ТРЕХЦИЛИНДРОВОЕ 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 от 27.08.09 г. [1] Он содержит стойку, вал, несущий ведущую шестерню 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 и 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 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 РФ от 10.01.06 г. [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 данной конструкции являются:

1) громоздкость;

2) ползуны 4 и 5, двигаясь друг 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 ползунами 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.

Известно «Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот», патент №2499934, РФ от 10.08.2013 г. [3]

Сущность 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 являются:

1) большая длина каждого шатуна: 2R плюс расстояние равное двум толщинам обода неподвижного зубчатого колеса и еще 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 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.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому в заявке трехцилиндровому устройству преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот является «устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот» №2499934 РФ от 10.08.2013 г.

Это устройство преобразования движения содержит по два цилиндрических зубчатых колеса внешнего зацепления, зубчатых колес внутреннего зацепления, сателлитов. К каждому сателлиту жестко присоединена планка, два шатуна и два поршня.

В возвратно-поступательных точках планок к ним присоединены шатуны, которые вторыми концами шарнирно соединены с поршнями. На продолжении водил установлены корректирующие массы.

Недостатком данного изобретения является то, что оно предназначено для двухцилиндрового устройства, а не трехцилиндрового, где намного сложнее решить все вопросы технической новизны механизма.

Вышеперечисленные недостатки всех трех конструкций аналогов и прототипа полностью устранены предлагаемым в данной заявке трехцилиндровым устройством преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот.

Техническая задача - простота конструкции, ее безотказная работа, полная динамическая уравновешенность трехцилиндрового 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 трехцилиндровое устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот (фиг.1, 2, 3) содержит раму 1, пять штук круглых зубчатых колес внешнего зацепления 2, 2', 2'', 3, 3', три штуки неподвижных зубчатых колес внутреннего зацепления 1', 1^'', 1^''', с радиусами основных окружностей «R» и центральными осями O_2'', O_3'', O_3', валы, жестко связанные с водилами H₂, H₁, H₃, оси которых описывают окружности радиусами основных окружностей «r», при этом R=2r, сателлиты 4^', 4^'', 4^''' и жестко присоединенные к ним диски 4_д^', 4_д^'', 4_д^'''. На продолжении водил H_1', Н_2', Н_3', установлены корректирующие грузы 10^', 10^'', 10^'''. При этом следует выдержать условие 1₁<1₂. В точках В, В^', В^'', совершающих возвратно-поступательное движение, шарнирно присоединены шатуны 5, 5^', 8, ко вторым концам которых шарнирно присоединены поршни 6, 6', 7. Линия АА является центральной между линией ББ и линией ВВ. Массы шатунов 5 и 5^', а также поршней 6 и 6^' должны быть одинаковыми между собой, суммарные массы которых определяются по формулам:

где m₅=m₆ и m_5'=m_6'

Таким образом в правой части устройства (фиг.1) по линии АА будет двигаться поступательная масса

а в левой части массы шатуна m₈ и поршня m₇ их следует подобрать так:

m_пл.=m₈+m₇, которые должны быть равными с m_пр, т.е.

Тогда они (поступательные массы) будут взаимно уравновешиваться.

Вращательные массы следует уравновесить (отбалансировать), выдержав следующие равенства:

где m_4''' - масса сателлита 4^''',

m_4'''д - масса диска 4^'',

Н₂ - длина водилы, равная «r»,

m_10' - масса корректирующего груза 10^',

Н_2'' - длина продолжения водилы Н_2';

Из (4) получим:

Фигура 2:

где m_4'' - масса сателлита 4^'',

m_4''д - масса диска 4^''_д,

H₁ - длина водилы, равная «r»,

m_10'' - масса корректирующего груза 10^'',

Н_1' - длина продолжения водилы Н₁;

Из (5) получим:

Фигура 3:

где m_4' - масса сателлита 4',

m_4'д -масса диска 4'_д,

Н₃ - длина водилы, равная «r»,

m_10' - корректирующая масса 10^'

Н_3' -длина продолжения водилы Н₃

Из (6) получим:

В предлагаемой конструкции механизма у шатунов нет вращательного движения, поэтому нет моментов сил инерции и нет необходимости их уравновешивать.

На фигурах 1, 2, 3 представлено трехцилиндровое 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,

1^''' - неподвижное зубчатое колесо внутреннего зацепления,

2 - цилиндрическое зубчатое колесо,

2^' - цилиндрическое зубчатое колесо,

2^'' - цилиндрическое зубчатое колесо,

3 - цилиндрическое зубчатое колесо,

3^' - цилиндрическое зубчатое колесо,

4^' - сателлит и, жестко присоединенный к нему, диск планка 4^'_д'

4^'' - сателлит и, жестко присоединенный к нему, диск планка 4^''_д,

4^''' - сателлит и, жестко присоединенный к нему, диск планка 4^'''_д,

5 - шатун,

5^' - шатун,

6 - поршень,

6^' - поршень,

7 - поршень,

8 - шатун,

9 - приводной вал с осью О₂,

10^' - корректирующий груз,

10^'' -корректирующий груз,

10^''' - корректирующий груз.

Трехцилиндровое устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот работает следующим образом: цилиндрические зубчатые колеса, приводимые в движение приводным валом 9 с колесом 2, вращаются в противоположные стороны между собой: 2 с 3^' и 2 с 3, 2 с 2^' и 2^' с 2^''.

Приводное колесо 2 по отношению к колесам 3^' и 3 является «паразитным» и приводит их во вращение в одну и ту же сторону с угловыми скоростями ω_3'=ω₃ и соответственно с ними водил и их продолжений H₁ и Н_1' с ω_H1=ω_H1', в одну и ту же сторону.

Колесо 2 тоже относительно колес 2 и 2'' является «паразитным». Оно приводит их во вращение с угловыми скоростями ω₂=ω_2'' и соответственно с ними водило Н_2' и его продолжение Н_2'', поэтому ω_H2''=-ω₂, а также ω_H2''=-ω_H1=-ω_H1'.

Таким образом, создается возможность движения суммарных поступательных масс правой части m_пр и левой части m_пл в противофазе друг с другом по прямой линии (O_2''-O₂)

Следовательно, обе указанные массы взаимно друг друга полностью уравновешивают.

Как показали проведенные расчеты и опыты, экономическая эффективность трехцилиндрового механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот заключается в безотказности работы, долговечности в связи с тем, что углы давления шатунов на стенки цилиндров равны нулю. В связи с полной уравновешенностью значительно улучшились динамические качества механизма: полное отсутствие вредных вибраций, шума, потерь мощности, повышение частоты вращения, КПД и производительности. Кроме того, за счет увеличения постоянных вращательных масс, увеличился маховой момент, что позволило значительно уменьшить колебания скорости приводного вала.