CN113285556B - 一种将振动转换为单向转动的运动转换机构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械传动和能量转换技术领域，涉及一种将机械振动转换为单向旋转运动的转换机构，其特征是：至少包括底座、径向轴承、转子、顶盖、悬臂梁、拨片和质量块；所述底座包括无顶盖的圆柱筒、外沿、第一小通孔、圆柱轴；所述外沿固定在无顶盖的圆柱筒的边缘；所述第一小通孔设置在圆柱筒的轴向；所述两个第一小通孔对称分布在外沿上；所述的圆柱轴垂直固定连接在底座的中心；所述底座、径向轴承、转子、顶盖依次同轴连接。它针对现有运动转换技术的不足，提出一种将机械振动直接转换为单向旋转运动的转换机构，可以将自然环境中的机械振动转换为转子的单向高速旋转运动。

Description

一种将振动转换为单向转动的运动转换机构
技术领域
本发明属于机械传动和能量转换技术领域，涉及一种将机械振动转换为单向旋转运动的转换机构，尤其是一种悬臂梁拨动式转子机构。
背景技术
机械振动广泛存在于自然环境中。常见的机械振动包括桥梁、轨道的振动，机器、交通工具等的振动，人体运动产生的振动，风致振动等。机械振动可以通过运动转换机构转换为所需的运动形式，从而加以利用。例如，汽车发动机利用曲柄连杆和活塞将直线往复运动转换为旋转运动；带有运动转换器的减振器或隔振器利用齿轮齿条机构将机械振动转换为旋转运动。
在能量收集领域中，机械振动可通过基于电磁感应、压电效应、静电感应、摩擦电效应的俘能器转换为供微小型低功耗电子设备使用的电能。传统的振动式俘能器工作频率高、工作频带有限，在低频机械振动下输出功率较小，不能满足电子设备的能量需求。为了解决传统振动式俘能器的上述问题，研究人员已提出多种改善俘能器性能的方案，其中，通过特定的转换机构将低频机械振动转换为旋转运动的技术方案可显著提高振动式俘能器的性能。
目前，已提出的将机械振动转换为双向旋转运动的转换机构可分为以下四种类型：
1、由齿轮齿条构成的传动机构。如Zhongjie Li，Lei Zuo，Jian Kuang， GeorgeLuhrs在《Smart Materials and Structures》22（2013）：025008撰文的“Energy-harvesting shock absorber with a mechanical motion rectifier”（“带有机械运动校正器的能量收集减振器”《智能材料和结构》），通过齿轮齿条，将机械振动转换为双向旋转运动。
2、由螺杆与螺纹槽构成的运动转换机构。如Yulong Zhang，Anxin Luo，YifanWang，Xiangtian Dai，Yan Lu，Fei Wang在《Applied Physics Letters》 116（2020）：053902撰文的“Rotational electromagnetic energy harvester for human motionapplication at low frequency”，（“应用于低频人体运动的旋转式电磁俘能器”《应用物理快报》），提出了一种扭转驱动结构，通过螺杆与螺纹槽，将低频机械振动转换为双向旋转运动。
3、由线绳驱动的转子。如中国专利申请号为201910918636.7的专利，提出了一种线绳驱动的两自由度电磁式俘能器，该发明提出的线绳驱动式转子，可将外界的低频机械振动转换为转子的双向旋转运动。
4、由弹性绳、非弹性绳和转轴构成的转子机构。如Kangqi Fan，Yiwei Zhang，Shiju E，Lihua Tang，Hengheng Qu在《Applied Physics Letters》 115（2019）：203903撰文的“A string-driven rotor for efficient energy harvesting
from ultra-low frequency excitations”（“可从超低频激励中有效收集能量的绳驱动的转子”《应用物理快报》），提出了一种绳驱动的转子，由弹性绳、非弹性绳和转子组成，可将机械振动转换为转子的双向旋转运动。
以上四种类型的转换机构存在以下缺点：（1）只能将机械振动转换为双向旋转运动，但是双向旋转运动存在能量损耗大和转动稳定性较差的问题，不利于机械振动能量的收集；（2）结构比较复杂，对材料的承载力、机械部件的加工精度、接触部件的润滑、转换器的运动稳定性等要求较高；（3）在超低频振动作用下具有较好的性能，但在频率较高的振动作用下工作稳定性较差，甚至无法工作。
为了解决双向旋转机构的上述问题，需要转动换向机构将双向转动转换为单向转动。目前，双向转动转换为单向转动主要通过“单向轴承”和“棘轮棘爪机构”实现。但这两种转动换向机构存在结构复杂、振幅要求高、工作频率低、不易微小型化等缺点。
为解决上述运动转换机构存在的问题，本发明提出一种悬臂梁拨动式转子机构，可将机械振动直接转换为单向旋转运动。与上述运动转换机构相比，本发明具有以下特点：（1）可以直接将悬臂梁的振动转换为转子的单向旋转运动，无需额外的转动换向机构；（2）结构简单，对材料、加工精度等要求较低，易于微小型化；（3）不仅能在较高频率的机械振动环境下工作，也能在超低频且加速度幅值较高的冲击作用下工作，工作频带宽、适应性强。
发明内容
本发明的目的是针对现有运动转换技术的不足，提出一种将机械振动直接转换为单向旋转运动的转换机构，可以将自然环境中的机械振动转换为转子的单向高速旋转运动。与现有运动转换机构相比，本发明具有结构简单、易加工、微小型化潜力大、工作频带宽的特点。
本发明的技术方案是：一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，其特征是：至少包括底座、径向轴承、转子、顶盖、悬臂梁、拨片和质量块；所述底座包括无顶盖的圆柱筒、外沿、第一小通孔、圆柱轴；所述外沿固定在无顶盖的圆柱筒的边缘；所述第一小通孔设置在圆柱筒的轴向；所述两个第一小通孔对称分布在外沿上；所述的圆柱轴垂直固定连接在底座的中心；所述底座、径向轴承、转子、顶盖依次同轴连接；所述径向轴承嵌套在底座的圆柱轴上；所述转子嵌套在径向轴承的外圈；所述顶盖通过螺栓和螺母与底座固定连接；所述悬臂梁通过螺栓和螺母与顶盖固定连接；所述拨片和质量块粘贴在悬臂梁的自由端；在机械振动作用下，悬臂梁振动并带动拨片随悬臂梁自由端一起运动，从而拨动转子单向转动。
所述转子包括圆柱筒、棘齿和大通孔；所述棘齿均匀分布在圆柱筒的内表面上；所述大通孔位于转子中心且与转子同轴。
所述径向轴承的内圈嵌套在底座的圆柱轴上，并通过过盈配合的方式与底座固定连接；所述径向轴承的外圈嵌接在转子的通孔内，并通过过盈配合的方式与转子固定连接。
所述顶盖包括与底座相配合的顶板、第二小通孔、凸起、第三小通孔；所述顶板为圆盘形；所述第二小通孔设置在顶板的轴向且对称分布在顶板的边缘；所述第二小通孔与第一小通孔相配合；所述第二小通孔用于通过螺栓和螺母将顶盖固定在底座上；所述凸起为长方形片状结构；所述凸起垂直固定在顶板上；所述第三小通孔设置在凸起的厚度方向；所述第三小通孔用于通过螺栓和螺母将悬臂梁固定在凸起上。
所述悬臂梁为长方形薄片状，包括第四小通孔；所述第四小通孔设置在悬臂梁的厚度方向且位于悬臂梁的固定端；所述第四小通孔与第三小通孔相配合；所述悬臂梁通过螺栓和螺母固定在顶盖的凸起上。
所述拨片为薄片状结构；所述拨片的表面附有摩擦系数较小的材料；所述拨片粘贴在悬臂梁自由端。
所述质量块粘贴在悬臂梁的自由端。
本发明的工作原理是：
在机械振动作用下，悬臂梁振动并带动拨片随悬臂梁自由端的一起运动，拨片拨动转子上的棘齿使转子产生高速单向旋转运动。当悬臂梁向正向偏转（规定悬臂梁自由端固定拨片的一侧为悬臂梁运动的正方向）时，拨片的尖端接触棘齿并推动转子逆时针旋转；当拨片远离棘齿后，由于转子的旋转惯性，转子会继续逆时针旋转。悬臂梁持续的振动将驱动转子持续逆时针旋转，实现机械振动向单向旋转运动的转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明可以直接将悬臂梁的振动转换为转子的单向转动，无需额外的转动换向机构。
（2）结构简单，对材料，加工精度等要求较低，易于微小型化，易加工，易安装，成本低。
（3）在较高频率的机械振动或者超低频且加速度幅值较高的冲击作用下均能工作，工作频带宽、适应性强。
附图说明
下面结合附图，对本发明具体实施方式作进一步的详细描述：
图1为本发明实施例结构分解示意图；
图2为底座结构示意图；
图3为转子结构示意图；
图4为顶盖结构示意图；
图5为悬臂梁结构示意图；
图6为本发明的整体组装示意图。
图中：1、底座；2、径向轴承；3、转子；4、顶盖；5、悬臂梁；6、拨片；7、质量块。
具体实施方式
一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，如图1所示，图1给出本发明实施例的爆炸图，从图中可知，至少包括底座1、径向轴承2、转子3、顶盖4、悬臂梁5、拨片6和质量块7；所述底座1、径向轴承2、转子3、顶盖4依次同轴连接；所述径向轴承2嵌套在底座1的圆柱轴1-1上；所述转子3嵌套在径向轴承2的外圈；所述顶盖4通过螺栓和螺母与底座1固定连接；所述悬臂梁5通过螺栓和螺母与顶盖4固定连接；所述拨片6和质量块7粘贴在悬臂梁5的自由端。
如图2所示，所述底座1包括无顶盖的圆柱筒1-1、外沿1-2、第一小通孔1-2-1、圆柱轴1-3；所述外沿1-2固定在无顶盖的圆柱筒1-1的边缘；所述第一小通孔1-2-1设置在圆柱筒1-1的轴向；所述两个第一小通孔1-2-1对称分布在外沿1-2上；所述的圆柱轴1-3垂直固定连接在底座1的中心。
如图3所示，所述转子3包括圆柱筒3-1、棘齿3-1-1和大通孔3-2；所述棘齿3-1-1均匀分布在圆柱筒3-1的内表面上；所述大通孔3-2位于转子3中心且与转子3同轴。
所述径向轴承2的内圈嵌套在底座1的圆柱轴1-1上，并通过过盈配合的方式与底座1固定连接；所述径向轴承2的外圈嵌接在转子3的通孔3-2内，并通过过盈配合的方式与转子3固定连接。
如图4所示，所述顶盖4包括与底座1相配合的顶板4-1、第二小通孔4-2、凸起4-3、第三小通孔4-3-1；所述顶板4-1为圆盘形；所述第二小通孔4-2设置在顶板4-1的轴向且对称分布在顶板4-1的边缘；所述第二小通孔4-2与第一小通孔1-2-1相配合；所述第二小通孔4-2用于通过螺栓和螺母将顶盖4固定在底座1上；所述凸起4-3为长方形片状结构；所述凸起4-3垂直固定在顶板4-1上；所述第三小通孔4-3-1设置在凸起4-3的厚度方向；所述第三小通孔4-3-1用于通过螺栓和螺母将悬臂梁5固定在凸起4-1上。
如图5所示，所述悬臂梁5为长方形薄片状，包括第四小通孔5-1；所述第四小通孔5-1设置在悬臂梁5的厚度方向且位于悬臂梁5的固定端；所述第四小通孔5-1与第三小通孔4-3-1相配合；所述悬臂梁5通过螺栓和螺母固定在顶盖的凸起4-1上。
所述拨片6为薄片状结构；所述拨片6的表面附有摩擦系数较小的材料；所述拨片6粘贴在悬臂梁5的自由端；所述拨片6的材料包括但不限于厚度适中的塑料、纸、金属等；所述拨片6的形状包括但不限于长方形、三角形和梯形。
所述质量块7粘贴在悬臂梁的自由端；改变所述质量块7的质量可调节悬臂梁5的固有频率。
图6为本发明的整体组装示意图，可作为理解本发明的参考。
本发明实施例在工作时，在机械振动作用下，悬臂梁5振动并带动拨片6随悬臂梁自由端的一起运动，拨片6拨动转子上的棘齿3-1-1使转子3产生高速单向旋转运动。当悬臂梁5向正向偏转（规定悬臂梁5自由端固定拨片6的一侧为悬臂梁5运动的正方向）时，拨片6的尖端接触棘齿3-1-1并推动转子3逆时针旋转；当拨片6远离棘齿3-1-1后，由于转子3的旋转惯性，转子3会继续逆时针旋转。悬臂梁5持续的振动将驱动转子3持续逆时针旋转，实现机械振动向单向旋转运动的转换。
本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，其特征是：至少包括底座（1）、径向轴承（2）、转子（3）、顶盖（4）、悬臂梁（5）、拨片（6）和质量块（7）；所述底座（1）、径向轴承（2）、转子（3）、顶盖（4）依次同轴连接；所述径向轴承（2）嵌套在底座（1）的圆柱轴（1-1）上；所述转子（3）嵌套在径向轴承（2）的外圈；所述顶盖（4）通过螺栓和螺母与底座（1）固定连接；所述悬臂梁（5）通过螺栓和螺母固定与顶盖（4）固定连接；所述拨片（6）和质量块（7）粘贴在悬臂梁（5）的自由端；在机械振动作用下，悬臂梁（5）振动并带动拨片（6）随悬臂梁（5）自由端一起运动，从而使拨片（6）拨动转子（3）单向转动；在机械振动作用下，悬臂梁（5）振动并带动拨片（6）随悬臂梁自由端的一起运动，拨片（6）拨动转子上的棘齿（3-1-1）使转子（3）产生高速单向旋转运动；当悬臂梁（5）向正向偏转时，拨片（6）的尖端接触棘齿（3-1-1）并推动转子（3）逆时针旋转；当拨片（6）远离棘齿（3-1-1）后，由于转子（3）的旋转惯性，转子（3）会继续逆时针旋转；悬臂梁（5）持续的振动将驱动转子（3）持续逆时针旋转，实现机械振动向单向旋转运动的转换；所述底座（1）包括无顶盖的圆柱筒（1-1）、外沿（1-2）、第一小通孔（1-2-1）、圆柱轴（1-3）；所述外沿（1-2）固定在无顶盖的圆柱筒（1-1）的边缘；所述第一小通孔（1-2-1）设置在圆柱筒（1-1）的轴向；所述第一小通孔（1-2-1）为两个，两个第一小通孔（1-2-1）对称分布在外沿（1-2）上；所述的圆柱轴（1-3）垂直固定连接在底座（1）的中心；所述顶盖（4）包括与底座（1）相配合的顶板（4-1）、第二小通孔（4-2）、凸起（4-3）、第三小通孔（4-3-1）；所述顶板（4-1）为圆盘形；所述第二小通孔（4-2）设置在顶板（4-1）的轴向且对称分布在顶板（4-1）的边缘；所述第二小通孔（4-2）与第一小通孔（1-2-1）相配合；所述第二小通孔（4-2）用于通过螺栓和螺母将顶盖（4）固定在底座（1）上；所述凸起（4-3）为长方形片状结构；所述凸起（4-3）垂直固定在顶板（4-1）上；所述第三小通孔（4-3-1）设置在凸起（4-3）的厚度方向；所述第三小通孔（4-3-1）用于通过螺栓和螺母将悬臂梁（5）固定在凸起（4-1）上。
2.根据权利要求1所述的一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，其特征是：所述转子（3）包括圆柱筒（3-1）、棘齿（3-1-1）和大通孔（3-2）；所述棘齿（3-1-1）均匀分布在圆柱筒（3-1）的内表面；所述大通孔（3-2）位于转子（3）的中心且与圆柱筒（3-1）同轴；所述径向轴承（2）的内圈嵌套在底座1的圆柱轴（1-1）上，并通过过盈配合的方式与底座（1）固定连接；所述径向轴承2的外圈嵌接在转子（3）的通孔（3-2）内，并通过过盈配合的方式与转子（3）固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，其特征是：所述悬臂梁（5）为长方形薄片状，包括第四小通孔（5-1）；所述第四小通孔（5-1）设置在悬臂梁（5）的厚度方向且位于悬臂梁（5）的固定端；所述第四小通孔（5-1）与第三小通孔（4-3-1）相配合；所述悬臂梁（5）通过螺栓和螺母固定在顶盖的凸起（4-1）上。
4.根据权利要求1所述的一种将振动转换为单向转动的运动转换机构，其特征是：所述拨片（6）为薄片状结构；所述拨片（6）的表面附有摩擦系数较小的材料；所述拨片（6）粘贴在悬臂梁（5）的自由端；所述质量块（7）粘贴在悬臂梁的自由端。
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