CC BY
73
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
удк 621.839-86 п. Д. БАЛАКИН
Омский государственный технический университет
ОСНОВА СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ АВТОВАРИАТОРОВ
Показано, что на основе передачи зацеплением невозможно создать схемное решение механического автовариатора, технические решения передач этого типа следует синтезировать исключительно на базе передач трением.
Ключевые слова: механический автовариатор, передачи зацеплением и трением.
Как известно, механические передачи связывают энергетическую установку (двигатель) с исполнительным органом машины, трансформируя силовой поток между ними нужным образом. Все механические передачи можно разделить на два семейства — передачи зацеплением и передачи трением. Оба семейства широко реализованы в технических решениях, имеют известные наборы достоинств и недостатков, поэтому конструктор, усиливая достоинства и ослабляя недостатки избранного семейства, имеет возможность избрать рациональное схемное решение механической передачи для машины, создаваемой под конкретное техническое задание на проектирование.
Механические автовариаторы являются относительно новыми элементами механических трансмиссий транспортных и технологических машин, основное их назначение — автоматическое регулирование компонентов трансформируемой мощности. Известные серийные устройства, как правило, сложны по схемным решениям, содержат автоном-
ный источник энергии, гидравлические исполнительные органы, электронные обратные связи и др. Взаимодействие на едином объекте разнородных сред порождает сложности по обеспечению надежности как отдельных систем, так и функционирования автовариатора в целом, поэтому этот тип механических передач не находит широкого применения в промышленных изделиях, выпускаемых предприятиями Российской Федерации.
В наших работах [1, 2], а также в оригинальных схемных решениях [3—10], выполненных на уровне изобретений, показано, что наделение любого механизма преобразования движения свойством адаптации к режиму эксплуатации возможно осуществить, используя исключительно законы механики, достаточно разрешить звеньям механизма совершать дополнительное к основному движение звеньев, но это движение должно быть строго детерминированным, зависеть от уровня передаваемого силового потока и быть реализованным встроенной в механизм специальной внутренней механической цепью управления.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 1. Схема пространственного зацепления общего вида:
Ох—Ох и О2—О2 — оси вращения звеньев:
О1 и 02 — активные поверхности звеньев 1 и 2, § — угол перекрещивания осей вращения;
О — вектор относительного вращения — скольжения звеньев 1 и 2; ак — межосевой перпендикуляр;
Р — полюсная точка касания аксоидов в горловом сечении; л—л — общая нормаль к 01 и 02, П1 и П2 — параллельные плоскости, проходящие через оси звеньев перпендикулярно а^
¿1 и ¿2 — кратчайшие расстояния от точек пересечения П1 и П2 общей нормали л—л;
©1 и ©2 — угловые скорости вращения звеньев 1 и 2, Vокр, и Vокр2,— окружные скорости точки К контакта О1 и О2, т.е. Vокр. = ©Л и Vокр21 = ©2^2 ; V — проекция окружных скоростей точки К на общую нормаль л—л;
Р1 и Р2 — углы между векторами окружных скоростей к общей нормали л—л
Это дополнительное движение звеньев предназначено для изменения кинематических размеров звеньев автовариатора, следовательно, кинематических характеристик механизма таким образом, чтобы гармонизировать компоненты трансформируемого силового потока. Например, важное прикладное значение имеет задача сохранения стационарного режима работы двигателя в условиях переменного внешнего нагружения. В этом случае передаточная функция скорости автовариатора переменна и изменяется в соответствии с вариационным принципом механики:
M
U = -с-
мд
(1)
где Mc — момент сил внешнего нагружения, величина переменная;
Мд — момент движущих сил, Мд = const.
По условиям задачи Mgwq = const, где wq — угловая скорость вала двигателя, в этих условиях wc — скорость выходного звена автовариатора должна изменяться по гиперболическому закону в функции Мс
-д W
м„
(2)
Зависимости (1) и (2) являются основными для синтеза элементов встроенной цепи управления кинематическими характеристиками автовариатора.
В связи с тем, что в передачах зацеплением реализуется более выгодная схема силовых преобразований, многократно предпринимались попытки построить автовариатор на базе передач зацеплением. Если обратиться к схеме представленного зацепления общего вида (рис. 1), то, на первый взгляд, принципиальных затруднений нет, поскольку изменение угла 8 перекрещивания осей основных звеньев
трехзвеннои передачи приводит к изменению передаточной функции скорости.
Следуя [11] и принимая обозначения по рис. 1,
можно записать 81 + 82= 180 —8 и —w—,
sin 5 2 sin 81
откуда
тт w1 sin 8j
U 1,2 _ _ _ í-W2 Sin 02
(3)
Более наглядно изменение передаточной функции скорости передачи зацеплением при изменении угла 8 видно из зависимости, предложенной в [12]:
(4)
Зависимость (4) получена из равенства проекций окружных скоростей Уокр1 и V точки К на общую нормаль п—п к активным поверхностям 01 и 02 , образованных двухпараметрическим огибанием эвольвентной винтовой производящей поверхностью или ее частными разновидностями — круговым конусом или плоскостью [13, 14]. Очевидно, что при изменении угла 8 перекрещивания осей основных звеньев расстояния Л1 и Л2 станут переменными.
Однако, предлагаемый прием управления передаточной функцией справедлив только для зацепления пары активных поверхностей 01 и 02 , а поскольку для непрерывной работы передачи необходимо обеспечить пересопряжение зацепления, что связано с сохранением нормальных шагов активных поверхностей 01 и 02 и, следовательно, модуля зацепления
Р
т - — , где Р — окружной шаг зацепления, то удовлетворительного схемного решения вариатора на базе передачи зацеплением создать невозможно и для
с
любой передачи зацеплением сохраняется зависимость среднего значения передаточной функции скорости
и12 = (-1)"^ , (5)
*1
где п — количество внешних зацеплений,
*1 и *2 — количество зубьев у основных звеньев.
Таким образом, технические решения механических автовариаторов могут быть созданы только на базе передач трением — фрикционных передач, встроенные цепи управления, которые способны изменить передаточную функцию автовариатора, адекватно изменению внешней нагрузки, включая изменение уровня нормальных сил, тем самым обеспечивается автоизменение сил трения в силовых связях, что позволяет оптимизировать механический КПД многорежимной автоматизированной передачи.
Зубчатые зацепления и их аналоги могут быть реализованы только в импульсных вариаторах в сочетании с обгонными и храповыми устройствами, передающими силовой поток с разрывами, дискретно.
Библиографический список
1. Балакин, П. Д. Механические передачи с адаптивными свойствами : науч. издание / П. Д. Балакин. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 1996. - 144 с.
2. Балакин, П. Д. Механические автовариаторы : учеб. пособие / П. Д. Балакин. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 1998. — 146 с.
3. Пат. 2101574 Российская Федерация, МКи6 Б 16 Н 15/50. Автоматический фрикциональный вариатор / Балакин П. Д., Биенко В. В. // Открытие. Изобретение. — 1998. — № 1.
4. Пат. 2023917 Российская Федерация. МКи5 Б 16 Н 15/00. Автоматический фрикциональный вариатор / Балакин П. Д., Троян О. М. // Открытие. Изобретение. — 1994. — № 22.
5. Пат. 2120070 Российская Федерация. МКИ6 Б 16 Н 15/10. Автоматический фрикциональный вариатор / Балакин П. Д.,
Биенко В. В. ; заявитель и патентообладатель ОмГТУ. — Заявл. 1998, Бюл. № 28.
6. Пат. 2122670 Российская Федерация. МКИ6 Б 16 Н 9/18. Автоматический клиноременный вариатор / Балакин П. Д., Биенко В. В. ; заявитель и патентообладатель ОмГТУ. — Заявл. 1998, Бюл. № 33.
7. Пат. 2127841 Российская Федерация. МКИ6 Б 16 Н 9/00. Шкив. / Балакин П. Д., Биенко В. В. ; заявитель и патентообладатель ОмГТУ. — Заявл. 1999, Бюл. № 8.
8. Свидетельство на полезную модель № 27335 от 28.06.2002. Кл7 Б 16 Н 15/50. Автоматический фрикциональный вариатор / Балакин П. Д., Филиппов Ю. О., Михайлик О. С. — Заявл. 2003, Бюл. № 2.
9. Пат. 2224936 Российская Федерация. МКИ7 Б 16 Н 55/52. Шкив. / Балакин П. Д., Биенко В. В., Жуков А. В.; заявитель и патентообладатель ОмГТУ. — Заявл. 2004, Бюл. № 6.
10. Пат. 2242652 Российская Федерация. МКИ7 Б 16 Н 15/86. Автоматический клиноременный вариатор / Балакин П. Д. заявитель и патентообладатель ОмГТУ. — Заявл. 2004, Бюл. № 35.
11. Литвин, Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф. Л. Литвин. — М : Наука, 1968. — 584 с.
12. Коростелёв, Л. В. Образование зубчатых передач с переменным расположением осей колес / Л. В. Коростелёв // Машиноведение. — 1972. — № 4. — С. 46 — 49.
13. А. с. 357049 СССР, МКИ В 23 Б 5/20. Способ обработки методом обкатки эвольвентным первичным инструментом косозубых колес / Л. В. Коростелев, П. Д. Балакин // Открытия. Изобретение. — 1972 . № 33.
14. Балакин, П. Д. Адаптивные зубчатые зацепления / П. Д. Балакин, И. Л. Рязанцева. — Омск. : Изд-во ОмГТУ, 1997. — 146 с.
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин, член-корреспондент Академии наук высшей школы.
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 24.02.2012 г.
© П. Д. Балакин
Книжная полка
Землянушнова, Н. Ю. Восстановление винтовых цилиндрических пружин сжатия / Н. Ю. Зем-лянушнова, Ю. М. Тебенко, Н. А. Землянушнов. - Ставрополь : Агрус, 2012. - 86 с. - ISBN 9785-9596-0809-5.
Монография посвящена проблеме восстановления винтовых цилиндрических пружин сжатия. Проанализированы известные и разработаны новые способы и устройства для восстановления пружин из проволоки холоднодеформированной, предварительно термически обработанной, обычно патентированной. Авторами разработана и испытана технология для восстановления пружин со значительной потерей рабочей нагрузки.
Юркевич, В. В. Надежность и диагностика технологических систем : учеб. для вузов по специальности «Металлорежущие станки и комплексы» направления подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. В. Юркевич, А. Г. Схирт-ладзе. - М. : Академия, 2011. - 295 с. - ISBN 978-5-7695-5990-7.
Изложены основы надежности металлообрабатывающих станков. Приведены расчеты надежности при проектировании технологических систем, оценка надежности эксплуатируемого оборудования и конкретные примеры повышения надежности. Рассмотрены принципы создания диагностических систем в автоматизированном производстве. Описаны методика измерения траекторий формообразующих узлов, применяемые при этом датчики, методология измерения и обработки экспериментальных данных с помощью компьютера. Представлена технология построения виртуальной копии детали на основе измерения траектории формообразования.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
