Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ысянский Вячеслав Анатольевич

РАЗРАБОТКА ЗУБЧАТОГО ВАРИАТОРА МОМЕНТА ДЛЯ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Шахты - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС)

на кафедре Прикладная механика и конструирование машин

Научный руководитель         Ц	доктор технических наук, профессор Кузнецов Сергей Анатольевич
Официальные оппоненты:	Эскин Илья Юрьевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС, каф. Моделирование, конструирование и дизайн, профессор
	Киреев Сергей Олегович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО ДГТУ, каф. Машины и оборудование нефтегазового комплекса, зав. кафедрой
Ведущая организация Ц	ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный технический Университет (Новочеркасский политехнический институт) каф. Основы конструирования машин

Защита состоится л21 декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.313.01 при ФГБОУ ВПО Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу: 346500, г.Шахты, Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Текст автореферата размещен на сайте ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС:

www.sssu.ru

Автореферат разослан: л___ ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                        Куренова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Бытовое обслуживание является одной из социально значимых сфер экономики, обеспечивает удовлетворение потребностей населения в разнообразных видах сервисных услуг и играет значительную роль в создании комфортных условий для жизни, работы и отдыха жителей.

Для создания комфортных условий для жизни и работы используются машины бытового назначения (швейные, стиральные и др.).

Большинство машин бытового назначения имеют механические передачи, которые занимают промежуточное положение между двигателем и исполнительным органом. Для экономии энергии, повышения качества продукции и увеличения производительности технологического оборудования, наиболее полного приспособления коммунальных машин (снегоуборочные и мусороуборочные машины и др.) к условиям движения передачи должны в достаточно широком диапазоне дозировать механическую энергию. Для машин бытового назначения, используемых в сфере услуг (швейные и стиральные машины, центрифуги), особенно актуальна проблема плавного запуска и регулирования частоты вращения, которая решается в настоящее время путем применения достаточно сложных электромеханических устройств. В то же время в смежных областях можно найти достаточно примеров, подтверждающих, что возможности механических передач далеко не исчерпаны и использование бесступенчатых передач является наиболее перспективным в решении проблемы плавного запуска и регулирования частоты вращения исполнительного органа.

Совершенствование конструкций бесступенчатых передач - вариаторов - продолжается уже около ста лет, и за это время было создано три класса механических вариаторов - фрикционные, импульсные и зубчатые. Особую актуальность задача создания совершенного вариатора приобрела в связи с повышением требований к экологичности и экономичности транспортных и технологических систем, работающих в условиях городов и других населенных пунктов.

Современные фрикционные и импульсные вариаторы имеют ряд недостатков. Главный недостаток импульсных вариаторов - большая виброактивность механизма и ненадежная работа муфты свободного хода, являющейся механическим выпрямителем высокочастотных колебаний. Главный недостаток фрикционных вариаторов - невозможность передачи с помощью тангенциальных сил трения, имеющих нестабильную природу, достаточно плотного потока энергии. Кроме того, фрикционные вариаторы требуют применения трансформатора момента, так как не могут обеспечить передаточного отношения, равного бесконечности, когда выходной вал неподвижен при подвижном входном (режим запуска).

В 70-е годы было сделано несколько попыток разработки дифференциальных зубчатых вариаторов, содержащих дифференциал и нагружающее или регулирующее устройство, в качестве которого использовался червячный редуктор с управляющим приводом. Исследования показали, что дифференциальный вариатор принципиально отличается от всех известных, поскольку не требует трансформатора момента или даже сцепления. Тем не менее КПД такого вариатора очень низок, поскольку половина энергии выделяется на тормозном устройстве в виде тепла, а использование червячного редуктора в качестве сервопривода еще и усложняет конструкцию, сводя на нет преимущества зубчатого вариатора.

Современное технологическое оборудование, применяемое в сфере коммунального хозяйства, требует все более точного дозирования мощности и момента в приводных устройствах, поэтому, несмотря на вышеуказанные трудности, применение вариаторов практически всех известных систем постоянно расширяется. Требует своего решения и без сомнения привлекательная задача создания дифференциального вариатора, не получившая развития по причине отсутствия достаточно эффективного генератора момента. Решение этой задачи открывает заманчивые перспективы в области точного управления механизмами коммунального хозяйства и всей машиностроительной отрасли в целом, поскольку в большинстве технологических процессов на самом деле необходимо регулировать именно момент, а не частоту вращения.

