Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное

 

Изобретение относится к двигателестроению и, в частности, к устройствам преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащим зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с подвижной зубчатой рамкой. Технический результат - устранение ударного характера перехода вращающегося зубчатого колеса из зацепления с одной зубчатой рейкой в зацепление с другой путем обеспечения непрерывного контакта зубчатого колеса с зубчатой рамкой в соответствии с параметрами зацепления и создания градиента скоростей при смене направления продольного возвратно-поступательного движения зубчатой рамки. Устройство содержит зубчатые рейки рамки, которые по торцам продолжены опорными полуокружностями с радиусом, большим, чем наружный радиус у вращающегося зубчатого колеса, на величину, равную половине высоты зуба. Зубья на зубчатом колесе нарезаны на части диска, тогда как другая часть диска колеса по наружному радиусу служит кулачком, со способностью перекатывания по поверхности опорных полуокружностей рамки и скольжения по поверхности продольных упоров. Зубчатая рамка и ось зубчатого колеса относительно друг друга имеют, кроме свободы продольного, свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, компрессоростроения, а именно к устройству преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот).

Известны устройства преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащие кривошипно-шатунный механизм; содержащие бесшатунный механизм Баландина (см. С.С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972, с.19-20, рис.13); содержащие вращающийся в одном направлении диск с цевками или зубьями, которые находятся в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками подвижной рамки (см. Патент ФРГ 3529921, кл. F 02 B 75/32, 1987г.; см. Механизмы / Под ред. С.Н. Кожевникова. М.: Машиностроение, 1976, с.488, рис.7.120.) Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее вращающийся в одном направлении диск с цевками, находящийся в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками подвижной рамки (См. Механизмы / Под ред. С.Н. Кожевникова. М.: Машиностроение, 1976, с.488, рис.7.120.) В указанном устройстве вращающийся в одном направлении диск с цевками поочередно входит в зацепление с верхней и нижней зубчатой рейкой, передавая через них окружное усилие и изменяя направление возвратно-поступательного движения рамки. Для выхода цевок диска из зацепления с одной зубчатой рейкой в момент входа в зацепление с другой цевки (или зубья) размещаются только на половине периметра делительной окружности диска (или зубчатого колеса), а часть зубьев на зубчатых рейках удалена.

При этом в процессе вращения диска сближение цевки с первым зубом рейки происходит с ударом, без градиента роста или падения продольной скорости рамки, что допускает применение описанного устройства только в тихоходных, неответственных механизмах и полностью исключает их использование в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, устройствах, где действуют большие механические усилия и имеют место высокие скорости возвратно-поступательного и вращательного движения.

Отмеченные недостатки не позволяют реализовать конструктивные и технологические преимущества данного типа устройств, обусловленные отсутствием шатунов и коленчатого вала.

Целью изобретения является устранение ударного характера перехода вращающегося диска с цевками (или зубьями) из зацепления с одной зубчатой рейкой в зацепление с другой путем обеспечения непрерывного контакта зубчатого колеса (или цевочного диска) с зубчатой рамкой в любой момент времени в соответствии с параметрами зацепления и создание градиента скоростей при смене направления продольного возвратно-поступательного движения зубчатой рамки.

Цель изобретения достигается тем, что зубчатые рейки рамки по торцам продолжены опорными полуокружностями с радиусом, большим, чем наружный радиус зубьев у вращающегося зубчатого колеса, а зубья на зубчатом колесе нарезаны на половине диска, тогда как вторая половина диска служит кулачком, перекатывающимся по поверхности опорных полуокружностей рамки и скользящим по поверхности продольных упоров, закрепленных на длине зубчатых реек, причем зубчатая рамка и зубчатое колесо относительно друг друга, кроме продольной, имеют свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения и фиксируются в своих крайних относительных положениях, на период перекатывания зубчатого колеса по одной из зубчатых реек, при помощи кулачка зубчатого колеса и продольного упора противоположной зубчатой рейки рамки, которые, взаимодействуя своими рабочими поверхностями при вращении зубчатого колеса, сохраняют постоянными параметры зацепления через сохранение постоянным расстояния L.

По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение характеризуется следующими новыми существенными признаками: 1.1 Зубчатые рейки рамки по торцам продолжены опорными полуокружностями с радиусом, большим, чем наружный радиус окружности вращающегося зубчатого колеса. Радиус полуокружностей рамки больше внешнего радиуса зубьев зубчатого колеса на величину, равную половине высоты зуба, т.е. на величину его модуля.

1.2 Зубья на зубчатом колесе нарезаны на части диска, тогда как другая часть диска колеса по наружному радиусу служит кулачком, перекатывающимся по поверхности полуокружностей рамки и скользящим по поверхности продольных упоров, закрепленных на длине зубчатых реек. При этом длина рабочей поверхности кулачка по периметру дуги равна длине рабочей поверхности продольного упора.

1.3 Зубчатая рамка и зубчатое колесо относительно друг друга, кроме свободы продольного, дополнительно, имеют и свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения. Это значит, что в первом исполнении ось вращения зубчатого колеса неподвижна в корпусе, а свободу продольного и поперечного возвратно-поступательного перемещения (качания) относительно оси вращения зубчатого колеса имеет зубчатая рамка. Во втором исполнении зубчатая рамка имеет только свободу продольного возвратно-поступательного движения, а свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения относительно оси симметрии зубчатой рамки имеет зубчатое колесо.

1.4 Зубчатая рамка и зубчатое колесо в крайних положениях поперечного перемещения фиксируются контактом кулачка и продольного упора на время перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке противоположной стороны рамки.

1.5 Количество зубьев каждой из зубчатых реек равно количеству зубьев, нарезанных на половине диска зубчатого колеса.

1.6 Зубчатые рейки рамки и продольные упоры выполняются линейными или в форме дуг равной кривизны.

На фиг.1 показан продольный разрез устройства преобразования движения в первом исполнении, где зубчатая рамка имеет как свободу продольного возвратно-поступательного движения, так и свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения (качания), а ось вращения зубчатого колеса неподвижна относительно корпуса. На фиг. 2 показан вариант второго исполнения устройства, в котором свободу относительного поперечного возвратно-поступательного перемещения имеет зубчатое колесо.

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (фиг.1,фиг.2) включает в себя зубчатое колесо 1, которое находится в постоянном зацеплении с зубчатой рамкой 2. Зубчатая рамка 2 по форме выполнена состоящей из двух зубчатых реек равной длины и двух опорных полуокружностей равного радиуса. Радиус полуокружностей рамки всегда больше наружного радиуса окружности зубчатого колеса 1 на величину, равную половине высоты зуба. Зубчатая рамка соединена с подвижным корпусом 3 (поршнем) и в первом варианте исполнения имеет в нем свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения (качания), например, относительно оси Z. Во втором варианте исполнения (фиг.2) зубчатая рамка закреплена в корпусе (поршне) 3 неподвижно. Здесь (фиг. 2) свобода поперечного возвратно-поступательного перемещения относительно рамки 2 и корпусов 3, 5 обеспечена оси вращения зубчатого колеса 1. Для данного случая ось вращения зубчатого колеса 1 относительно корпуса 3 во время его движения вверх находится на линии центров вращения А, во время движения вниз - на линии центров вращения В. Ось выходного вала соответствует положению точки С. Передача крутящего момента с зубчатой рамки на выходной вал происходит через узел, допускающий параллельное смещение осей (торсион, муфта, кардан и т.п.).

Подвижный корпус 3 (поршень) (фиг.1, фиг.2) помещен в неподвижный корпус 5 и имеет в нем свободу продольного возвратно-поступательного движения. Для фиксации крайнего левого и крайнего правого положения зубчатой рамки 2 относительно зубчатого колеса 1 (фиксация размера L по фиг.1 и фиг.2), зубчатое колесо 1 на части диска по наружному радиусу имеет кулачок, а по длине зубчатых реек закреплены продольные упоры 4.

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (фиг.1, фиг.2) работает следующим образом.

В процессе вращения (по стрелке) зубчатого колеса 1, находящегося по схеме фиг.1 в зацеплении с левой зубчатой рейкой рамки 2, подвижный корпус 3 (поршень) с помещенной в нем зубчатой рамкой 2 движется вверх. В момент перехода зубчатого колеса 1 с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки 2 происходит резкое замедление скорости перемещения подвижного корпуса 3 (поршня), которая падает до нуля в точке, когда вертикальная ось симметрии зубчатой рамки 2 совпадет с диаметральной линией зубчатого колеса 1. Этот момент соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) для верхнего торца подвижного корпуса 3 (поршня).

Одновременно с переходом зубчатого колеса 1 с участка левой зубчатой рейки на участок нижней полуокружности рамки 2 кулачок на диаметрально противоположной стороне сходит с поверхности продольного упора и накатывается на поверхность полуокружности рамки. Зубчатая рамка оказывается расфиксированной. Начинается поперечное смещение зубчатой рамки 2 в корпусе 3 под действием поперечной составляющей сил, действующих в зацеплении и зоне контакта кулачка зубчатого колеса 1 с зубчатой полуокружностью рамки 2. Поперечное перемещение зубчатой рамки 2 в отмеченной выше точке ВМТ равно половине полного хода в поперечном направлении. От точки ВМТ начинается движение подвижного корпуса 3 (поршня) с зубчатой рамкой 2 в обратном направлении, т.е. вниз, с резким ростом линейной скорости от нулевого значения. Полностью поперечное перемещение заканчивается к моменту перехода зубчатого колеса 1 и кулачка с участка нижней полуокружности на участок правой зубчатой рейки рамки 2, т.е. к моменту совмещения осей симметрии первого зуба рейки и первой впадины колеса. В этой точке зубья зубчатого колеса 1 уже полностью выходят из зацепления с левой зубчатой рейкой и входят в зацепление с правой, а на диаметрально противоположной стороне колеса кулачок оказывается на поверхности продольного упора, фиксируя положение зубчатой рамки 2 относительно зубчатого колеса 1.

Процесс дальнейшего перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке с переходом на верхнюю полуокружность и с нее на левую зубчатую рейку и все происходящие при этом процессы аналогичны описанным.

Непрерывность зацепления зубчатого колеса с зубчатой рамкой по всему периметру обеспечивает плавную, безударную работу устройства, причем параметры зацепления сохраняются постоянными через сохранение постоянным нормального расстояния L между осью вращения зубчатого колеса и делительной линией зубчатой рейки, что является результатом кинематического взаимодействия кулачка с продольными упорами.

Благодаря наличию участков перекатывания кулачка по полуокружностям зубчатой рамки 2 обеспечен градиент падения и роста продольной скорости подвижного корпуса 3 (поршня) при смене направления движения на противоположное, что определяет конечность величины инерционных сил и делает возможным их подбор по приемлемости возникающих нагрузок.

Формула изобретения

1. Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее вращающееся в одном направлении зубчатое колесо или диск с цевками, находящееся в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками подвижной рамки, отличающееся тем, что зубчатые рейки рамки по торцам продолжены опорными полуокружностями с радиусом, большим, чем наружный радиус у вращающегося зубчатого колеса, на величину, равную половине высоты зуба, а зубья на зубчатом колесе нарезаны на части диска, тогда как другая часть диска колеса по наружному радиусу служит кулачком, со способностью перекатывания по поверхности опорных полуокружностей рамки и скольжения по поверхности продольных упоров, причем зубчатая рамка и ось зубчатого колеса относительно друг друга имеют, кроме свободы продольного, свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения, с обеспечением способности фиксации поперечного возвратно-поступательного движения на период перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке при помощи взаимного контакта кулачка зубчатого колеса с продольным упором рамки на стороне, противоположной зубчатому зацеплению.

2. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что длина рабочей поверхности кулачка по периметру дуги равна длине рабочей поверхности продольного упора.

3. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что количество зубьев каждой из зубчатых реек равно количеству зубьев, нарезанных на половине диска зубчатого колеса.

4. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что зубчатые рейки рамки и продольные упоры могут быть выполнены линейными или в форме дуг равной кривизны.

5. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что ось вращения зубчатого колеса неподвижна в корпусе, а зубчатая рамка, кроме свободы продольного, имеет свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения относительно оси вращения зубчатого колеса.

6. Устройство преобразования движения по п. 1, отличающееся тем, что зубчатая рамка зафиксирована в подвижном корпусе и совершает вместе с ним продольное возвратно-поступательное движение, а ось зубчатого колеса имеет свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения относительно оси симметрии зубчатой рамки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2