СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА УСТАНОВКИ В ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ЕЕ КОРПУСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2011 года по МПК F16H19/00 

Изобретение относится к устройствам различного назначения, преобразующим энергию вращающегося вала установки в поступательное движение корпуса этой же установки.

Из уровня техники известны различные технические решения, в которых описаны способы и устройства, преобразующие один вид энергии в другой. Известны устройства, когда энергия одного вида преобразуется в поступательное движение корпуса самого устройства. Так, например, известен патент, в котором описан способ и устройство преобразования энергии ветра в электроэнергию, которая используется для передвижения платформы с мобильным генератором [1].

Сравнительно недавно стали известны способы и устройства, преобразовывающие энергию вращающего вала в поступательное движение корпуса, в котором вал размещен [2]. Суть этого преобразования энергии заключается в том, что каким-либо образом, например от электроэнергии солнечных батарей, придают вращение валу устройства и затем различными путями преобразуют энергию вращающегося вала в поступательное движение корпуса, в котором установлен вал. Причем этот корпус может иметь поступательное движение самостоятельно или, установленный на любом виде транспорта, придавать движение последнему.

Наиболее близким к заявленному изобретению и принятому за прототип является так называемый инерцоид Толчина [3]. Это устройство содержит в корпусе установки вал вращения, на котором жестко закреплен стержень с неподвижным грузом и устройство, передающее энергию вращающегося рычага с грузом на пульсатор. Последний в свою очередь прикреплен к корпусу через гибкую связь в виде пружины. При вращении энергия вращающегося вала и укрепленных на нем рычага и груза передается импульсами корпусу установки через пульсатор и гибкую связь в виде пружины. К корпусу присоединены колеса, в результате чего при вращении вала происходит неравномерное поступательное передвижение устройства.

Устройство представляет довольно сложную конструкцию, движется рывками и имеет малый коэффициент преобразования энергии вращающегося вала в поступательное движение устройства. В этой связи была поставлена техническая задача разработать способ и создать устройство, в которых бы решалась задача преобразования энергии вращающегося вала устройства в его поступательное движение более плавно, с более простым конструктивным решением и с большим эффектом преобразования одного вида энергии в другой.

Решение этой технической задачи отражено в заявляемом изобретении «Способ преобразования кинетической энергии вращающегося вала установки в поступательное движение ее корпуса и устройство для осуществления способа».

Существо заявляемых способа и устройства представлено на графических материалах и фотографиях. На фиг.1 представлена схема устройства, раскрывающего предложенный способ преобразования кинетической энергии вращающегося вала установки в поступательное движение ее корпуса; на фиг.2 - кинематическая схема работы установки; на фиг.3 - схема сил, действующих на пульсатор во время работы установки; на фиг.4 - схема сил, действующих на груз и вращающийся вал установки; на фиг.5 - положение векторов сил в пространстве, действующих на груз и вращающийся вал установки; на фиг.6 - диаграмма изменения коэффициента преобразования силы, действующей на корпус установки при ее работе; на фиг.7 - схема изменения сил, действующих на вращающийся вал установки; на фиг.8 - диаграмма изменения коэффициента преобразования при малых значениях угла отклонения гибкой связи; на фиг.9 - схема сил в системе координат, действующих на установку; на фиг.10 - схема изменения соотношения сил, действующих на корпус установки; на фиг 11 - диаграмма изменения сил тяги от угловой скорости вращения вала установки; на фиг.12 - устройство преобразования кинетической энергии вращающегося вала в поступательное движение корпуса; на фиг.13 - общий вид действующей модели заявленного устройства.

Представленная на фиг.1 схема устройства, раскрывающего предложенный способ преобразования кинетической энергии вращающегося вала установки в поступательное движение ее корпуса, включает корпус 1 с массой М, в котором размещен вал вращения 2, стержень 3, жестко закрепленный на валу вращения 2, груз 4 массой m1, укрепленный на стержне 3 с возможностью свободного перемещения, пульсатор 5, установленный на корпусе 1, и гибкая связь 6, охватывающая с натягом вал вращения 2, груз 4 и пульсатор 5. Кроме того, приведены величины: F^и - сила инерции; Та и Тв - силы действия в ветвях гибкой связи 5; Rc - сила сопротивления; d - расстояние по осям вала вращения 2 и пульсатора 5; R - расстояние по осям вала вращения 2 и груза 4; А - точка нахождения вала вращения 2; В - точка нахождения груза 4; ω - угловая скорость.

Представленная на фиг.2 кинематическая схема работы установки включает обозначения: X и Y - оси координат; О, D и С - оси соответственно вала вращения 2, пульсатора 5 и груза 4; точки А, В и С - отметки нахождения груза 4 на эллипсе во время вращения вала 2; d - расстояние между осью вращения вала 2 и осью пульсатора 5; F^и - сила инерции; Та - сила действия; Rc - сила сопротивления; F - движущая сила; ω - угловая скорость; α и β - углы между гибкой связью, охватывающей при вращении вал вращения 2 и груз 4.

Предложенный способ преобразования кинетической энергии вращающегося вала 2 установки, представленной на фиг.1, в поступательное движение ее корпуса 1 реализуется следующим образом. Каким-либо образом (в изобретении не раскрывается) придают вращение валу 2 установки и одновременно с валом 2 происходит вращение стержня 3 вместе с грузом 4. Вследствие свободного перемещения груза 4 на стержне 3 происходит натяжение гибкой связи 6 и передача по ней кинетической энергии вращающихся стержня 3 и груза 4 пульсатору 5. На фиг.2 раскрывается процесс преобразования кинетической энергии вращающегося вала 2 в поступательное движение корпуса 1 установки. При каждом обороте стержня 3 с грузом 4 гибкая связь 6 будет передавать импульс силы валу вращения 2 и через него на корпус 1. Если силы действия гибкой связи 6 на корпус 1 будут превышать силу сопротивления (Та>Rc), а в точке размещения груза 4 не превышать силу инерции (Тв<F^и), то в результате такого взаимодействия возникает движущая сила установки, равная F=Та-Rc. Гибкая связь 6 выполняет роль преобразователя сил и обеспечивает заданную траекторию движения груза 4 с массой m1. Подвижной груз 4 под действием вращающегося вала 2 и гибкой связи 6 совершает сложное движение по эллипсу. Уравнение траектории движения груза 4 с массой m1 в полярных координатах имеет вид

где е - эксцентриситет, равный O₁D/О₁В;

р - параметр эллипса - длина отрезка перпендикуляра, восстановленного в фокусе эллипса к его большой оси, до его пересечения с траекторией.

По условиям эллипса р=α(1-е²), где α - большая полуось эллипса, т.е.

α=AO₁=BO₁=R-0,5 d.

Тогда

Р=(R-0,5d)(1-e²).

После подстановки значений эксцентриситета и параметра эллипса в уравнение траектории и простых алгебраических преобразований получим

где R - радиус ротора,

d - плечо пульсатора - расстояние от оси вращения ротора до упора,

φ - полярный угол, φ=180°+α, где

α - угол эффективного импульса сил.

Так как по условиям эллипса алгебраическая сумма радиус-векторов r₁ и r₂ равна большой оси, то r₁+r₂=2R-d.

Тогда

r₂=2R-d-r₁.

Последние формулы определяют основные геометрические параметры установки и являются основой для дальнейшего расчета ее динамических характеристик.

Гибкая связь 6 является одним из основных элементов заявленного способа. Ее назначение заключается в преобразовании действующей на нее внешней силы Р и передаче импульсов сил как грузу 4 с массой m1, так и корпусу 1 установки с массой М в заданном направлении. При вращении стержня 3 гибкая связь 6 постоянно взаимодействует с подвижной массой m1 и при каждом обороте кратковременно воспринимает силу реакции пульсатора 5, сталкиваясь с ним набегающей гибкой связью 6 в точке D, как это представлено на фиг.3.

,

где М_кр - крутящий момент,

d - плечо - расстояние от оси вращения до точки D.

Для определения сил натяжения гибкой связи 6 разложим силу Р на две составляющие T₁ и Т₂ вдоль ветвей нити OD и CD и определим их проекции на координатные оси Х и Y.

Проведем через точку D линию ML параллельно оси Y. Так как ∠MDK=∠COD=∠EDS=α и ∠LDN=∠OCD=В, то проекции сил

на оси Х и Y составят:

Р_X=Pcosα Р_Y=-Psinα T_1X=T₁sinα T_1Y=T₁cosα T_2X=T₂ sinβ T_2Y=-T₂ cosβ

По теореме о сложении сил имеем:

Р_X=T_1X+T_2X Р_Y=T_1Y+T_2Y Pcosα=T₁Sinα+T₂sinβ   Psinα=T₂cosβ-T₁cosα  

Решая полученную систему уравнений относительно T₁ и T₂, находим

Выражая силу Р через крутящий момент Мкр и плечо d пульсатора 5, получим

Зная силы натяжения гибкой связи 6, определим ее действие на подвижную массу m1 и М. Для этого перенесем силы Т1 и Т2 вдоль линии их действия в точки А и В соответственно, как это представлено на фиг.4.

Материальные точки А и В являются шарнирными опорами и, в момент импульса силы Р, гибкая связь 6 действует на них также, как трос в подвижных блоках, стремясь их сблизить. Таким образом, в момент столкновения гибкой связи 6 с пульсатором 5 на точки А и В действуют векторные суммы сил T₁ и Т₂, значения которых определяются по правилу параллелограмма

Для определения положений векторов Та и Тв в пространстве проведем координатную ось Х вдоль линии действия вектора Та, как это представлено на фиг.5.

Через ось вращения вала 2 (точка А) и подвижную массу m1 (точка В) проведем подвижную координатную ось X', связанную с вращающимся стержнем 3. Тогда положение вектора Та определится углом γ₁ между осями Х и X', а вектора Тв - углом γ₂ между вектором Тв и осью X'. Угол γ₁ определяется из условия равенства сумм проекций сил T₁ и Т₂ и проекций их равнодействующей Та на ось Х'

T_Acosγ₁=T₁cosα+T₂

Аналогично находим угол γ₂

Т_Вcosγ₂=T₁+Т₂cosβ

Силы натяжения гибкой связи 6 Т₁ и Т₂ не являются постоянными величинами, действуют импульсивно и с поворотом стержня 3 изменяются в больших пределах в течение малого промежутка времени t.

При равномерном вращении стержня 3 (ω=const, ε=0) в момент столкновения гибкой связи 6 с пульсатором 5 сила Р всегда постоянна и по величине, и по направлению. Но ее составляющие Т₁ и Т₂ изменяются в зависимости от положения ветвей гибкой связи 6. С увеличением угла α силы Т₁ и Т₂ уменьшаются до нуля (α=180°).

Поэтому эффективным углом действия импульса силы Р следует считать наибольшее значение угла α, при котором гибкая связь 6 преобразует силу Р на входе в равную ей по величине силу действия Та на корпус 1. Эта зависимость представлена на диаграмме на фиг.6. В этом случае коэффициент преобразования f_A должен быть равным единице

Такое положение гибкой связи происходит при каждом обороте стержня 3, когда малый радиус-вектор r₂ совпадает с параметром эллипса р(r₂=Р) и составляющая Т₂ становится равной силе Р, а Т₁=0. Эта зависимость представлена на фиг.7. Предельное значение угла α зависит от конструктивной схемы установки (параметров R и d) и в общем случае определяется по формуле

,

где р - параметр траектории,

d - плечо пульсатора.

Угол β определяется из треугольника ABD по заданному углу α по теореме синусов

Малые значения угла α(α<0,1°), когда коэффициент преобразования стремится к бесконечности, как показано на фиг.8, а переменные силы действуют мгновенно, учитывать в практических инженерных расчетах очень сложно. Это вопрос специального исследования на уровне микро и нанотехнологий. Поэтому при определении основных характеристик рассматриваемой установки следует принимать средние значения сил Т₁ и Т₂, действующих в секторе предельного угла α, а следовательно, и средние значения коэффициентов преобразования равными

Теперь рассмотрим условия равновесия активных сил, действующих на рассматриваемую установку, целенаправленное изменение которых приводит корпус 1 в поступательное движение. На фиг.9 представлена схема сил в системе координат, действующих на установку. Выделим из системы движущие материальные точки А (ось вала вращения 2) и В (груз 4 с массой m1) и по принципу Даламбера представим уравнения их равновесия в проекциях на координатные оси Х и Х' при равномерном вращении вала 2 и вместе с ним стержня 3 (ω=const, ε=0).

Так как F^и=m₁ω² R=T_Вcosγ₂, то пороговое значение угловой скорости ротора выражается формулой

Пороговая частота вращения

Следовательно, для уравновешивания сил в точке В необходимо приложить со стороны гибкой связи такую силу Тв, проекция которой на ось Х была бы равна центробежной силе инерции F^и. Это условие имеет важное значение для дальнейшего расчета рассматриваемой установки, так как позволяет определить минимальную (пороговую) угловую скорость вращения стержня 3, при которой устанавливается динамическое равновесие подвижной массы m1.

Присоединим к действующим на точку В внешним силам T₁ и Т₂ силу инерции подвижной массы F^и и определим сумму проекций этих сил на подвижную ось X'

F^и-T₁-T₂cosβ=0

Отсюда

F^и=T_Вcosγ₂,

так как F^иx'=F^и, T_1x'=-T₁, T_2x'=-T₂cosβ,

T_вх'=T_1x'+Т_2х'=-T_Вcosγ₂.

Условие динамического равновесия точки А, взаимодействующей непосредственно с корпусом 1, определяется равенством силы действия Та гибкой связи 6 и силы инерции покоя Rс корпуса 1 установки (силы сопротивления движению).

Линии действия этих сил проходят по оси Х и поэтому

Т_А-R_C=0

Т_А=R_C

Следовательно, динамическое равновесие установки относительно координатной оси X, совпадающей с направлением движения корпуса 1, достигается при условиях:

F^и=T_вcosγ₂

Т_А=R_C.

Пороговое значение окружной силы Р, соответствующее пороговой угловой скорости стержня 3, можно определять по коэффициентам преобразования и силам Та и Тв

.

.

Преобразовывая приведенные выше уравнения, имеем

Так как Т_А=R_C, то

Отсюда находим взаимосвязь силы сопротивления движению корпуса 1 с основными параметрами заявленной установки

С увеличением оборотов стержня 3 (ω>ω_п) условие равновесия будет нарушено и корпус 1 установки изменит свое положение, так как получит поступательное движение в пространстве.

С увеличением скорости вращения стержня 3 происходит изменение соотношений действующих на корпус 1 сил, и корпус 1 установки выходит из состояния динамического равновесия:

F^и≥T_Вcosγ₂

Т_А>R_C.

На фиг.10 представлена схема изменения соотношения сил, действующих на корпус 1 установки. Вектор силы тяги F_Т является равнодействующей составляющих сил F^и, Тв и Та, действующих в направлении оси X.

Перенесем силу F=F^и-Т_вх' вдоль линии ее действия в точку А и разложим на составляющие по осям Х и Y.

Тогда

F_вх=F_Bcosγ₁

или F_вх=(F^И-T_BcosY₂)cosγ₁.

Суммируя силы T_A и F_BX, получим уравнение силы тяги установки:

F_T=T_A+F_вх

F_T=T_A+(F^И-T_Bcosγ₁)cosγ₁.

Последняя формула связывает все основные параметры заявляемой установки и является основным уравнением при расчете динамических характеристик.

Сила тяги зависит от угловой скорости вращающегося стержня 3 и эта зависимость представлена на фиг.11. Сила тяги при соответствующей мощности, передаваемой валу вращения 2, может достигать значительных величин. Если сила тяги превышает силу сопротивления движению корпуса 1 установки (F_т>Rc), то создается движущая сила F, которая и приводит корпус 1 в поступательное движение:

F=T_A+(F^и-T_вcosγ₂)cosγ₁-R_С.

Сила сопротивления Rс определяется известными методами в зависимости от назначения устройства и сферы его применения. При трогании с места по поверхности следует определять силу трения покоя, применяя статический коэффициент трения. При движении в сплошной воздушной или водной среде необходимо определять силу аэродинамического или гидродинамического сопротивления, так как в этом случае сила сопротивления зависит от скорости движения устройства.

При определении динамических характеристик заявленной установки следует учитывать, что движущая сила действует на установку импульсивно в зависимости от частоты вращения стержня 3. Интенсивность действия движущей силы (k) определяется числом столкновений гибкой связи 6 с пульсатором 5 в единицу времени по зависимости

.

Продолжительность действия импульса зависит от угла α и частоты вращения:

.

Тогда элементарный импульс движущей силы составит

ΔS=Fτ,

который при равномерном вращении стержня 3 (ω=const, ε=0) является величиной постоянной. Поэтому суммарный импульс за некоторый промежуток времени t определится как произведение элементарного импульса ΔS на число столкновений гибкой связи 6 с пульсатором 5:

ΣS=ΔSkt.

Скорость движения корпуса 1 определяется согласно теореме об изменении количества движения по зависимости:

M(V-V₀)=ΣS,

где М - масса объекта,

V₀ - начальная скорость,

V - конечная скорость,

ΣS - суммарный импульс.

Потребная мощность заявляемой установки определяется при максимальной угловой скорости стержня 3 и соответствующим ей значением окружной силы

N=P_MAXdω_МАХ.

На фиг.12 представлено устройство преобразования кинетической энергии вращающего вала в поступательное движение корпуса. Установка содержит корпус 1, в котором расположен вал вращения 2. На валу 2 жестко укреплен стержень 3, в прорези которого свободно перемещается груз 4. На корпусе 1 укреплен пульсатор 5. В одной плоскости вал вращения 2, груз и пульсатор 5 охватывает гибкая связь 6, которая размещена в выточках указанных предметов. Причем оси вала вращения 2, груза 4 и пульсатора 5 расположены параллельно.

Устройство преобразования кинетической энергии вращающегося вала установки в поступательное движение ее корпуса, представленное на фиг.12, работает следующим образом. Каким-либо способом (в изобретении не раскрывается) придают вращение валу 2, размещенному в корпусе 1. Вместе с валом вращения 2 получают вращение стержень 3 и расположенный в прорези стержня 3 груз 4. В одной плоскости по выточкам на валу вращения 2, пульсаторе 5 и грузе 4 размещена гибкая связь 6, которая охватывает эти элементы установки во время вращения вала 2. Груз 4, свободно перемещаемый в прорези, во время своего вращения вместе со стержнем 3 описывает кривую в виде эллипса и при этом кинетическая энергия груза 4 импульсами передается через гибкую связь 6 валу вращения 2. Причем груз 4 свободно перемещается в прорези стержня 3, не ударяясь о ее концевые участки. Вследствие того, что кинетическая энергия вращающегося груза 4 передается корпусу 1, он приобретает поступательное движение. Причем с увеличением частоты вращения поступательное движение становится более равномерным.

Источники информации

1. US 7105440 ВВ, F01C 13/00, 2004.

2. Нурбей Гулиа. Алфизики XX века, рис.2. «Техника-молодежи», №8, 1986. Электронная версия: НиТ. Текущие публикации, 1997.

3. Шипов Г.И. Теория физического вакуума в популярном изложении, раздел «Инерциоид Толчина», рис.47, 49. М., 2002.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию вращающегося вала установки в поступательное движение установки по поверхности. Устройство включает корпус, в котором размещен вал вращения, а также установленный на корпусе пульсатор. На валу вращения жестко закреплен стержень, на котором укреплен груз с возможностью свободного перемещения по стержню. Гибкая связь охватывает вал вращения, груз и пульсатор. Решение направлено на обеспечение плавного перемещения установки и упрощение конструкции. 2 н.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ преобразования кинетической энергии вала вращения установки в поступательное движение ее корпуса по поверхности, включающий вращение стержня, жестко закрепленного на валу вращения перпендикулярно его оси, размещение на стержне груза и передачу кинетической энергии вращающегося груза корпусу установки через гибкую связь, отличающийся тем, что груз устанавливают на стержне с возможностью его свободного перемещения на стержне, пульсатор укрепляют на корпусе установки, а гибкой связью охватывают в одной плоскости вал вращения, груз и пульсатор.

2. Устройство преобразования кинетической энергии вала вращения установки в поступательное движение его корпуса по поверхности, содержащее корпус, размещенный в нем вал вращения, стержень, закрепленный на валу вращения, пульсатор, укрепленный на корпусе, гибкую связь между корпусом и грузом, отличающееся тем, что гибкая связь выполнена в виде кольцевой нити, пульсатор укреплен на корпусе, груз размещен на стержне с возможностью свободного перемещения на стержне, при этом гибкая связь охватывает в одной плоскости вал, груз и пульсатор, оси которых параллельны.