СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДОЛЬНО-КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02N2/10 H01L41/09 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при разработке вибродвигателей, в микросварочных аппаратах, шлифовальных акустических устройствах, а также в различных технологических процессах, основанных на использовании продольно-крутильных колебаний.

В последнее время выросла потребность в разработке новых способов, позволяющих реализовать в конструкциях различных устройств продольно-крутильные колебания высокой интенсивности и достигать при этом требуемых КПД. В особенности это относится к микроустройствам (микродвигателям, устройствам микросварки и т.д.), где из-за высоких требований к массогабаритным характеристикам невозможно повышать интенсивность продольно-крутильных колебаний путем увеличения массы преобразователя или за счет повышения напряжения питания (вступают в силу ограничения, связанные с предельно допустимыми амплитудами колебаний преобразователей, обусловленными достаточно малой прочностью активного материала преобразователей).

Известен способ получения ультразвуковых продольно-крутильных колебаний, включающий возбуждение в волноводе ультразвуковых колебаний различных типов и направление их вдоль боковой поверхности волновода под углом к образующей [1]
Недостаток способа малая амплитуда продольно-крутильных колебаний, связанная с отсутствием усиления этих колебаний.

Известно устройство, реализующее указанный способ, содержащее полый радиально-поляризованный пьезокерамический цилиндр с несколькими наклонными электродными областями или несколькими наклонными щелевыми вырезами, одним торцом фрикционно сочлененный с ротором, а другим концом жестко соединенный с корпусом [1] Наклонные электродные области (прорези) обеспечивают возникновение и ориентацию продольно-крутильных колебаний в пьезокерамическом цилиндре. Недостаток вибродвигателя малая скорость вращения ротора, связанная с невысокой амплитудой продольно-крутильных колебаний, которые поступают в торец цилиндра, взаимодействующий с ротором, без предварительного усиления.

Известен способ получения ультразвуковых продольно-крутильных колебаний, включающий возбуждение в волноводе колебаний различных типов, преобразование направления их распространения в плоскости, перпендикулярной волноводу, возбуждение радиальных и крутильных колебаний, деление последних на части, направление этих частей под острым углом к направлению распространения указанных типов колебаний, возбуждение радиальными и крутильными колебаниями продольных колебаний, направление последних обратно к волноводу, возбуждение продольными колебаниями колебательных смещений крутильных колебаний, усиление последних и введение в волновод, усиление полученных продольно-крутильных колебаний [2]
Недостатками способа являются относительно невысокие амплитуда продольно-крутильных колебаний и эффективность способа. Это связано с тем, что для формирования крутильных колебаний в волноводе из всего многообразия возбуждаемых типов колебаний используются только крутильные колебания. К тому же многократное преобразование колебаний из одного вида в другой (преобразование колебаний, возбуждаемых в волноводе, в радиальные и крутильные, а затем преобразование последних в продольные колебания и обратно продольных колебаний в крутильные колебания) вызывает существенную потерю колебательной энергии и тем самым снижает эффективность способа в целом.

Указанный способ реализуется в вибродвигателе [2] содержащем концентратор и поджатый к торцу его узкой части ротор. Концентратор выполнен полуволновым с широкой частью, длина которой равна четверти длины волны крутильных колебаний в стержне, и узкой частью, выполненной в виде полого цилиндра, длина которой равна четверти длины волны крутильных колебаний в стержне. Широкая часть концентратора соединена с фланцем, который выполнен в виде суженного дискового четвертьволнового резонатора крутильных колебаний. На боковой поверхности фланца по окружности расположены наклонные стержни-резонаторы, длина которых равна четверти длины волны продольных колебаний. К концентратору посредством пассивной накладки и болтового соединения поджаты пьезоэлементы. При возбуждении пьезоэлементов от источника высокочастотных электрических колебаний в них возникают высокочастотные механические колебания, которые, распространяясь в концентраторе, возбуждают в нем колебательные смещения различных типов. Радиальные и крутильные колебания резонансного фланца возбуждают в наклонных стержнях продольные колебания, которые, взаимодействуя с боковой поверхностью диска под острым углом, обеспечивают возникновение и ориентацию крутильных колебаний в диске. Амплитуда крутильных колебаний увеличивается за счет перепада площадей поперечных сечений широкой и узкой частей концентратора. Энергией продольно-крутильных колебаний приводится во вращение ротор вибродвигателя.

Недостатками вибродвигателя являются относительно малые скорость вращения ротора и КПД, связанные с невысоким коэффициентом концентрации крутильных колебаний, возбуждаемых продольными колебаниями во фланце. Это вызвано тем, что из всего многообразия колебаний, возбуждаемых в концентраторе, для создания колебательных смещений крутильных колебаний во фланце используются только продольные колебания. К тому же многократное преобразование одного вида колебаний в другой вызывает существенную потерю колебательной энергии и тем самым снижает эффективность устройства в целом. К тому же радиальные колебания заведомо будут значительно ослаблены, поскольку геометрические размеры фланца являются резонансными только по отношению к крутильным колебаниям. Поэтому в возбуждении продольных колебаний в наклонных стержнях радиальные колебания будут участвовать не в полной мере.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [3] включающий возбуждение в волноводе фронта колебаний различных типов, деление фронта колебаний на части, направление последних под углом к его поверхности по путям, равным четверти длин волн продольных и изгибных колебаний, выделение продольных и изгибных колебаний из всех типов колебаний частей фронта, направление их обратно по тому же пути, усиление продольно-крутильных колебаний.

Недостатками способа являются относительно невысокие амплитуда продольно-крутильных колебаний и эффективность способа. Это связано с тем, что в формировании продольно-крутильных колебаний в волноводе из всего многообразия типов колебаний используются только продольные и изгибные колебания.

Кроме того, над выделенными колебаниями, перед воздействием на волновод, не производится операция их усиления, что не позволяет получить высокой амплитуды продольно-крутильных колебаний.

Указанный способ реализуется в вибродвигателе [3] содержащем концентратор продольно-крутильных колебаний в виде ступенчатого цилиндра с широкой и узкой полой приводной частями, ротор, поджатый к приводной части концентратора, вибропреобразователь, по торцу прижатый к широкой части концентратора посредством пассивной накладки и болтового соединения. На боковой поверхности широкой части концентратора, касательно к ней закреплены наклонные стержневые резонаторы, торцы, которых выполнены ступенчатыми, причем длина резонатора равна четверти длины волны продольных колебаний, а длина их широкой части четверти длины волны изгибных колебаний. Высота широкой и узкой частей концентратора равна четверти длины волны крутильных колебаний.

При подключении пьезоэлементов вибропреобразователя к источнику высокочастотных электрических колебаний (на чертежах не показан) в них возникают ультразвуковые механические колебания. Распространяясь в концентраторе, эти колебания возбуждают колебательные смещения колебаний различных типов, которые возбуждают в наклонных стержнях продольные и изгибные колебания, которые, возвращаясь к широкой части концентратора, формируют в последней крутильные колебания. Распространяясь в концентраторе, крутильные колебания накладываются на продольные и превращаются в продольно-крутильные. За счет перепада площадей поперечных сечений широкой и узкой ступеней концентратора продольно-крутильные колебания усиливаются. Энергией продольно-крутильных колебаний, приходящих в приводную зону узкой ступени, приводится во вращение ротор.

Недостатками вибродвигателя являются относительно малые скорость и КПД, связанные с относительно невысоким коэффициентом концентрации крутильных колебаний, возбуждаемых в широкой части концентратора. Это вызвано тем, что из всего многообразия колебаний, возбуждаемых в концентраторе, для создания колебательных смещений крутильных колебаний в широкой части концентратора используются только продольные и изгибные.

Кроме того, выделенные типы колебаний, участвующие в создании колебательных смещений крутильных колебаний, дополнительно не усиливаются перед воздействием на боковую поверхность широкой части концентратора.

Все это в целом не позволяет достигнуть высоких скорости и момента вибродвигателя.

Целью изобретения является увеличение амплитуды продольно-крутильных колебаний и повышение эффективности путем увеличения коэффициента концентрации колебательных смещений крутильных колебаний и уменьшение потерь акустической энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем возбуждение в волноводе фронта колебаний различных типов, деление фронта колебаний на части, направление последних под углом к его поверхности по путям, равным четвертям длин волн продольных и изгибных колебаний, выделение продольных и изгибных колебаний из всех типов колебаний частей фронта, усиление продольно-крутильных колебаний, направляют указанные части фронта по путям , где L_i длина пути i-го типа колебаний, k любое целое число, λ_i длина волны i-го типа колебаний, выделяют из указанных частей фронта остальные типы колебаний, распространяющихся в них, направляют обратно все типы колебаний по указанным выше путям, усиливают их и преобразуют в колебательные смещения крутильных колебаний в волноводе.

Указанный способ реализован в вибродвигателе, содержащем ротор, концентратор продольно-крутильных колебаний, узкая часть которого выполнена полой и прижата к ротору, широкая часть по торцу соединена с вибропреобразователем, на боковой поверхности широкой части, наклонно к ней, закреплены выступы, торцы которых выполнены ступенчатыми, при этом длина выступов равна четверти длины волны продольных колебаний, а длина их широкой части равна четверти длины волны изгибных колебаний, дополнительно торцы выступов имеют третью ступень, причем первые ступени выполнены на боковых гранях выступов, а их плоскости перпендикулярны оси выступов, а вторые ступени на верхних и нижних гранях выступов, при этом плоскости вторых и третьей ступеней перпендикулярны оси выступов, а расстояния от боковой поверхности концентратора до первых, вторых и третьей ступеней равны четверти длин волн, соответственно, изгибных, поперечных и продольных колебаний.

Для создания дополнительного усиления всех типов колебаний выступы выполнены сужающимися по направлению к концентратору.

Существенное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что крутильные колебания в волноводе возбуждаются всеми типами колебаний, а не только продольными и изгибными, как в прототипе. Причем каждый тип колебаний, в зависимости от скорости распространения, пройдет свой путь , но затратит на это одно и то же время. Поэтому все типы колебаний вернутся к волноводу и воздействуют на него одновременно, в одной фазе и с одинаковой ориентацией направленности, что повысит коэффициент концентрации колебательных смещений крутильных колебаний, а следовательно, и амплитуду продольно-крутильных колебаний и эффективность способа. Усиление всех типов колебаний перед воздействием на волновод в свою очередь дополнительно повысит коэффициент концентрации колебательных смещений крутильных колебаний.

Отличие заявляемого устройства от прототипа заключается в том, что торцы выступов имеют дополнительную третью ступень, причем первые ступени выполнены на боковых гранях выступов, а их плоскости перпендикулярны оси выступов, вторые ступени на верхних и нижних гранях выступов, при этом плоскости вторых и третьих ступеней перпендикулярны оси выступов, а расстояния от боковой поверхности концентратора до первых, вторых и третьей ступеней равны четверти длин волн, соответственно, изгибных поперечных и продольных колебаний, при этом выступы выполнены сужающимися по направлению к концентратору.

Такое выполнение выступов делает их резонансными по отношению к основным колебаниям, распространяющимся в них: продольным, поперечным и крутильным. В выступах, как в "сепараторе", идет разделение частей фронта на составляющие типы колебаний (изгибные, продольные, поперечные) и направление их обратно к волноводу по тем же путям , что обеспечивает приход указанных типов колебаний к волноводу одновременно, в одной фазе и с одинаковой ориентацией направленности, а это в значительной мере обеспечивает усиление коэффициента концентрации крутильных колебаний. Изготовление выступов сужающимися к волноводу позволяет дополнительно усилить выделенные типы колебаний (продольные, поперечные и изгибные), что повышает эффективность их воздействия на поверхность концентратора и тем самым дополнительно повышает коэффициент концентрации крутильных колебаний.

На фиг. 1 изображен вибродвигатель, разрез (сечение А-А); на фиг.2 - ступенчатый концентратор вибродвигателя, вид сверху; на фиг.3-5 наклонные ступенчатые выступы с указанием направления распространения волн и смещений частиц различных типов колебаний в них, а также приведены эпюры распространяющихся в данных выступах соответствующих колебаний.

Устройство содержит (фиг.1, 2) концентратор продольно-крутильных колебаний с широкой частью 1 и узкой полой приводной частью 2, ротор 3, поджатый к приводной части 2 концентратора, наклонные, сужающиеся по направлению к концентратору, выступы 4 (резонаторы изгибных, поперечных и продольных колебаний), выполненные по боковой поверхности широкой части 1 концентратора под углом к ней, вибропреобразователь 5, например, в виде пьезоэлементов, пассивную накладку 6, поджимающую вибропреобразователь 5 к торцу широкой части 1 концентратора, например, при помощи болтового соединения 7. Концентратор вибродвигателя выполнен полуволновым. Высота его широкой части 1 и узкой приводной части 2, выполненной в виде полого цилиндра, равны четверти длины волны крутильных колебаний в стержне. Высоты этих частей при необходимости могут изменяться в следующих пропорциях где n 1, 3, 5. Торцы наклонных выступов 4 выполнены ступенчатыми. Причем первые ступени выполнены на боковых гранях выступа, а их плоскости перпендикулярны оси выступа, вторые ступени на верхних и нижних гранях выступа, а плоскости второй и третьей ступеней перпендикулярны оси выступа. При этом расстояния от боковой поверхности концентратора до первой, второй и третьей ступеней выступа равны соответственно где λ_из, λ_n, λ_пр, длины волн соответственно изгибных, поперечных и продольных колебаний, К 1, 2, 3
Вибродвигатель работает следующим образом.

При подключении вибропреобразователя 5 к источнику высокочастотных колебаний (на чертежах не показан) в нем возбуждаются высокочастотные колебания, которые, распространяясь в концентраторе, возбуждают в последнем колебательные смещения различных типов колебаний. Фронт волны высокочастотных колебаний на своем пути встречает наклонные выступы 4, которые делят этот фронт на симметричные части и преобразуют направление распространения указанных частей на 90^o. Указанные части фронта колебаний при распространении по наклонным выступам в свою очередь делятся на составные типы колебаний. На фиг. 3, 4 показан принцип выделения из общей массы изгибных, поперечных и продольных колебаний. Ступени на торцах наклонных выступов выполнены таким образом, чтобы от них отражались колебания только одного типа, а остальные без задержки проходили дальше. При этом выделяется вначале тип колебаний с наименьшей скоростью распространения волны, а затем последовательно остальные с большей скоростью распространения волны.

На фиг.3 показано выделение изгибных колебаний, которые в данном случае обладают наименьшей скоростью распространения волны. По наклонному выступу от концентратора все типы колебаний начинают распространяться практически одновременно, затем опережают продольные и поперечные колебания, имеющие большую скорость распространения. Эти типы колебаний беспрепятственно пройдут первые ступени, так как направления колебательных смещений данных типов колебаний не совпадают с направлением плоскости данных ступеней. Для поперечных и продольных колебаний это будет усилительным звеном в виде ступенчатого концентратора (см. эпюры распространения данных колебаний на фиг. 4,5). Направление смещений изгибных колебаний совпадает с направлением исполнения плоскостей первых ступеней. Первые ступени в этом направлении выполнены сквозными. Изгибные колебания в силу направленности своих смещений не могут проходить дальше, отражаются и возвращаются обратно (фиг.3). Дальше проходит лишь часть изгибных колебаний, которая приходится на узкий проход между первыми вертикальными ступенями. Затем эта часть колебаний затухает из-за несоответствия геометрических размеров оставшейся части наклонных выступов условиям резонанса для данного типа колебаний. Поэтому мы эту часть не рассматриваем и относим к неизбежным потерям. Процент потерь можно выразить соотношением:

где S₁ площадь сечения прохода между первыми ступенями,
S₂ площадь первых ступеней.

На вторых сквозных ступенях наклонных концентраторов продольные колебания пройдут с очередным усилением. Для продольных колебаний это можно рассматривать как вторую ступень ступенчатого концентратора (фиг.5).

Для колебательных смещений поперечных колебаний направление указанных плоскостей сквозных ступеней будет совпадать. Поэтому поперечные колебания так же, как и в предыдущем случае, будут отражаться. Дальше пройдет лишь часть колебаний, укладывающихся в ширину узкого прохода между ступенями. Потери от этой части колебаний рассчитываются так же, как и для изгибных колебаний.

Продольные колебания, достигнув третьей ступени, отразятся полностью без потерь и так же, как изгибные и поперечные колебания, возвратятся назад к концентратору. Поскольку расстояния до первых, вторых и третьей ступеней равны соответственно , то изгибные, поперечные и продольные колебания достигнут каждые своих ступеней одновременно и одновременно отразятся. В результате они достигнут боковой поверхности концентратора также одновременно и воздействуют на нее в одной фазе и с одинаковой ориентацией направленности. Так как выступы 4 (фиг. 2) направлены под углом к боковой поверхности широкой части 1 концентратора, то указанные выше колебания будут формировать в данной широкой части 1 концентратора колебательные смещения крутильных колебаний.

Поскольку изгибные, поперечные и продольные колебания воздействуют на широкую часть 1 концентратора одновременно, в одной фазе и с одинаковой ориентацией направленности, то их действие вызовет существенное повышение коэффициента концентрации колебательных смещений крутильных колебаний. Выполнение наклонных стержневых резонаторов сужающимися по направлению к широкой части 1 концентратора вызывает дополнительное увеличение коэффициента концентрации колебательных смещений крутильных колебаний и их амплитуды и повышает эффективность устройства в целом. Крутильные колебания повышенной амплитуды взаимодействуют с продольными колебаниями. Продольно-крутильные колебания распространяются в широкой части 1 концентратора, а затем переходят в узкую приводную часть 2 концентратора, дополнительно усиливая амплитуду за счет перепада площадей поперечных сечений широкой 1 и узкой 2 частей концентратора. Энергией продольно-крутильных колебаний, приходящих в приводную зону узкой части 2 концентратора, приводится во вращение ротор 3.

Макет вибродвигателя, реализующего заявляемый способ, имеет следующие характеристики: максимальный диаметр D 38 мм, длина 25 мм; потребляемая мощность 10-12 Вт, скорость 10-12 тыс. об/мин, момент М=10-50 г•см. (зависит от усилия прижима приводной части концентратора к ротору), рабочая частота f=98 кГц, вес ≈ 30 Г.

Использование: при разработке вибродвигателей, в микросварочных аппаратах, шлифовальных акустических устройствах, а также в различных технологических процессах, основанных на использовании продольно-крутильных колебаний. Сущность изобретения: способ включает возбуждение в волноводе колебаний различных типов деления фронта колебаний, возбуждаемых в волноводе, на части, направление последних под углом к его поверхности по пути, равному L_i, к Лямбда i/4, где L_i - длина пути i-го типа колебаний, K - любое целое число, Лямбда i - длина волны i-го типа колебаний, направление их обратно по тем же путям, усиление и преобразование в колебательные смещения крутильных колебаний в волноводе. Вибродвигатель, реализующий способ, содержит ротор и концентратор продольно-крутильных колебаний, узкая часть которого выполнена полой и прижата к ротору. К торцу широкой части концентратора прикреплен вибропреобразователь. На боковой поверхности широкой части концентратора под углом к ней выполнены выступы. Торцы выступов выполнены ступенчатыми. Первые ступени выполнены на боковых гранях выступа, их плоскости перпендикулярны оси выступа, вторые ступени - на верхних и нижних гранях выступа. Расстояние от боковой поверхности концентратора до первой и второй ступеней равно четверти длин волн, соответственно изгибных и поперечных. Общая длина выступов равна четверти длины волны продольных колебаний. Выступы выполнены сужающимися по направлению к концентратору. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения продольно-крутильных колебаний, включающий возбуждение в волноводе фронта колебаний различных типов, деление фронта колебаний на части, направление последних под углом к его поверхности, усиление продольно-крутильных колебаний, отличающийся тем, что выделяют из указанных частей фронта все типы колебаний, распространяющихся в них, посредством направления указанных частей фронта по путям

где l_i длина пути i-го типа колебаний;
K любое целое число;
λ_i - длина волны i-го типа колебаний,
направляют выделенные типы колебаний обратно по указанным выше путям и преобразуют их в колебательные смещения крутильных колебаний в волноводе. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно усиливают все выделенные из частей фронта типы колебаний перед преобразованием их в колебательные смещения крутильных колебаний в волноводе. 3. Вибродвигатель, содержащий ротор, концентратор продольно-крутильных колебаний, узкая часть которого выполнена полой и прижата к ротору, широкая часть по торцу соединена с вибропреобразователем, на боковой поверхности широкой части, наклонно к ней, закрепленные выступы, торцы которых выполнены ступенчатыми, при этом длина выступов равна четверти длины волны продольных колебаний, а их длина до первой ступени равна четверти длины волны изгибных колебаний, отличающийся тем, что торцы выступов имеют дополнительную ступень, выполненную на верхних и нижних гранях выступов на расстоянии, равном четверти длины волны поперечных колебаний от боковой поверхности концентратора, при этом первая ступень выполнена на боковых гранях выступов. 4. Вибродвигатель по п.3, отличающийся тем, что выступы выполнены сужающимися по направлению к концентратору.