помощи кулачкового механизма, у которого по длине зубчатых реек закреплены линейные упоры с возможностью опорного контакта своих рабочих поверхностей с рабочей поверхностью кулачка. При этом приняты условия, согласно которым длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка равна длине рабочих поверхностей линейных упоров, а количество зубьев подвижной зубчатой рамки в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе.

По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение характеризуется следующими новыми существенными признаками.

- Зубчатые полуокружности рамки выполнены с радиусом делительной окружности большим, чем у делительной окружности вращающегося зубчатого колеса на величину, равную или превышающую высоту половины зуба.

- Зубчатая рамка установлена в подвижном корпусе с возможностью поперечного возвратно-поступательного перемещения.

- Зубчатая рамка имеет возможность фиксации своих крайних положений на время перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке одной из сторон рамки.

- Длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка равна длине рабочей поверхности линейного упора.

- Количество зубьев зубчатого венца рамки в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе.

На Фиг.1 показан продольный разрез устройства преобразования движения по плоскости зацепления зубчатой рамки и зубчатого колеса. На Фиг.2 показан продольный разрез устройства фиксации по плоскости действия его кулачкового механизма.

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (Фиг.1) включает в себя зубчатое колесо 1, которое находится в постоянном зацеплении с зубчатой рамкой 2. Зубчатая рамка 2 по форме выполнена состоящей из двух зубчатых реек равной длины и двух зубчатых полуокружностей равного радиуса. Радиус делительной окружности зубчатых полуокружностей всегда больше радиуса делительной окружности зубчатого колеса 1 на величину, равную или превышающую половину высоты зуба. Зубчатая рамка помещена в подвижный корпус 3 и имеет в нем свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения, например, по направляющим цапф 4. Подвижный корпус 3 помещен в неподвижный корпус 5 и имеет в нем свободу продольного возвратно-поступательного движения. Для фиксации крайнего верхнего и крайнего нижнего положения зубчатой рамки 2 (фиксация размера L по Фиг.1) в устройстве имеется механизм фиксации, например электромагнитный, гидравлический, механический (на Фиг.1 не показан), или предлагаемое устройство фиксации, изображенное на Фиг.2.

Устройство фиксации крайних положений зубчатой рамки при поперечном перемещении (Фиг.2) включает в себя кулачок в виде сектора окружности 6, у которого рабочей поверхностью является дуга сектора окружности. Кулачок 6 и зубчатое колесо 1 посажены на одну и туже ось - ось вращения вала и неподвижны относительно друг друга. По длине зубчатых реек закреплены линейные упоры 7, поверхности которых, обращенные к оси симметрии зубчатой рамки, являются рабочими. Длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка 6 равна длине рабочей поверхности линейного упора 7. Количество зубьев зубчатого венца рамки 2 в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе 1. Зубчатое колесо 1 с кулачком 6 введены в зацепление с зубчатой рамкой 2 таким образом, чтобы горизонтальная ось симметрии зубчатой рамки 2 совпадала с осью симметрии Х-Х кулачка 6. Это положение зубчатого колеса 1 соответствует мертвым точкам зацепления (ВМТ-НМТ).

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (Фиг.1) работает следующим образом.

В процессе вращения (по стрелке) зубчатого колеса 1, находящегося по схеме Фиг.1 в зацеплении с нижней зубчатой рейкой рамки 2, подвижный корпус 3 с помещенной в нем зубчатой рамкой 2 движется влево. В момент перехода зубчатого колеса 1 с участка нижней зубчатой рейки на участок зубчатой полуокружности рамки 2 происходит резкое замедление скорости перемещения подвижного корпуса 3, которая падает до нуля в точке, когда горизонтальная ось симметрии зубчатой рамки 2 совпадет с диаметральной линией зубчатого колеса 1. Этот момент соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) для левого торца подвижного корпуса 3 и нижней мертвой точке (НМТ) для правого.

Одновременно с переходом зубчатого колеса 1 с участка зубчатой рейки на участок зубчатой полуокружности рамки 2 начинается поперечное смещение зубчатой рамки 2 в корпусе 3 под действием поперечной составляющей силы, действующей в зацеплении зубчатого колеса 1 с зубчатой полуокружностью рамки 2. Поперечное перемещение зубчатой рамки 2 в отмеченной выше точке ВМТ-НМТ равно половине полного хода в поперечном направлении. Полностью поперечное перемещение заканчивается в момент перехода зубчатого колеса 1 с участка зубчатой полуокружности на участок верхней зубчатой рейки рамки 2. В этот момент зубья зубчатого колеса 1 уже полностью выходят из зацепления с нижней зубчатой рейкой и входят в зацепление с верхней. От отмеченной выше точки ВМТ-НМТ начинается движение подвижного корпуса 3 с зубчатой рамкой 2 в обратном направлении, т. е. вправо, с резким ростом линейной скорости от нулевого значения. Процесс дальнейшего перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке с переходом на левую зубчатую полуокружность и с нее на нижнюю зубчатую рейку и все, происходящие при этом процессы, аналогичны описанным.

Устройство фиксации крайних положений зубчатой рамки при поперечном перемещении (Фиг.2) работает следующим образом.

