CC BY
12
УДК 621.839-86
П.Д. Балакин, P.D. Balakin
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С АДАПТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ MECHANICAL SYSTEMS WITH ADAPTIVE PROPERTIES
Приведен алгоритм синтеза адаптивной механической системы, способной к автоизменению передаточной функции в зависимости от уровня внешнего погружения.
An algorithm for the synthesis of adaptive mechanical system capable of AUTO CHANGEOVER transfer function depending on the level of external dive.
Ключевые слова: целевая функция, автовариатор, цепь управления, упругий элемент.
Keywords: the objective function, avtovariator, the control circuit, the resilient member.
В последнее время наряду с традиционными подходами все более востребованным при синтезе механических систем является принцип конструирования систем, механических передач в частности, путем наделения систем на стадии их проектирования свойствами адаптации к реальным погрешностям изготовления, сборки, к температурным и силовым деформациям, к условиям эксплуатации. Научная основа такого принципа конструирования заложена в [1, 2], развита в [3, 4] и др., доведена до полезных приложений в [5-10] и др.
Если объектом синтеза избрать механический привод машины, гармонизирующий компоненты трансформируемой мощности, то достижимые цели адаптации будут такими:
- индифферентность к неопределенностям, порождаемым полем точности, полем деформации, а также к температурным искажениям размеров звеньев и связей;
- энергетическое совершенство;
- полное использование располагаемой мощности;
- обеспечение стационарного режима работы двигателя в условиях переменного внешнего нагружения;
- обеспечение постоянства характеристики силового потока на исполнительном органе машины.
Средства адаптации, построенные на реализации в них исключительно законов механики и исполненные механическими элементами, весьма ограничены и сводятся к правильному строению [1, 2] и дополнительному к основному движению звеньев. Дополнительное движение может быть как малым движением самоустановки звеньев, деформации звеньев, элементов связей и специально вводимых в состав звеньев и связей функциональных компенсаторов - упругих звеньев, вставок, сайлент - блоков и др., так и значительным, реализуемым с помощью встроенной в схему управляющей цепи, получающей сигнал на управление от основного силового потока, как это закреплено, например, в материалах патентов [710] и др.
Механический привод с адаптивными свойствами обязательно наделяется рациональной структурой, исключающей избыточные контурные, локальные и повторяющиеся связи. В тех случаях, когда полное исключение избыточных связей невозможно по критериям прочности, жесткости, износостойкости, тогда неопределенности, порождаемые ими, должны быть максимально ослаблены.
Особый теоретический и прикладной интерес имеет решение задачи синтеза цепи автоматического бесступенчатого управления передаточной функцией механического преобразователя движения, построенного на базе фрикционного вариатора.
Примем для определенности разработку цепи управления для торового вариатора с кинематической схемой по техническим решениям [5, 6]. Торовый вариатор представляется перспективным из-за многопоточности, простоты управления уровнем нормальных сил во фрикционных контактах, широкого диапазона изменения передаточной функции.
В качестве целевой функции цепи управления изберем обеспечение стационарного режима работы двигателя машины в условиях переменного внешнего силового нагружения. Такая цель является определяющей для механического привода большинства транспортных и энергетических машин.
Основная задача синтеза цепи управления автовариатора состоит в подборе таких параметров ее элементов, которые обеспечивали бы нужную закономерность изменения передаточной функции в зависимости от уровня внешнего силового нагружения при сохранении стационарного режима работы энергетической установки (двигателя).
Стационарный режим работы двигателя означает постоянство скорости выходного звена двигателя или скорости Ш1 входного звена механического преобразователя движения. Именно такой режим можно сделать наиболее экономичным, т.е. целевая функция, достижение которой обеспечивает автовариатор, сводится к постоянству мощности энергетической установки, т.е.
Мх сх = const , (1)
где Mi - силовая характеристика двигателя; Ш1 - скорость движения выходного звена двигателя.
Для идеального преобразователя движения имеет место равенство мощности входного и выходного движения:
М1С1 = М2С2 , (2)
откуда
® = (3)
2 М2
где М2 - силовая характеристика внешнего силового нагружения машины.
Зависимость (3) указывает на гиперболический закон изменения скорости Ш2 от М2., эта зависимость представлена на (рис. 1).
Передаточная функция и 2 автовариатора и12 = будет изменяться в обозначен-
Щ
ных условиях по линейному закону (рис. 2).
Обратимся к кинематической схеме торового автовариатора по [5, 6] (рис. 3) и покажем потенциальную возможность реализации зависимости (3) предлагаемой схемой, снабженной встроенной цепью управления передаточной функцией.
Автоматический торовый вариатор работает следующим образом. Переменный внешний крутящий момент М2 от ведомого звена 4, передаваясь через винтовое соединение создает осевую силу, действующую на ведомый вал 2, эта осевая сила вызывает осевое движение ведомого вала 2 вместе со втулкой 5 до достижения равновесия с упругой силой деформации пружины 11. Движение втулки в свою очередь предается через поводки 12 и преобра-
зуется в угловое движение промежуточных роликов 7, что приводит к автоизменению передаточного отношения вариатора.
Обратимся к (рис. 4), на котором представлена связь изменяемых размеров Ш и Я.2 основных звеньев в зависимости от углового положения промежуточных тел 7.
Передаточная функция Ц"1,2 автовариатора по обозначениям (рис. 4) и принятых началах отсчета углов а - промежуточных тел и у - поводков 12 будет такой:
_ R
1,2
U = _2_ = rmn + Г + r0smg (4)
R1 rmi + Го- rosin а
п
а + r sin а
Обозначив rmin+ro=a, получим U х 2 =-^—— откуда
' а - гsina
a(U 7-1)
sina = v 1'2_L
Го (Ui,2 + 1) . (5)
Зная для достижения целевой функции необходимые значения Ui,2 при переменном M2, по (5) определим зависимость угла a поворота промежуточных тел в зависимости от M2 (рис. 5).
Приняв длину r поводка 12 , определим необходимое осевое смещение Л втулки 5 A=rsiny. Расчетное осевое смещение Л в зависимости от M2 представим на (рис. 6).
Для определения жесткости пружины 11, активного элемента цепи управления, используем силовые соотношения в винтовом соединении - элементе цепи управления в форме зависимости осевой силы Poc на винте и момента M2 на гайке, имеем
2М,
рс =я2 <L л, (6)
dcp tg (fi + Р)
где dcp - средний диаметр резьбы в винтовом соединении; в - угол подъема винтовой линии в соединении; р - угол трения.
Расчетная жесткость с упругого элемента 11 в цепи управления будет такой:
Р /
с = ос/ /Л .
Из формул расчета жесткости упругого элемента видно, что явно нелинейная целевая функция автоуправления компонентами трансформируемой мощности может быть удовлетворительно исполнена установкой в цепи управления автовариатора упругого элемента постоянной жесткости, что показал пример расчета (рис. 7).
Избранная схема цепи управления и проведенный проектный расчет основных параметров цепи управления механического торового автовариатора позволяет выделить особенности алгоритма ее синтеза:
1. Механическую систему можно наделить свойством адаптации путем реализации в ней специальной цепью управления дополнительного к основному движения звеньев.
2. Подбор элементов цепи управления и их характеристика зависят от целевой функции автоуправления передаточным отношением вариатора и параметров основного силового потока.
3. Набор элементов цепи управления автовариатора зависит от базовой кинематической схемы вариатора, но обязательными структурными элементами цепи автоматического управления являются упругие звенья, деформации которых зависят от уровня трансформируемого силового потока, а также преобразователи упругой деформации в управляющее движение, приводящее к нужному автоизменению кинематических характеристик автовариатора. Движение в управляющей цепи определяется второй обобщенной координатой механической системы.
4. Преобразователи упругой деформации в управляющее движение в цепи управления могут быть созданы на базе рычажных, зубчатых, винтовых, кулачковых механизмов.
5. Расчет потребной жесткости упругого элемента может дать переменное ее значение в диапазоне управления передаточной функцией автовариатора, что трудно реализовать технически. В этом случае линейность упругого элемента можно сохранить использованием нелинейных свойств преобразователя движения, входящего в состав цепи управления.
Рис. 1. Изменение скорости выходного звена Автовариатора при переменном внешнем силовом нагружении
Рис. 2. Изменение передаточной функции автовариатора при переменном внешнем силовом нагружении
Рис. 3. Кинематическая схема торового вариатора со встроенной цепью управления передаточной функцией
< ддигатш к исполнительному
угону
Рис. 4. К определению передаточного отношения автовариатора
Рис. 5. К определению угла поворота промежуточных тел при значениях Г1шП=0,025 м; г0 =0,05 м
Рис. 6. Осевое смещение втулки в зависимости от M2
Рис. 7. Жесткость упругого элемента в зависимости от M2
Библиографический список
1. Решетов, Л. Н. Самоустанавливающиеся механизмы : справочник / Л. Н. Решетов -2е изд. - М. : Машиностроение, 1985. - 272 с.
2. Кожевников, С. Н. Основания структурного синтеза механизмов / С. Н. Кожевников. - Киев : Наук. Думка, 1979. - 232 с.
3. Балакин, П. Д. Механические передачи с адаптивными свойствами : науч. издание / П. Д. Балакин. - Омск: ОмГТУ, 1996. - 144 с.
4. Балакин, П. Д. Механические автовариаторы: учеб. пособие / П. Д. Балакин. -Омск: ОмГТУ, 1998. - 146 с.
5. Пат. 113323 Российская Федерация, МПК F 16 Н 15/38. Автоматический торовый вариатор / П. Д. Балакин, Е. А. Дюндик, О. С. Дюндик ; заявитель и патентообладатель Ом-
19
ский государственный технический университет. - № 2011133984/11 ; заявл. 12.08.11 ; опубл. 10.02.12, Бюл. № 4. - 3 с. : ил.
6. Балакин, П. Д. Модифицированная конструкция автоматического торового автовариатора / П. Д. Балакин, Е. А. Дюндик, О. С. Дюндик // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природоиспользования
: матер. VII Всеросс. науч. - практ. конф., / ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск, 2012. - Книга 2. - с. 108-111.
7. Пат. № 73425 Российская Федерация, МПК F 16 H 55/52. Шкив / П. Д. Балакин, И. П. Згонник ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 2007149459/22 ; заявл. 27.12.07 ; опубл. 20.05.08, Бюл. № 14. - 3 с. : ил.
8. Пат. № 2801584 Российская Федерация, МПК. F 16 Н 15/50. Автоматический фрикционный вариатор / П. Д. Балакин, В. В. Биенко ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 961158811/28 ; заявл. 31.07.96 ; опубл. 10.01.98, Бюл. № 1. - 3 с. : ил.
9. Пат. № 2120070 Российская Федерация, МПК F 16 Н 15/10. Автоматический фрикционный вариатор / П. Д. Балакин, В. В. Биенко ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 96124674/28 ; заявл. 31.12.96 ; опубл. 10.10.98, Бюл. № 28. - 3 с. : ил.
10. Пат. № 2122670 Российская Федерация, МПК F 16 H 9/18, 55/56. Автоматический клиноременный вариатор / П. Д. Балакин, В. В. Биенко ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. - № 96124725/28 ; заявл. 31.12.96 ; опубл. 27.11.98, Бюл. № 33. - 3 с. : ил.
