УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ С УСТРОЙСТВОМ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к области двигателестроения, компрессоростроения, а именно к устройствам 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 зубьями, которые находятся 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.; см. Публикация PCT/US 95/05708, WO/30846, 1995 г.)
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее ведущий вал, шестерню с внешними зубьями, нарезанными примерно на половине окружности, и продольный элемент в виде подвижной рамки, составленной из двух продольных зубчатых реек и двух опорных полуцилиндров (см. Публикация PCT/US 95/05708, WO/30846, 1995 г.)
В указанном устройстве вращающаяся в одном направлении шестерня последовательно входит в зацепление с верхней и нижней зубчатой рейкой подвижной рамки, передавая через них окружное усилие и изменяя направление возвратно-поступательного движения рамки после перекатывания по опорным поверхностям полуцилиндров на участке перехода с одной зубчатой рейки на другую.

При этом в процессе вращения ведущего вала с шестерней величина инерционных нагрузок, связанных с величиной градиента роста и падения продольной скорости рамки в период смены направления возвратно-поступательного движения, зависит от высоты и, следовательно, от принятого модуля m торцевых зубьев реек рамки и шестерни. Расчеты и экспериментальная проверка показали, что в быстроходных устройствах, где действуют большие механические усилия и имеют место высокие скорости возвратно-поступательного и вращательного движения, для приведения величины инерционных нагрузок к уровню допустимых по условию прочности деталей необходимо выбирать большие модули m, обеспечивая значение отношения модуля m к продольному ходу подвижной рамки S в пределах 6-10%, а в некоторых случаях и больше. Это означает, что модуль торцевых зубьев в таких устройствах задается по кинематическим соображениям, как средство коррекции скоростной характеристики продольного движения с целью снижения инерционных нагрузок, возникающих в зоне смены направления движения. Но увеличение модуля зубьев быстро ухудшает габаритные и массовые показатели механизма, что затрудняет использование описанного устройства в двигателях внутреннего сгорания и компрессорных машинах.

Использованию указанного устройства препятствует также большая разница между удельным давлением, действующим на боковую поверхность первого зуба и на остальные зубья зубчатой рейки, что может резко сократить ресурс работы узла. Таким образом, возникает необходимость в увеличении нагрузочной способности устройства на участках, прилегающих к ВМТ и НМТ, диктуемая действием в этих зонах пиковых инерционных и газовых сил, перегружающих торцевые зубья зубчатых реек 5.

Отмеченные недостатки близкого по технической сущности устройства не позволяют полностью реализовать газодинамические, конструктивные и технологические преимущества данного типа механизмов, обусловленные отсутствием коленчатого вала.

Первой задачей изобретения является снижение инерционных нагрузок, действующих в устройстве, уменьшение габаритов и массы подвижной зубчатой рамки.

Второй задачей изобретения является повышение нагрузочной способности передачи.

Первая поставленная задача решается тем, что шестерня установлена на валу устройства с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения вала и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки.

Вторая поставленная задача решается тем, что торцевые поверхности продольных упоров изготовлены совпадающими с боковым профилем торцевых зубьев зубчатых реек с возможностью полной или частичной реализации функции восприятия рабочей нагрузки торцевой поверхностью продольного упора совместно с боковой поверхностью первого зуба, а шаг зубьев зубчатой рейки, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая от сечения стыка зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра.

Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
По первой задаче:
Шестерня установлена на валу устройства с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения вала и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки.

По второй задаче:
Торцевые поверхности продольных упоров выполнены совпадающими с боковым профилем торцевых зубьев зубчатых реек с возможностью полной или частичной реализации функции восприятия рабочей нагрузки торцевой поверхностью продольного упора совместно с боковой поверхностью первого зуба.

Шаг зубьев зубчатой рейки, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая от сечения стыка зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра.

