МЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
MECHANICAL POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к машиностроению, энергетике, а именно для усиления мощности источников механической энергии.
Известен механический усилитель мощности по патенту РФ №2407638.
У известного и заявленного изобретения имеются следующие совпадающие признаки, такие как основание, 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 с другой стороной - с механизмом преобразования движения с выходным валом.
Недостатком известного механического усилителя мощности является то, что он имеет низкий коэффициент усиления.
Указанный недостаток обусловлен тем, что один из коленных рычагов известного механизма кинематически соединен с основанием.
Задачей изобретения является создание такой конструкции механического усилителя, которая позволила бы иметь коэффициент усиления, превосходящий в несколько раз коэффициент усиления известного изобретения.
Для достижения поставленной цели заявленное изобретение "Механический усилитель мощности" содержит основание, 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 ползуна, кинематически сопряженный с ним с другой его стороны. Механический усилитель мощности, кроме этого, снабжен кинематически сопряженной с другим коленным рычагом платформой, размещенной на основании и выполненной с возможностью перемещения в нем параллельно или вдоль оси движения ползуна.
По отношению к известному механизму у заявленного изобретения имеются отличительные признаки, заключающиеся в том, что механический усилитель мощности снабжен кинематически сопряженной с другим коленным рычагом платформой, размещенной на основании и выполненной с возможностью перемещения в нем параллельно или вдоль оси движения ползуна.
Между отличительными признаками и задачей изобретения существует следующая причинно-следственная связь. В заявленном изобретении для того, чтобы повысить его коэффициент усиления, коленный рычаг механизма, кинематически соединенный с основанием в известном механизме, кинематически соединяют с платформой, которая размещена на основании с возможностью перемещения в нем вдоль направления движения ползуна. Это позволяет с одной стороны воспринимать на ползуне действие объекта усиления, а с другой воспринимать давление внешней силы, действующей на платформу, и передавать это действие с помощью коленно-рычажного механизма усилителя ползуну, совершающему движение с заданной скоростью. Произведение величины силы, выделенной на ползуне, на скорость его перемещения соответствует увеличенной в несколько раз мощности на выходном звене усилителя. Величина коэффициента усиления мощности определяется из отношения средней величины мощности, выделяемой на ползуне, к средней величине мощности, выделяемой объектом усиления. Действие объекта усиления при работе усилителя будет направлено на преодоление сил трения в точках кинематических связей его звеньев. Подбором параметров коленно-рычажного механизма, выбором вида трения в точках кинематических связей, а также конструкцией ползуна и его направляющих, 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 - действие сил на звенья усилителя;
на фиг.3 - рисунок к расчету коэффициента усиления усилителя.
Механический усилитель мощности состоит (см. фиг.1) из основания 1, платформы 2, коленчатого вала 3, шатуна 4, коленных рычагов 5 и 6, ползуна 7 и механизма преобразования движения 8 с выходным валом 9. Показан на чертеже и объект усиления 10.
в
c
n
в
n
Для описания работы механического усилителя мощности рассмотрим силы, действующие на звенья усилителя. Обратимся к фиг.2. Внешняя сила F оказывает постоянное давление на платформу 2, при этом при работе усилителя на ползуне 7 при нагрузке F будет выделяться сила F, составляющая часть внешней силы F. При этом сила F будет равна
n
в1
2
F=F·cosα,
в1
в
где F - часть внешней силы F;
α - угол наклона коленных рычагов при равенстве их длин.
пр
пр
Одновременно к шарниру, соединяющему рычаги 5 и 6, будет приложена сила объекта усиления (привода) F. Так как по условию задачи работа привода предназначена для противодействия силам трения в точках кинематических связей звеньев усилителя, то сила F с учетом того, что коленные рычаги по длине равны, будет
пр
тp ш
тp n
F=F+2·tgα·F,
тp ш
где F - суммарная сила трения в шарнирах коленно-рычажного механизма усилителя;
тр n
F- сила трения в направляющих ползуна 7.
пp
Раскрывая значения сил трения в последнем уравнении, имеем величину силы F в следующем виде
пp
ш
в1
в1
n
n
n
F=3·f·F·cosα+2·F·f·tgα·sinα·(1+2·k/l),
ш
где f - коэффициент трения в шарнирах рычагов 5 и 6;
n
f - коэффициент трения в направляющих ползуна 7;
n
k - вылет ползуна 7;
n
l - расстояние между опорами направляющих ползуна 7.
y
px
n
пp
Для расчета коэффициента усиления k механического усилителя мощности обратимся к фиг.3. Расстояние h соответствует рабочему ходу t ползуна 7, к которому приложена сила F. Расстояние s соответствует пути, пройденному за один рабочий ход ползуна точки приложения силы F. В соответствии с принятыми обозначениями величина коэффициента усиления в общем виде будет равна
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>p</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>p</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
y
Выражая последнюю формулу через параметры механизмов усилителя, 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><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mi>ш</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mi>n</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>l</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
max
где α - максимальный угол отклонения рычагов.
y
y
Анализ формулы для определения коэффициента усиления k показывает, что величина его изменяется в зависимости от выбора вида трения в шарнирах и направляющих ползуна 7, а также конструкции ползуна 7 и его направляющих, и лежит в диапазоне k=3,6-42.
При сравнении значений коэффициента усиления известного и предлагаемого механического усилителя мощности видим что, коэффициент усиления предлагаемого механического усилителя мощности может быть более чем в 15 раз превосходить 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 параллельно или вдоль оси движения ползуна 7, через рычаги 5 и 6 распространяется на ползун 7. При этом движение платформы 2 в сторону ползуна 7 ограничено основанием 1, Объект усиления 10, одновременно являясь приводом механического усилителя мощности, поворачивает коленчатый вал 3, который через шатун 4 и коленные рычаги 5 и 6 сообщает ползуну 7 возвратно-поступательные движения, имеющие рабочие и холостые ходы. Рабочий ход ползуна 7 связан с распрямлением коленных рычагов 5 и 6, при котором ползун 7 приобретает силу и скорость движения. Кинематически сопряженный с ползуном 7 механизм преобразования движения 8 преобразует возвратно-поступательное движение ползуна 7 во вращательное движение выходного вала 9, 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.
Заявленное изобретение экологически безопасно для природы и человека.