УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ

Заявляемое полезная модель относится к области машиностроения, а более конкретно - к устройствам преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, и может быть использовано, например, в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах и др. устройствах, где необходимо преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот.
Известен аксиально-поршневой двигатель с противоположно движущимися поршнями, (заявка №2001105860 от 27.02.2003) содержащий корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с шатунами-поводками в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными шарнирно с шатунами-поводками, поршни имеют уплотнения с обоих торцов, а рабочие процессы двигателя совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцевыми крышками цилиндров и поршнями с другой.
Недостатками аналога являются: большие габариты вследствие наличия несовпадения оси приводного вала и оси цилиндров, повышенных габаритов механизма возвратно-поступательного движения поршней, а также снижение КПД механизма и его долговечности из-за давления поршней на стенки цилиндров и возникновения в нем неуравновешенных сил инерции.
Прототипом заявляемого изобретения является устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот, патент RU №2059133 С1, содержащее корпус, размещенный в нем ползун цилиндрической формы с замкнутой винтовой канавкой, кинематически связанное с ползуном и фиксированное от перемещения вдоль своей оси вращения тело вращения в виде маховика, кинематическая связь между ползуном и телом вращения выполнена в виде поводков, зафиксированных в маховике, предназначенных для взаимодействия одной стороной с телом вращения, а другой стороной - для взаимодействия с боковой поверхностью замкнутой винтовой канавки. Проворот ползуна относительно корпуса ограничен шлицевым соединением.
Прототип работает следующим образом. При приложении крутящего момента к маховику он начинает разворачиваться относительно своей оси, а зафиксированный в нем поводок начинает давить на боковую поверхность винтовой канавки, вследствие ограничения возможности проворота ползуна шлицевым соединением его с корпусом ползун начинает поступательное движение. После достижения ползуном крайнего положения происходит переход поводка в реверсивную ветвь винтовой канавки, (ветвь, имеющую обратное направление) и ползун, таким образом, меняет направление движения на противоположное. Цикл повторяется, вследствие чего вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное. При обратном преобразовании движения возвратно-поступательного во вращательное усилие прикладывается к ползуну. При этом ползун боковой поверхностью винтовой канавки воздействует на поводок, закрепленный в маховике, что вызывает вращение маховика. При достижении ползуном крайнего положения за счет силы инерции вращательного движения маховика происходит переход поводка в реверсивную ветвь винтовой канавки, и при изменении направления прикладываемой нагрузки на противоположное вращательное движение маховика продолжается в том же направлении.
Недостатком прототипа является пониженный ресурс его работы и КПД, особенно при больших скоростях вращательного и возвратно-поступательного движений, вследствие возникновения трения скольжения в узле фиксации поводков в маховике, между поводками и поверхностью винтовой канавки, что ограничивает скоростные, силовые характеристики механизма, а также область его применения.
Технической задачей заявляемой полезной модели является: исключение трения скольжения в узле фиксации поводков в маховике, а также между поводками и поверхностью винтовой канавки, исключение давления ползуна на опоры.
Технический результат - повышение надежности и долговечности устройства преобразования движения, а также обеспечение возможности работы устройства при больших скоростях вращательного и возвратно-поступательного движений и силовых нагрузках.
Поставленная задача решается тем, что заявляемое устройство содержит корпус, в котором размещено тело вращения в виде маховика, фиксированное от смещения вдоль оси вращения, и ползун, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси вращения, на боковой поверхности ползуна выполнена замкнутая винтовая канавка, между ползуном и телом вращения размещен шарообразный поводок, проворот ползуна относительно корпуса ограничен шлицевым соединением, в котором в отличие от прототипа винтовая канавка выполнена с четным количеством витков, поводки расположены в диаметрально противоположных точках винтовой канавки ползуна, их количество соответствует количеству витков винтовой канавки, поводки вставлены в пазы в маховике и боковой поверхностью, выходящей за пределы ползуна, опираются на кольца подшипников качения, имеющие радиусные кольцевые канавки. Проворот ползуна может быть ограничен упругим элементом.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели получаем увеличение надежности и долговечности устройства преобразования движения при одновременном увеличении скоростных и силовых нагрузок. Это объясняется тем, что вследствие опирания шаровых поводков на подвижные кольца подшипников качения и возможности качения поводков по кольцевым канавкам, выполненным на контактирующих с ними кольцами подшипников, обеспечивается несмотря на сложное движение поводков, отсутствие трения скольжения между поводками и боковой поверхностью винтовой канавки, вызывающего износ поводков и канавки. При этом использование в рассматриваемом устройстве винтовых канавок с четным количеством витков и диаметрально противоположного расположения поводков, количество которых равно числу витков канавки, позволяет перераспределить действующие в устройстве усилия между поводками и исключить давление ползуна на его опоры в корпусе, что значительно снижает потери на трение и износ в этих узлах. Шлицевое соединение, ограничивающее проворот ползуна, может быть заменено упругим элементом, например, мембраной, что делает данный узел более технологичным, и упругий элемент может одновременно использоваться как элемент исполнительного механизма (мембранный насос, компрессор).
