МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
MECHANICAL POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к машиностроению, энергетике, а именно для усиления мощности источников механической энергии.
Известен механический усилитель - коленно-рычажный пресс, использующий распорное действие сил для преобразования малой по величине внешней силы в большие силы давления (см. патент РФ №2298479).
Недостатки известного механического усилителя состоят в том, что он имеет ручной привод коленно-рычажного механизма, а так же то, что его конструкция не позволяет выделяемую на ползуне мощность использовать для работы других механизмов.
Известен также механический усилитель, у которого ползун пресса кинематически сопряжен с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выходного вала, что позволяет использовать часть мощности на ползуне для работы другого механизма, в данном случае каретки с захватным органом для обрабатываемого материала (SU 1346305 A1, 23.10.1987, B21D 43/02).
Недостатком данного механического усилителя является невозможность использовать всю мощность, выделяемую на ползуне, для работы других механизмов без потери основной своей функции, связанной с обработкой материалов прессованием.
Наиболее близким к заявленному изобретению является механический усилитель, выполненный по а.с. SU 384690 A, 21.09.1973, В30В 1/02, в котором имеется коленчатый вал, кинематически соединенный кулисой и шатуном с коленными рычагами, и ползун, имеющий возможность возвратно-поступательного движения и связанный с одной стороны с одним коленным рычагом. Энергетическим параметром усиления механического усилителя является давление ползуна на обрабатываемый объект.
В соответствии с результатами, полученными в работе С.М.Тарг. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов. М.: Высш. шк., 2004, стр.28-29, рис.27, величина силы давления Q ползуна механического усилителя на обрабатываемый объект в зависимости от величины внешней силы P равна:
,
где α и β - углы положения коленных рычагов усилителя.
P
Q
В процессе работы механического усилителя на коленчатом валу затрачивается мощность N, а на ползуне выделяется мощность N. При этом мощность усилителя равна:
,
P
Q
где t - время одного оборота коленчатого вала; t - время действия силы давления за один оборот коленчатого вала; h - расстояние от начальной до конечной точки приложения силы давления Q; s - расстояние, равное высоте треугольника с основанием OB (см. Тарг С.М., там же, рис.27), от начальной точки приложения внешней силы P до точки пересечения высоты с основанием OB. Или
,
M
t
s
t
P
Q
s
t
s
где K(α, β, k, k) - функция усиления мощности механического усилителя; k - отношение времени t к времени t; k - отношение расстояния h к расстоянию s. Коэффициенты k и k являются постоянными для конкретной конструкции механического усилителя и определяются из начальных условий.
Встает вопрос об источнике энергии, необходимом для работы силы давления Q. Для этого следует рассмотреть природу этой силы. На основании рис.27 (см. С.М.Тарг, там же) сила давления Q равна:
2
Q=Rcos α.
2
2
2
В шарнире O (рис.27, С.М.Тарг, там же) взаимодействуют две равные по модулю, но противоположно направленные силы R и . Эти силы на основании третьего закона Ньютона приложены к разным телам, но они в то же время являются силами одной природы (см. Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: БИНОМ, 2006, стр.44). По своей природе силы R и  являются реакцией упругих сил в шарнире О, то есть являются потенциальными силами (см. Курс физики. Кн.1. Физические основы механики. Учебник/Под ред. Г.А.Бордовского. М.: Высш. шк., 2004, стр.115). В соответствии с последней формулой сила давления Q по своей природе соответствует природе реакции R в шарнире O, то есть сила давления является так же потенциальной силой.
Когда говорят о потенциальных силах, то имеют ввиду, что эти силы проявляют себя только в силовых потенциальных полях (см. Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: БИНОМ, 2006, стр.98-100). Это значит, что потенциальная сила давления Q порождена силовым потенциальным полем. Кроме того, связь между потенциальной силой и потенциальным полем показывает, что в соответствии с законом сохранения энергии работа потенциальной силы приводит к убыли энергии потенциального поля, порождающего эту силу (см. Иродов И.Е., там же, стр.101). Следовательно, при работе механического усилителя сила давления Q совершает работу за счет энергии потенциального поля.
Убыль энергии потенциального поля при работе механического усилителя говорит о том, что потенциальное поле является внешним вспомогательным источником энергии для него. Величина этой убыли равна величине выполненной силой давления Q работы. Энергия потенциального поля передается механическому усилителю только в форме работы (см. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М., Наука, 1974, стр.58).
У известного и заявленного изобретений имеются следующие совпадающие признаки, такие как, коленчатый вал, который посредством шатуна связан с коленными рычагами, ползун, имеющий возможность возвратно-поступательного движения и связанный с одной стороны с одним коленным рычагом.
Недостатками известного механизма являются то, что нельзя использовать его для усиления мощности источников механической энергии, например двигателей, а также выделенную на ползуне мощность для работы других механизмов.
Указанный недостаток обусловлен тем, что известный механизм является неотъемлемой частью коленчатого пресса, выполненного по а.с. SU 384690 A, 21.09.1973, В30В 1/02, имеет энергетический параметр усиления - давление, а также тем, что он не имеет устройства, обеспечивающего преобразование возвратно-поступательного движения ползуна во вращательное движение выходного вала, с которого должна отбираться выделяемая на нем усиленная мощность.
Задачей изобретения является создание такой конструкции механического усилителя, которая позволила бы ее использовать для усиления мощности источников механической энергии, например двигателей, используемых на стационарных и подвижных объектах, в быту и на производстве, и обеспечивала бы передачу всей выделенной на ползуне мощности другому механизму.
Для достижения поставленной цели заявленное изобретение "Механический усилитель мощности" содержит коленчатый вал, который посредством шатуна связан с коленными рычагами, ползун, имеющий возможность возвратно-поступательного движения и связанный с одной стороны с одним коленным рычагом, а также имеющий выходной вал механизм преобразования движения, предназначенный для преобразования возвратно-поступательного движения ползуна во вращательное движение выходного вала. Механизм преобразования движения кинематически сопряжен с ползуном с другой его стороны. При этом коленчатый вал и коленные рычаги выполнены с возможностью двукратного прохождения положения распрямления коленчатых рычагов за один оборот коленчатого вала.
По отношению к известному механизму у заявленного изобретения имеются отличительные признаки, заключающиеся в том, что механический усилитель мощности снабжен кинематически сопряженным с ползуном с другой его стороны механизмом преобразования движения, имеющим выходной вал и предназначенным для преобразования возвратно-поступательного движения ползуна во вращательное движение выходного вала, а коленчатый вал и коленные рычаги выполнены с возможностью двукратного прохождения положения распрямления коленных рычагов за один оборот коленчатого вала.
Между отличительными признаками и задачей изобретения существует следующая причинно-следственная связь. В заявленном изобретении энергетическим параметром усиления является мощность. Для того чтобы на выходном звене механического усилителя выделялась мощность в практике машиностроения принято в качестве выходного звена применять вал, которому сообщается момент и вращательное движение с определенным числом оборотов в единицу времени. Входным звеном заявленного изобретения является коленчатый вал, к которому присоединяется объект усиления. Под действием объекта усиления за один оборот коленчатого вала коленные рычаги при двукратном распрямлении сообщают ползуну возвратно-поступательные движения. При распрямлении коленных рычагов ползун приобретает движущую силу и скорость движения, произведение величин которых равно мощности, выделяемой на ползуне. Для передачи выделенной мощности на ползуне выходному валу, необходимо кинематически соединить ползун с другой его стороны относительно соединения с коленным рычагом с механизмом преобразования движения, имеющим выходной вал. Механизм преобразования движения преобразует возвратно-поступательные движения ползуна во вращательное движение выходного вала, с которого может быть снята усиленная мощность для работы механизмов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема механического усилителя мощности.
Механический усилитель мощности состоит из коленчатого вала 1, шатуна 2, коленных рычагов 3 и 4, ползуна 5 и механизма преобразования движения 6 с выходным валом 7. Показан на чертеже и объект усиления 8.
Работа механического усилителя мощности заключается в следующем.
Объект усиления 8, одновременно являясь приводом механического усилителя мощности, поворачивает коленчатый вал 1, который через шатун 2 и коленные рычаги 3 и 4 сообщает ползуну 5 возвратно-поступательные движения, имеющие рабочие и холостые ходы. Рабочий ход ползуна 5 связан с распрямлением коленных рычагов 3 и 4, при котором ползун 5 приобретает силу и скорость движения. Кинематически сопряженный с ползуном 5 механизм преобразования движения 6 преобразует возвратно-поступательное движение ползуна 5 во вращательное движение выходного вала 7, с которого снимается усиленная мощность для работы других механизмов.
При соответствующем выборе углов отклонения коленных рычагов 3 и 4, их длин и длины кривошипа коленчатого вала 1 достигается начальное значение функции усиления, близкое к единице. При этом может быть обеспечено за один оборот коленчатого вала 1 двукратное прохождение положения распрямления коленных рычагов 3 и 4, что приводит к двукратному выделению на выходном валу 7 усиленной мощности.
Заявленный "Механический усилитель мощности" представляет значительный интерес, так как позволяет, не обращаясь к традиционным источникам энергии, усиливать мощность источника механической энергии, например двигателя.
Заявленное изобретение экологически безопасно для природы и человека.