В процессе вращения зубчатого колеса 1, находящегося в постоянном зацеплении с зубчатой рамкой 2, происходит его поочередный переход с одной зубчатой рейки на другую через зубчатые полуокружности. При этом, благодаря равенству длины рабочих поверхностей кулачка и линейного упора, при перекатывании зубчатого колеса 1 по зубчатой рейке одной стороны на диаметрально противоположной стороне в любой момент времени всегда имеется опорный контакт между рабочими поверхностями кулачка 6 и линейного упора 7, что и обеспечивает фиксацию зубчатой рамки 2 от поперечного перемещения. В момент перехода зацепления с зубчатой рейки на зубчатую полуокружность (точка В₂) кромка В₁ кулачка 6 сближается с кромкой линейного упора А₁ и, минуя ее, снимает фиксацию зубчатой рамки 2, которая начинает смещаться вниз под действием поперечной составляющей силы, действующей в зацеплении зубчатого колеса 1 и зубчатой полуокружности рамки 2. Процесс смещения рамки сопровождается сближением ее горизонтальной оси симметрии с осью симметрии Х-Х кулачка 6. Момент их совпадения соответствует точке ВМТ-НМТ. В данной точке подвижный корпус 3 имеет нулевую поступательную скорость, зубчатая рамка прошла половину хода смещения, а кулачок 6 расположен симметрично относительно арки зубчатой полуокружности и линейных упоров. При этом кромки В₁ и В₂ кулачка 6 своими торцами контактируют с торцами кромок A₁ и А₂ линейных упоров 7, обеспечивая дополнительную кратковременную фиксацию подвижного корпуса 3 от продольного смещения на время перехода зубчатого колеса 1 с одной зубчатой рейки на другую.

Прохождение точки ВМТ-НМТ сопровождается дальнейшим поперечным перемещением зубчатой рамки на оставшуюся половину хода смещения; подвижный корпус 3 начинает продольное движение в обратном направлении; зубчатое колесо 1, перекатываясь далее по арке зубчатой полуокружности, достигает точки перехода на зубчатую рейку, где кромка В₁ кулачка занимает такое же положение, что и кромка В₂ на Фиг.2. В свою очередь кромка В₂ огибает кромку А₂ линейного упора и выходит на его рабочую поверхность (т.е. положение кромки B₂ аналогично положению кромки В₁ на Фиг.2). С этого момента зубчатая рамка 2 вновь оказывается зафиксированной; зубчатое колесо 1 перекатывается по зубчатой рейке; кулачок, совершая встречное вращательное движение, скользит по рабочей поверхности линейного упора; подвижный корпус 3 движется вправо. К концу периода перекатывания зубчатого колеса 1 по зубчатой рейке линия контакта между кулачком и линейным упором проходит всю длину рабочей поверхности кулачка и линейного упора одновременно. При этом кулачок оказывается развернутым на 180^o (зеркальное изображение Фиг.2) и весь описанный процесс перемещения рамки в обратном направлении и ее фиксации повторяется.

Выдерживание найденных пропорций и формы сопрягаемых поверхностей зубчатого колеса и зубчатой рамки для любого момента движения обеспечивает постоянство параметров зацепления, плавную и безударную работу быстроходного механизма, что позволяет реализовать в компрессорах и двигателях внутреннего сгорания преимущества устройства, обусловленные отсутствием коленчатого вала.

Устройства предназначены для использования в двигателестроении, в частности, для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Зубчатые рейки рамки устройства преобразования сопряжены зубчатыми полуокружностями с радиусом, большим радиуса зубчатого колеса вала на величину, равную или превышающую половину высоты зуба; причем рамка имеет продольную и поперечную свободу возвратно-поступательного перемещения, а ее крайние положения фиксируются устройством фиксации. Последнее содержит кулачок с формой рабочей поверхности в виде дуги окружности и линейные упоры длиной, равной длине дуги кулачка; упоры закреплены по длине зубчатых реек и контактируют своей рабочей поверхностью с рабочей поверхностью кулачка. Изобретение обеспечивает постоянство параметров зацепления, требуемое для быстроходных механизмов, и получение плавной безударной работы. 2 с. и 3 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее подвижную зубчатую рамку, выполненную в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам зубчатыми полуокружностями, зубчатое колесо, установленное на валу с возможностью вращения в одном направлении и с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками, и устройство фиксации положений зубчатой рамки, включающее кулачек, установленный на валу зубчатого колеса и имеющий форму рабочей поверхности в виде дуги окружности, отличающееся тем, что подвижная зубчатая рамка установлена с возможностью поперечного возвратно-поступательного перемещения и с возможностью фиксации в крайних положениях, а зубчатые полуокружности рамки выполнены с радиусом большим радиуса зубчатого колеса. 2. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что радиус делительной окружности зубчатых полуокружностей больше радиуса делительной окружности зубчатого колеса на величину, равную или превышающую половину высоты зуба. 3. Устройство фиксации крайних положений поперечного перемещения зубчатой рамки с зубчатыми рейками, установленными с возможностью зацепления с зубчатым колесом, установленным на валу, содержащее кулачек с формой рабочей поверхности в виде дуги окружности, установленный на валу зубчатого колеса с возможностью поддержания постоянного расстояния от делительной линии зубчатой рейки до оси вращения зубчатого колеса, отличающееся тем, что оно снабжено линейными упорами, закрепленными по длине зубчатых реек с возможностью опорного контакта своими рабочими поверхностями с рабочей поверхностью кулачка. 4. Устройство фиксации по п. 3, отличающееся тем, что длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка равна длине рабочих поверхностей линейных упоров. 5. Устройство фиксации по п. 3, отличающееся тем, что количество зубьев подвижной зубчатой рамки в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе.