Соосный многопоточный рычажный усилитель
COAXIAL MULTI-LINE LEVER AMPLIFIER

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к рычажным усилителям, повышающим рабочее усилие таких генераторов сил, как электромагниты, пневмоцилиндры, широко применяемые в различных областях техники, и рычажным увеличителям хода пьезогенераторов сил.
Известны однорычажные усилители для электромагнитов, управляющих гидрораспределителями (см. книгу "Учебный курс гидравлики", составитель А.Шмитт. Издательство "Маннесманн Рексрат ГмбХ". 1984 г. стр. 94), и рычажные усилители пневмоцилиндров для различных зажимных приспособлений (см. книгу Толстова М.А. "Пневматические и пневмогидравлические приспособления" / М, Машгиз. 1961 г. стр. 12) Они позволяют значительно, в 2-8 раз, увеличить усилие, подводимое к их входному звену, от генераторов сил. Коэффициент усиления определяется соотношением длин плеч рычагов между точкой опоры и точками приложения сил на входе и выходе усилителя.
Недостатками однорычажных усилителей являются: невозможность компактного соосного размещения генераторов сил и стыкуемых с ними через усилитель приводных механизмов, а также большие габариты и сложная форма кожухов для таких усилителей.
Более компактны многопоточные соосные усилители, в которых передача сил от входного звена к выходному происходит через несколько параллельно работающих рычагов, расположенных радиально вокруг входного звена.
Типичным представителем таких усилителей является многорычажный усилитель в приводе фрикционной муфты автомобильного сцепления, представленный в патенте РФ 2091622, принятом за прототип.
Данный известный усилитель содержит корпус, на котором шарнирно закреплены за среднюю часть радиально расположенные рычаги, входное звено-толкатель, расположенное на центральной оси, взаимодействует с близлежащими концами рычагов, а удаленные концы рычагов передают усилие на выходное звено-толкатель нажимного диска сцепления. Таким образом, данное известное устройство в части, совпадающей с заявляемым решением, представляет собой соосный многопоточный рычажный усилитель, содержащий корпус, в котором размещены с возможностью поступательного перемещения в прямом и обратном направлениях входной и выходной толкатели, а также группу шарнирно установленных с возможностью совместного перемещения рычагов, расположенных в одинаковом угловом положении вокруг входного толкателя, каждый из рычагов шарнирно установлен своей средней частью и кинематически связан с входным и выходным толкателями с образованием рабочих плеч, длина которых выбрана исходя из заданного коэффициента усиления для формирования усилия на выходном толкателе, причем концы рычагов, обращенные к центральной оси усилителя, установлены с возможностью взаимодействия с входным толкателем, а также поворота совместно со своими шарнирно установленными периферийными концами.
Недостатки прототипа:
- недостаточная точность, быстрый износ, существенные механические потери на трение, обусловленные большим углом поворота рычагов от среднего положения, составляющим не менее 30°,
- высокие массогабаритные показатели и пониженный КПД, усилие на опоре рычага на корпус суммируется из усилий на его концах, что ведет к значительным потерям на трение в опоре, увеличивает массу рычага и деталей его крепления к корпусу и нагрузку на корпус. Крепление рычагов за их среднюю часть, кроме того, существенно осложняет сборку усилителя и встраивание усилителя в корпуса генераторов силы, а также препятствует возможности изменения коэффициента усиления.
Технической задачей изобретения является создание более эффективной конструкции соосного рычажного усилителя и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат состоит в повышении точности за счет уменьшения продольного перемещения и угла поворота рычага, составляющего не более ± 8° от среднего положения, с одновременным обеспечением расположения центров всех шарниров каждого рычага в одной плоскости, перпендикулярной оси корпуса усилителя (вдоль одного радиуса), при их среднем по ходу положении, и применения оригинальных малогабаритных шарниров, сокращении тем самым массогабаритных показателей и издержек производства, повышении КПД, обеспечении легкой встраиваемости в корпуса генераторов силы и возможности изменения коэффициента усиления заменой лишь одной детали, а также выполнении дополнительной функции возвратной пружины усилителя. Одновременно при всех случаях реализации усилителя имеет место многопоточная система передачи механической энергии в усилителе, при которой нагрузки на рычаги и их шарниры, по сравнению с однорычажными (однопоточными) усилителями, снижаются пропорционально количеству рычагов.