На фигуре 1 схематично представлен вариант выполнения заявляемого устройства.
Заявляемое устройство содержит корпус I, в котором установлен маховик 2. В корпусе 1 также установлен цилиндрический ползун 3, имеющий возможность перемещения вдоль оси маховика 2. При этом ось вращения маховика 2 совпадает с продольной осью ползуна 3. Проворот ползуна 3 относительно корпуса 1 ограничен шлицевыми соединениями, представляющими собой продольные пазы 9 в ползуне 3 и корпусе 1, в которых утоплены шарики 8. На цилиндрической поверхности ползуна 3 выполнена замкнутая винтовая канавка 5, в которой наполовину утоплены шаровидные поводки 4, вторая половина поводков, выходящая за пределы ползуна, вставлена в пазы в маховике 3, и опирается на радиусные кольцевые канавки 7 подвижных колец подшипников качения 6.
Устройство работает следующим образом. При приложении крутящего момента к маховику 2 он начинает разворачиваться относительно своей оси, а зафиксированные в его пазах поводки 4 начинают давить на боковую поверхность винтовой канавки 5, вследствие ограничения возможности проворота ползуна 3 шлицевым соединением 8, 9 его с корпусом 1 ползун начинает поступательное движение. После достижения ползуном 3 крайнего положения происходит переход поводков 4 в реверсивную ветвь винтовой канавки 5, (ветвь, имеющую обратное направление) и ползун 3, таким образом, меняет направление движения на противоположное. Цикл повторяется, вследствие чего вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное.
При преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное усилие прикладывается к ползуну 3. При этом ползун 3 боковой поверхностью винтовой канавки 5 воздействует на поводки 4, что вызывает вращение маховика 2. При достижении ползуном 3 крайнего положения за счет силы инерции вращательного движения маховика 2 происходит переход поводка в реверсивную ветвь винтовой канавки 5, и при изменении направления прикладываемой нагрузки на противоположное вращательное движение маховика 2 продолжается в том же направлении.
Возникающее при преобразовании вращательного движения маховика 2 в возвратно-поступательного движении ползуна 3 осевое усилие, либо усилие, действующее на ползун 3 при обратном преобразовании движения, через поводки 4 передается на подшипники качения 6, зафиксированные в корпусе 1. При этом за счет отсутствия жесткой фиксации поводков 4 в маховике 2 и их опоры на подшипники качения 6, а также наличие на кольцах подшипников кольцевых радиусных канавок 7, по которым перемещаются поводки, достигается движение качения поводков 4 относительно боковой поверхности винтовой канавки 5, и колец подшипников, несмотря на сложный характер движения поводков 4, характеризующийся изменением в процессе работы механизма оси, направления и скорости их вращения. Качение поводков 4 по поверхностям винтовой канавки 5 и кольцевым канавкам 7 подшипников качения 6 обеспечивает минимальные потери энергии на трение в устройстве, а также повышение работоспособности устройства при одновременном увеличении скоростных и силовых нагрузок, действующих на устройство.
Повышение работоспособности и снижение потерь энергии на трение в устройстве обеспечивает также применение в устройстве винтовых канавок с четным числом витков и диаметрально противоположное расположение поводков, количество которых равно числу витков винтовой канавки. При такой компановке устройства исключается давление ползуна на его опоры в корпусе за счет взаимной компенсации моментов сил реакций, возникающих в поводках, и действующие в устройстве осевые нагрузки равномерно распределяются между поводками, что снижает величину контактных напряжений, действующих в зонах контакта поводков с поверхностью винтовой канавки, и с радиусными кольцевыми канавками на подшипниках.
Радиусные кольцевые канавки, выполненные на подвижных кольцах подшипников качения, ограничивают радиальное перемещение поводков и обеспечивают максимальную длину линии контакта поводков и подшипников качения, что также способствует возможности увеличения силовой нагруженности устройства и его работоспособности.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.