UA135744U - Генератор вектора тяги для транспортного засобу - Google Patents

Abstract

Генератор вектора тяги для транспортного засобу містить платформу, що взаємодіє з опорною поверхнею, встановлену на ній раму, зубчасті колеса, розташовані на осях, та привод обертання. Додатково введена куліса, з закріпленим на її кінці дебалансом. Куліса рухливо з’єднана з сателітом за допомогою пальця, закріпленого ексцентрично на останньому. Закон руху куліси задається планетарним механізмом. Механізм перетворення у спрямований рух виконаний у вигляді системи, що складається зі сполученої пари планетарних передач з дебалансами з можливістю їх обертання у площині, перпендикулярній осі обертання та з можливістю переміщення в протилежних напрямках.

Description

Корисна модель належить до транспортної техники, зокрема до інерційних рушіїв транспортних засобів.

З рівня техніки відомі різні механічні пристрої перетворення сил інерції обертових дебалансів у спрямований рух. Дебаланс являє собою неврівноважену ланку, що обертається, та передає центробіжну силу на підшипники свого валу. При цьому величина векторної сили тяги та її напрям визначаються законом руху незрівноваженої ланки.

Відомий спосіб отримання інерційного руху, що реалізований у пристрої, в якому сила інерції створюється за рахунок двох однакових ексцентриків, які обертаються у різні сторони синхронно та синфазно (А.С. СРСР Мо15124, В630О 57/00, опубл. 1962 р.). Недолік відомого способу полягає в тому, що на корпус транспортного засобу передається вібрація від збудника коливань.

Відомий спосіб отримання інерційного руху, що реалізований у пристрої, що полягає в тому, що вібраційна сила створюється дебаласним вібратором, який містить два ексцентрики, що синхронно та синфазно обертаються у протилежні сторони з подальшою передачею вібраційної сили на механізм пересування за допомогою механічної передачі (А.С. СРСР Мо 939817, ЕОЗСа 3/00, опубл. 30.06.82).

Недоліками відомого способу і пристрою, що виконаний згідно з ним, є підвищена вібрація, що передається на транспортний засіб, складність механічної передачі, низький ККД та надійність. Крім цього відомі способи не дозволяють отримувати високі швидкості руху та регулювати швидкість переміщення в широкому діапазоні.

Відомий спосіб отримання сили, що викликає рух транспортного засобу, який реалізований в пристрої що містить два дебалансних вібратори, встановлених на спільній жорсткій осі паралельно продольній осі транспортного засобу (заявка ЕВ Мо 2630784, РОЗО 3/00, пріор. 1989 р.). В цьому способі більш досконалий механізм передачі діючої сили на опору. Однак йому притаманні ті ж недоліки, що й для описаних раніше способів.

Широко застосовуються віброзбуджувачі з інерційним елементом, який звичайно виконаний у вигляді дебаланса. З цією метою часто використовують механізм зі зворотно-поступальним рухом дебалансу. В основному це планетарний механізм. (Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение 1981. - 438 с.).

Зо Відома ударно-вібраційна машина з кількома виконавчими пристроями, які здійснюють складний рух для приводу шліфувальних кругів, що здійснюють сполучений планетарний рух.

Тягова сила віброрушія на планетарній передачі носить імпульсний характер та спрямована вздовж осі симетрії системи. Ця сила частково знакозмінна, що позначається на характері руху.

Його можна охарактеризувати як два кроки вперед і один крок назад. Тим не менше, даний пристрій здійснює поступальний рух вздовж осі симетрії системи (Крайнев А. Ф. Словарь- справочник по механизмам. - М.: Машиностроение 1981. - 438 с.).

Аналогічні властивості присутні й іншим віброрушіям на планетарних передачах. Також ці вібратори мають малий спектр збуджуваних вібраційних коливань, що обмежує можливість отримання вектора тяги великої сили.

