УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
KINETIC ENERGY GENERATION DEVICE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для генерирования кинетической энергии и, в частности, к устройству для генерирования кинетической энергии, которое позволяет уменьшить боковую составляющую силы с целью повышения выходной мощности при высоком крутящем моменте, но при низкой скорости вращения и пониженной вибрации.
2. Описание устройств известного уровня техники
Режим работы известного двигателя проиллюстрирован на Фиг.18. При сгорании топлива в цилиндре поршень Х1 толкает коленчатый вал Х2, который, в свою очередь, приводит в действие трансмиссионный вал Х3 для обеспечения вращения, тем самым создавая выходную мощность. Коленчатый вал Х2 создает относительно большую боковую составляющую силы ввиду достаточно большого угла бокового давления, который он образует с направлением движения, тем самым приводя к общей потере кинетической энергии. Кроме того, при достижении поршнем известного двигателя мертвой точки сила инерции в точке приложения силы Х4 и сила трансмиссионного вала Х3 противодействуют друг другу, приводя не только к потере кинетической энергии, но также к возникновению вибрации, сокращающей срок эксплуатации двигателя или даже вызывающей повреждение двигателя.
Более того, известный двигатель является четырехтактным, включающим последовательный такт всасывания, сжатия, рабочего входа и выхлопа. Во время цикла коленчатый вал уже дважды совершил вращение вокруг выходного вала, т.е. двигатель совершает два оборота для создания мощности при каждом такте сгорания топлива, в результате чего достигается низкий выходной крутящий момент. Таким образом, необходимо увеличить скорость вращения двигателя или объем цилиндра с целью обеспечения более высокого крутящего момента для работы двигателя.
Существует большое количество устройств для повышения эффективности работы двигателя. Одно из них, раскрытое в патенте США No.4,044,629, проиллюстрировано на Фиг.19. В этом случае коленчатый вал 5 находится в зацеплении с эксцентрическим колесом 8, которое, в свою очередь, входит в зацепление с шестерней 7. При вращении шестерней 7 вместе с входящим с ним в зацепление кольцевой шестерней 15 направление приложения силы оси 6 может быть отрегулировано с помощью эксцентрического колеса 8 с целью повышения кпд двигателя. Другой тип устройства, раскрытый в патенте США 4,073,196, проиллюстрирован на Фиг.20. В этом случае коленчатый вал 26 соединен с внешним зубчатым колесом 43а через кантилевер 40а с целью обеспечения вращения вокруг внутреннего зубчатого колеса 44 при последующем использовании оси 37 внешнего зубчатого колеса 43а для передачи кинетической энергии. Благодаря такой конструкции обеспечивается повышение кпд двигателя путем регулирования направления приложения силы оси 37 с кантилевером 40а.
В любом случае использование только двух вышеуказанных устройств не позволяет полностью решить проблемы потери энергии ввиду бокового давления и непостоянной вибрации, присущих известному двигателю. При каждом рабочем такте двигателю приходится совершать два оборота для создания мощности, при этом исключается возможность снизить до минимума объем двигателя, и выходной крутящий момент до сих пор остается низким.
Кроме двигателя воздушный компрессор также является устройством, вырабатывающим кинетическую энергию. На Фиг.21 проиллюстрировано устройство, раскрытое в тайваньском патенте №.95101281.9. В данном случае конструкция двигателя обеспечивает прекращение работы поршня приблизительно в тот момент, когда он завершил один цикл вертикального возвратно-поступательного движения. Принцип его работы схематически показан на Фиг.22. Кольцевое зубчатое колесо 3 расположено по внутреннему краю крышки корпуса 5. Кольцевое зубчатое колесо 3 входит в зацепление с внешним зубчатым колесом 2, которое далее соединено со вспомогательным коленчатым валом 1. Один конец коленчатого вала 1 соединен с поршнем и шатуном, в то время как внешнее зубчатое колесо 2 обеспечивает вывод кинетической энергии с помощью нижнего вала 12, присоединенного к основному коленчатому валу 4. Благодаря взаимной компенсации вращающихся кольцевого зубчатого колеса 3 и внешнего зубчатого колеса 2 обеспечивается одноразовый останов двигателя при совершении поршнем и шатуном 6 одного цикла вертикального возвратно-поступательного движения с целью повышения сохранения энергии при такте всасывания топлива. Кроме того, движение поршня и шатуна 6 не создают боковой составляющей силы, как это имеет место при работе известного коленчатого вала.
Вышеуказанная конструкция воздушного компрессора позволяет сохранять энергию путем увеличения давления воздуха. Воздушный компрессор обеспечивает сохранение энергии путем повышения давления воздуха один раз за каждые два вращения компрессора с низким кпд.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание устройства для генерирования кинетической энергии, которое способно обеспечить более высокую мощность и больший крутящий момент на выходе при низкой скорости вращения двигателя за счет увеличения частоты рабочего хода.
