Устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное с функцией выработки электроэнергии

Настоящая полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, служащим для преобразования механической энергии возвратно-поступательного движения, источником которой является мускульная сила, во вращательное движение, и далее в электрическую энергию. Такое устройство, будучи адаптировано к спортивному тренажеру, может использоваться в виде дополнительного источника энергии для электроснабжения маломощных приборов (гаджетов), зарядки аккумуляторных батарей и освещения тренажерных залов в темное время суток. При условии наличия стабилизирующего усилие механизма можно исключить регулирующую электронную аппаратуру, что может значительно повысить надежность и срок эксплуатации устройства.
Известен ряд технических решений, целью которых является преобразование поступательного движения во вращательное, например, патенты RU2020333 от 30.09.1994 и RU 2115851 от 20.07.1998. Также известны технические решения по преобразованию мышечной силы человека во вращательное движение, например, патенты RU 2635201 от 18.11.2014, RU 2492902 от 30.09.2011, а также US 4612447 от 07.09.1983. Однако отсутствуют технические решения, позволяющие поддерживать постоянное усилие (а, значит, и постоянный уровень вырабатываемой энергии и, соответственно, постоянную величину выходного напряжения генератора).
Одним из близких к заявляемому техническому решению с точки зрения преобразования энергии является изобретение RU 2115851 от 20.07.1998, представляющее собой «кулачковый пространственный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное или вращательного в возвратно-поступательное, имеющий возможность возвратно-поступательного движения относительно неподвижного корпуса, например, цилиндрический кулачок, на боковой поверхности которого выполнены криволинейные пазы заданной конфигурации, в которые перпендикулярно оси кулачка помещены, например, конические ролики, соответствующие форме пазов и принадлежащие расположенной соосно с кулачком муфте, имеющей возможность вращательного движения относительно корпуса при перемещении роликов по пазам кулачка, отличающийся тем, что пазы на боковой поверхности кулачка выполнены разновеликими по глубине и/или ширине и смещены относительно друг друга на величину 2π/n, где n - число пазов. Основными недостатками данного решения являются отсутствие поддержания постоянного момента усилия, а также чрезвычайно низкий КПД передачи усилия ниже 0,7.
Также близким к заявляемому техническому решению с точки зрения использования мускульной силы человека для выработки электроэнергии является изобретение US 4612447 от 16.09.1986, представляющее собой устройство для выработки электрической энергии, которое преобразует энергию движения, обеспечиваемую мышечной силой в тренажере для физической подготовки или тренажере для физических упражнений, в электрическую энергию с помощью генератора. Энергия движения подается через переменную преобразовательную передачу. Генератор соединен с электрической аккумуляторной батареей для хранения поставляемой электрической энергии. Недостатками данного тренажера являются отсутствие возможности преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное для облегчения отбора мощности, а также неравномерный крутящий момент.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, с точки зрения использования мускульной силы человека для выработки электроэнергии является изобретение RU 2635201 от 18.11.2014, представляющее собой электроэнергетическую машину с мышечным приводом, содержащая раму, на которой подвижно установлено пассажирское сиденье, закрепленное на остове с опорными колесами, которые имеют возможность свободного вращения и возвратно-поступательного движения в параллельно спаренных полозьях рамы, отличающаяся тем, что опорные колеса жестко закреплены на осях, введенных с возможностью их свободного вращения в отверстия остова сиденья или в закрепленные на остове опоры с подшипниками, а эти оси кинематически связаны с валами роторов генераторов электрического тока, статоры которых закреплены на остове пассажирского сиденья, а вращение и возвратно-поступательные движения опорных колес сиденья реализованы путем отталкивания ногами и/или руками и подтягивания руками пассажира при возвратном ходе, для чего на раме выполнены упоры. Недостатками данного тренажера являются наличие гибкого кабеля для передачи энергии с подвижного объекта на неподвижный, а также неравномерный крутящий момент. Кроме того, результирующий, причем достаточно низкий КПД, по прогнозу, до 0,6-0,7, включает как КПД генератора, так и КПД колесной передачи.
Техническая задача заявляемого решения заключается в создании преобразователя энергии возвратно-поступательного движения переменной тяги в стабилизированное вращательное движение привода вала электрического генератора с выработкой электродвижущей силы и зарядного тока для питания маломощных электрических приборов (гаджетов) и/или накопления и использования. Конструкция преобразователя позволяет оснащать такими устройствами любые тяговые тренажеры.
Технический результат достигается тем, что устройство преобразования механической энергии возвратно-поступательного движения в стабилизированное вращательное движение и выработки электроэнергии включает в себя закрепленный одним концом на неподвижной опоре неподвижный вал, на котором соосно с возможностью вращения установлены друг за другом храповик с тросом и второй храповик, а с другой стороны вала установлен шкив большего диаметра, выполненный с возможностью вращения, храповики соединены с пружиной, при этом параллельно неподвижному валу установлен внутренний вал, снаружи которого расположен внешний полый вал, на внутреннем валу установлена стальная спиральная пружина, на одном конце внутреннего вала установлен подвижный шкив малого диаметра, который через ремень соединен со шкивом большего диаметра, а на другом конце внутреннего вала установлена шестерня с возможностью вращения, которая соединена с шестерней малого диаметра, установленной на параллельно расположенном валу генератора, который посредством электрического проводника соединен с блоком выпрямления и аккумулирования.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано, как при силовом воздействии человека 18 на механизм тренажера, оснащенного электромеханическим преобразователем, усилие через трос 1 передается через ролик 19 на вход механического преобразователя 20.
На фиг. 2 и 3 показано, что входящий трос 1 передает усилие на храповики 2 и 3, расположенные на закрепленном в опоре 17 неподвижном  валу 16 с пружиной 15 и соединенные со шкивами 4 и 6, в комбинации играющими роль вариатора, способного изменять диаметр окружности контактной поверхности, тем самым изменяя передаточное отношение между вариатором и внешним полым валом 7 взвода спиральной пружины 8, соединенной с внутренним валом 9, таким образом позволяя регулировать усилие, прилагаемое человеком к тренажеру и сохранять его постоянным по величине, что является одним из главных преимуществ устройства. Во время передачи вращения от шкива 4 шкиву 6 с помощью ремня 5, за счет жесткой связи шкива 6 с внешним полым валом 7, последнему также передается вращательное движение, за счет чего пружина 8 скручивается, тем самым плавно приводя в движения внутренний вал 9, который через шестерню 10 передает вращение на шестерню 11, соединенную с валом синхронного генератора на постоянных магнитах 12. За счет вращения вала синхронного генератора на постоянных магнитах 12генерируется ЭДС (электродвижущая сила) и по электрическим проводникам 13 напряжение переменного тока подается на блок выпрямления и аккумулирования 14, преобразующий входное напряжение переменного тока в выходное напряжение постоянного тока с передачей данного напряжения далее для питания потребителей (гаджетов) и на аккумуляторную батарею, где энергия хранится для дальнейшего использования (питания гаджетов или освещения тренажерного зала). После того, как пружина 8 взведена, её потенциальная энергия высвобождается за счет передачи вращения генератору 12, подключенному клеммами к преобразователю переменного тока в постоянный, с дальнейшей подачей этого напряжения на блок выпрямления и аккумулирования 14.
За счет большого передаточного отношения между шестернями 10 и 11, обеспечивается медленное закручивание пружины 8, тем самым, во-первых, сглаживая резкие флуктуации угловой скорости вала генератора 12, а, во-вторых, позволяя при занятии на тренажере запасти механическую энергию в пружине 8 и преобразовывать ее в электрическую энергию, как во время тренировки, так и после окончания занятия на тренажере.
Таким образом, с помощью данной полезной модели, которая проста и надёжна в эксплуатации, обеспечивается преобразование возвратно-поступательного движения на основе мускульной силы человека во вращательное, со стабилизацией частоты вращения вала генератора и автоматической стабилизацией напряжения, с накоплением дополнительной электроэнергии для зарядки гаджетов и/или аккумуляторной батареи и дальнейшим электроснабжением маломощных приборов (гаджетов), зарядки аккумуляторных батарей и освещения тренажерных залов.