МЕХАНИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
MECHANICAL ENGINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к силовым агрегатам, подающим мощность к потребителю, и может быть использовано во всех областях промышленности.
Известен механический двигатель (патент на изобретение RU №2025575, опубликован 30.12.1994 г.), состоящий из корпуса, механического преобразователя крутящего момента, который выполнен в виде двух перекрещивающихся осей. Вертикальная ось вставлена в вал узла отбора мощности, а горизонтальная с колесами, закрепленными на ее концах. Над колесами установлены инерционные грузы, жестко связанные с осями колес и кинематически связанные, посредством жестких уравновешивающих рычагов, направляющими роликов приводного устройства, установленного на корпусе.
При вращении обоих рычагов возникает круговое движение обоих приводов, а грузы, расположенные эксцентрично под углом, опрокидываясь назад, могут привести к не уравновешиванию приложенных сил к рычагам, что приведет к сбою работы механического двигателя, снижая его эффективность при эксплуатации.
Известен двигатель механической энергии (патент на изобретение RU №2046226, опубликован 20.10.1995 г.), содержащий вал, многовитковую пружину, один конец которой связан свалом, а другой конец с барабаном, при этом пружина выполнена в виде многослойной резинометаллической ленты. При торможении транспортного средства водитель подключает к системе торможения вал, который вращаясь, закручивает пружину относительно барабана, преобразуя кинетическую энергию в потенциальную энергию пружины.
Недостатком данной конструкции является отсутствие функции регулирования равномерности вращения барабана, что не дает возможности получения энергии постоянной мощности.
Следующий известный механический пружинный двигатель для получения энергии (патент на изобретение RU №2150605, опубликован 10.06.2000 г.) содержит корпус, пружинный механизм с приводом от внешнего источника, системы зубчатых и цепных передач с обгонной муфтой прямого вращения и выходной вал для передачи вращательного движения потребителю. Основное отличие конструкции по данному изобретению состоит в том, что в механический пружинный двигатель, помимо приводной рулонной пружины, введены пружина кручения, прерыватель, реверсивная обгонная муфта, образующие единый механизм, позволяющий увеличить цикл работы рулонной пружины, обеспечить постоянство передачи энергии потребителю, причем приводная рулонная пружина и пружина кручения объединены кинематической связью в пружинный механизм.
Недостатком данной конструкции является использование приводной рулонной пружины, которая имеет низкую энергетическую емкость пружинной ленты, приводящее к неполному использованию энергии пружины, что приводит к снижению эффективности работы механического двигателя.
Известен также, механический накопитель энергии (патент на полезную модель RU №152889, опубликован 10.12.2014 г.), содержащий вал на котором жестко закреплено четырех-лучевое водило и установлены центральная шестерня с возможностью поворота вокруг вала и обгонная муфта. На концах четырех-лучевого водила закреплены оси, на которых установлены с возможностью вращения, шестерни-сателлиты, находящиеся в зацеплении с центральной шестерней. Шестерни - сателлиты установлены на осях с образованием полостей, в которых размещены накопители потенциальной энергии в виде пружин кручения. В полости, образованной валом и центральной шестерней, установлен дополнительный накопитель потенциальной энергии, выполненный в виде пружины, прикрепленной своими концами к валу и центральной шестерне.
Установленный, в полостях вала, дополнительный накопитель, в свою очередь, потребляет дополнительную энергию, тем самым, поглощая часть основной кинетической самого накопителя, что также приводит к снижению эффективности работы известного накопителя.
Существующие на текущий момент времени разработки конструкций различных вариаций и компоновок механических двигателей, состоят, в основном, из корпуса двигателя, валов вращения, установленных на опорах посредством подшипников качения, на которых установлены ведущие и ведомые шестерни, в том числе солнечные или коронные, пружинные механизмы, модульные сателлитные блоки и другие необходимые детали для работы механического двигателя.
Однако, все вышеприведенные патенты, направленные на усовершенствование конструкций механических двигателей, имеют свои отдельные преимущества, но, при этом, и недостатки - приводящие к снижению эффективности работы механических двигателей.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание конструкции механического двигателя, обеспечивающего энергию с высоким коэффициентом КПД.
Техническая проблема достигается тем, что в корпусе механического двигателя установлены опоры в сборе с подшипниками качения, на которых установлен центральный вал с центральной разгонной шестерней, по краям вала, в сборе с фланцами установлены солнечные шестерни, имеющие снаружи ступень малого диаметра с зубчатыми венцами, внутренняя часть солнечной шестерни имеет, расположенный вокруг центрального вала, выступ с внешним зубчатым венцом и беговую дорожку, по окружности верхнего края внутренней части солнечной шестерни расположен также зубчатый венец, на основании механического двигателя, в нижней части его опор, посредством подшипников, установлен главный вал, по краям которого расположены регулировочные шестерни, установленные с возможностью зацепления с наружным венцом солнечной шестерни, а ближе к центру этого вала расположены две ведущие шестерни, между солнечными шестернями расположен модуль преобразователя кинетической энергии, состоящий из шести одинаковых блоков независимой сборки, каждый блок содержит по два толкателя в виде секторов, образованных от угла в 30 градусов, имеющих по внешней дуге окружности зубчатые венцы, толкатели соединены между собой штангой жесткости, в нижней части, внешней стороны каждого толкателя, жестко прикреплена усиливающая планка с опорной полуосью, на конце которой находится ролик, в центральной части каждого из толкателей жестко установлена промежуточная полуось, на конце которой установлена спаренная шестеренка с различными диаметрами пар, в верхней части толкателей, посредством подшипников, установлен силовой вал, по краям которого установлены ступенчатые спаренные шестеренки с различными диаметрами пар, на силовом валу между спаренными шестеренками и толкателями установлены механизмы сбрасывания избыточной кинетической энергии (предохранитель), по центру силового вала посредством обгонной муфты установлена приводная шестеренка, способствующая вращению силового вала в разных направлениях, вдоль поверхности силового вала между толкателями и приводной шестеренкой выполнены шлицы, с внутренней стороны каждого из толкателей, в нижней его части, установлен в подшипниках качения опорный вал, к которому жестко крепятся две длинные направляющие штанги, направляющие штанги вставлены в направляющие втулки, установленные на площадках силового блока, над опорным валом жестко прикреплена к толкателю опорная площадка, между опорной площадкой балкой жесткости установлены направляющие штанги малой длины, на которые надеты направляющие втулки, взаимодействующие с силовым блоком, малые направляющие штанги обвиты снаружи пружинами, упирающимися верхним концом пружин в штангу жесткости, а нижним концом в силовой блок, направляющие штанги большей длины обвиты пружинами, упирающимися верхним концом пружин в подвижную балку, а нижним концом пружин в силовой блок, между штангой жесткости и подвижной балкой установлены пружины в стаканах, на силовых блоках, на подвижной балке и на штанге жесткости установлены ролики, через которые проходит металлический трос, металлический трос крепится одним концом к штанге жесткости, проходя через все ролики и наматываясь на челнок, который подвижен относительно шлиц, соотношение скорости солнечной шестерни к скорости толкателя составляет 2:1.
Причем, к предлагаемому механическому двигателю, по горизонтали, на его основании, дополнительно, последовательно установлен, по крайней мере, один механический двигатель, идентичный предлагаемому механическому двигателю, сквозь опоры дополнительного двигателя проходит центральный вал предыдущего механического двигателя.
Кроме того, к предлагаемому механическому двигателю, параллельно, на его основании, по горизонтали, по крайней мере, дополнительно установлен один конструктивно подобный к предлагаемому двигателю механический двигатель, при этом, после опор, на концах центральных валов обоих двигателей, на выходе к потребителю, установлены шестерни с диаметром, равным диаметру солнечных шестерен, по внешней линии окружности, имеющие  зубчатые венцы, при чем солнечные шестерни взаимодействуют меду собой при помощи зубчатых венцов.
Другим вариантом является то, что к предлагаемому механическому двигателю дополнительно установлены, по крайней мере, три механических двигателя, конструктивно подобные к предлагаемому механическому двигателю, при этом, опоры по вертикали продлены по высоте, в опорах установлены центральные валы каждого из двигателей, установленных по вертикали, солнечные шестерни всех четырех двигателей по внешней линии окружности имеют зубчатые венцы, входящие в зацепление с зубчатыми венцами солнечных шестерен механических двигателей, расположенных по горизонтальной плоскости, в опорах, между центральными валами верхнего и нижнего механического двигателя установлены промежуточные валы, на которых расположены промежуточные шестерни, входящие в зацепление с зубчатыми венцами солнечной шестерни нижнего механического двигателя и зубчатыми венцами солнечной шестерни верхнего механического двигателя, а также дополнительные шестерни, взаимодействующие с маховиками верхнего и нижнего двигателей.
