CC BY
15
УДК 621.83.062.1 C.B. Черепанов
ОАО «Специальное конструкторское бюро машиностроения»
ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ БЕССТУПЕНЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ
Аннотация
В статье показано, какие полезные свойства имеет механическая бесступенчатая передача по сравнению с другими типами бесступенчатых передач, представлена внешняя характеристика механической импульсной бесступенчатой передачи, обозначены возможные области применения таких передач.
Ключевые слова: механическая бесступенчатая передача, внешняя характеристика, коэффициент полезного действия, передаточное отношение.
S.V. Cherepanov
Open Joint-Stock Company «Special Design Bureau of Machine Building»
POSSIBLE APPLICATION AREA OF MECHANICAL PULSE INFINITELY VARIABLE SPEED TRANSMISSIONS
Annotation
The article shows the useful properties of a mechanical infinitely variable speed transmission in comparison with other types of infinitely variable speed transmissions; this article also specifies external characteristic of a mechanical infinitely variable speed transmission and the possible application area of such transmissions.
Key words: mechanical infinitely variable speed transmission, external characteristic, efficiency factor, gear ratio.
Введение
Особый интерес к бесступенчатому приводу появился еще тогда, когда в качестве источника энергии вместо паровой машины стали применять двигатели внутреннего сгорания. В отличие от паровой машины, позволяющей менять частоту вращения вала от максимальной до нуля и при этом во много раз увеличивать развиваемый крутящий момент, двигатели внутреннего сгорания имеют весьма ограниченные возможности изменения частоты вращения и еще меньше - увеличения крутящего момента. Восполнить этот недостаток может бесступенчатая передача [1].
Из класса бесступенчатых передач широкое распространение получили гидродинамические и в меньшей степени гидростатические передачи. Функционально такие передачи обеспечивают бесступенчатое изменение передаточных отношений. Но при этом происходит двойное преобразование энергии, то есть переход механической энергии в энергию рабочей жидкости, и наоборот. Этот процесс приводит к дополнительным потерям передаваемой мощности, что сказывается на снижении общего КПД привода. То же самое можно сказать об электромеханической передаче.
Поэтому, решая вопрос применения той или иной передачи в различного рода приводах, в том числе трансмиссиях транспортных средств, рассматриваются не толь-
ко ее свойства как преобразователя крутящего момента, но и его коэффициент полезного действия (КПД).
С точки зрения уменьшения потерь мощности механические бесступенчатые передачи имеют явное преимущество перед остальными, так как ее применение в составе транспортного средства позволяет снизить расход топлива и вместе с тем уменьшить негативное воздействие на окружающую среду. Кроме того, саморегулируемая бесступенчатая передача, имея свойство автоматического реагирования на изменение действующей внешней нагрузки путем изменения передаточного отношения, позволяет снизить утомляемость водителя во время движения транспортного средства.
1. Кинематическая схема и принцип работы импульсной передачи
На кафедре «Гусеничные машины» Курганского государственного университета была разработана схема механической инерционной импульсной передачи, обладающая свойством саморегулирования, кинематическая схема которой представлена на рис. 1.
Импульсный преобразователь представляет собой непараллелограммный плоский шарнирный 5-звенный механизм ОАСВ (рисунок 16). Центр масс грузового звена ВСЭ расположен в точке Э.
Рис. 1. Кинематическая схема инерционной передачи с импульсным механизмом непараллепограммного типа: - приведенный к входному валу момент инерции ведущих частей системы, J2 - момент инерции реактора, ^приведенный к выходному валу момент инерции ведомых частей системы, т и ^ - масса и момент инерции грузового звена относительно оси, перпендикулярной плоскости движения и проходящей через точку Э; с - жесткость торсионного вала.
Принцип работы инерционной импульсной передачи можно свести к следующей схеме [2, 3]. Ведущий маховик двигателя приводит в движение грузовые звенья импульсного механизма, которые в свою очередь создают знакопеременный вращающий момент на промежуточном валу (реакторе), не имеющим жесткой связи с ведущим и ведомым маховиками. Импульс момента, стремящийся повернуть реактор в направлении вращения выходного вала (прямой импульс), передается на ведомый маховик через упругий элемент. Обратный импульс, стремящийся повернуть реактор в противоположном направлении по отношению к направлению вращения выходного вала, передается через механизм свободного хода (МСХ) на корпус передачи.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования этой передачи показали, что она обладает высоким КПД (более 0,9) в широком кинематическом диапазоне более пяти (рисунок 2). Это превосходит соответствующие показатели гидродинамических и гидростатических бесступенчатых передач.
Если судить по внешней характеристике, то такая передача могла бы применяться в тех тяговотранспорт-ных машинах, где с успехом применяются гидромеханические передачи, включающие гидродинамический трансформатор и многоступенчатый механический редуктор,
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 7
13
необходимость в котором при инерционной импульсной передаче отпадает.
2. Возможные области применения импульсных передач
Если судить по внешней характеристике (рис.2), то такая передача могла бы применяться в тех тяговотранс-портных машинах, где с успехом применяются гидромеханические передачи, включающие гидродинамический трансформатор и многоступенчатый механический редуктор, необходимость в котором при инерционной импульсной передаче отпадает.
40
M, Н-м
30
20
10
0
V
M 1 M2
1,00 П
0,75 0,50 0,25
0,25
0,50
0,75
1,00
1 - передаточное отношение
М 1 , М 2 - крутящие моменты на входном и выходном
валах передачи соответственно П - КПД п ередачи
Рис.2 . Внешняя характеристика и КПД механической бесступенчатой импульсной передачи
Но как показали проведенные исследования, значительные динамические нагрузки, присущие импульсным передачам, не позволяют их рекомендовать для использования в транспортных машинах с двигателями большой мощности. Областью применения могут быть малые тракторы, мотонарты, грузовые мотороллеры и т.п.
Более широкое применение этой и других инерционных импульсных передач возможно в различных приводах технологического оборудования, но не в любых. Если в транспортных машинах снижение скорости при увеличении нагрузки или сопротивления движению считается вполне естественным и нормальным, то в ряде приводов технологического оборудования важным является точное соответствие скорости исполнительного органа заданным технологическим требованиям вне зависимости от изменения нагрузки или сопротивления движению. К такому оборудованию относятся некоторые конвейеры, дозаторы, автоматические линии и т.п. Для таких приводов инерционная импульсная передача не пригодна.
Для многих силовых приводов постоянство скорости исполнительного органа не имеет существенного значения. Это грузовые ленточные транспортеры, различные смесители, подвижные бурильные и стационарные буровые установки и др.
Приведенный к входному валу исполнительного органа момент инерции может быть весьма значительным. Поэтому при пуске установки даже без рабочей нагрузки может потребоваться значительный крутящий момент. Рабочая нагрузка тоже может изменяться в широких пределах. При непосредственном приводе рабочего органа
от электродвигателя требуется большой пусковой ток. Электродвигатель должен быть рассчитан на мощность значительно большую, чем средняя рабочая мощность агрегата. Если же между электродвигателем и исполнительным органом установлена инерционная импульсная передача, то при пуске в соответствии с внешней характеристикой передачи (рис.2) момент сопротивления на валу двигателя равен нулю и при разгоне двигатель должен преодолевать только собственный инерционный момент. Это позволяет применять в качестве двигателя самые простые асинхронные электромоторы, которые после пуска работают с постоянной частотой вращения. Разгон же исполнительного органа начинается под действием момента, в шесть раз превосходящего расчетный момент, реализуемый при максимальной скорости. Номинальная мощность электродвигателя может выбираться исходя из расчетного значения момента сопротивления при 1=1,0. При увеличении действительного момента сопротивления по сравнению с расчетным в соответствии с внешней характеристикой передаточное отношение будет уменьшаться. Даже при пятикратном увеличении момента сопротивления нагрузка на двигатель практически не изменяется. При дальнейшем увеличении момента сопротивления вплоть до остановки выходного вала передачи нагрузка на электродвигатель уменьшается до нуля при i=0. Двигатель может продолжать вращаться с той же частотой. Никаких защитных устройств типа предохранителей для двигателя не требуется.
Возможность применять асинхронные электродвигатели переменного тока вместо сериесных электродвигателей постоянного тока для привода многих агрегатов может дать значительный техникоэкономический эффект.
Список литературы
1. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи. -
Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 203 с.
2. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. - М.: Машиностро-
ение, 1978. -367 с.
3. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы
вращающего момента. -М.: Машиностроение, 1978. -224
УДК 534.014 И.П. Попов
Департамент экономического развития, торговли и труда Курганской области
СВОБОДНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ В СИСТЕМАХ С КРИВОШИПНО-КУЛИСНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
Аннотация
Рассматриваются механические колебательные системы, состоящие только из инертных (mm-система) или только упругих (kk-система) элементов. Показана возможность возникновения в таких системах свободных гармонических колебаний. В mm-системе происходит взаимный обмен кинетической энергией между инертными элементами. В kk-системе происходит обмен потенциальной энергией между упругими элементами.
Ключевые слова: колебательные, инертные, упругие, гармонические, частота, кривошипно-кулисный механизм.
I.P. Popov
Department of Economic Development, Trade and Labor of the Kurgan region
14
ВЕСТНИК КГУ. 2012. № 2 (24)
