УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ Российский патент 2013 года по МПК F16H19/02 F16H21/16 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам преобразования вращательного движения в возвратно поступательное и наоборот, и может быть использовано, например, в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах.

Известен зубчато-рычажный преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное патент №2365799 РФ [1]. Он содержит стойку, вал, несущий ведущую шестерню с внешними зубьями, колесо с внешними зубьями с эксцентрично расположенной осью, кинематическую цепь, обеспечивающую постоянное межосевое расстояние шестерни и колеса, направляющее звено, а также ведомое звено, опирающееся непосредственно или через промежуточные звенья на эксцентричную ось зубчатого колеса. Направляющее звено связано с осью колеса вращательной, а со стойкой поступательной или вращательной парой. Шестерня и колесо помимо зубчатых венцов, содержат опорные дорожки качения. Кинематическая цепь выполнена в виде замкнутой системы тел качения, включающей охватывающее кольцо и дополнительные тела качения, расположенные между шестерней и кольцом. Дополнительные тела качения могут быть выполнены гладкими или зубчатыми. Для уравновешивания инерционных вращающих моментов преобразователь может состоять из двух преобразователей, расположенных на одном общем ведущем валу и установленных в противофазе. Решение направлено на увеличение частоты вращения коленчатого вала при неизменных габаритах конструкции, обеспечение расположения нескольких ведомых звеньев в одной плоскости.

Недостатками данной конструкции (патент №2365799) являются:

1) громоздкость конструкции, создающая невозможность ее полного уравновешивания;

2) в формуле изобретения написано: - «шестерня и колесо, помимо зубчатых венцов содержат опорные дорожки качения, совпадающие или близкие с их начальными поверхностями». Эта фраза сама доказывает невозможность точного уравновешивания;

3) из фиг.3 видно, что массы звеньев 5 ничем не уравновешиваются;

4) из фиг.4 очевидно, что имеются неуравновешенные моменты;

5) на чертежах: Фиг.1 и Фиг.3 противоречие: условие d₇/d₃=2 на фиг.1 соблюдено, а на фиг.3 не соблюдено, что недопустимо.

Известно «Уравновешенное устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот», патент 2267674 (13) РФ [2]. Оно содержит корпус, в котором размещено тело вращения в виде маховика, фиксированного от смещения вдоль оси вращения, на боковой поверхности ползуна выполнена замкнутая винтовая канавка, между ползуном и телом вращения размещен поводок. Одна часть которого зафиксирована в маховике, а другая часть утоплена в замкнутой винтовой канавке ползуна, поворот ползуна относительно корпуса ограничен шлицевым соединением. Сущность изобретения заключается в том, что вдоль оси вращения маховика оппозитивно ползуну размещен дополнительный ползун аналогичный первому, при этом поводки основного и дополнительного ползунов зафиксированы в маховике со смещением, либо дополнительный ползун повернут таким образом, что при вращении маховика ползуны движутся в противоположные стороны. Технический результат заключается уравновешивании сил инерции возвратно-поступательного движенияползунов.

Недостатками данной конструкции (патент РФ №2267674 (13), РФ) являются:

1) громоздкость;

2) ползуны 4 и 5, двигаясь против друга в противоположные стороны, как показано на чертеже двигаются не по одной линии, поэтому они создают неуравновешенный момент сил;

3) поводки 11 и 12 неуравновешенны;

4) при достижении ползуном 4 крайнего левого положения, а ползуны 5 крайнего правого положения происходит переход поводков 11 и 12 на реверсивные ветви винтовых канавок, т.е. на ветви, имеющие обратное направление, при этом, безусловно, возникают динамические нагрузки;

5) внутренний диаметр маховика (вала маховика) не может быть слишком большим (безразмерным), т.е. он ограничивает возможности применения данного механизма по назначению.

Наиболее близким по технической сути предлагаемому в заявке устройству преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, является «Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот» (решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2010123163/11(032979) от 11 августа 2011 г., дата приоритета заявки 07.06.2019) [3].

Суть этого изобретения в нижеследующем.

Устройство содержит неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления, водило, раму, по две штуки с соответственно равными между собой массами: сателлитов, дисков, шатунов и поршней. Числа зубьев каждого сателлита в два раза меньше числа зубьев неподвижного зубчатого колеса внутреннего зацепления. В возвратно-поступательных точках дисков к ним шарнирно присоединены шатуны, которые на вторых своих концах шарнирно соединены с поршнями. Центры тяжести масс шатунов и поршней постоянно, а именно в покое и в движении в пространстве взаимно друг друга уравновешивают. На равных расстояниях от оси вращения водила на обоих концах его находятся оси вращения сателлитов.

Недостатками данной конструкции (заявление на изобретение №2010123163/11(032979) от 11.09. 2011 г. являются:

1) большая длина каждого шатуна: 2R плюс расстояние равное двум толщинам обода неподвижного зубчатого колеса и еще плюс 2R неподвижного зубчатого колесо;

2) сложная конфигурация шатунов - по горизонтальной линии их следует изготовить загнутыми там, где второй раз размер 2R, чтобы расположить массы шатунов по одной линии;

3) оба шатуна в вертикальной плоскости тоже надо делать фигурными, чтобы во время их работы они не застопорились, встретились с продолжением водила. Из отмеченных недостатков видно, что вес шатунов возрастает значительно, а также возникают сложности расположения их центров масс на одной линии.

Выше перечисленные недостатки всех двух конструкций аналогов и прототипа полностью устранены предлагаемым в данной заявке устройством.

Техническая задача - простота конструкции, ее безотказная работа, полная динамическая уравновешенность устройства преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот методом самоуравновешивания - перераспределением и увеличением маховых масс с целью уменьшения колебаний скорости.

Технический результат достигается тем, что устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот (фиг.1) содержит раму 1, по два одинаковых неподвижных зубчатых колеса внутреннего зацепления 1′ и 1′′, жестко соединенных между собой, водила H₁ и Н₂, цилиндрических колеса 2 и 3 внешнего зацепления, сателлита 4 и 7 с жестко присоединенными к ним планками 4′ и 7′, шатуна 5 и 8, которые шарнирно соединены с планками в их возвратно-поступательных точках. Шатуны расположены противоположно друг другу на одной и той же линии с шарнирно присоединенными к ним поршнями 6 и 9, взаимно уравновешивая друг друга. На продолжении обоих водил установлены корректирующие массы K₁ и K₂, на осях которых нарезана резьба. Гайками они регулируются так, чтобы их центры масс и центры масс сателлита 4 с планкой 4′ и сателлита 7 с планкой 7′ находились на одной и той же линии противоположно друг другу. Дисбалансы сателлитов с планками: 4 с 4′ и 7 с 7′ соответственно должны быть равны дисбалансам корректирующих масс K₁ и K₂ для полного уравновешивания вращательных масс. Во избежании заклинивания механизма длина осей корректирующих масс l₁ следует проектировать меньше расстояния от горизонтальной общей линии водил H₁ и H₂ до планок (фиг.1, вид сверху), т.е. l₁<l₂.

Числа зубьев каждого сателлита 4 и 7 должны быть в два раза меньше числа зубьев каждого неподвижного зубчатого колеса внутреннего зацепления 1′ и 1″, в результате на обоих сателлитах, точнее на их делительных окружностях имеются точки, а также прямо напротив них на планках B и B′, совершающие возвратно-поступательные движения в противофазе друг другу.

Одни концы шатунов 5 и 8 шарнирно соединены в точках B и B′ к планкам 4′ и 7′, а вторые концы - к поршневым пальцам в точках C и C′ поршней 6 и 9. Массы поршней и шатунов равны между собой. Они двигаются возвратно-поступательно в противофазе друг другу, взаимно полностью уравновешивая силы инерции поступательных масс. В предлагаемой конструкции устройства у шатунов вращательного движения нет, поэтому нет момента сил инерции и нет необходимости его уравновешивания. При этом нет необходимости делать длинные шатуны со сложной конструкцией, достаточно их изготавливать длиной равной 2R плюс толщина обода неподвижного зубчатого колеса внутреннего зацепления (с допуском +2 мм). Особенно важно, что шатуны нигде не пересекаются с водилами и планками, а также с осями корректирующих масс K₁ и K₂ и нет явления заклинивания.

На фиг.1 представлено предложенное устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, которое включает в себя:

1 - раму;

1′ - неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления;

1″ - неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления;

2 - цилиндрическое зубчатое колесо;

3 - цилиндрическое зубчатое колесо;

4 - сателлит и, жестко присоединенная к нему, планка 4′;

5 - шатун;

6 - поршень;

7 - сателлит и, жестко присоединенная к нему, планка 7′;

8 - шатун;

9 - поршень;

10 - корректирующая масса K₁,

11 - корректирующая масса K₂;

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот работает следующим образом. Цилиндрические колеса 2 и 3 внешнего зацепления вместе с водилами H₁ и Н₂ вращаются в противоположные стороны с угловыми скоростями $${\omega }_{H_1}=-{\omega }_{H_2}$$ и $${\omega }_2={\omega }_{H_1}$$ $${\omega }_3={\omega }_{H_2}$$ . На водилах H₁ и Н₂ на расстояниях r от их осей водил $$O_{H_1}$$ и $$O_{H_2}$$ , вращаются сателлиты 4 и 7. На продолжении X, т.е. концах H_1′ и H_2′ вместе с ними вращаются корректирующие грузы K₁ и К₂. Сателлит 4 находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом 1′ внутреннего зацепления, а сателлит 7 - с таким же колесом 1″. Числа зубьев колес 1′ и 1″ равны между собой: Z_1′=Z_2′, и у сателлитов 4 и 7 тоже Z₄=Z₇, и кроме того Z_1′=2Z₄, Z_1″-=2Z₇, а также R=2r, поэтому точки на делительных окружностях (прямо на зубьях сателлитов) и на против них на планках точки B и B′ совершают в противофазе друг другу возвратно-поступательные движения по одной и той же горизонтальной линии CC′, точно также двигаются присоединенные к ним шатуны 5 и 8 и поршни 6 и 9, полностью взаимно друг друга уравновешивая.

На одинаковых расстояниях от осей водил $$O_{H_1}$$ и $$O_{H_2}$$ на H_1′ и Н_2′ вместе с ними вращаются корректирующие грузы K₁ и K₂, массы которых равны между собой и дисбалансы их соответственно равны дисбалансам сателлита 4 с планкой 4′ и сателлита 7 с планкой 7′, таким образом они полностью уравновешивают вращательные массы. Центры тяжести масс корректирующих грузов K₁ и K₂ и соответствующих блоков сателлитов с планками все время вращаются в противофазе друг с другом на одних и тех же линиях.

Как показали проведенные расчеты и опыты, экономическая эффективность устройства преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот заключается в безотказности работы, долговечности в связи с тем, что угол давления шатуна на стенки цилиндра равна нулю. В связи с полной уравновешенностью значительно улучшились динамические качества механизма: полное отсутствие вредных вибраций, шума, потери мощности, повышение частоты вращения, КПД и производительности. Кроме того за счет увеличения постоянных вращательных масс увеличился маховый момент, что привело к значительному уменьшению колебаний скорости.

Источники

1. Патент №2365799 РФ.

2. Патент №2267674 РФ.

3. Решение о выдаче патента на изобретение Федеральной службой по интеллектуальной собственность по патентам и товарным знакам по заявке №2010123163/11(032979) от 11 августа 2011 г, дата подачи заявки 07.06.2010 г.

Изобретение относится к механизмам преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Устройство преобразования движения содержит по два цилиндрических зубчатых колеса внешнего зацепления (2, 8), зубчатых колеса внутреннего зацепления, сателлитов, к каждому сателлиту жестко присоединена планка, два шатуна (5, 8) и два поршня (6, 9). В возвратно поступательных точках планок к ним шарнирно присоединены шатуны, которые вторыми своими концами шарнирно соединены с поршнями. На продолжении водил установлены корректирующие массы. Изобретение позволяет улучшить динамические качества механизма, повысить его долговечность, надежность и производительность. 1 ил.

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, содержащее неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления, водило, раму, по две штуки с соответственно равными между собой массами: сателлитов, дисков, шатунов и поршней, числа зубьев каждого сателлита в два раза меньше числа зубьев неподвижного колеса внутреннего зацепления, отличающееся тем, что содержит по два одинаковых цилиндрических колеса внешнего зацепления, неподвижных зубчатых колеса внутреннего зацепления, последовательно жестко соединенных между собой два водила, к каждому сателлиту жестко присоединена планка, в возвратно-поступательных точках планок к ним шарнирно присоединены одинаковые шатуны, которые противоположно расположены на одной и той же линии с присоединенными к ним шарнирно поршнями, взаимно уравновешивая друг друга, на продолжении обоих водил установлены корректирующие массы, дисбалансы которых соответственно равны дисбалансам масс сателлитов с планками, точки нахождения центров тяжести корректирующих масс регулируются так, чтобы они лежали на одной и той же линии противоположно с центрами тяжести сателлитов с планками, полностью их уравновешивая.