Механизм короткой передачи хода поршневого звена
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в текстильной промышленности, роботах-манипуляторах, в передачах роторных конвейерных линий, а также в поршневых машинах. Имеется зубчатая муфта на подшипниках в опорном каркасе. Каркас содержит пересекающиеся оси и кольцевые блоки, закрепленные на подшипниках осей оппозитно. В блоках закреплены гильзы. Блоки связаны между собой двумя парами звеньев поступательного хода. Гильзы закреплены в блоках вдоль и вокруг опорных осей. Механизм имеет выступы и впадины зацепления на периферии блоков, взаимодействующие друг с другом и муфтой. Каждое звено состоит из пары поршней на паре штоков на свободном угловом каркасе и содержит радиальные тела качения между штоком и поршнем, а также между штоком и свободным каркасом. Механизм преобразует осевую и боковую составляющие силы поршня во вращение блоков. Радиальные тела качения звеньев превращают боковые силы в приводные усилия. Тела качения обеспечивают вращение блоков путем перекатывания рабочего поршня по гильзе без проскальзывания. Опорный каркас имеет сквозные отверстия, расположенные вокруг осей напротив днищ поршней, пара из которых соединена с рабочим телом (не показано). Получен механизм с самым коротким потоком импульсов от рабочего тела, который, по крайней мере, вдвое легче, а время его разгона вчетверо быстрее всех известных. Сэкономленная энергия, полученная от замены вида трения, пригодна для охлаждения элементов механизма. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в текстильной промышленности, роботах-манипуляторах, в передачах роторных конвейерных линий, а также в поршневых машинах.
Имеются механизмы передачи хода возвратно-поступательного движения, сочетающие непрерывное вращение звеньев с ходом поршневой пары. Содержат выходной вал на подшипниках опорного каркаса. Между валом и поршневой парой имеется ряд промежуточных звеньев. При движении поступательной пары с остановками и обратным движением наблюдаются скачки силы трения, зависящие от боковой силы и скорости перемещения пары. Импульс разгона пары вызывает пульсации в поворотных элементах механизмов от неравномерности сил трения вдоль хода поршня. Поток импульсов сил трения поступательной пары, усиливается трением уплотнительного кольца в канавке поршня у днища поршня о поверхность цилиндра. Исследования и опыт показывают, что высокие значения полезного действия механизма можно получить путем замены вида трения по кинематическому признаку. При остановке поршня в цилиндре кривошипно-шатунного механизма центр движущихся масс передачи перемещается в точку остановки поршня, которая становится мгновенным центром скоростей. Остальные звенья в этот момент времени вращаются вокруг этой неподвижной точки поршня. Кинетическая энергия вала, продолжающего вращение, способствует выходу поршня из потенциала трения покоя, сообщая ему при помощи рычага возвратное ускорение. В этот момент величина боковой силы, а значит, и силы трения поршня о цилиндр возрастает в сотни раз. На это обратное ускорение поршня тратится кинетика вала, который вынужденно утяжеляют при помощи маховика. Поток импульсов замыкается на опорном каркасе, что также требует увеличения его сечения и массы. Усредненное значение механических потерь от трения, с учетом потерь от трения скольжения в промежуточных звеньях с граничной смазкой, составляет 30% мощности передачи, а колебание величины коэффициента трения скольжения на длине хода поршня составляет интервал от 0,2 до 0,6 долей от боковой нагрузки (см. «Теория механизмов и машин», под ред. К.В.Фролова, М.: Высшая школа, 1987 г.) (1).
Боковые силы, определяющие силы трения, присутствуют в любом кривошипно-шатунном механизме, хотя бы исходя из условий равновесия, и позволяют работу механизма только при наличии зазоров между звеньями. Зазоры поглощают энергию, вызывая шум и вибрацию. Боковые силы несут в себе от 10 до 50% всей энергии, передаваемой механизмом. Эту энергию надо использовать. Для этого необходим механизм передачи поступательного звена с легким моментом разгона. В механизме по возможности не должно быть зазоров между звеньями. Это то же, что механизм будет иметь короткую передачу хода. Такой механизм будет, по крайней мере, вдвое легче, работать бесшумно, а время его разгона будет вчетверо короче всех известных. Известна передача с короткой передачей хода, отнесенная к классу кулисных механизмов (И.И.Артоболевский «Кулисно-рычажные и кривошипно-ползунные механизмы». T.II, М.: Наука, ГРФизматлит, 1979 г.) (2).
Передача работает с помощью боковых усилий.
Наиболее близким по технической сути является механизм короткой передачи хода поршневого звена, содержащий опорный каркас с закрепленными в нем пересекающимися осями, зубчатую муфту на подшипниках каркаса, имеет кольцевые блоки на осях с гильзами в оппозитных блоках, закрепленными в блоках и размещенными вдоль осей, блоки имеют выступы и впадины зацепления, взаимодействующие друг с другом на периферии блоков, в гильзы оппозитных блоков вставлена, по крайней мере, пара поршневых звеньев, выполненная из подвижно соединенных частей, взаимодействующих с гильзами (см. RU 60662 U1, 27.01.2007) (3). В механизме прототипа не только повышено трение, но возможны перекосы и заклинивание штоков в зазорах отверстий блоков. В передаче прототипа, совмещающего поступательное движение штока с поворотом штока, имеются потери трения свыше 30% передаваемой мощности. Импульс трения снижает мощность полезного потока импульсов, передаваемого механизмом. Вычитающий импульс трения пар, а также внутреннего трения от деформации звеньев расходуется на бесполезный нагрев механизма. Если поверхность штока необходимо уплотнить относительно поверхности отверстия, то такое уплотнение нельзя сохранить надолго, поскольку поверхность пары шток - гильза не только движется, поступательно совершая ход, но и вращается. Поэтому выходным звеньям такого механизма необходимо придавать слишком большую вращающуюся массу и жесткость, для преодоления сил трения покоя при поступательном движении штоков от точек остановки.
Задачей, поставленной в настоящем изобретении, является снижение импульса трения при разгоне поршня, уменьшение массы механизма и сокращение времени разгона, т.е. улучшение приемистости механизма, с одновременным увеличением ресурса кольцевого уплотнения.
Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что в механизме короткой передачи хода поршневого звена, содержащем опорный каркас с закрепленными в нем пересекающимися осями, зубчатую муфту на подшипниках каркаса, кольцевые блоки на осях с гильзами в оппозитных блоках, закрепленными в блоках и размещенными вдоль осей, блоки имеют выступы и впадины зацепления, взаимодействующие друг с другом на периферии блоков, в гильзы оппозитных блоков вставлена, по крайней мере, пара поршневых звеньев, выполненная из подвижно соединенных частей, взаимодействующих с гильзами, согласно изобретению каждая пара поршней включает в себя входное и выходное звено, состоящее из штока, установленного в поршне с кольцевым уплотнением у днища, шток звена первой пары контактирует с радиальными телами качения на дорожках, встроенными в шток, и дорожками, встроенными в поршень, и закреплена свободным концом штока в углу свободного каркаса, другая пара звена состоит из штока, закрепленного в рабочем поршне, вставленном в гильзу с крышкой, и установлена сквозь крышку концом штока в другом углу свободного каркаса, контактирующего с телами качения дорожками качения штока и каркаса, поршни пар скреплены на штоках каркаса с возможностью поступательного хода относительно гильз и радиального вращения с гильзами, звенья первой пары внутри оппозитных блоков вставлены в гильзы над вторым звеном у зацепления блоков и взаимодействуют с гильзами блоков на глубине поршня и длине поступательного хода, звенья второй пары вставлены в гильзы под первым звеном в гильзы, которые наиболее удалены от зацепления и взаимодействуют с гильзами блоков, поршнем с уплотнением у днища на глубине поршня.
Кроме того, опорный каркас имеет сквозные отверстия, расположенные вокруг осей каркаса напротив днищ поршней, пара из которых соединена с рабочим телом в секторе зацепления блоков, и отверстия, сообщающиеся с атмосферой в точке, наиболее удаленной от зацепления блоков, гильза рабочего поршня около крышки имеет отверстие, обращенное в сторону подшипников оси.
В изобретении встречное вращение блоков удерживается от перекосов при помощи зубчатого зацепления, тогда поток импульсов от боковых нагрузок поршня замкнется на зацеплении, минуя опорный каркас, за счет того, что блоки имеют выступы и впадины зацепления на периферии, исключаются перекосы. С помощью выступов и впадин блоки взаимодействуют друг с другом и муфтой. В блоках закреплены гильзы, расположенные вдоль и вокруг опорных осей. Оппозитные блоки связаны между собой парой звеньев поступательного хода при помощи боковых сил, которые не прерываются, обращаясь в ноль.
Сущность изобретения состоит в том, что в момент остановки и разгона поршневого звена у точек смены направления движения, боковые силы, управляющие зазорами, используются непрерывно, и при этом механические затраты на трение сокращаются на 19% за счет замены вида трения. Это позволяет снизить массу звеньев и улучшить характеристики балансировки, за счет повышения точности кинематики. Заявленное изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема механизма короткой передачи, на фиг.2 - поршневое звено поступательного движения, на фиг.3 - сравнительные кривые механических потерь.
На фиг.1 - схема механизма короткой передачи хода поступательного движения - 1. Имеется зубчатая муфта - 2, на подшипниках - 3. Подшипники 3 закреплены в опорном каркасе - 4. Механизм 1 содержит оппозитные блоки - 5, с гильзами - 6, 7, закрепленными внутри блоков. Блоки 5 опираются на оси - 8, закрепленные одним концом в каркасе 4. Блоки на осях 8 закреплены при помощи подшипников - 9. Оси 8 пересекаются друг с другом за пределами оппозитных блоков 5. Гильзы 6 и 7 закреплены в блоках 5 и расположены вокруг и вдоль осей 8. На периферии блоков 5 имеются выступы - 10, контактирующие с впадинами -11, в точке зацепления - 12. В точке 13 с выступами 10 контактирует зубчатая муфта 2 впадинами своих зубьев. Муфта 2 контактирует с блоком 5 в точке зацепления - 13, на некотором удалении от точки 12. Отметим выступы 10, впадины 11, в точках 12 и 13, являющихся высшими парами, вместо массивных валов угольниковой передачи, описанной в прототипе.
На фиг.2 - в гильзы 6 оппозитных блоков 5 со стороны точки 12 вставлены звенья поступательного движения - 14 и - 15. Звено 14 составлено из подвижно соединенных входных - 16 и выходных - 17 поршневых пар, причем входное звено 14 первой пары 16 включает в себя шток - 18 и поршень - 19 с уплотнением - 20 около днища - 21, и вставлено поршнем в гильзу первого из оппозитных блоков 5. Шток 18 и поршень 19 скреплены между собой радиальными телами качения - 22. Тела 22 контактируют с дорожкой - 23 штока 18 и дорожкой - 24 внутри поршня 19 без зазоров. Дорожки 23 и 24 образуют замкнутое кольцо вокруг штока и обращены навстречу друг к другу. Дорожки 23 и 24 ограничивают перемещение поршня 19 вдоль штока 18. Звено 14 закреплено свободным концом штока - 25 в свободном каркасе - 26, как одно целое. Таким образом, дорожки 23 и 24 исключают осевое перемещение поршня 19 относительно свободного каркаса 26. Второе звено 15 состоит из штока - 27 и поршня - 28 с уплотнениями - 29 у днища - 30 и около днища 31. Шток 27 выходного звена имеет крышку - 32 с сальником - 33, уплотняющим поверхность штока. Крышка 32 закреплена на блоке 5 со стороны точки 12. Выступающая из поршня часть штока 27 имеет дорожки - 34, контактирующие с телами 22 внутри другого угла каркаса 26, Тела 22 контактируют с дорожками - 35 каркаса 26 без зазоров. Дорожки 35 обращены навстречу друг другу и в сторону дорожек 34, обращенных друг от друга. Таким образом, дорожки 34, 35 исключают осевое перемещение поршневого звена 28 относительно каркаса 35. На фиг.2 также обозначен ход - 36 поршней и длина - 37 поршней 19, 28. Узел 14 вставлен в гильзы 6 блоков 5 в наиболее удаленном от зацепления 12 месте и взаимодействует с гильзами 6 блоков 5 на глубине 37 поршней 19 и 28. Опорный каркас 4 механизма 1 имеет сквозные отверстия - 38, - 39, расположенные вокруг осей 8 каркаса 4 напротив днищ 21 и 30 поршней 19 и 28. Гильза 7 около крышки 32 имеет отверстие - 40, обращенное в сторону оси 8 и подшипников 9. Между внутренней поверхностью гильз 6, 7 и внешней поверхностью поршней 19, 28 имеется линия контакта - 41.
На фиг.3 - сравнительные кривые механических потерь пока импульсов η трения (%). На горизонтальной оси - 42 отложен угол (ω·t°) поворота блоков 5, пропорциональный ходу поршней 19, 28. На вертикальной оси - 43 отложены механические потери от трения (%), по ходу поршней. В поле между осями 42 и 43 расположены расчетные точки, соединенные кривыми (%), иллюстрирующие механические потери сравниваемых механизмов, см. табл.1-5. Кривая 44, (%) - потери от трения в угольниковой передаче прототипа, - табл.1. Кривая 45, (%), табл.2, - полезный крутящий момент передачи прототипа (RU 60662 U1). Кривая 46, табл.3, (%) - потери механизма 1 от тел качения 22. Кривая 47, табл.4., (%) - суммарные потери от трения механизма 1 по изобретению. Кривая 48, табл.5, (%) - значение крутящего момента на муфте 2 с учетом выигрыша в трении. Между кривыми 48 и 44 площадка - 49, (%)2, иллюстрирует возвращенную энергию от замены вида трения в механизме 1. Отметим, что в механизмах с промежуточными звеньями, исследованных в книге «Теория механизмов и машин», под ред. К.В.Фролова, М.: Высшая школа, 1987 г. и в предисловии изобретения, имеет место кривая - 50, иллюстрирующая резкий скачок трения в точках остановки поршня.
Работает механизм короткой передачи хода поршневой пары возвратно-поступательного движения с самоохлаждением следующим образом. Блоки 5 взаимодействуют между собой выступами 10 и впадинами 11 в точке 12. Муфта 2 взаимодействует с блоком 5 в точке 13, удаленной от зацепления точке 12. Таким образом, штоки 18 и 27 зафиксированы от осевого смещения относительно каркаса 26 и способны только к совместному осевому ходу вдоль гильз 6 и 7 оппозитных блоков 5. Осевой ход поршней 19, 28 со штоками 18, 27 возможен только совместно с каркасом 26. Таким образом, звенья 14 и 15 закреплены в свободном каркасе 26 с условной возможностью независимого вращения. Будучи вставленными в гильзы 6, 7 внутри блоков 5 в ближнем от зацепления секторе 7, звенья 14 и 15, взаимодействуя с гильзами 6, теряют возможность независимого вращения относительно друг друга, но получают возможность поступательного хода относительно гильз 6, 7 при совместном вращении с блоками 5 на подшипниках 9. Причем подшипники 9 установлены и закреплены на осях и блоках таким образом, что не имеют осевых и радиальных зазоров между телами качения и дорожками колец. То есть блоки 5 могут свободно вращаться вокруг осей 8 на телах качения подшипников 9, но не способны к перемещению вдоль осей 8. При любом угле поворота блоков звенья 14 и 15 всегда расположены внутри блоков напротив друг друга вокруг осей 8 и одновременно сгруппированы вокруг зацепления 12. При углах поворота 90, 270° звенья внутри блоков будут находиться на одном уровне, а при углах 0, 180° одно поршневое звено будет расположено над другим. При вращении блоков звенья 14 и 15 движутся по эллиптической траектории плоскопараллельно. Траектория движения звеньев расположена в плоскости биссектрисы угла между осями 8 с центром в точке пересечения осей, поэтому звенья свободно проходят друг под другом или друг над другом. При этом звено 14 внутри оппозитных блоков 5 вставлено в гильзы 6 у зацепления 12 блоков 5 и взаимодействует с гильзами 6 блоков 5 на суммарной глубине хода 36 и длине поршней 37 по линии контакта 41. Звено 15 вставлено в гильзы 6 блоков 5 в наиболее удаленном от зацепления 12 месте и взаимодействует с гильзами 6 блоков 5 на глубине 37 поршней 19 и 28 по линии 41. При любом положении звеньев линии 41 оппозитных гильз 6, 7 также расположены оппозитно друг к другу. Линия 41, звенья 15, 16, зацепление 12 и блоки 5 создают, по крайней мере, два коротких замкнутых кольца взаимодействия импульсов силы и третье - замыкающее кольцо импульсов, проходящее через зацепление 12, оси 5, подшипники 9 каркаса 4. Поскольку кольца звеньев замкнуты между собой, то кольцо каркаса разгружено от излишних усилий, что позволяет сделать опорный каркас 4 более легким по отношению к каркасу прототипа. Опорный каркас 4 механизма 1 имеет сквозные отверстия 38, расположенные вокруг осей 8 каркаса 4 напротив днищ 21 и 30 поршней 19 и 28. Причем пара отверстий 38 соединена с рабочим телом (не показано), которое является высшим источником энергии в ближнем секторе 7 от точки 12 зацепления блоков 5. Опорный каркас 4 механизма 1 имеет сквозные отверстия 39, расположенные вокруг осей 8 каркаса 4 напротив днищ 30 и 21 поршней 28 и 19. Причем пара 39 соединена с низшим источником энергии (не показан), к примеру с атмосферой, в стороне, которая наиболее удалена от точки 12 блоков 5.
Если подать рабочее тело, жидкость или сжатый воздух под давлением (не показан) в отверстия 38 около точки 12 механизма 1, тело попадет в гильзы 6 под днище 21 входного поршня 19 с уплотнением 20. Поскольку поршень 19 вставлен в гильзу 6 у точки 12 зацепления блоков 5, то он контактируют с гильзой 6 на наибольшей глубине 36 линии 41. Следует отметить, что при этом расстояние между поршнем 19 и точкой 12 наименьшее. Потенциальная энергия рабочего тела, как высшего источника энергии, воздействуя на днище 21, ограждаемое уплотнением 20, понуждает поршень 19 к движению в сторону, откуда он был вставлен, то есть к точке 13. Таким образом, рабочее тело понуждает поршень 19 входного узла 16 к поступательному ходу относительно гильзы 6. Узел 16 звена 14 способен выдвигаться из гильзы 6 не более чем на ход поршня 19, потому что узел 16 способен выдвигаться только при содействии поворота гильз 6, 7 вокруг оси 8 с блоком 5. При этом линия 41 поворачивается вместе с блоками 5. При этом происходит передача рабочего тела от отверстия 38 к отверстию 39 при помощи днищ 21, 30. Поскольку отверстие 39 открыто в сторону низшего источника энергии (атмосферы), то высший источник энергии, заключенный в гильзе 6 между каркасом 4 и уплотнением 20, переданный поворотом блоков к отверстию 39, совершив работу по перемещению поршня 19 внутри гильзы 6, передается, в виде остатка, к низшей энергии. При этом первое звено 14 толкает поршень 28 выходного звена 17 через тела 33 каркаса 26 вдоль линии 41. Поскольку звено 17 пары 28 звена 14 закреплено в свободном каркасе 26 с возможностью поступательного хода относительно гильзы 6 и совместного вращения с блоками 5, звено 16 принуждает кольцевой блок 5 и линию 41 к повороту вокруг оси 8 опорного каркаса 4. Поскольку блоки 5 сцеплены выступами 10 и впадинами 11 в точке 12 между собой, то блоки совершают встречное вращение. Вращение блоков 5, в свою очередь, вызывает обратное перемещение поршня 19 по линии контакта 41 от отверстия 39 к отверстию 38. Цикл поворота блоков 5 завершается у точки зацепления 12 и способен продолжаться до тех пор, пока имеется поток избытка энергии рабочего тела между отверстиями 38 и 39. При отсутствии избытка потенциалов механизм мгновенно остановится, что объясняется его безынерционностью. Точно то же происходит при подаче избытка энергии, механизм мгновенно набирает обороты, которые зависят от разности потенциалов, давления, температуры, между отверстиями 38 и 39. Это непривычное для известных механизмов свойство безынерционности, а также точности расположения всех звеньев на любой точке траектории движения очень важно и незаменимо для механизации некоторых особо точных и тонких технологических процессов. Механизм 1 сочетает встречное вращение кольцевых блоков 5 с возвратно поступательным движением звеньев 14 и 15. Для снижения импульса трения при страгивании для получения дополнительной энергии вращения на выходном звене механизма блоки 5 сцеплены не только при помощи выступов 10 и впадин 11 зацепления 12, но и при помощи радиальных тел качения 22 и 33 каждого поступательного звена 14, 15 с поршнями 19, 28 без зазоров. Поскольку гильзы 6 каждого из блоков 5 протянуты вдоль осей 8, то внешние стороны уплотнений 20 и 29 поршней 19 и 28, при поступательном движении вдоль гильз 6, будут прилегать к внутренней стороне гильз по всей длине гильз, с опорой вдоль линии 41, сохраняя уплотнения от преждевременного износа. Поскольку один шток 18 в поршне 19 звена 16 содержит дорожки качения 23, контактирующие без зазоров с телами качения 22 с одной стороны и дорожками 24 поршня 19 с другой, а другой шток 27 звена 17 в теле свободного каркаса 26 содержит дорожки качения 32, контактирующие без зазоров с телами качения 33 с одной стороны и дорожками 35 каркаса 26 в полости 34 с другой, то поршни и уплотнения тоже контактируют с гильзами без зазора по линии контакта 41. Линия контакта 41 поршней и уплотняющих колец катается по внутренней поверхности гильз 6, 7. При этом поршни и кольца движутся относительно поверхности гильз без проскальзывания в радиальном направлении. Было установлено, что компонента силы хода меняет свое направление, а угловая скорость не меняет. Это важное свойство механизма позволяет построить непрерывные кривые механических потерь пока импульсов от трения (фиг.3) как функцию двух составляющих или сумму компонентов векторов осевой и радиальной нагрузки. Линия контакта поршня и гильзы перекатывается внутри гильзы, а поршень не вращается относительно гильзы, то есть поршень в механизме 1 является высшей парой второго типа. Внешняя поверхность поршней 19, 28 также не вращается относительно внутренней поверхности гильз 6, поскольку тела качения 22 обладают возможностью более свободно вращения, чем вращение штока в гильзе, сравним с RU 60662 U1, поскольку трение качения снижено относительно трения скольжения в 800 раз. Тогда радиальная составляющая трения от боковой нагрузки будет всегда ниже продольной составляющей.
При расчете двух компонент импульса в узловой точке контакта поршня с гильзой, по теореме узлов для потоков импульса, суммарные потери от вектора трения будут снижены по сравнению с прототипом на длину вектора, в %. (Для упрощения восприятия расчет ведется для угла между осями 8, равного 90°.) Также упростим уравнение 1, допустив, что механизм идеально отбалансирован, и подставив значение mg=1, a N по 3-му закону равно единичному вектору, тогда уравнение 1 примет удобный для расчетов вид:
где ортогональные компоненты векторов (для угла осей 8, равного 90°):
ξs=1 - компоненты вектора трения скольжения,
ξг=1:800=0,00125 - компонента вектора трения качения,
если принять 60 - число пар трения тел качения (шариков), тогда 0,00125×60=0,075, где
ξR=0,075 - компонента радиального трения всех тел качения 22,
µ=L-1 - масштабный коэффициент значений крутящего момента.
Для сравнения механизма прототипа [RU 60662 U1]:
По уравнению суммы векторов получаем ряд значений для трения скольжения, %, для векторной суммы Σ компонентов трения пары в прототипе [3], в зависимости от угла поворота блоков 5. При этом напомню, что компонента трения качения в прототипе отсутствует:
Потери от Σпр трения скольжения в механизме прототипа [RU60662U1], в %, в зависимости от угла поворота блоков 5, град, и хода штоков, в долях единичного хода, и сведем их в таблицу 1:
| Таблица 1 | |||||||||||||
| Угол | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| поворота, град | 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° |
| Ход | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0,87 | 0,94 | 0,95 | 1 |
| поршня, | 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 |
| частей от | |||||||||||||
| единицы | |||||||||||||
| Потери от | 0 | 9,5 | 24,7 | 30 | 36 | 70 | 0 | 70 | 36 | 30 | 24,7 | 9,5 | 0 |
| Σ трения, | |||||||||||||
| прототипа | |||||||||||||
| [3], % |
Усредненные потери от трения в механизме прототипа [RU 60662 U1] составят 26,2%. На фиг.3 эти значения стянуты кривой 44. По уравнению 2 получим ряд значений для полезного крутящего момента в прототипе [RU 60662 U1], в %, в зависимости от угла поворота блоков 5, град, хода штоков в долях единичного хода, и сведем их в таблицу 2:
| Таблица 2 | |||||||||||||
| Угол | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| поворота град, | 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° |
| Ход | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0,87 | 0,94 | 0,95 | |
| поршня, | 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 |
| частей от | |||||||||||||
| единицы | |||||||||||||
| Полезный | 0 | 9 | 53,4 | 43,6 | 27 | 12,4 | 0 | 12,4 | 27 | 43,6 | 53 | 6 | 0 |
| крутящий | |||||||||||||
| момента | |||||||||||||
| прототипа | |||||||||||||
| [3], % |
Средние потери крутящего момента от трения в механизме прототипа [RU60662U12] составят 77,6%. На фиг.3 эти значения стянуты кривой 45. Для
механизма 1 по изобретению:
Средняя величина компоненты трения качения в механизме 1 (%) по изобретению равна:
Значения компоненты трения качения в механизме 1 (%), в зависимости от хода поршней в долях единицы хода, и поворота блоков, град, сведем в таблицу 3:
| Таблица 3 | |||||||||||||
| Угол поворота, | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| град | 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° |
| Ход поршня, | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0,87 | 0,94 | 0,95 | 1 |
| частей от | 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 |
| единицы | |||||||||||||
| Потери от | 0 | 0,15 | 0,37 | 0,79 | 1 | 0,8 | 0 | 0,9 | 1 | 0,8 | 0,4 | 0,2 | 0 |
| трения | |||||||||||||
| качения в механизме 1, % |
Усредненные потери от трения качения в механизме 1 составят 0,48%. На фиг.3 эти значения стянуты кривой 46. По правилу сложения векторов получим ряд значений для суммы векторов трения качения и трения скольжения в зависимости от угла поворота блоков 5, град, и хода поршней в долях от единицы хода и сведем их в таблицу 4:
| Таблица 4 | |||||||||||||
| Угол | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| поворота, град | 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° |
| Ход | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0,87 | 0,94 | 0,95 | 1 |
| поршня, | 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 |
| частей от | |||||||||||||
| единицы | |||||||||||||
| Потери | 0 | 1 | 5 | 12 | 15 | 21 | 0 | 21 | 14 | 12 | 5 | 1 | 0 |
| от Σ трения, | |||||||||||||
| в механизме | |||||||||||||
| 1,% |
Усредненные Σ потери от трения качения и скольжения в механизме 1 составят 8,3%. На фиг.3 эти значения стянуты кривой 47. Разница в потерях от трения между трением в паре прототипа [RU 60662 U1] и в паре трения в механизме 1 по изобретению составит:
Сведем эти значения в таблицу 5:
| Таблица 5 | |||||||||||||
| Угол | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| поворота, град | 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° |
| Ход | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0.87 | 0,94 | 0,95 | 1 |
| поршня, | |||||||||||||
| частей от единицы | 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 |
| Снижение | 0 | 8,5 | 19,7 | 18 | 21 | 49 | 0 | 49 | 21 | 18 | 19,7 | 8,5 | 0 |
| трения η в | |||||||||||||
| механизме | |||||||||||||
| 1,% |
Усредненное значение снижения потерь от трения составит 19,4%, то есть почти 200 Вт на каждый киловатт передаваемой мощности (в подарок). По уравнению 2 получим ряд значений полезного крутящего момента в механизме 1 (%), на линии 41, в зависимости от угла поворота блоков 5, град, хода штоков в долях единичного хода, и сведем в таблицу 6:
| Таблица 6 | |||||||||||||
| Угол поворота, град | 0° | 15° | 30° | 45° | 60° | 75° | 90° | 105° | 120° | 135° | 150° | 165° | 180° |
| 360° | 345° | 330° | 315° | 300° | 285° | 270° | 255° | 240° | 225° | 210° | 195° | 180° | |
| Ход поршня, частей от единицы | 0 | 0,05 | 0,06 | 0,13 | 0,24 | 0,37 | 0,5 | 0,63 | 0,76 | 0,87 | 0,94 | 0,95 | 1 |
| 1 | 0,95 | 0,94 | 0,87 | 0,76 | 0,63 | 0,5 | 0,37 | 0,24 | 0,13 | 0,06 | 0,05 | 0 | |
| Полезный крутящего момент механизме 1, % | 0 | 22 | 74,6 | 88 | 87 | 60 | 0 | 60 | 87 | 88 | 75 | 23 | 0 |
Средние потери крутящего момента от трения составят 48,8%. На фиг.3 эти значения стянуты кривой 48.
Между кривой 48 и 44 заштрихованная площадка 49, (%)2, иллюстрирует возвращенную энергию от замены вида трения в механизме 1. Для других углов расположения осей 8, отличных от 90°, разница уменьшится на ±2,5%. Таким образом, поступательная пара 13 имеет радиальную компоненту импульса трения, сниженную на 32% по сравнению с прототипом, при помощи замены вида трения. Такое замкнутое кольцо механических контактов не только преобразует поступательное движение пары во вращательное движение муфты с меньшими потерями, но и увеличивает крутящий момент на муфте. Прибавка полезного крутящего момента на муфте из-за снижения трения по изобретению по отношению к крутящему моменту прототипа [3] составит:
Следует отметить, что звенья первой пары внутри оппозитных блоков вставлены в гильзы у сектора зацепления блоков и взаимодействуют с гильзами блоков на глубине поршня и длине поступательного хода. Здесь усилия под днищем поршня наибольшие, а расстояние до зацепления, т.е. плечо L действия силы, наименьшее. Звенья второй пары вставлены в гильзы в наиболее удаленном от зацепления секторе и взаимодействуют с гильзами блоков, поршнем с уплотнением у днища лишь на глубине поршня. Здесь усилие под днищем поршня наименьшее, а расстояние до зацепления, т.е. плечо L действия силы, наибольшее. Таким образом, пульсации крутящего момента механизма 1 по изобретению уменьшены, а величина среднего значения крутящего момента увеличена. При расчете трения для других углов расположения осей, отличных от 90°, расчет будет более громоздким, перегружен лишними проекциями, а поэтому более непонятен. Но результат будет практически таким же. Механизм передает возвратно-поступательный ход звеньев, замыкая поток импульсов по короткому пути через свободный каркас 26, не загружая опорный каркас 4, и передает нагрузку плавно, заставляя блоки 5 вращаться как карусель, без резких рывков и ускорений. Это позволяет также практически вдвое снизить массу механизма 1 и улучшить характеристики балансировки. Тогда энергия вращения, полученная от замены вида трения, напрямую передается от одного к другому кольцевому блоку при помощи изгибающих упругих сил в свободном каркасе 26, работающем как упругий кронштейн, для передачи увеличенного крутящего момента на муфту 2. При этом достаточно небольшого встречного вращения кольцевых блоков 5 для возвратно-поступательного ускорения звеньев 14, 15 с поршнями 19, 28. Энергия от замены вида трения передается от одного к другому кольцевому блоку при помощи высших пар трения - выступов и впадин эвольвентных зацеплений 12 и 13. Необычность решения в том, что около трети крутящего момента, а значит, и потерь от трения возвращается кольцевому блоку 5 силами упругости каркаса 26 при помощи радиальных тел качения 22, внутри узлов 14, 15 по короткому пути, а значит, с наименьшими потерями на деформацию звеньев. Тогда как жесткость и упругость звеньев определяет потери внутреннего трения в зависимости от длины звеньев. В результате, механизму не нужен вал, и механизм 1, в целом, будучи вдвое легче, может передавать крутящий момент коробке передач, без маховика, при помощи легкой зубчатой муфты 2. В другом случае использования короткозамкнутого механизма 1, если вращать блоки 5 механизма 1, передавая крутящий момент от муфты 2, от источника крутящего момента, например двигателя (не показан), на один из блоков 5, то оппозитный блок, в свою очередь, начнет встречное вращение от выступов 10, контактирующих с впадинами 11 зацепления 12. Встречное вращение блоков 5 на подшипниках 9 осей 8 гильзами 6 вовлечет во вращение поршни 19 и 28 звеньев 14, 15 своими гильзами 6. При этом движении на гильзах 6 появится ответная реакция, составленная из двух компонент радиальной и осевой составляющей обобщенного вектора силы. Причем радиальная компонента будет восприниматься телами 22 и дорожками 23, 24 и дорожками 34, 35, обращенными навстречу друг другу и передающими через дорожки осевую компоненту вектора. Осевые компоненты вектора поршней 19, 28 первой пары звеньев 14, в свою очередь, благодаря пересечению осей 8 будут иметь суммарную компоненту, направленную в сторону зацепления 12. Осевые компоненты вектора поршней 19, 28 второй пары звеньев 15 по той же причине будут иметь суммарную компоненту, направленную от зацепления 12. Обе компоненты обобщенного вектора будут сопротивляться повороту блоков с трением скольжения, и его величина для угла осей 90° будет равна (2)0,5 по формуле 1. Величина радиальной составляющей трения качения будет равна (1,05)0,5. Снижение суммарной величины трения поршней о гильзы по формуле 1 составит 36%. А разница полезных крутящих моментов, передаваемых сравниваемыми механизмами, составит по формуле 4 величину 1,64. При этом поршни звеньев, при вращении приближающиеся к точке зацепления 12, осуществляют движение в сторону каркаса 4, поршни звеньев, удаляющиеся от точки зацепления 12, удаляются от каркаса 4. При этом днище каждого поршня, приближающееся к точке зацепления 12, сближаясь с каркасом 4, будет выбирать ход 36 от наибольшего до наименьшего значения, а днище, удаляющееся от точки 12, будет изменять величину 36 от наименьшего до наибольшего значения. В точках 12 и 13 будет иметь место остановка движения поршней 19, 28 относительно гильз 6. При этом стоит подчеркнуть, что в точках остановки поршней 19, 28 радиальная компонента динамического вектора от блоков 6 будет иметь наибольшее и даже избыточное значение, а осевая компонента динамического вектора будет иметь наименьшее недостающее значение для импульса начала движения. В начале движения поршней избыточная часть радиальной компоненты передается осевой компоненте по самому короткому пути - через поршни 19, 28 звеньев 14, 15, на телах качения 22, наподобие короткой передачи импульса момента вращения волчка. Поэтому механизм 1 короткой передачи хода имеет очень легкое и точное страгивание и ускорение от точек остановки поршней.
Отметим, что в механизмах с промежуточными звеньями, исследованных в «Теория механизмов и машин», под ред. К.В.Фролова, М.: Высшая школа, 1987 г., и в предисловии изобретения, в точках остановки поршней, см. кривую 50, на фиг.3, имеет место резкий скачок трения, что требует увеличения массы вращающихся звеньев, передающих часть запасенной энергии вращения «застрявшему от трения покоя поршню» через ряд промежуточных звеньев, которые обязаны для этого иметь зазоры в контактах. Во втором случае использования имеем механизм 1 короткой передачи хода без зазоров, перекачивающий рабочее тело, жидкость или газ, от низшего источника энергии к высшему источнику, то есть от отверстия 39 к отверстию 38 с наименьшими затратами на трение поршня о гильзу, плавно и без пульсаций. Часть энергии трения 49, возвращенная телами 22 и каркасом 26, может быть перенаправлена от рабочего поршня 28 через отверстие 40 на охлаждение элементов механизма 1 внутри каркаса 4. Радиальные тела качения звеньев превращают боковые силы трения в приводные усилия. Выигрыш: приемистость, легкость, точность и компактность механизма с ростом удельной передаваемой мощности. Сэкономленная энергия, полученная от замены вида трения, пригодится, например, для охлаждения элементов механизма внутри каркаса, таких как оси, подшипники, штоки и гильзы, при помощи рабочего поршня и отверстия в гильзе с крышкой, работающего наподобие веера, с одновременным увеличением ресурса кольцевого уплотнения, которое в отличие от случая в прототипе [RU 60662 U1] не вращается относительно гильзы и поршня.
1. Механизм короткой передачи хода поршневого звена, содержащий опорный каркас с закрепленными в нем пересекающимися осями, зубчатую муфту на подшипниках каркаса, имеет кольцевые блоки на осях с гильзами в оппозитных блоках, закрепленными в блоках и размещенными вдоль осей, блоки имеют выступы и впадины зацепления, взаимодействующие друг с другом на периферии блоков, в гильзы оппозитных блоков вставлена, по крайней мере, пара поршневых звеньев, выполненная из подвижно соединенных частей, взаимодействующих с гильзами, отличающийся тем, что каждая пара поршней включает в себя входное и выходное звено, состоящее из штока, установленного в поршне с кольцевым уплотнением у днища, шток звена первой пары контактирует с радиальными телами качения на дорожках, встроенными в шток, и дорожками, встроенными в поршень, и закреплена свободным концом штока в углу свободного каркаса, другая пара звена состоит из штока, закрепленного в рабочем поршне, вставленном в гильзу с крышкой, и установлена сквозь крышку концом штока в другом углу свободного каркаса, контактирующего с телами качения дорожками качения штока и каркаса, поршни пар скреплены на штоках каркаса с возможностью поступательного хода относительно гильз и радиального вращения с гильзами, звенья первой пары внутри оппозитных блоков вставлены в гильзы над вторым звеном у зацепления блоков и взаимодействуют с гильзами блоков на глубине поршня и длины поступательного хода, звенья второй пары вставлены в гильзы под первым звеном в гильзы, которые наиболее удалены от зацепления и взаимодействуют с гильзами блоков, поршнем с уплотнением у днища на глубине поршня.
2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что опорный каркас имеет сквозные отверстия, расположенные вокруг осей каркаса напротив днищ поршней, пара из которых соединена с рабочим телом в секторе зацепления блоков, и отверстия, сообщающиеся с атмосферой в точке наиболее удаленной от зацепления блоков, гильза рабочего поршня около крышки имеет отверстие, обращенное в сторону подшипников оси.
