ЛИНЕЙНЫЙ ПРУЖИННЫЙ АККУМУЛЯТОР НА ОСНОВЕ ПРУЖИН СЖАТИЯ И РАСТЯЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F03G7/08 F16H33/06 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к передачам с аккумулированием и повторной отдачей энергии [F03G 1/00, F03G 1/02, F03G 1/10, F03G 7/00, F03G 7/08].

Из уровня техники известен ПРУЖИННЫЙ ПРИВОД [RU 2459977 C1, опубл. 27.08.2012], формирующий малые перемещения, отличающийся тем, что в приводе, содержащем минимум пару взаимодействующих друг с другом пружин с разными жесткостями, отношение величины суммарной деформации двух пружин к величине деформации пружины с большей жесткостью равно отношению суммарной величины жесткостей двух пружин к величине меньшей жесткости.

Недостатком аналога является малая мощность привода, обусловленная высокими диссипативными потерями.

Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ВЫСТОЕМ В КРАЙНИХ ПОЛОЖЕНИЯХ [Жавнер В., Мацко О., Жавнер М. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений. - Palmarium Academic Publishing. - Henrich-Bocking-Str. 6-8, 66121 Saarbrucken, Deutchland: 2014. - С. 69], состоящее из блока управления, каретки, установленной с возможностью поступательного перемещения на направляющей, каретка оснащена фиксатором и шарнирно соединена с одним концом пружины растяжения, другой конец пружины растяжения соединен с корпусом, фиксатор соединен с первым распределителем, на корпусе смонтированы пневматические двигатели, соединенные с кареткой с возможностью обеспечения компенсации работы сил трения, пневматические двигатели снабжены герконовыми датчиками положения штока, соединены со вторым распределителем и оснащены клапанами быстрого выхлопа.

Недостатком аналога является низкая надежность привода, обусловленная сложностью конструкции.

Наиболее близким по технической сущности является ПРУЖИННЫЙ ПРИВОД [Жавнер В., Мацко О. Пружинные приводы для возвратно-поступательных перемещений. Журнал «Проблемы машиностроения и надежности машин» 2016 г., №1, с. 3-7. Издательство: Российская академия наук (Москва), ISSN: 0235-7119], содержащий основание, подвижную каретку, пневматический цилиндр с пружинной сжатия, расположенной в его штоковой полости, пневматический распределитель, датчик положения и систему управления.

Основной технической проблемой прототипа является невозможность обеспечить большие перемещения каретки из-за ограниченного штоковой областью пневматического цилиндра рабочего хода пружины, низкая надежность пружинного привода, обусловленная асимметричностью пружины, что может привести к повреждению штока и поршня пневматического цилиндра и значительные габаритные размеры пружинного привода.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности получения эффективного линейного пружинного аккумулятора с пружинами сжатия и растяжения с малыми габаритными размерами.

Указанный технический результат достигается за счет того, что линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения, содержащий коаксиально расположенные на одном штоке пружину сжатия и смонтированную внутри нее пружину растяжения, выполненные с противоположным направлением навивки и одинаковой жёсткостью, при этом совпадающие концы пружин зафиксированы неподвижно относительно друг друга, на одном конце штока пружины смонтированы неподвижно с возможностью деформации пружин вдоль штока и передачи накопленной при их сжатии/растяжении потенциальной энергии на выходное звено аккумулятора с возможностью его возвратно-поступательного движения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения, содержащий коаксиально расположенные на одном штоке пружину сжатия и смонтированную внутри нее пружину растяжения, выполненные с противоположным направлением навивки и одинаковой жёсткостью, при этом совпадающие концы пружин зафиксированы неподвижно относительно друг друга, на одном конце штока пружины смонтированы неподвижно с возможностью деформации пружин вдоль штока и передачи накопленной при их сжатии/растяжении потенциальной энергии на выходное звено аккумулятора с возможностью его возвратно-поступательного движения, на втором конце штока смонтирован сердечник, образующий с неподвижной электромагнитной катушкой электромагнит, при этом сердечник выполнен с возможностью движения внутри катушки вместе со штоком, сжатия/растяжения пружин и обеспечения начальной зарядки пружинного аккумулятора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема линейного пружинного аккумулятора на основе пружин сжатия и растяжения.

На фиг. 2 показан линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения в разрезе в состоянии равновесия.

На фиг. 3 показан линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения в разрезе с выходным звеном в правом крайнем положении.

На фиг. 4 показан линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения в разрезе с выходным звеном в левом крайнем положении.

На фиг. 5 показаны значения усилия на выходное звено 4 от пружин сжатия 1 и растяжения 2 в примере реализации заявленного линейного пружинного аккумулятора.

На фиг. 6 показаны значения текущей потенциальной энергии в примере реализации линейного пружинного аккумулятора U_T в зависимости от положения выходного звена x.

На фиг.7 показаны значения скорости v выходного звена 4 в зависимости от его положения x.

На фигурах обозначено: 1 - пружина сжатия, 2 - пружина растяжения, 3 - корпус, 4 - выходное звено, 5 - шток, 6 - накидные гайки, 7 - втулки, 8 - катушка, 9 - сердечник.

Осуществление изобретения

В современном технологическом оборудовании широко распространены рабочие операции, в которых рабочий орган совершает возвратно-поступательные или возвратно-поворотные движения. В настоящем изобретении предлагает новая конструкторская схема, которая позволяет уменьшить габаритные размеры линейных пружинных аккумуляторов за счет одновременного использования пружин сжатия и растяжения. При использовании такой схемы линейного пружинного аккумулятора выходное звено может непосредственно или с помощью передачи соединяться с рабочим органом.

На фиг. 1 показана схема пружинного аккумулятора, состоящего из пружины сжатия 1 и пружины растяжения 2, имеющих общую ось и расположенных с одной стороны между корпусом 3 и выходным звеном 4. Пружины сжатия 1 и растяжения 2 выполнены с разным направлением (правым и левым) навивки, а жёсткость пружин 1, 2 выполнена одинаковой, при этом пружина сжатия 1 смонтирована снаружи (поверх) пружины растяжения 2 и в этом случае пружина сжатия дополнительно обеспечивает поперечную устойчивость заявленного пружинного аккумулятора.

Линейный пружинный аккумулятор содержит шток 5 (см. Фиг. 2-4), на котором с помощью накидных гаек 6 на одной оси (коаксиально) со штоком 5 смонтирована пара цилиндрических втулок 7 соединенных между собой пружиной растяжения 2, смонтированной жестко внутри втулок 7 и пружиной растяжения 1, смонтированной жестко снаружи втулок 7. Накидная гайка 6 с одной из втулок 7 на дистальном конце штока 5 смонтированы к указанному торцу штока 5 неподвижно и представляют собой выходное звено 4 линейного пружинного аккумулятора, а противоположная накидная гайка 6 с цилиндрической втулкой 7 выполнены неподвижными относительно опорного основания пружинного аккумулятора, а шток 5 выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения внутри цилиндрической втулки 7.

На проксимальном конце штока 5 смонтирован цилиндрический сердечник 9, образующий с неподвижной электромагнитной катушкой 8 электромагнит, при этом сердечник 9 выполнен с возможностью движения внутри катушки 8 вдоль оси штока 5 и пружин 1, 2 и сжатия/растяжения пружин 1, 2 и обеспечения начальной зарядки пружинного аккумулятора.

В исходном состоянии пружина растяжения 2 находится в растянутом состоянии, а пружина сжатия 1 - в сжатом, при этом деформации пружин растяжения 2 и сжатия 1 равны (см. Фиг. 2). Выходное звено 4 находится в состоянии равновесия.

При подаче тока на электромагнитную катушку 8 под действием возникающего в ней электромагнитного поля сердечник 9 электромагнита вместе со штоком 5 втягивается внутрь катушки 8, выходное звено 4 перемещается вправо (см. Фиг. 3), пружина сжатия 1 и пружина растяжения 2 деформируются в сторону уменьшения их длины, натяжение пружины растяжения 2 уменьшается, а пружина сжатия 1 нагружается и накапливает потенциальную энергию.

При достижении крайнего правого положения выходного звена 4 отключают электромагнит путем прекращения подачи тока на катушку 8 и выходное звено 4 под действием накопленной потенциальной энергии в пружине сжатия 1 перемещается влево (см. Фиг. 4), при этом пружина сжатия 1 и пружина растяжения 2 деформируются в сторону увеличения их длины, натяжение пружины сжатия 1 уменьшается, а пружина растяжения 2 нагружается и накапливает потенциальную энергию и при достижении выходного звена 4 крайнего левого положения пружина растяжения 2 передает накопленную потенциальную энергию выходному звену 4 приводя его в движение в противоположную сторону. При достижении выходного звена 4 крайнего правого положения за счет взаимного попеременного преобразования потенциальной энергии пружин 1, 2 в кинетическую энергию выходного звена 4 цикл повторяется.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «промышленная применимость» был изготовлен макет линейного пружинного аккумулятора с пружинами сжатия 1 и растяжения 2 №49 и №73 по ГОСТ 13372-86, который распространяется на пружины сжатия и растяжения II класса, разряда 3 с силами при максимальной деформации пружин от 236 Н до 1000 Н.

В качестве примера реализации рассмотрим работу линейного пружинного аккумулятора на основе выбранных пружин.

В таблице 1 приведены параметры пружины сжатия и растяжения.

Таблица 1

Тип пружины Номер позиции Сила пружины при максимальной деформации F₃, Н Диаметр проволоки d, мм Наружный диаметр пружины D₁, мм Внутренний диаметр пружины D₂, мм Жесткость одного витка C₁, Н/мм Наибольший прогиб одного витка S₃', мм Пружина растяжения 49 710 5,0 63 53 31 22,600 Пружина сжатия 73 950 6,0 80 68 31 30,290

После первичной зарядке с помощью электромагнита выходное звено 4 фиксируется в левом крайнем положении (Фиг. 4). В этом случае деформация пружина сжатия 1 максимальная. В правом крайнем положении деформация пружина растяжения 2 будет иметь максимальную величину деформации.

Усилия и на выходное звено 4 от пружин растяжения 2 и сжатия 1 определяют как:

где - жесткость пружин 1, 2 (для выбранных пружин с₁ = 31 Н/мм);

- максимальный ход перемещения выходного звена 4, .

Суммарное усилие на выходное звено 4 равно:

На фиг. 5 показаны значения усилия на выходное звено 4 от пружин сжатия 1 и растяжения 2 в зависимости от положения выходного звена 4 (х)в примере реализации линейного пружинного аккумулятора, где нижняя прямая показывает значения усилия F_p, оказываемого пружиной растяжения 2 на выходное звено 4 при перемещении штока 5, верхняя прямая - значения усилия F_c, оказываемого пружиной сжатия 1 на выходное звено 4 при перемещении штока 5, центральная прямая - значения суммарного усилия F на выходное звено 4.

Эффективная потенциальная энергия U_Э в примере реализации заявленного линейного пружинного аккумулятора вычисляется по формуле:

Текущая потенциальная энергия U_T в примере реализации заявленного линейного пружинного аккумулятора вычисляется по формуле:

или

Взяв производную от уравнения текущей потенциальной энергии U_T в реальном времени, получают:

.

При получают значение максимальной потенциальной энергии пружинного аккумулятора:

На фиг. 6 представлены значения текущей потенциальной энергии пружинного аккумулятора в зависимости от положения выходного звена 4 x.

Кинематической энергией выходного звена 4 является эффективная потенциальная энергия U_Э без учета диссипативных потерь.

Скорость выходного звена 4 v при единице массы выходного звена 4 определяют как:

где - масса выходного звена 4, .

На фиг. 7 показаны значения скорости v выходного звена 4 в зависимости от положения x выходного звена 4. Кривая зависимости скорости v соответствует эллипсоидной форме.

Время перемещения Т выходного звена 4 из одного крайнего положения до другого вычисляют при помощи теоремы Ланду:

Таким образом, заявленное изобретение за счет предложенной конструкторской схемы, в которой пружина растяжения 2 смонтирована внутри пружины сжатия 1 коаксиально на одном штоке 5, имеющих противоположную навивку и равную жесткость, позволяет уменьшить габаритные размеры линейного пружинного аккумулятора, которые обусловлены длиной пружины сжатия 1 и/или пружины растяжения 2. При использовании заявленного линейного пружинного аккумулятора выходное звено 4 может непосредственно соединяться с рабочим органом или посредством известной передачи.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к передачам с аккумулированием и повторной отдачей энергии. Технический результат - обеспечение возможности получения эффективного линейного пружинного аккумулятора с пружинами сжатия и растяжения с малыми габаритными размерами достигается за счет того, что линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения, содержащий коаксиально расположенные на одном штоке пружину сжатия и смонтированную внутри нее пружину растяжения, выполненные с противоположным направлением навивки и одинаковой жёсткостью, при этом совпадающие концы пружин зафиксированы неподвижно относительно друг друга, на одном конце штока пружины смонтированы неподвижно с возможностью деформации пружин вдоль штока и передачи накопленной при их сжатии/растяжении потенциальной энергии на выходное звено аккумулятора с возможностью его возвратно-поступательного движения. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения, содержащий коаксиально расположенные на одном штоке пружину сжатия и смонтированную внутри нее пружину растяжения, выполненные с противоположным направлением навивки и одинаковой жёсткостью, при этом совпадающие концы пружин зафиксированы неподвижно относительно друг друга, на одном конце штока пружины смонтированы неподвижно с возможностью деформации пружин вдоль штока и передачи накопленной при их сжатии/растяжении потенциальной энергии на выходное звено аккумулятора с возможностью его возвратно-поступательного движения.

2. Линейный пружинный аккумулятор на основе пружин сжатия и растяжения, содержащий коаксиально расположенные на одном штоке пружину сжатия и смонтированную внутри нее пружину растяжения, выполненные с противоположным направлением навивки и одинаковой жёсткостью, при этом совпадающие концы пружин зафиксированы неподвижно относительно друг друга, на одном конце штока пружины смонтированы неподвижно с возможностью деформации пружин вдоль штока и передачи накопленной при их сжатии/растяжении потенциальной энергии на выходное звено аккумулятора с возможностью его возвратно-поступательного движения, на втором конце штока смонтирован сердечник, образующий с неподвижной электромагнитной катушкой электромагнит, при этом сердечник выполнен с возможностью движения внутри катушки вместе со штоком, сжатия/растяжения пружин и обеспечения начальной зарядки пружинного аккумулятора.