Преобразователь передаточного отношения

Во многих механизмах, при передаче движения от двигателя к исполнительному механизму необходимо плавно изменять передаточное отношение трансмиссии. Например, в автомобиле, при изменении скорости движения, всегда есть рассогласование между скоростью вращения колеса и оптимальным режимом работы двигателя. Несмотря на усложняющиеся коробки скоростей, мотор часто работает не в оптимальном режиме. Особо следует отметить страгивание автомобиля с места. В этом случае происходит варварский процесс истирания дисков сцепления, а энергия двигателя тратится на нагревание атмосферы. Далеки от оптимального решения такие же проблемы на электротранспорте. При разгоне поезда метро, например, или троллейбуса, нет возможности применить энергосберегающие технологии. Оказываются пока недоступными для использования на электротранспорте и наиболее экономичные синхронные электродвигатели, которые имеют лишь один возможный режим работы по оборотам. Необходимо преобразование передаточного отношения и в инструменте, таком, например, как гайковёрт. При заворачивании гайки, сначала потребное усилие малое – скорость вращения при малой мощности двигателя может быть достаточно большая. Когда при доворачивании гайки необходимо увеличение крутящего момента, следует увеличить передаточное отношение. Тогда с уменьшением скорости вращения, усилие бы увеличилось. Гайковёрт или шуруповёрт был бы лёгким и экономичным. И подъёмные механизмы и лебёдки работали бы иначе, если бы происходило изменение передаточного отношения: маленький груз передаточное отношение меньше – скорость больше. Большое потребное усилие – передаточное отношение больше, при малой скорости большой груз можно было бы поднять маломощным мотором. Особенно проблема преобразования передаточного отношения стоит в электроприводах насосов и вентиляторов. Плавный пуск электродвигателя, регулирование его оборотов и момента вращения – проблема, ожидающая своего решения, в современном мире.

Предлагаю в этих и в других похожих случаях применять вот такой механизм: Основа его планетарный дифференциал с ведущим водилом и с большим передаточным отношением. Он описан в справочнике: И.И. Артоболевский «Механизмы в современной технике» Москва «Наука» главная редакция физико-математической литературы 1979 год, том 4 стр. 513 (его номер в справочнике 2745) под названием: «Зубчатый дифференциальный механизм с цилиндрическими колёсами для воспроизведения больших передаточных отношений». Особенность этого дифференциала состоит в том, что при вращении водила, находящиеся на нём пары сателлитов, жёстко соединённые между собой, катятся по центральным колёсам и «раздвигают» их относительно друг друга на величину пропорциональную разнице их диаметров. Чем меньше разница диаметров, тем меньше раздвигаются центральные колёса относительно друг друга, тем больше передаточное отношение. Оба центральных колеса нужно соединить с выходным валом, но только так, чтобы они оба вращали выходной вал в одну сторону, как это сделано в трансмиссии автомобиля - оба колеса от дифференциала вращаются в одном направлении. Значит нужно один из выходов дифференциала соединить с выходным валом через редуктор, изменяющий направление вращения. Второй выход дифференциала нужно соединить с выходным валом через фрикционную муфту, потому что диаметры колёс различны. Когда сателлиты катятся по центральным колёсам, центральное колесо, соединённое с диском фрикционной муфты, всегда должно обгонять при вращении второй диск, соединённый с выходным валом, к которому через редуктор, изменяющий направление вращения, подключен выход второго плеча дифференциала. Это происходит естественным образом (при правильном подключении), потому что плечи дифференциала разные и передают разные величины крутящего момента и оборотов.

На рисунке показана схема механизма.

1. Вал привода. 2. Водило, являющееся также корпусом устройства.  3 и 4. Сателлиты соединённые осью. 5.Центральное зубчатое колесо, через редуктор, изменяющий направление вращения 7,8,9,10,11, передающее мощность на выходной вал 6. 12. Центральное колесо, соединённое с диском фрикционной муфты 13.  14. Ведомый диск фрикционной муфты, соединённый с выходным валом.

Водило с сателлитами, соединённое валом с двигателем, одновременно является корпусом механизма. Внутри на подшипниках установлен выходной вал, на котором свободно вращаются два центральных колеса, и расположена фрикционная муфта. Один диск её жёстко соединён с выходным валом, а второй с одним из центральных колёс. На водиле-корпусе также расположены и оси редуктора, изменяющего направление вращения, который передаёт вращение на шестерню также жёстко соединённую с выходным валом. Весь механизм является промежуточным участком трансмиссии и выглядит как утолщение вала. Диски фрикционной муфты, которые фактически находятся между центральными колёсами и вращаются в одну сторону, силой трения между ними, препятствуют вращению колёс относительно друг друга и заставляют раскручиваться весь этот механизм целиком. В начале движения передаточное отношение максимальное и есть незначительное проскальзывание во фрикционной муфте. Оно на два порядка меньше, чем проскальзывание в муфте сцепления автомобиля.

rnrnrnrnrnrnrnrnrn

В модели такого редуктора со следующими параметрами: Одна пара: центральное колесо 52 зуба, сателлит 53 зуба с модулем 1 (межосевое расстояние 52.5 мм), вторая пара: центральное колесо30 и сателлит 30 зубьев с модулем 3 (межосевое расстояние тоже 52.5мм), при работе в таком механизме дают передаточное отношение около ста (так как оба плеча вращают выходной вал в одном направлении). При этом в начале движения проскальзывание будет всего один оборот на сто оборотов водила, то есть вала передающего вращение от двигателя.

Для этого конкретного механизма проскальзывание составляет всего один процент. Но передаточное отношение подобного механизма может быть и в несколько раз большим. Значит, потери на трение даже в начале движения можно не учитывать. В процессе разгона всё большая доля движения будет передаваться через вращение всего механизма, и проскальзывание в фрикционной муфте будет уменьшаться. При этом сателлиты будут всё в меньшей степени обкатываться по центральным колёсам. В конце разгона весь механизм будет вращаться как целое, а обороты вала двигателя станут равны оборотам выходного вала. Передаточное отношение равно при этом единице, а проскальзывания во фрикционной муфте не будет вовсе.

При помощи механизма с такими параметрами можно изменять передаточное отношение в сотни раз, плавно, автоматически, в зависимости от того какой установлен привод, какова мощность двигателя. Согласование передаточного отношения с мощностью двигателя производится изменением силы трения во фрикционной муфте. Для большей мощности двигателя сила трения больше. Для достижения оптимального режима его работы, для каждой конкретной мощности двигателя своя сила сжатия дисков. Регулируя мощность двигателя необходимо регулировать и силу трения.

Передаточное отношение механизма изменяется в зависимости от момента сопротивления. Чем больше потребная нагрузка, тем больше проскальзывание во фрикционной муфте, тем больше передаточное отношение. При увеличении потребной нагрузки, когда выходной вал тормозится, сателлиты быстрее катятся по центральным колёсам, преодолевая силу трения во фрикционной муфте – передаточное отношение увеличивается. Но на валу двигателя при этом нагрузка не изменяется, потому что она определяется постоянной величиной силы трения во фрикционной муфте. Обороты и крутящий момент двигателя остаются постоянными. Изменяется только передаточное отношение от двигателя к исполнительному механизму, изменяются обороты и крутящий момент на выходе. Переменными являются величины передаточного отношения и, соответственно, обороты выходного вала и крутящий момент, которые автоматически изменяются, в зависимости от соотношения потребной и располагаемой мощности. Это позволит при разгоне плавно и в очень широком диапазоне изменения скоростей, от самого начала движения, почти без потерь, эффективно использовать единственный, наиболее выгодный режим работы двигателя.

Применение преобразователя в схеме редуктора винта вертолёта или автожира даёт возможность раскручивать винт быстрее, упрощает и удешевляет конструкцию редуктора. В инструменте появляется возможность, в зависимости от потребного усилия, автоматически изменять передаточное отношение его трансмиссии. В процессе разгона автомобиля обороты выходного вала нарастают с изменением передаточного отношения. При страгивании транспортного средства, передаточное отношение трансмиссии имеет максимальную величину. Разгон происходит почти без потерь, на оптимальном режиме по мощности. Если это электропривод локомотива или троллейбуса, то можно непосредственно, не применяя сложных электронных устройств, использовать выгодный синхронный электромотор. Особенно необходимо остановиться на использовании преобразователя передаточного отношения в электроприводах насосов и вентиляторов, на которые расходуется более трети всей вырабатываемой электроэнергии. Например, считается, что использование насосов, оснащенных преобразователями частоты, позволяет сэкономить до 60% электроэнергии, до 30% воды, значительно уменьшить опасность разрывов трубопроводов, т.к. при плавном пуске двигателя насоса исключаются гидроудары в системах, а регулирование скорости исключает избыточное давление. Но использование преобразователя передаточного отношения позволяет получить этот же результат, не используя сложных, дорогих и ненадёжных устройств – электронных преобразователей частоты.

Преобразователь передаточного отношения может быть применён и во многих других механизмах. Его более подробное описание можно найти в патентной публикации в бюллетене №23 от 20. августа 2007 года, 
патент № 2304735 RU, а также в заявке РСТ/RU №2007000267.

Автор: Кандидат технических наук Хадеев Равиль Гафиевич

Разместил статью: khadeev
Дата публикации:  28-03-2004, 16:36

html-cсылка на публикацию		⇩ Разместил статью ⇩ Хадеев Равиль Гафиевич  Его публикации  Нужна регистрация Отправить сообщение
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!