RU2180062C2

RU2180062C2 - Device for transforming rotary motion into reciprocal motion provided with device for fixing extreme positions of toothed frame

Info

Publication number: RU2180062C2
Application number: RU2000102866/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Ворогушин (KZ); Владимир Александрович Ворогушин; П.А. Шишкин (RU); П.А. Шишкин
Original assignee: Владимир Александрович Ворогушин; Шишкин Павел Андреевич
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2002-02-27

Abstract

FIELD: devices for transforming rotary motion into reciprocal motion. SUBSTANCE: the racks of the frame are conjugated with toothed semicircles of radius larger than radius of the gear on the amount equal or more exceeding half of the tooth height. The frame has longitudinal and lateral reciprocal motion. The extreme positions of the frame are fixed by fixing device containing cam with working surface in shape of arc of the circle and stoppers of the length equal to the length of the cam arc. The stoppers are fixed along the racks length and contact with their working surface with the working surface of the cam. EFFECT: improved design. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения, компрессоростроения, а именно к устройству преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот). The invention relates to the field of engine building, compressor engineering, and in particular to a device for converting rotational motion into reciprocating (and vice versa).

Известны устройства преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащие кривошипно-шатунный механизм; содержащие бесшатунный механизм Баландина (см. С.С.Баландин "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания". Машиностроение. 1972 г. Стр. 19, 20, рис. 13); содержащие вращающийся в одном направлении диск с цевками или зубчатое колесо, находящееся в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками подвижной рамки (см. патент ФРГ 3529921, кл. F 02 B 75/32, 1987 г.; см. "Механизмы". Под ред. С.Н.Кожевникова, Машиностроение, 1976 г., стр. 488, рис. 7.120), содержащие зубчатое колесо, перекатывающееся по зубчатому венцу колбообразного шатуна (см. описание патента ФРГ DE 3230508 А1, кл. F 01 В 9/96, опубл. 23.02.84 г., 12 л.). Known devices for converting rotational motion into reciprocating, containing a crank mechanism; containing the rodless mechanism of the Balandin (see S. S. Balandin "Rodless internal combustion engines". Engineering. 1972, pp. 19, 20, Fig. 13); containing a rotating disk in the same direction with a pin or a gear wheel, which is in alternate engagement with the gear racks of the movable frame (see German patent 3529921, CL F 02 B 75/32, 1987; see "Mechanisms". Ed. S.N. Kozhevnikova, Mechanical Engineering, 1976, p. 488, Fig. 7.120), containing a gear wheel rolling on the ring gear of a bulb-shaped connecting rod (see German patent DE 3230508 A1, class F 01 B 9/96, publ. 02/23/84, 12 liters.).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, содержащее зубчатое колесо, перекатывающееся по зубчатому венцу колбообразного шатуна (см. описание патента ФРГ DE 3230508 А1, кл. F 01 В 9/96, опубл. 23.02.84 г., 12 л.). The closest in technical essence to the proposed technical solution is a device for converting rotational motion into reciprocating, containing a gear wheel rolling on the ring gear of a bulb-shaped connecting rod (see German patent DE 3230508 A1, class F 01 B 9/96, publ. 02/23/84, 12 liters.).

В указанном устройстве поршневой машины имеется шатун, который на колбообразном конце преобразован в зубчатый венец, имеющий форму криволинейного окна. Зубчатый венец находится в зацеплении с зубчатым колесом, сидящим на вале. Зубчатое колесо соединено с кулачком, посаженным на тот же вал. Кулачок взаимодействует с упорами, закрепленными на шатуне. Вращающееся зубчатое колесо перекатывается по периметру зубчатого венца, передает через него окружное усилие и изменяет направление движения возвратно-поступательного устройства. При этом работа описанного устройства в принципе невозможна без строгого указания на форму и требуемые пропорции между основными сопрягаемыми поверхностями деталей. Без определения этих признаков не обеспечивается постоянство параметров зацепления механизма, невозможно обеспечить плавность и безударность его работы в той мере, в которой становится допустимым его использование в двигателях внутреннего сгорания; компрессорах; устройствах, где действуют большие механические усилия и имеют место высокие скорости поступательного и вращательного движения. In the specified device of the piston machine there is a connecting rod, which at the bulbous end is transformed into a ring gear having the shape of a curved window. The gear ring is meshed with the gear sitting on the shaft. The gear wheel is connected to a cam mounted on the same shaft. The cam interacts with the stops mounted on the connecting rod. A rotating gear wheel rolls around the perimeter of the ring gear, transmits a circumferential force through it and changes the direction of movement of the reciprocating device. Moreover, the operation of the described device is in principle impossible without a strict indication of the shape and the required proportions between the main mating surfaces of the parts. Without the determination of these signs, the gearing parameters of the mechanism are not constant, it is impossible to ensure the smoothness and shocklessness of its operation to the extent that its use in internal combustion engines becomes permissible; compressors; devices where large mechanical forces act and high speeds of translational and rotational motion take place.

Отмеченные недостатки описанного устройства не позволяют реализовать конструктивные и технологические преимущества данного типа устройств, обусловленные отсутствием шатунов и коленчатого вала. The noted disadvantages of the described device do not allow to realize the structural and technological advantages of this type of device due to the lack of connecting rods and crankshaft.

Задачей изобретения является определение пропорций и необходимых технических условий, при которых обеспечивается непрерывность, безударность зацепления и постоянство его основных параметров для любого момента времени цикла с учетом требований, предъявляемых к быстроходным механизмам. The objective of the invention is to determine the proportions and the necessary technical conditions under which continuity, shockless engagement and the constancy of its main parameters for any moment of the cycle are ensured, taking into account the requirements for high-speed mechanisms.

Решение поставленной задачи достигается тем, что зубчатые полуокружности рамки выполнены с радиусом большим, чем у вращающегося зубчатого колеса на величину, равную или превышающую половину высоты зуба, а самой зубчатой рамке обеспечена возможность поперечного возвратно-поступательного перемещения с фиксацией своих крайних положений при помощи кулачкового механизма, у которого по длине зубчатых реек закреплены линейные упоры с возможностью опорного контакта своих рабочих поверхностей с рабочей поверхностью кулачка. При этом приняты условия, согласно которым длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка равна длине рабочих поверхностей линейных упоров, а количество зубьев подвижной зубчатой рамки в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе. The solution to this problem is achieved by the fact that the gear semicircles of the frame are made with a radius greater than that of the rotating gear by an amount equal to or greater than half the height of the tooth, and the gear frame itself is provided with the possibility of transverse reciprocating movement with the fixation of its extreme positions using the cam mechanism in which linear stops are fixed along the length of the gear racks with the possibility of supporting contact of their working surfaces with the working surface of the cam. In this case, the conditions are accepted according to which the length of the working surface along the perimeter of the cam arc is equal to the length of the working surfaces of the linear stops, and the number of teeth of the movable gear frame is two times the total number of teeth on the gear wheel.

По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение характеризуется следующими новыми существенными признаками. Compared with the prototype of the claimed technical solution is characterized by the following new significant features.

- Зубчатые полуокружности рамки выполнены с радиусом делительной окружности большим, чем у делительной окружности вращающегося зубчатого колеса на величину, равную или превышающую высоту половины зуба. - The gear semicircles of the frame are made with a radius of the pitch circle greater than that of the pitch circle of the rotating gear by an amount equal to or greater than the height of half the tooth.

- Зубчатая рамка установлена в подвижном корпусе с возможностью поперечного возвратно-поступательного перемещения. - The gear frame is mounted in a movable housing with the possibility of transverse reciprocating movement.

- Зубчатая рамка имеет возможность фиксации своих крайних положений на время перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке одной из сторон рамки. - The gear frame has the ability to fix its extreme positions while rolling the gear on the gear rack on one side of the frame.

- Длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка равна длине рабочей поверхности линейного упора. - The length of the working surface around the perimeter of the cam arc is equal to the length of the working surface of the linear stop.

- Количество зубьев зубчатого венца рамки в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе. - The number of teeth of the ring gear is two times the total number of teeth on the gear.

На Фиг.1 показан продольный разрез устройства преобразования движения по плоскости зацепления зубчатой рамки и зубчатого колеса. На Фиг.2 показан продольный разрез устройства фиксации по плоскости действия его кулачкового механизма. Figure 1 shows a longitudinal section of a device for converting movement along the plane of engagement of the gear frame and the gear wheel. Figure 2 shows a longitudinal section of a locking device along the plane of action of its cam mechanism.

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (Фиг.1) 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 зубчатых полуокружностей равного радиуса. Радиус делительной окружности зубчатых полуокружностей всегда больше радиуса делительной окружности зубчатого колеса 1 на величину, равную или превышающую половину высоты зуба. Зубчатая рамка помещена в подвижный корпус 3 и имеет в нем свободу поперечного возвратно-поступательного перемещения, например, по направляющим цапф 4. Подвижный корпус 3 помещен в неподвижный корпус 5 и имеет в нем свободу продольного возвратно-поступательного движения. Для фиксации крайнего верхнего и крайнего нижнего положения зубчатой рамки 2 (фиксация размера L по Фиг.1) в устройстве имеется механизм фиксации, например электромагнитный, гидравлический, механический (на Фиг.1 не показан), или предлагаемое устройство фиксации, изображенное на Фиг.2. A device for converting rotational motion into reciprocating (Figure 1) includes a gear wheel 1, which is in constant engagement with the gear frame 2. The gear frame 2 in shape is made up of two gear racks of equal length and two gear semicircles of equal radius. The radius of the pitch circle of the gear semicircles is always greater than the radius of the pitch circle of the gear 1 by an amount equal to or greater than half the height of the tooth. The gear frame is placed in the movable housing 3 and has freedom of lateral reciprocating movement in it, for example, along the guide pins 4. The movable housing 3 is placed in the stationary housing 5 and has freedom of longitudinal reciprocation in it. To fix the extreme upper and lowermost positions of the gear frame 2 (fixing the size L in FIG. 1), the device has a locking mechanism, for example, electromagnetic, hydraulic, mechanical (not shown in FIG. 1), or the proposed locking device shown in FIG. 2.

Устройство фиксации крайних положений зубчатой рамки при поперечном перемещении (Фиг.2) включает в себя кулачок в виде сектора окружности 6, у которого рабочей поверхностью является дуга сектора окружности. Кулачок 6 и зубчатое колесо 1 посажены на одну и туже ось - ось вращения вала и неподвижны относительно друг друга. По длине зубчатых реек закреплены линейные упоры 7, поверхности которых, обращенные к оси симметрии зубчатой рамки, являются рабочими. Длина рабочей поверхности по периметру дуги кулачка 6 равна длине рабочей поверхности линейного упора 7. Количество зубьев зубчатого венца рамки 2 в два раза больше полного количества зубьев на зубчатом колесе 1. Зубчатое колесо 1 с кулачком 6 введены в зацепление с зубчатой рамкой 2 таким образом, чтобы горизонтальная ось симметрии зубчатой рамки 2 совпадала с осью симметрии Х-Х кулачка 6. Это положение зубчатого колеса 1 соответствует мертвым точкам зацепления (ВМТ-НМТ). The device for fixing the extreme positions of the gear frame during lateral movement (Figure 2) includes a cam in the form of a sector of a circle 6, in which the working surface is an arc of a sector of a circle. Cam 6 and gear 1 are mounted on the same axis — the axis of rotation of the shaft and are stationary relative to each other. Along the length of the gear racks, linear stops 7 are fixed, the surfaces of which, facing the axis of symmetry of the gear frame, are working. The length of the working surface along the perimeter of the arc of the cam 6 is equal to the length of the working surface of the linear stop 7. The number of teeth of the ring gear of the frame 2 is twice the total number of teeth on the gear 1. The gear 1 with the cam 6 is engaged with the gear frame 2 in such a way so that the horizontal axis of symmetry of the gear frame 2 coincides with the axis of symmetry X-X of the cam 6. This position of the gear 1 corresponds to the dead points of engagement (TDC-BDC).

