Безтопливный двигатель

(51) 03 7/10 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2015/0763.1 16.06.2015 15.08.2016, бюл. 9 Зикибаев Руслан Аманжолович 2059882 1, 10.05.19962025575 1, 30.12.19942047000 1, 27.10.199502/070893 1, 12.09.2002(57) Изобретение относится к области машиностроения, к двигателям предназначенным для получения крутящего момента за счт использования возобновляемых экологически чистых источников энергии - силы тяжести массы груза, отличающийся тем, что для получения технического результата используется кинематическая схема двигателя,где обеспечивается траектория движения одинаковых по форме и весу валов (с комплектом грузов) в перпендикулярной им плоскости окружности колеса на разных изменяющихся расстояниях от центра колеса, совершающих возвратно - поступательные движения по направлению от центра к внешней окружности колеса и обратно по спицам колеса,равноудаленным между собой под одинаковыми углами, и одновременно двигаются по заданной траектории,которая обеспечивается двумя неподвижными направляющими, исполненными в виде замкнутой ломаной линии, по форме близкой к треугольнику и расположенными по обе стороны плоскости окружности колеса на равных расстояниях, с которыми валы, с закрепленными на них грузами, взаимодействуют двумя концами таким образом, что суммарное положительное значение действия крутящего момента,создаваемого действием вращательной силы, а вращательная сила создается силой тяжести грузов,оказывается больше суммарного значения крутящего момента,создаваемого силой противодействующей вращению, и это создает вращательное движение и соответственно крутящий момент на вале колеса. Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям,предназначенным для получения постоянного крутящего момента вращательного движения за счт использования возобновляемых экологически чистых источников энергии (без использования топлива), в данном случае - постоянно действующей силы тяжести массы груза, с целью использования его полезного действия. Областью применения изобретения может быть получение механической и электрической энергии для обеспечения жизнедеятельности человека без приобретения электричества от внешних источников и без использования традиционных видов топлива. Например, для обеспечения работы механизмов и агрегатов, а так же получения электроэнергии, необходимых для индивидуального домостроения, на производственных площадках малого и среднего бизнеса, а так же во многих сферах жизнедеятельности человека и ведения хозяйства, где необходим не дорогой но постоянный, независимый, надежный и простой в эксплуатации источник энергии. Известны двигатели,использующие возобновляемые, экологически чистые источники энергии - силу тяжести стекающей вниз воды или силу ветра. Наиболее близкой к изобретению являются двигатель - водяное колесо, простейший гидравлический двигатель, приводимый в действие энергией потока воды (Большая советская энциклопедия, издание , 1969-1978 г.г.), которая оказывает давление на водяное колесо с лопастями,прикрепленными к спицам, а они к горизонтальному валу, и приводит их во вращательное движение. Вращательное движение через вал передается механизмам, выполняющим ту или иную работу. В современном варианте это гидроэлектростанции и подобные гидросооружения, которые служат для получения электрической энергии, обеспечения работы механизмов и агрегатов с дальнейшим использованием их по назначению. Однако такие двигатели использующие энергию воды обладают рядом основных недостатков, из-за которых их монтаж и применение крайне ограничено. Например не везде существует источник воды и/или рельеф местности для организации накопления и набора необходимой высоты, для обеспечения кинетической энергией массу воды большой объем работ при необходимости строительства дамбы, при этом затопляются земельные участки, меняется ландшафт местности и экосистема большие габаритные размеры двигателя и сопутствующих сооружений. При монтаже и дальнейшей эксплуатации таких двигателей приходится учитывать указанные недостатки. В том числе географическое расположение и климатические условия оснащение механизмами, обеспечивающими регулирование объема и потока воды защита механизмов и деталей от негативных условий эксплуатации большие размеры объектов. Все это приводит к значительным расходам при монтаже, техническом обслуживании и ремонте. 2 В настоящее время технический прогресс достиг очень высокого уровня и меры принимаемые по техническому усовершенствованию для снижения степени негативного воздействия указанных недостатков имеют некоторый успех, однако они коренным образом не решают основных проблемных недостатков, которые влияют на увеличение финансовых затрат и в целом снижают экономическую эффективность таких двигательных установок. Задачей изобретения является разработка кинематической схемы двигателя, техническим результатом которого является получение постоянного крутящего момента вращательного движения за счт использования возобновляемых экологически чистых источников энергии(без использования топлива), в данном случае постоянно действующей силы тяжести массы груза,с целью использования его полезного действия. Сущность изобретения заключается в том, что кинематическая схема предлагаемого двигателя обеспечивает воздействие одинаковых по весу валов, с закрепленными на них грузами, на спицы колеса на разных изменяющихся расстояниях от центра колеса по заданной траектории таким образом, что суммарное значение действия крутящего момента, создаваемого действием вращательной силы а вращательная сила создается силой тяжести грузов, оказывается больше суммарного значения крутящего момента,создаваемого силой противодействующей вращению, и это создает вращательное движение и соответственно крутящий момент на вале расположенного в центре колеса. В плоскости окружности колеса, перпендикулярные им валы с закрепленными на них грузами, совершают возвратно - поступательные движения по направлению от центра к внешней окружности колеса и обратно по спицам колеса,равноудаленным между собой под одинаковыми углами, и одновременно двигаются по заданной траектории,которая обеспечивается двумя неподвижными направляющими, исполненными в виде замкнутой ломаной линии по форме близкой к треугольнику и расположенными по обе стороны плоскости окружности колеса на равных расстояниях, с которыми валы, с закрепленными на них грузами, взаимодействуют двумя концами. При этом нет жесткой привязки и фиксированного расстояния между валами. Чем больше окружность рабочего колеса и/или масса валов с грузами, тем больше крутящий момент. Во всех местах соединения обеспечивающих вращательное движение используются подшипники для уменьшения сопротивления сил трения. Сущность изобретения и признаки,обеспечивающие технический результат поясняются фигурами чертежей, где на фиг.1 приведена кинематическая схема двигателя, основной вид и вид сверху, на фиг.2 приведены силы, действующие в кинематической схеме двигателя. Возможность осуществления изобретения приводится в нижеследующем описании кинематической схемы его конструкции и способе его работы. Кинематическая схема двигателя представлена на фигуре чертежа 1, содержащей следующие элементы. Станина 1,установленная на ровной горизонтальной поверхности имеет место где устанавливается вал колеса 2 с осью О 1, которая параллельна горизонтальной поверхности. Вал 2 соединяется со станиной 1 таким образом, чтобы обеспечивалось вращательное движение вала 2. Вал 2 жестким зацеплением соединяется с колесом,плоскость окружности колеса перпендикулярна оси 1 вала 2, ось 1 и центр окружности колеса совпадают. Колесо состоит из ступицы 3, которая соединяется с валом 2 жестким зацеплением, спицы 4 и внешнего обода 5. Диаметр внешней окружности колеса зависит от длины спицы 4. Количество спиц 4 совпадает с количеством валов 6, на которых закреплен комплект грузов 7, и находятся в жестком соединении со ступицей 3 с одной стороны и внешним ободом 5 с другой стороны, равноудалены и имеют одинаковый угол между собой. Спицы 4 имеют одинаковые вес и форму, и исполнены таким образом, что по своей длине обеспечивают возвратно - поступательное движение вала 6 с грузом 7. Форма спиц 4 и способ его взаимодействия с валом 6 выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное значение сил противодействующих вращению и сопротивления трущихся деталей, это угол воздействия, применение подшипников, смазочных материалов и другие технические способы,приспособления и устройства. Грузы 7 в сочлененном состоянии с валом 6 имеют одинаковый вес (массу) и соединяются таким образом, чтобы обеспечивалось симметричное расположение грузов с центром тяжести в середине вала 6, при этом движущиеся грузы, закрепленные на одном вале, не должны соприкасаться и мешать движению грузов, закрепленных на другом вале. В данном случае на фигуре чертежа 1 изображены грузы 7 взаимодействующие со спицей 4 посредством вала 6,ось О 2 которой перпендикулярна спице 4 и параллельна оси 1 вала 2. Вал 6 двумя концами взаимодействует с двумя направляющими 8, исполненными в виде замкнутой ломаной линии по форме близкой к треугольнику,но без резких углов, которые обеспечивают заданные условия движения. Направляющие 8 закреплены жестким соединением на противоположных неподвижных параллельных плоскостях на корпусе станины 1 и параллельны спицам 4. Вал 6 движется в горизонтальном положении, взаимодействуя двумя концами с направляющими 8, а по середине, где находится центр тяжести вала 6, взаимодействует со спицей 4. В месте взаимодействия вала 6 со спицей 4 обеспечивается возвратно поступательное движение вала 6 по длине спицы 4 перпендикулярно относительно оси 1 и одновременно вал 6 двумя концами взаимодействует с двумя направляющими 8 и в их плоскостях движется по траектории в виде замкнутой ломаной линии по форме близкой к треугольнику. Форма направляющих 8 и способ его взаимодействия с валом 6 выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное значение сил противодействующих вращению и сопротивления трущихся деталей, это угол воздействия, применение подшипников, смазочных материалов и другие технические способы,приспособления и устройства. В данном случае на фигуре чертежа 1 изображены направляющие 8 состоящие из двух ободков, внутреннего и внешнего, между которыми и двигаются валы 6,однако возможны и другие способы взаимодействия при условии обеспечения движения по заданной траектории. Предлагаемый изобретением двигатель работает следующим образом. Силы, действующие в кинематической схеме двигателя, изображены на фиг.2. Вал 6 с грузом 7 (далее - вал) массойвоздействует в месте взаимодействия с направляющими 8 с силой тяжести(см. фиг.2),которая расчитывается по формуле 1 где- масса груза- ускорение свободного падения равное 9,8. Силавсегда направлена вниз перпендикулярно горизонтальной поверхности земли. Направляющие 8 имеют отрезок дугообразной линии между точкам А и В, параллельный с сектором окружности колеса от 135 до 225 градусов относительно центра О 1. При условии заданного направления вращательного движения колеса по часовой стрелке принимаем, что силав секторе от 135 до 225 градусов относительно центра окружности 1 а по траектории движения направляющих 8 между точками А и В является положительной,способствующей вращению, а в остальном секторе и между точками Б и А соответственно - является отрицательной, противодействующей вращению. Учитывая что направляющие 8 обеспечивают движение вала 6 только по заданной траектории, то силав месте взаимодействия вала 6 с направляющей 8 создает силу К, действующей параллельно к касательной поверхности направляющей 8. В горизонтальном положении спицы 4 значения сили К равны. Сила К расчитывается по формуле К 2 где- угол противолежащий силе К. Так как сила К действует по всей оси 2 вала 6,то в месте взаимодействия вала 6 со спицей 4 проекция действующей силы К создает силу Р,которая направлена по касательной линии к окружности с центром оси 1 и перпендикулярна радиусу этой окружности, на которой в данный момент находится вал 6, и создает вращательное движение колеса и вала 2 соответственно. В горизонтальном положении спицы 4 значение сил К и Р равны. Сила Р расчитывается по формулеК 3 где- угол между силами К и Р. 3 Крутящий момент М, который создает сила Р на вале колеса 2, расчитывается по формуле МР 4 где- плечо силы, расстояние от центра окружности оси О 1 до места воздействия силы Р, в которой на данный момент находится точка контакта вала 6 со спицей 4. Произведем теоретический расчет сил и крутящего момента действующих в предлагаемой изобретением кинематической схеме двигателя. На фигурах чертежей изображен двигатель с использованием валов 6 с с комплектом грузов 7 в количестве 8 штук, соответственно количество спиц 4 будет равно 8 штук. Для расчета принимаем массу одного вала 6 с комплектом грузов 7 равной 100 килограммам. Радиус окружности колеса в секторе от 135 до 225 градусов относительно центра окружности 1, параллельный отрезкам между точками А и В направляющих 8, по которой движется вал 6 принимаем 1,94 метра, это наибольшее плечо силы. Наименьшее плечо силы,находящееся в остальном секторе окружности 1(горизонтальное положение спицы 4) принимаем 0,4 метра. Для начала расчетов так же принимаем что вал 6 с комплектом грузов 7 взаимодействует со спицей 4 находящейся в горизонтальном положении слева от центра окружности 1 (угол 0),следующий вал со спицей под углом 45, и так далее. В горизонтальном положении спицы 4 значения сил , К и Р равны. Установив положение осей О 2 валов 6, согласно заданной траектории движения в 8 точках(см. фиг.1 и 2) определяем необходимые расстояния и углы воздействия сил. Далее производим расчет числовых значений сил и крутящего момента согласно формулам. При этом необходимо отметить что, когда вал 6 находится в секторе от 135 до 225 градусов, относительно центра окружности О 1,действие его силы тяжести способствует вращению(со знаком плюс), и наоборот когда вал 6 в остальном секторе - действие силы его тяжести является противодействующей вращению(со знаком минус). Данные всех исходных и искомых значений сведены в таблицу 1. Таблица 1 Масса Угол вала 6 положения с Сила спицы 4, где комп- тяжести расположен лектом , Н вал 6, о грузов 7, кг 1 2 3 0 100 Крутящий Плечо Угол момент М силы,Значение между Значение воздейстУгол расстояугла Сила К, Н силами угла Сила Р, Н вующий по ние от осиК и Р,окруж 1 до вала Для более уточненного определения числовых значений произведем расчет в положении где спицы смещены на угол 22,5 градусов по часовой стрелке(в схеме действующих сил на фиг.2 не показана),данные сведены в таблицу 2. Таблица 2 Далее определяем суммарное значение силы сопротивления качению, которая является еще одной силой противодействующей вращению, она присутствует в местах соединений,4 обеспечивающих вращательное движение с использованием подшипников качения и вызвана наличием сил трения соприкасающихся деталей. Сила сопротивления качению расчитывается по формуле тт 5 где- нормальная нагрузка в точке контакта тр - коэффициент трения подшипника качения. Нормальная нагрузка в точке контакта вала 6 с направляющей 8 (в схеме действующих сил на фиг.2 не показана) воздействует на направляющую 8 перпендикулярно силе К и направлена в секторе от 1 до 179 градусов во внутреннюю часть направляющей 8, а в секторе от 181 до 359 градусов в наружную часть направляющей 8, в положениях спицы 4 со значением 0 и 180 градусов нагрузка на направляющую 8 отсутствует (равна нулю). Нормальная нагрузка в точке контакта вала 6 с направляющей 8 расчитывается по формуле 2, при этом значениеделим на два (так как масса грузов 7 с валом 6 распределена и взаимодействует с двумя направляющими 8 на двух подшипниках) а угол/2(90-), так же нормальную нагрузку принимаем с положительным знаком. Далее силу сопротивления качению Мтр в месте взаимодействия вала 6 с направляющей 8 умножаем на два (так как вал 6 взаимодействует с двумя направляющими 8 на двух подшипниках). Значение нормальной нагрузки в точке контакта спицы 4 с валом 6 равняется силе Р с положительным знаком. Так как в местах соединений, обеспечивающих вращательное движение, будут использоваться подшипники качения радиально-упорного типа с пластичным смазочным материалом, значение коэффициента трения подшипника качения принимаем 0,003. Данные всех исходных и искомых значений сведены в таблице 3. Таблица 3 Сила Сила сопротивлеКоэфсопротивления Точка Коэффиния качению Угол фикачению в конСила Норциента в месте полоЗначение циента месте Мтр 2,такта тяжес- Угол мальная трения взаиможения углатрения Сила Р, Н взаимодейстспицы ти /2, 90 нагрузка подшипНм действия спицы, Н ника спицы 4 с 4,ника направляющей вала 6 качения валом 6 Мтр,качения 8 Мтр, Нм Определяем значение силы сопротивления качению в месте соединения вала колеса 2 и станины 1. Для расчета значения нормальной нагрузки суммируем общую массу грузов 800 кг. и массу колеса 400 кг (из расчета что для изготовления колеса будут применены легкосплавные материалы) 8004001200 кг. Расчет силы тяжести (нормальная нагрузка)т 12009,811760 . Расчет значения силы сопротивления качению и Мтр 117600,003 35,28 Нм. Определяем суммарное значение силы сопротивления качению Мтр 10,5517,9935,2866,82 Нм. Определяем крутящий момент вала колеса 2 с учетом сил сопротивления качению 2623,86-66,822557,04 Нм. Из расчета видно что суммарное значение крутящего момента, создаваемого действием вращательной силы (в данном случае сила Р),значительно больше суммарного значения крутящего момента,создаваемого силой противодействующей вращению (в том числе силы сопротивления качению),и это создает вращательное движение и соответственно крутящий момент на вале колеса 2. Для более уточненного определения числовых значений произведем аналогичный расчет в положении где спицы смещены на угол 22,5 градусов по часовой стрелке и определяем суммарное значение силы сопротивления качению,данные всех исходных и искомых значений сведены в таблице 4. Таблица 4 Значение силы сопротивления качению в местах соединения вала колеса 2 и станины 1 составляет 35,28 Нм. Определяем суммарное значение силы сопротивления качению Мтр 11,517,235,2863,98 Нм. Определяем крутящий момент вала колеса 2 с учетом сил сопротивления качению 958,33-63,98894,35 Нм. Призведенные расчеты указывают на то, что при горизонтальном положении (0) условно первой спицы 4 колеса крутящий момент вала колеса 2 имеет максимальное значение, а в положении 22,5 - минимальное. Далее определяем среднее суммарное значение крутящего момента М из двух положений спиц 6 колеса (2557,04894,35) /21725,69 Нм. На приведенном в качестве примера теоретическом расчете видно, что при массе одного груза -100 кг и диаметре колеса около 4 метров,получаем среднее значение крутящего момента М на вале колеса 1725,69 Нм. При увеличении массы грузов и диаметра колеса, крутящий момент М увеличивается соответственно. В качестве материала для изготовления деталей с соответствующими функциональными и техническими характеристиками для предлагаемого в заявке устройства могут быть применены различные металлы, их сплавы, прочные марки пластика и другие композитные материалы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Бестопливный двигатель, содержащий вал, на котором установлено колесо со спицами,одинаковыми по форме и равноудаленными между собой на одинаковый угол, отличающийся тем, что в двигателе используется кинематическая схема, в которой каждая спица вращающегося колеса находится во взаимодействии с перпендикулярно расположенным валом валы, с закрепленными на них грузами, двумя концами находятся во взаимодействии с двумя неподвижными направляющими, исполненными в виде замкнутой ломаной линии, по форме близкой к треугольнику, и расположенными по обе стороны плоскости окружности колеса на равных расстояниях, таким образом, что в плоскости окружности колеса валы с грузами совершают возвратно-поступательные движения по направлению от центра к внешней окружности колеса и обратно по спицам колеса, и одновременно двигаются по траектории,обеспечиваемой направляющими.