Трехцилиндровое устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот - RU2672519C2

Чертежи

Описание

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.

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот. Трехцилиндровое устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот содержит пять штук круглых зубчатых колес внешнего зацепления, три штуки неподвижных зубчатых колес внутреннего зацепления, водил, сателлитов, шатунов, поршней, цилиндров. При этом центры (О, О, O) трех одинаковых присоединенных круглых колес внешнего зацепления расположены на одной оси. К колесу с центром Oпо оси, перпендикулярной линии (O-O), присоединены еще два таких же колеса с центрами (О, O), неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления установлены на осях (O, О, О) и находятся в зацеплении с сателлитом. В отношении масс поступательных, а именно шатунов и поршней, выполняется соотношение, при котором сумма всех поступательных масс правой части механизма равна поступательной массе левой части механизма, при этом поступательные массы правой и левой частей движутся в противофазе друг с другом по прямой линии (O-O). Достигается упрощение конструкции. 3 ил.

Формула