На фиг.1 показана схема устройства преобразования движения. На фиг.2 дано сравнение габаритов заявленного устройства (схема а) и варианта с шестерней без функции перекатывающегося рычага (схема б) при равном для обеих схем продольном ходе подвижной рамки 3. На фиг.3 приведен сравнительный график продольных скоростных характеристик сравниваемых устройств. На фиг.4 в позициях шестерни а и б дано графическое пояснение к работе устройства повышения нагрузочной способности.

Устройство преобразования движения (фиг.1-3) состоит из шестерни 1, которая находится в постоянном зацеплении с подвижной зубчатой рамкой 3. Подвижная рамка 3 по форме выполнена состоящей из двух зубчатых реек равной длины и двух опорных полуцилиндров равного радиуса. Подвижная рамка 3 соединена с подвижным корпусом 7 (например, поршнем) через проушину 6 с пальцем и имеет относительно него возможность поперечного возвратно-поступательного перемещения (качания). Подвижный корпус 7 помещен в неподвижный корпус 8 с возможностью продольного возвратно-поступательного движения. Для фиксации крайнего левого и крайнего правою положения зубчатой рамки 3 относительно шестерни 1 имеются продольные упоры 4, закрепленные вдоль каждой зубчатой рейки 5, и сектор окружности шестерни 1, свободный от зубцов и имеющий радиус примерно равный наружному радиусу вершин ее зубьев. При этом центр Ц₂ шестерни 1 может быть смещен или не смещен относительно оси вращения Ц₁ выходного вала 2, а переменный радиус R_i между центром Ц₁ вала 2 и линией контакта шестерни с поверхностью опорного полуцилиндра образует возможность реализации функции перекатывающегося рычага для поверхности шестерни 1, свободной от зубцов.

Устройство повышения нагрузочной способности (фиг.4) состоит из рабочего контура зубчатых реек 5, образованного чередованием профилей зубцов и лежащих между ними впадин. Шаг зубьев h зубчатых реек, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая oт сечений стыка X₁-X₁ и X₂-X₂ зубчатых реек и сопряженных полуцилиндров.

Торцевые поверхности продольных упоров 4 изготовлены совпадающими с профилем 9 торцевых зубьев зубчатых реек 5. Площадь торцевых поверхностей продольных упоров 4 включена в рабочую площадь торцевых зубьев зубчатых реек 5. Причем в устройстве выделены:
- кромка торцевого зуба А, являющаяся точкой начала и конца участия поверхности 9 торцевого зуба зубчатой рейки в зацеплении с шестерней 1;
- сектор зацепления β как угол поворота шестерни 1 от входа до выхода торцевой поверхности 9 зубчатой рейки из зацепления.

Устройство преобразования движения работает следующим образом (фиг.1-3):
С началом вращения вала 2 от положения ВМТ (положение по фиг.1) поверхность шестерни 1, свободная от зубьев и имеющая возможность реализации функции перекатывающегося рычага, перекатывается по поверхности нижнего полуцилиндра подвижной рамки 3, обеспечивая начало ее продольного движения. При этом зубья шестерни 1 входят в зацепление с правой зубчатой рейкой подвижной рамки 3, а диаметрально противоположные им точки поверхности шестерни 1, свободной от зубцов, выходят на опорную поверхность левого продольного упора 4. Одновременно происходит интенсивный рост скорости V подвижной рамки 3 в направлении оси Y-Y. Однако введение в конструкцию возможности реализации функции перекатывающегося рычага, выраженной в том, что окружная скорость в точке контакта шестерни с поверхностью опорного полуцилиндра подвижной рамки по углу поворота вала изменяется пропорционально изменению радиуса R_i, проведенного от центра вала 2 к точке контакта, создает меньший градиент роста поступательной скорости V подвижной рамки 3, чем градиент роста поступательной скорости V в устройстве без нее (см. в сравнении кривые 1 и 2 на фиг.3). В результате снижаются значения начальных пиковых ускорений и определяемых ими инерционных нагрузок на детали. Одновременно за счет наличия перекатывающегося рычага уменьшается потребный диаметр шестерни, необходимый для получения того же хода поршня (см. фиг.2), что на 20-25% снижает габариты и массу подвижной рамки 3 и как следствие дает дополнительные возможности уменьшения действующих инерционных нагрузок по фактору массы. Оптимизируется методика подбора модуля m зубьев передачи. Здесь модуль зубьев выбирается уже только по условию действующих контактных и изгибных напряжений. Условия кинематики на этот выбор не влияют.

Далее шестерня 1 перекатывается своими зубьями по зубчатой рейке 5, а поверхность шестерни 1, свободная от зубцов, скользит во встречном движении по поверхности продольного упора 4 левой стороны и после нее (в процессе поворота) накатывается на поверхность верхнего полуцилиндра подвижной рамки 3. В этой части движения продольная скорость V продолжает плавно нарастать до максимума и затем снижается до значения, имевшего место в начале участка (см. кривую 1, фиг.3; диапазон угла поворота участка 30-150^o).

Накатывание поверхности шестерни 1, свободной от зубцов, на поверхность верхнего опорного полуцилиндра подвижной рамки 3 и переход шестерни в положение НМТ (зеркально к положению на фиг.1) сопровождается интенсивным снижением продольной скорости V до V=0 (см. кривую 1, точка 180^o, фиг.3) и выходом зубьев из зацепления с правой зубчатой рейкой подвижной рамки 3. Однако градиент снижения скорости V и на этом участке ввиду наличия возможности реализации функции перекатывающегося рычага остается значительно ниже, чем в устройстве без нее (см. кривую 1 и 2, фиг.3). Соответственно снижены и инерционные нагрузки торможения подвижной рамки 3 (и подвижного корпуса 7) в направлении оси Y-Y.

Процесс дальнейшего перекатывания шестерни 1 по подвижной рамке 3, а именно ее перекатывание с переходом на левую зубчатую рейку, затем на поверхность нижнего опорного полуцилиндра и все происходящие при этом процессы аналогичны описанным.

Устройство повышения нагрузочной способности работает следующим образом (фиг.4): Исходному положению устройства (см. фиг.4а) соответствует такое положение шестерни 1, при котором кромка А первого зуба зубчатой рейки 3 совпадает с наружной кромкой первой впадины шестерни 1. Причем рабочая площадь боковой поверхности 9, увеличенная за счет полного или частичного включения в нее торцевой поверхности продольного упора, при движении в секторе зацепления β испытывает меньшее удельное давление по сравнению с отдельной боковой поверхностью торцевого зуба зубчатой рейки 5. Это повышает нагрузочную способность передачи пропорционально задействованной площади торцевых поверхностей и величине допускаемых напряжений. Допускаемые напряжения в данном случае будут выше, т.к. контактирующая сторона первой впадины зубчатого венца шестерни 1 и часть поверхности 9, относящаяся к торцевой поверхности продольного упора, имеют сплошную среду материала в направлении действия сил и поэтому не работают на изгиб, как это имеет место в полнопрофильном зубе. Поэтому прочность сопрягаемой зоны определяется только контактной прочностью материала, что при его соответствующей твердости позволяет обеспечить восприятие значительно больших нагрузок, чем при полнопрофильном зубе, где часто доминируют напряжения изгиба.