Другой целью настоящего изобретения является создание устройства для генерирования кинетической энергии, которое способно обеспечить более высокую мощность на выходе за счет снижения изменений инерционного угла вала приложения силы и снижения механической вибрации.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание устройства для генерирования кинетической энергии, обеспечивающего стабильную работу при меньшей вибрации, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации устройства.
Для достижения вышеуказанных целей настоящее изобретение предусматривает создание устройства для генерирования кинетической энергии, включающее корпус, снабженный неподвижным зубчатым колесом, расположенным по внутреннему краю корпуса и входящим в зацепление с подвижным зубчатым колесом. Передаточное число между неподвижным зубчатым колесом и подвижным зубчатым колесом составляет 3:2. В корпусе установлен элемент передачи движения с шариковым подшипником, расположенным между контактной поверхностью корпуса с элементом передачи движения. На оси элемента передачи движения расположен вал передачи движения. Осевое зубчатое колесо расположено относительно подвижного зубчатого колеса таким образом, чтобы осевое зубчатое колесо входило в зацепление с валом передачи движения. Передаточное число между валом передачи движения и осевым зубчатым колесом также составляет 3:2. С внешней стороны осевого зубчатого колеса расположен маховик, входящий с ним в зацепление и вращающийся синхронно с подвижным зубчатым колесом. На конце маховика расположен вал приложения силы. Каждый из нескольких шатунов соединен своим одним концом с валом приложения силы и своим другим концом с поршнем цилиндра. В группе имеется по три цилиндра, поршня и шатуна, и шатуны расположены под углом 120° по отношению друг к другу.
При воздействии давления поршня на вал приложения силы через шатун обеспечивается вращение маховика и подвижного зубчатого колеса вокруг осевого зубчатого колеса, и вал передачи движения приводится во вращение с помощью осевого зубчатого колеса, при этом мощность выводится с помощью вала передачи движения. Устройство в соответствии с настоящим изобретением способно выводить высокую мощность при сравнительно низкой скорости вращения за счет увеличения частоты рабочих ходов, в результате чего обеспечивается создание механической конструкции с низкой скоростью и высоким крутящим моментом, а также уменьшение изменений инерционного угла вала приложения силы и снижение механической вибрации с целью снижения до минимума потерь компонентной силы и увеличения выхода мощности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - вид сбоку устройства по настоящему изобретению.
Фиг.2 - вид спереди устройства по настоящему изобретению.
Фиг.3 - Фиг.9 - схематическое изображение, иллюстрирующее работу (1)-(7) в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.10 - графическое изображение движения (годограф, геометрическое место точек) устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.11 - вид спереди другого примера осуществления настоящего изобретения.
Фиг.12 - графическое изображение движения в другом примере осуществления настоящего изобретения, показанном на Фиг.11.
Фиг.13 - вид спереди дополнительного примера осуществления настоящего изобретения.
Фиг.14 - графическое изображение движения в другом примере осуществления настоящего изобретения.
Фиг.15 - вид сбоку шестицилиндрового устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.16 - вид спереди шестицилиндрового устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.17 - вид сбоку девятицилиндрового устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.18 - схематический вид, иллюстрирующий работу коленчатого вала в известном цилиндре.
Фиг.19 - схематический вид двигателя, описанного в патенте США U.S Pat. No.4,044,629.
Фиг.20 - схематический вид двигателя, описанного в патенте США U.S Pat. No.4,073,196.
Фиг.21 и Фиг.22 - схематические виды, соответственно иллюстрирующие конструкцию и работу двигателя, описанного в тайваньском патенте Pat. No.62305.
На чертежах обозначены:
01, 02 - линия приложения силы; 1 - корпус; 2 - неподвижное зубчатое колесо; 3 - подвижное зубчатое колесо; 31 - осевое зубчатое колесо; 4- элемент передачи движения; 41 - шариковый подшипник; 42 - вал передачи движения; 5 - маховик; 51 - вал приложения силы; 6 - шатун; 7 - поршень; 8 - ведомое зубчатое колесо; 9 - точка сцепления; а, b, с - графическое изображение движения; s, t-зона графического изображения движения; Х1 - поршень; Х2 - коленчатый вал; Х3 - трансмиссионный вал; Х4 - точка приложения силы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ПРИМЕРА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на Фиг.1 и 2, устройство для генерирования кинетической энергии в соответствии с настоящим изобретением в основном включает корпус 1, неподвижное зубчатое колесо 2, подвижное зубчатое колесо 3, элемент передачи движения 4, маховик 5 и ряд шатунов 6.
