МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
MECHANICAL POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к машиностроению, энергетике, а именно для усиления мощности источников механической энергии.
Известен механический усилитель мощности, в котором имеется коленчатый вал, кинематически соединенный шатуном с коленными рычагами, связанный с одной стороны с одним коленным рычагом, а с другой с механизмом преобразования движения с выходным валом (см. патент РФ №2407638). Энергетическим параметром усиления этого усилителя является механическая мощность.
Недостатком известного механического усилителя мощности является его относительно низкий коэффициент усиления.
Указанный недостаток обусловлен тем, что в основе конструкции известного усилителя лежит коленно-рычажный механизм. При работе этого механизма величина мощности, выделяемая на ползуне, функционально зависит от мощности объекта усиления, при этом величина усиления является функцией, зависящей в каждый момент времени от углов положения рычагов механизма. Вычисленный через отношение средних мощностей, выделяемых на ползуне и объектом усиления, коэффициент усиления не превышает 3-х, что не позволяет широкого использования известного усилителя в практике.
Задачей изобретения является создание такой конструкции механического усилителя мощности, у которого коэффициент усиления в несколько раз превосходил бы коэффициент усиления известного усилителя.
Для достижения поставленной задачи заявленное изобретение "Механический усилитель мощности" выполнено на основе кулачкового механизма. Механический усилитель мощности содержит основание, выполненные с возможностью вращательного движения входной и выходной валы и механизм преобразования поступательного движения во вращательное движение выходного вала. При этом он снабжен валом, соединенным с входным валом с возможностью передачи от него вращения, платформой, расположенной на валу с возможностью перемещения вдоль него на упорной опоре качения, размещенной на валу, и кулачком, выполненным с торцевой поверхностью, на которую помещена упомянутая упорная опора качения, и с рабочей поверхностью, имеющей выступы. Сам кулачок с возможностью перемещения вдоль вала и вращения вместе с ним размещен выступами от платформы на другой упорной опоре качения, которая помещена на основании, и сопряжен с одним или несколькими толкателями, которые кинематически соединены с выходным валом посредством механизма преобразования поступательного движения толкателей во вращательное движение выходного вала.
По отношению к известному механизму у заявленного изобретения имеются отличительные признаки, заключающиеся в том, что механический усилитель мощности снабжен валом, соединенным с входным валом с возможностью передачи от него вращения, платформой, расположенной на валу с возможностью перемещения вдоль него на упорной опоре качения, размещенной на валу, кулачком, выполненным с торцевой поверхностью, на которую помещена упомянутая упорная опора качения, и с рабочей поверхностью, имеющей выступы, размещенным на валу упомянутыми выступами от платформы на другой упорной опоре качения, помещенной на основание, с возможностью перемещения вдоль вала и вращения вместе с ним и сопряженным с одним или несколькими толкателями, кинематически соединенными с выходным валом посредством механизма преобразования поступательного движения толкателей во вращательное движение выходного вала.
Между отличительными признаками и задачей изобретения существует следующая причинно-следственная связь. Наличие у кулачка двух степеней свободы позволяет с одной стороны воспринимать действие момента силы объекта усиления через вал, соединенный с входным валом усилителя, а с другой стороны воспринимать давление внешней силы, действующей на платформу, и передавать это действие на толкатель. Действие объекта усиления направлено на преодоление сил трения, возникающих при вращении кулачка в упорных опорах качения и в точке силового контакта рабочей поверхности кулачка и толкателя от действия внешней силы и сил нагрузки на выходном валу усилителя, а также на преодоление сил трения в направляющих толкателя. Давление внешней силы на платформу передается через кулачок на толкатель. При этом толкатель приобретает движущую силу, а при вращении кулачка и скорость движения, произведение величин которых равно мощности, выделяемой на толкателе. Величина коэффициента усиления мощности, определяется из отношения средней величины мощности, выделяемой на толкателе, к средней величине мощности, выделяемой объектом усиления. Подбором параметров кулачкового механизма и выбором вида трения в точке силового контакта выступа кулачка и толкателя можно добиться определенной величины коэффициента усиления предлагаемого механического усилителя мощности.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 - схема механического усилителя мощности;
на фиг.2 - схематическое изображение элементов усилителя и внешней силы, действующей на платформу;
на фиг.3 и 4 - схематическое изображение элементов усилителя, размещенных на основании усилителя, и силы, вызванной внешней силой и действующей на основании;
на фиг.5 - схематическое изображение элементов усилителя, размещенного на его основании, и сил, вызванных внешней силой и действующих на основание и толкатель;
на фиг.6 - изображено действие на кулачок и толкатель сил, вызванных работой объекта усиления;
на фиг.7 - чертеж к расчету коэффициента усиления усилителя.
Механический усилитель мощности состоит из основания 1, платформы 2, входного вала 3, кулачка 4, вала 5, упорных опор качения 6 и 7, толкателя 8, механизма преобразования движения 9 с выходным валом 10. Силовое замыкание толкателя 8 осуществляется пружиной, которая на чертеже не изображена. На чертеже показан объект усиления 11.
Для описания работы механического усилителя мощности рассмотрим силы, действующие на платформу 2 и толкатель 8. При этом отдельно рассмотрим действие на эти звенья внешней силы и сил, вызванных действием объекта усиления 11.
вс
1
2
3
вс
вс1
вс1
вс
вс1
Для определения действия внешней силы на платформу 2 и толкатель 8 обратимся к фиг.2, на котором показаны, выделенные элементы усилителя: платформа 2, упорная опора качения 6, кулачок 4 и упорную опору качения 7. По условию задачи их можно представить как абсолютно твердые тела, которые кинематически связаны и соприкасаются друг с другом своими торцевыми параллельными поверхностями (см. фиг.1 и 2), причем в процессе работы усилителя они не перемещаются относительно друг друга вдоль линии ВС. В связи с этим можно для упрощения анализа условно принять их совокупность как одно абсолютно твердое тело А (фиг.2). Если на это тело подействовать внешней силой F, то линия ее действия ВС будет проходить через все тело А (см. Тарг, С.М. Краткий курс теоретической механики. М., Высш. шк., 2004, с.10). Там же на с.12 приведено следствие аксиомы, которое гласит, что "действие силы на абсолютно твердое тело не изменится, если перенести точку приложения силы вдоль ее линии действия в любую другую точку тела", например, или в точку G, или в точку G, или в точку G. При размещении тела А на основании 1, что показано на фиг.3, точка приложения силы F будет находиться в точке D на линии ВС в месте ее пересечения с основанием 1 в виде силы F, при этом сила F будет равна силе F. Если теперь представить, что тело 4 (кулачок), имеющее по условию задачи две степени свободы, будет вращаться между телами 6 и 7 (упорными опорами качения), как это показано на фиг.4, то точка приложения силы F, направление ее действия и величина не изменятся.
вс2
вс3
вс2
вс3
вс3
вс
вс2
вс3
вс
По условию задачи кулачок 4 одновременно контактирует своей торцевой поверхностью (см. фиг.1 и фиг.5) с упорной опорой качения 7 и рабочей поверхностью с толкателем 8. В связи с этим мы имеем систему из сил F и F, показанные на фиг.5. Точка приложения силы F находится в точке D, а точка приложения силы F находится в точке Е силового контакта рабочей поверхности кулачка 4 и толкателя 8. Сила F действует вдоль продольной оси толкателя 28. Она не совпадает с линей ВС действия внешней силы F. В то же время силы F и F являются одной природы с внешней силой F и каждая из них составляет ее часть, причем
вс2
вс3
вс
F+F=F.
вс3
вс
Сила F является движущей силой толкателя 8, вызванной действием на платформу 2 внешней силы F.
n
nm
nm
nm
Для определения действия объекта усиления 11 на кулачок 4 и толкатель 8 обратимся к фиг.6. Для приведения во вращательное движение кулачка 4 объектом усиления 11 создается момент на валу 5. На расстоянии радиуса кулачка 4 в точке Е силового контакта кулачка 4 и толкателя 8 действует сила F, вызванная этим моментом. К толкателю 8 вследствие этого будет приложена сила F, направленная по нормали в точке Е к профилю выступа кулачка 8. Действие силы F на толкатель 8 будет проявляться в силе трения в направляющих толкателя 8 и в его движущей силе. Кроме этого, вследствие вращения кулачка 4 возникают силы трения в упорных опорах 6 и 7 и в точке Е силового контакта кулачка 4 и толкателя 8, которые также следует учитывать. Таким образом, мощность объекта усиления будет направлена на преодоление указанных сил трения и на выполнение работы силы F, приложенной к толкателю 8.
вс3
nm
c
m1
Для расчета коэффициента усиления механического усилителя мощности обратимся к фиг.7, на котором изображены выступ кулачка 4 и толкатель 8, находящиеся в силовом контакте в точке Е, и силы, приведенные к точке Е и участвующие в равновесии толкателя 8. Толкатель 8 будет находиться под действием силы F, вызванной действием внешней силы, силы F, вызванной действием объекта усиления 11, приведенной силы сопротивления F, учитывающей полезные сопротивления, силу пружины, силы инерции, и приведенной силы трения F. Из уравнения равновесия сил, действующих на толкатель 8, имеем
c
m1
вс3
nm
2
F+F-Fcosa-Fsinacosa=0,
∂c
вс3
nm
y
где а - угол, образованной нормалью в точке Е и продольной осью толкателя 8. Это уравнение свидетельствует, что движущая сила F, действующая на толкатель 8, равна сумме проекций на продольную ось толкателя силы F, вызванной действием внешней силы, и силы F, вызванной действием объекта усиления 11. Вследствие этого мощность усилителя N, выделяемая на толкателе 8, будет равна
<mrow><msub><mi>N</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>в</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>в</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi><mo>+</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mi>h</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>p</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
вс3
вс3
где N - мощность, выделяемая силой F;
nm
nm
N - мощность, выделяемая силой F;
h - высота выступа кулачка 4;
px
t - время рабочего хода толкателя 8.
y
Коэффициент усиления k механического усилителя мощности в этом случае вычисляется по формуле
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>o</mi><mi>y</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>в</mi><mi>с</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>m</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>m</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>m</mi><mn>3</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
oy
где N - мощность объекта усиления 11;
m1
вс3
N - мощность, выделяемая силой F и затрачиваемая объектом усиления 11 на преодоление сил трения в направляющих толкателя 8;
m2
N - мощность, затрачиваемая объектом усиления 11 на преодоление сил трения в точке силового контакта кулачка 4 и толкателя 8;
m3
N - мощность, затрачиваемая объектом усиления 11 на преодоление сил трения в упорных опорах 6 и 7.
y
Выражая последнюю формулу через параметры кулачкового механизма и объекта усиления, получим формулу для расчета коэффициента усиления k механического усилителя мощности в виде
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>к</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>к</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mi>в</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
в
где k - количество выступов кулачка 4;
к
r - радиус кулачка 4;
к
f - коэффициент трения качения в точке Е (как правило, на конце толкателя 8 для уменьшения трения в точке Е силового контакта толкателя 8 и кулачка 4 размещают ролик);
n
r - радиус упорной опоры качения;
max
α - максимальный угол перегиба рабочей поверхности кулачка;
<mrow><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>k</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
m
где k - вылет толкателя 8;
m
l - длина толкателя 8;
н
f - коэффициент трения скольжения в направляющих толкателя 8.
y
max
к
в
к
н
m
m
n
y
Оценим количественно минимальное и максимальное значение коэффициента усиления k механического усилителя мощности для следующих начальных условий: угол перегиба синусоидальной рабочей поверхности выступа кулачка 4 равен α=21,8° (определен расчетным путем при высоте выступа h=0,02 м, радиусе кулачка r, равным 0,05 м, и количестве выступов, равным k=2); коэффициент трения качения толкателя 8 по рабочей поверхности выступа кулачка 4 примем равным f=0,008; коэффициент трения в направляющих толкателя 8 примем f=0,08; вылет толкателя 8 равным k=0,02 м; длину толкателя 8 l=0,04 м; радиус упорных опор 6 и 7 равным r=0,02 м. Минимальное значение коэффициент усиления k имеет при угле α=21,8°, а максимальное при a=0°.
y
y
Подставив исходные данные в формулу для оценке коэффициента усиления, имеем k=22,3-33,6. Для принятых начальных условий коэффициент усиления механического усилителя мощности в среднем равен k=27,9. При сравнении значений коэффициента усиления известного и предлагаемого механического усилителя мощности видим, что коэффициент усиления предлагаемого механического усилителя мощности более чем в 9 раз превосходит коэффициент усиления известного механического усилителя мощности.
Работа механического усилителя мощности заключается в следующем. На платформу 2 действуют внешней силой, природа которой может быть различной. Давление этой силы через платформу 2, которая может перемещаться вдоль вала 3, и через кулачок 4 распространяется на толкатель 8. Объект усиления 11, одновременно являясь приводом механического усилителя мощности, поворачивает входной вал 3, который сообщает через вал 5 вращательное движение кулачку 4. Кулачок 4 под действием силы, вызванной внешней силой, и силы, вызванной действием объекта усиления 11, своим выступом перемещает поступательно толкатель 8. При дальнейшем вращении кулачка 4 на нисходящей поверхности его выступа силовой контакт кулачка 4 с толкателем 8 отсутствует. Толкатель 8 под действием возвратной пружины возвращается к основанию очередного выступа кулачка 4. Затем на толкатель 8 набегает следующий выступ кулачка 4, и процесс повторяется с периодичностью, пропорциональной частоте вращения кулачка 4 и количеству его выступов. Поэтому процесс усиления происходит периодически от выступа к выступу кулачка 4. При одном обороте кулачка 4 толкатель 8 совершает возвратно-поступательные движения, состоящие из рабочих и холостых ходов. Рабочий ход толкателя 8 связан с движением кулачка 4, при котором толкатель 8 приобретает силу и скорость движения. Механизм преобразования движения 9, кинематически сопряженный с толкателем 8, преобразует поступательное движение толкателя 8 во вращательное движение выходного вала 10, с которого снимается усиленная мощность для работы других механизмов.
Заявленный "Механический усилитель мощности" представляет значительный интерес, так как позволяет, не обращаясь к традиционным источникам энергии, усиливать мощность источника механической энергии, например двигателя. Изобретение экологически безопасно для природы и человека.