RU2110719C1 - Gear converting reciprocating motion to unidirectional rotary motion - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed gear has driving link 1 mounted for free axial movement , free rotation and stopping, coupled to unit 2 of application of axial force and interacting with it over friction surfaces or balls 7. Unit 2 of application of axial force is manufactured in the form of handle 11 with rod 10. Driven link 3 is coupled to body 4 and inertial mass 6. EFFECT: inertial rotation of driven link after termination of action of axial forces. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для преобразования возвратно-поступательного движения в одностороннее вращательное. The invention relates to mechanical engineering, in particular to devices for converting reciprocating motion into one-way rotational.

Известно устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в одностороннее вращательное типа "Юлы" (детский волчок БА-490-085, 1920, прототип), содержащее корпус, в котором вертикально установлен несамотормозящийся винтовой механизм. Его ведущее звено - винт - снабжен рукояткой, через которую на винт воздействуют осевой приводной силой, а ведомое звено выполнено в виде легкой гайки, размещенной на винте с возможностью взаимодействия с корпусом. При движении винта вниз его поступательное перемещение преобразуется во вращательное движение гайки, которое передается и корпусу. В это время (рабочий ход) момент трения (сцепление) между корпусом и гайкой больше, чем крутящий момент, возникающий между корпусом и гайкой, и больше, чем крутящий момент, возникающий между винтом и гайкой, а в винтовой паре нет самоторможения. A device is known for converting a reciprocating motion into a one-way rotational type "Yula" (a children's top BA-490-085, 1920, a prototype), comprising a housing in which a non-self-locking screw mechanism is vertically mounted. Its leading link - the screw - is equipped with a handle through which an axial driving force is applied to the screw, and the driven link is made in the form of a light nut placed on the screw with the possibility of interaction with the housing. When the screw moves down, its translational movement is converted into a rotational movement of the nut, which is transmitted to the housing. At this time (stroke), the friction moment (clutch) between the housing and the nut is greater than the torque occurring between the housing and the nut and greater than the torque occurring between the screw and the nut, and there is no self-braking in the screw pair.

Перемещением винта вверх приводят его в исходное положение, осуществляя холостой ход, во время которого гайка за счет инерции в первоначальный момент вместе с винтом, а затем под действием собственного веса опускается по винту (свинчивается) вниз до соприкосновения с корпусом, то есть вращается относительно корпуса в противоположную сторону, тем самым возвращают гайку в исходное положение для последующего взаимодействия с винтом. By moving the screw up, it is brought back to its initial position, idling, during which the nut due to inertia at the initial moment together with the screw, and then under the influence of its own weight, is lowered (screwed) down to the contact with the housing, i.e. it rotates relative to the housing in the opposite direction, thereby returning the nut to its original position for subsequent interaction with the screw.

Оптимальная скорость движения винта вверх при холостом ходе должна быть приблизительно равна скорости, с которой гайка опускается вниз. Если скорость перемещения винта вверх меньше скорости перемещения гайки вниз, то гайка препятствует свободному вращению корпуса. Если скорость перемещения винта вверх больше скорости перемещения гайки вниз, то гайка не успевает опуститься до поверхности взаимодействия с корпусом и поэтому при движении винта часть его хода будет холостым, а скорость перемещения винта при холостом ходе ограничена скоростью схода гайки по винту. The optimum screw speed up during idle should be approximately equal to the speed at which the nut goes down. If the speed of movement of the screw up is less than the speed of movement of the nut down, then the nut prevents the free rotation of the housing. If the speed of moving the screw up is greater than the speed of moving the nut down, then the nut does not have time to go down to the surface of interaction with the body, and therefore, when the screw moves, part of its stroke will be idle, and the speed of movement of the screw at idle is limited by the speed of the nut going down the screw.

Таким образом, возвратно-поступательное вертикальное перемещение винта за сет взаимодействующей с ним гайки преобразуется в одностороннее вращательное движение корпуса. Работоспособность этого устройства определяется цикличностью возвратно-поступательных движений. Thus, the reciprocating vertical movement of the screw behind the set of the nut interacting with it is converted into a one-way rotational movement of the housing. The operability of this device is determined by the cyclical nature of the reciprocating movements.

Поскольку возврат гайки по винту происходит за счет ее силы тяжести, то данная конструкция работает только в вертикальном положении, что и является ее основным недостатком: при любом другом пространственном расположении винтового механизма конструкция устройства значительно усложняется или не осуществляется преобразования. Since the nut is returned to the screw due to its gravity, this design only works in an upright position, which is its main drawback: for any other spatial arrangement of the screw mechanism, the design of the device is significantly complicated or conversion is not carried out.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение кинетических возможностей винтового механизма и упрощение преобразования. The problem to which the invention is directed, is to expand the kinetic capabilities of the screw mechanism and simplify the conversion.

Задача решается тем, что устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в одностороннее вращательное, содержащее корпус, установленный в нем несамотормозящийся винтовой механизм, включающий ведущее звено с узлом приложения осевой силы и ведомое звено, установленное с возможностью вращения вокруг своей оси, дополнительно снабжено инерционным элементом и шариками, ведомое звено связано с корпусом и инерционным элементом, узел приложения осевой силы выполнен в виде ручки со стержнем, при этом торцевые поверхности ведущего звена и ручки, обращенные одна к другой, выполнены фрикционными, а на внутренней поверхности ведущего звена, расположенной параллельно его продольной оси, выполнены равномерно размещенные по оси канавки, каждый шарик расположен в соответствующей канавке и предназначен для взаимодействия с наружной поверхностью стержня. The problem is solved in that the device for converting reciprocating motion into a one-way rotational movement, comprising a housing, a non-self-locking screw mechanism installed in it, including a driving link with an axial force application unit and a driven link mounted rotatably around its axis, is additionally equipped with an inertial element and balls, the driven link is connected to the housing and the inertial element, the axial force application unit is made in the form of a handle with a rod, while the end surfaces lead link and the handles facing one another are made frictional, and on the inner surface of the link leading parallel to its longitudinal axis, grooves are evenly spaced along the axis, each ball is located in the corresponding groove and is designed to interact with the outer surface of the rod.

Наличие этих отличительных признаков выявляет новые свойства предлагаемого устройства:
связь ведущего звена с узлом приложения осевой силы обеспечивает непрерывное одностороннее вращение ведомого звена под действием осевых сил с получением его инерционного вращения после прекращения воздействия этих сил, что приводит к снижению потерь энергии при возврате ведущего звена в исходное положение;
возможность преобразования возвратно-поступательного перемещения в одностороннее вращательное, при котором возврат ведущего звена и исходное положение для осуществления последующего преобразования производят принудительно, не оказывая существенного влияния на вращение ведомого звена при любом пространственном расположении винтового механизма.The presence of these distinctive features reveals new properties of the proposed device:
the connection of the leading link with the axial force application unit provides continuous one-sided rotation of the driven link under the action of axial forces to obtain its inertial rotation after the termination of the influence of these forces, which leads to a reduction in energy loss when the leading link returns to its original position;
the possibility of converting the reciprocating movement into a one-way rotational, in which the return of the leading link and the initial position for the subsequent conversion is performed forcefully, without significantly affecting the rotation of the driven link for any spatial arrangement of the screw mechanism.

На фиг. 1 изображена конструкция устройства, с помощью которого осуществляют преобразование возвратно-поступательного движения в одностороннее инерционное вращение, продольный разрез; на фиг. 2 - конструкция устройства для преобразования движений во время возврата ведущего звена в исходное положение. In FIG. 1 shows the design of the device with which the conversion of the reciprocating motion into one-way inertial rotation, a longitudinal section; in FIG. 2 - design of a device for converting movements during the return of the leading link to its original position.

Предлагаемое устройство выполнено в виде несамотормозящегося винтового механизма, в качестве которого могут быть использованы винтовые передачи с малым трением скольжения или винтовые передачи качения. The proposed device is made in the form of a non-self-locking screw mechanism, which can be used as helical gears with low sliding friction or helical gears of rolling.

Винтовой механизм содержит ведущее звено 1 (фиг. 1), представляющее собой винт, с узлом 2 приложения осевой силы и ведомое звено 3 в виде гайки, которая установлена в корпусе 4 на подшипниках 5. Ведомое звено 3 и ведущее звено 1 представляют собой винтовую передачу качения. Ведомое звено 3 связано с инерционным элементом 6, а с ведущим звеном 1 оно связано посредством тел 7 качения, при этом ведущее звено 1 снабжено ограничителем 8 хода. Узел 2 содержит связанный с ведущим звеном 1 посредством шариков 9 стержень 10, который жестко соединен с ручкой 11. The screw mechanism contains a leading link 1 (Fig. 1), which is a screw with a node 2 of application of axial force and a driven link 3 in the form of a nut, which is installed in the housing 4 on the bearings 5. The driven link 3 and the driving link 1 are a helical gear rolling. The driven link 3 is connected to the inertial element 6, and it is connected to the driving link 1 by means of rolling bodies 7, while the driving link 1 is equipped with a travel limiter 8. The node 2 contains connected with the leading link 1 through the balls 9 of the rod 10, which is rigidly connected to the handle 11.

Ведущее звено 1 имеет поверхность 12, выполненную фрикционной, и поверхность 13 (выполненную скользкой), которая контактирует как опорная соответственно с наружной поверхностью стержня 10 через шарики 9. На фиг. 2 через "m" обозначена величина свободного осевого перемещения узла 2 приложения осевой силы F относительно ведущего звена 1. The driving link 1 has a frictional surface 12 and a slippery surface 13 that contacts as an abutment, respectively, with the outer surface of the rod 10 through balls 9. In FIG. 2, the value “m” indicates the free axial movement of the assembly 2 of the application of axial force F with respect to the driving link 1.

Для получения вращения ведомого звена 3 с высокими скоростями и небольшими крутящими моментами предпочтительной использовать винтовые передачи, выполненные шарикодшипниковыми, в которых гайка выполнена с кольцевыми канавками, при этом основной их недостаток - низкая кинематическая точность - не сказывается на работоспособности устройства. Корпус такой гайки может быть выполнен очень легким, но выдерживать значительные нагрузки. To obtain the rotation of the driven link 3 with high speeds and small torques, it is preferable to use screw gears made with ball bearings, in which the nut is made with annular grooves, while their main disadvantage - low kinematic accuracy - does not affect the operability of the device. The housing of such a nut can be made very light, but withstand significant loads.

Устройство преобразования возвратно-поступательного перемещения в одностороннее вращательное работает следующим образом. A device for converting a reciprocating movement into a one-way rotational movement operates as follows.

При действии на ручку 11 (фиг. 1) осевой силой F происходит стопорение ведущего звена 1 винта и его поступательное перемещение вниз. Ведомое звено 3 - гайка, связанная с инерционным элементом 6, начинает вращаться на радиально-упорных подшипниках 5. При достижении ведущим звеном 1 крайнего нижнего положения на него действуют силой F₁ (фиг. 2), направление которой противоположно направлению силы F, при этом между стопорными поверхностями 12 образуется зазор "m". Теперь воздействие силы F₁ на ведущее звено 1 передается через (скользкую) поверхность 13 с минимальным коэффициентом трения качения через шарики 9. В результате ведущее звено 1 совершает относительно ведомого звена 3 винтовое движение с направлением вращения, совпадающим с направлением вращения ведомого звена 3 - гайки. Винтовое движение ведущего звена 1 происходит за счет взаимодействия с ведомым звеном 3, вращение которого происходит по инерции.When acting on the handle 11 (Fig. 1) by the axial force F, the leading link 1 of the screw is locked and translates downward. The driven link 3 - the nut connected to the inertial element 6 begins to rotate on the angular contact bearings 5. When the leading link 1 reaches its lowest position, it is acted upon by the force F ₁ (Fig. 2), the direction of which is opposite to the direction of the force F, while between the locking surfaces 12, a gap "m" is formed. Now, the influence of the force F ₁ on the leading link 1 is transmitted through the (slippery) surface 13 with a minimum coefficient of rolling friction through the balls 9. As a result, the leading link 1 performs a screw movement relative to the driven link 3 with the direction of rotation coinciding with the direction of rotation of the driven link 3 - nuts . The helical movement of the leading link 1 occurs due to the interaction with the driven link 3, the rotation of which occurs by inertia.

По мере разгона ведущего звена 1 реактивный момент уменьшается, а его скорость вращения увеличивается и при достижении им верхнего положения может в несколько раз превышать скорость вращения ведомого звена 3. При прекращении действия силы F происходит частичный возврат кинетической энергии от ведущего звена 1 к ведомому звену 3, так как в этот момент их резьбовое соединение через тела 7 качения подобно обгонной муфте. Передача энергии происходит до выравнивания их скоростей. С момента, когда скорость вращения ведущего звена 1 становится равной скорости вращения ведомого звена 3, на ведущее звено 1 - винт - снова воздействуют осевой силой F и циклы повторяют до вращения ведомого звена 3 с требуемой скоростью. Затем прекращают воздействие силы F или F₁ в любой момент времени, останавливая движение ручки 11, при этом ведомое звено 3 будет продолжать свое вращение по инерции, а ведущее звено 1 под действием силы тяжести и ведомого звена 3 будет смещаться вниз, создавая между стопорными поверхностями 12 (фиг. 2) зазор "m", и вращаться вместе с ведомым звеном 3. Следует отметить, что тела 7 (фиг. 1) качения постоянно вращаются в одном направлении как при преобразовании движения, так и при возврате ведущего звена 1 в исходное положение, а также при инерционном вращении ведомого звена 3.As the driving link 1 accelerates, the reactive moment decreases, and its rotation speed increases and when it reaches its top position it can be several times higher than the rotation speed of the driven link 3. When the force F ceases, the kinetic energy partially returns from the driving link 1 to the driven link 3 since at this moment their threaded connection through the rolling bodies 7 is similar to a freewheel. Energy transfer occurs before their speeds are equalized. From the moment when the rotation speed of the driving link 1 becomes equal to the speed of rotation of the driven link 3, the driving link 1 — the screw — is again subjected to the axial force F and the cycles are repeated until the driven link 3 rotates at the required speed. Then the force F or F ₁ is stopped at any moment of time, stopping the movement of the handle 11, while the driven link 3 will continue to rotate by inertia, and the driving link 1 will be moved downward by gravity and driven link 3, creating between the locking surfaces 12 (Fig. 2) the gap "m", and rotate together with the driven link 3. It should be noted that the rolling bodies 7 (Fig. 1) constantly rotate in one direction both when the movement is converted, and when the leading link 1 is returned to the original position, as well as inertial rotation slave link 3.

Claims (1)

Устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в одностороннее вращательное в виде установленного в корпусе не самотормозящегося винтового механизма, содержащее ведущее звено с узлом приложения осевой силы и ведомое звено, установленное с возможностью вращения вокруг своей оси, отличающееся тем, что оно снабжено инерционной массой и шариками, причем ведомое звено связано с корпусом и инерционной массой, узел приложения осевой силы ведущего звена выполнен в виде ручки со стержнем, ведущее звено соединено с этим узлом с возможностью свободного осевого перемещения, свободного вращения и стопорения, при этом торцевые поверхности ведущего звена и узла приложения осевой силы, обращенные друг к другу, выполнены фрикционными, а шарики предназначены для взаимодействия с внутренней поверхностью ведущего звена, расположенной параллельно его продольной оси и обращенной к наружной поверхности стержня узла приложения осевой силы, являющимися для шариков опорными. A device for converting reciprocating motion into one-way rotational motion in the form of a non-self-braking screw mechanism installed in the housing, comprising a driving link with an axial force application unit and a driven link mounted for rotation around its axis, characterized in that it is provided with an inertial mass and balls moreover, the driven link is connected with the housing and the inertial mass, the site of application of the axial force of the driving link is made in the form of a handle with a rod, the driving link is connected to this node with the possibility of free axial movement, free rotation and locking, while the end surfaces of the driving link and the axial force application unit facing each other are made frictional, and the balls are designed to interact with the inner surface of the driving link parallel to its longitudinal axis and facing to the outer surface of the rod node of the application of axial force, which are balls for the bearings.

Images