ШЕСТИЦИЛИНДРОВЫЙ 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 недопустимо.

Также 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 в уравновешивании сил инерции возвратно-поступательного движения ползунов.

Недостатками конструкции (патенту №2267674(13)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 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 1) 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 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 шестицилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Кроме того, прототип развивает мощность в три раза меньше, чем предлагаемый в данной заявке на изобретение механизм.

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

Технической задачей изобретения является безотказная работа, полная динамическая уравновешенность шестицилиндрового 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 шести 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 двухцилиндровых механизмов, а шестицилиндровых.

Предлагаемый шестицилиндровый механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот представлен на чертежах: фиг. 1 - вид спереди, фиг. 2 - разрезы по А-А, по Б-Б и по В-В. Данный механизм содержит раму 1 (фиг. 1, 2); по шесть штук одинаковых цилиндрических колес 2; 3, 10; 11, 18; 19 (фиг. 2); круглых валов: O₁-O₁, , О₂-О₂, , О₃-О₃, (фиг. 2) и по шесть штук неподвижных зубчатых колес внутреннего зацепления: 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′ (фигуры 1, 2), последовательно жестко соединенных с валами одинаковых водил: Н₁, Н₁, Н₂, Н₂ (фиг. 2 по А-А), Н₁, Н₁, Н₂, Н₂ (фиг. 2 по Б-Б), Н₁, Н₁, Н₂, Н₂ (фиг. 2 по В-В) и одинаковых сателлитов с жестко присоединенными к ним одинаковыми дисками (R_К=R_Д): 6 с 6′, 7 с 7′, 14 с 14′, 15 с 15′, 22 с 22′, 23 с 23′ (фиг. 2), к возвратно-поступательно движущимся точкам дисков В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆ шарнирно присоединены одинаковые шатуны 5, 8, 13, 16, 21, 24 (фигуры 1, 2), к шатунам в точках С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆ шарнирно присоединены одинаковые поршни 4, 9, 12, 17, 20, 25 (фигуры 1, 2), корректирующие массы К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, К₆, установленные на продолжениях водил , , , (фиг. 2 по А-А), , , , (фиг. 2 по Б-Б), , , , (фиг. 2 по В-В).

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, С₃С₄ и С₅С₆:

Σm₁=m_ш5+m_п4 и Σm₂=m_ш8+m_п9, Σm₁= -Σm₂,

Σm₃=m_ш13+m_п12 и Σm₄=m_ш16+m_п17, Σm₃= -Σm₄,

Σm₅=m_ш21+m_п20 и Σm₆=m_ш24+m_п25, Σm₅= -Σm₆,

где m_шi - масса шатуна, i - порядковый номер шатуна, m_пi - масса поршня, i - порядковый номер поршня.

Корректирующие массы соответственно обозначены:

К₁-m_К1, К₂-m_К2, К₃-m_К3, К₄-m_К4, К₅-m_К5, К₆-m_К6.

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

Запишем равенства дисбалансов по фигуре 2:

, ,

, ,

, ,

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

Q_дi - силы тяжести дисков, i - их порядковые номера,

H₁ и - плечи (фиг 2).

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

Числа зубьев каждого сателлита 6, 7, 14, 15, 22, 23 должны быть меньше в два раза числа зубьев каждого неподвижного колеса внутреннего зацепления 1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′ (фигуры 1, 2), т.е. R=2r. В результате на всех сателлитах имеются точки, точнее, на их делительных окружностях, а также прямо напротив них на дисках - В_1, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, совершающие возвратно-поступательное движение в противофазе друг другу.

Одни концы шатунов 5, 8, 13, 16, 21, 24 шарнирно соединены с дисками в точках B₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, а в других точках С_1, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆ - к поршневым пальцам.

Массы всех поршней одной величины, а также массы всех шатунов тоже одной величины, точно так же между собой должны быть равны массы дисков, сателлитов. Массы все попарно между собой должны двигаться в противофазе для полного уравновешивания всего механизма.

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

1 - раму;

1′ - шесть неподвижных одинаковых зубчатых колес внутреннего зацепления, поскольку они неподвижны, то являются как бы частью стойки, поэтому они обозначены одним номером (1′, 1′, 1′, 1′, 1′, 1′);

2 - цилиндрическое зубчатое колесо;

3 - цилиндрическое зубчатое колесо;

4 - поршень;

5 - шатун;

6 - сателлит с диском 6′;

7 - сателлит с диском 7′;

8 - шатун;

9 - поршень;

10 - цилиндрическое зубчатое колесо;

11 - цилиндрическое зубчатое колесо;

12 - поршень;

13 - шатун;

14 - сателлит с диском 14′;

15 - сателлит с диском 15′;

16 - шатун;

17 - поршень;

18 - цилиндрическое зубчатое колесо;

19 - цилиндрическое зубчатое колесо;

20 - поршень;

21 - шатун;

22 - сателлит с диском 22′;

23 - сателлит с диском 23′;

24 - шатун;

25 - поршень;

К₁ - корректирующая масса;

К₂ - корректирующая масса;

К₃ - корректирующая масса;

К₄ - корректирующая масса;

К₅ - корректирующая масса;

К₆ - корректирующая масса;

Шестицилиндровый механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот работает следующим образом. Цилиндрические колеса 2 и 3, 10 и 11, 18 и 19 внешнего зацепления имеют равные числа зубьев и находятся попарно в зацеплении (фигуры 1 и 2). Они попарно вращаются в противоположные стороны с равными угловыми скоростями:

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

Сателлит с диском 6 с 6′ и корректирующая масса К₁, установленная на продолжении водила , вращаются с угловой скоростью ω₂. В противоположную сторону им вращаются с -ω₃ сателлит с диском 7 с 7′ и корректирующая масса К₂, установленная на продолжениях водила .

Сателлит с диском 14 с 14′ и корректирующая масса К₃, установленная на продолжении водила , вращаются с угловой скоростью ω₁₀. В противоположную им сторону вращаются с -ω₁₁ сателлит с диском 15 с 15′ и корректирующая масса К₄, установленная на продолжении водила .

Сателлит с диском 22 с 22′ и корректирующая масса К₅, установленная на продолжении водила , вращаются с угловой скоростью ω₁₈. В противоположную им сторону вращаются с -ω₁₉ сателлит с диском 23 с 23′ и корректирующая масса К₆, установленная на продолжении водила .

Таким образом, центры тяжести корректирующих масс и соответствующих блоков сателлитов с дисками, 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 им на дисках точки, совершающие также поступательное движение, где установлены вращательные кинематические пары, т.е. в точках В₁, В₂, В₃, В₄, В₅, В₆, совершающие в противофазе друг с другом возвратно-поступательные движения вместе с присоединенными к ним шатунами и поршнями. Перечислим их.

Шатун 5 с поршнем 4 по прямой линии С₁С₂ двигаются в противофазе шатуну 8 и поршню 9 (фиг. 2).

Шатун 13 с поршнем 12 по прямой линии С₃С₄ двигаются в противофазе шатуну 16 и поршню 17 (фиг. 2).

Шатун 21 с поршнем 20 по прямой линии С₅С₆ двигаются в противофазе шатуну 24 и поршню 25 (фиг. 2).

Как показали проведенные расчеты и опыты, экономическая эффективность шестицилиндрового 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 8. Использование данного механизма повысит экологичность двигателей внутреннего сгорания, а также других механизмов и машин.