ТРЕХЦИЛИНДРОВОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ
THREE-CYLINDER DEVICE FOR TRANSFORMING ROTATION MOVEMENT INTO RECIPROCATING ONE AND VICE VERSA

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;
7
3
5) на чертежах: фиг. 1 и фиг. 3 противоречие: условие d/d=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.
''
'''
'
''
'''
'
''
'''
'
''
'''
'
''
'
'
'
2''
3''
3'
2
1
3
д
д
д
1'
2'
3'
1
2
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, O, O, валы, жестко связанные с водилами H, H, H, оси которых описывают окружности радиусами основных окружностей «r», при этом R=2r, сателлиты 4, 4, 4 и жестко присоединенные к ним диски 4, 4, 4. На продолжении водил H, Н, Н, установлены корректирующие грузы 10, 10, 10. При этом следует выдержать условие 1<1. 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:
5
6
5'
6'
где m=m и m=m
Таким образом в правой части устройства (фиг.1) по линии АА будет двигаться поступательная масса
8
7
а в левой части массы шатуна m и поршня m их следует подобрать так:
пл.
8
7
пр
m=m+m, которые должны быть равными с m, т.е.
Тогда они (поступательные массы) будут взаимно уравновешиваться.
Вращательные массы следует уравновесить (отбалансировать), выдержав следующие равенства:
4'''
'''
где m - масса сателлита 4,
4'''д
''
m - масса диска 4,
2
Н - длина водилы, равная «r»,
10'
'
m - масса корректирующего груза 10,
2''
2'
Н - длина продолжения водилы Н;
Из (4) получим:
Фигура 2:
4''
''
где m - масса сателлита 4,
4''д
д
''
m - масса диска 4,
1
H - длина водилы, равная «r»,
10''
''
m - масса корректирующего груза 10,
1'
1
Н - длина продолжения водилы Н;
Из (5) получим:
Фигура 3:
4'
где m - масса сателлита 4',
4'д
д
m -масса диска 4',
3
Н - длина водилы, равная «r»,
10'
'
m - корректирующая масса 10
3'
3
Н -длина продолжения водилы Н
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,
'
'
д'
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,
5 - шатун,
'
5 - шатун,
6 - поршень,
'
6 - поршень,
7 - поршень,
8 - шатун,
2
9 - приводной вал с осью О,
'
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.
'
3'
3
1
1'
H1
H1'
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=ω и соответственно с ними водил и их продолжений H и Н с ω=ω, в одну и ту же сторону.
2
2''
2'
2''
H2''
2
H2''
H1
H1'
Колесо 2 тоже относительно колес 2 и 2'' является «паразитным». Оно приводит их во вращение с угловыми скоростями ω=ω и соответственно с ними водило Н и его продолжение Н, поэтому ω=-ω, а также ω=-ω=-ω.
пр
пл
2''
2
Таким образом, создается возможность движения суммарных поступательных масс правой части m и левой части m в противофазе друг с другом по прямой линии (O-O)
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.