Відома тягова вібромашина (Пат. КО Мо 2448013, публ. 2012 р.) для отримання пульсуючої сили тяги одного напрямку й прикладеної до єдиної основи. У цій тяговій вібромашині на основі встановлені чотири віброзбуджувачі та приводний двигун, вал якого зв'язаний з вхідними валами віброзбуджувачів конічною зубчастою передачею, при цьому основа за допомогою пружнього та демпфуючого зв'язків з'єднана з рамою машини, а у корпусі віброзбуджувача на двох опорах шарнірно встановлений вхідний вал, в якому перпендикулярно його осі розміщена вісь сателітів, на кінцях якої жорстко закріплені дві незрівноважені маси, центр ваги яких знаходиться на певній відстані від осі сателітів та від осі вхідного вала віброзбуджувача, при цьому два конічних зубчастих сателіти розташовані на осі сателітів симетрично від вхідного вала віброзбуджувача й входять в зачеплення з конічною шестірнею, що закріплена нерухомо на корпусі віброзбуджувача та має число зубців, рівне числу зубців конічних зубчастих сателітів, причому один з сателітів встановлений шарнірно на осі сателітів, а другий закріплений жорстко на цій осі, при цьому незрівноважені маси в кожному віброзбуджувачі встановлені синфазно й оппозитно одна до одної.

Відомий інерційний рушій для транспортного засобу (Пат. ВО Мо 2066398. публ. 2012 р.), який використовує особливості поступально-криволінійного обертання дисків-маховиків, які ковзають всередині обертових по колу опорних кілець й одночасно ковзають по осям обертання дисків у прямолінійному прорізі в кожному диску. Зворотня складова тягового зусилля теоретично відсутня повністю. При цьому пульсації результуючої тяги принципово не переборні.

Механічна передача енергії для одночасного руху опорних кілець по колу, дисків по внутрішній бо поверхні опорних кілець та одночасно дисків поступально вздовж осей їх обертання відрізняється складністю. Електрична передача цих трьох різних одночасних рухів також ускладнена, оскільки потребує самої жорсткої синхронізації всіх рухів.

Відомий інерційний рушій пристрою (Патент КО Ме 2293037, 2007 р.). Він належить до планетарних механізмів для перетворення енергії обертального руху у поступальне переміщення пристроїв.

Відомий рушій та спосіб його переміщення (Пат. ВО Мо 2460661. публ. 2012 р.), який прийнято за найближчий аналог, і також належить до планетарних механізмів для перетворення енергії обертального руху дебалансу у поступальний рух пристроїв. При обертанні шестерень сателітів з закріпленими на них дебалансами навколо сонячної шестірні змінюється положення дебалансів. Рушій містить платформу, що взаємодіє з опорною поверхнею. На платформі встановлені рама, зубчасті колеса з вантажами, розташованими на осях водила, та привод обертання. В рамі встановлений вал з центральним зубчастим колесом, зв'язаним зі згаданими зубчастими колесами з вантажами. Центральне зубчасте колесо та зубчасті колеса з вантажами мають однаковий діаметр. Центри ваги вантажів розташовуються на радіальній осі центрального зубчастого колеса на максимальній та мінімальній відстані від його осі обертання.

Даний пристрій формує спрямовану силу тяги, але, як і всі вище розглянуті пристрої, має низький ККД, тому що отримання корисної тягової сили супроводжується протидією обертанню елементів пристрою складових сил інерції дебалансів, що обертаються.

Недоліками перерахованих аналогів є низький ККД, зумовлений наявністю моменту сили інерції, який протидіє збуджуючій силі й тим самим знижує амплітуду механічних коливань, а також надмірна складність конструкції пристроїв, низькі експлуатаційні характеристики: мала сумарна тяга, підвищені вібрації і т.і. Як наслідок, можливо не контрольована зміна умов синхронного руху має або значні витрати на виготовлення та експлуатацію пристроїв. В результаті техніко-економічна ефективність подібних рушіїв стає неприйнятно низькою для рішення практичних задач по отриманню спрямованого вектора тяги.

В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити генератор вектора тяги для транспортного засобу на базі механізму планетарної передачі, усунути протидіючі збуджуючій силі моменти інерції, щоб покращити енергетичні перетворення при переході від амплітудної модуляції коливань до частотної, щоб підвищити ККД, надійність, збільшити регульовочні

Зо властивості у широкому діапазоні швидкостей.

Поставлена задача вирішується тим, що в генератор вектора тяги для транспортного засобу, що містить платформу, що взаємодіє з опорною поверхнею, встановлену на ній раму, зубчасті колеса, розташовані на осях, та привод обертання, згідно з корисною моделлю, додатково введена куліса з закріпленим на її кінці дебалансом, причому куліса рухомо з'єднана з сателітом за допомогою пальця, закріпленого ексцентрично на останньому, закон руху куліси задається планетарним механізмом, механізм перетворення у спрямований рух виконаний у вигляді системи, що складається зі сполученої пари планетарних передач з дебалансами з можливістю їх обертання у площині, перпендикулярній осі обертання та з можливістю переміщення в протилежних напрямках.

Згідно з корисною моделлю, генератор вектора тяги може бути побудований на планетаному механізмі різного типу (звичайний, двосателітний та ін.).

Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями (фіг. 1-5).

На фіг. 1 представлений загальний вигляд основного вузла генератора вектора тяги з використанням простої планетарної передачі та його векторна діаграма тяги.

Основний вузел генератора вектора тяги на механізмі простої планетарної передачі складається з корпусу 1 масою М, однієї сонячної шестірні 2 та однієї шестірні сателіта З з водилом 4 та пальцем 5, що введений в зачеплення з вільно обертовою кулісою 6, яка має радіус В, на кінці якої закріплений дебаланс 7 масою т. Куліса 6 взаємодіє з сателітом З через водило 4 та палець 5, що встановлений ексцентрично на сателіті 3. Закон руху куліси 6 задається обертанням сателіта З навколо сонячної шестірні 2, жорстко закріпленої на корпусі пристрою 1.

Цей пристрій реалізує генератор фазових механічних коливань з грибоподібною векторною діаграмою тяги.

Працює генератор вектора тяги наступним чином:

При обертанні водила 4 відбувається обкатування шестірні сателіта З навколо сонячної шестірні 2. Разом з водилом 4 обертається закріплений на шестірні сателіта З палець 5 та приводить в обертання кулісу 6 з закріпленим на її кінці дебалансом 7. Сама ж куліса 6 за рахунок обертання разом з шестірнею сателіта З та пальцем 5 виконує роль повзуна. Це забезпечує появлення крутильних коливань 8() дебалансу 7 й одночасно змінює статичний 60 момент маси т дебалансу 7 відносно осі обертання Ох водила 4. Період коливань дебалансу 7 дорівнює періоду обертання шестірні сателіта З навколо своєї осі, а кутова швидкусть 8) змінюється за законом руху пальця 5 шестірні сателіта 3. Розмах крутильних коливань В в процесі руху не змінюється, а кутова швидкість його обертання 8) змінюється й залежить від радіусу кривошипу г. Під кривошипом розуміється відстань г від осі обертання Оз шестірні сателіта З до пальця 5. Зі збільшенням довжини цього кривошипу девіація кутової швидкості збільшується.

Чим більше радіус г фіксації пальця 5 на шестірні сателіта 3, тим більше девіація кутової швидкості куліси 8(І) й тим більше амплітуда Ре збуджуємих механічних коливань закріпленим на кінці куліси 6 дебалансом 7.

Вектор результуючої тягової сили розраховується за відомими математичними формулами теорії коливань. В електоромеханічній аналогії динамічний стан системи характеризується узагальненими координатами та їх похідними (Вульфсон И.И. Краткий курс теории механических колебаний / И.И. Вульфсон - Библиотека ВНТР. - М.: ВНТР, 2017. - 241 с.).

Амплітудно-фазові співвідношення для отримання частотної модуляції механічних коливань для даного варіанта реалізації мають наступний вигляд:

Узагальнені координати руху точкової маси визначаються співвідношеннями: х(О - Ксо56(О, у(0 - К5іпб(); (1) тут у(), х()) - функції руху дебалансу 7 за координатам у и х; В - радіус обертання дебалансу 7; 8()) - миттєва поточна фаза коливань дебалансу 7.

Узагальнені прискорення мають вигляд: х"(О - ах - - К82()со59(О. У" - ау - - К9У2(О5іпб(; (2)

Сила, що збуджує зміщення дебалансу 7 до центру його обертання, визначазться з закону

Ньютона ЕБ-та:

ЕХО - тх"(О - тах - - тк92(Одсо56(О; РО -ту"(О - тау - - тк92()5іп9(О. (3)

Сила підсосу середовища або центробіжна сила Ре спрямована від центру обертання дебалансу 7, тому у виразі (3) необхідно змінити знак з (-) на (ж):

РХ( - - Ех() - ткК925()со58(); РУ - - ЕД - те92()5іпб(О. (4)

Вектор сили тяги та його напрямок визначається зі співвідношень:

Ре - РХ() / со56 - т92(Ю; Ре - РУ()) / 5іпб(Ю) - т92(О). (5)

Зо Момент інерції Те ортогонального вектора сили тяги Ре й для будь-якого положення вихідної ланки дорівнює нулю:

Те - 0. (6)

Зі співвідношень (5) і (б) випливає, що запропонований генератор вектора тяги, побудований на механізмі простої планетарної передачі, що здійснює кінематичний закон руху вихідної ланки, являє собою генератор частотно-модульованих механічних коливань, в якому відсутні сили протидії збуджуючому моменту сили.

Зміну поточної миттєвої фази коливань 8() можна представити у наступному вигляді:

О() - ої - До - оц - ДОМОМ.

Враховуючи, що До - 8(1) - ої, отримаємо 90) - оц -- (90) - Ф0)/ю0). (7)

Підставивши отриманий вираз (6) у співвідношення (5) приведемо вираз (5) до загальноприйнятого вигляду:

Ре - РУ() / 5іпб() - тЕоше(1 -- (94) - об/ю); Ре - РХ() / со58 - тКозг(1 -- (60() - Фб/ою. (8)

Співвідношення (8) дають можливість побудувати діаграму вектора тяги для запропонованого пристрою, фіг. 1, яка має грибовидну форму. При цьому момент інерції, що протидіє збуджуючій механічні коливання силі, дорівнює нулю, Те - 0.

На фіг. 2 представлена кінематична схема основного вузла генератора вектора тяги на механізмі простої планетарної передачі та узагальнені координати руху вихідної ланки.

З теорії коливань відомо, що перехід від амплітудної модуляції до частотної значно покращує енергетичні характеристики для здійснення процессу збудження коливань, що вказує на можливість підвищення ККД запропонованого пристрою у порівнянні з найближчим аналогом за рахунок переходу від методу амплітудного збудження механічних коливань до методу частотного збудження.

Застосування двосателітної планетарної передачі як механізму, що задає кінематичний закон руху вихідної ланки з дебалансом, представляє собою другий варіант реалізації запропонованого генератора вектора тяги. В цьому варіанті реалізації момент інерції, що протидіє збуджуючому моменту, відсутній, чим забезпечується заявлене підвищення ККД пристрою та можливість його роботи у широкому діапазоні швидкостей.

На фіг. З представлений загальний вигляд реалізації генератора вектора тяги на 60 двосателітній планетарній передачі.

Цей пристрій реалізує генератор фазових механічних коливань зі спіралевидною векторною діаграмою тяги.

Працює генератор вектора тяги на механізмі двосателітної планетарної передачі наступним чином:

При обертанні водила 4 відбувається обкатування шестірні сателіта З й сполученої з нею сонячної шестірні 2. Разом з водилом 4 обертається закріплений на шестірні сателіта 3' палець 5 й викликає обертання куліси 6 з закріпленим на її кінці дебалансом 7. Сама ж куліса 6, за рахунок обертання разом з шестірнею сателіта 3' й закріпленим на ній пальцем 5, виконує роль повзуна. Це забезпечує появу крутильних коливань дебалансу 7 й одночасно змінює статичний момент маси т дебалансу 7 відносно осі обертання Ох водила 4. Період коливань дебалансу 7 дорівнює періоду обертання шестерень сателітів З і 3' навколо осі обертання водила 4, а миттєва кутова швидкість 8(ї) змінюється за законом руху пальця 5 шестірні сателіта 3". Розмах крутильних коливань в процесі руху не змінюється, а миттєва кутова швидкість його обертання 69() змінюється й залежить від радіусу кривошипа г. Під радіусом кривошипа г розуміється відстань від центра обертання Оз шестірні сателіта 3 до пальця 5. Зі збільшенням цього кривошипа девіація кутової швидкості 8(1) збільшується.

Чим більше радіус фіксації г пальця 5 на шестірні сателіта 3", тим більше девіація кутової швидкості 6() куліси б й тим більше амплітуда Ре механічних коливань, збуджуваних закріпленим на кінці куліси Є дебалансом 7.

На фіг. 4 представлені амплітудно-фазові співвідношення і векторна діаграма тяги генератора вектора тяги, реалізованого на двосателітній планетарній передачі.

Узагальнені координати руху вихідної ланки визначаються співідношеннями: х() - Ксо58(), ус) - К5іпб(); 9() - агсід|ізіпоїм сок) (9) тут у(у), хі) - узагальнені координати; ЕВ - радіус обертання дебалансу; ої - миттєва поточна фаза збуджуючого коливання; 8(1) - миттєва поточна фаза вихідної ланки.

Узагальнені прискорення вихідної ланки мають вигляд: х"(В - ах - - Б92(ЮД)со58(). у"(О - ау - - К9-()5іпб(; (10)

Сила, що збуджує зміщення дебалансу 7 до центру його обертання, визначається з закону

Ньютона ЕБ-та:

Коо) ЕХО - тх"(О - тах - - ткК92(О)со586(О; РО «ту"(О) - тау - - тк82(О5іп8(О. (11)

Сила підсосу середовища Р спрямована від центру обертання дебалансу 7, тому у виразі (11) необхідно змінити знак з (-) на (жк):

РхХ) - тк92(О)со56(; РУ - - РО - тк92()5іпб(). (12)

Векторна сила тяги та її напрямок визначаються зі співвідношення:

Ре - тк82(|)со58(О / со59(О) - тео - 9())/ю992. (13)

Момент інерції Те ортогонального вектора сили тяги Ре й для будь-якого кутового положення вихідної ланки дорівнює нулю:

Те - 0. (14)

Зі співвідношень (13) і (14) витікає, що у варіанті реалізаціїи генератора вектора тяги на механізмі двосателітної планетарної передачі (фіг. 3), так само, як й у варіанті реалізації на простій планетарній передачі (фіг. 1), відсутні моменти сил інерції, що перешкоджають дії сил, збуджуючих механічні коливання, тобто Те - 0, що підтверджує заявлене збільшення ККД запропонованого пристрою та можливість його роботи у широкому діапазоні швидкостей.

В обох варіантах виконання генератора вектора тяги знижуються енерговитрати на переміщення й тягове зусилля. Сфера застосування такого генератора вектора тяги по відношенню до аналогічних рушіїв такого класу розширюється. Грибоподібна діаграма спрямованості (фіг. 1) або спіральна діаграма спрямованості (фіг. 3), дозволить здійснювати переміщення транспортного засобу на болотистій або пахотній місцевості й забезпечити його рух на непрохідних ділянках дороги. Не виключена можливіть застосування генератора вектора тяги на річкових, морських баржах, судах та всередині підводних апаратів без контакту з водою.

Вищевказаний технічний результат досягається також тим, що запропоновані варіанти виконання генератора вектора тяги включаются за комплексно сполученою схемою, яка дозволяє отримати лінійну односпрямовану характеристику результуючого вектора тяги.

На фіг. 5 наведена схема загального вигляду генератора вектора тяги з включенням його основних вузлів за комплексно-сполученою схемою і його векторна діаграма тяги.

Комплексно-сполучений генератор вектора тяги містить механізм планетарної передачі, який задає закон руху вихідної ланки 5 зі змінною кутовою швидкістю 81), який містить корпус 1 і конструкцію, що має сонячну шестірню 2, розташовану в площині поступального руху пристрою й жорстко зв'язану з корпусом 1, ротор, з'єднаний з двигуном (на схемі не вказаний), робочі бо шестерні сателітів З з пальцями 5, встановленими на шестернях сателітів З, куліси б з дебалансними вантажами 7, кожна з яких у певній фазі кутового положення введена в зачеплення з пальцем 5 на відповідному шестірні сателіті З, який має діаметр сонячної шестірні 2. Така ж дзеркально відображена комплексно-сполучена конструкція (її елементи позначені з зірочкою") встановлена в площині, перпендикулярній напряку поступального руху пристрою, причому ротори дзеркально відображеної конструкції призначені для обертання по відношенню до роторів згаданої конструкції у зустрічному напрямку. Результуючий вектор тяги має лінійну діаграму спрямованості й визначається зі співвідношення: РетЕог. Як витікає з цього співвідношення, його величина буде тим більша, чим більша маса т дебалансів 7 та конструктивні габарити робочих вузлів пристрою В. Найбільший квадратичний приріст сили тяги для запропонованого пристрою спостерігається при збільшенні кількості обертів ротора, що неприпустимо для звичайних вібромашин на планетарних передачах, так як виникаючі у них моменти інерції протидіють збуджуючому моменту обертання ротора й призводять до різького зростання дисипативних сил навіть при невеликих обертах приводу.

Таким чином, запропонованим пристроєм досягається плавне, без ривків та пульсацій тягового зусилля механічне переміщення об'єкта та можливість нарощування результуючого тягового зусилля без суттєвого ускладнення конструкції рушія при невисокій складності та вартості його конструкції.

Кількість шестерень сателітів зі сполученими з ними вихідними ланками, у даній конструкції генератора вектора тяги може бути скільки завгодно великою для суттєвого зниження вібраційних складових сумарного тягового зусилля пристрою. Обмеження цієї кількості на практиці обумовлюється тільки габаритними розмірами пристрою та міцностними характеристиками його елементів.

Приведення в роботу рушія запропонованої конструкції можливо від будь-якого типу двигуна. Двигун, з'єднаний з осями обертання водил 4, сполучених планетарних передач, приводить їх в рух. За допомогою осей обертання дебаланси 7 синхронно обертаються у протилежних один відносно одного напрямках. В результаті їх синхронного обертання в даному пристрої виникає значне тягове зусилля, яке передається за допомогою сонячних шестерен на корпус транспортного засобу та надає йому односпрямований рух. Керування величиною тягового зусилля можна здійснювати зміною величини кутової швидкості обертання водил

Зо планетарних передач. Після набору кутової швидкості тягове зусилля зростає до максимальної величини.

Генератор вектора тяги може бути підключений до двигуна будь-якого типу: до карбюраторного двигуна внутрішнього згорання, дизельного, турбовинтового, електричного та ін.

Тяговому зусиллю, яке виробляє генератор вектора тяги, можна надати будь-якого скалярного значення та будь-який напрямок переміщення. Керування односпрямованим рухом транспортного засобу можна здійснювати шляхом зміни векторного значення тягового зусилля за допомогою того чи іншого поворотного механізму.

Компактність, широкі можливості для різноманітної компоновки системи з сполучених пар планетарних передач того чи іншого виду з вихідною дебалансною ланкою, створює передумови для успішного застосування даного генератора вектора тяги як для існуючих транспортних засобів, так і для розробки принципово нового універсального транспортного засобу, здатного переміщуватися у будь-якому середовищі з орієнтацією у потрібному напрямку.

Claims (2)

ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ

1. Генератор вектора тяги для транспортного засобу, що містить платформу, що взаємодіє з опорною поверхнею, встановлену на ній раму, зубчасті колеса, розташовані на осях, та 50 привод обертання, який відрізняється тим, що додатково введена куліса, з закріпленим на її кінці дебалансом, причому куліса рухливо з'єднана з сателітом за допомогою пальця, закріпленого ексцентрично вна останньому, закон руху куліси задається планетарним механізмом, механізм перетворення у спрямований рух виконаний у вигляді системи, що складається зі сполученої пари планетарних передач з дебалансами з можливістю їх обертання 55 у площині, перпендикулярній осі обертання та з можливістю переміщення в протилежних напрямках.

2. Генератор за п. 1, який відрізняється тим, що генератор вектора тяги може бути побудований на планетарному механізмі різного типу.