Устройство преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (Фиг.1) работает следующим образом. A device for converting rotational motion into reciprocating (Figure 1) works as follows.

В процессе вращения (по стрелке) зубчатого колеса 1, находящегося по схеме Фиг.1 в зацеплении с нижней зубчатой рейкой рамки 2, подвижный корпус 3 с помещенной в нем зубчатой рамкой 2 движется влево. В момент перехода зубчатого колеса 1 с участка нижней зубчатой рейки на участок зубчатой полуокружности рамки 2 происходит резкое замедление скорости перемещения подвижного корпуса 3, которая падает до нуля в точке, когда горизонтальная ось симметрии зубчатой рамки 2 совпадет с диаметральной линией зубчатого колеса 1. Этот момент соответствует верхней мертвой точке (ВМТ) для левого торца подвижного корпуса 3 и нижней мертвой точке (НМТ) для правого. In the process of rotation (in the direction of the arrow) of the gear 1, which is in accordance with the diagram of FIG. 1 in engagement with the lower gear rack of the frame 2, the movable housing 3 with the gear frame 2 placed therein moves to the left. At the moment of transition of the gear wheel 1 from the portion of the lower gear rack to the portion of the gear semicircle of the frame 2, there is a sharp slowdown in the speed of movement of the movable housing 3, which drops to zero at the point when the horizontal axis of symmetry of the gear frame 2 coincides with the diametrical line of gear 1. This moment corresponds to top dead center (TDC) for the left end of the movable housing 3 and bottom dead center (BDC) for the right.

Одновременно с переходом зубчатого колеса 1 с участка зубчатой рейки на участок зубчатой полуокружности рамки 2 начинается поперечное смещение зубчатой рамки 2 в корпусе 3 под действием поперечной составляющей силы, действующей в зацеплении зубчатого колеса 1 с зубчатой полуокружностью рамки 2. Поперечное перемещение зубчатой рамки 2 в отмеченной выше точке ВМТ-НМТ равно половине полного хода в поперечном направлении. Полностью поперечное перемещение заканчивается в момент перехода зубчатого колеса 1 с участка зубчатой полуокружности на участок верхней зубчатой рейки рамки 2. В этот момент зубья зубчатого колеса 1 уже полностью выходят из зацепления с нижней зубчатой рейкой и входят в зацепление с верхней. От отмеченной выше точки ВМТ-НМТ начинается движение подвижного корпуса 3 с зубчатой рамкой 2 в обратном направлении, т. е. вправо, с резким ростом линейной скорости от нулевого значения. Процесс дальнейшего перекатывания зубчатого колеса по зубчатой рейке с переходом на левую зубчатую полуокружность и с нее на нижнюю зубчатую рейку и все, происходящие при этом процессы, аналогичны описанным. Simultaneously with the transition of the gear 1 from the gear rack to the gear semicircle section of the frame 2, the lateral displacement of the gear frame 2 in the housing 3 begins under the action of the transverse component of the force acting in the engagement of the gear 1 with the gear semicircle of the frame 2. Transverse movement of the gear frame 2 in the marked above the point of TDC-BDC is equal to half the full stroke in the transverse direction. The completely transverse movement ends at the moment of the transition of the gear 1 from the portion of the gear semicircle to the portion of the upper gear rack of the frame 2. At this moment, the teeth of the gear 1 already completely disengage from the lower gear and mesh with the top. From the above TDC-BDC point, the movement of the movable housing 3 with the toothed frame 2 begins in the opposite direction, i.e., to the right, with a sharp increase in linear velocity from zero. The process of further rolling the gear on the gear rack with the transition to the left gear semicircle and from it to the lower gear rack and all the processes that occur during this process are similar to those described.

Устройство фиксации крайних положений зубчатой рамки при поперечном перемещении (Фиг.2) работает следующим образом. The device for fixing the extreme positions of the gear frame during lateral movement (Figure 2) works as follows.

В процессе вращения зубчатого колеса 1, находящегося в постоянном зацеплении с зубчатой рамкой 2, происходит его поочередный переход с одной зубчатой рейки на другую через зубчатые полуокружности. При этом, благодаря равенству длины рабочих поверхностей кулачка и линейного упора, при перекатывании зубчатого колеса 1 по зубчатой рейке одной стороны на диаметрально противоположной стороне в любой момент времени всегда имеется опорный контакт между рабочими поверхностями кулачка 6 и линейного упора 7, что и обеспечивает фиксацию зубчатой рамки 2 от поперечного перемещения. В момент перехода зацепления с зубчатой рейки на зубчатую полуокружность (точка В₂) кромка В₁ кулачка 6 сближается с кромкой линейного упора А₁ и, минуя ее, снимает фиксацию зубчатой рамки 2, которая начинает смещаться вниз под действием поперечной составляющей силы, действующей в зацеплении зубчатого колеса 1 и зубчатой полуокружности рамки 2. Процесс смещения рамки сопровождается сближением ее горизонтальной оси симметрии с осью симметрии Х-Х кулачка 6. Момент их совпадения соответствует точке ВМТ-НМТ. В данной точке подвижный корпус 3 имеет нулевую поступательную скорость, зубчатая рамка прошла половину хода смещения, а кулачок 6 расположен симметрично относительно арки зубчатой полуокружности и линейных упоров. При этом кромки В₁ и В₂ кулачка 6 своими торцами контактируют с торцами кромок A₁ и А₂ линейных упоров 7, обеспечивая дополнительную кратковременную фиксацию подвижного корпуса 3 от продольного смещения на время перехода зубчатого колеса 1 с одной зубчатой рейки на другую.In the process of rotation of the gear wheel 1, which is in constant engagement with the gear frame 2, it alternately passes from one gear rack to another through the gear semicircles. Moreover, due to the equality of the length of the working surfaces of the cam and the linear stop, when rolling the gear 1 along the gear rack of one side on the diametrically opposite side at any time, there is always a contact contact between the working surfaces of the cam 6 and the linear stop 7, which ensures the fixation of the gear frames 2 from lateral movement. At the moment of gearing transition from a gear rack to a gear semicircle (point В ₂ ), the edge В _{1 of the} cam 6 approaches the edge of the linear stop А ₁ and, bypassing it, removes the fixation of the gear frame 2, which begins to shift down under the action of the transverse component of the force acting in meshing of the gear 1 and the gear semicircle of the frame 2. The process of shifting the frame is accompanied by the convergence of its horizontal axis of symmetry with the axis of symmetry X-X of cam 6. The moment of coincidence corresponds to the point of TDC-BDC. At this point, the movable housing 3 has a zero translational speed, the gear frame has passed half the bias stroke, and the cam 6 is located symmetrically with respect to the arch of the gear semicircle and linear stops. The edges B ₁ and B _{2 of the} cam 6 are in contact with the ends of the edges A ₁ and A _{2 of the} linear stops 7, providing additional short-term fixation of the movable housing 3 from longitudinal displacement during the transition of the gear 1 from one gear rack to another.