Соответствие диссертации плану работы ЮРГУЭС и целевым комплексным программам. Исследования выполнены в соответствии с госбюджетной НИР кафедры Прикладная механика и конструирование машин Разработка, исследование и совершенствование рабочих органов, приводов и систем управления машин, государственным контрактом по программе УМНИК Разработка механизмов и программно-аппаратных средств транспортных и технологических машин, государственным контрактом № 7234р/10119 2009 г.; государственным контрактом на производство научно-технической продукции в рамках ЕЗН по теме Разработка теоретических основ проектирования устройств вариации скорости и мониторинга критических состояний фрикционных систем транспортных средств (ЮРГУЭС 2.10.Ф) 2010 г.; государственным контрактом № 9586р/14222 по программе УМНИК Проведение исследований в области новых материалов, информационных и живых систем с целью разработки современных инновационных технологий 2011 г.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка вариатора для приводов коммунальных машин и оборудования сферы услуг, позволяющего плавно регулировать движущий момент и изменять передаваемую мощность.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

• проанализировать конструкции силовых приводов коммунальных машин и существующих конструкций вариаторов и установить причины, препятствующие использованию дифференциальных вариаторов момента в составе приводов;
• исследовать конструкции и свойства замкнутых стендов для испытания зубчатых колес в плане возможностей их применения в качестве нагрузочных устройств вариаторов;
• разработать и исследовать планетарное нагрузочное устройство на базе замкнутого стенда для испытания зубчатых колес;
• определить регулировочные характеристики планетарного нагружателя и обосновать принципы его функционирования;
• исследовать влияние смазки, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения на регулировочные характеристики вариатора;
• разработать и изготовить экспериментальный образец вариатора момента с дифференциалом неравных моментов для приводов коммунальных машин;
• провести комплексное теоретико-экспериментальное исследование экспериментального образца вариатора момента и оценить его работоспособность и технические характеристики.

Объектом исследования являются приводы коммунальных машин и оборудования сервиса с дифференциальным зубчатым вариатором момента

Предметом исследования являются принципы функционирования и силомоментные характеристики дифференциального зубчатого вариатора момента и планетарного нагружателя в составе привода коммунальных машин и оборудования сервиса.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались основные методы физики, теории механизмов и машин, математической статистики, а также метод электромеханических аналогий и экспериментально-аналитический метод исследований. При обработке результатов экспериментов использовались методы математической статистики, математического моделирования, поискового конструирования.

Научная новизна:

• предложена новая концепция вариатора момента для приводов коммунальных машин, позволяющего изменять движущий момент при постоянном кинематическом передаточном отношении;
• разработаны теоретические принципы функционирования планетарного нагружателя, или генератора момента в составе вариатора, основанные на инверсии регулировочных характеристик в характеристики сопротивления; установлено соотношение между активными и реактивными составляющими его полного механического сопротивления;
• в результате экспериментальных исследований определены и формализованы зависимости характеристики сопротивления генератора момента и диапазона регулирования вариатора в целом от смазок, материалов зубчатых колес и скоростей их вращения.

Практическая значимость работы:

• разработаны и запатентованы технические и схемные решения зубчатых вариаторов момента с симметричным дифференциалом и дифференциалом неравных моментов;
• разработаны и внедрены в производство и в учебный процесс методика расчета и конструирования зубчатого вариатора момента и рекомендации по его практическому применению

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, представленных в диссертации, подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также испытанием экспериментального образца зубчатого вариатора момента.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно- технических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты, 2008-2012 гг.), на научно-технических  конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 2009-2011 гг.), на международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство (РГУПС г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), на VI международной научно-технической конференции Научное пространство Европы - 2010 (Польша, 2010 г.), на VI международной научно-технической конференции Проблемы исследования и проектирования машин (г. Пенза, 2010 г.),  на V Всероссийской конференции НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ (г. Москва, 2011 г.), на III Межрегиональной научно-практической  конференции Научный потенциал молодежи - будущему России (г. Волгодонск, 2012 г.).