Неподвижное зубчатое колесо 2 расположено по внутреннему краю корпуса 1 и входит в зацепление с подвижным зубчатым колесом 3, в результате чего обеспечивается вращение последнего по первому. Передаточное число между неподвижным зубчатым колесом 2 и подвижным зубчатым колесом 3 составляет 3:2. В корпусе 1 расположен элемент передачи движения 4 для вывода кинетической энергии. Между контактной поверхностью элемента передачи движения 4 с корпусом 1 расположен шариковый подшипник 41 для создания плавного вращательного контакта между ними. По центру оси элемента передачи движения 4 расположен вал передачи движения 42. Осевое зубчатое колесо 31 расположено относительно подвижного зубчатого колеса 3 таким образом, чтобы осевое зубчатое колесо 31 входило в зацепление с валом передачи движения 42. Передаточное число между валом передачи движения 42 и осевым зубчатым колесом также составляет 3:2. Расположенный внешне по отношению к осевому зубчатому колесу 31 маховик входит с ним в зацепление и вращается синхронно с подвижным зубчатым колесом 3. На одном конце маховика 5 расположен вал приложения силы 51. Каждый из шатунов 6 соединен своим одним концом с валом приложения силы 51 и вторым своим концом с поршнем 7 цилиндра (не показан) с целью обеспечения возвратно-поступательного движения поршня 7 вдоль стенки цилиндра, тем самым приводя в движение маховик 5 и подвижное зубчатое колесо 3, обеспечивая вращение с помощью шатунов 6 и передачу кинетической энергии.
При такой схеме поршень 7, приводимый в действие кинетической энергией, вырабатываемой при сгорании топлива в цилиндре, оказывает давление на вал приложения силы 51 через шатуны 6 с целью обеспечения вращения маховика 5 и подвижного зубчатого колеса 3 вокруг осевого зубчатого колеса 31 и перемещения по окружности неподвижного зубчатого колеса 2, при этом осевое зубчатое колесо 31 приводит во вращение вал передачи движения 42 для вывода кинетической энергии. С целью обеспечения стабильной работы вала передачи движения 42 в холостой зоне между валом передачи движения 42 и неподвижным зубчатым колесом 2 может быть расположено несколько ведомых зубчатых колес 8, образующих планетарную зубчатую передачу, обеспечивающую бесперебойную работу.
Настоящее изобретение отличается тем, что оно состоит из трех основных компонентов, включающих осевое зубчатое колесо 31, вал приложения силы 51 и точку сцепления 9, в которой неподвижное зубчатое колесо 2 и подвижное зубчатое колесо 3 входят в зацепление друг с другом. При воздействии давления кинетической энергии, образующейся в результате сгорания топлива в цилиндре, на вал приложения силы 51 через шатуны 6 ее сила инерции оказывает давление со стороны вала приложения силы 51 в направлении (линия приложения силы 01) осевого зубчатого колеса 31, и реверсивная сила оказывает воздействие со стороны точки сцепления 9 в направлении (линия приложения силы 02) осевого зубчатого колеса 31 таким образом, чтобы сила, подаваемая из осевого зубчатого колеса 31 на вал передачи движения 42, значительно превышала силу, создаваемую любой известной конструкцией. Более того, обеспечивается снижение потерь мощности, т.к. мощность выдается путем непосредственного сцепления осевого зубчатого колеса 31 с валом передачи движения 42. Между двумя линиями приложения силы 01 и 02 предпочтительно образуется угол с целью увеличения силы по принципу рычага во избежание взаимного противодействия сил. Как показано на Фиг.2, при нахождении поршня 7 в начальной точке хода осевое зубчатое колесо 31 перемещается на угол, тем самым обеспечивая приведение в действие подвижного зубчатого колеса 3 и маховика 5 с помощью шатунов 6.
Кроме того, в настоящем изобретении шатуны 6 характеризуются исключительно малым изменением своего угла бокового давления, в результате чего большая часть силы инерции используется в виде мощности для приведения в действие подвижного зубчатого колеса 3 и маховика 5 с целью уменьшения неэффективной боковой составляющей силы. Как показано на Фиг.2 - Фиг.9, при вращении подвижного зубчатого колеса 3 по окружности неподвижного зубчатого колеса 2 подвижное зубчатое колесо 3 и маховик 5 вращаются в противоположном направлении и создают графическое изображение движения (а) вала приложения силы 51, проиллюстрированное на Фиг.10.
