Результат интеллектуальной деятельности: ВОСЬМИЦИЛИНДРОВЫЙ МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ

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 не допустимо.

Также известно «Уравновешенное устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, и наоборот», патент 2267674, 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 оппозитно 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 в уравновешивании сил инерции возвратно-поступательного движения ползунов.

Недостатками конструкции (по патенту №2267674, РФ) являются: 1) громоздкость; 2) ползуны 4 и 5, двигаясь против друг друга в противоположные стороны, как показано на чертеже, двигаются не по одной линии, поэтому они создают неуравновешенный момент сил инерции; 3) поводки 11 и 12 неуравновешенны; 4) при достижении ползуном 4 крайнего левого положения, а ползуном 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 нами в данной заявке механизму преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот является «Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот» (патент 2471099, РФ [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. К сателлитам жестко присоединены диски. 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, на вторых своих концах шарнирно присоединены 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 и жестко присоединенных к ним дисков для взаимного уравновешивания вращательных масс.

Недостатками данной конструкции (патент 2471099, РФ [3]) являются большая длина каждого шатуна: 2R плюс расстояние, равное двум толщинам обода неподвижного зубчатого колеса, и еще раз плюс 2R неподвижного зубчатого колеса; 2) сложная конфигурация шатунов - по горизонтальной линии их следует изготовить загнутыми там, где второй раз размер 2R, чтобы расположить массы шатуна на одной линии; 3) оба шатуна в вертикальной плоскости тоже надо сделать фигурными, чтобы во время их работы не застопорились, встретившись с продолжением водила. Из отмеченных недостатков видно, что вес шатунов возрастает значительно, а также возникают сложности расположения их центров масс на одной линии.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, патент RU №2499934 С2, МПК F16H 19/02, F16H 21/16, опубл. 27.11.2013, бюл. №22. Прототип состоит, т.е. содержит по две штуки валов, поршней, цилиндрических колес внешнего зацепления, зубчатых колеса внутреннего зацепления, сателлитов, к каждому сателлиту жестко присоединена планка. 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, производительность.

К недостаткам ближайшего аналога (прототипа) следует отнести то, что там решены проблемы уравновешивания, повышения КПД, прочности, долговечности, понижения расхода горюче-смазочных материалов и т.д. только для двухцилиндровых устройств, а не восьмицилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Кроме того, прототип развивает мощность в 4 раза меньше, чем предлагаемый в данной заявке на изобретение механизм.

Устранение перечисленных недостатков решается в заявке на изобретение восьмицилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот.

Технической задачей изобретения является безотказная работа, полная динамическая уравновешенность восьмицилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, понижение коэффициента трения, предотвращение заклинивания, повышение мощности, прочности, долговечности, КПД, понижение расхода материалов.

Поставленная задача решается в развитии идей, заложенных в прототипе, а именно, заменой коленчатых валов простыми круглыми, полным уравновешиванием моментов сил инерции шатунов путем замены их сложного плоскопараллельного движения на возвратно-поступательное, сведением углов давления шатунов на стенки цилиндров до нулей, самоуравновешиванием поступательных масс и балансировкой вращающихся масс. Разница с прототипом в том, что ниже приводится решение всех перечисленных сложных народно-хозяйственных технических проблем не для 2-цилиндровых механизмов, а восьмицилиндровых.

Предлагаемый восьмицилиндровый механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот представлен на чертежах: фиг.1 - вид спереди, фиг.2 - разрез по А-А, фиг.3 - разрез по Б-Б. Данный механизм содержит раму 1 (фиг.1, 2, 3); по четыре одинаковых цилиндрических колес 2; 3 (фиг.2), 22; 23 (фиг.3); круглых валов: O₁-O₁, O₂-O₂, O₃-O₃, O₄-O₄ (фигуры 1, 2, 3) и по восемь неподвижных зубчатых колес внутреннего зацепления: 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′ (фигуры 1, 2, 3), последовательно жестко соединенных с валами одинаковых водил: H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆, H₇, H₈ (фиг.2, 3) и одинаковых сателлитов с жестко присоединенными к ним одинаковыми планками (или дисками с R_К=R_Д) 4 c 4′, 7 c 7′, 12 c 12′, 13 c 13′, 18 c 18′, 19 c 19′, 26 c 26′, 27 c 27′ (фигуры 1, 2, 3), к возвратно-поступательно движущимся точкам планок B₁, B₂, B₃, B₄, B₅, B₆, B₇, B₈ шарнирно присоединены одинаковые шатуны 5, 8, 17, 20, 11, 14, 28, 25 (фигуры 1, 2, 3), к шатунам в точках C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C₆, C₇, C₈ шарнирно присоединены одинаковые поршни 6, 9, 10, 15, 16, 21, 24, 29 (фигуры 1, 2, 3), корректирующие массы K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈, установленные на продолжениях водил , , , , , , , (фигуры 1, 2, 3).

