ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ УРАВНОВЕШЕННЫЙ МЕХАНИЗМ, ВРАЩАЮЩАЯСЯ МАШИНА И СПОСОБ ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F03G7/08 F03G3/06 

Настоящее изобретение относится к энергосберегающему уравновешенному механизму, предназначенному для любого подходящего применения и, в частности, для вращающихся машин.

Настоящее изобретение также относится к вращающейся машине, например, двигателю, генератору или мешалке, содержащей по меньшей мере один такой механизм. Настоящее изобретение, в частности, относится к двигателю, содержащему несколько механизмов.

В конечном итоге настоящее изобретение относится к способу применения такого механизма.

В области механического оборудования существует множество механизмов передачи движения, таких как эпициклические зубчатые передачи или коленчатые валы, которые подходят для установки во вращающихся машинах. Тем не менее, коэффициенты полезного действия, которые достигаются общеизвестными механизмами, не являются в полной мере удовлетворительными.

Целью настоящего изобретения является предоставление механизма, позволяющего экономить энергию и повышать коэффициент полезного действия вращающейся машины.

Для достижения указанной цели предметом настоящего изобретения является механизм, содержащий: одну опору, содержащую основание, один маятник, подвешенный на основании, и подвесные соединительные стержни, шарнирно закрепленные на основании и маятнике; первое подвижное зубчатое колесо, выполненное с возможностью вращения относительно опоры вокруг первой оси; второе подвижное зубчатое колесо, выполненное с возможностью вращения относительно опоры вокруг второй оси; первый эксцентриковый элемент, выполненный с возможностью вращения совместно с первым зубчатым колесом и создающий первый момент силы тяжести вокруг первой оси; второй эксцентриковый элемент, выполненный с возможностью вращения совместно со вторым зубчатым колесом и создающий второй момент силы тяжести вокруг второй оси; и одну соединительную тягу, содержащую вращающуюся головку, установленную в качестве шарнирного соединительного элемента на первом валу, и эксцентриковую головку, установленную в качестве эксцентрикового шарнирного соединительного элемента на втором валу.

Согласно настоящему изобретению ось параллельна горизонтальной или вертикальной базовой плоскости. Маятник поддерживает ось зубчатых колес и эксцентриковых элементов. Соединительные подвесные стержни наклонно расположены под углом в диапазоне от 45 градусов до 80 градусов относительно вертикальной плоскости. Для соединительной тяги первый вал представляет собой либо вал, поддерживающий одно из зубчатых колес, либо вал, закрепленный на основании, при этом второй вал представляет собой другой вал из вала, поддерживающего одно из зубчатых колес, и вала, закрепленного на основании. Зубчатые колеса находятся в зацеплении друг с другом с постоянным передаточным отношением и выполнены с возможностью вращения в противоположных направлениях. При работе механизма эксцентриковые элементы совершают эллиптическое движение, при этом маятник совершает движение с перемещением, имеющее вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую. Моменты силы тяжести эксцентриковых элементов имеют одинаковую величину и одинаковое направление, оба из которых являются переменными в зависимости от их углового положения вокруг оси. Для каждого углового положения зубчатых колес и эксцентриковых элементов относительно оси механизм находится в равновесии в состоянии покоя.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность генерирования энергии за счет центробежной силы, образованной в результате движений эксцентриковых элементов, и толкательных или тяговых усилий, образованных в результате движений маятника.

Равновесие эксцентриковых элементов и центробежные силы, которые они генерируют, позволяют уменьшить количество энергии, необходимой для вращения зубчатых колес и эксцентриковых элементов. Чем больше возрастают центробежные силы, тем в большей степени упрощается указанное вращение.

Наклонное расположение соединительных подвесных стержней позволяет изменить центр тяжести механизма, по сравнению с соединительными тягами, которые были бы расположены вертикально в состоянии равновесия. Энергия толкательного или тягового усилия маятника существенно больше, чем начальное усилие, которое приводит эксцентриковые элементы во вращение. Когда механизм находится в движении, центробежная энергия, генерируемая эксцентриковыми элементами, существенно больше, чем энергия толкательного или тягового усилия маятника.

Согласно преимущественным характеристикам механизма в соответствии с настоящим изобретением, которые взяты отдельно или в комбинации:

- Эксцентриковые элементы имеют одинаковую массу и одинаковые размеры.

- Зубчатые колеса содержат первое колесо, имеющее зуб, который длиннее, чем другие зубья, и второе колесо, имеющее впадину, образованную между двумя зубьями, при этом более длинный зуб и впадина совпадают в момент зацепления зубчатых колес, что обеспечивает выравнивание эксцентриковых элементов.

- Механизм содержит передаточный вал, имеющий ось, которая находится на одной линии с верхними шарнирами соединительных подвесных стержней.

- Первое расстояние задано между дальним концом каждого эксцентрикового элемента и соответствующей осью вращения. Второе расстояние задано равным межцентровому расстоянию соединительных подвесных стержней. Первое расстояние меньше, чем второе расстояние, чтобы эксцентриковые элементы проходили под передаточным валом.

- Механизм содержит средства запуска, включающие, например, цепь или систему передач, предназначенные для приведения одного из зубчатых колес во вращение.

- Средства запуска содержат двигатель.

- Средства запуска содержат кривошип.

- Механизм не содержит специальных средств запуска механизма или механизмов. В этом случае запуск механизма или механизмов можно осуществить путем простого толкания маятника или маятников или одного из эксцентриковых элементов.

- Механизм содержит работающие средства для сбора энергии, например, в виде генератора или двигателя-генератора.

- Когда средства для сбора энергии содержат генератор, машина предпочтительно содержит средства для запуска механизма, включающие двигатель или кривошип. Это позволяет преодолеть сопротивление при запуске, связанное с наличием генератора.

- Для закрепления соединительной тяги первый вал поддерживает одно из зубчатых колес, при этом второй вал закреплен на основании.

- Для закрепления соединительной тяги первый вал закреплен на основании, при этом второй вал поддерживает одно из зубчатых колес.

- Оси зубчатых колес являются горизонтальными.

- Базовая плоскость является горизонтальной.

- Базовая плоскость является вертикальной.

Настоящее изобретение также относится к вращающейся машине, содержащей по меньшей мере один механизм, такой как описан выше.

Вращающаяся машина предпочтительно представляет собой машину для выработки или преобразования энергии, которая обеспечивает повышенный коэффициент полезного действия. Преимущественно, указанная машина не содержит коленчатый вал.

В качестве не исчерпывающих примеров вращающаяся машина может представлять собой двигатель, генератор, мешалку, центрифугу, компрессор, насос или турбину.

Когда машина представляет собой двигатель внутреннего сгорания, эксцентриковые элементы, которыми оснащен механизм, встречаются в двух положениях с максимальной центробежной силой, каждое из которых соответствует сгоранию газа внутри двигателя.

Согласно преимущественному варианту осуществления машина содержит по меньшей мере одну пару механизмов, расположенных последовательно и синхронизированных. Механизмы выровнены и выполнены с возможностью перемещения в противоположных фазах.

Каждый механизм содержит свой собственный передаточный вал, имеющий ось, которая находится на одной линии с верхними шарнирами соединительных подвесных стержней.

Согласно другому преимущественному варианту осуществления машина содержит несколько пар механизмов, расположенных последовательно и синхронизированных в каждой паре. Пары расположены параллельно и синхронизированы друг с другом.

Машина содержит два передаточных вала, каждый из которых соединен с различными механизмами, расположенными параллельно в ряду.

Преимущественно, машина содержит один вал для сбора энергии.

Согласно другому преимущественному варианту осуществления машина представляет собой двухтактный двигатель, содержащий два механизма. Первые два эксцентриковых элемента расположены с интервалами в половину оборота и вторые два эксцентриковых элемента расположены с интервалами в половину оборота.

Согласно другому преимущественному варианту осуществления машина представляет собой четырехтактный двигатель, содержащий четыре механизма. Первые четыре эксцентриковых элемента расположены с интервалами в четверть оборота и, аналогично, вторые четыре эксцентриковых элемента расположены с интервалами в четверть оборота.

Предпочтительно, когда машина содержит несколько маятниковых механизмов, основание является общим для всех маятников. Другими словами, все маятники подвешены на одном основании.

Предмет настоящего изобретения также относится к способу применения механизма, такого как описан выше, включающему следующие последовательные этапы:

этап позиционирования эксцентриковых элементов один относительно другого и относительно зубчатых колес таким образом, чтобы моменты силы тяжести эксцентриковых элементов имели одинаковую величину и одинаковое направление, оба из которых являются переменными в зависимости от их углового положения вокруг оси, при этом для каждого углового положения зубчатых колес и эксцентриковых элементов относительно осей механизм находится в равновесии в состоянии покоя;

этап приведения во вращение зубчатых колес и эксцентриковых элементов вокруг осей, в котором механизм выходит из равновесия и приходит в движение; и

этап работы, в котором вращение эксцентриковых элементов вокруг оси создает центробежную силу в механизме, эксцентриковые элементы совершают эллиптическое движение, при этом маятник совершает движение с перемещением, имеющее вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую.

Настоящее изобретение станет более понятным после прочтения последующего описания, приведенного исключительно в качестве не исчерпывающего примера, со ссылками на прилагаемые к нему графические материалы, на которых:

фиг. 1 представляет собой вид сбоку механизма согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, содержащего опору с маятником, два зубчатых колеса, два эксцентриковых элемента и одну соединительную тягу;

фиг. 2 представляет собой частичный вид сверху в большем масштабе маятника, которым оснащен механизм на фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой частичный подробный вид зацепления между двумя зубчатыми колесами механизма;

фиг. 4 представляет собой вид сбоку соединительной тяги, которой оснащена машина на фиг. 1 и 2;

на фиг. 5–12 показаны схематические изображения механизма на фиг. 1 и 2, на которых изображены движения зубчатых колес и эксцентриковых элементов;

на фиг. 13–16 показаны схематические изображения, аналогичные фиг. 5–8, для механизма согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 17 представляет собой вид сверху, на котором показан один вариант соединения соединительной тяги с механизмом;

фиг. 18 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 2, для механизма согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 19 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 1, на котором изображен пример машины согласно настоящему изобретению, оснащенной двумя последовательно расположенными механизмами;

фиг. 20 представляет собой вид сверху машины согласно фиг. 1;

фиг. 21 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 18, на котором изображен второй пример машины согласно настоящему изобретению;

фиг. 22 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 19, на котором изображен третий пример машины согласно настоящему изобретению;

фиг. 23 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 18, на котором изображен четвертый пример машины согласно настоящему изобретению; и

фиг. 24 представляет собой вид, аналогичный виду на фиг. 19, на котором изображен пятый примеры машины согласно настоящему изобретению, оснащенной параллельно расположенными двумя парами механизмов, которые расположены последовательно.

На фиг. 1–12 показан энергосберегающий уравновешенный механизм 1 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Механизм 1 содержит опору 2, первый блок 10, выполненный с возможностью вращения R1 вокруг первой оси A1, второй блок 20, выполненный с возможностью вращения R2 вокруг второй оси A2, средства 40 запуска механизма 1, вал 53 опоры и соединительную тягу 60. Ось A1 и A2 горизонтально параллельны друг другу и расположены в базовой плоскости P0, которая является горизонтальной. Блоки 10 и 20 вращаются в противоположных направлениях.

Опора 2 содержит неподвижное основание 3 и подвижный маятник 4, который расположен горизонтально и подвешен на основании 3 с помощью четырех соединительных стержней 5. Каждый соединительный стержень 5 шарнирно прикреплен как к основанию 3, так и к маятнику 4 посредством шарнирных соединительных элементов, параллельных оси A1 и A2. Маятник 4 выполнен с возможностью поступательного движения в круговом направлении относительно основания 3 на ограниченном пути перемещения. Соединительные стержни 5 шарнирно закреплены в пределах углов качения маятника 4. Соединительные стержни 5 наклонно расположены под углом 45 градусов относительно вертикальной плоскости.

Основание 3 содержит две вертикальные опоры 6 и верхний горизонтальный брус 7. Соединительные стержни 5 шарнирно закреплены на брусе 7. Альтернативно, основание 3 может содержать два бруса 7. Дополнительно, основание 3 может содержать один или несколько нижних горизонтальных брусьев 7.

Маятник 4 содержит три продольные пластины 8 и поперечины 9, прикрепленные к концам продольных пластин 8. Соединительные стержни 5 шарнирно закреплены на наружных пластинах 8. Пластины 8 маятника 4 обеспечивают опору для блоков 10 и 20. Конкретнее, блок 10 опирается на промежуточную пластину 8 и переднюю пластину 8 посредством подшипников 15, при этом блок 20 опирается на промежуточную пластину 8 и заднюю пластину 8 посредством подшипников 25. Оси A1 и A2 являются неподвижными относительно маятника 4.

Блок 10 содержит вал 11, зубчатое колесо 12, оснащенное зубьями 13, цилиндр 14 и подшипники 15. Вал 11, колесо 12 и подшипники 15 отцентрованы относительно оси A1, при этом цилиндр 14 представляет собой эксцентриковый элемент, имеющий центр тяжести G1, который смещен на расстояние d1 относительно оси A1. Колесо 12 и цилиндр 14 установлены на валу 11, который опирается на подшипники 15, установленные внутри пластин 8 маятника 4. Колесо 12 выполнено с возможностью вращения R1 относительно маятника 4 вокруг оси A1.

Цилиндр 14 выполнен с возможностью вращения R1 совместно с колесом 12 и создает момент M1 силы тяжести P1 относительно оси A1. Сила P1 является сравнительно постоянной. Однако, момент M1 имеет величину и направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), которые изменяются в зависимости от углового положения цилиндра 14 вокруг оси A1.

Блок 20 содержит вал 21, зубчатое колесо 22, оснащенное зубьями 23, цилиндр 24 и подшипники 25. Вал 21, колесо 22 и подшипники 25 отцентрованы относительно оси A2, при этом цилиндр 24 представляет собой эксцентриковый элемент, имеющий центр тяжести G2, который смещен на расстояние d2 относительно оси A2. Колесо 22 и цилиндр 24 установлены на валу 21, который опирается на подшипники 25, установленные внутри пластин 8 маятника 4. Колесо 22 выполнено с возможностью вращения R2 относительно маятника 4 вокруг оси A2.

Цилиндр 24 выполнен с возможностью вращения R2 совместно с колесом 22 и создает момент M2 силы тяжести P2 относительно оси A2. Сила P2 является по существу постоянной. Однако, момент M2 имеет величину и направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), которые изменяются в зависимости от углового положения цилиндра 24 вокруг оси A2.

Колеса 12 и 22 находятся в зацеплении друг с другом с постоянным передаточным отношением. Колеса 12 и 22 имеют одинаковые размеры и одинаковое количество зубьев 13 и 23. Колеса 12 и 22 выполнены с возможностью вращения R1 и R2 в противоположных направлениях. Иначе говоря, колеса 12 и 22 вращаются в противоположных направлениях.

Как показано на фиг. 3, колесо 12 содержит зуб 13a, который длиннее других зубьев 13, при этом колесо 22 содержит впадину 23a, образованную между двумя зубьями 23. Зуб 13a и впадина 23a могут иметь различные формы без отхода от объема настоящего изобретения.

На практике зуб 13a и впадина 23a совпадают в момент зацепления зубчатых колес 12 и 22, что обеспечивает выравнивание цилиндров 14 и 24 и, таким образом, точную балансировку механизма 1.

Например, зубчатые колеса 12 и 22 и цилиндры 14 и 24 могут содержать фиксирующие отверстия, расположенные напротив друг друга, которые не показаны на различных фигурах в целях упрощения. Таким образом, зуб 13a и впадина 23a способствуют выравниванию указанных фиксирующих отверстий.

В контексте настоящего изобретения цилиндры 14 и 24 расположены точно один относительно другого и относительно колес 12 и 14, чтобы моменты M1 и M2 всегда имели одинаковую величину и одинаковое направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), независимо от соответствующих угловых положений цилиндров 14 и 24 вокруг осей A1 и A2.

Масса и размеры цилиндров 14 и 24 точно определены, поскольку они влияют на положение центров тяжести G1 и G2 и, таким образом, на величину моментов M1 и M2. Масса каждого цилиндра 14 и 24 пропорциональна его размерам, при постоянной объемной массе. Предпочтительно, цилиндры 14 и 24 имеют одинаковую массу и одинаковые размеры. Альтернативно, цилиндры 14 и 24 могут иметь различные массы и размеры, при условии, что моменты M1 и M2 имеют одинаковую величину и одинаковое направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) независимо от их соответствующих угловых положений.

Устройство 40 запуска механизма 1 предназначено для введения во вращение R1 и R2 блоков 10 и 20 из состояния равновесия механизма 1. Устройство 40 может характеризоваться любой конфигурацией, подходящей к рассматриваемой области применения.

В примере, показанном на фиг. 1 и 2, устройство 40 содержит двигатель 41, ремень 42, передаточный вал 43, зубчатое колесо 44, зубчатую цепь 45 и зубчатое колесо 46. Двигатель 41 размещен на брусе 7 основания 3. Вал 43 опирается своими концами на основание 3 и выполнен с возможностью вращения вокруг оси A3, которая находится на одной линии в вертикальном направлении с верхними шарнирами соединительных стержней 5. Ось A3 расположена горизонтально, параллельно осям A1 и A2. Ремень 42 соединяет двигатель 41 с валом 43. Колесо 44 установлено с возможностью вращения совместно с валом 43, при этом колесо 46 установлено с возможностью вращения совместно с валом 21. Альтернативно, колесо 46 может быть установлено с возможностью вращения совместно с валом 11. Цепь 45 соединяет колеса 44 и 46, межцентровое расстояние которых равно межцентровому расстоянию соединительных стержней 5. Согласно другому альтернативному варианту зубчатые колеса 44 и 46, а также цепь 45 могут быть заменены системой универсальных соединений или любой другой системой передачи движения, подходящей к рассматриваемой области применения. Таким образом, запуск двигателя 41 позволяет привести блоки 10 и 20 во вращение R1 и R2.

В частности, как показано на фиг. 4, соединительная тяга 60 содержит центральную основную часть 61, соединяющую две головки 62 и 63, которые расположены на ее продольных концах. Конец 62 установлен в качестве шарнирного соединительного элемента на валу 53, закрепленном на основании 3, на одной из опор 6. Конец 63 имеет эксцентричную форму и установлен в качестве эксцентрикового шарнирного соединительного элемента на валу 21. Альтернативно, согласно другой конфигурации механизма 1, конец 63 может быть установлен в качестве эксцентрикового шарнирного соединительного элемента на валу 22.

Каждая из вращающейся головки 62 и эксцентриковой головки 63 содержит кольцеобразную часть 64, в которой расположен шариковый подшипник 65. Альтернативно, указанная кольцеобразная часть 64 может содержать любой тип подшипника, подходящий к рассматриваемой области применения. Каждый шариковый подшипник 65 содержит наружное кольцо 651, внутреннее кольцо 652 и ряд шариков 653.

Вращающаяся головка 62 содержит кольцеобразную втулку 66, содержащую отверстие 67, в которое входит вал 53. Втулка 66 выполнена как одно целое с валом 53 и выполнена с возможностью вращения внутри шарикового подшипника 64.

Эксцентриковая головка 63 содержит эксцентриковую втулку 68, содержащую отверстие 69, в которое входит вал 21. Втулка 68 выполнена как одно целое с валом 21 и выполнена с возможностью вращения внутри шарикового подшипника 64.

Альтернативно, соединительный стержень 60 может иметь другую форму без отхода от объема настоящего изобретения.

Соединительный стержень 60 поглощает толкательное и тяговое усилия, созданные маятником 4 во время работы механизма 1. Более того, соединительный стержень 60 придает жесткость механизму 1 и обеспечивает существенное снижение вибрации.

На практике движение механизма 1 позволяет собирать энергию в области вала 43, например, путем соединения указанного вала 43 с генератором. Альтернативно, двигатель 41 может быть выполнен в виде двигателя-генератора, предназначенного для подачи энергии при запуске механизма 1, а затем сбора энергии, когда механизм 1 работает, таким образом, вал 43 представляет собой вал для сбора энергии.

В качестве не показанного варианта механизм 1 может не содержать устройство из двигателя 41 и ремня 42, представляющее собой средства запуска. В этом случае запуск механизма 1 может быть реализован путем простого приложения давления к одной стороне маятника 4 или одному из цилиндров 14 и 24. Энергия, необходимая для запуска механизма 1, является довольно незначительной. Предпочтительно, механизм 1 содержит все те же самые элементы 43, 44, 45 и 46.

Для обеспечения правильной работы механизма 1 расстояние между дальним концом каждого цилиндра 14 и 24 и его осью вращения A1 или A2 меньше, чем межцентровое расстояние между шарнирами соединительных стержней 5, вследствие чего цилиндры 14 и 24 могут проходить под передаточным валом 43.

На фиг. 5–12 показана работа механизма 1 в течение одного оборота. В частности, на фиг. 5–8 изображена половина оборота, во время которой цилиндры 14 и 24 перемещаются к правой стороне маятника 4, при этом на фиг. 9–12 изображена половина оборота, во время которой цилиндры 14 и 24 перемещаются к левой стороне маятника 4.

На фиг. 5 изображены расположенный вверху цилиндр 14 и расположенный внизу цилиндр 24. Механизм 1 находится в состоянии равновесия. Колеса 12 и 22 неподвижны. Моменты M1 и M2 не существуют.

На этом этапе устройство 40 обеспечивает приведение в движение механизма 1, а также вхождение в зацепление колес 12 и 22, чтобы сместить оба цилиндра 14 и 24 вправо. Касание со стороны цилиндра 14 способствует повороту колеса 12 в направлении вращения R1, что позволяет привести колесо 22 во вращение R2 и, таким образом, поднять цилиндр 24.

На фиг. 6 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил одну восьмую оборота вправо. На фиг. 7 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил четверть оборота вправо. На фиг. 8 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил три четверти оборота вправо. В каждый момент времени, моменты M1 и M2 имеют одинаковую величину и одинаковое направление (по часовой стрелке). Под действием цилиндров 14 и 24 маятник 4 приходит в движение вверх с правой стороны. Затем толкательное усилие передается соединительным стержнем 60 на вал 53.

На фиг. 9 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил половину оборота относительно их начальных положений на фиг. 5. Цилиндр 14 расположен внизу, при этом цилиндр 24 расположен вверху. Моменты M1 и M2 не существуют. Колеса 12 и 22 перемещаются, чтобы сместить оба цилиндра 14 и 24 вправо. Касание со стороны цилиндра 24 способствует повороту колеса 22 в направлении вращения R2, что способствует повороту колеса 22 в направлении вращения R1 и, таким образом, подъему цилиндра 14.

На фиг. 10 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил одну восьмую оборота влево. На фиг. 11 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил четверть оборота влево. На фиг. 12 изображены цилиндры 14 и 24, каждый из которых совершил три четверти оборота влево. В каждый момент времени, моменты M1 и M2 имеют одинаковую величину и одинаковое направление (против часовой стрелки). Под действием цилиндров 14 и 24 маятник 4 приходит в движение вниз в левую сторону. Затем тяговое усилие передается соединительным стержнем 60 на вал 53.

По мере поворота блоков 10 и 20 вокруг осей A1 и A2, цилиндры 14 и 24, таким образом, располагаются иногда справа, иногда слева. На практике вращение R1 и R2 цилиндров 14 и 24 создает центробежные силы в механизме 1. Маятник 4 смещается иногда вверх в правую сторону, иногда вниз в левую сторону, при этом он подвешен на основании 3 посредством соединительных стержней 5, наклонно расположенных под углом 45 градусов. Маятник 4 совершает движение с перемещением, имеющее вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую. В результате этого, цилиндры 14 и 24 совершают эллиптическое движение вместо движения по окружности.

Механизм 1 совершает двухфазное колебательное движение. Центробежные силы являются максимальными, когда цилиндры 14 и 24 проходят мимо друг друга, как на фиг. 7 и 11. Каждая фаза соответствует половине оборота (180°) цилиндров 14 и 24, между их положениями с максимальной центробежной силой.

Наклонное расположение соединительных стержней 5 позволяет изменить центр тяжести механизма 1, по сравнению с соединительными стержнями 5, которые были бы расположены вертикально в состоянии равновесия. Энергия толкательного или тягового усилия маятника 4 существенно больше, чем начальное усилие для приведения цилиндров 14 и 24 во вращение. Когда механизм 1 находится в движении, центробежная энергия, генерируемая цилиндрами 14 и 24, существенно больше, чем энергия толкательного или тягового усилия маятника 4.

С учетом вышеописанных объяснений, следует отметить, что для каждого углового положения зубчатых колес 12 и 22 и цилиндров 14 и 24 относительно осей A1 и A2 механизм 1 находится в равновесии в состоянии покоя. Другими словами, если рассматривать механизм 1 без движения, независимо от углового положения блоков 10 и 20, затем механизм 1 приходит в состояние покоя. Механизм 1 сбалансирован, что значительно снижает количество энергии, необходимой для обеспечения поворота блоков 10 и 20.

Другие варианты осуществления настоящего изобретения изображены на фиг. 13–24. Определенные элементы, составляющие механизм 1, можно сравнить с элементами первого варианта осуществления, описанного ранее, и в целях упрощения, они имеют одинаковые позиционные обозначения.

На фиг. 13–16 показана работа механизма 1 согласно второму варианту осуществления. Оси A1 и A2 параллельны друг другу и являются горизонтальными. Исходя из этого, оси A1 и A2 расположены в базовой плоскости P0, которая является вертикальной. Эксцентриковые элементы 14 и 24 представлены продолговатыми плечами, а не цилиндрами.

Также согласно этому варианту осуществления плечи 14 и 24 расположены точно одно относительно другого и относительно колес 12 и 22, чтобы моменты M1 и M2 всегда имели одинаковую величину и одинаковое направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), независимо от соответствующих угловых положений плеч 14 и 24 вокруг осей A1 и A2.

На фиг. 13–16 изображено только положение плеч 14 и 24 на правой стороне, при этом положение плеч 14 и 24 на левой стороне не изображено в целях упрощения.

На фиг. 17 изображен вариант соединения соединительной тяги 60 с валом 21. Эксцентриковая головка 63 состоит из традиционной вращающейся головки 62 и эксцентриковой части 70, расположенной между валом 21 и головкой 62.

Часть 70 содержит продолговатую основную часть 71 и цилиндрический палец 72 кривошипа, выполненный как одно целое с основной частью 71. В основной части 71 выполнено отверстие 73. Вал 21 расположен внутри отверстия 73 и прикреплен к основной части 71, например, при помощи шпонки 74 или посредством любых других средств. Вал 21 и отверстие 73 отцентрованы относительно оси A2. Палец 72 кривошипа расположен внутри отверстия 67 втулки 66, отцентрованного относительно оси A0. Указанная ось A0 составляет ось вращения для оси A2 во время движения механизма 1.

На фиг. 18 показана работа механизма 1 согласно третьему варианту осуществления. 

Вращающаяся головка 62 соединительного стержня 60 установлена в качестве шарнирного соединительного элемента на валу 21, при этом эксцентриковая головка 63 установлена в качестве эксцентрикового шарнирного соединительного элемента на валу 53, прикрепленном к основанию 3. Альтернативно, согласно другой конфигурации механизма 1, головка 62 может быть установлена в качестве шарнирного соединительного элемента на валу 22.

В этом варианте осуществления движение механизма 1 позволяет собирать энергию в области вала 53, например путем соединения указанного вала 53 с генератором 58. Вал 53 таким образом представляет собой вал для сбора энергии.

На практике один механизм 1 может представлять собой двигатель. Несмотря на это, предпочтительно изготовить двигатель путем объединения нескольких синхронизированных механизмов 1, как объясняется далее.

На фиг. 19 и 20 изображен пример вращающейся машины согласно изобретению, которая относится к типу двухтактного двигателя. Двигатель содержит два механизма 1, каждый из которых оснащен своим собственным маятником 4. Механизмы 1 расположены последовательно, т. е. выровнены в продолжении друг друга, в направлении движения маятников 4.

Основание 3 является общим для обоих механизмов 1. Другими словами, основание 3 поддерживает каждый из маятников 4, подвешенных последовательно. Основание 3 содержит четыре боковых опоры 6 и две центральные опоры 6. Соединительные подвесные стержни 5 наклонно расположены под углом 45 градусов для сведения маятников 4 ближе к центральным опорам 6. Эксцентриковые элементы 14 и 24 представляют собой продолговатые плечи.

Каждый механизм 1 содержит свой собственный передаточный вал 43, имеющий ось A3, которая находится на одной линии с верхними шарнирами соединительных стержней 5. Однако только один кривошип 141 необходим для запуска механизмов 1. Альтернативно, кривошип 141 может быть заменен двигателем 41, или машина может не содержать средств для запуска механизмов 1.

Машина содержит промежуточное устройство 50, расположенное между устройствами 40 двух механизмов 1. Указанное устройство 50 может быть использовано для передачи движения между двумя устройствами 40, а также для сбора энергии.

В примере на фиг. 19 и 20 устройство 50 содержит два зубчатых колеса 51, две зубчатых цепи 52, один вал 53 и два зубчатых колеса 54. Вал 53 опирается своими концами на основание 3, более точно на две центральные опоры 6 основания 3. Вал 53 выполнен с возможностью вращения вокруг оси A4, которая расположена горизонтально, параллельно осям A1, A2 и A3. Колеса 51 установлены с возможностью вращения совместно с валами 43 двух механизмов, при этом колеса 54 установлены с возможностью вращения совместно с валом 53. Цепи 52 соединяют колеса 51 и колеса 54.

Каждый механизм 1 содержит соединительную тягу 60, имеющую вращающуюся головку 62, установленную на валу 21, и эксцентриковую головку 63, установленную на валу 53.

При работе машины два механизма 1 работают в противовес друг другу. Маятники 4 одновременно прикладывают к валу 53 иногда толкательное усилие, иногда тяговое усилие.

Движение механизмов 1 позволяет собирать энергию в области вала 53, например, путем соединения указанного вала 53 с генератором 58. Вал 53 в данном случае представляет собой вал для сбора энергии.

Наклонное расположение соединительных стержней 5 позволяет изменить центр тяжести механизмов 1, по сравнению с соединительными стержнями 5, которые были бы расположены вертикально в состоянии равновесия. Энергия толкательного или тягового усилия маятников 4 существенно больше, чем начальное усилие для приведения эксцентриковых элементов 14 и 24 во вращение. Когда механизмы 1 находятся в движении, центробежная энергия, генерируемая эксцентриковыми элементами 14 и 24, существенно больше, чем энергия толкательного или тягового усилия маятников 4.

На фиг. 21 изображен второй пример машины согласно изобретению, соответствующий варианту на фиг. 19 и 20.

Устройство 50 содержит два зубчатых колеса 51 и зубчатую цепь 52. Колеса 51 установлены с возможностью вращения совместно с валами 43, при этом цепи 52 соединяют колеса 51 двух механизмов 1.

Вал 53 прикреплен к центральным опорам 6 и не принадлежит устройству 50.

Каждый механизм 1 содержит соединительную тягу 60, имеющую вращающуюся головку 62, установленную на валу 53, и эксцентриковую головку 63, установленную на валу 21.

Движение механизмов 1 позволяет собрать энергию в области валов 43. В примере на фиг. 21 вал 43 правого механизма 1 соединен с генератором 58. Альтернативно, двигатель 41 может быть выполнен в виде двигателя-генератора, предназначенного для подачи энергии при запуске машины, а затем сбора энергии, когда механизм 1 работает.

На фиг. 22 изображен третий пример машины согласно изобретению, также соответствующий варианту на фиг. 19 и 20.

Указанная машина содержит соединительную тягу 160, общую для обоих механизмов 1. Указанный соединительный стержень 160 содержит центральную вращающуюся головку 62, установленную в качестве шарнирного соединительного элемента на валу 53, и две эксцентриковые концевые головки 63, установленные в качестве эксцентриковых шарнирных соединительных элементов на валах 21 обоих механизмов 1.

На фиг. 23 изображен четвертый пример машины согласно изобретению, также соответствующий варианту на фиг. 19 и 20.

Соединительные подвесные стержни 5 наклонно расположены под углом 45 градусов для перемещения маятников 4 в сторону от центральных опор 6. В результате этого цепи 45 и 52, а также соединительные стержни 60, выполнены большей длины. Вал 53 представляет собой вал для сбора энергии.

На фиг. 24 изображен пятый пример вращающейся машины согласно изобретению, которая относится к типу четырехтактного двигателя. Двигатель содержит четыре механизма 1 согласно настоящему изобретению, каждый из которых оснащен своим собственным маятником 4.

Двигатель содержит две пары механизмов 1. В каждой паре механизмы 1 расположены последовательно и синхронизированы. Пары расположены параллельно и синхронизированы друг с другом.

Основание 3, не показанное в целях упрощения, является общим для всех механизмов 1.

Двигатель содержит два передаточных вала, не показанных в целях упрощения. Один передаточный вал соединен с механизмами, расположенными параллельно на левой стороне, а другой передаточный вал соединен с механизмами, расположенными параллельными на правой стороне.

Преимущественно, машина содержит один вал 53 для сбора энергии.

На практике четыре плеча 14 смещены на четверть оборота друг относительно друга. Подобным образом, четыре плеча 24 смещены на четверть оборота друг относительно друга. Таким образом, двигатель всегда имеет одинаковое количество плеч 14 или 24 на левой стороне или правой стороне, тем самым повышая свой коэффициент полезного действия. Каждая фаза соответствует четверти оборота (90°) механизмов 1.

Когда в двух механизмах 1 отсутствуют моменты M1 и M2, два других механизма 1 находятся в положениях с максимальной центробежной силой, соответственно на левой стороне и на правой стороне. Сгенерированная энергия является максимальной в указанных положениях с максимальной центробежной силой. Поскольку в четырех механизмах 1 никогда не бывает ситуации, в которой одновременно отсутствуют моменты M1 и M2, у двигателя нет нейтральной фазы. Преимущественно, каждое положение с максимальной центробежной силой соответствует сгоранию газа внутри двигателя.

Согласно не показанному варианту, вращающаяся машина содержит восемь механизмов 1, последовательно распределенных в соответствии с четырьмя парами механизмов 1, причем пары расположены параллельно. Во время поворота машина создает толкающее усилие каждую восьмую часть оборота (45°) механизма 1.

Другие варианты могут быть реализованы без отхода от объема изобретения. Размеры составных элементов машины, например, основания 3 и передаточного вала 43, изменяются в соответствии с количеством механизмов 1.

Для получения наилучших результатов и коэффициента полезного действия, важно, чтобы каждый маятник 4 был расположен в строго горизонтальной плоскости. То же применимо к осям A1 и A2 зубчатых колес 12 и 22, которые должны быть расположены в строго горизонтальной или вертикальной плоскости P0, в зависимости от конфигурации механизма 1.

На фиг. 1–24 определенные движения и расстояния преувеличены в целях упрощения.

На практике механизм 1 и машина могут быть согласованы не так, как показано на фиг. 1–24, без отхода от объема настоящего изобретения.

Например, система передачи посредством цепей и зубчатых колес может быть заменена системой универсальных соединений или любой другой системой передачи движений, подходящей к рассматриваемой области применения.

Кроме того, технические характеристики различных вариантов осуществления и варианты, указанные выше, могут, целиком или в определенной степени, быть скомбинированы вместе. Следовательно, механизм 1 и машина могут быть приведены в соответствие в отношении стоимости, функциональных возможностей и эксплуатационных характеристик.

Настоящее изобретение относится к энергосберегающему уравновешенному механизму, предназначенному для передачи вращательного движения, полученного от внешнего источника. Например, если вращательное движение передается на первое зубчатое колесо (12) через двигатель, то второе зубчатое колесо (22) будет вращаться в противоположном направлении, а эксцентриковые элементы (14, 24) будут вращаться в противоположных направлениях относительно друг друга. Заявленный механизм сбалансирован, что значительно снижает количество энергии, необходимой для обеспечения поворота блоков (10 и 20). Равновесие эксцентриковых элементов и центробежные силы, которые они генерируют, позволяют уменьшить количество энергии, необходимой для вращения зубчатых колес и эксцентриковых элементов. Чем больше возрастают центробежные силы, тем в большей степени упрощается указанное вращение. Предложены также вращающаяся машина и способ применения энергосберегающего механизма. Целью настоящего изобретения является предоставление механизма, позволяющего экономить энергию и повышать коэффициент полезного действия вращающейся машины. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Механизм (1), содержащий:

опору (2), содержащую основание (3), маятник (4), подвешенный на основании (3), и соединительные подвесные стержни (5), шарнирно закрепленные на основании (3) и на маятнике (4);

первое зубчатое колесо (12), выполненное с возможностью вращения (R1) относительно опоры (2) вокруг первой оси (А1);

второе зубчатое колесо (22), выполненное с возможностью вращения (R2) относительно опоры (2) вокруг второй оси (А2);

первый эксцентриковый элемент (14), выполненный с возможностью вращения (R1) совместно с первым зубчатым колесом (12) и создающий первый момент (M1) силы тяжести (Р1) вокруг первой оси (А1);

второй эксцентриковый элемент (24), выполненный с возможностью вращения (R2) совместно со вторым зубчатым колесом (22) и создающий второй момент (М2) силы тяжести (Р2) вокруг второй оси (А2); и

соединительный стержень (60; 160), содержащий вращающуюся головку (62), установленную в качестве шарнирного соединительного элемента на первом валу, и эксцентриковую головку (63), установленную в качестве эксцентрикового шарнирного соединительного элемента на втором валу;

причем

первая и вторая оси (A1; А2) параллельны в горизонтальной или вертикальной базовой плоскости (Р0); и

маятник (4) поддерживает первую и вторую оси (A1; А2) первого и второго зубчатых колес (12; 22) и первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24);

соединительные подвесные стержни (5) наклонно расположены под углом в диапазоне от 45 до 80 градусов относительно вертикальной плоскости;

для соединительной тяги (60; 160) первый вал представляет собой либо вал (11; 21), поддерживающий одно из первого и второго зубчатых колес (12; 22), либо вал (53), закрепленный на основании (3), при этом второй вал представляет собой другой вал из вала (11; 21), поддерживающего одно из первого и второго зубчатых колес (12; 22), и вала (53), закрепленного на основании (3);

первое и второе зубчатые колеса (12; 22) находятся в зацеплении друг с другом с постоянным передаточным отношением и выполнены с возможностью вращения (R1; R2) в противоположных направлениях;

при работе механизма (1) первый и второй эксцентриковые элементы (14; 24) совершают эллиптическое движение, при этом маятник (4) совершает движение с перемещением, имеющее вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую;

первый и второй моменты (M1; М2) силы тяжести (P1; Р2) первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) имеют одинаковую величину и одинаковое направление, оба из которых являются переменными в зависимости от углового положения первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) вокруг первой и второй осей (A1; А2);

для каждого углового положения первого и второго зубчатых колес (12; 22) и первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) относительно первой и второй осей (A1; А2) механизм (1) находится в равновесии в состоянии покоя.

2. Механизм (1) по п. 1, отличающийся тем, что соединительные подвесные стержни (5) наклонно расположены под углом 45 градусов относительно вертикальной плоскости.

3. Механизм (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первый и второй эксцентриковые элементы (14; 24) имеют одинаковую массу и одинаковые размеры.

4. Механизм (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый и второй эксцентриковые элементы (14; 24) имеют цилиндрическую форму.

5. Механизм (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первое и второе зубчатые колеса (12; 22) содержат первое колесо (12), имеющее зуб (13а), который длиннее, чем другие зубья (13), и второе колесо (22), имеющее впадину (23а), образованную между двумя зубьями (23), при этом этот более длинный зуб (13а) и впадина (23а) совпадают в момент зацепления первого и второго зубчатых колес (12; 22), что обеспечивает выравнивание первого и второго эксцентриковых элементов (14, 24).

6. Механизм (1) по п. 1 или 2, дополнительно содержащий передаточный вал (43), имеющий ось, которая находится на одной линии с верхними шарнирами соединительных подвесных стержней (5).

7. Механизм (1) по п. 6, отличающийся тем, что первое расстояние задано между дальним концом каждого из первого и второго эксцентрикового элемента (14; 24) и соответствующей первой или второй осью (A1; А2), причем второе расстояние равно межцентровому расстоянию соединительных подвесных стержней (5), соединяющих маятник (4) с основанием (3), причем первое расстояние меньше второго расстояния, чтобы первый и второй эксцентриковые элементы (14; 24) проходили под передаточным валом (43).

8. Механизм (1) по любому из пп. 1, 2, 7, отличающийся тем, что дополнительно содержит средства (40) запуска, предназначенные для приведения одного из первого и второго зубчатых колес (12; 22) во вращение (R1; R2).

9. Механизм (1) по п. 8, отличающийся тем, что средства (40) запуска содержат двигатель (41).

10. Механизм (1) по п. 8, отличающийся тем, что средства (40) запуска содержат кривошип (141).

11. Механизм (1) по любому из пп. 1, 2, 7, отличающийся тем, что не содержит специальных средств запуска для механизма (1), причем запуск механизма (1) можно осуществить путем толкания маятника (4) или одного из первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24).

12. Механизм (1) по любому из пп. 1, 2, 7, 9, 10, отличающийся тем, что дополнительно содержит работающие средства (58; 41) для сбора энергии в виде генератора (58) или двигателя-генератора (41).

13. Механизм (1) по любому из пп. 1, 2, 7, 9, 10, отличающийся тем, что первая и вторая оси (A1; А2) первого и второго зубчатых колес (12; 22) являются горизонтальными, и базовая плоскость (Р0) является горизонтальной.

14. Механизм (1) по любому из пп. 1, 2, 7, 9, 10, отличающийся тем, что первая и вторая оси (A1; А2) первого и второго зубчатых колес (12; 22) являются горизонтальными, и базовая плоскость (Р0) является вертикальной.

15. Вращающаяся машина, отличающаяся тем, что машина содержит по меньшей мере один механизм (1) по любому из пп. 1-14.

16. Вращающаяся машина по п. 15, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одну пару механизмов (1), расположенных последовательно и синхронизированных.

17. Вращающаяся машина по п. 15, отличающаяся тем, что содержит несколько пар механизмов (1), расположенных последовательно и синхронизированных в каждой паре, причем указанные несколько пар механизмов расположены параллельно и синхронизированы друг с другом.

18. Вращающаяся машина по п. 15, отличающаяся тем, что представляет собой двухтактный двигатель, содержащий два механизма (1), причем первые два эксцентриковых элемента (14) расположены с интервалами в половину оборота и вторые два эксцентриковых элемента (24) расположены с интервалами в половину оборота.

19. Вращающаяся машина по п. 15, отличающаяся тем, что представляет собой четырехтактный двигатель, содержащий четыре механизма (1), причем первые четыре эксцентриковых элемента (14) расположены с интервалами в четверть оборота и вторые четыре эксцентриковых элемента (24) расположены с интервалами в четверть оборота.

20. Вращающаяся машина по п. 15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один маятник (4), при этом основание (3) является общим для маятника и по меньшей мере одного дополнительного маятника (4).

21. Способ применения механизма (1) по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

этап позиционирования первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) один относительно другого и относительно первого и второго зубчатых колес (12; 22) таким образом, чтобы первый и второй моменты (M1; М2) силы тяжести (P1; Р2) первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) имели одинаковую величину и одинаковое направление, оба из которых являются переменными в зависимости от углового положения первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) вокруг первой и второй осей (A1; А2), при этом для каждого углового положения первого и второго зубчатых колес (12; 22) и первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) относительно первой и второй осей (A1; А2) механизм (1) находится в равновесии в состоянии покоя;

этап приведения во вращение (R1; R2) первого и второго зубчатых колес (12; 22) и первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) вокруг первой и второй осей (A1; А2), в котором механизм (1) выходит из равновесия и приходит в движение; и

этап работы, в котором вращение (R1; R2) первого и второго эксцентриковых элементов (14; 24) вокруг первой и второй осей (A1; А2) создает центробежную силу в механизме (1), первый и второй эксцентриковые элементы (14; 24) совершают эллиптическое движение, при этом маятник (4) совершает движение с перемещением, имеющее вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую.