Патент на изобретение №2180061

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ МЕХАНИЗМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению. Дифференциальный планетарный механизм содержит вал с центральным колесом, входящим в зацепление с планетарным колесом, на полом валу которого диаметрально закреплены роторы с расточками, в которых установлены тела с возможностью свободного движения с первоначальным дебалансом массы со стороны открытой торцовой стенки расточки. Тела парами соединены тягами с возможностью их взаимного перемещения в роторе и полом валу планетарного колеса. Скользящий контакт тел входит в контакт с внутренней поверхностью водила, выполненной из участков, соответствующих траекториям движения скользящего контакта, обеспечивая ускоренное и замедленное движение тел от центра и ускоренное и замедленное движение к центру. При определенных размерах радиусов водила и планетарного колеса мощности на валу водила и центрального колеса будут пропорциональны коэффициенту трения. Увеличена передаваемая мощность. 4 ил.

Дифференциальный планетарный механизм относится к области механики и может быть использован в качестве редуктора для привода машин и механизмов с увеличением передаваемой мощности либо в качестве двигателя с кинематической связью ведомого и ведущего валов с пусковым устройством.

Известен роторный радиально-поршневой двигатель, состоящий из статора с распределительным валом, полости высокого и низкого давлений рабочей среды разделены перегородкой и соединены с его отверстиями, и эксцентрично установленного с возможностью свободного вращения ротора с радиально установленными цилиндрами, поршнями и штоками, входящими в скользящий контакт с внутренней поверхностью статора, а рабочие полости цилиндров соединены отверстиями с внутренними полостями ротора, соответствующими полостям высокого и низкого давлений рабочей среды распределительного вала [1].

Недостатком является малое значение суммарной составляющей центробежных и центросмесительных сил, действующих на внутреннюю поверхность статора в одном направлении при больших значениях сил трения, создающих момент сопротивления вращению ротора, так как каждый поршень входит в контакт с внутренней поверхностью статора.

Наиболее близким решением технической задачи является дифференциальный планетарный механизм, состоящий из вала с центральным колесом, входящим в зацепление с планетарным колесом, закрепленным на оси, установленной с возможностью вращения в корпусе водила с валом, установленным с возможностью вращения в корпусе [2].

Недостатком является невозможность передачи вращающего момента на вал водила.

Целью предлагаемого изобретения является создание вращающего момента на валу водила с увеличением передаваемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что планетарное колесо выполнено в виде венца и закреплено на полом валу, на концах которого закреплены ротора с диаметральными расточками с одной закрытой торцовой стенкой, в которых установлены с возможностью свободного перемещения тела, соединенные парами тягами с возможностью взаимного перемещения в роторе и тягами с растяжками с возможностью их взаимного перемещения в полом валу, и тела установлены с первоначальными дебалансами масс со стороны открытых торцовых стенок расточек с закрепленными скользящими контактами, входящими в контакт с внутренней поверхностью водила, выполненной участками, соответствующими ускоренному и замедленному движению тела в направлении от центра и ускоренному и замедленному движению тел в направлении к центру, причем скользящие контакты тел входят в контакт с внутренней поверхностью водила только на участках с замедленным движением тел в направлении от центра и ускоренным движением тел в направлении к центру, а на остальных участках скользящий контакт движется параллельно внутренней поверхности водила без контакта, и участки, воспринимающие действие скользящего контакта сориентированы по направлению вращения водила, причем чем меньше величина сектора, на котором силы воздействуют на водило, тем больше величины центростремительных сил, а величина центробежных сил изменяется за счет количества тел, так как они выполнены в поперечном разрезе в виде прямоугольника, что позволит увеличить количество тел и их массу.

Центробежные и центростремительные силы, действующие в определенном секторе на внутреннюю поверхность водила, создают суммарную рабочую силу, под действием которой оно будет вращаться, а силы, препятствующие вращению ротора, будут равны сумме центробежных и центростремительных сил, умноженной на коэффициент трения скользящего контакта c внутренней поверхностью водила, значения которого в основном и определяют величину, на которую увеличивается мощность на валу водила по сравнению с мощностью на валу центрального колеса.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг.1 дан общий вид предлагаемого изобретения; на фиг. 2 – схема действующих сил в плоскости вращения детали 12; на фиг.3 – детали поз. 6, 7, 8, 11, 12; на фиг.4 – схема действующих сил на деталь поз.12 в плоскости детали 5.

Предлагаемое устройство состоит из вала 1 с центральным колесом 2, входящим в зацепление с венцом планетарного колеса 3, закрепленного на полом валу 4, соединенного с диаметрально расположенными роторами 5, в которых выполнены диаметральные расточки 6 с одной торцовой стенкой, и в них установлены с возможностью свободного перемещения тела 7 с начальным дебалансом масс со стороны открытых торцовых стенок расточек 6 и соединены парами тягами 8 с возможностью взаимного перемещения в роторе 5 и тягами 9 с растяжками 10 с возможностью взаимного перемещения в полом валу 4, а скользящие контакты 11 тел 7 входят в контакт с внутренней поверхностью 12, выполненной участками: с ускоренным и замедленным движением тел 7 в направлении от центра ротора 5, ускоренным и замедленным движением их к центру, причем скользящий контакт 11 входит в контакт с внутренней поверхностью водила 12 только на участках с замедленным движением тел 7 в направлении от центра ротора 5 и ускоренным движением в направлении к центру ротора, и эти участки расположены соответственно направлению вращения водила 12, установленного с возможностью вращения в корпусе 13.

Устройство согласно предлагаемому изобретению работает следующим образом. При вращении вала 1 с центральным колесом 2 планетарное колесо 3 будет вращаться, и вместе с ним будут вращаться ротора 5 с телами 7, при этом первоначальный дебаланс масс их создает центробежные силы, определяемые по формуле:

где m – первоначальный дебаланс масс,
v_i – скорость вращения центра дебаланса масс,
r_i – радиус центра дебаланса масс.

Под действием этой силы тела 7 будут двигаться в направлении от центра ротора 5 с ускорением, определяемым по формуле:

где m – суммарная масса тел 7.

По мере движения тел 7 будут изменяться величины m, v_i, r_i, следовательно, и величины Р_цбi и а_i.

На участке движения ротора 5 от точки 1 до точки 2 скользящий контакт 11 движется параллельно внутренней поверхности водила 12, следовательно, внутренняя поверхность должна соответствовать траектории движения скользящего контакта 11 и определяется по формуле:

где а_i1-2 – переменное ускорение движения в радиальном направлении тел 7,
t_l-2 – время движения на участке 1-2 траектории.

В точке 2 внутренней поверхности водила 12 скользящий контакт 11 входит в контакт с ней, следовательно, на нее будут действовать следующие силы.

1. Центробежная сила, определяемая по формуле:

где m_i2-3 – изменяющаяся величина дебаланса масс,
v_i2-3 – изменяющаяся величина линейной скорости центра дебаланса масс,
r_i2-3 – изменяющаяся величина радиуса центра дебаланса масс.

2. Центростремительная сила, определяемая по формуле:
P_цс2-3= ma_2-3,
где m – суммарная масса тел 7,
а_2-3 – величина замедления движения тел 7 на участке 2-3, которая определяется по формуле:

где v_k2 – величина скорости тел 7 в радиальном направлении в точке 2 траектории движения,
t_2-3– время движения ротора 5 на участке траектории 2-3.

В точке 3 скорость тел 7 в радиальном направлении становится равной нулю.

Траектория движения скользящего контакта 11 на участке 2-3 определяется по формуле:

где v₂ – скорость движения тел 7 в радиальном направлении,
t_2-3 – время движения ротора 5 на участке траектории 2-3.

На участке траектории 3-4 внутренняя поверхность водила 12 выполнена таким образом, что при вращении ротора 5 скользящий контакт 11 вместе с телами 7 будет двигаться с ускорением в направлении к центру ротора 5, при этом на внутреннюю поверхность водила 12 будут действовать следующие силы.

1. Центробежная сила, определяемая по формуле:

где m_i3-4 – изменяющаяся величина дебаланса масс на участке траектории движения 3-4,
v_i3-4 – изменяющаяся линейная скорость движения центра дебаланса масс,
r_i3-4 – изменяющаяся величина радиуса центра дебаланса масс.

2. Центростремительная сила, определяемая по формуле:
P_цс3-4= ma_3-4,
где m – суммарная масса тел 7,
а_3-4 – ускорение движения тел в радиальном направлении, и оно должно быть таким, чтобы тела 7 получили скорость движения в радиальном направлении в точке 4 траектории достаточную, чтобы при движении на участке 4-1 траектории под действием центробежных сил, действующих на этом участке, в точке 1 скорость стала бы равной нулю.

Если величина а_2-3 равна величине а_3-4, то траектория симметрична относительно точки 3, но эти величины могут быть и не равны.

Траектория движения скользящего контакта 11 на участке 3-4 определяется по формуле:

где t_3-4 – время движения ротора 5 на участке траектории 3-4.

На участке 4-1 траектории движения тела 7, получившие скорость в радиальном направлении под действием центробежных сил, должны остановиться в точке 1. Величина центробежных сил определяется по формуле:

Траектория движения скользящего контакта 11 на участке 4-1 определяется по формуле:

где v₄ – скорость движения тел 7 в радиальном направлении,
t_4-1 – время вращения ротора 5 на этом участке,
а_i4-1 – замедление движения в радиальном направлении на этом участке, которое определяется по формуле:

В точке 1 траектории цикл начинает повторение.

Таким образом, на участке 2-3 и 3-4 на поверхность водила 12 действуют центробежные и горизонтальные составляющие центростремительных сил, которые дают суммарную силу Рр, последняя сила разлагается на радиальную R и тангенсальную Т составляющие силы.

Тангенсальные составляющие силы создают вращающиеся моменты на ротор 5, уравновешивающие друг друга. Радиальные составляющие силы создают рабочую силу, равную векторной сумме всех сил, одновременно действующих на участках 2-3 и 3-4. Эта сила создает вращающий момент на водило 12 и приводит его во вращение.

Возможны три варианта движений.

1. Водило 12 вращается в обратную сторону, чем центральное колесо 2. Из формулы определения угловой скорости планетарного колеса:

где r₁ – радиус центрального колеса 2,
r₂ – радиус планетарного колеса 3,
₁ – угловая скорость колеса 2,
₀ – угловая скорость водила 12
видно, что работа не устойчива, так как при уменьшении ₀ уменьшится ₂, следовательно, уменьшится сила Р_р, восстановление возможно при увеличении угловой скорости
2. Водило 12 вращается в том же направлении, что и центральное колесо, но с большей угловой скоростью. Работа не устойчива, как и в первом варианте.

3. Водило 12 вращается в том же направлении, что и центральное колесо 2, но с меньшей скоростью. Работа устойчива, так как при уменьшении угловой скорости водила 12₀ увеличивается угловая скорость планетарного колеса 3, следовательно, увеличивается рабочая сила Р_р, которая вращает водило.

Под действием рабочей силы Р_р водило 12 будет вращаться, при этом на тела 7 будут действовать центробежные силы F_цбi, которые разлагаются на вертикальную F_цбiв и горизонтальную F_цбiг, воспринимаемые тягами 8, 9 и растяжками 10. Части неуравновешенных вертикальных составляющих сил F_цбiв воспринимаются поверхностями расточек 6 ротора 5, увеличивая силы трения при перемещении тел 7, а горизонтальных составляющих F_цбiг – складываются с центробежными силами Р_цб.

Возможны варианты, когда при вращении водила 12 центральное колесо 2 может остановиться после получения необходимой угловой скорости водила 12 только для 1 и 2 вариантов.

Мощность, необходимая для вращения планетарного колеса 3, а следовательно, и центрального, определяется по формуле:

где P_цбi – сумма радиальных составляющих центробежных сил от всех тел 7, находящихся в скользящем контакте с внутренней поверхностью водила.

_цсi – то же для центростремительных сил,
К_m – коэффициент трения скользящего контакта 11,
v_2-4 – скорость движения скользящего контакта 11 на участке 2-4.

Мощность, полученная на водиле 12, равна

где векторная сумма радиальных составляющих центробежных сил от всех тел 7, находящихся в скользящем контакте с внутренней поверхностью водила,
то же для центростремительных сил,
v₀ – линейная скорость водила.

Отношение

Векторная сумма сил незначительно отличается от алгебраической, так как они отличаются на cos, где угол равен углу между направлением силы и направлением рабочей силы Р_р, и cos колеблется в пределах от 0,7 до 1.

Линейные скорости водила v_о и контакта 11 v_2-4 отличаются также незначительно.

Величина (при коэффициенте трения скольжения 0,001-0,008) будет находиться в пределах 125-1000.

Следовательно, при самых плохих условиях мы получим увеличение мощности в 100 раз, а при разработке скользящего контакта эта величина будет увеличена.

При 1 и 2 вариантах вращения водила 12 и центрального колеса 2 величина v_о может быть больше v_2-4, что также увеличит соотношение мощностей.

Предлагаемое изобретение может быть применено в качестве редукторов с увеличением передаваемой мощности, в качестве самостоятельных двигателей без потребления известных видов энергии при условии отбора мощности от вала водила 12 и передачи ее на вал 1 центрального колеса с наличием пускового устройства.

Литература
1. Н. И. Колпин. Механика машин. Л. : Машиностроение, 1971 г., УДК 534/534.002.5, с. 530-532.

2. П. В. Коваль. Гидравлика и гидропривод горных машин. М.: Машиностроение, 1979 г., УДК 622.233; 621.22 (025.8), с. 95-97.

Формула изобретения

Дифференциальный планетарный механизм, состоящий из вала с центральным колесом, входящим в зацепление с планетарным колесом, установленным с возможностью свободного вращения в корпусе водила, установленного с возможностью свободного вращения в корпусе, отличающийся тем, что, с целью создания вращающего момента на валу водила и усиления передаваемой мощности, планетарное колесо выполнено в виде венца и закреплено на полом валу с диаметрально закрепленными роторами, в которых выполнены диаметральные расточки с одной открытой торцовой стенкой, и рабочие их поверхности выполнены по радиусу водила, в которых установлены с возможностью свободного перемещения тела с первоначальным дебалансом масс со стороны открытой торцовой стенки диаметральных расточек ротора и соединенные парами тягами, с возможностью их взаимного перемещения в роторе, и парами от двух роторов тягами, с растяжками с возможностью взаимного перемещения в полом валу планетарного колеса, а скользящие контакты тел входят в контакт с внутренней поверхностью водила, выполненной из участков, соответствующих траекториям движения тел: ускоренному и замедленному движению от центра ротора, ускоренному и замедленному движению в направлении к центру ротора, причем скользящий контакт входит в контакт с внутренней поверхностью водила только на участках с замедленным движением тел в направлении от центра ротора и ускоренным движением их в направлении к центру ротора, которые сориентированы в сторону вращения водила, а на других участках скользящие контакты движутся параллельно внутренней поверхности водила без контакта.

РИСУНКИ