Поступательные массы шатунов m_шi и поршней m_пi, попарно соединенные друг с другом, складываются в Σm_i и находятся на одних и тех же прямых линиях на одинаковых расстояниях друг от друга. Приведем их по линиям.

На фигуре 2 по линиям C₁C₂ и C₃C₄:

Σm₁=m_ш5+m_п6 и Σm₂=m_ш8+m_п9, Σm₁=-Σm₂

Σm₃=m_ш11+m_п10 и Σm₄=m_ш14+m_п15, Σm₃=-Σm₄.

На фигуре 3 по линиям C₅C₆ и C₇C₈:

Σ_m5=m_ш20+m_п21 и Σm₆=m_ш17+m_п16, Σm₅=-Σm₆

Σm₇=m_ш25+m_п24 и Σm₈=m_ш28+m_п29, Σm₇=-Σm₈.

На продолжениях водил H₁, H₂, H₃, H₄ (фиг.2), т.е. на , , , , установлены корректирующие массы m_к1, m_к2, m_к3, m_к4, обозначенные K₁, K₂, K₃, K₄, а на продолжениях водил , , , - K₅, K₆, K₇, K₈ - массы которых m_к5, m_к6, m_к7, m_к8 (фиг.3).

На осях всех корректирующих масс нарезана резьба. Гайками они регулируются так, чтобы их центры масс и соответствующих им суммарных масс сателлитов с планками (или дисками) находились на одной и той же линии противоположно друг другу. Дисбалансы сателлитов с планками соответственно должны быть равны дисбалансам корректирующих масс.

Запишем равенства дисбалансов по фигурам 2 и 3:

, ,

, ,

, ,

, ,

где Q_ci - силы тяжести сателлитов, i - их порядковые номера,

Q_плi - силы тяжести планок, i - их порядковые номера,

Н_i и - плечи (фиг.2 и 3).

Во избежание заклинивания механизма длины осей корректирующих масс l₁ следует проектировать меньше l₂ - расстояний от горизонтальных общих линий до планок (или дисков) (фигуры 2 и 3), т.е. l₁<l₂.

Числа зубьев каждого сателлита 4, 7, 12, 13, 17, 19, 26, 27 должны быть меньше в два раза числа зубьев каждого неподвижного колеса внутреннего зацепления 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′ (фигуры 1, 2, 3), в результате на всех сателлитах имеются точки, точнее на их делительных окружностях, а также прямо напротив них на планках - B₁, B₂, B₃, B₄, B₅, B₆, B₇, B₈, совершающие возвратно-поступательное движение в противофазе друг другу.

Одни концы шатунов 5, 8, 11, 14, 17, 20, 25, 28 в точках B₁, B₂, B₃, B₄, B₅, B₆, B₇, B₈ шарнирно соединены к планкам 4′, 7′ 12′, 13′, 18′, 19′, 26′, 27′, а другие концы их также - в точках C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C₆, C₇, C₈ с поршневыми пальцами. Массы всех поршней одной величины, также массы всех шатунов тоже одной величины, аналогично между собой одной массы следует подобрать планки, сателлиты. Все массы должны двигаться в противофазе попарно между собой (для полного уравновешивания всего механизма).

На фигурах 1, 2, 3 представлен предложенный восьмицилиндровый механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, который включает в себя:

1 - раму;

1′ - восемь неподвижных одинаковых зубчатых колес внутреннего зацепления, поскольку они неподвижны, то являются как бы частью стойки, поэтому они под одним номером;

2 - цилиндрическое зубчатое колесо;

3 - цилиндрическое зубчатое колесо;

4 - сателлит с планкой 4′;

5 - шатун;

6 - поршень;

7 - сателлит с планкой 7′;

8 - шатун;

9 - поршень;

10 - поршень;

11 - шатун;

12 - сателлит с планкой 12′;

13 - сателлит с планкой 13′;

14 - шатун;

15 - поршень;

16 - поршень;

17 - шатун;

18 - сателлит с планкой 18′;

19 - сателлит с планкой 19′;

20 - шатун;

21 - поршень;

22 - цилиндрическое зубчатое колесо;

23 - цилиндрическое зубчатое колесо;

24 - поршень;

25 - шатун;

26 - сателлит с планкой 26′;

27 - сателлит с планкой 27′;

28 - шатун;

29 - поршень;

K₁ - корректирующая масса;

K₂ - корректирующая масса;

K₃ - корректирующая масса;

K₄ - корректирующая масса;

K₅ - корректирующая масса;

K₆ - корректирующая масса;

K₇ - корректирующая масса;

K₈ - корректирующая масса.

Восьмицилиндровый механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот работает следующим образом. Цилиндрические колеса 2 и 3, 22 и 23 внешнего зацепления. Они имеют равные числа зубьев и друг с другом находятся в зацеплении (фигуры 1, 2, 3). Они попарно вращаются в противоположные стороны с равными угловыми скоростями:

ω₂=-ω₃, ,

,

ω₂₂=-ω₂₃, ,

.

Как видно из фигур 1, 2, 3 и из приведенных угловых скоростей, валы каждого ряда: верхнего O₁O₁ и O₂O₂ (фиг.2) и нижнего O₃O₃ и O₄O₄ (фиг.3), вращаются в противоположные стороны и приводят в противоположное вращательное движение жестко соединенные с ними водила, сателлиты и корректирующие массы.

Сателлиты с планками 4 c 4′ и 13 c 13′, а также корректирующие массы K₁ и K₃, установленные на продолжениях водил и , вращаются все с угловой скоростью ω₂. В противоположную сторону им вращаются с ω₃ сателлиты с планками 7 c 7′ и 12 c 12′, а также корректирующие массы K₂ и K₄, установленные на продолжениях водил и .

Сателлиты с планками 19 c 19′ и 27 c 27′, а также корректирующие массы K₅ и K₇, установленные на продолжениях водил и , вращаются все с угловой скоростью ω₂₂. В противоположную им сторону вращаются с ω₂₃ сателлиты с планками 18 c 18′ и 26 c 26′, а также корректирующие массы K₆ и K₈, установленные на продолжениях водил и .

Таким образом, центры тяжести корректирующих масс и соответствующих блоков сателлитов с планками, дисбалансы которых рассчитаны по вышеприведенным формулам, вращаются в противофазе друг с другом в одних и тех же плоскостях.

На сателлитах имеются поступательно двигающиеся точки и напротив их на планках вращательные кинематические пары В1 В2, В3, В4, В5, В6, В7, В8, совершающие в противофазе друг с другом возвратно-поступательные движения вместе с присоединенными к ним шатунами и поршнями. Перечислим их.

Шатун 5 с поршнем 6 по прямой линии C₁C₂ двигаются в противофазе шатуну 8 и поршню 9.

Шатун 11 с поршнем 10 по прямой линии C₃C₄ двигаются в противофазе шатуну 14 и поршню 15.

Шатун 17 с поршнем 16 по прямой линии C₅C₆ двигаются в противофазе шатуну 20 и поршню 21.

Шатун 25 с поршнем 24 по прямой линии C₇C₈ двигаются в противофазе шатуну 28 и поршню 29.

Как показали проведенные расчеты и опыты, экономическая эффективность восьмицилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот заключается в безотказности работы, долговечности в связи с тем, что угол давления шатуна на стенки цилиндра равен нулю. В результате полной уравновешенности подвижных масс значительно улучшились динамические качества механизма: полное отсутствие вредных вибраций, шума, потери мощности, повышение частоты вращения, КПД и производительности. Кроме того, за счет звеньев, имеющих постоянные значения моментов инерции, увеличился маховой момент, что привело к значительному уменьшению колебаний скорости - к уменьшению коэффициента неравномерности движения δ. Использование данного механизма повысит экологичность двигателей внутреннего сгорания, а также других механизмов и машин.

Источники информации

1. Патент №2365799 РФ.

2. Патент №2267674 РФ.

3. Патент №2471099 РФ.