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1. (WO2018226107) DRIVE-TORQUE AMPLIFIER FOR A MOVING SHAFT
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AMPLIFICADOR DEL PAR MOTOR DE UN EJE EN MOVIMIENTO

Campo Técnico

La presente invención describe a un dispositivo que se ubica en el campo de la mecánica de las maquinas accionadas por presión de un fluido hidráulico que desplazan órganos de una posición a otra.

Estado de la Técnica

En la actualidad existen diversos dispositivos para mejorar el par motor que producen los motores, pero para el caso de amplificar el par motor de un eje que está a la salida de un motor, es decir, de ejes en movimiento, la patente que más se asemeja a la invención propuesta es la del código de publicación CN201903893 (u) otorgada al ciudadano chino Wang Yuxi en 2014.

El motor referido es un motor hidráulico con tubos de entrada y salida de fluido, compuesta por un bloque central de partes A y B, de levas A y B, de resortes de retorno A y B, y de un eje vertical terminado en su extremo inferior en un engranaje cónico A, por un mecanismo de movimiento trasversal que contiene a los tubos, por un mecanismo de salida de fuerza compuesto por pistones, bielas y cigüeñal horizontal que se une al eje vertical en su extremo derecho mediante un engranaje cónico B, y por un tanque de fluido.

La técnica utilizada es de inyectar, a través de los tubos de entrada y salida de fluidos, y de sus tuberías ramificadoras, presión al fluido que ingresa a los cilindros y que empuja a los pistones y estos por medio de sus bielas al eje cigüeñal, generando en este par motor incrementado.

Sin embargo, el motor hidráulico de la patente en mención, al utilizar dos ejes, uno de entrada de fuerzas y el otro de salida, y al tener diversas piezas móviles (tubos de entrada y de salida de fluidos, de ramificación, levas, resortes de retorno, mecanismo trasversal, eje vertical, pistones, cigüeñal, engranajes), es una máquina de complejo mantenimiento, previsiblemente ruidosa, y sujeta a continuo degaste en muchas de sus partes. Por otro lado, al no tener un único eje de fuerza, solo se puede colocar a la salida de una máquina para incrementarle a esta su par motor, pero al motor hidráulico de la patente no se le puede acoplar otro u otros dispositivos de la misma patente para lograr más elevados niveles de par motor, es decir, su utilización termina con su acople a una máquina.

Descripción detallada de la invención propuesta

Como solución a los inconvenientes y problemas antes mencionados se desarrolló el presente invento, que tiene como concepto inventivo la utilización de la ventaja mecánica que proporciona la aplicación de la Ley de Pascal, en este caso, para movimiento rotatorio.

El dispositivo es una máquina que amplifica el par motor de un eje en movimiento por efecto de la energía en forma de movimiento rotatorio que recibe del exterior, a través del trabajo conjunto de al menos un actuador mecánico (Leva), un actuador hidráulico (fuerza lineal amplificada que proporciona la aplicación de la Ley de Pascal) y un mecanismo pistón - biela - cigüeñal), es por consideraciones mecánicas, un motor de dos tiempos (compresión y recarga), de al menos un par de pistones opuestos horizontales, es decir, un motor en V a 180°, que está compuesto por al menos un par de unidades iguales opuestas por un Eje Cigüeñal con al menos un codo central para Bielas, con al menos una Leva circular excéntrica fijada al Eje Cigüeñal, cada Leva una con una porción de su área perimetral formando tangencia con la superficie del Eje Cigüeñal y de al menos dos Rodajes para su rodamiento, que recibe tanto la energía externa en forma de movimiento rotatorio así como el par motor que amplifica el propio dispositivo, estando cada unidad compuesta de una Funda exterior que envuelve cada unidad, de un Bloque de motor, que es una pieza sólida que va fijada al lado interior de la funda exterior, conteniendo orificios que forman los cilindros en los que actúan los Émbolos, de una Funda interior que es un cilindro que va fijado al lado interior del bloque de motor, de una Brida de culata, que es una pieza de refuerzo a la Funda exterior, que va fijada al lado exterior de la Funda exterior en el extremo más lejano del Eje Cigüeñal, de una Brida de unión, que es una pieza de refuerzo a la Funda exterior, que va fijada al lado exterior de la Funda exterior en el extremo más cercano al Eje Cigüeñal, de una Culata que es una tapa que se fija a la Brida de la culata, de una Cámara de compresión que es un espacio que se forma entre la culata, el extremo cercano a ella de la Funda exterior, el extremo cercano a ella de la Funda interior y por la superficie superior del Pistón, y que va llena de fluido hidráulico, de un Émbolo que es un recipiente con tapa y fondo cuya tapa va fijada a la parte interior de la pared y contiene una serie de Miniémbolos, para generar presión al fluido de la cámara de compresión y Aberturas para que el fluido del Émbolo ingrese/egrese al/del Émbolo para cumplir con su labor de sellado, lubricación y enfriamiento, y cuyo fondo va fijado a la parte interior de la pared, y en su lado extemo lleva fijados, dos montantes, diametralmente opuestos, en los que

se colocan cada una de los Rodillos seguidores que servirán para desplazar linealmente al Émbolo debido a la acción de las Levas, estando los Émbolos de cada unidad fijados entre sí por Varillas sujetas a la parte más lejana a la Culata de ambos Émbolos, cada Embolo desplazándose en el espacio entre el interior de la Funda exterior y el exterior de la Funda interior, haciendo contacto con las paredes a través de los anillos de presión y lubricación, de un Pistón que es un cilindro que se desplaza dentro de la Funda interior y que va ligado mediante su biela al Eje Cigüeñal para convertir la fuerza lineal del Pistón en par motor amplificado sobre el Eje Cigüeñal, y haciendo contacto con la funda interior a través de ios anillos de presión y lubricación.

Describiremos el funcionamiento de la invención citando lo que ocurre en la unidad que se encuentra frontalmente a izquierda al recibir en el Eje Cigüeñal la energía externa en forma de movimiento rotatorio. Al recibir movimientos el Eje Cigüeñal, sus Levas empujan con fuerza lineal a los Rodillos seguidores, y estos a su vez, al Émbolo, cuya tapa se acerca al Bloque del motor, introduciendo sus Miní émbolos en los cilindros de este, presionando por consiguiente al fluido de la Cámara de compresión. Esta presión hace que una fuerza lineal amplificada por acción de la Ley de Pascal, empuje al Pistón, alejándolo de su culata para que, a través de su Biela, transmita par motor al Eje Cigüeñal. Mientras la tapa del Émbolo se acerca al bloque del motor, el fluido hidráulico contenido entre la tapa, Bloque de motor, Funda exterior y Funda interior, por presión, va ingresando por las aberturas al recipiente del Émbolo, luego de cumplir su función de sellar los Miniémbolos, de enfriamiento de la Funda interior y de lubricación de la Funda exterior.

Cada media vuelta que recibe del exterior el Eje Cigüeñal se convierte en una media vuelta con par motor amplificado sobre el Eje Cigüeñal. Asf, la unidad izquierda, con media vuelta del exterior, completa su Tiempo de Compresión. Mientras esto ocurre, la unidad derecha completó su tiempo de Recarga, ya que, al estar fijados entre sí, los émbolos de ambas unidades como sistema desmodromico, mientras el Embolo de la unidad izquierda se acerca a su Culata, el Émbolo de la unidad derecha se aleja de la suya, es decir mientras la unidad izquierda realiza su Tiempo Compresión, la unidad derecha realiza su Tiempo Recarga. En este caso, el fluido hidráulico contenido en el recipiente del Émbolo, va saliendo, por inercia, a través de las aberturas, al espacio comprendido entre la tapa del Émbolo, el bloque del motor, la Funda exterior y la Funda interior.

Vemos así, que con una vuelta completa que recibe del exterior el Eje Cigüeñal, ambas unidades completan, cada una, su Tiempo Compresión y su Tiempo Recarga.

De esta manera, el par motor que ingresa ai dispositivo desde el exterior al Eje Cigüeñal, se convierte instantáneamente en par motor amplificado sobre el Eje Cigüeñal a la salida del dispositivo.

Ello supone una mejora en el estado de la técnica ya que la presente invención solo tiene como piezas móviles a los Pistones y Émbolos y al Eje Cigüeñal. No tiene, así mismo, ni tanque de fluido ni tuberías de ingreso ni egreso de fluido, y, al tener un solo eje, pueden acoplarse al eje en movimiento un dispositivo de la invención, y a este uno o varios más, entre sí, exponenciando el par motor que amplifica cada uno, lográndose valores de par motor muy altos de una manera sencilla.

El eje en movimiento, el cual se acopla al dispositivo, puede provenir de cualquier tipo de motor, turbina hidráulica, maquina movida por fuerza eólica e incluso de un mecanismo accionado por fuerza humana.

Soporte científico del funcionamiento de ia invención propuesta

Sean:

El par motor que recibe la invención desde la energía externa.

La fuerza lineal de entrada a la invención, la que es

perpendicular a la tangente entre la Leva y el Rodillo seguidor.

El radio de giro del eje de las Levas circulares excéntricas.

El máximo deslazamiento del Rodillo seguidor y de cada embolo debido a (a acción de la Leva circular excéntrica.

La fuerza lineal que es componente de Fo y la recta Normal.

El ángulo formado entre F0 y la recta Normal

La cantidad de miniémbolos que forma la parte superior de un embolo, que presionan al fluido de la cámara de compresión

respectiva, y que producen el trabajo mecánico de entrada a ella.

La presión que ejerce el conjunto de miniémbolos de un P embolo en cualquier punto del fluido de la cámara de

compresión respectiva.

A El área de la superficie de cada pistón.

El área de la superficie de cada miniémbolo.

Fi La fuerza lineal que genera la presión del fluido en el pistón.

C El desplazamiento de cada pistón.

Ti El par motor que genera Fi sobre el eje cigüeñal.

El par motor Te de entrada genera una fuerza lineal F0 en el punto de tangencia Leva -Rodillo seguidor. La magnitud de esta fuerza depende de la distancia entre el centro de la Leva y el punto de tangencia entre Leva y Rodillo seguidor. Esta distancia varía desde un mínimo γ hasta un máximo
Por convención, usaremos el valor máximo, con el que F0 adquiere el valor siendo este el valor mínimo que F0 puede adquirir.


Pero es la componente Normal
de la fuerza lineal F0 la que hace desplazar el Rodillo seguidor, y su valor es
El mayor ángulo α observado en el diseño de la invención propuesta es de 16°. El coseno 16°es 0.95, y será el que menor valor le asigna a es decir,

Esta fuerza lineal hace que los Q miniémbolos del émbolo, en su conjunto, le

apliquen al fluido de la Cámara de Compresión respectiva, la presión en cada una de sus puntos, por acción de la Ley de Pascal.

Como el trabajo mecánico del conjunto de los Q miniémbolos y el del Pistón son iguales, tenemos que:

(


De donde: que será la fuerza lineal que será aplicada a la

superficie del pistón. Esta fuerza, actuando por medio de la Biela respectiva, con un brazo de palanca de C/2, producirá en el Eje cigüeñal el par motor


Reemplazando el valor de F1, tendremos que:

Es decir, el factor de amplificación que afecta el par motor Ja de entrada al dispositivo, para convertirlo en T1 de salida es,


Nótese que se ha amplificado el par motor, pero que el trabajo mecánico del conjunto, Q de miniémbolos de cada embolo, 0.95
y el de cada Pistón F1C, son iguales.

Asimismo, el volumen de fluido deslazado en su trabajo por el conjunto Q de miniémbolos de cada émbolo
es igual al desplazado por cada Pistón, es decir, AC.

Soporte científico de la exponencialidad de la invención propuesta

Suponemos que acoplamos otra unidad de la invención a la salida de la primera unidad, y sean:

La fuerza lineal de entrada a la segunda unidad, que es perpendicular a la tangente entre su Leva y su Rodillo seguidor.

La fuerza lineal que es componente Normal de Fe

La cantidad de miniémbolos que forma la parte superior de un Q embolo, que presionan al fluido de la cámara de compresión

respectiva, y que producen el trabajo mecánico de entrada a ella.

La presión que ejerce el conjunto de miniémbolos de un embolo en P

cualquier punto del fluido de la cámara de compresión respectiva.

El área de la superficie de cada miníémbolo.

F2 La fuerza lineal que genera la presión del fluido en el pistón.

A El área de la superficie de cada pistón.

C El desplazamiento de cada pistón

El par motor de entrada a la segunda unidad, es decir, el mismo de

Τε

la salida de la primera unidad, T1

γ El radio de giro del eje de las Levas circulares excéntricas.

El máximo deslazamiento del Rodillo seguidor y de cada embolo υ

debido a la acción de la Leva circular excéntrica.

T0 El par motor que recibe la primera unidad desde la energía externa.

T2 El par motor que genera F2 sobre el eje cigüeñal.

La segunda unidad, acoplada a la salida de la primera, recibe de esta en par motor generado por una fuerza lineal, que llamaremos Fe. Esta fuerza hace desplazar a su Rodillo seguidor, Conocemos ya que la componente Normal de esta fuerza,
es la que hace que los Q miniémbolos ejerzan presión al fluido de la Cámara de

Compresión, y que, por efecto de la Ley de Pascal, esta presión se manifiesta en cada punto de ella. Conocemos también que el trabajo mecánico de los Q miniémbolos en conjunto, es igual al trabajo mecánico del Pistón, es decir:

Luego


El par motor que esta fuerza lineal F2 le transmite al Eje cigüeñal de la segunda unidad será:

, reemplazando estos valores en T2, tendremos:


Se aprecia que el acoplar una segunda unidad a la salida de la primera, el factor de amplificación se eleva a la segunda potencia. Podemos inferir que al acoplar "n"

unidades de invención, el factor se eleva a la potencia "n".

Breve descripción de las Figuras

Con el objetivo de una rápida ubicación de las partes de la invención propuesta, se ha codificado numéricamente cada una de ellas.

Figura 1 : Se muestra una vista del corte horizontal en el que se muestra el Eje Cigüeñal

(1) , las Levas circulares excéntricas (2), los Rodajes (3), las Culatas (5), las Fundas exteriores (6), las Bridas de culata (7), los Bloques de motor (8), las Fundas interiores (9), las Cámaras de compresión (10), los Émbolos (11), las Tapas de embolo (12), los Miniémbolos (13), las Aberturas en tapa (14), los Recipientes de embolo (15), los Fondos de embolo (16), los Montantes de Rodillo seguidor (17), los Rodillos seguidores (18), los Anillos de embolo (19), los Pistones (20), las Bielas (21 ), los Anillos de Pistón (22), las Bridas de unión (23) y las Varillas de fijación (24) de ambas unidades (4).

Figura 2: Se muestra una vista de dos cortes verticales frontales parciales, en los que el gráfico A muestra el detalle de la ubicación de la Leva circular excéntrica

(2) y del Embolo (11) al final del tiempo de Compresión en una unidad (4). El gráfico B muestra el detalle de la ubicación del Pistón (20) al inicio del tiempo de compresión en una unidad (4)

Figura 3: Se muestra una vista del corte vertical de perfil en el que se muestran la funda exterior (6), las paredes laterales del Embolo (11), la Tapa de embolo (12), los mini émbolos (13), las aberturas en tapa (14), la Funda interior (9) y el pistón (20).

Figura 4: Se muestra una vista del corte horizontal en el que se detalla la ubicación del

Eje cigüeñal (1), los Émbolos (11) y los Pistones (20) al inicio del tiempo Recarga de una de las unidades (4).

Figura 5: Se muestra una vista del corte horizontal en el que se detalla la ubicación del

Eje Cigüeñal (1), los Émbolos (11) y los Pistones (20) en el desarrollo del tiempo Recarga de una de las unidades (4).

Figura 6: Se muestra una vista del corte horizontal en el que se detalla la ubicación del

Eje cigüeñal (1), los émbolos (11) y los Pistones (20) al final del tiempo Recarga de una de las unidades (4).

Realización preferente de la invención

En la realización mostrada en la Figura 1 se puede observar que la invención tiene un Eje Cigüeñal (1) que es el eje que recibe la fuerza desde el exterior en forma de movimiento rotatorio, y que así mismo, recibe el par motor que amplifica el propio invento. Al Eje Cigüeñal (1 ) están fijados dos Levas circulares excéntricas (2) cuya área perimetrai. forma tangencia con su superficie. A ambos lados del Eje Cigüeñal (1), el dispositivo tiene una unidad (4), cada una opuesta a la otra por el Eje Cigüeñal (1) en una forma de motor V a 180 °, estando cada unidad compuesta pon

- Una Culata (5), tapa metálica que envuelve junto con la Funda exterior (6), cilindro metálico, a las demás piezas de la unidad (4).

- Una Brida de Culata (7), pieza metálica que refuerza a la Funda exterior (6). Va entornillada y/o sellada a la superficie exterior de la Funda exterior (6) en su extremo cercano a su culata (5).

- Un Bloque de motor (8), pieza metálica sólida, que va entornillada y/o sellada a la superficie interior de la Funda exterior (6), y que contiene orificios que funcionan como cilindros en los que actúan los miniémbolos (13), piezas cuya función es la de generar presión a las Cámaras de Compresión (10).

- Una Funda interior (9), cilindro metálico, que va entornillado y/o soldado al Bloque de motor (8) en su lado interior y en cuya superficie interior trabajan los pistones (20).

- Una cámara de compresión (10), espacio que se forma entre la Culata (5), el extremo cercano a ella de la Funda exterior (6), el extremo cercano a ella de la Funda exterior (9) y por la superficie más cercana a la culata (5) del Pistón (20) y que va llena de fluido hidráulico.

- Una Tapa de embolo (12), que es un disco metálico al extremo del Embolo (11) que contiene a los Miniémbolos (13), pistones pequeños metálicos sólidos, que son los que se introducen en los cilindros del Bloque de motor (8) para generar presión al fluido hidráulico contenido en la Cámara de Compresión (10) y Aberturas (14) que sirven para que el fluido hidráulico del Recipiente del Émbolo (15) ingrese/egrese a/de este para cumplir con su labor de sellado, lubricación y enfriamiento. Va atornillado y/o sellado a la pared interna del Émbolo (11).

- Un Fondo de Émbolo (16), disco metálico que va entornillado y/o sellado a la superficie interior del Émbolo (11) en el extremo opuesto a la Tapa del Émbolo (12). En su parte externa lleva soldado dos Montantes (17), piezas metálicas

situadas diametralmente opuestas, en las que se colocan, en cada una, un Rodillo seguidos (18), que sirven para que el Émbolo (11 ) se desplace linealmente debido a la acción de las Levas circulares excéntricas (2).

- Dos Anillos de Émbolo (19), para funciones de presión y lubricación que establecen el contacto del Émbolo (11) con la superficie interior de la Funda exterior (6) y con la superficie exterior de la Funda interior (9) para mantener la presión del fluido hidráulico del Recipiente de Émbolo (15) sobre la superficie del Bloque de motor (8) más cercano al Émbolo (11), así como para limpiar el fluido hidráulico que se adhiere a las superficies de la Funda exterior (6) y de la Funda interior (9).

- Un Pistón (20), cilindro metálico sólido, que recibe la presión generada en la Cámara de Compresión (10) en su superficie más cercana a su Culata (5) y que genera una fuerza lineal en ella, que la aleja de su Culata (5). Se desplaza dentro de la Funda interior (9) y hace contacto con ella a través de los Anillos de Pistón (22), que se encargan de mantener la presión sin pérdida sobre la superficie del Pistón (20) y de la limpieza del fluido hidráulico que se adhiere a la superficie interior de la Funda interior (9).

- Una Biela (21 ), pieza metálica que une al Pistón (20) con el Eje Cigüeñal (1 ) y que le transmite a este la fuerza lineal del Pistón (20) convirtiéndola en par motor sobre el Eje Cigüeñal (1).

- Una Brida de unión (23), pieza cilindrica metálica que refuerza a la Funda exterior (6) y que va entornillada y/o sellada a la superficie exterior de la Funda exterior (6) en su extremo más lejano a su Culata (5).

Entre los extremos más lejanos de sus Culatas (5), los Émbolos (11) van fijados entre sí por Varillas (24), piezas metálicas que los mantienen unidos para que estos trabajen como sistema desmodrómico para que los tiempos Compresión y Recarga funcionan con precisión.

Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos, que los materiales, forma, tamaño y disposición de las piezas descritas podrán ser modificadas, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención.