ПОВОРОТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

По функциональности использования косвенными аналогами предлагаемого изобретения являются используемые в гидравлических приводах поворотные гидродвигатели (моментные гидроцилиндры или гидроцилиндры поворотного действия) для возвратно-поступательных движений (угловых перемещений) приводимых узлов на угол, меньший 360° [Башта Т.М. «Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем», М., «Машиностроение», 1974 г., с. 528, § 138].
Известно, что применение жидкостей и масел в качестве рабочей среды требует высокую степень герметичности рабочих камер. Что достигается высокой степенью чистоты обработки рабочих поверхностей, деталей этих машин и механизмов и применением разного рода уплотнений и уплотнительных устройств, что существенно повышает стоимость их изготовления, обслуживания и ремонта. Необходимость фильтрации и охлаждения рабочей жидкости также сказывается на удорожании изготовления, эксплуатации, обслуживания и ремонта. Чувствительность к перепадам температуры окружающей среды отрицательно сказывается на работе гидравлических механизмов.
Перед автором стояла задача создать привод для поворотной платформы автомобильного грузового крана, использующий шарики, обладающие механической энергией, в качестве рабочих тел. Привод должен обеспечивать поворот платформы на угол 330° в обе стороны, быть достаточно компактным, достаточно мощным, иметь большой крутящий момент и иметь высокий КПД.
Из уровня техники известен механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение шариков в круговое возвратно-колебательное движение роторного колеса (US 3593588 A (ALEXANDER В HULSE), 20.07.1971, F16H 27/02).
В корпусе известного механизма организован канал круглого сечения, имеющий два прямых и дугообразный участка конфигурации Ω, плотно заполненный шариками. Прямые участки расположены по краям дугообразного и в их торцах установлены поршни своими штоками, выходящими наружу. Причем в исходном положении один шток максимально выдвинут наружу, а дугой максимально погружен в канал. В центре дугообразного участка установлено роторное колесо, жестко установленное на вал и имеющее сферический лепесток, расположенный в канале между шариков и занимающий крайнее положение находясь по другую сторону осевой от поршня с максимально погруженным штоком. Воздействие на поршень с максимально выдвинутым штоком передается по цепочке шариков на сферический лепесток роторного колеса, которое, проворачиваясь, создает крутящий момент на валу. Поворот в противоположную сторону происходит от воздействия на противоположный поршень. Недостатком известного механизма является низкий КПД, а наличие прямых участков канала для шариков увеличивает габариты, усложняет конструкцию и обеспечивает относительно небольшой угол поворота.
Из уровня техники известен «ПРИВОД ПОВОРОТА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ВЫЕМОЧНОГО КОМБАЙНА» (SU 848625 А, 23.07.1981, F15B 15/06, столбец 2, 3, фиг. 1, 2, всего в документе 2 страницы). Взято за прототип.
В известном механизме привод исполнительного органа включает гидроцилиндр двойного действия, шток гидроцилиндра взаимодействует с телами качения (шариками), размещенными в направляющей, представляющей собой канал с прямолинейными и криволинейными участками. Шарики взаимодействуют с упором, жестко связанным с кольцом, которое, в свою очередь, жестко крепится на поворотно установленном корпусе исполнительного органа (шнека). Направляющая имеет плавное изменение траектории движения шариков под углом 90° в месте сопряжения с кольцом.
При подаче давления в нижнюю подпоршневую полость гидроцилиндра шток идет вверх, при этом шарики, перемещаемые штоком, взаимодействуют с упором, и исполнительный орган поворачивается. Исполнительный орган возвращается в исходное положение при реверсе поршня гидроцилиндра.
Недостатком известного механизма является низкий КПД. А встроенный в канал для шариков гидроцилиндр увеличивает габариты, усложняет конструкцию и обеспечивает относительно небольшой угол поворота.
В предлагаемом поворотном двигателе, предназначенном для преобразования поступательного движения шариков, обладающих механической энергией, в круговое возвратно-поступательное движение рычага, жестко закрепленного на рабочем валу и создающего на нем крутящий момент, при этом корпус имеет вид незамкнутой кольцевой трубы с пазом во внутренней стенке для прохода рычага, на конце которого установлен поршень, размещенный во внутренней полости трубы, на обоих концах трубы жестко установлены одинаковые крышки, по краю которых расположены отверстия, способствующие беспрепятственному выходу шариков из корпуса, согласно изобретению на внутреннем торце крышки расположены равномерно распределенные по окружности, в необходимом количестве, конусные углубления с диаметром основания конуса, равным или большим двум максимальным диаметрам применяемых шариков, с углом раскрытия конуса, равным 30°÷90°, а с наружного торца крышки на той же окружности, что и конусные углубления, со смещением от вершин конусов по длине окружности, равным половине максимального диаметра применяемых шариков, навстречу углублениям сделаны сквозные каналы, диаметром соответствующие максимальному диаметру применяемых шариков, наружные концы которых имеют организованные места крепления патрубков для присоединения трубопроводных магистралей подвода и отвода шариков.
На Фиг 1 показан вид сверху.
На Фиг. 2 - поперечный разрез.
На Фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.
На Фиг. 4 - разрез В-В на фиг.3.
ш
ш
ш
Поворотный двигатель состоит из цилиндра 1, имеющего вид незамкнутой кольцевой трубы преимущественно круглого сечения, но может иметь и другие (квадратное, прямоугольное, овальное и др.) сечения, с пазом во внутренней стенке. Цилиндр установлен на основании 5 имеющего вид диска при помощи кронштейнов 7, служащих одновременно ребрами жесткости цилиндра. Кронштейны равномерно распределены по длине окружности цилиндра. В центре основания 5 установлен корпус  подшипникового узла 6. Рычаг 2 на одном конце имеет ступицу, при помощи которой рычаг жестко устанавливается на рабочий вал 3. На другом конце рычаг имеет поршень, преимущественно круглого сечения, с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру цилиндра 1, но может иметь и другие (квадратное, прямоугольное, овальное и др.) повторяющие контур внутренней полости корпуса цилиндра 1 и расположенный во внутренней полости цилиндра 1. Передняя поверхность поршня, внутренняя стенка цилиндра 1 и крышка 8 образуют рабочую камеру цилиндра 1, другая рабочая камера образована тыльной стороной поршня, внутренней стенкой цилиндра 1 и противоположной крышкой 8. Наружу рычаг выходит через паз, расположенный на внутренней стенке цилиндра. Обод 4 препятствует выходу шариков через паз цилиндра 1. Диск 9 является ребром жесткости ободу 4 и связывает в единое целое рычаг 2 и обод 4. На торцах цилиндра 1 закреплены крышки 8 с каналами для входа-выхода шариков. В центре крышки находится прямое сквозное отверстие, имеющее фаску для свободного прохождения шариков. По краю крышки расположены отверстия, способствующие беспрепятственному выходу шариков из цилиндра (Фиг. 3, Фиг. 4). На внутреннем торце крышки 8, равномерно распределенные по окружности, располагается необходимое количество конусных углублений с диаметром основания конуса D, равным или большим двум максимальным диаметрам применяемых шариков (2d) с углом раскрытия конуса, преимущественно, α=30°÷90°. С наружного торца крышки на той же окружности, что и конусные углубления, со смещением по длине окружности ε≈0,5 d навстречу углублениям сделаны сквозные каналы диаметром d. Наружные концы отверстий имеют организованные места крепления патрубков для присоединения трубопроводных магистралей подвода и отвода шариков. Все детали поворотного двигателя изготавливаются из прочных и износостойких материалов (различные стали, сплавы, металлы, композитные материалы и др.).
Осуществление изобретения
Внешний подаватель (не показано) своим рабочим органом придает шарикам механическую энергию и подает шарики, по трубопроводным магистралям, через каналы одной из двух торцевых крышек 8, в одну из рабочих камер цилиндра 1. Шарики воздействуют на поршень рычага 2, находящийся внутри кольцевой трубы, имеющей паз на внутренней стенке. В паз входит рычаг 2, на конце которого поршень жестко закреплен. Другим концом рычаг 2 жестко установлен на рабочем валу 3, который в свою очередь установлен в подшипниковом узле 6 основания 5, жестко установленного на раме автомобиля. На выступающем верхнем конце вала 3 жестко установлена поворотная платформа (не показано). Шарики, воздействуя на поршень, сдвигают его, что приводит к повороту рычага 2, рабочего вала 3 и платформы жестко на нем установленной. Одновременно отработавшие шарики, находящиеся в камере на противоположной стороне поршня, выталкиваются им через каналы торцевой крышки 8, закрывающей противоположный конец трубы. Поворот платформы в противоположную сторону осуществляется подачей шариков, обладающих механической энергией, с противоположного торца трубы, включив привод подавателя в реверсивный режим.
Поскольку на поршень рычага 2 воздействует одновременно сразу несколько шариков, обладающих механической энергией, то усилие, действующее на поршень, равно сумме усилий отдельных шариков, следовательно, двигатель имеет большую мощность и высокий КПД. Большое плечо рычага 2 значительно увеличивает крутящий момент на валу 3.