Разработка экспонировалась на выставках разного уровня, в том числе на I Молодёжном инновационном конвенте Южного федерального округа (г. Ростов-на-Дону, 2009 г.), VIII специализированной выставке инноваций ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.), Молодёжном инновационном конвенте Ростовской области (г. Ростов-на-Дону, 2011, 2012 гг.); на Всероссийском конкурсе научно-технических проектов ЭВРИКА 2011 (г. Новочеркасске, 2011 г.) и на III Всероссийском конкурсе научно-технических проектов УМНИК на СТАРТ (г. Рязань, 2012г.)

Полностью работа обсуждалась и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры Прикладная механика и конструирование машин ЮРГУЭС с участием ведущих преподавателей кафедр Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения и  Математика, а также представителей других вузов и организаций.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы приняты к использованию в проектно-конструкторской деятельности ООО НПО Зубчатые трансмиссии г. Рязань при разработке новых бесступенчатых приводов для металлорежущих станков, технологических машин и оборудования сферы сервиса.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе при изучении дисциплины Конструкторский расчет и потребительские свойства изделия, в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 в изданиях,  рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение.

Структура и объем диссертации.  Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений и содержит 185 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 45 таблиц, и список источников из 124 наименований.

Диссертация выполнена на кафедре Прикладная механика и конструирование машин Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована  актуальность  темы  диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, раскрыта научная и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ наиболее распространенных видов приводов, который позволил выделить следующие группы: по характеру связи и способу преобразования крутящего момента приводы делятся на ступенчатые и бесступенчатые, фрикционные и зубчатые; сюда же можно отнести шариковые.

Установлено, что наиболее перспективным является использование бесступенчатых приводов, называемых вариаторами. Существующие схемы вариаторов основаны на изменении кинематического передаточного отношения и представлены в основном фрикционными передачами. В связи с их недостатками перспективными представляются дифференциальные вариаторы момента, которые не содержат фрикционных передач.

В диссертации по вопросам теории и инженерных методов расчета ступенчатых и бесступенчатых передач и приводов цитируются работы отечественных ученых в области теории передач в машинах: И.И. Артоболевского,  А.С. Антонова,  А.А Благонравова,  С.П. Баженова, Р.В. Вирабова, Г.А. Готтесмана, Н.В. Дивакова, В.Ф. Мальцева, A.Л. Нарбута, Б.А. Пронина, В.Н. Прокофьева, В.В. Селифонова, В.А. Умняшкина, Б.С. Фаробина, К.А. Фрумкина, С.А. Харитонова и др., а также приведен анализ изобретений,  патентов отечественных и зарубежных фирм, заключения и опыт проектных организаций: ВНИИМЕТМАШ, ВНИИРедуктор. Весомый вклад в теорию зубчатых зацеплений и планетарных передач внесли также В.А. Гавриленко, Ю.Н. Кирдяшев,  С.А. Кореняко, В.Р. Ковалюх, С.Н. Кожевников, А.Ф. Крайнев, С.О. Киреев, В.Н. Кудрявцев Л.Н. Решетов, И.Ю. Эскин и др. Рассмотрены конструкции вариаторов отечественных производителей, а также зарубежных фирм: США, Японии, Германии, Италии и Франции.

Опыт создания и эксплуатации различного рода автоматических трансмиссий свидетельствует о неизбежности их развития в сторону полной автоматизации на основе бесступенчатых передач - вариаторов, позволяющих наиболее полно использовать энергетический потенциал и улучшать экологическую ситуацию за счет удобства управления. Наука и практика накопили достаточно серьезный опыт в этом направлении и у нас в стране, и за рубежом. В большей степени это касается фрикционных вариаторов.

Тем не менее, тенденция использования дифференциальных вариаторов, содержащих дифференциал и управляющее нагрузочное устройство (нагружатель, или генератор момента),  выглядит достаточно перспективной в случае создания нагрузочного устройства нефрикционного типа, то есть не имеющего недостатков фрикционных и инерционных передач.

Во второй главе на основе анализа конструкций различных нагрузочных устройств, создающих момент сопротивления, в том числе замкнутых стендов для испытания зубчатых колес, предложено использовать планетарный нагружатель для зубчатого вариатора момента с неподвижным регулировочным звеном Кузнецова С.А. Свойства и характеристики нагружателя были выявлены в результате структурного, кинематического и силового анализа.