Кроме того, шаг зубьев зубчатой рейки h, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины и выполненный с началом от основания впадины (считая от сечения стыка Х₂-Х₂ зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра), позволяет увеличить значение угла сектора зацепления β (см. фиг. 4б), в котором поверхность 9, имеющая дополнительную площадь, взаимодействует с боковой поверхностью первой впадины зубчатого венца шестерни 1 в процессе поворота вала 2. В результате реализуются возможность повышенной нагрузочной способности передачи как за счет большей рабочей площади поверхности 9, так и за счет ее большего сектора зацепления β. Образование большего, чем у известного устройства, сектора зацепления β поверхности 9 обеспечивается сдвигом зубца зубчатой рейки в пределах размера шага h так, чтобы плоскость стыка Х₂-Х₂ зубчатой рейки 5 с полуцилиндром, являющаяся плоскостью отсчета шага, проходила по основанию впадины. Причем наибольшее приращение угла сектора зацепления β имеет место тогда, когда шаг начинается с середины основания впадины (см. фиг.4а). В этом случае сектор зацепления β, по сравнению с известным устройством, увеличивается на размер окружного шага. В итоге движение линии контакта шестерни 1 по поверхности 9 от кромки А и возврат к ней в пределах сектора зацепления β (см. фиг. 4б) сопровождается усилением несущей способности передачи, что в ряде случаев (например, в двигателях внутреннего сгорания или компрессорах) позволяет снизить действующие напряжения от пиковых нагрузок.

Характерный сектор зацепления β (фиг. 4б) по периметру рабочего просвета подвижной рамки 3 в процессе работы устройства пересекается на четырех участках траектории движения и прилегает к четырем торцам зубчатых реек 5. Работа устройства на названных участках аналогична описанной,
До и после сектора β условия зацепления ничем не отличаются от обычных.

Установка на валу шестерни 1 с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения вала и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки, позволило снизить пиковые инерционные нагрузки, действующие вблизи ВМТ и НМТ до уровня допустимых. При этом значительно уменьшены габариты подвижной рамки и улучшены массовые показатели изделия.

Снижение удельного давления на боковую поверхность 9 торцевых зубьев зубчатых реек 5 путем полного или частичного включения в нее площади торцевых поверхностей продольных упоров 4 и увеличение сектора зацепления β, за счет сдвига зубца зубчатой рейки в пределах размера шага h так, чтобы плоскость стыка Х₂-X₂ зубчатой рейки 5 с опорным полуцилиндром проходила по основанию впадины, обеспечило повышение нагрузочной способности передачи в зонах пиковых значений инерционных и газовых сил.

Устройства относятся к двигателестроению, в частности к устройствам преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Каждое устройство содержит подвижную зубчатую рамку, выполненную в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами, зубчатую шестерню с неполным числом зубьев, установленную на валу с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками, причем шестерня установлена с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения вала и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки. Для повышения нагрузочной способности торцевые поверхности продольных упоров, установленных по длине реек, выполнены совпадающими с боковым профилем торцевых зубьев зубчатых реек с возможностью полного или частичного восприятия рабочей нагрузки торцевой поверхностью продольного упора совместно с боковой поверхностью первого зуба. Кроме того, шаг зубьев зубчатой рейки, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая от сечения стыка зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра. Изобретение обеспечивает снижение инерционных нагрузок, уменьшение габаритов и массы, а также повышение нагрузочной способности. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство преобразования движения, содержащее подвижную зубчатую рамку, выполненную в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами, зубчатую шестерню с неполным числом зубьев, установленную на валу с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками, отличающееся тем, что шестерня установлена на валу устройства с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения вала и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки. 2. Устройство повышения нагрузочной способности, содержащее подвижную зубчатую рамку, выполненную в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами, зубчатую шестерню с неполным числом зубьев, установленную на валу с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками, продольные упоры, установленные по длине зубчатых реек с возможностью поочередного контакта с поверхностью шестерни, свободной от зубцов, отличающееся тем, что торцевые поверхности продольных упоров выполнены совпадающими с боковым профилем торцевых зубьев зубчатых реек с возможностью полного или частичного восприятия рабочей нагрузки торцевой поверхностью продольного упора совместно с боковой поверхностью первого зуба. 3. Устройство преобразования движения по п.1, отличающееся тем, что шаг зубьев зубчатой рейки, взятый как сумма основания профиля зубца и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая от сечения стыка зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра.