ВИБРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК H02K33/00 F02B75/32 

Изобретение относится к механике, в частности к устройствам для преобразования форм механического движения.

Известны устройства для преобразования кинетической энергии газов, образующихся при вспышках горючего, в поступательное однонаправленное движение. Это двигатели внутреннего сгорания разных модификаций.

Недостатком таких устройств является технологическая сложность их изготовления (в частности, цилиндров, поршней, коленвалов), а также потери энергии на трение поршней в цилиндрах.

Известны устройства для преобразования вибраций в поступательное и вращательное движение.

Наиболее близким к изобретению является вибродвигатель, основными элементами которого являются вибровозбудитель и ротор (рабочий орган), а также механизм преобразования движения, включающий вибровозбудитель управляющих колебаний и блок синхронизации.

Недостатком прототипа является невысокий КПД и интенсивная вибрация устройства при работе.

Целью изобретения является уменьшение потерь энергии и снижение вибраций при работе устройства.

Для этого в вибродвигателе, содержащем корпус, вибровозбудители основных и управляющих колебаний, рабочий орган и блок синхронизации, электрически связанный с вибровозбудителями основных и управляющих колебаний, вибровозбудитель управляющих колебаний обеспечивает прижимание конца штока к рабочему органу в те моменты времени, когда к концу штока подходят пакеты упругих волн, генерированных в вибровозбудителе основных колебаний, а последний укреплен на корпусе с возможностью поворота.

На фиг. 1-4 изображена схема вибродвигателя; на фиг. 5-8 диаграммы временных соотношений между электрическими сигналами блока синхронизации и механическими величинами.

Вибродвигатель состоит из вибровозбудителя 1 основных колебаний штока 2, рабочего органа 3, блока 4 синхронизации, вибровозбудителя 5 управляющих колебаний и корпуса 6. На фиг. 1 представлена сборка устройства в проекции сбоку, а на фиг. 2 то же, вид сверху.

В вибровозбудитель 1 основных колебаний поступает электрический сигнал с блока 4 синхронизации, после чего в вибровозбудителе 1 происходит либо удар подвижной массы в торец штока 2, либо вспышка порции горючего, и в материале штока формируется пакет упругих волн (количества движения), распространяющийся вдоль штока 2 со скоростью продольных волн (скоростью звука). К тому моменту, когда пакет волн достигнет конца штока 2, электрический сигнал с блока 4 синхронизации вызывает срабатывание вибровозбудителя 5 управляющих колебаний, который прижимает конец штока 2 к поверхности рабочего органа 3 (ротора) в течение того промежутка времени, пока волновой пакет, передается рабочему органу, после чего механический контакт штока 2 с рабочим органом 3 разрывается.

Приобретая количество движения P, переданное волновым пакетом, распространяющимся из вибровозбудителя основных колебаний 1 через шток 2, рабочий орган 3, выполненный в виде колеса с массивным ободом, начинает вращаться с соответствующей угловой скоростью.

Вибровозбудитель 1 основных колебаний может быть выполнен в двух вариантах. На фиг. 3 приведена схема вибровозбудителя 1, выполненного в виде электромагнитной катушки 7 с сердечником 8, соединенным с корпусом посредством пружины 9. В обмотку катушки 7 через разъем 10 с блока синхронизации подается электрический сигнал, в результате которого сердечник разгоняется и ударяет в торец штока, отдавая ему приобретенное количество движения. В отсутствие сигнала сердечник возвращается в исходное положение за счет пружины 9.

Фиг. 4 иллюстриpует второй вариант исполнения вибровозбудителя основных колебаний. Вибровозбудитель выполнен в виде камеры сгорания распыленного топлива. Через отверстие с клапаном 11 в камеру подается горючая смесь, через отверстие 12 выпускаются отработанные газы, свеча 13 зажигания обеспечивает искру при подаче через разъем 10 сигнала с блока синхронизации. После вспышки стенкам камеры отдается кинетическая энергия продуктов горения и соответствующая порция количества движения P= где P импульс; M масса порции топлива; E энергия сгорания топлива.

Действие блока синхронизации иллюстрируется диаграммами фиг. 5-8.

Блок синхронизации может быть выполнен, например, в виде автогенератора (мультивибратора) с изменяемой частотой и двух цепочек, каждая из которых включает триггер и усилитель мощности. Первый усилитель мощности нагружен на вибровозбудитель основных колебаний (разъем 10 на фиг. 3 и 4), второй усилитель на обмотку вибровозбудителя 5 управляющих колебаний (фиг. 1). Блок синхронизации вырабатывает электрический сигнал в момент времени t_o (фиг. 5). В вибровозбудителе основных колебаний этот сигнал вызывает формирование механического импульса, который поступает в шток в момент t₁ и передается в течение интервала Δ t₁ (см. фиг. 6). Фиг. 7 иллюстрирует изменение электрического тока в обмотке реле вибровозбудителя управляющих колебаний. Протекание тока в обмотке реле связано с прижиманием конца штока к рабочему органу вибродвигателя. Фиг. 8 отражает действие силы на контакте между штоком и ротором. Усилие прикладывается в момент t₃ и продолжается в течение интервала времени Δ t₃.

Согласование моментов t₁ и t₃, а также промежутков времени Δ t₁ и Δ t₃ приводит к тому, что энергия волн будет отдаваться рабочему органу полностью, а торможение ротора штоков м промежутках между сигналами будет отсутствовать. Согласование моментов контакта штока с моментами подхода волновых пакетов к концу штока приводит к высокому КПД вибродвигателя.

В качестве примера рассмотрим устройство, в котором волновой пакет возбуждается ударом (фиг. 3). При прохождении электрического сигнала через катушку вибровозбудителя стержень разгоняется и ударяет в торец штока, отдавая всю свою энергию и количество движения на формирование пакета упругих волн. Время торможения массы (длительность пакета излучения) составит около 10 мкс, время распространения пакета вдоль штока длиной 12 см со скоростью 6000 м/с составит 20 мкс, время холостого хода (движение стержня до удара) составит около 100 мкс. Блок синхронизации должен вырабатывать электрический импульс длительностью не менее 100 мкс. Реле вибровозбудителя управляющих колебаний отрегулировано так, что успевает срабатывать через 20 мкс после начала сигнала, т. е. t₃=t₁+20 мкс, и удерживает механический контакт между концом штока и рабочим органом в течение 10 мкс ( Δ t₃=10 мкс). Если время восстановления системы после однократного срабатывания не более 800 мкс, то частоту мультивибратора блока синхронизации можно довести до 1000 Гц, причем продолжительность механического контакта за рабочий цикл составит лишь 10 мкс. Устройство в этом случае работает как электродвигатель.

Если в качестве вибровозбудителя основных колебаний используется камера сгорания горючей смеси (фиг. 4), то устройство можно рассматривать в качестве вибродвигателя внутреннего сгорания. Положительный сигнал с блока синхронизации (фиг. 5) обеспечит зажигание смеси в камере. Реле вибровозбудителя управляющих колебаний прижимает конец штока к ротору через 20 мкс (время запаздывания определяется длиной штока и скоростью волн). Количественные оценки интервалов времени близки к тем, которые приведены выше.

Виброэлектродвигатель может использоваться при конструировании игрушек, а вибродвигатель внутреннего сгорания в связи с простотой изготовления может успешно конкурировать с известными двигателями небольшой мощности в бензопилах, бензоагрегатах и даже, возможно, в автомототранспорте.

Сущность изобретения: вибродвигатель содержит корпус, вибровозбудители основных и управляющих колебаний, рабочий орган и блок синхронизации, электрически связанный с вибровозбудителями основных и управляющих колебаний. Вибровозбудитель основных колебаний установлен в корпусе с возможностью поворота и снабжен жестко связанным с ним штоком, установленным с возможностью контакта с рабочим органом. Вибровозбудитель управляющих колебаний выполнен в виде электромагнитной катушки, жестко связанной с корпусом и установленной с возможностью электромагнитного взаимодействия со штоком и поджатия его к рабочему органу. Вибровозбудитель основных колебаний может быть выполнен в виде электромагнитной катушки с подвижным сердечником, а подвижный сердечник в катушке подпружинен и установлен с возможностью ударного взаимодействия со штоком. Вибровозбудитель основных колебаний также может быть выполнен в виде камеры сгорания со средствами газообмена, топливоподачи и свечой зажигания. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. ВИБРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, вибровозбудители основных и управляющих колебаний, рабочий орган и блок синхронизации, электрически связанный с вибровозбудителем основных и управляющих колебаний, отличающийся тем, что вибровозбудитель основных колебаний установлен в корпусе с возможностью поворота и снабжен жестко связанным с ним штоком, установленным с возможностью контакта с рабочим органом, а возбудитель управляющих колебаний выполнен в виде электромагнитной катушки, жестко связанной с корпусом и установленной с возможностью электромагнитного взаимодействия штоком и поджатия его к рабочему органу. 2. Вибродвигатель по п.1, отличающийся тем, что вибровозбудитель основных колебаний выполнен в виде электромагнитной катушки с подвижным сердечником, причем подвижный сердекчник в катушке подпружинен и установлен с возможностью ударного взаимодействия с штоком. 3. Вибродвигатель по п.1, отличающийся тем, что вибровозбудитель основных колебаний выполнен в виде камеры сгорания со средствами газообмена, топливоподачи и свечой зажигания.