СИЛОВОЙ ПРИВОД ВРАЩЕНИЯ
ROTATION POWER DRIVE

Изобретение относится к устройству силовых приводов вращательного движения, в частности к инерционным системам накопления и преобразования энергии, и может быть использовано для привода различных машин, транспортных средств и др.
Известны устройства в виде передач вращения с аккумулированием и повторной отдачей энергии, в которых для этого используется вращение неуравновешенных масс (например, пат. № DE 2612035 A1, опубл. 22.03.1976; пат. № FR 1588205, опубл. 10.04.1970; пат. № US 3960036, 01.06.1976; пат. № US 4498357, опубл. 12.02.1985).
Недостатком известных технических решений является то, что в них двигатель, предназначенный для вращения неуравновешенных масс (дебалансов), установлен за пределами рабочего звена, к которому присоединяется нагрузка, на неподвижном основании. По этой причине момент механического сопротивления нагрузки, приложенной к рабочему звену, полностью воздействует на вал двигателя привода дебалансов.
Известен способ работы силового привода вращения с использованием механизма прерывистого движения, содержащего рабочее звено, согласно которому с помощью источника механических колебаний создают знакопеременный момент вращения и прикладывают его к рабочему звену, выполненному с возможностью вращения, в котором в качестве источника колебаний применяют центробежный вибратор в виде не менее одного элемента с неуравновешенной массой, который свободно вращают двигателем аксиально рабочему звену с заданной частотой, при этом двигатель и элемент с неуравновешенной массой устанавливают на рабочем звене, а в механизме прерывистого движения используют, по меньшей мере, одну обгонную муфту. Известна электростанция, использующая указанный выше способ, содержащая электрогенератор, силовой привод для его вращения и устройство управления, в которой силовой привод содержит основание, на котором установлен по крайней мере первый узел, выполненный с возможностью одностороннего вращения и содержащий ведущее звено для передачи рабочего момента, задающий привод, включающий двигатель с механизмом передачи вращения не менее одному элементу с неуравновешенной массой на оси, расположенной на первом узле аксиально вращению ведущего звена, при этом кинематическая цепь между ведущим звеном и конечным ведомым звеном содержит второй узел, выполненный с возможностью передачи рабочего момента в одном направлении (пат. № RU 2377458, опубл. 12.02.2008).
Данный способ и устройство с его использованием являются наиболее близкими аналогами как по назначению, так и по технической сущности.
Существенным недостатком известного устройства с использованием известного способа является то, что в нем невозможно передавать рабочему звену от источника колебаний (от центробежного вибратора) рабочий момент с накоплением (суммированием) угловой скорости вращения. Причина этого заключается в том, что после каждого импульса момента силы (действующего в течение одного периода вращения дебаланса), переданного в ведомую нагрузку, угловая скорость вращения рабочего звена снижается до нуля.
Задачей заявляемого изобретения является возможность увеличения скорости вращения рабочего звена (ротора) силового привода вращения.
Поставленная задача решается устройством силового привода вращения, включающем фундамент-основание, двигатель, ротор с возможностью вращения на главной оси, установленной на основании, генератор крутильных колебаний и преобразователь крутильных колебаний, смонтированные на роторе, содержащем как минимум один генератор крутильных колебаний, включающий как минимум одну платформу с возможностью вращения относительно ротора, содержащую как минимум одну ведомую шестерню, выполненную с неуравновешенной массой с возможностью вращения на оси, установленной на платформе, вспомогательный механизм, предназначенный для вращения платформы, включающий ведущую шестерню, конструктивно соединенную с двигателем и находящуюся в зацеплении с ведомой шестерней, при этом ось вращения ведущей шестерни геометрически совпадает с осью вращения платформы, причем ось вращения платформы расположена параллельно оси вращения ротора, а расположенный на роторе преобразователь крутильных колебаний предназначен для соединения ротора с платформой и преобразования крутильных колебаний платформы в ее одностороннее вращение относительно оси ротора.
При этом в качестве преобразователя крутильных колебаний используется муфта свободного хода (обгонная муфта).
При этом все преобразователи крутильных колебаний выполнены с одинаковым направлением свободного хода.
При этом двигатель может быть установлен на платформе.
При этом двигатель может быть установлен на роторе.
При этом ротор содержит дополнительные элементы, предназначенные для передачи вращения от ротора в нагрузку.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: фиг. 1 - фронтальный разрез общего вида устройства с двигателем на платформе; фиг. 2 - вид на фиг. 1 по стрелке A; фиг. 3 - вид сверху на силовой привод, содержащий четыре платформы; фиг. 4 - вид сбоку на силовой привод, выполненный с расположением двигателя на роторе и ременным механизмом передачи вращения.
Введены следующие цифровые обозначения: 1 - ротор; 2 - главная ось ротора 1; 3 и 4 - подшипники; 5 - ось вращения платформы 8; 6 - преобразователь крутильных колебаний (муфта свободного хода или обгонная муфта); 7 - электродвигатель; 8 - платформа; 9 и 10 - шестерни с неуравновешенной массой (дебалансы); 11 и 12 - оси вращения шестерней 10 и 9; 13 - ведущая шестерня вспомогательного механизма; 14 - соединительная муфта; 15 и 16 - токосъемники; 17 - звездочка; 18 - элемент крепления; 19 - фундамент-основание; 20 - траектория вращения оси 5; 21 и 22 - ременные передачи вращения.
Кроме того, введены буквенные обозначения: Ω - направление вращения ротора 1; ω - мгновенное направление вращения платформы 8 вокруг оси 5, когда муфта свободного хода 6 выключена; M - направление действия момента силы, приложенного со стороны платформы 8 к ротору 1, когда муфта свободного хода 6 включена; R - радиус вращения оси 5 вокруг оси 2.
Силовой привод вращения содержит ротор 1, который установлен на главной оси 2 и может свободно вращаться на ней в подшипниках 3 и 4. Ось 2 закреплена неподвижно на основании 19. На роторе 1 выполнен генератор крутильных колебаний, включающий платформу 8, ведомые шестерни с неуравновешенными массами 9 и 10 с возможностью вращения на осях 12 и 11. Ведомые шестерни 9 и 10 через вспомогательный механизм, содержащий ведущую шестерню 13, соединительную муфту 14 и ось 5, получают вращение от двигателя 7, расположенного на платформе 8 соосно с осью 5 (фиг. 1).
Двигатель 7 может быть установлен на роторе 1 соосно с главной осью 2. В этом случае вспомогательный механизм, предназначенный для передачи вращения от двигателя 7 к шестерням 9 и 10, включает ведущие шестерни 13, оси 5, на которых выполнены шкивы с ремнями 21 и 22, соединяющие их с двигателем 7 (фиг. 4).
Ведомые шестерни 9 и 10 могут свободно вращаться вокруг осей 12 и 11, выполненных на платформе 8 не коаксиально с осью 5. Шестерни 9 и 10 находятся в зацеплении с ведущей шестерней 13, которая, в свою очередь, конструктивно соединена через муфту 14 с валом электродвигателя 7. Ось вращения шестерни 13 совпадает с геометрической осью 5 вращения платформы 8. При этом платформа 8 соединена с внутренним кольцом муфты свободного хода 6, внешнее кольцо которой соединено с ротором 1. Каждая шестерня 9 и 10 содержит неуравновешенную массу, при этом их центры масс расположены симметрично относительно оси 5.
На роторе 1 закреплена звездочка 17, предназначенная для передачи вращения к нагрузке. Кроме того, для подвода электропитания от источника к электродвигателю 7, силовой привод снабжен токосъемниками 15 и 16.
Ц
Силовой привод вращения работает следующим образом. От внешнего источника (на чертеже не показан) подают электропитание через токосъемники 16 и 15 на электродвигатель 7. Его вал начинает вращаться и через муфту 14 вращает ведущую шестерню 13, от которой вращаются ведомые шестерни 9 и 10. Под действием центробежных сил F, возникающих при вращении неуравновешенных масс этих шестерней, появляется знакопеременный момент силы M, приложенный к платформе 8 относительно оси 5. Муфта свободного хода 6 установлена таким образом, что при повороте платформы 8 по направлению стрелки ω момент силы не передается к ротору 1 (в этом направлении муфта 6 выключается). При повороте платформы 8 по направлению стрелки M муфта 6 включается и передает момент силы от платформы 8 к ротору 1. Момент M, действующий относительно оси 5 через ротор 1 (как рычагом), приложен тангенциальной силой к оси 2. По третьему закону Ньютона, такая же по величине сила тангенциально приложена к оси 5 в противоположном направлении. Так как ось 2 неподвижно закреплена с фундаментом-основанием 19, то перемещаться будет ось 5. По этой причине ротор 1 приобретает угловую скорость Ω.
Величина момента M относительно оси 5 изменяется по закону косинуса, т.е. является периодической функцией
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>Ц</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ц
где F - амплитудное значение центробежной силы, R - расстояние между осью 2 и осью 5, ω - круговая частота вращения шестерней 9 и 10, t - время.
Период момента M равен периоду T вращения шестерней 9 и 10
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>/</mo><mi>ω</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
при этом в течение полупериода (T/2) платформа 8 совершает рабочий ход, сообщая ротору 1 момент M, а в течение следующего полупериода (T/2) совершает нерабочий ход, а именно свободно поворачивается вокруг оси 5 по направлению стрелки ω.
Ввиду того, что ось вращения 5 выполнена на роторе 1 не соосно с осью 2, после рабочего хода платформа 8 приобретает угловую скорость относительно оси 2, одинаковую с угловой скоростью Ω ротора 1 (что было бы невозможно при расположении основания 8 соосно с осью 2). По этой причине в течение следующего рабочего хода ротор 1 снова увеличит угловую скорость Ω. Таким образом, во время работы силового привода вращения на ротор 1 со стороны платформы 8 действует непрерывная последовательность рабочих ходов. В результате если нагрузка не присоединена к звездочке 17, то угловая скорость Ω вращения ротора 1 будет непрерывно увеличиваться. Увеличение скорости прекратится после присоединения к звездочке 17 нагрузки, мощность которой равна полезной мощности привода.
Для увеличения действующего момента M и мощности привода на роторе 1 может быть установлено две или больше платформ 8 с генераторами крутильных колебаний, как показано на фиг. 3.
На фиг. 1 и фиг. 2 электродвигатель 7 показан установленным на платформе 8, однако он может быть расположен и непосредственно на роторе 1 в любом месте, в том числе и соосно с осью 2, как изображено на фиг. 4. В последнем случае на электродвигатель 7 не действует радиальная центробежная сила при вращении ротора 1, в отличие от остальных вариантов расположения.