Сущность изобретения состоит в том, что соосный многопоточный рычажный усилитель содержит корпус, в котором размещены с возможностью поступательного перемещения в прямом и обратном направлениях входной и выходной толкатели, а также группу шарнирно установленных с возможностью совместного перемещения рычагов, расположенных в одинаковом угловом положении вокруг входного толкателя, каждый из рычагов шарнирно установлен своей средней частью и кинематически связан с входным и выходным толкателями с образованием рабочих плеч, длина которых выбрана исходя из заданного коэффициента усиления для формирования усилия на выходном толкателе, причем концы рычагов, обращенные к центральной оси усилителя, установлены с возможностью взаимодействия с входным толкателем, а также поворота совместно со своими шарнирно установленными периферийными концами, согласно изобретению входной и выходной толкатели установлены соосно вдоль центральной оси усилителя, конец каждого рычага, обращенный к центральной оси усилителя, соединен с входным толкателем упорно-поворотным шарниром, выполненным с возможностью двустороннего поворота рычага, каждый из рычагов шарнирно установлен своей средней частью с помощью шарнира, образованного этой частью и сквозным отверстием, выполненным с возможностью одновременного совершения поворота и поступательного перемещения рычага, а периферийный конец каждого рычага шарнирно установлен с помощью шарнира, выполненного с возможностью одновременного совершения поворота и ограниченного поступательного перемещения рычага.
Как правило, рычаги выполнены в виде стержней круглого сечения.
Как правило, сквозные отверстия, в которых образованы шарниры, выполнены с плоскими боковыми сторонами и с наклонными кромками в направлениях поворота рычагов.
Упорно-поворотный шарнир в соединении рычага с входным толкателем выполнен, как правило, в виде сужающейся головки рычага, установленной в углублении входного толкателя.
В частных случаях реализации рычаги шарнирно установлены периферийными концами в корпусе, а средней частью шарнирно установлены на выходном толкателе.
При этом выходной толкатель снабжен, предпочтительно, по меньшей мере, частично охватывающей входной толкатель частью, в которой выполнены сквозные отверстия, в которых образованы шарниры для установки рычагов их средней частью, на рычагах у зоны контакта с выходным толкателем выполнены опорные бурты.
В других частных случаях реализации шарнирно установленные с возможностью совместного перемещения рычаги выполнены в виде кольцевой тарельчатой пружины со сквозными отверстиями в виде радиальных прорезей.
При этом на торце выходного толкателя выполнены выступы, входящие в периферийные края прорезей тарельчатой пружины с образованием шарнирного соединения.
В иных частных случаях реализации рычаги шарнирно установлены периферийными концами на выходном толкателе, а в средней частью шарнирно установлены в корпусе.
При этом корпус снабжен по меньшей мере частично охватывающим входной толкатель выступом, выполненным со сквозными отверстиями, в которых образованы шарниры для установки рычагов их средней частью, выходной толкатель снабжен охватывающей частью, по меньшей мере, частично охватывающей выступ корпуса и выполненной со сквозными отверстиями, в которых с возможностью одновременного совершения поворота и ограниченного поступательного перемещения шарнирно установлены периферийными концами рычаги, а охватывающая часть выходного толкателя снабжена ограничителями радиального перемещения периферийных концов рычагов.
В частных случаях реализации выходной толкатель может быть выполнен подпружиненным относительно корпуса в направлении возврата в исходное положение.
При этом выходной толкатель выполнен подпружиненным, например, цилиндрической пружиной, установленной вокруг выходного толкателя на втулке Г-образного сечения, выполненной заодно с ограничителями радиального перемещения периферийных концов рычагов.
Корпус усилителя может быть скреплен с корпусом пневмоцилиндра или электромагнита, а входной толкатель скреплен с выходным звеном пневмоцилиндра или электромагнита.
Например, усилитель может быть выполнен встроенным в распределитель с электрогидравлическим управлением, при этом входной толкатель непосредственно скреплен с выходным звеном толкающего электромагнита, а выходной толкатель связан с нормально закрытым запорным элементом распределителя.
На фиг. 1 (1а и 1б) изображена конструкция толкающего соосного многопоточного рычажного усилителя при крайнем левом и правом положении толкателей соответственно, в случае реализации, когда рычаги шарнирно установлены периферийными концами в корпусе, а в средней частью шарнирно установлены на выходном толкателе.
На фиг. 2 - поперечный разрез усилителя по фиг. 1 в среднем положении толкателей.
На фиг. 3 - конструкция толкающего усилителя с рычагами в виде тарельчатой пружины и корпусом, совмещенным с корпусом пневмоцилиндра.
На фиг. 4 - конструктивные схемы рычагов первого и второго рода.
На фиг. 5 (5а и 5б) изображена конструкция тянущего соосного многопоточного рычажного усилителя, когда рычаги шарнирно установлены периферийными концами на выходном толкателе, а средней частью шарнирно установлены в корпусе при крайнем левом и правом положении входного толкателя соответственно.
На фиг. 6 изображена форма отверстия, в котором шарнирно установлена средняя часть рычага.
На фиг. 7 изображена зона углового перемещения рычага.
На фиг. 8 - тарельчатая пружина по фиг. 3.
На фиг 9 - усилитель по фиг. 5 с подпружиненным выходным толкателем.
На фиг. 10 - усилитель по фиг. 5, выполненный встроенным в распределитель с электромеханическим управлением.
Соосный многопоточный рычажный усилитель во всех случаях реализации содержит корпус 1 с крышкой 2, соединенные резьбой 6, которые рассматриваются как единый корпус. В корпусе 1 размещены с возможностью поступательного перемещения в прямом и обратном направлениях входной толкатель 4 и выходной толкатель 5, а также группа шарнирно установленных с возможностью совместного перемещения рычагов 3, расположенных в одинаковом угловом положении вокруг входного толкателя 4. Каждый из рычагов 3 шарнирно установлен своей средней (промежуточной между концами) частью и кинематически связан с входным и выходным толкателями 4, 5 с образованием рабочих плеч а, b, длина которых выбрана исходя из заданного коэффициента усиления К для формирования усилия на выходном толкателе (фиг. 4). Концы рычагов 3, обращенные к центральной оси усилителя, установлены с возможностью взаимодействия с входным толкателем 4, а также поворота совместно со своими шарнирно установленными периферийными концами. Входной и выходной толкатели 4, 5 установлены соосно вдоль центральной оси усилителя, т.е. расположены по одной оси, конец каждого рычага 3, обращенный к центральной оси усилителя, соединен с входным толкателем 4 упорно-поворотным шарниром, выполненным с возможностью двустороннего (от среднего положения) поворота рычага 3. Каждый из рычагов 3 шарнирно установлен своей средней частью с помощью шарнира, образованного этой частью и сквозным отверстием 8, выполненным с возможностью одновременного совершения поворота и поступательного перемещения рычага. Периферийный конец каждого рычага 3 по фиг. 1, 2 шарнирно установлен с помощью шарнира, выполненного с возможностью одновременного совершения поворота и ограниченного поступательного перемещения рычага 3.
Как правило, рычаги 3 выполнены в виде стержней круглого сечения (например, со сферическими или иными сужающимися концами).
Как правило, сквозные отверстия, в которых образованы шарниры, выполнены с плоскими боковыми сторонами 16 и с наклонными кромками 17 в направлениях поворота рычагов 3 (фиг. 6).
Упорно-поворотный шарнир в соединении рычага 3 с входным толкателем 4 выполнен, как правило, в виде сужающейся (например, сферической) головки рычага, установленной в ответном, например, полусферическом углублении входного толкателя 4.
В частных случаях реализации по фиг. 1, 2 рычаги 3 шарнирно установлены с зазором по периферийным концам в углублениях 7 в корпусе 1 (в зоне 6 сопряжения с крышкой 2), а средней частью шарнирно установлены на выходном толкателе 5 с образованием толкающего усилителя. При этом выходной толкатель 5 снабжен предпочтительно по меньшей мере, частично охватывающей входной толкатель частью, в которой выполнены сквозные отверстия 8, в которых образованы шарниры для установки рычагов 3 их средней частью, на рычагах 3 у зоны контакта с выходным толкателем выполнены опорные бурты 9.
В других частных случаях реализации (фиг. 3 и фиг. 8) шарнирно установленные с возможностью совместного перемещения рычаги выполнены заодно в виде кольцевой тарельчатой пружины 10 (которая представляет собой, по существу, группу соединенных в единое целое рычагов и выполняет функцию, идентичную функции рычагов 3). Пружина 10 выполнена со сквозными отверстиями в виде радиальных прорезей 11. При этом на торце выходного толкателя 5 выполнены выступы 12, входящие в периферийные края прорезей 11 тарельчатой пружины 10 с образованием шарнирного соединения.
В иных частных случаях реализации (фиг. 5) рычаги 3 шарнирно установлены периферийными концами на выходном толкателе 5, а в средней частью шарнирно установлены в корпусе 1 с образованием тянущего усилителя. При этом корпус 1, а именно его крышка 2, снабжен по меньшей мере частично охватывающим входной толкатель выступом, выполненным со сквозными отверстиями 8, в которых образованы шарниры для установки рычагов 3 их средней частью. Выходной толкатель 5 снабжен охватывающей частью, по меньшей мере, частично охватывающей выступ корпуса 1 и выполненной со сквозными отверстиями 14, в которых с возможностью одновременного совершения поворота и ограниченного поступательного перемещения шарнирно установлены периферийными концами рычаги 3, а охватывающая часть выходного толкателя 5 снабжена ограничителями 15 радиального перемещения периферийных концов рычагов 3.
Во всех случаях реализации усилителя его корпус 1 может быть скреплен с корпусом пневмоцилиндра или электромагнита, а входной толкатель 4 скреплен с выходным звеном пневмоцилиндра или электромагнита.
Во всех случаях реализации изобретения соединение входного толкателя 4 с выходным толкателем 5 через ряд параллельно работающих рычагов 3 определяет многопоточную систему передачи механической энергии в усилителе, при которой нагрузки на рычаги и их шарниры, по сравнению с однорычажными (однопоточными) усилителями, снижаются пропорционально количеству рычагов.
Имеет место реализация в толкающем усилителе по фиг. 1-3 конструктивной схемы рычагов второго рода (правая схема по фиг. 4), у которых опорный шарнир находится на конце рычага,
В случае реализации исполнения тянущего усилителя по фиг. 5 имеет место конструктивная схема рычагов первого рода (левая схема по фиг. 4), у которых опорный шарнир находится в средней части рычага.
2
(см. Политехнический словарь, третье издание "Советская энциклопедия", 1989 г. стр. 464). Длина плеч рычагов 3 выбрана исходя из заданного коэффициента усиления для формирования усилия Т на выходном толкателе 5.
Описанное шарнирное крепление рычагов 3 второго рода уменьшает нагрузку в контакте рычагов 3 с корпусом 1, соответственно снижается и изгибающий момент, действующий на рычаг 3. Расчеты показывают, что при коэффициенте усиления, равном 2, нагрузка на конец рычага 3 и корпус 1 снижается в 3 раза, изгибающий момент на рычаге 3 уменьшается в 2 раза, а длина рычага 3 - в 1,5 раза. Сокращение нагрузок и длины рычагов 3 ведет к существенному уменьшению массогабаритных показателей усилителя и издержек при его производстве, а также снижает потери при трении в шарнирах и повышает КПД усилителя.
Кроме того, малые нагрузки на шарниры рычагов позволяют применять простейшие и наиболее компактные разновидности шарниров с точным или линейным контактом типа "Сфера-плоскость" (как в рычагах муфты сцепления по патенту RU 419652) или кольцевая кромка - плоскость (как в обычных тарельчатых пружинах).
Использование простейшей формы гнезд на входном толкателе 4 для шарниров крепления центральных (направленных к оси) и гнезд 7 для шарниров периферийных концов рычагов 3 (по фиг. 1) обеспечивает простоту конструкции этих гнезд и легкость сборки усилителя.
Использование отверстий 8, 11, 14, для образования остальных шарниров также направлено на обеспечение простоты конструкции шарнирных соединений и легкость сборки усилителя.
Пониженные нагрузки на рычаги 3 позволяют выполнить их в виде стержней круглого сечения со сферическими (или иной формы) сужающимися концами, работающими как головки шарниров. Такая простейшая форма рычагов 3 снижает их себестоимость.
Благодаря выполнению шарниров крепления средней части рычагов 3 в виде стенок отверстий обеспечивается простота и компактность конструкции и возможность изменения коэффициента усиления путем замены всего одной детали - выходного толкателя 5 (по фиг. 1) или корпуса 1 (по фиг. 5) на аналогичную деталь, но с другим диаметром цилиндрической части толкателя 5 или корпуса 1, определяющим соотношение размеров плеч рычагов 3.
В случае снабжения периферийных концов рычагов 3 у зоны контакта с выходным толкателем 5 опорными буртами, согласно фиг. 2, этот толкатель 5 может центрироваться ими в корпусе 1 без дополнительной опоры в крышке 2, так как бурты 9 препятствуют его радиальным смещениям, что упрощает конструкцию и снижает потери на трение в усилителе за счет замены трения скольжения толкателя 5 относительно крышки 2 на его трение качения по буртам 9 рычагов.
Реализация усилителя при исполнении группы выполненных заодно рычагов в виде тарельчатой пружины 10 с радиальными прорезями 11 (фиг. 3 и 8) со стороны внутреннего диаметра (со стороны центральной оси) позволяет усилителю выполнять дополнительную функцию возвратной пружины. Выполнение на торце выходного толкателя 5 выступов 12, выходящих в концы прорезей 11 тарельчатой пружины 10, также центрирует выходной толкатель 5 без дополнительной опоры в крышке 2.
Компактная конструкция усилителя и простота крепления рычагов 3 в корпусе 1 обеспечивает ему возможность совмещения его корпуса 1 с корпусом 13 пневмоцилиндра или электромагнита с образованием компактного генератора силы.
Переменой входного и выходного толкателей функция усилителя по фиг. 1 может заменяться на функцию увеличения хода.
В исполнении усилителя по фиг. 9 выходной толкатель 5 выполнен подпружиненным относительно корпуса 1 в направлении возврата в исходное положение. Выходной толкатель 5 выполнен подпружиненным цилиндрической пружиной 18, установленной вокруг выходного толкателя 5 на втулке Г-образного сечения, выполненной заодно с ограничителями 15 радиального перемещения периферийных концов рычагов 3.
Корпус 1 может быть скреплен с корпусом 13 пневмоцилиндра или электромагнита, а входной толкатель 4 скреплен с выходным звеном 19 пневмоцилиндра или электромагнита.
Например, усилитель по фиг. 10 выполнен встроенным в распределитель с электромеханическим управлением, при этом входной толкатель 4 непосредственно скреплен с выходным звеном 19 толкающего электромагнита, а выходной толкатель 5 связан с нормально закрытым запорным элементом 20 распределителя.
Соосный многопоточный рычажной усилитель работает следующим образом.
При приложении к входному толкателю 4 осевой силы, направленной к выходному толкателю 5 в корпусе 1, в случае исполнения по фиг. 1-3, он надавливает на примыкающие к нему концы рычагов 3, поворачивая их вокруг концов, закрепленных в гнездах 7 в корпусе 1 в сторону выходного толкателя 5. Места крепления выходного толкателя 5 к рычагам 3 в отверстиях 8 при этом перемещаются в том же (толкающем) направлении, но совершая меньший путь, обеспечивая свойственный рычажным системам выигрыш в силе.
При этом усилие от входного толкателя 4 равномерно распределяется между рычагами 3 и через них передается на выходной толкатель 5, где суммируется.
При приложении к входному толкателю 4 осевой силы, направленной к выходному толкателю 5 в корпусе 1, в случае исполнения по фиг. 5, он надавливает на примыкающие к нему концы рычагов 3, поворачивая их вокруг концов, закрепленных в отверстиях в корпусе 1 в сторону входного толкателя 4. Места крепления выходного толкателя 5 к рычагам 3 в отверстиях при этом перемещаются во встречном (тянущем) направлении, но совершая меньший путь, обеспечивая свойственный рычажным системам выигрыш в силе.
При этом усилие от входного толкателя 4 также равномерно распределяется между рычагами 3 и через них передается на выходной толкатель 5, где суммируется.
Если выходной толкатель 5 выполнен по фиг. 9, 10 подпружиненным относительно корпуса 1, в направлении возврата в исходное положение, после снятия усилия с входного толкателя 4 он возвращается в исходное положение. Для этого выходной толкатель 5 перемещается усилием цилиндрической пружины 18, установленной вокруг выходного толкателя 5, во втулке Г-образного сечения, выполненной заодно с ограничителями 15 радиального перемещения периферийных концов рычагов 3.
Корпус 1 скреплен с корпусом 13 пневмоцилиндра или электромагнита, а входной толкатель 4 скреплен с выходным звеном пневмоцилиндра или электромагнита. Причем корпус 1 выполнен встроенным в распределитель с электромеханическим управлением, при этом входной толкатель 4 перемещается под воздействием выходного звена 19 толкающего электромагнита, а выходной толкатель 5 отпускает в направлении открытия нормально закрытый запорный элемент 20 распределителя.
При вращении (повороте) рычагов 3 на небольшие углы а до ± 8° от среднего положения, перпендикулярного центральной оси корпуса 1 усилителя, суммарный радиальный зазор Z рычагов 3 в гнездах не превышает 1% от их длины R (фиг. 7) поэтому длина плеч рычагов 3 практически не изменяется и коэффициент усиления К остается постоянным на протяжении всего хода толкателей 4, 5.
Кроме того, проскальзывание рычагов 3 вдоль их продольной оси шарниров толкателей из-за движения концов рычагов по дуге с радиусом R (фиг. 7) примерно в 2 раза меньше, чем в случае отклонения рачагов 3 в одну сторону от среднего положения, перпендикулярного центральной оси корпуса 1 при том же ходе толкателей 4, в результате уменьшаются потери на трение и износ шарниров.
Предложенная конструкция может выполнять и функцию увеличения хода генераторов силы при подсоединении их к выходному толкателю 5. При таком включении усилителя входной толкатель 4, связанный с концами рычагов 3, может иметь ход в 4-8 раз больший, чем у генераторов силы. Это весьма актуально для пьезоэлектрических генераторов сил, например, в приводах клапанов форсунок двигателей внутреннего сгорания (см. журнал "Движок", август 2016#44, стр. 32, статью М. Щелокова "Пьезофорсунки").
Таким образом, предложенная конструкция рычажного усилителя, благодаря применению радиально расположенных рычагов, шарнирно закрепленных концами, наиболее удаленными от центральной оси корпуса, и выходному толкателю, шарнирно связанному с рычагами, а также оригинальной форме рычагов и их шарниров, обеспечивает усилителю уменьшенные массогабаритные показатели и издержки производства, повышенный КПД, легкость встраивания в корпуса генераторов силы, возможность изменения коэффициента усиления заменой лишь одной детали, а также выполнение дополнительной функции возвратной пружины усилителя.