Исходя из вышеуказанного графического изображения (а), в настоящем изобретении три цилиндра объединены в один блок, три вала передачи движения 42 радиально расположены под углом 120° по отношению друг к другу и соединены с тремя цилиндрами таким образом, чтобы каждый цилиндр обеспечивал подачу трети от полной выходной мощности. Когда первый цилиндр начинает совершать свой рабочий такт (расширения), траектория движения, проходимая поршнем 7 в течение одного цикла (сверху вниз), является годографом (а), проиллюстрированным на Фиг.2 - Фиг.4. Указанный процесс повышения давления образует зону годографа S повышающегося давления, проиллюстрированную на Фиг.10, являющуюся приблизительно линейной, в результате чего большая часть силы от шатуна 6 прилагается к подвижному зубчатому колесу 3 для создания вращения при меньшей потере боковой компонентной силы. Как только поршень 7 достигает конечной точки хода и замедляет движение, он образует графическое изображение траектории (описывает годограф) (а), проиллюстрированное Фиг.5 и Фиг.6, далее шатун 6 перемещается во втором цилиндре для проведения такта сжатия. Состояние рабочего такта во втором цилиндре показано на Фиг.7 - Фиг.9, после чего следует такт сжатия в третьем цилиндре. При этом одновременно в первом цилиндре начинается такт выхлопа. Таким образом, при создании поршнем 7 максимальной силы инерции большая ее часть прилагается к подвижному зубчатому колесу 3 для придания ему вращения, тем самым повышая выход кинетической энергии.
В известном двигателе внутреннего сгорания четыре такта, включающие всасывание, сжатие, горение и выхлоп, объединены в один полный цикл, то есть Ѕ силы вспышки может быть использована за один оборот двигателя. В противоположность этому в настоящем изобретении три цилиндра расположены в одном блоке таким образом, чтобы каждый цилиндр обеспечивал вращение только на 120° за одноразовую вспышку, т.к. в блоке имеется три цилиндра, последовательно производящие работу по выводу мощности. Таким образом, устройство настоящего изобретения способно развивать большую выходную мощность и высокий крутящий момент при меньшей потере мощности.
Высота вала приложения силы 51 может быть отрегулирована в зависимости от фактического требуемого практического применения. Если в основном предусматривается его использование в двигателе, вал 51 может быть выставлен в положение около точки сцепления 9 для создания годографа (а), как показано на Фиг.10. При увеличении давления происходит удлинение зоны годографа S, в результате чего возрастает сила при более узкой боковой зоне годографа t с целью минимизации потерь компонентной силы. Как показано на Фиг.11, при нахождении вала 51 в нижнем положении образуется годограф (b), как показано на Фиг.12, с более короткой зоной годографа S такта сжатия. В этом случае линейное толкающее усилие будет слабее и имеет более широкую смещенную зону годографа (t). В результате этого часть мощности поршня 7, передаваемая с помощью шатуна 6, образует потерю боковой компонентной силы, что приводит к снижению кпд двигателя ввиду его несовершенной конструкции.
Устройство для генерирования кинетической энергии в соответствии с настоящим изобретением кроме его применения в двигателях может найти иное практическое применение, например в воздушных компрессорах, как показано на Фиг.13. В этом случае вал передачи движения 42 приводится в действие другим источником энергии для придания ему вращения, далее мощность передается на поршень 7 через осевое зубчатое колесо 31, подвижное зубчатое колесо 3, маховик 5, вал приложения силы 51 и шатуны 6 для сжатия среды в цилиндре для сохранения энергии. Как показано на Фиг.14, линия годографа (с) образуется за счет регулировки, позволяющей увеличить высоту вала приложения силы 51, в результате чего обеспечивается обратная передача кинетической энергии к поршню 7 для сжатия и последующего вывода. В настоящем изобретении в конструкции насчитывается три цилиндра, но при сокращении количества цилиндров нарушается устойчивый режим работы и, как следствие, возникает вибрация. Схема настоящего изобретения также применима к конструкции массажного стула.
Как показано на Фиг.15 и Фиг.16, несколько цилиндров вместе с поршнями 7 и шатунами 6 объединены в блоки из трех или шести цилиндров. В последнем случае каждый из двух блоков установлен на двух концах корпуса 1 напротив друг друга с поворотом на 180° (см. Фиг.16). При такой схеме два противоположных цилиндра выполняют одновременно один и тот же такт с целью обеспечения сбалансированной работы и удвоения усилия для приведения в действие подвижного зубчатого колеса 3. На Фиг.17 проиллюстрирована схема с девятью цилиндрами, в которой три цилиндра в одном блоке могут быть расположены параллельно в одном направлении, и каждый блок цилиндров расположен под углом 120° по отношению друг к другу с целью последовательного выполнения тактов для создания общего крутящего момента, в три раза превышающего крутящий момент известного двигателя.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было раскрыто и проиллюстрировано со ссылками на его предпочтительные примеры осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что изобретение не ограничивается этими описанными примерами осуществления, и в него могут быть внесены другие изменения и модификации, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного помещенной ниже формулой изобретения.