УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В СТАЦИОНАРНЫХ И НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ НА ОСНОВЕ ЭКСЦЕНТРИЧЕСКОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ
DEVICE FOR MOVEMENT PERMANENT AND VARIABLE CONDITIONS BASED ON ECCENTRIC MECHANICAL CONVERTER OF ROTATIONAL MOTION IN PROGRESSIVE MOTION

Изобретение относится к устройствам преобразования вращательного движения в поступательное и на этой основе к устройствам, движителям, перемещения как в стационарных условиях по твердой поверхности, так и в нестационарных, в подводной, надводной и воздушных средах и безвоздушном пространстве.
Способ преобразования вращательного движения в поступательное широко применяется в различных механизмах, например, общеизвестно, что в токарном станке суппорт перемещается поступательно от винтового вращения вала /1/, в кривошипно-кулисном механизме также вращающийся от двигателя при помощи привода кривошип передает кулисе возвратно-поступательное движение. Известные способы преобразования вращательного движения в поступательное имеют общий недостаток, так как применяется в основном в стационарных условиях, в нестационарных условиях их применение ограничено /2/.
Существуют также устройства /3/, в которых ротор вращает присоединенные к нему грузы по кривой, отличающейся от окружности, например по эллиптической, и эксцентриситет оси вращения вызывает неравенство центробежных сил, действующих на ось вращения, и если устройство находится в свободном состоянии относительно плоскости вращения ротора с грузами, то результирующая разностная сила вызывает поступательное перемещения устройства в сторону большого радиуса от центра вращения, патент Франции №2.059.822.
Известное устройство, фиг.1, является одним из устройств по преобразованию вращательного движения в поступательное. Работа устройства, исходя из описания, осуществляется следующим образом. Имеется круглый ротор 7, приводимый во вращательное движение через вал 6 электродвигателем. По окружности ротора 7 расположены на тягах 2 грузы I, которые в радиальном направлении в направляющих 13 имеют свободный ход и при вращении ротора за ось (вал) 6 грузы I за счет центроежных сил расходятся (выдвигаются) из ротора 7. Ротор 7 помещен в цилиндрическое диамагнитное эксцентрическое кольцо 3. Для избежания трения грузов I о внутренние стенки цилиндра 3 подвеска ротора с грузами в цилиндре 3 осуществлена при помощи системы электромагнитов, часть которых 9 находится на корпусе, часть 10 - на роторе, и при взаимодействии электромагнитных полей ротора и корпуса, которые направлены встречно. Подвеска ротора осуществлена так, что не позволяет грузам I касаться стенок цилиндра, то есть корпуса. При раскручивании ротора вокруг оси (за ось) 6 возникающие центробежные силы выдвигают грузы I из направляющих 13. За счет эксцентриситета цилиндрического кольца ось вращения (мнимая) 6 не совпадает с осью 6 вращения ротора 7. Вращение грузов I происходит по траектории, отличающейся от окружности. В данном устройстве эта траектория эллипса или близкая к нему по форме. По этой причине тяги 2, на которых закреплены грузы I, на диаметрально противоположных концах большой оси эллипса имеют разную длину, при вращении постоянно выдвигаются и вдвигаются в сторону эксцентриситета, возникают разные центробежные силы инерции на диаметрально противоположных участках ротора. Их разностная сила, направленная от оси вращения 6 к центру цилиндрического кольца 5, при вращении действует постоянно и перемещает все устройство вместе с двигателем в заданном направлении в плоскости вращения, поскольку цилиндр 3 и его центр 5 могут поворачиваться вокруг оси 6. Известное устройство электромеханическое и поэтому имеет взаимодействие механических деталей (элементов) друг с другом, например выдвижение грузов I на направляющих 13, и обратное в движение при помощи электромагнитов 10, что требует источник постоянного тока, вращение ротора 7 за ось 6 производится электродвигателем, для него также требуется источник электроэнергии. Рабочая схема получается громоздкой, кроме того, КПД такого устройства не может быть большим из-зa потерь на трение при выдвижении и вдвижении грузов I, и в конечном итоге такой преобразователь в качестве движителя для нестационарных условий практически неприменим.
В качестве прототипа предлагаемого устройства изобретения выбрано устройство по патенту DE 19909766 A1. Устройство, фиг.2, 3 представляет механизм, обладающий признаками как планетарной, так и дифференциальной передачи. Передаточный механизм устанавливается на плате I, которая входит в общий привод 12, на плате I также устанавливается электродвигатель 10, который через привод II приводит в действие устройство. Эксцентрический приводной механизм состоит из 3 зубчатых шестерен, соединенных между собой определенным образом.
<mrow><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mi>d</mi><mtext></mtext><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac><mi>ϕ</mi></mrow>
<mrow><mi>Y</mi><mo>=</mo><mi>d</mi><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>ϕ</mi></mrow>
<mrow><mi>X</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>d</mi><mtext></mtext><mi>cos</mi><msup><mrow><mn>30</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>+</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac><mi>cos</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>Y</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>d</mi><mi>sin</mi><msup><mrow><mn>30</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>+</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><msup><mrow><mn>60</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mo>,</mo></mrow>
С электродвигателя 10 посредством привода II вращательная энергия передается на главное зубчатое колесо 4, которое укреплено через подшипник 3 на оси 2. Ось 2 укреплена на плате I, на некотором расстоянии от центра оси 4, примерно на
радиуса укреплена ось 5, на которую выше через подшипник 6 укреплено зубчатое колесо 7. Выше колеса 4 на ось 2 укреплено неподвижно зубчатое колесо 8. Диаметры колес 7 и 8 идентичны, идентично также количество зубьев колес. На колесе 7, ближе к его ободу, примерно на длину радиуса от центра крепится груз 9. Колесо 7 через подшипник 6 укреплено (установлено) на оси 5. Устройство перемещения 12 работает, согласно описанию, следующим образом. Колесо 7 может свободно вращаться вокруг колеса 8, делая полных 2 оборота за 1 оборот вокруг колеса 8, что при начальной установке колеса 7 с грузом 9, как на фиг.2 и 3 показано, стрелка V указывает направление движения привода 12. При включении электродвигателя 10 он через привод II начинает вращать главную шестерню 4, которая посредством оси 5 начинает вращать колесо 7 с грузом 9. Колесо 7 начинает обегать стационарное колесо 8, что вызывает вращение колеса 7 с грузом 9 вокруг своей оси и вокруг колеса 8, тоесть вокруг оси колеса 8, движение груза 9 при этом является переносным и происходит по кривой В, обозначенной пунктиром на фиг.3. Из графической модели движения груза 9, фиг.4, видно, что за один оборот колеса 7 вокруг колеса 8 груз 9 из точки А последовательно перемещается в положение АI…АII через 30° и обратно в А, поскольку груз 9 одновременно вращается вокруг центра К и центра 0, радиус вращения груза вокруг 0 постоянно меняется от максимального OA до минимального OA6, и, следовательно, скорость вращения груза 9 при постоянной скорости электродвигателя II пропорциональна радиусу, применительно к фиг.4 скорость груза 9 в точке А6 равна нулю, и если принять вращение радиуса OA против часовой стрелки, то, начиная со скорости в точке А6, она постепенно возрастает, достигает максимума в точке А, затем уменьшается до нуля, точка А6. Соединив плавной линией (экстрополируя) точки A,AI...AII,AI2, получим кривую, по которой движется груз 9. Координаты точек можно определить математическически, в зависимости от угла поворота φ оси вращения OA относительно оси X, так
,
, и применительно фиг.4 показан пример определения координат точки AI(X2, Y2),
d - диаметр колес(а) 7,8. Движение груза 9 происходит по кривой, которая в математике известна как кардиоида из семейства кривых ”улитка Паскаля” /5/. В результате движения по этой кривой происходит быстрое чередование (переключение) скоростей от быстрой, в прямом направлении движения, до медленной, в обратном направлении. Для достижения стабильности привода передачи 12 предложено на общий привод I0 э/двигателя II установить идентичные приводы 12', фиг.5, главные колеса которых вращаются в разные стороны. На фиг.5 показана установка 3 идентичных приводов 12' со сдвигом 120° относительно окружности привода 10. Однако это не может исключить основной недостаток такого устройства - резкое переключение направления и скорости движения груза 9 в зубчатых передачах ограничивает применение больших скоростей, во-вторых, движение приводов 12, 12' возможно только в плоскости вращения шестерен привода, изменение направления требует перестановку груза в стационарных условиях, также конструктивная схема с применением проводов, аккумуляторов ограничивает дальность и делает устройство громоздким.
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>y</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mi>I</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≤</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>7</mn><mn>3</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>l</mi><mi>R</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>l</mi></mrow>
<mrow><mfrac><mi>x</mi><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>cos</mi><mi>ϕ</mi></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>O</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>M</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>F</mi><mi>O</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>G</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>O</mi><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≥</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>O</mi><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>3</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>O</mi><mi>A</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>≤</mo><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mi>a</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>1</mn></mfrac></mrow>
2
2
2
2
2
2
2
2
g
н
в
g
Целью изобретения является создание на основе способа преобразования вращательного движения в поступательное простого и надежного устройства, c учетом устранения перечисленных недостатков, пригодного для перемещения (передвижения) в нестационарных условиях: подводных, надводных, воздушных средах и безвоздушном пространстве с преодалением сил гравитации. Предлагаемое изобретение механическое, преобразование вращательного движения в поступательное и вращение грузов происходит по кривой, навиваемой "улиткой Паскаля", в честь французского ученого Этьена Паскаля (1588-1651), и которая является одним из видов обобщенной конхоиды Никодима (251-150 гг. до н.е.) /5/. Кривая "улитка Паскаля" представляет уравнение
, где x и y - координаты осей в плоскости чертежа, фиг.2, a - диаметр окружности К, и отрезки РМ1=РМ2=l, l и a=const. На чертеже фиг.2 по формуле (I) построены 4 кривых при разных соотношениях
. Так, при
соответствуют кривые I и 2, при
- кривые 3 и 4. При анализе кривой 4
, фиг.2, в формуле (I) примем y=0, получем ±Х=±(l)+a, x=l+a, -x=-l+α. Применительно к линиям АО и ОС, фиг.3, имеем AO+OC=(Х)+(-Х)=l+a+l-a-2l, что соответствует длине линии АОС. При Х=0, y=l, -y=-l длина линии FG=2l и AOC=FOG. Любая прямая, проходящая через полюс, точка 0, фиг.3, от противоположных концов "улитки Паскаля" по формуле (I) при
, всегда равна 2l соответственно, прямая NPOM равна 2l. В формуле (I) примем x+y=R, где R - радиус кривзны кривой 4 относительно полюса 0, тогда формулу (I) можно записать в виде (R-ax)=lRили R-ax=lR и
, отсюда
, но
, где φ - угол между прямой ОМ и осью X, тогда R-аcoφ=l, a-cosφ=OP, фиг.2, PM=l и NO-OP=l и NOPM=NOP+PM=2l. В зависимости от угла поворота меняется только соотношение между отрезками, например,
и когда Х=0 займет место FG, то есть
и FO=OG=l. Из этого следует, что если вращать линию АOС=2l вокруг полюса О, отношения длин отрезков линий АО и ОС в процессе вращения постоянно меняется и через
оборота отрезок АО укорачивается на a и становится на место ОС, а отрезок ОС через
оборота удлиняется на a и за один оборот линии АС это происходит дважды. На этом выводе основывается изобретение устройства преобразователя вращательного движения в поступательное. Соотношение
выбирается из следующего: эффективное преобразование достигается максимальным отношением радиусов: большего АО к меньшему ОС или наоборот, минимальным отношением меньшего радиуса ОС к большому АО. При
согласно (I)
, при
отношение
, кривая 4, фиг.2, построена при l:a=7:3 и
. При
кривая приобретает форму 3, на оси X образуется точка перегиба С3 и образовавшаяся "седловина" не придает кривой овальную форму, что не позволяет получить эффективный преобразователь. При l:a=1 кривая 2 также непригодна для преобразования. На фиг.3 по формуле (I) построена кривая при l:a=2:1 в масштабе 1:1 в сантиметрах: 2l=10 см, l=5 см, a=2,5 см. Устройство, преобразователь вращательного движения в поступательное, содержит механизм, в котором применена конструкционная модель, основанная на теоретической кривой 4 "улитки Паскаля" фиг.2, и состоит из 2 основных частей, фиг.6, колеса 1 и штанги 2. Колесо 1 имеет эксцентрическую форму, определенную выше, штанга 2 через щель устанавливается на оси, вращательное движение ее вызывает одновременно и поступательное вдоль щели. Колесо 1, фиг.7а, имеет удерживающий и направляющий паз (жолоб) 2 для вращающихся по нему роликов 3 штанги 1. K роликам 3 крепятся грузы 4, но роль грузов 4 могуг выполнять ролики 3. Обод (колесо) 1, фиг.5, имеет плотную (глухую) посадку на ось 5, которая одним концом, правым по фиг.5, крепится к корпусу устройства, а другим входит в опорный стакан 5 силового вала (оси) 6, таким образом, что не прпятствует свободному вращению вала 6. Ось 5 проходит через колесо 1 в расчетном полюсе 0. Штанга 1 представляет жесткую симметричную конструкцию, в обе стороны от центра штанги имеется продольная сквозная щель длиной l, длина штанги должна обеспечивать установку роликов 3 в направляющий паз 2. Преобразователь работает следующим образом: к оси 5 подводится вращающий момент от любого типа (вида) двигателя, внутреннего сгорания, электро, парового и других. Двигатель вращает вал 6 на конце вала имеется специальная вилка, фиг.6, которая охватывает штангу (и), фиг.7, с грузами и вращает их по ободу колеса. За один оборот штанги грузы дважды проходят верхнюю и нижнюю часть обода колеса, и поскольку грузы одновременно находятся на противоположных концах штанги, на большом и на малом радиусах, то результирующая центробежная сила равна разности радиусов и в оптимальном случае, как было доказано, при
вектор силы, действующий по большому радиусу, в 3 раза больше, чем по малому радиусу. Преобразователь с двигателем устанавливаются на общий корпус, образуя движитель, и с органами управления представляет устройство перемещения. В преобразователе могут применяться расположенные под углом 90° по отношению друг к другу 2 штанги, фиг.8б, соответственно устройство вращающей штанги, вилки, фиг.8а, усложняется. Последующее увеличение числа штанг обусловлено техническими возможностями, число штанг более одной создает нагрузку на двигатель, более равномерную при преобразовании. Блок-схема устройства перемещения представлена на фиг.10, где 1 - двигатель, 2 - преобразователь, 3 - управление. Аналогом устройства перемещения (передвижения) по твердой поверхности принят общеизвестный бытовой велосипед с рамой, на которой укреплены колеса, педали с приводной цепью на колесо (а), руль управления. Предлагаемое устройство, фиг.11, содержит часть элементов велосипеда: рама, (корпус) 1, колеса 2, педали 3, цепную передачу 10 на ось 4. В отличие от велосипеда ось 4 приводит во вращение штанги 5 преобразователя. Укрепленные на штанге 5 грузы 6 вращаются в направляющих пазах по ободу кривой «улитки Паскаля» 7. В качестве двигателя служит мускульная сила человека, который размещается на опорном сиденье со спинкой (показано на фиг.11 пунктиром). Управление устройством заключается в повороте в вертикальной плоскости "колеса Паскаля" (по аналогии кривой "улитки Паскаля") рулями поворота 8, относительно рамы 1. Поворачивая колесо в вертикальной плоскости, изменяется направление действия большого и малого радиусов и, соответственно, результирующий вектор сил, фиг.8, 9. Управление устройством позволяет ему двигаться по твердой поверхности Земли, подниматься вертикально вверх, преодолевая силы гравитации, двигаться в воздушной среде и безвоздушном пространстве. Управление устройством позволяет также выбрать промежуточный вид движения, например часть веса устройства двигается по твердой поверхности, часть веса берет вертикальная составляющая, поскольку в суммарном векторе сил, фиг.8, есть горизонтальная и вертикальная составляющие. На фиг.8 в плоскости чертежа показаны в вертикальной плоскости силы, действующие на устройство, при некотором наклоне колеса от вертикали. Силы, обозначенные на фиг.8 (9): F - суммрный вектор от вращения грузов; F - сила притяженя; F - горизонтальная составляющая вектора F; F - вертикальная составляющая вектора F и вектора F. Устройство, фиг.11, укрепленное на лодке, позволяет осуществлять движение по воде. Управление в горизонтальной плоскости, по мнению авторов, не представляет серьезных проблем.
Список чертежей, на которые даны ссылки в описании.
Фиг.1. Общий вид эксцентрического устройства по патенту Франции 2059822.
Фиг.2а, 2б. Общий вид прототипа эксцентрического устройства перемещения по патенту DE 19909766 А1.
Фиг.3. Графическое построение кривой динамики движения груза прототипа.
Фиг.4. Схема установки 3 идентичных приводов 12' прототипа.
Фиг.5а, 5б. К математическому обоснованию оптимального выбора эксцентрической кривой движения грузов.
Фиг.6. Модель конструкции преобразователя на основе теоретических данных.
Фиг.7.а, б. К описанию конструкции преобразователя.
Фиг.8а, б. К описанию устройств элементов преобразователя.
Фиг.9.а, б. Векторы сил, действующие на устройство при наклоне преобразователя в вертикальной плоскости.
Фиг.10. Блок-схема устройства перемещения.
Фиг.11. Конструкция индивидуального устройства перемещения в стационарных и нестационарных условиях.
Источники информации
1. Д.А. Локтев. Металлорежущие станки. «Машиностроение", Москва, 1967.
2. И.М. Воронков. Курс теоретической механики. Гостехиздат, Москва, 1957.
3. Патент Франции 2.059.822., титульный лист прилагается.
4. Патент Германии DE 19909766 А1, титульный лист прилагается.
5. М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1963.