Расчет автоуправляемого натяга во фрикционной передаче адаптивного привода машин

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Расчет автоуправляемого натяга во фрикционной передаче адаптивного привода машин

П.Д.Балакин

Аннотация

На примере расчета величины натяга в контакте активных поверхностей основных звеньев цилиндрической фрикционной передачи в зависимости от уровня трансформируемого передачей силового потока, показана реализуемость принципа конструирования механических систем наделением систем средством адаптации к режиму эксплуатации на ранней стадии эскизного проектирования. Механические фрикционные передачи с адаптивными свойствами имеют высокий КПД при многорежимной эксплуатации.

Ключевые слова. Фрикционная передача, натяг, цепь управления.

фрикционный адаптивный привод натяг

Реализация принципа конструирования механических систем наделением систем на стадии их проектирования свойствами адаптации к реальным параметрам, к режимам эксплуатации [1], позволяет в частности создавать конструкции энергетически совершенных механических приводов, построенных с использованием фрикционных передач.

Как известно, уровень нормальных сил во фрикционном контакте на порядок выше уровня сил полезного нагружения и его определяет величина натяга, создаваемого различными устройствами (предварительным и регулируемым натяжением, использованием упругих элементов, гидро-пневмоустройств и др.). Это неполезное нагружение передается на валы, подшипниковые узлы и, как следствие, впрямую определяет механический коэффициент полезного действия и ресурс передачи в целом.

Для большинства областей практического использования фрикционных передач трансформируемый ими силовой поток не стабилен, поэтому, с целью исключения буксования активных поверхностей основных звеньев натяг создается по предельному максимальному значению передаваемого крутящего момента, что необходимо, но нерационально по приведенным выше соображениям.

Следуя [1], энергетическое совершенство фрикционной передачи можно достичь, если предварительный натяг во фрикционном контакте активных поверхностей основных звеньев создается по минимальному уровню трансформируемого передачей силового потока, а при изменении силового потока натяг адекватно изменяется из условия исключения геометрического скольжения элементов высшей пары.

В [1] показано, что универсальным средством адаптации механических передач к режиму эксплуатации без переусложнения конструкции и без дополнительного источника энергии может быть дополнительное к основному движение звеньев или их элементов.

Дополнительное к основному целевое движение создается с помощью встроенной в конструкцию передачи цепи управления, функционирующей на реализации исключительно законов механики, а управляющее движение побуждается переменной частью основного силового потока.

Постановка задачи

Поставим задачу достижения энергетического совершенства цилиндрической фрикционной передачи путем автоматического управления натягом во фрикционном контакте с помощью встроенной цепи управления. Обратимся к рисунку 1, на котором приведен эскиз схемного решения одного из основных звеньев передачи.

Основное звено состоит из двух полушкивов 3, связанных с валом 1 гайками 2 посредством двух зон разнонаправленной винтовой поверхности. Пространство между полушкивами может быть заполненным эластомером, в котором размещены элементы плунжерной полости 6. Плунжеры жестко связаны с полушкивами. Плунжерная полость переменного объема связана с изменяемым объемом жидкости 5, заключенной между эластомером и упругой оболочкой 4, входящей во фрикционный контакт с парным основным звеном передачи.

Плунжерных полостей может быть несколько, они располагаются равномерно по окружности их базирования, что обеспечивает силовую симметрию и уравновешенность конструкции.

Конструкция полостей работает следующим образом. При возрастании от минимального значения момента М внешнего нагружения за счет винтового соединения 2 полушкивы 3 сближаются, плунжеры получают осевое движение, жидкость вытесняется из плунжерной полости, деформирует оболочку 4, изменяя натяг адекватно изменению внешнего силового нагружения.

Проведем расчет величины автоуправляемого натяга в модифицированной фрикционной передаче адаптивного привода машины.

Теория

Для выполнения инженерного расчета натяга необходимо избрать некоторые константы и характеристики конструктива и режима работы передачи:

- примем, что активная поверхность шкива толщиной h=0,5мм торовой формы, причем R=120мм; R1=35мм (рис. 1);

Рис. 1. Шкив фрикционной передачи с автоуправлением уровня нормальных сил в контакте активных поверхностей. 1 - вал передачи с зонами разнонаправленной винтовой поверхности; 2 - гайки; 3 - полушкивы; 4 - упругая оболочка; 5 - жидкость; 6 - плунжерная полость.

- пространство внутри оболочки может быть заполнено идеальной упругой средой: несжимаемым объемом латекса, передающего внутреннее давление изотропно, в том числе на внутреннюю поверхность оболочки без искажения; неагрессивной жидкостью; массивом из термически обработанных, стальных (из стали ШХ15) сферических тел - тел качения шарикоподшипников; пакетов конических тарельчатых пружин и др.

Изменяемый натяг в общем случае создается за счет деформации W оболочки, приводящей к изменению номинального значения ее кинематического размера вне контактной зоны. Деформацию вызывает переменное давление, создаваемое осевыми силами Рос, возникающими в винтовом соединении полушкивов с валом, нагружаемым переменным моментом М внешних сил. Винтовое соединение с разнонаправленной резьбой при переменном нагружении обеспечивает управляемое дополнительное к основному осевое движение полушкивов, которое преобразуется в изменение давления в замкнутой полости и используется для автоуправления натяга во фрикционной передаче:

- модуль упругости материала стальной оболочки Е=2•105МПа, коэффициент Пуассона µ=0,3;

- момент М внешних сил изменяется в диапазоне М=(0ч400)Нм;

- средний диаметр dср несамотормозящей резьбы примем dср=50мм, шаг винтовой линии Н=20мм (при шариковинтовом исполнении потери на трение малы и учет угла трения и в силовом соотношении можно опустить).

Обратимся вновь к рис. 1, где показана схема шкива с автоуправлением уровнем нормальных сил в контакте активных поверхностей фрикционной цилиндрической передачи адаптивного привода машин. В качестве передающей и преобразующей среды принята жидкость, переменное давление которой создается в плунжерной полости 6. Движение плунжерам сообщают полушкивы в своем осевом дополнительном движении, с усилием Рос от винтового соединения.

Величина осевой силы Рос при верхнем значении силового момента М=400Нм в винтовом соединении будет такой:

(1)

где , в нашем случае tgв=0,127 и в?7°, тогда Рос=1018,4Н.

Примем дополнительно суммарную площадь F рабочих зон плунжеров F=500мм2, давление жидкости р

.

Радиальную деформацию W оболочки определим по [2]:

(2)

при г=р/2 (рис. 1), откуда W=0,19мм.

Если сохранить условия решаемой задачи, но внести изменения в конструктив шкива, заменив стальную оболочку 4 на резиновую толщиной h=10мм, причем для резины модуль упругости и коэффициент Пуассона будут равны соответственно Е=6,2МПа, µ=0,49, тогда деформация W модифицированной оболочки в радиальном направлении при давлении р=2МПа составит по (2) W=13,9мм, что достаточно много и оболочку целесообразно исполнить из резинокорда.

Обсуждение результатов

На конкретном примере расчета геометрии шкива предлагаемой конструкции для фрикционной передачи показано, что на основе принципа конструирования механических систем наделением систем свойством адаптации принципиально возможно создавать энергетически совершенные механические передачи, работающие в условиях многорежимной эксплуатации.

Управляемый натяг в контакте активных поверхностей передачи создается встроенной в конструкцию шкива цепью управления, создающей дополнительное к основному движение (эволюцию номинального кинематического размера шкива); для управляемого движения используется энергия переменной составляющей основного силового потока, трансформируемого передачей.

Модификация конструктива шкива с изменяемой геометрией, свойства применяемых материалов существенно влияют на силовые соотношения в цепи управления и величину натяга в передаче.

Выводы и заключение

Подтверждена реализуемость принципа конструирования механических систем наделением систем свойством адаптации к режиму эксплуатации на этапе эскизного проектирования.

Приведены силовые соотношения во встроенной в конструкцию цепи управления, определяющие величину автоизменения натяга в контакте активных поверхностей фрикционной передачи.

Управление величиной натяга, зависимого от уровня трансформируемого передачей силового потока, позволяет сохранять высокий механический КПД передачи при многорежимной эксплуатации.

Список литературы

Балакин П. Д. Элементы теории реальных механических систем: монография / П. Д. Балакин; Минобрнауки России, ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 272 С. : ил.

Писаренко Г. С., Яковлев А. П. , Матвеев В. В. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев : Наук. Думка. 1975. 698 С.

Размещено на Allbest.ru