УСТРОЙСТВО 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 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 и . На водилах H₁ и Н₂ на расстояниях r от их осей водил и , 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 и 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.