Устройство для аккумулирования механической энергии
Полезная модель относится к области механики, более конкретно, к устройствам для аккумулирования механической энергии и может найти применение при создании маломощных приводных механизмов для моделей транспортных средств (летательных аппаратов, судов, автомобилей), накопителей энергии для привода часовых механизмов, измерительных приборов и др. Решаемой задачей полезной модели является увеличение запасаемой механической энергии в устройстве за счет повышения массы и рабочей длины упругого элемента растяжения при одновременном уменьшении линейных размеров устройства. Дополнительной к указанной, является задача повышения ресурса устройства за счет использования только деформации растяжения упругого элемента и исключения сложно деформированного состояния при его кручении. Решение поставленной задачи обеспечивает повышение эффективности устройства для аккумулирования механической энергии. Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для аккумулирования механической энергии, содержащем корпус, упругий элемент растяжения в виде резиновой нити или жгута, средства для его деформирования и передачи момента вращения на выходной вал, согласно полезной модели, средства для деформирования упругого элемента включают, по крайней мере, два установленных в корпусе накопительных барабана различного диаметра, выполненных с возможностью вращения и намотки на них концов упругого элемента, причем накопительные барабаны снабжены средствами для изменения скорости вращения и связаны между собой непосредственно или через механическую передачу. Кроме того, накопительные барабаны могут быть связаны между собой посредством зубчатой, цепной, ременной или зубчато-ременной механической передачи, средства для изменения скорости их вращения могут быть выполнены в виде механизма с анкерным спуском или в виде тормозного диска, размещенного на торце одного из накопительных барабанов, а выходной вал устройства может быть соединен напрямую или через редуктор с валом накопительного барабана большего диаметра.
Кроме того, средняя часть упругого элемента между накопительными барабанами может быть пропущена через размещенное на корпусе направляющее приспособление, снабженное средствами для управления натяжением упругого элемента и шагом намотки. Кроме того, накопительные барабаны меньшего диаметра могут быть установлены параллельно в одной плоскости или вокруг центрального накопительного барабана большего диаметра. Кроме того, два накопительных барабана могут быть размещены на общем валу, а направляющее приспособление может быть выполнено, по крайней мере, в виде одного свободно сидящего на оси блока. Кроме того, три накопительных барабана большого, среднего и меньшего диаметров могут быть установлены параллельно друг другу, причем первый упругий элемент может быть выполнен с возможностью намотки на больший и средний накопительные барабаны, а второй - с возможностью намотки на средний и малый накопительные барабаны. Описание на 6 л., илл. на 1 л.
Полезная модель относится к области механики, более конкретно, к устройствам для аккумулирования механической энергии и может найти применение при создании маломощных приводных механизмов для моделей транспортных средств (летательных аппаратов, судов, автомобилей), накопителей энергии для привода часовых механизмов, измерительных приборов и др.
Известно устройство для аккумулирования механической энергии, содержащее цилиндрический корпус, закрепленный в нем упругий элемент в виде плоской спиральной пружины, и средства для передачи момента вращения на выходной вал (см. Аксельрод З.М. Теория и проектирование приборов времени., Л., 1969 г. и статью «Часы» - Большая советская энциклопедия (Золотой Фонд российских энциклопедий), Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», ЗАО «Гласнет», 2002 г., компакт диск БСЭ 004).
Известное устройство широко применяется в качестве приводных двигателей периодического действия для игрушечных моделей автомобилей, измерительных приборов и часовых механизмов, не требующих подключения внешних источников энергии.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для аккумулирования механической энергии, содержащее корпус, упругий элемент растяжения в виде резиновой нити или жгута, средства для его деформирования и передачи момента вращения на выходной вал (см. В.Кибенко Секреты резинового жгута ж. «Моделист -Конструктор», 
5, 1991 г. (OCR: mkmagazin.almanacwhf.ru) - прототип).
Известное устройство представляет собой двигатель периодического действия для моделей автомобилей, выполненный в виде накопителя механической энергии с использованием упругого элемента в виде резинового жгута. Деформация резинового жгута осуществляется за счет его растяжения при закручивании вокруг продольной оси. Для повышения запасаемой механической энергии используется два резиновых жгута с передачей момента вращения через редуктор на ведущие колеса модели автомобиля.
К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно большие линейные габариты резиномотора и недостаточный уровень запасаемой энергии в системе закрученных резиновых жгутов, что связано с малой массой деформируемого материала, используемого для аккумулирования механической энергии.
Решаемой задачей полезной модели является увеличение запасаемой механической энергии в устройстве за счет повышения массы и рабочей длины упругого элемента растяжения при одновременном уменьшении линейных размеров устройства. Дополнительной к указанной, является задача повышения ресурса устройства за счет использования только деформации растяжения упругого элемента и исключения сложно деформированного состояния при его кручении. Решение поставленной задачи обеспечивает повышение эффективности устройства для аккумулирования механической энергии.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для аккумулирования механической энергии, содержащем корпус, упругий элемент растяжения в виде резиновой нити или жгута, средства для его деформирования и передачи момента вращения на выходной вал, согласно полезной модели, средства для деформирования упругого элемента включают, по крайней мере, два установленных в корпусе накопительных барабана различного диаметра, выполненных с возможностью вращения и намотки на них концов упругого элемента, причем накопительные барабаны снабжены средствами для изменения скорости вращения и связаны между собой непосредственно или через механическую передачу.
Кроме того, накопительные барабаны могут быть связаны между собой посредством зубчатой, цепной, ременной или зубчато-ременной механической передачи, средства для изменения скорости их вращения могут быть выполнены в виде механизма с анкерным спуском или в виде тормозного диска, размещенного на торце одного из накопительных барабанов, а выходной вал устройства может быть соединен напрямую или через редуктор с валом накопительного барабана большего диаметра.
Кроме того, средняя часть упругого элемента между накопительными барабанами может быть пропущена через размещенное на корпусе направляющее приспособление, снабженное средствами для управления натяжением упругого элемента и шагом намотки.
Кроме того, накопительные барабаны меньшего диаметра могут быть установлены параллельно в одной плоскости или вокруг центрального накопительного барабана большего диаметра.
Кроме того, два накопительных барабана могут быть размещены на общем валу, а направляющее приспособление может быть выполнено, по крайней мере, в виде одного свободно сидящего на оси блока.
Кроме того, три накопительных барабана большого, среднего и меньшего диаметров могут быть установлены параллельно друг другу, причем первый упругий элемент может быть выполнен с возможностью намотки на больший и средний накопительные барабаны, а второй - с возможностью намотки на средний и малый накопительные барабаны.
Такое выполнение устройства позволяет сравнительно просто решить поставленную задачу увеличения величины запасаемой механической энергии за счет более эффективного использования энергии деформации растяжения упругого элемента в виде резиновой нити или жгута повышенной массы и длины при одновременном уменьшении общих габаритов устройства.
При этом накопительный барабан большего диаметра является основным аккумулятором энергии для упругого элемента, предварительно намотанного на него с большим равномерным натяжением. Второй накопительный барабан меньшего диаметра является приемным для намотки сжатого упругого элемента, сматываемого с меньшим натяжением с барабана большего диаметра. Значительное усилие натяжения упругого элемента на барабане большего диаметра обеспечивает появление момента вращения на его валу. Указанный момент вращения используется для привода через механическую передачу барабана меньшего диаметра и для привода внешнего механизма нагрузки.
На фиг.1 представлена схема устройства с параллельно размещенными накопительными барабанами, на фиг.2 - схема устройства с накопительными барабанами на общем валу.
Устройство для аккумулирования механической энергии (фиг.1) содержит корпус 1, упругий элемент растяжения 2 в виде резиновой нити или жгута, средства для его деформирования и передачи момента вращения на выходной вал (не показан). Указанные средства включают два установленных в корпусе с возможностью вращения накопительных барабана 3, 4 большего и меньшего диаметра для намотки на них концов упругого элемента 2. Барабаны 3, 4 закреплены в корпусе 1 на валах с возможностью вращения в подшипниках скольжения или качения (не показаны). Края накопительных барабанов 3, 4, ограничивающие зону намотки 5, снабжены кольцевыми ребрами 6 для обеспечения равномерной укладки слоев упругого элемента 2 по радиусу и длине указанных барабанов.
Кроме того, барабаны 3, 4 связаны между собой посредством зубчато-ременной механической передачи, включающей зубчатый ремень 7 и закрепленные на них шкивы 8, 9 равного диаметра. Для изменения параметров аккумулирования энергии, изменения скорости вращения барабанов 3, 4 и режимов намотки упругого элемента 2 на барабан 4 устройство снабжено регулирующим механизмом 10, который расположен на барабане 3 в области шкива 8 и выполнен в виде механизма с анкерным спуском или в виде тормозного диска (не показаны). Регулирующий механизм 10 также может быть выполнен с возможностью застопоривания шкива 8 и барабана 3 для предотвращения раскручивания упругого элемента 2, прекращения цикла рабочей перемотки на барабан 4 и сохранения аккумулированной в устройстве механической энергии на неопределенный период. При этом выходной вал отбора мощности устройства может быть соединен через редуктор (не показан) с валом накопительного барабана 3 большего диаметра. Редуктор предназначен для согласования скорости вращения барабанов и потребителя механической энергии. Выходной вал устройства может быть также соединен напрямую с потребителем, например, с воздушным винтом модели самолета или вертолета.
Указанные конструктивные особенности устройства связаны с положением и натяжением средней части упругого элемента 2. В варианте устройства, изображенного на фиг.1, средняя часть упругого элемента 2 в области между барабанами 3, 4 пропущена через блок 11 направляющего приспособления 12 для управления шагом намотки на барабан 4. В отдельных случаях направляющее приспособление 12 может быть также снабжено средствами для управления натяжением упругого элемента 2.
Для задания и регулирования условий отдачи накопленной механической энергии потребителю в предложенном устройстве можно использовать различные соотношениями между величиной диаметров барабанов 3, 4, а также между диаметрами шкивов 8, 9. Экспериментально были опробованы соотношения между диаметрами барабанов 3, 4 в диапазоне от 0,5 до 0,25. Передаточное отношение указанной зубчато-ременной механической передачи можно изменять за счет выбора диаметров шкивов 8, 9, например, в пределах 0,8-1,2 безотносительно или с учетом соотношения между диаметрами барабанов 3, 4. На фиг.1 изображено устройство, в котором барабан 3 имеет диаметр 50 мм, барабан 4-25 мм, а передаточное соотношение между шкивами 8, 9 равно 1. В качестве упругого элемента 2 использовали авиамодельную резиновую ленту сечением 3 мм 2.
В зонах намотки 5 на барабанах 3, 4 показаны слои упругого элемента 2 в состоянии отбора накопленной энергии, т.е. при перемотке предварительно растянутого упругого элемента 2 с накопительного барабана 3 большего диаметра на накопительный барабан 4 меньшего диаметра.
Цепную или зубчатую механическую передачу между накопительными барабанами 3, 4 целесообразно использовать при высоких значениях усилий натяжения гибкого элемента 2, например, при использовании резиновых жгутов большого сечения.
Использование более сложной схемы размещения накопительных барабанов меньшего диаметра в виде сателлитов вокруг центрального накопительного барабана большего диаметра со средствами их привода вокруг собственной оси усложняет конструкцию устройства, но способствует созданию полезной модели с улучшенными характеристиками аккумулирования механической энергии.
В случае размещения трех накопительных барабанов большого, среднего и меньшего диаметров в одной плоскости параллельно друг другу, первый упругий элемент выполняют с возможностью намотки на больший и средний накопительные барабаны, а второй - с возможностью намотки на средний и малый накопительные барабаны. Это обеспечивает более полное использование в устройстве механической энергии первого уровня, накопленной на барабане большего диаметра и энергии второго уровня, накопленной на барабане среднего диаметра.
Простейшим вариантом выполнения полезной модели является случай, когда два накопительных барабана 3, 4 размещены на общем валу, оканчивающимся выходным валом 13 (фиг.2). В этом случае необходим, по крайней мере, один свободно сидящий на оси блок 14 направляющего приспособления для перемотки упругого элемента 2 с барабана 3 на барабан 4. При этом ось блока 14 может быть закреплена на корпусе устройства, состоящего из скрепленных между собой пластин 15. Выходной вал 13 такого устройства соединен напрямую с несущим воздушным винтом 16 устройства, представляющего собой модель вертолета.
Функционирует устройство для аккумулирования механической энергии следующим образом.
Для устройства, выполненного по схеме фиг.1, использовали упругий элемент 2 в виде предварительно смазанной касторовым маслом авиамодельной резиновой ленты длиной 3 м прямоугольного сечения (1×3 мм). С помощью вспомогательного натяжного механизма (не показан) или вручную осуществляют намотку резиновой ленты 2 в максимально растянутом состоянии на рабочую область в зоне 5 накопительного барабана 3. Намотку выполняют в виде нескольких десятков плотно уложенных слоев резины равномерно по длине барабана 3. Удлинение резины в растянутом состоянии может находиться в пределах до четырехсот и более процентов.
При этом количество витков резины на поверхности барабана 3 составит около 60. После завершения намотки упругого элемента 2 на барабан 3 его необходимо удерживать в заторможенном состоянии и при зафиксированном свободном конце резины во избежание самопроизвольного разматывания. Затем пропускают второй конец упругого элемента 2 через блок 11 направляющего приспособления 12 и закрепляют на поверхности накопительного барабана 4 согласно кинематической схеме фиг.1. После этого обеспечивают дозированное растормаживание барабана 3, например, с помощью тормозного диска в регулирующем механизме 10 для изменения скорости перемотки упругого элемента 2. При этом скорость перемотки резины с накопительного барабана 3 на барабан 4 может быть выбрана в широком диапазоне, например, в пределах 1-50 см/с согласно заданной частоте вращения выходного вала. Механическая передача в виде плоского зубчатого ремня 7, охватывающего шкивы 8, 9 обеспечивает своевременную прокрутку приемного накопительного барабана 4 и намотку на его рабочую область новых слоев упругого элемента 2 с удлинением, значительно меньшим, чем на барабане 3. В случае необходимости прекращения перемотки резиновой ленты и сохранения аккумулированной в устройстве механической энергии на неопределенный период, как указывалось выше, осуществляют застопоривание барабана 3 с помощью дополнительно введенного фиксатора (не показан) или посредством тормозного диска в механизме 10. Функционирование варианта устройства, выполненного по схеме фиг.2 осуществляется аналогично.
Чтобы рассчитать энергоемкость устройства на одной вытяжке резины нужно предварительно задаться допустимым значением вытяжки упругого элемента 2 и диаметром накопительных барабанов 3, 4. Вытяжку, равную для отечественной модельной резины 500% в расчетах уменьшают до 400%, во избежание возможного разрыва из-за усталости резины. Темп намотки упругого элемента 2 в предложенном устройстве по мере заполнения накопительного барабана 3 может быть неизменным при высоких уровнях натяжения резины, тогда как в известных устройствах он должен снижаться во избежание недопустимого увеличения напряжений в резиновом жгуте и появления боковых скруток.
Для предложенного устройства с диаметром накопительного барабана 200 мм, длиной вдоль оси 50 мм и суммарной толщиной 10 мм слоев резины ее масса при плотности 1 г/см3 и длине в несколько сотен метров может достигать 200 г и более, что соответствует значительной величине аккумулированной механической энергии. Дальнейшее повышение эффективности предложенного устройства связано с оптимизацией приведенных схем и конструктивных элементов устройства, а также с использованием энергии деформации растяжения новых, более совершенных материалов для упругого элемента.
1. Устройство для аккумулирования механической энергии, содержащее корпус, упругий элемент растяжения в виде резиновой нити или жгута, средства для его деформирования и передачи момента вращения на выходной вал, отличающееся тем, что средства для деформирования упругого элемента включают, по крайней мере, два установленных в корпусе накопительных барабана различного диаметра, выполненных с возможностью вращения и намотки на них концов упругого элемента, причем накопительные барабаны снабжены средствами для изменения скорости вращения и связаны между собой непосредственно или через механическую передачу.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что накопительные барабаны связаны между собой посредством зубчатой, цепной, ременной или зубчато-ременной механической передачи, средства для изменения скорости их вращения выполнены в виде механизма с анкерным спуском или в виде тормозного диска, размещенного на торце одного из накопительных барабанов, а выходной вал устройства соединен напрямую или через редуктор с валом накопительного барабана большего диаметра.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средняя часть упругого элемента между накопительными барабанами пропущена через размещенное на корпусе направляющее приспособление, снабженное средствами для управления натяжением упругого элемента и шагом намотки.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что накопительные барабаны меньшего диаметра установлены параллельно в одной плоскости или вокруг центрального накопительного барабана большего диаметра.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что два накопительных барабана размещены на общем валу, а направляющее приспособление выполнено, по крайней мере, в виде одного свободно сидящего на оси блока.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что три накопительных барабана большого, среднего и меньшего диаметров установлены параллельно друг другу, причем первый упругий элемент выполнен с возможностью намотки на больший и средний накопительные барабаны, а второй - с возможностью намотки на средний и малый накопительные барабаны.