Прохождение точки ВМТ-НМТ сопровождается дальнейшим поперечным перемещением зубчатой рамки на оставшуюся половину хода смещения; подвижный корпус 3 начинает продольное движение в обратном направлении; зубчатое колесо 1, перекатываясь далее по арке зубчатой полуокружности, достигает точки перехода на зубчатую рейку, где кромка В₁ кулачка занимает такое же положение, что и кромка В₂ на Фиг.2. В свою очередь кромка В₂ огибает кромку А₂ линейного упора и выходит на его рабочую поверхность (т.е. положение кромки B₂ аналогично положению кромки В₁ на Фиг.2). С этого момента зубчатая рамка 2 вновь оказывается зафиксированной; зубчатое колесо 1 перекатывается по зубчатой рейке; кулачок, совершая встречное вращательное движение, скользит по рабочей поверхности линейного упора; подвижный корпус 3 движется вправо. К концу периода перекатывания зубчатого колеса 1 по зубчатой рейке линия контакта между кулачком и линейным упором проходит всю длину рабочей поверхности кулачка и линейного упора одновременно. При этом кулачок оказывается развернутым на 180^o (зеркальное изображение Фиг.2) и весь описанный процесс перемещения рамки в обратном направлении и ее фиксации повторяется.The passage of the TDC-BDC point is accompanied by a further transverse movement of the gear frame to the remaining half of the displacement stroke; the movable housing 3 begins longitudinal movement in the opposite direction; gear 1, rolling further along the arch of the gear semicircle, reaches the transition point to the gear rack, where the cam edge B ₁ occupies the same position as the edge B ₂ in FIG. 2. In turn, the edge B ₂ goes around the edge A _{2 of the} linear stop and goes to its working surface (i.e., the position of the edge B _{2 is} similar to the position of the edge B ₁ in FIG. 2). From this moment, the gear frame 2 is again fixed; gear 1 rolls on a gear rack; the cam, making an oncoming rotational movement, slides along the working surface of the linear stop; the movable housing 3 moves to the right. By the end of the rolling period of the gear 1 along the gear rack, the contact line between the cam and the linear stop runs the entire length of the working surface of the cam and the linear stop at the same time. In this case, the cam is turned 180 ^° (mirror image of FIG. 2) and the entire described process of moving the frame in the opposite direction and fixing it is repeated.

Выдерживание найденных пропорций и формы сопрягаемых поверхностей зубчатого колеса и зубчатой рамки для любого момента движения обеспечивает постоянство параметров зацепления, плавную и безударную работу быстроходного механизма, что позволяет реализовать в компрессорах и двигателях внутреннего сгорания преимущества устройства, обусловленные отсутствием коленчатого вала. Maintaining the found proportions and the shape of the mating surfaces of the gear wheel and the gear frame for any moment of movement provides constant gearing parameters, smooth and shockless operation of the high-speed mechanism, which makes it possible to realize the advantages of the device in compressors and internal combustion engines due to the absence of a crankshaft.

Claims

1. A device for converting rotational motion into reciprocating, containing a movable gear frame made in the form of two gear racks, mated at the ends by serrated semicircles, a gear mounted on the shaft with the possibility of rotation in one direction and with the possibility of alternating engagement with gear racks, and a device for fixing the positions of the gear frame, including a cam mounted on the shaft of the gear wheel and having the shape of a working surface in the form of an arc of a circle, characterized in that the movable gear frame is installed with the possibility of transverse reciprocating movement and with the possibility of fixing in extreme positions, and the gear semicircles of the frame are made with a radius of a large radius of the gear wheel.

2. The motion conversion device according to claim 1, characterized in that the radius of the pitch circle of the gear semicircles is greater than the radius of the pitch circle of the gear by an amount equal to or greater than half the height of the tooth.

3. A device for fixing the extreme positions of the transverse movement of the gear frame with gear racks mounted with the possibility of engagement with the gear mounted on the shaft, containing a cam with the shape of the working surface in the form of an arc of a circle mounted on the gear shaft with the ability to maintain a constant distance from the dividing line gear rack to the axis of rotation of the gear wheel, characterized in that it is equipped with linear stops fixed along the length of the gear racks with the possibility of supporting contact and its working surfaces with the working surface of the cam.

4. The fixing device according to claim 3, characterized in that the length of the working surface along the perimeter of the cam arc is equal to the length of the working surfaces of the linear stops.

5. The fixing device according to claim 3, characterized in that the number of teeth of the movable gear frame is two times the total number of teeth on the gear wheel.