Кинематическая схема планетарного механизма нагружателя представлена на рис. 1. Числа зубьев колес 2 и , 1 и 3 попарно равны между собой, причем к колесу 1 жестко прикреплен рычаг 5, воздействуя на который можно управлять моментом на водиле механизма.

Принцип работы заключается в следующем. Вращение подается на входное звено (водило) 4, которое вместе с сателлитным блоком, образованным колесами 2 и , свободно вращается вокруг центральных колес 3 и 1, которые остаются неподвижными, поскольку колесо 3 закреплено неподвижно.

 

Рис. 1. Кинематическая схема нагружателя и схема сил действующих в зубчатом зацеплении

1 - подвижное центральное колесо; 2 и - сателлиты; 3 - неподвижное центральное колесо; 4 - водило (Н); 5 - рычаг управления

При приложении управляющего момента на рычаг 5 свободное движение водила Н с блоком сателлитов затормаживается, и на валу водила Н возникает момент сопротивления, причем этот момент пропорционален управляющему усилию. Кинематическое передаточное отношение, определенное по известной формуле, равно нулю (от первого колеса к водилу), либо бесконечности (от водила к первому колесу), поэтому передача движения в любом случае невозможна. Невозможно в свете современных представлений говорить в таком случае и о силовом передаточном отношении, поскольку оно определяется через кинематическое.

Тем не менее, поскольку воздействие на рычаг управления 5 изменяет момент сопротивления на валу водила, можно использовать данное устройство в качестве генератора момента вместо тормоза или нагрузочного устройства и регулировать нагрузкой на рычаге создаваемый на водиле момент. Установлено, что, в отличие от фрикционного тормоза, на планетарном нагружателе при сравнимой нагрузке тепловая энергия выделяется в малом количестве, сравнимом с выделением тепла в простой зубчатой передаче. Возникает проблема теоретического обоснования внутренних сопротивлений генератора момента.

В структурном плане с учетом двух входных звеньев (водило и центральное колесо) механизм нагружателя имеет избыточную связь и относится к индифферентным механизмам, для которых характерна невозможность передачи движения, то есть структурное самоторможение.

Невозможность передачи движения является надежным признаком самоторможения. Обратное передаточное отношение, от водила к центральному колесу, равно бесконечности, что также не объясняет, почему приложение момента к рычагу 5 вызывает изменение в силомоментной характеристике водила 1. Таким образом, для данного типа механизмов (с самоторможением) отношение момента на водиле к моменту управляющему отличается от кинематического довольно значительно - гораздо больше, чем для простых зубчатых передач. Объяснить это можно наличием как активного, так и реактивного сопротивления при работе генератора момента. В соответствии с известным методом электромеханических аналогий, полное механическое сопротивление по аналогии с полным электрическим сопротивлением включает в себя как активную составляющую, так и реактивную, причем реактивное сопротивление определяется емкостным и индуктивным сопротивлением цепи (применительно к механической системе это жесткость звеньев и их масса). В механизмах без самоторможения реактивная составляющая обычно очень мала, поэтому в большинстве случаев не учитывается. В случае самотормозящего механизма механическое сопротивление возрастает пропорционально замыкающей силе (или моменту) на звене управления.

Активная часть механического сопротивления

Момент на водиле:

Сила , приложенная к водилу со стороны сателлита, уравновешивается силой , приложенной в полюсе зацепления первого колеса и сателлита, которая создает уравновешивающий момент,  также равный :

.

Сила является составляющей силы трения , перпендикулярной оси водила (рис.1):

.

Соответственно, сила сопротивления с учетом силы трения:

.

Окружная сила выражается через момент управляющий , приложенный к звену 1:

.

С учетом этого сила сопротивления:

.

Момент на водиле , выраженный через управляющий момент :

.

Поскольку речь идет о генераторе момента, отношение моментов назовем  регулировочной характеристикой:

Очевидно, что активная составляющая механического сопротивления, связывающая моменты на звене управления 1 и водиле Н, зависит только от угла зацепления и коэффициента трения между зубьями и не зависит от числа зубьев и кинематического передаточного отношения. Активная часть регулировочной характеристики меньше единицы, причем намного: при и коэффициенте трения она равно всего лишь 0,036, что примерно соответствует значению активной составляющей на экспериментальном графике (рис. 5а).

