Перспективные направления создания инерционных передач

повышенной надежности

Инерционные бесступенчатые передачи являются передачами механического типа и позволяют автоматически и бесступенчато менять режимы работы в зависимости от нагрузки [1]. Простыми словами ─ это автоматические и бесступенчатые коробки передач. Эти передачи отличаются целым рядом преимуществ. Они имеют компактные конструкции, высокий коэффициент полезного действия, близкий к коэффициенту полезного действия механических ступенчатых передач, широкий диапазон трансформации момента. На режиме прямой передачи они работают как динамические муфты, сглаживая крутильные колебания в системе. При заклинивании рабочего органа эти передачи предохраняют двигатель от перегрузки и поломки. Есть и другие преимущества инерционных бесступенчатых передач.

Существует большое разнообразие схем и конструкций инерционных бесступенчатых передач. Общая схема этих передач изображена на рис.1. Она включает ведущий вал 1, импульсный механизм 2, промежуточный вал 3, корпусной 4 и выходной 5 механизмы свободного хода, ведомый вал 6.

Рис. 1. Общая схема инерционной бесступенчатой передачи

Импульсный механизм представляет собой систему с двумя степенями свободы с неуравновешенными грузами. В качестве импульсного механизма может выступать обычная планетарная передача с неуравновешенными сателлитами. Назначение импульсного механизма ─ создавать знакопеременные импульсы момента на промежуточном валу. Механизмы свободного хода представляют собой устройства, передающие крутящий момент лишь в одном направлении.

При вращении ведущего вала 1 импульсный механизм 2 создает знакопеременный крутящий момент, действующий на промежуточный вал 3. Прямые импульсы момента через выходной механизм свободного хода 5 передаются на ведомый вал 6, обратные импульсы момента через корпусной механизм 4 замыкаются на корпус.

Однако, несмотря на целый ряд преимуществ, инерционные бесступенчатые передачи не находят широкого распространения в технике. Основная причина этого заключается в недостаточной долговечности механизмов свободного хода. Если импульсные механизмы достаточно отработаны и их работоспособность не вызывает проблем, то механизмы свободного хода в конструкциях инерционных бесступенчатых передач относительно быстро выходят из строя. Эти механизмы работают в тяжелых условиях, для которых характерны большие пиковые нагрузки, высокая частота включений и выключений, что приводит к их недостаточной долговечности и лимитирует надежность и долговечность инерционных передач в целом.

С целью создания надежных и долговечных инерционных бесступенчатых передач необходимо сформулировать и наметить основные направления научных исследований.

1. Совершенствование методов исследования и расчета известных конструкций инерционных бесступенчатых передач

Несмотря на простоту конструкции, движение инерционных передач описывается сложными системами дифференциальных уравнений. Эти дифференциальные уравнения являются нелинейными и не допускают точных методов решения. Переменность структуры таких передач заставляет исследователей строить системы дифференциальных уравнений по участкам. Поэтому на практике эти уравнения решаются с помощью приближенных методов по участкам, а затем с помощью, например, метода припасовывания сшиваются по границам участков. Конечные значения переменных для каждого участка являются начальными значениями для следующего участка. При этом процедура решения дифференциальных уравнений является громоздкой, что препятствует получению решения для всего цикла работы трансформатора, построению периодических решений, применению численных методов на компьютерной основе, затрудняет интерпретацию результатов. Отмеченные трудности заставляют исследователей искать возможности по совершенствованию математических моделей трансформатора, пути для более эффективного анализа его работы.

Автором предложены методы [2], дающие возможность объединить системы дифференциальных уравнений по участкам в одну систему, описать цикл работы инерционной передачи с помощью лишь одной системы, что позволяет резко сжать математическую модель передачи, значительно упростить решение уравнений ее движения и анализ этого решения.

2. Разработка новых конструкций механизмов свободного хода

Несмотря на большие усилия по созданию надежных механизмов свободного хода, эти механизмы по-прежнему остаются самыми слабыми звеньями в конструкциях инерционных бесступенчатых передач. Основная причина этого, по мнению автора, заключается в том, что во всех существующих конструкциях механизмов свободного хода весь крутящий момент передается через заклинивающие элементы, что приводит к большим напряжениям в этих элементах. Для решения поставленной задачи и устранения указанного недостатка автором были разработаны конструкции механизмов свободного хода [3], работающих по релейному принципу, а именно: через заклинивающие элементы свободного хода передается только часть нагрузки. Основная часть крутящего момента (нагрузки) передается, минуя заклинивающие элементы. На рис. 2 изображена одна из предложенных схем механизмов свободного хода релейного типа.

Рис. 2. Схема механизма свободного хода релейного типа

На ведущем валу 1, установленном с помощью передачи «винт – гайка» во внутренней обойме 2 механизма свободного хода, закреплен фрикционный диск 3. Заклинивающие элементы 4 взаимодействуют с наружной обоймой 5 механизма свободного хода, связанной с ведомым валом. обозначают наружный и внутренний диаметры фрикционной поверхности контакта звеньев 3,5, а через обозначен средний диаметр винтовой нарезки.

В случае вращения ведущего вала 1 с угловой скоростью меньшей угловой скорости ведомого вала (или в противоположных направлениях) ведущий и ведомый валы вращаются независимо друг от друга. При этом крутящий момент с ведущего вала на ведомый не передается. При достижении ведущим валом угловой скорости ведомого вала происходит заклинивание элементов 4. При этом крутящий момент начинает передаваться с ведущего вала 1 через внутреннюю обойму 2, заклинивающие элементы 4, наружную обойму 5 на выходной вал. Момент сопротивления на внутренней обойме 2 вызовет вращение ведущего вала относительно внутренней обоймы. Так как ведущий вал и внутренняя обойма взаимодействуют друг с другом посредством передачи «винт – гайка», то относительное вращение ведущего вала вызовет осевое перемещение ведущего вала в сторону внутренней торцевой поверхности наружной обоймы 5. Осевое перемещение ведущего вала будет происходить до тех пор, пока фрикционный диск 3 не упрется во фрикционную торцевую внутреннюю поверхность наружной обоймы. Крутящий момент от ведущего вала на ведомый будет передаваться не только через заклинивающие элементы 4, но и через фрикционные поверхности диска 3 и наружной обоймы 5. Если угловая скорость ведущего вала станет меньше угловой скорости наружной обоймы, то элементы 4 расклинятся, и крутящий момент через эти элементы передаваться не будет. При этом прекратится действие осевой силы на ведущий вал со стороны внутренней обоймы 2. Фрикционный диск 3 отойдет от внутренней торцевой поверхности наружной обоймы 5. Крутящий момент через фрикционные поверхности передаваться не будет. Механизм свободного хода полностью разомкнется.

Следует заметить, что, несмотря на наличие фрикционного контакта поверхностей диска 3 и наружной обоймы 5, рассмотренный механизм свободного хода релейного типа лишен главного недостатка фрикционной сцепной муфты – больших потерь мощности при пробуксовке фрикционных дисков и связанных с этим нагревом и короблением дисков. Действительно, контакт фрикционной поверхности диска 3 и внутренней торцевой поверхности наружной обоймы 5 может происходить лишь при выровненных угловых скоростях внутренней и наружной обойм механизма свободного хода релейного типа. Лишь при заклинивании механизма свободного хода появляется осевая сила, действующая на ведущий вал.

Разработанные конструктивные решения, при которых основная величина крутящего момента передается вне заклинивающих элементов, а момент, передаваемый через эти элементы, имеет небольшую величину и служит лишь для срабатывания надежной основной силовой цепи, позволяют резко разгрузить заклинивающие элементы свободного хода и в конечном итоге создать конструкции надежных и долговечных механизмов свободного хода.

3. Разработка конструкций инерционных бесступенчатых передач лишь с одним механизмом свободного хода.

Создание новых конструкций инерционных бесступенчатых передач не с двумя механизмами свободного хода, как в общей схеме, а лишь с одним позволило бы сократить количество слабых звеньев, повысить вероятность надежной работы инерционных передач. Известные конструкции инерционных бесступенчатых передач лишь с одним корпусным механизмом свободного хода [1] отличаются неравномерностью вращения выходного вала, так как выходной вал непосредственно связан с промежуточным валом импульсного механизма, а промежуточный вал совершает однонаправленное вращение с периодическими остановками. Этот недостаток резко ограничивает возможности применения таких передач. Автором разработаны конструкции инерционных передач лишь с одним выходным механизмом свободного хода. В таких передачах выходной вал вращается достаточно равномерно, поэтому эти передачи имеют широкие возможности применения на практике.

4. Разработка конструкций инерционных бесступенчатых передач без механизмов свободного хода.

Если не удается повысить долговечность механизмов свободного хода, то перспективным направлением исследования может служить разработка схем инерционных бесступенчатых передач, в которых механизмы свободного хода отсутствуют вообще. Несколько лет назад были предложены схемы некоторых из таких передач [4], рабочие органы которых совершают знакопеременное движение. В настоящее время автором разработаны и другие конструкции инерционных бесступенчатых передач без механизмов свободного хода в приводе реверсивного инструмента, а также в приводе дорожных и строительных машин и механизмов. Вибрационный характер подачи крутящего момента на рабочие органы этих машин способствуют интенсификации выполнения технологического процесса и повышает их эффективность.

Литература:

1. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента. М.: Машиностроение, 1978. 224 с.

2. Алюков С.В. Совершенствование математических моделей инерционных трансформаторов вращающего момента // Вестник машиностроения, Москва, 2010, №7, C. 3─10.

3. Алюков С.В. Механизмы свободного хода релейного типа // Тяжелое машиностроение, Москва, 2010, №12, С.34─37.

4. Алюков С.В. Динамика инерционного трансформатора вращающего момента без механизмов свободного хода: Автореф. дис. …канд. техн. наук, ВПИ, 1983.