Конструкция предложенного механического двигателя представлена на следующих фигурах:
фиг. 1 - общий вид механического двигателя (в разрезе);
фиг. 2 - центральный вал;
фиг. 3 - солнечная шестерня;
фиг. 4 - главный вал;
фиг. 5 - общий вид модуля в сборе;
фиг. 6 - общий вид модуля в сборе (с тросами);
фиг. 7 - толкатель, вид сбоку (расположение натяжения троса через ролики);
фиг.8 - модуль в сборе, вид сбоку (расположение толкателей по полуокружности);
фиг. 9 - общий вид механического двигателя на основании в сборе с одним из блоков преобразователя модуля в зацеплении с ведомой шестерней;
фиг. 10 - схема расположения механических двигателей по горизонтали (друг за другом);
фиг. 11 - схема расположения механических двигателей в горизонтальной плоскости (параллельно друг другу).
фиг. 12 - солнечная шестерня с зубчатым венцом по внешней длине окружности;
фиг. 13 - схема расположения механических двигателей в вертикальной и горизонтальной плоскости.
Механический двигатель содержит корпус 1, внутри которого на основании 2 установлены опоры 3 в сборе с подшипниками качения, на которых установлен центральный вал 4 с центральной разгонной шестерней 5. По краям центрального вала 4, в сборе с фланцами 6 установлены солнечные шестерни 7, имеющие снаружи ступень малого диаметра 8 с зубчатыми венцами 9.
Солнечная шестерня 7 имеет внутренний круглый выступ 10 с внешним зубчатым венцом 11, расположенный вокруг центрального вала 4, и внутренней беговой дорожкой 12. По верхнему краю внутренней части солнечной шестеренки 7 расположен зубчатый венец 13.
На основании 2 механического двигателя в нижней его части опор 3 посредством подшипников установлен главный вал 14, по краям которого расположены регулировочные шестерни 15 и ближе к центру ведущие шестерни 16.
Регулировочные шестерни 15 установлены с возможностью зацепления с наружным зубчатым венцом 9 солнечной шестерни 7.
Между солнечными шестернями 7 установлен модуль преобразователя потенциальной энергии. Модуль состоит из шести одинаковых блоков отдельной независимой сборки.
Каждый из блоков (фиг.6) содержит два толкателя 17 в виде секторов, образованных от угла в 30 градусов и имеющих по внешней дуге зубчатые венцы 18.
Толкатели 17 соединены жестко между собой штангой жесткости 19.
В нижней части внешней стороны каждого из толкателей 17 прикреплена усиливающая планка 20 с опорной полуосью 21, на конце которой находится ролик 22.
В центральной части каждого из толкателей 17 жестко установлена промежуточная полуось 23, на конце которой установлена спаренная шестеренка 24 различных диаметров.
В верхней части толкателей 17, посредством подшипников, установлен силовой вал 25, по краям которого установлены спаренные шестеренки 26 разных диаметров.
На силовом валу 25 между спаренными шестеренками 26 и толкателями 17 установлены механизмы сбрасывания избыточной кинетической энергии 27 (предохранитель).
По центру силового вала 25 посредством обгонной муфты установлена приводная шестеренка 27, способствующая вращению силового вала 25 в разных направлениях.
Вдоль поверхности силового вала 25 между толкателями 17 и приводной шестеренкой 27 выполнены шлицы 28.
С внутренней стороны каждого из толкателей 17, в нижней его части, установлен в подшипниках качения опорный вал 29, к которому жестко крепятся две длинные направляющие штанги 30. Направляющие штанги 30 вставлены в направляющие втулки 31, установленные на площадках силового блока 32.
Над опорным валом 29 жестко прикреплена к толкателю 17 опорная площадка 33. Между опорной площадкой 33 и штангой жесткости 19 установлены направляющие штанги меньшей длины 34, на которые надеты направляющие втулки 35, взаимодействующие с силовым блоком 36.
Направляющие штанги 30 обвиты пружинами, упирающимися верхним концом пружины в подвижную балку 37, а нижним концом в силовой блок 32.
Направляющие штанги 34 обвиты пружинами, упирающимися верхним концом в жесткую штангу 19, а нижним концом пружины в силовой блок 36.
На силовых блоках 32 и 36, на подвижной балке 37 и на штанге жесткости 19 установлены ролики 38, через которые проходит металлический трос 39.
Металлический трос 39 крепится одним концом к штанге жесткости 19, протягивается (проходит) через все ролики 38 и наматывается на челнок 40.
Между штангой жесткости 19 и подвижной балкой 37 установлены пружины в стаканах 41.
Общее количество мест, на которые установлены пружины, составляет 10 штук в каждом секторе модуля.
Предложенный механический двигатель работает следующим образом.
Спаренные шестеренки 26 под усилием солнечной шестерни 7 делают 3 оборота, при этом трос 39, поступающий на челнок 40 сжимает все 10 пружин сектора модуля. Пружины сжимаются до максимального состояния сжатия. Сжатые пружины за три оборота шестеренок 26 отдают кинетическую энергию на центральный вал 4.
Спаренные шестеренки 26 большим диаметром входят в зацепление с внутренним зубчатым венцом 13 солнечной шестерни 7.
Ступень шестеренки 26 малым диаметром входит в зацепление с большим диаметром спаренной шестеренки 24.
Малый диаметр шестеренки 24 входит в зацепление с внешним зубчатым венцом 11 внутреннего выступа 10 солнечной шестерни 7.
Ролик 22 вращается по внутренней беговой дорожке 12 солнечной шестерни 7.
Перед началом пуска механического двигателя шесть блоков модуля, установленные между солнечными шестернями 7 на четырех опорах (шестеренки 24 и 26), занимают половину окружности относительно вертикальной плоскости, образуя нижнюю мертвую точку 42 и верхнюю мертвую точку 43.
Зубчатые венцы 18 первых толкателей 17 модуля входят в зацепление с регулировочными шестернями 15 под воздействием силы общей массы модуля и создают крутящий момент на главный вал 14.
Ведущие шестерни 16 входят в зацепление с внешними зубчатыми венцами 9 и создают крутящий момент солнечным шестерням 7.
Солнечные шестерни 7 внутренними зубчатыми венцами 13 создают крутящий момент спаренным шестерням 26, которые передают крутящий момент спаренным шестерням 24.
При вращении солнечных шестерен 7 на 60 градусов, зубчатые венцы 18 толкателей 17 выходят из зацепления с ведущими шестернями 16, при этом соотношение скорости солнечной шестерни 7 к скорости толкателя 17 составляет 2:1.
Кинетическая энергия всех пружин (10 штук) в каждом блоке модуля заставляет вращаться спаренные шестеренки 26 по внутреннему зубчатому венцу 13 солнечной шестерни 7 с нижней мертвой точки 42 до верхней мертвой точки 43, расходуя кинетическую энергию пружин.
Скорость движения блока относительно скорости движения солнечной шестерни 7 составляет 3:1.
Таким образом, усилия вращения толкателей 17 является выходным для следующего толкателя.
С верхней мертвой точки 43 до нижней мертвой точки 42 солнечные шестеренки 7 с внутренним венцом 13 вращают шестерни 26, и за три оборота спаренные шестерни сжимают все 10 пружин.
За один оборот на 360 градусов солнечные шестерни 7 все шесть блоков модуля накапливают энергию, пройдя 180 градусов окружности и накопленную кинетическую энергию расходуют на вращение разгонной шестерни 5 центрального вала 4.
Полученная таким образом кинетическая энергия поступает на разгон маховика 44 и передается к внешнему потребителю через вариатор.
На конце главного вала 14 установлен ручной тормоз 45 для предотвращения самопроизвольного вращения главного вала 14, а также для его остановки.
В связи с тем, что потребителю в разных производствах требуются механические двигатели с разными мощностями и габаритами, заявителем были разработаны варианты повышения мощности и скорости двигателя для потребителя на основе предлагаемого механического двигателя 47 в зависимости от располагаемой площади их размещения при эксплуатации.
Первый вариант (фиг. 10) состоит в том, что механический двигатель 46, характеризующийся тем, что по горизонтали, на его основании 2, дополнительно, последовательно установлен, по крайней мере, один механический двигатель 46, идентичный предлагаемому механическому двигателю, сквозь опоры 3 дополнительного механического двигателя 46 проходит центральный вал 4 предыдущего механического двигателя.
В данном случае, крутящий момент с центрального вала 4 первого двигателя передается на центральный вал дополнительного механического двигателя, а работа дополнительного двигателя 46 осуществляется по принципу работы механического двигателя, описанной выше, по предлагаемому изобретению.
Второй вариант (фиг. 11) заключается в том, что к предлагаемому механическому двигателю 46, параллельно, на его основании 2, по горизонтали, по крайней мере, дополнительно установлен один конструктивно отличающийся от предлагаемого двигателя механический двигатель 47, при этом, после опор 3, на концах центральных валов 4 обоих двигателей, на выходе к потребителю, установлены шестерни 48 с диаметром, равным диаметру солнечных шестерен 7, по внешней линии окружности, имеющие зубчатые венцы 49, при чем солнечные шестерни взаимодействуют меду собой при помощи зубчатых венцов 49.
При такой расстановке двигателей кинетическая энергия обоих двигателей выходит на потребителя через центральный вал 4 предлагаемого двигателя.
Третий вариант предусматривает сборку, по крайней мере, четырех механических двигателей 47, конструктивно отличающихся от предлагаемого механического двигателя 46, при этом, опоры 3 по вертикали продлены по высоте, в опорах 3 установлены центральные валы 4 каждого из двигателей, установленных по вертикали, солнечные шестерни 4 всех четырех двигателей по внешней линии окружности имеют зубчатые венцы 49, входящие в зацепление с зубчатыми венцами солнечных шестерен механических двигателей, расположенных по горизонтальной плоскости, в опорах 3, между центральными валами 4 верхнего и нижнего механического двигателя установлены промежуточные валы 50, на которых расположены промежуточные шестерни 51, входящие в зацепление с зубчатыми венцами 49 солнечной шестерни 7 нижнего механического двигателя и зубчатыми венцами 49 солнечной шестерни 7 верхнего механического двигателя, а также дополнительные шестерни, взаимодействующие с маховиками верхнего и нижнего двигателей.
В этом случае, шестерни промежуточного вала 50, входящие в зацепление с зубчатыми венцами 49 солнечных шестерен 7 нижнего и верхнего механического двигателя осуществляют взаимное вращение солнечных шестерен 7 механических двигателей навстречу друг другу, от чего происходит вращение центральных валов 4 и осуществляется работа каждого механического двигателя.
Шестерни промежуточного вала 50 передают крутящий момент солнечным шестерням 7 вертикальных двигателей, что включает в работу дополнительный, установленный в вертикальной плоскости механический двигатель 47.
Для смягчения зацепления солнечных шестерен очередность работы каждого из механических двигателей в общей работе, создающих крутящий момент, происходит за счет поворота всех солнечных шестерен на 15 градусов, при этом, также осуществляется поддержание крутящего момента центральных валов с маховиками.
Работа механических двигателей, расположенных по вертикальной плоскости предназначена для преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию. Работа механических двигателей, расположенных в горизонтальной плоскости предназначена для передачи кинетической энергии внешнему потребителю.
Применение в предложенном механическом двигателе преобразователя кинетической энергии, выполненного в виде модуля, установленного между солнечными шестернями, выполненного из шести одинаковых блоков, в каждом из которых, расположены друг против друга два толкателя с зубчатыми венцами, входящими в зацепление с регулировочными шестернями под воздействием силы общей массы модуля создают крутящий момент солнечным шестерням, в связи с этим начинается вращение солнечных шестерен, создающих постоянный крутящий момент в замкнутом пространстве, что способствует эффективности работы двигателя.
В данном механическом двигателе без внешней подпитки новым является механическая работа в одном направлении движения потенциальной энергии общей массы модуля + потенциальной энергии сжатия пружин в замкнутом цикле, создающейся бесконечности движения.
За один оборот солнечной шестерни КПД механического двигателя будет складываться от общей массы модуля - 60 кг и от силы сжатия пружин, что составит, примерно, 120 кг - на каждом повороте солнечных шестерен.
А также, сила сжатия пружин создает крутящий момент главному валу. Главный вал возвращает силу общей массы и силу сжатия пружин на исходную позицию к солнечным шестерням, тем самым сохраняя и преумножая энергию.
За счет того, что солнечная шестерня начинает вращать шестеренки силового вала, на каждом градусе поворота солнечной шестерни сила сжатия пружин приумножается.
Установка дополнительных идентичных механических двигателей, соответствующих данной заявке, в горизонтальной или вертикальной плоскости, при совместном их применении позволяет повысить вырабатываемую энергию на выходе для потребителя. При эксплуатации предложенных вариантов размещения двигателей обеспечивает экономию располагаемых рабочих площадей потребителя.
Таким образом, совокупность существенных признаков, приведенных в формуле предлагаемого изобретения, позволяет достичь создания оптимального автономного, экологически чистого механического двигателя.
Предложенный механический двигатель по основным показателям эффективности превосходит известные механические двигатели и обеспечивает повышение вырабатываемой энергии постоянной мощности с высоким коэффициентом КПД, позволяющей использовать ее потребителю в любой сфере деятельности.