Реактивная составляющая механического сопротивления

Для существования реактивного сопротивления необходимы три условия: наличие колебаний момента на ведомом колесе; наличие упругих свойств материалов зубчатых колес и наличие у них инертности, то есть масс или моментов инерции. Если наличие последних двух условий не вызывают сомнения в отношении любой зубчатой передачи, то наличие крутильных колебаний в процессе взаимодействия каждой пары зубьев при постоянном  кинематическом передаточном отношении требует пояснений. Тем не менее ряд исследователей (С.Н. Кожевников, В.А. Гавриленко со ссылкой на Л.Н. Решетова) по-разному, но с аналогичным результатом обосновывают флуктуации точки пересечения линии действия силы в зацеплении с линией центров, обусловленные действием силы трения в зацеплении. В процессе зацепления эта точка изменяет свое положение, то приближаясь к полюсу Р, то удаляясь от него. Но все время она находится с одной стороны от полюса Р, а именно со стороны ведомого колеса (рис. 2). Гавриленко приводит формулы для определения положения точки D в текущий момент времени, а также максимальные значения ее удаления и среднее, причем приводит в конечном итоге приближенное значение расстояние h от полюса до точки D:

,

где  m - модуль зацепления;

f - коэффициент трения между зубьями.

В.А. Гавриленко приводит также диаграмму изменения момента и силы взаимодействия зубьев, из которой видно, что возникающие в процессе взаимодействия зубьев колебания имеют характер, далекий от гармонических (рис. 2). В любом случае, данные колебания вполне могут вызывать инерционные потери, обусловленные реактивными сопротивлениями.

 

Рис. 2. Определение расстояния h  и циклические флуктуации момента и силы (по В.А. Гавриленко)

Полученная экспериментально зависимость (рис. 6) регулировочной характеристики от момента управляющего (характеристика сопротивления) имеет нелинейный вид обратно пропорциональной зависимости, которую можно представить в виде гиперболической функции:

, (2)

где  а - постоянная величина, характеризующая кривизну гиперболы;

- активная часть функции (мало изменяемая), связанная с влиянием момента холостого хода , то есть обусловленная активной частью сопротивления.

Задача формализации зависимости характеристики сопротивления сводится в данном контексте к отысканию значений постоянной а, приближенно соответствующей кривизне каждой из кривых семейства на рисунке 6.

Для этого выразим а из (2):

.

После подсчета значений а по данным каждой из кривых определяется среднее арифметическое аср и его значение присваивается постоянной в уравнении (2) каждой кривой (рис. 6а). Так, при вращения водила с частотой  мин значение постоянной а = 0,018; при вращения водила с частотой  мин,  значение постоянной а = 0,03; при вращения водила с частотой  мин значение постоянной а = 0,044. Эти значения соответствуют  экспериментальным значениям начальной ординаты на графике регулировочной характеристики, то есть постоянной линейного графика (рис.4). При этом тангенс угла наклона регулировочной характеристики равен активной части механического сопротивления .

В третьей главе проводятся экспериментальные исследования планетарного нагружателя; разработан экспериментальный стенд и измерительная аппаратура, а также методика проведения эксперимента.

С целью определения регулировочной характеристики планетарного нагружателя, которая представляет собой соотношение движущего момента на двигателе и момента управляющего , приложенного к рычагу нагружателя, был изготовлен стенд (рис. 3), содержащий двигатель постоянного тока 7, который, посредством муфты 6 соединен с испытуемым нагружателем, блок питания 10, а также контрольно-измерительные приборы для регистрации силы тока 9 и напряжения 8.

При включении питания ротор электродвигателя 7 через муфту 6 вращает вал водила 4 нагружателя. Приложение силы тяжести от груза к рычагу нагружателя 5 вызывает изменение момента на валу электродвигателя, который регистрируется амперметром 9.

Точность измерений обеспечена использованием стандартного измерительного прибора - мультиметра АРРА 305 с погрешностью измерения силы тока 0,2%, напряжения 0,06% на любом участке измерения при температуре 20С.

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для определения регулировочной характеристики нагружателя

1 - подвижное центральное колесо; 2, 2′ - сателлиты; 3 - неподвижное центральное колесо; 4 - водило; 5 - рычаг управления 6 - муфта; 7 - электродвигатель; 8 - вольтметр;

9 - амперметр; 10 - источник питания

В стенде используется электродвигатель постоянного тока CM31D17NZ8C с возбуждением от постоянных магнитов фирмы LEESON.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что зависимость момента на водиле Мд  от момента на управляющем колесе 1 нагружателя, то есть регулировочная характеристика, имеет близкий к линейному вид, причем изменение направления вращения (или знака момента управляющего) не изменяет эту характеристику (рис. 4). Очевидно, что она зависит от частоты вращения n водила, но угол наклона остается постоянным.

  а  б

Рис.4. Регулировочная характеристика

а) металлические шестерни; б) пластмассовые шестерни

I) - при мин, II) - при мин, III) - при мин

Характеристика сопротивления, создаваемого генератором момента, представляет вид, обратный регулировочной (рис 5,а). Активную составляющую характеристики сопротивления   определяем с учетом предварительно измеренного момента холостого хода Мхх,

,

При этом она остается примерно постоянной и равной (рис. 5а).

Приведенный для сравнения график изменения коэффициента полезного действия для механизма с самоторможением (например, винтового рис. 5,б) демонстрирует сущность инвертного подхода, состоящая в  обращеннности характеристики сопротивления по отношению к графику КПД: на этом графике также есть постоянная часть, соответствующая теоретическому КПД, и гиперболически возрастающая переменная часть, полученная также с учетом момента холостого хода.

а	б

Рис. 5. Графики зависимости: а) регулировочная характеристика;

б) КПД винтового механизма

Для проверки влияния коэффициента трения на характеристику сопротивления были проведены экспериментальные исследования с различными смазочными материалами. Эксперимент показал, что основная, то есть реактивная часть характеристики сопротивления мало зависит от применяемой смазки, поскольку в рабочем диапазоне их коэффициент трения отличается незначительно.

а)  б)

Рис. 6. Характеристики сопротивления генератора момента:

а) металлические шестерни; б) пластмассовые шестерни

I) - при мин, II) - при мин, III) - при мин

Гораздо более существенное влияние на регулировочную характеристику оказывают скорости вращения водила и материалы зубчатых колес, что в целом подтверждает гипотезу о реактивном характере сопротивления (рис. 6).

В четвертой главе  предложены схемные решения вариаторов с симметричным дифференциалом и с дифференциалом неравных моментов, разработан экспериментальный стенд и обработаны результаты экспериментальных исследований вариатора.

На рисунке 7 представлена кинематическая схема вариатора момента с симметричным дифференциалом. Устройство состоит из дифференциального механизма, входным звеном которого является водило 1 с сателлитами и двумя центральными колесами 4 и 5, установленными на выходных валах 2 и 3 соответственно, один из которых соединен с водилом 6 планетарного механизма, который выполнен двухрядным, а на водиле 6 установлен с возможностью вращения блок сателлитов 7, образованный двумя соосными сателлитами с равным числом зубьев, взаимодействующими с двумя центральными соосными зубчатыми колесами 8, одно из которых закреплено неподвижно, а ко второму подвижному колесу жестко прикреплен рычаг управления 9 вариатором.

Рис. 7. Кинематическая схема вариатора момента

с симметричным дифференциалом

При приложении управляющего момента на рычаг 9 свободное движение водила 6 с блоком сателлитов 7 затормаживается, и возникающий момент торможения на валу водила 6 способствует возникновению крутящего момента на выходном валу 2 вариатора, причем этот момент пропорционален управляющему усилию. Угловая скорость выходного вала 2 также начинает увеличиваться по мере преодоления момента полезного сопротивления пропорционально управляющему воздействию. Диапазон регулирования угловой скорости выходного вала 2, таким образом, находится в пределах от нуля до значения, обусловленного передаточным отношением от водила 1 к центральному колесу 4.

Кинематическая схема вариатора с дифференциалом неравных моментов представлена на рисунке 8. Устройство и принцип работы данного устройства аналогично вариатору момента, представленному на рис. 8.

Рис. 8.  Кинематическая схема вариатора момента с дифференциалом неравных моментов

В отличие от вариатора с симметричным дифференциалом (рис. 7) в данном устройстве за счет уменьшения крутящего момента на колесе 5, равного , существенно снижается усилие на рычаге управления 9.

С целью экспериментального исследования рабочих характеристик (диапазона регулирования оборотов и момента, коэффициента полезного действия) был разработан и реализован стенд, принципиальная схема которого представлена на рисунке 9. Стенд (рис. 9) содержит источник питания 1, двигатель постоянного тока 4, который посредством муфты 5 соединен с водилом 6 дифференцила, солнечное колесо 9 которого также посредством муфты 8 соединено с водилом 10 планетарного нагружателя, а эпициклическое колесо 7 через зубчатую передачу, образованную зубчатым венцом 11 и шестерней 12, с генератором 13, а также контрольно-измерительные приборы для регистрации силы тока 2, 15 и напряжения 3, 14, реостат 16 для создания нагрузки на генераторе.

Рис. 9. Принципиальная схема стенда для экспериментального исследования рабочих характеристик вариатора момента

На рисунке 10 показано расположение элементов вариатора момента и испытательного стенда.

В стенде используется электродвигатель постоянного тока CM31D17NZ8C с возбуждением от постоянных магнитов фирмы LEESON.

В качестве нагрузочного устройства, создающего момент сопротивления, применяется электродвигатель постоянного тока CM31D17NZ8C с возбуждением от постоянных магнитов фирмы LEESON в качестве генератора.

Момент и обороты на эпициклическом колесе 7 (рис. 9) определяются:

- момент ;

- обороты .

Такой стенд позволяет измерять моменты движущих сил, сил сопротивления при заданном управляющем усилии на рычаге и при этом контролировать частоты вращения входного и выходного валов, то есть практически все параметры, необходимые для оценки возможностей вариатора.

Рис.10. Стенд для экспериментального исследования рабочих характеристик вариатора момента

1 - мультиметр АРРА 305; 2 - комплект гирь Г-4-1111, 10; 3 - лазерный тахометр DT-2234С; 4 - электродвигатель; 5 - дифференциал; 6 - рычаг управления;

7 - планетарный нагружатель; 8 - генератор; 9 - реостат РСПС-1

По результатам экспериментальных исследований построены графики частоты вращения, момента, мощности и КПД при постоянном моменте нагрузки (Рис. 11-12).

Рис. 11. Регулировочные характеристики вариатора при постоянном моменте нагрузки и постоянной частоте вращения входного звена

Рис. 12. Мощность и КПД вариатора при постоянном моменте нагрузки и постоянной частоте вращения входного звена

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Приводы коммунальных машин (снегоуборочных и мусороуборочных), а также оборудования сферы услуг (швейные и стиральные) требуют плавного регулирования движущего момента для запуска и точного соблюдения скоростного режима. Существующие вариаторы регулируют поток мощности, изменяя кинематическое передаточное отношение, а не момент движущий. Разработан дифференциальный зубчатый вариатор момента, позволяющий изменять силовое передаточное отношение при постоянном кинематическом передаточном отношении, содержащий в своем составе дифференциал и планетарный нагружатель.

2. В результате анализа конструкций стендов для испытания зубчатых колес установлено, что в качестве нагружателя для дифференциального вариатора можно использовать стенд для испытания зубчатых колес с замкнутым силовым контуром, обладающий свойством генератора момента. Основанием к этому является невозможность передачи движения и наличие линейной регулировочной характеристики, угол наклона которой постоянен и зависит от коэффициента трения и угла зацепления. Конструктивно изменяя угол зацепления от 15 до 25 градусов, можно изменять постоянную часть  регулировочной характеристики от 0,026 до 0,046 при коэффициенте трения, равном 0,1.

4. Характеристика сопротивления генератора момента, обратная по отношению к регулировочной, состоит из активной и реактивной части, причем реактивная часть гораздо более существенна и возбуждается колебаниями передаваемого момента, вызываемыми силами трения зубьев. Увеличение коэффициента трения между зубьями влечет за собой увеличение амплитуды этих колебаний, поэтому растет как активная, так и реактивная составляющие силового передаточного отношения. Применение неметаллических зубчатых колес с пониженными упругими свойствами по сравнению с металлическими также увеличивает характеристику сопротивления на 20-30%.

5. Испытания экспериментального образца зубчатого вариатора момента с дифференциалом неравных моментов подтвердили функциональную работоспособность устройства и его перспективность в использовании в составе приводов коммунальных и технологических машин. Регулировочная функция относительно невелика  (меньше единицы), но ее можно увеличить на порядок путем присоединения редуктора к неподвижному регулировочному звену.

6. Вариатор момента в составе привода коммунальных и бытовых машин отличается от фрикционных вариаторов тем, что не требует дополнительного трансформатора момента или муфты сцепления: его передаточное отношение меняется от бесконечности, то есть при вращающемся входном вале выходной может быть неподвижен, до максимума, обеспечиваемого двигателем.

7. Диапазон регулирования частоты вращения выходного звена экспериментального образца дифференциального зубчатого вариатора момента при постоянном моменте нагрузки составил Д = 4,27.

8. Коэффициент полезного действия экспериментального образца зубчатого вариатора момента достаточно высок (для открытой передачи) и имеет выраженный максимум (=0,67), соответствующий номинальной мощности.

9. На основе результатов, полученных в ходе выполнения данной работы, предложены два схемных решения зубчатого вариатора момента (патенты на изобретения РФ № 2391584 Вариатор момента нефрикционного типа, №2445531 Вариатор момента) для использования в составе приводов коммунальных машин.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Статьи в  ведущих рецензируемых научных журналах

1. Кузнецов С. А., Владимиров А.В., Лысянский В.А., Харламов П.В. Определение силового передаточного отношения планетарного нагружателя с замкнутым контуром // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологий. Научно-технический журнал. Естественные науки. - 2010. - №3. - С. 26-29.
2. ысянский В.А Определение работоспособности схемы планетарного нагружателя на основе замкнутого силового контура // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион Технические науки - 2010. - № 4. С. - 62-64.
3. ысянский В.А., Владимиров А.В., Харламов П.В.  Дифференциальный зубчатый вариатор нефрикционного типа // ВЕСТНИК Ростовского государственного университета путей сообщения. Научно-технический журнал.-2010. - №2. - С. 5-8.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

4. ысянский В.А., Кузнецов С. А., Владимиров А.В. Разработка вариатора момента нефрикционного типа // Студенческая научная весна - 2009: сб. науч. трудов / под ред Е.А. Яценко . - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 128-131.
5. ысянский В.А., Кузнецов С. А., Владимиров А.В. Разработка теоретических основ проектирования дифференциального вариатора с нагружателем нефрикционного типа // Актуальные проблемы техники и технологии: сб. науч. трудов / под ред. Н.Н. Прокопенко. - Шахты: ГОУ ВПО ЮРГУЭС, 2009. - С. 9-12.
6. Владимиров А.В., Лысянский В.А. Исследование кинематической аномальности механизма зубчатого нагружателя с замкнутым контуром // Проблемы исследования и проектирования машин: сборник статей VI Международной науч.-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010. - С. 56-60.
7. ысянский В.А., Кузнецов С. А. Экспериментальное определение силового передаточного отношения планетарного нагружателя // Научный потенциал молодёжи - будущему России: межрегион. науч.- практ. конференция, 20 апреля 2012 г. / редкол.: П.Д. Кравченко [и др.] ВИС ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС - Шахты: ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС, 2012. - С 64-66.
8. ысянский В.А., Кузнецов С. А., Наумов И.И. Разработка экспериментального стенда для исследования вариатора момента // Наука и инновации в области сервиса автотранспортных средств и обеспечения безопасности дорожного движения : материалы Междунар. науч.-практ. конф. / под ред. Б.Ю. Калмыкова [и др.] ; Южно-Рос. гос. ун-т экономики и сервиса. - Шахты: ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС, 2012. - С. 110-112.

Патенты на изобретения

9. Пат. 2391584. Российская Федерация, МПК 8 F16Н 3/74, 48/06 Вариатор момента нефрикционного типа / Кузнецов С. А., Лысянский В.А., Владимиров А.В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Таурус. - №2008130281/11; заявл. 23.07.2008; опубл. 27.01.2010, Бюл. № 16. - 4 с.: ил.

10. Пат. 2445531. Российская Федерация, МПК С1 F16Н 3/74 Вариатор момента / Кузнецов С. А., Владимиров А.В., Лысянский В.А., Старченко И.Е.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессиольного образования Южно-Россиский государственный университет экономики и сервиса (ГОУ ВПО ЮРГУЭС). - №2010149799/11; заявл. 03.12.2010; опубл. 20.03.2012, Бюл. № 8. - 3 с.: ил.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям