«НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИНЕРЦИОННЫХБЕССТУПЕНЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ПОВЫШЕННОЙ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

АЛЮКОВ Сергей Викторович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИНЕРЦИОННЫХБЕССТУПЕНЧАТЫХ

ПЕРЕДАЧ ПОВЫШЕННОЙ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

д-р техн. наук, профессор, Дубровский Анатолий Федорович Челябинск-

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………………....…...... ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………..………........ 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ …………........ 1.1 Общие сведения об инерционных бесступенчатых передачах. Выявление областей их перспективного применения

1.2 Анализ существующих конструкций инерционных бесступенчатых передач ………………………………………………………………………............ 1.3 Опыт ошибочных конструкций инерционных бесступенчатых передач без механизмов свободного хода ………………………………………………..... 1.4 Постановка задачи. Пути повышения нагрузочной способности инерционных бесступенчатых передач ………………………………………........

2 ОБОБЩЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

ИНЕРЦИОННЫХ БЕССТУПЕНЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ……………

2.1 Обобщенные физические модели инерционных бесступенчатых передач ………………………………………………………………………............ 2.1.1 Общая жесткая схема инерционной бесступенчатой передачи............. 2.1.2 Общая упругая схема инерционной бесступенчатой передачи.............. 2.1.3 Обобщенная схема инерционной бесступенчатой передачи лишь с одним корпусным механизмом свободного хода

2.1.4 Обобщенная схема инерционной бесступенчатой передачи лишь с одним выходным механизмом свободного хода

2.1.5 Схема инерционной бесступенчатой передачи без механизмов свободного хода

2.1.6 Схема инерционной бесступенчатой передачи с рычажным механизмом на выходе

2.2 Новые методы аппроксимации кусочно-линейных функцийв задачах математического моделирования инерционных бесступенчатыхпередач……....... 2.3 Аппроксимации других типов кусочно-линейных функций. Численная проверка предложенных методов …………………………

2.4 Обобщенные функции в задачах математического моделирования инерционных бесступенчатых передач ……………………………….….......... 2.5 Математические модели инерционных бесступенчатых передач ……......... 2.5.1 Математическая модель общей жесткой схемы

2.5.2 Математическая модель общей упругой схемы

2.5.3 Математическая модель инерционной передачи лишьс одним корпусным механизмом свободного хода

2.5.4 Математическая модель инерционной передачи лишь с одним выходным механизмом свободного хода

2.5.5 Математическая модель инерционной передачи без механизмов свободного хода

2.5.6 Математическая модель инерционной передачи с рычажным механизмом

2.6 Совершенствование математических моделей инерционных бесступенчатых передач……………………………………………..............

class='zagtext'>3 НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ БЕССТУПЕНЧАТЫХ

ПЕРЕДАЧ …………………………………………………………………………. 3.1 Сравнительный анализ приближенных методов решения дифференциальных уравнений движения инерционных бесступенчатых передач..….…. 3.1.1 Решение уравнений методом малого параметра........…......……....... 3.1.2 Решение уравнений методом последовательных приближений...... 3.1.3 Решение уравнений методом разложения в степенные ряды.…..... 3.1.4 Сравнение приближенных аналитических методов

3.2 Механизмы свободного хода релейного типа. Нелинейные колебания звеньев ……………………………………………………....………

3.3 Нелинейные колебания инерционно-импульсных передач без механизмов свободного хода ………….…………………………..…….…… 3.4 Построение периодического решения на холостом режиме работы..…... 3.5 Построение периодического решения на рабочем режиме работы….…... 3.6 Устойчивость решения. Резонансные режимы …………………….……... 3.7 Нелинейные колебания инерционной бесступенчатой передачи лишь с одним выходным механизмом свободного хода ……………………….

4 ДИНАМИКА ИНЕРЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ С РЫЧАЖНЫМ

МЕХАНИЗМОМ НА ВЫХОДЕ …………………………………………....……. 4.1 Построение периодического решения для инерционной передачи с рычажным механизмом. Случай односторонней силы сопротивления........… 4.2 Построение периодического решения для инерционной передачи с рычажным механизмом. Случай двусторонней силы сопротивления……..... 4.3 Вопросы кинематической работоспособности инерционной передачи с кривошипно-ползунным механизмом на выходе…………………………...… 4.3.1 Нелинейные колебания инерционного привода с кривошипно-ползунныммеханизмом на холостом режиме работы ….... 4.3.2 Достаточное условие движения ползуна …………………………….. 4.4 Исследование нагрузок в инерционной передаче с кривошипноползунным механизмом …………………………………………………………..

5 ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНЕРЦИОННЫХ БЕССТУПЕНЧАТЫХ

ПЕРЕДАЧ ПОВЫШЕННОЙ НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ………………………………

5.1 Исследование вращающего момента на заторможенном валу импульсного механизма ………………………………………........…………….. 5.2 Неравномерность вращения ведущего вала импульсной передачи на стоповом режиме ……………………………………………………...………. 5.3 Внешняя характеристика инерционной бесступенчатой передачи с одним выходным механизмом свободного хода ……………………………………….. 5.4 Внешняя характеристика инерционной бесступенчатой передачи без механизмов свободного хода …………………………………...………………... 5.4.1 Силовое передаточное число …………………………………..…….. 5.4.2 Максимальный коэффициент трансформации момента ……….……. 5.4.3 Построение внешней характеристики ………………………….……. 5.5 Методика расчета механизма свободного хода релейного типа

5.5.1. Выбор основных параметров ……………………………………...… 5.5.2. Пример расчета механизма свободного хода релейного типа……… 5.6 Методика расчета инерционной бесступенчатой передачи с одним выходным механизмом свободного хода ………………………………..……...

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ

ИНЕРЦИОННЫХ БЕССТУПЕНЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ПОВЫШЕННОЙ

НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ …………………………………………….. 6.1 Описание экспериментального стенда …………………………...………….. 6.2 Описание измерительной аппаратуры. Проведение эксперимента …….…. 6.3 Обработка осциллограмм. Сравнение результатов экспериментального и теоретического исследований ………………………………………...……….. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ …………………………………………………...…………. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………….. ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………..…… Приложение 1. Пример компьютерной программы для построения зубчатого профиля с помощью предложенной аппроксимирующей процедуры……………………………………………………………………….. Приложение 2. Численная проверка методов аппроксимации на примере исследования характеристики жесткости подвески автомобиля………….… Приложение 3. Аппроксимация функции Хевисайда, функции и ее производных …………………………………………………….………… Приложение 4. Пример компьютерной программы для численной проверки предложенных методов аппроксимации ступенчатых функций на основе динамики инерционной бесступенчатой передачи…….. Приложение 5. Математическая модель упругой схемы и ее численное решение ……………………………………………….………. Приложение 6. Пример компьютерной программы для численного сравнения методов аппроксимации ступенчатых функций на основе динамики релейного механизма свободного хода………………………...….. Приложение 7. Пример компьютерной программы для численной проверки методов аппроксимации на основе динамики инерционной бесступенчатой передачи без механизмов свободного хода………………….. Приложение 8. Пример компьютерной программы для численного решения системы дифференциальных уравнений движения инерционной передачи лишь с одним выходным механизмом свободного хода ………..… Приложение 9. Акты внедрения.……………………………………………… Приложение 10. Акты внедрения…………………………...….………………

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

J1, J 2, J 4 моменты инерции соответственноведущего вала, промежуточного вала (реактора) импульсного механизма и ведомого вала;

nJ 3 суммарный момент инерции неуравновешенных звеньев относительно геометрического центра;

nm суммарная масса неуравновешенных звеньев;

h расстояние между геометрическим центром и центром масс неуравновешенного звена;

k расстояние между осями инерционной передачи и неуравновешенного звена;

a, b, q параметры импульсного механизма;

с угловая жесткость упругого элемента;

М С момент сопротивления, действующий на ведомый вал передачи;

M Д крутящий момент, действующий на ведущий вал;

M Н номинальный момент ротора двигателя;

Х, Н угловые скорости соответственно идеального холостого хода и номинальная;

угловая скорость ведущего вала импульсного механизма при допущении о ее неизменности;

Т электромагнитная постоянная времени двигателя;

коэффициент крутизны статической характеристики;

угол поворота ведущего вала инерционной передачи;

угол поворота промежуточного вала (реактора импульсного механизма);

, углы поворота наружных обойм соответственно корпусного и выходного механизмов свободного хода;

угол поворота ведомого вала инерционной передачи;

J 01, J 02 моменты инерции наружных обойм соответственно корпусного и выходного механизмов свободного хода и приведенных к ним масс соединительных деталей и упругих элементов;

U1, U 2 жесткости упругих элементов соответственно корпусного и выходного механизмов свободного хода;

kС коэффициент, определяющий сопротивление движению наружных обойм механизмов свободного хода;

z число роликов в роликовой обгонной муфте;

d P расчетный диаметр ролика обгонной муфты;

DB внутренний диаметр наружной обоймы роликовой обгонной муфты;

DH наружный диаметр наружной обоймы роликовой обгонной муфты;

lP длина ролика;

d B диаметр вала ведущей обоймы роликовой обгонной муфты;

D1, D2 соответственно наружный и внутренний диаметры поверхности контакта фрикционных звеньев механизма свободного хода релейного типа;

d средний диаметр винтовой нарезки на ведущем валу механизма свободного хода релейного типа;

h шаг винтовой нарезки шариковинтовой передачи;

d Ш диаметр шарика шариковинтовой передачи;

d3 внутренний диаметр резьбы винта (по дну впадины);

d Н наружный диаметр резьбы винта;

L1[a, b] функциональное банахово пространство измеримых функций, определенных на отрезке [a, b] ;

L2[a, b] функциональное гильбертово пространство измеримых функций, определенных на отрезке [a, b] с интегрируемыми по Лебегу квадратами;

Ф( x) функции Хевисайда;

H ( x) аппроксимация функции Хевисайда;

m1 и m2 условные массы, сосредоточенные на концах шатуна и заменяющие его массу;

N, G, R соответственно нормальная реакция силы инерции и ее осевая и радиальная составляющие, действующие на ведомый фрикционный диск инерционного механизма;

F, P, Q соответственно результирующая, осевая и окружная силы, действующие со стороны винтовой парына ведущий вал механизма свободного хода релейного типа;

угол подъема винтовой линиивинтовой нарезки на ведущем валу механизма свободного хода релейного типа;

r радиус кривошипа кривошипно-ползунного механизма;

p отношение длины шатуна к радиусу кривошипа;

s перемещение ползуна кривошипно-ползунного механизма;

mП масса ползунакривошипно-ползунного механизма в схеме инерционной передачи с рычажным механизмом;

c жесткость пружины в схеме инерционной передачи с рычажным механизмом;

P0 предварительное натяжение пружины;

PC сила сопротивления, действующая на ползункривошипно-ползунного механизма.

ВВЕДЕНИЕ

Создание конкурентоспособной продукции, качественное выполнение технологических процессов в условиях глобализации рыночной экономики невозможно без использования технических систем, позволяющих автоматически и бесступенчато изменять режимы работы в зависимости от нагрузочных, скоростных и других выходных факторов. Применение таких систем позволяет максимально использовать мощности приводных двигателей, обеспечивать наиболее эффективное выполнение заданных процессов за счет автоматического учета постоянно меняющихся выходных параметров, что в конечном итоге приводит к достижению максимально высокой производительности труда. В полной мере эту утверждения относятся к автоматическим бесступенчатым передачам, используемым в приводных системах и трансмиссиях транспортных средств, технологического и производственного оборудования. Применение автоматических бесступенчатых передач позволяет резко повысить эксплуатационные свойства машин и механизмов, выполнять заданные функции на оптимальных режимах работы, исключить необходимость использования людей в областях вредных или опасных для человека, улучшить удобство управления, снизить необходимый расход топлива и электроэнергии и обеспечить другие преимущества.

В настоящее время широкое распространение получили гидромеханические и электромеханические передачи.Но, наряду с несомненными преимуществами, эти передачи имеют и неустранимые недостатки. Они, как правило, не обеспечивают трансформацию крутящего момента в широком диапазоне, что приводит к необходимости установки в приводе дополнительной механической ступенчатой коробки передач. При этом значительно усложняется конструкция и увеличиваются габариты привода. Кроме того, двойное преобразование энергии из одного вида в другой приводит к большим энергетическим потерям. Поэтому такие передачи имеют относительно низкий коэффициент полезного действия.

Отмеченных недостатков лишены инерционные бесступенчатые передачи.

Актуальность темы исследования. Инерционные передачи являются автоматическими бесступенчатыми передачами механического типа и позволяют автоматически менять режимы работы привода в зависимости от нагрузки. Другим словами, инерционные передачи это автоматические бесступенчатые коробки передач. Эти передачи имеют простые и компактные конструкции, отличаются высоким коэффициентом полезного действия (в пределах 0,9 … 0,95), широким диапазоном трансформации момента (в пределах 4 … 15), поэтому не требуют дополнительных коробок передач. Инерционные бесступенчатые передачи обладают внутренним автоматизмом, то есть, для обеспечения автоматического и бесступенчатого изменения режимов работы им не требуются никакие дополнительные устройства.Автоматизм инерционных передач обусловлен внутренней природой происходящих процессов. Инерционные бесступенчатые передачи способны работать на режиме прямой передачи. При этом они работают как динамические муфты, сглаживая крутильные колебания в приводной системе, что снижает динамические нагрузки в приводе, повышает плавность вращения ведомого вала. В этих передачах отсутствует жесткая связь между ведущим и ведомым валами, что позволяет таким передачам выполнять предохранительные функции, а именно:

при заклинивании рабочих органов предохранять детали двигателей от перегрузки. При использовании инерционных бесступенчатых передач отпадает необходимость в использовании муфт сцепления. В ряде случаев для интенсификации технологических процессов полезным оказывается вибрационная подача момента на рабочий орган. Существуют и другие преимущества инерционных бесступенчатых передач.

Однако, несмотря на отмеченные преимущества, инерционные бесступенчатые передачи не находят широкого распространения в технике. Основная причина этого заключается в недостаточной работоспособности входящих в конструкцию таких передач механизмов свободного хода. Высокая частота включений и выключений механизмов свободного хода, импульсный характер передаваемого момента, а следовательно, высокие пиковые динамические нагрузки, действующие на звенья механизмов свободного хода, препятствуют созданию надежной конструкции инерционных передач с высокой нагрузочной способностью. Решение такой задачи, несомненно, является актуальной, так как будет способствовать повышению надежности инерционных бесступенчатых передач и их широкому применению в технике.

Работа выполнялась в период с 1983 по 2014 гг. в рамках реализациифедеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на2009-2013 гг.» (государственный контракт 16.740.11.0397 от 01.12.2010 г.),«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития НТК России на 2007-2012 гг.», планов научно-исследовательских работ и приоритетных направлений развития ПНР-3 «Энерго- и ресурсоэффективные технологии в дизелестроении для бронетанковой техники и инженерных машин» ФГБОУ ВПО ЮУрГУи договоров спредприятиями. Тематика диссертационной работы отвечает разделу 2.3 «Механика, машиноведение и управление» Перечня приоритетных направлений фундаментальных исследований, утвержденного Постановлением Правительственной комиссии РФ по научно-технической политике от 28.05.1996 года. Проводимые в диссертации исследования соответствуют блоку мероприятий «Проведение исследований, направленных на формирование опережающего научно-технологического задела» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», утвержденного Постановлением № 426 Правительства Российской Федерации от 21 мая 2013 г.

Актуальность темы исследования подтверждается решениями Всесоюзных научных конференций по инерционно-импульсным приводам и устройствам (Челябинск, 1977, 1982 гг.), Всесоюзных научно-технических конференции по вариаторам и передачам гибкой связью (Одесса, 1976, 1980, 1986 гг.), Международной научно-технической конференции по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Владимир, 1992 г.). Об актуальности темы исследования свидетельствует также проведение ряда международных конгрессов и конференций с тематикой, включающей автоматические бесступенчатые приводы и передачи: в Детройте (США, 2011-2014 гг.); Роземонте (США, г.); Праге (Чехия, 2011-2013 гг.); Софии (Болгария, 2011-2013 гг.); Перемышле (Польша, 2011-2013 гг.) и многих других городах и странах.

Цель и задачи исследования. Целью работы является создание нового семейства механизмов – инерционных автоматических бесступенчатых передач повышенной нагрузочной способности и разработка основ теории этих механизмов.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи исследования:

1. Проведение анализа существующих конструкций инерционных передач и поиск возможных путей повышения их нагрузочной способности.

2. Разработка нового семейства механизмов переменной структуры – инерционных бесступенчатых передач повышенной нагрузочной способности, а именно:

2.1. Разработка новых схем и конструкций МСХ релейного типа, характеризующихся повышенной нагрузочной способностью;

2.2. Разработка конструкций передач лишь с одним выходным МСХ;

2.3. Разработка конструкций инерционных передач без МСХ для реверсивного инструмента и на основе шарнирно-рычажных механизмов.

3. Создание основ теории данного семейства механизмов, что предполагает:

3.1. Разработку методов математического моделирования, анализа и исследования механизмов переменной структуры, позволяющих преобразовывать эти системы в динамические системы постоянной структуры;

3.2. Создание новых методов аппроксимации ступенчатых, кусочнолинейных и обобщенных функций;

3.3. Проведение анализа динамических процессов в инерционных передачах:

решение систем существенно нелинейных дифференциальных уравнений, построение периодических решений, фазовых траекторий, анализ устойчивости, исследование нелинейных колебаний и резонансных режимов работы динамических систем;

3.4. Разработку методики проектирования и инженерного расчета МСХ и инерционных передач повышенной нагрузочной способности, разработку рекомендаций по выбору параметров инерционных передач.

4. Проведение экспериментальных исследований и проверка достоверности полученных теоретических результатов и предложенных методик расчета.

Объект исследований инерционные автоматические бесступенчатые передачи механического типа.

Предмет исследований нелинейная динамика инерционных бесступенчатых передач,выявление, разработка, изучение и реализация возможностей повышения их нагрузочной способности.

Методы исследования: методы построения математических моделей на основе уравнений и законов динамики механических систем; точные и приближенные методы построения аналитических решений систем существенно нелинейных дифференциальных уравнений движения инерционных бесступенчатых передач;

численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений с их реализацией на основе компьютерных программ; методы аппроксимации кусочнолинейных и обобщенных функций; методы построения периодических решений с исследованием устойчивости полученных решений; методы исследования динамики нелинейных систем и процессов на основе фазовых пространств, движения изображающей точки в фазовых пространствах, построения фазовых портретов;

методы проведения экспериментальных исследований.

Информационно-эмпирическая база исследования формировалась из опубликованных и собственных источников информации, в частности, из научных статьей, опубликованных в отечественных и зарубежных периодических изданиях, монографий, описаний к патентам на изобретения и полезные модели, материалов российских и международных научных конференций и конгрессов.

Область исследований соответствует паспорту специальности 05.02.02:

теория и методы исследования процессов, влияющих на техническое состояние объектов машиностроения, способы управления этими процессами (п.1); теория и методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин (п.2); теория и методы обеспечения надежности объектов машиностроения (п.3); методы исследования и оценки технического состояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования (п.4); повышение точности и достоверности расчетов объектов машиностроения; разработка нормативной базы проектирования, испытания и изготовления объектов машиностроения (п.5): развитие фундаментальных положений родственных и смежных областей науки применительно к исследованию, проектированию и расчетам объектов машиностроения (п.6).

Научная новизна полученных результатов:

1. Создано новое семейство инерционных бесступенчатых передач повышенной нагрузочной способности: с одним выходным МСХ, без МСХ для привода рабочих органов, совершающих знакопеременное движение, и для привода реверсивного режущего инструмента, с рычажным механизмом, с МСХ релейного типа, нагрузочная способность которых на порядок выше по сравнению с существующими схемами.

2. Разработаны основы теории данного семейства, базирующиеся на использовании методов моделирования и анализа механизмов переменной структуры путем преобразования динамических систем переменной структуры к динамическим системам постоянной структуры, что включает:

разработку специальных функций, позволивших представить математические модели инерционных бесступенчатых передач не в виде совокупности систем дифференциальных уравнений по участкам, а в виде лишь одной системы дифференциальных уравнений, описывающей движение звеньев передачи в течение всего рабочего цикла;

разработку новых методов аппроксимации ступенчатых, кусочнолинейных и обобщенных функций, позволивших описать динамику инерционных передач в виде систем дифференциальных уравнений лишь с аналитическими функциями и применить к анализу этих систем аналитические методы.

3. Получены аналитические и численные решения существенно нелинейных систем дифференциальных уравнений движения инерционных передач повышенной нагрузочной способности и МСХ релейного типа, построены периодические решения этих систем.

4. С помощью методов фазового пространства доказано многообразие возможных фазовых портретов инерционных передач, периодических и квазипериодических фазовых траекторий, решены вопросы устойчивости периодических решений и выявлены условия резонансных режимов работы.

5. Обоснованы параметры МСХ релейного типа и инерционных передач, позволившие на порядок повысить нагрузочную способность предложенных передач по сравнению с существующими конструкциями.

Новизна технических решений подтверждается 9 патентами и свидетельствами РФ на изобретения и полезные модели.

Достоверность результатов исследования обусловлена: использованием основных методов теоретической механики, теории машин и механизмов, машиноведения, методов построения физических и математических моделей, методов исследования динамики существенно нелинейных технических систем, новых разработанных методов аппроксимации кусочно-линейных и обобщенных функций с проведенным исследованием сходимости этих методов и погрешности их аппроксимации, использованием программного комплекса MathCAD, а также хорошей сходимостью теоретических, экспериментальных и эксплуатационных результатов.

Практическая ценность. Предложены новые схемы и конструкции инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода, отличающихся повышенной нагрузочной способностью. Предложены рекомендации, зависимости, алгоритмы и методики проектирования, позволяющие проводить полный расчет конструктивных параметров инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода повышенной нагрузочной способности. Использование предложенных рекомендаций и методик позволяет проектировать инерционные передачи с использованием современных компьютерных программ.

Применение полученных результатов обеспечивает экономический эффект за счет сокращения сроков разработки новых инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода, повышения их нагрузочной способности, надежности и долговечности, снижения габаритных размеров и массовых параметров, сокращения производственных и эксплуатационных затрат.

Внедрение. Результаты диссертации использованы:1) на Ковровском предприятии ОАО «Завод имени В.А. Дегтярева» внедрена методика расчета и проектирования силовой передачи на основе автоматического инерционного бесступенчатого привода; 2) в открытом акционерном обществе «Специальное конструкторское бюро машиностроения» (ОАО «СКБМ», г. Курган); 3) на предприятии ОАО «Курганмашзавод»; 4) при проектировании инерционных передач для привода станков АЖС-5 (Рыбинский завод деревообрабатывающих станков) [1]; 5) в приводе мельницы тонкого помола (Челябинское предприятие ООО НТЦ «Пигмент»).

Многие разработанные конструктивные решения и методы аппроксимации, математического моделирования и расчета представлены в общем виде, что значительно расширяет области их применения и могут быть использованы для разработки и модернизации машин и механизмов, обладающих новыми полезными свойствами, в частности, для интенсификации производственных и технологических процессов.

На защиту выносятсяследующие обладающие научной новизной результаты исследования:

разработанные новые схемы и конструкции инерционных бесступенчатых передач и МСХ релейного типа, отличающихся повышенной нагрузочной способностью;

разработанные автором методы моделирования, анализа и исследования механизмов переменной структуры путем преобразования динамических систем переменной структуры к динамическим системам постоянной структуры, разработанные специальные функции и методы аппроксимаций, позволившие создать комплекс физических и математических моделей инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода в виде лишь одной системы существенно нелинейных дифференциальных уравнений, несмотря на переменность их структуры, с учетом динамической характеристики приводного двигателя;

созданные алгоритмы и компьютерные программы численного моделирования разработанных конструкций МСХ и инерционных передач повышенной нагрузочной способности, результаты вычислительных экспериментов;

построенные периодические решения систем дифференциальных уравнений движения инерционных бесступенчатых передач с анализом их устойчивости и графическим представлением в виде фазовых траекторий и портретов, результаты исследований резонансных режимов работы инерционных передач;

алгоритмы расчета конструктивных параметров МСХ и инерционных передач повышенной нагрузочной способности, построения их внешних характеристик.

Личный вклад соискателя заключается в разработке расчетных схем и математическом описании инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода повышенной надежности; исследовании нелинейной динамики этих передач и механизмов, изучении их нелинейных колебаний; разработке новых методов аппроксимации существенно нелинейных зависимостей с применением разработанных методов для совершенствования математических моделей инерционных бесступенчатых передач; построении периодических решений нелинейных дифференциальных уравнений движения инерционных передач, определении условий их устойчивости; исследовании резонансных режимов работы; планировании и анализе результатов вычислительных экспериментов; планировании и анализе результатов модельных и натурных физических экспериментов; создании компьютерных программ для изучения динамики исследуемых механизмов и приводов; разработке алгоритмов расчета и методики проектирования инерционных бесступенчатых передач и механизмов свободного хода повышенной нагрузочной способности. Подавляющее большинство публикаций выполнено соискателем без соавторов.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались, обсуждались и публиковались:

1) на международных научно-практических конгрессах, конференциях и симпозиумах: SAE Commercial Vehicle Engineering Congress (Rosemont, Illinois, the USA, 2013); «Ключевые аспекты научной деятельности» (Перемышль, Польша, 2013); «Наука и образование» (Прага, Чехия, 2013); «Перспективные вопросы мировой науки» (София, Болгария, 2012); «Strategic issues in the world science»

(Przemysl, Poland, 2012); «Новейшие научные достижения» (София, Болгария, 2012); «Актуальные научные разработки» (София, Болгария, 2012); «Научное пространство Европы» (Перемышль, Польша, 2012); «Ключевые проблемы современной науки» (София, Болгария, 2012); «Scientific progress on the edge of Millenniums» (Prague, CzechRepublic, 2012); «Научный прогресс на рубеже тысячелетий»

(Прага, Чехия, 2012); «Актуальные достижения европейской науки» (София, Болгария, 2012); «Перспективные разработки науки и техники» (Перемышль, Польша, 2011);

2) на международных конференциях: «Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование» (Калининград, Россия, 1997); по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Владимир, Россия, 1992);

3) на всесоюзных конференциях: по управляемым и автоматическим механическим приводам и передачам гибкой связью (Одесса, СССР, 1980, 1986); по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Челябинск, СССР, 1982).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трех монографиях, 50 публикациях, в том числе 14 в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

По результатам работы получено 9 патентов и свидетельств РФ на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 369 страницах текста и включает 11 таблиц, 135 рисунков, 199 наименований источников и 10 приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования.

В первой главе проводится обзор литературы по инерционным бесступенчатым передачам, анализируются различные схемы и конструкции существующих инерционных бесступенчатых передач, их достоинства и недостатки. Рассматриваются ошибочные конструкции автоматических бесступенчатых передач без механизмов свободного хода. При анализе существующих конструкций инерционных бесступенчатых передач основное внимание уделяется способам повышения нагрузочной способности этих передач, увеличения их надежности и долговечности. На основе проведенного анализа ставятся задачи исследования.

Во второй главе описываются обобщенные физические и математические модели инерционных передач, в том числе разработанных и защищенных патентами новых конструкций инерционных передач, таких как инерционные передачи лишь с одним выходным механизмом свободного хода, инерционных передач без механизмов свободного хода. Отличительной особенностью разработанных математических моделей является их запись в форме лишь одной системы дифференциальных уравнений, несмотря на переменность структуры инерционных передач. Это позволяет значительно упростить построение периодических решений уравнений движения инерционных бесступенчатых передач, а также исследование устойчивости полученных решений. Описываются новые методы аппроксимации кусочно-линейных функций, не имеющих недостатков традиционных методов аппроксимации, например, аппроксимации кусочно-линейных функций с помощью рядов Фурье. Рассматриваются приложения разработанных методов аппроксимации к исследованию динамики инерционных бесступенчатых передач повышенной нагрузочной способности, совершенствованию их математических моделей и методов расчета. Отмечается универсальный характер разработанных методов аппроксимации, возможность их применения в областях, далеко выходящих за рамки данного исследования.

В третьей главе рассматриваются нелинейные колебания различных схем инерционных бесступенчатых передач. Интегрируются системы существеннонелинейных дифференциальных уравнений движения передач аналитическими и численными методами. Проводится сравнительный анализ используемых методов и полученных решений с выявлением их достоинств и недостатков. Исследуются периодические режимы работы инерционных передач повышенной нагрузочной способности, рассматриваются вопросы устойчивости и построения фазовых портретов. Исследуются вопросы, связанные с построением предельных циклов.

Рассматривается динамика механизмов свободного хода релейного типа, предложенных автором и обладающих повышенной нагрузочной способностью.

В четвертой главе рассматривается динамика инерционной бесступенчатой передачи на основе импульсного механизма, на выходе которого установлен рычажный механизм. Такие передачи не имеют в своей схеме механизмов свободного хода и отличаются высокой надежностью и долговечностью. Они позволяют значительно расширить области возможного применения инерционных передач без механизмов свободного хода. Рассматриваются нелинейные колебания этих передач в случае односторонней и двусторонней силы полезного сопротивления.

В цилиндрическом фазовом пространстве осуществляется построение предельных циклов. Доказывается возможность трансформации момента в конструкциях инерционных передач без механизмов свободного хода при действии на рабочий орган одностороннего полезного сопротивления. Рассматриваются нелинейные колебания инерционного привода с кривошипно-ползунным механизмом на холостом режиме работы. Исследуются нагрузки, действующие на звенья инерционной передачи с выходным рычажным механизмом.

В пятой главе выделяются предпочтительные схемы инерционных бесступенчатых передач по критерию повышенной нагрузочной способности. Рассматриваются вопросы построения внешних характеристик инерционной бесступенчатой передачи с одним выходным механизмом свободного хода и без механизмов свободного хода. Разрабатываются методики расчета и проектирования механизма свободного хода релейного типа и инерционной бесступенчатой передачи с одним выходным механизмом свободного хода. Доказывается, что предложенные передачи имеют внешние характеристики близкие к идеальным и, вместе с тем, отличаются повышенной надежностью, долговечностью и безотказностью в работе.

В шестой главе ставятся основные задачи экспериментальных исследований, описывается стенд и методика проведения экспериментальных исследований.

Производится обработка результатов экспериментальных исследований и их сравнение с результатами теоретических расчетов.

В приложениях содержатся компьютерные программы для построения решений систем дифференциальных уравнений движения инерционных передач и механизмов свободного хода релейного типа, построения периодических решений, программы для иллюстрации применения новых методов аппроксимации кусочно-линейных и обобщенных функций.

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Общие сведения об инерционных бесступенчатых передачах.

Выявление областей их перспективного применения Инерционная бесступенчатая передача бесступенчатая механическая передача, у которой передача крутящего момента осуществляется импульсами за счет периодически действующих сил инерции.Такое определение дается в Большом автомобильном словаре. Возможные синонимы: инерционный трансформатор вращающего момента; импульсный инерционный вариатор. Бесступенчатая передача механизм для плавного изменения передаточного числа, т.е. отношения частоты вращения ведущего звена к частоте вращения ведомого.В словаре Крайнева А.Ф. [2], предназначенного в том числе и для экспертов патентных организаций и изобретателей, сказано: "Вариатор механизм для бесступенчатого регулирования передаточного отношения", и там же: "Передаточное отношение отношение скорости одного звена механизма к скорости другого звена". Аналогичные определения даются и в других словарях [3-5].

Такие определения бесступенчатой передачи представляется не совсем корректными. По мнению автора, было бы более правильным в определении бесступенчатой передачи говорить не о плавном изменении кинематического передаточного числа (отношения), а о плавном изменении силового передаточного числа, под которым можно понимать отношение крутящих моментов на ведущем и ведомым валах. Так например, известны механизмы [6-10], которые позволяют плавно изменять передаточное число, но не меняют величину крутящего момента, передаваемого с ведущего на ведомый вал.

С точки зрения приведенных выше определений такие устройства можно рассматривать в качестве бесступенчатых передач, так как они позволяют бесступенчато менять отношение угловых скоростей ведущего и ведомого валов, но вряд ли такой подход был бы правильным, поскольку эти устройства не меняют величину крутящего момента. Поэтому они являются просто муфтами.

Исходя из сказанного, вероятно, наиболее правильным определением инерционной бесступенчатой передачи (инерционного трансформатора вращающего момента) является определение, которое приводится в Словаресправочнике по механизмам [2]: "Инерционный трансформатор вращающего момента устройство для изменения вращающего момента и угловой скорости благодаря накоплению энергии инерционными звеньями и импульсной ее передачи". Этого определения инерционной бесступенчатой передачи будем придерживаться и в дальнейшем.

Под нагрузочной способностью будем понимать способность конструкции выдерживать действие нагрузки [191]. Повышенная нагрузочная способность подразумевает способность механизма передавать большую величину крутящего момента при тех же габаритах или возможность снижения габаритов при одинаковой величине передаваемого момента.

Первые инерционные передачи появились достаточно давно, но только в последние 30 лет начались интенсивные исследования по развитию теории и конструкции инерционных передач. Большой объем работ по исследованию инерционных бесступенчатых передач был выполнен в нашей стране. В работах А.С. Антонова, С.П.Баженова, М.Ф. Балжи, В.Г. Белоглазова, А.А. Благонравова, P.Н. Болдырева, Г.Г. Васина, М.Л. Горина, Н.П. Данилова, В.Б. Держанского, А.Ф. Дубровского, С.Н. Кожевникова, А.Е. Кроппа, С.М. Крупицкого, Н.К. Куликова, А.В. Куницы, А.И. Леонова, В.Ф. Мальцева, В.И. Пожбелко, А.Т. Полецкого, А.П. Полякова, В.А. Умняшкина, В.Н. Филимонова, Н.М.

Филькина, О.В. Шаркова и других авторов исследована динамика, созданы основы теории инерционно-импульсных силовых систем, обоснована перспективность применения инерционных передач в приводах различных машин. Работы по проблеме создания конкурентоспособных инерционных передач затрагивают широкий круг вопросов, связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями различных схем этих передач, а также их основных узлов: импульсного механизма и механизмов свободного хода.

Несмотря на значительные усилия по разработке конструкций и теоретических основ инерционных бесступенчатых передач, проблема создания надежной, эффективно использующей мощность двигателя инерционной передачи, отличающейся достаточно высокой нагрузочной способностью, остается до конца не решенной.

Начиная уже с первых конструкций (передачи Константинеско, Хоббса, шведской компании «Спонтан» и др.) основное применение инерционных передач предполагалось в трансмиссиях транспортных средств: легковых и грузовых автомобилей, автобусов, колесных тракторов, быстроходных гусеничных машин и др. Научные исследования, направленные на применение инерционных автоматических передач в трансмиссиях транспортных средств, широко проводятся и в последнее время[11-15]. Учитывая многолетний опыт безуспешных попыток создания надежной инерционной бесступенчатой передачи для транспортных средств, такой подход представляется неверным, по крайней мере, для данного этапа разработки таких передач. Даже попытки применения инерционных передач в приводе мотоциклов [16-19] с относительно невысокими мощностями не привели к обнадеживающим результатам. Важно отметить, что широкому применению инерционных передах в трансмиссиях транспортных средств препятствует не только недостаточная долговечность и нагрузочная способность таких передач, но и специфические требования для транспортных трансмиссий, например, возможность торможения двигателем и запуска двигателя с хода. Выполнение этих требований приводит к необходимости введения дополнительных устройств, что значительно усложняет конструкцию передач.

Важным недостатком применения инерционных передач в трансмиссиях транспортных средств также является относительно высокая неравномерность вращения ведомого вала, причем снизить эту неравномерность трудно, так как сама природа инерционных передач предполагает импульсную подачу момента на выходной вал. Учитывая, какое внимание в современных транспортных средствах придается плавности хода, рассчитывать на широкое применение инерционных передач в транспортных средства, даже при условии высокой надежности этих передач, не приходится, по крайней мере, на данном этапе существующего положения в разработке инерционных передач.

Вместе с тем, известно [20], что вибрации в технике часто играют положительную роль. В современной технике есть целые области, построенные на использовании различных колебательных процессов и вибраций. Для механики, в частности, можно отметить вибрационное перемещение насыпных грузов, виброреологию, вибрационное погружение, вибрационную обработку материалов, вибрационное уплотнение материалов и др. Использование вибрационных процессов позволяет снизить необходимый расход энергии в 2 10 раз. Что касается конкретных устройств, принцип действия которых основан на использовании вибрации, то можно отметить вибрационные конвейеры, вибрационные питатели, вибрационные подъемники, вибрационные бункеры-дозаторы, вибрационные погружатели, вибрационные насосы, вибрационные сепараторы, вибрационные грохоты, вибрационные трамбовки и катки, глубинные виброуплотнители, вибрационные формовочные и стержневые машины, вибрационные стенды, вибрационные мельницы и дробилки, вибрационные абразивные установки. Во многих отраслях промышленности, строительства и транспорта получили широкое распространение ударно-вибрационные машины, такие как, отбойные молотки, перфораторы, бучарды, ударно-вращательные сверлильные машины, шпалоподбойки и многие, многие другие.

Приведенный список технологических операций, выполняемых на основе вибраций, и машин для их выполнения далеко не полный. Такие операции, как пиление, шлифование и полирование, сверление и фрезерование, резание и другие выполняются значительно эффективнее при использовании вибрационного характера движения рабочего органа. Вибрационная подача крутящего момента позволяет эффективно дробить стружку, что особенно важно при обработке пластичных материалов. В вибрационных дробилках степень помола сырья и различных продуктов в несколько раз больше, чем в обычных дробилках. Можно приводить и другие многочисленные примеры положительных свойств применения вибраций в технических системах. Именно для таких систем инерционные бесступенчатые передачи могут быть особенно полезными. Использование инерционных бесступенчатых передач в приводе машин для выполнения этих и подобных технологических операций, несомненно, является перспективной областью их применения. Вибрационный характер подачи момента на рабочий орган в инерционных передачах при этом является положительной особенностью привода, причем в отличие от нерегулируемых вибрационных систем инерционные бесступенчатые передачи позволяют полностью использовать мощность приводного двигателя, автоматически и бесступенчато меняя режимы работы привода в зависимости от нагрузки на рабочем органе. В этом направлении развития инерционных бесступенчатых передач можно выделить работы [21-23]. Заметим, что до настоящего времени не создан вибрационный привод, реализующий принцип автоматического бесступенчатого регулирования. Разрабатываемые в данной диссертации научные основы инерционных бесступенчатых передач касаются, в первую очередь, именно этого направления их применения, что также подтверждает актуальность диссертации. Причем, важно отметить, что при этом речь идет не только о перспективных областях применения инерционных бесступенчатых передач, но, в основном, о возможностях повышения их нагрузочной способности, что способствует повышению надежности и долговечности этих передач.

1.2Анализ существующих конструкций инерционных При анализе существующих конструкций инерционных бесступенчатых передач основное внимание будем уделять способам повышения нагрузочной способности этих передач, увеличения их надежности и долговечности.

Наиболее общую схему представляют инерционные бесступенчатые передачи с двумя механизмами свободного хода (корпусным и выходным). Эти передачи могут быть применены в большинстве машин и механизмов и, вместе с тем, имеют простую конструкцию.

На рис.1.1 представлена инерционная передача, предложенная М.Ф. Балжи [24]. Ведущий вал 1 жестко связан с ведущим маховиком 1, который через шатуны 3 приводят в движение грузовые звенья 4, установленные эксцентрично на промежуточном валу 5. На промежуточном валу также установлены внутренние обоймы 6 и 7 корпусного и выходного механизмов свободного хода.

Наружная обойма корпусного механизма свободного хода непосредственно соединена с корпусом8 передачи, наружная обойма выходного механизма свободного хода с ведомым маховиком 9. Механизмы свободного хода имеют различные направления заклинивания. Ведомый маховик жестко связан с ведомым валом 10 и может быть заторможен с помощью тормоза 11.

При вращении ведущего вала с частотой, отличающейся от частоты вращения ведомого вала, грузовые звенья проворачиваются относительно промежуточного вала, возникающие при этом инерционные силы грузовых звеньев создают знакопеременный вращающий момент на промежуточном валу. Прямой импульс момента, стремящийся повернуть промежуточный вал в направлении вращения ведущего вала, передается на ведомый вал, обратный на корпус передачи.

Под руководством М.Ф. Балжи созданы опытные образцы инерционной передачи с жесткими механизмами свободного хода для автомобилей УралМ, Урал-375, М-21 «Волга», тракторов С-100, Т-75, Т-130 и других.

Передача Балжи явилась базой для создания так называемой жесткой схемы инерционных бесступенчатых передач, в которой пренебрегают упругостью механизмов свободного хода. Жесткая схема позволила разработать предпосылки и основы теории инерционных передач [25]. Экспериментальные исследования передачи Балжи подтвердили высокий коэффициент полезного действия инерционных бесступенчатых передач, широкий диапазон трансформации момента [26]. Большинство дальнейших исследований инерционных передач проведено по наиболее простой в теоретическом отношении жесткой схеме.

Обращение исследователей к жесткой схеме является естественным, так как исследование сложных систем, как правило, начинается с рассмотрения наиболее простых случаев.

В работе А.Т. Полецкого и А.П. Полякова [27] впервые получены решения дифференциальных уравнений движения передачи Балжи на различных участках цикла ее работы. А.Т. Полецким и Г.Г. Васиным предложен метод интегрирования, позволивший понизить порядок системы дифференциальных уравнений движения инерционной передачи [28].

Г.Г. Васиным исследованы различные классы импульсных механизмов в жесткой схеме инерционной передачи [29], сформулировано и обосновано новое научно-техническое направление, связанное с разработкой теории, а также созданием опытно-промышленных образцов и внедрением инерционноимпульсных силовых систем, предложена классификация инерционных передач по функциональному и структурному признакам [30,31].

Работа Б.Л. Диковского [32] посвящена исследованию кулачкового импульсного механизма в схеме инерционной передачи без упругих элементов и выбору оптимальных параметров этого механизма.

Режим динамической муфты и процессы, происходящие при переходе с режима динамической муфты на режим трансформации и обратно в инерционной передаче, выполненной по жесткой схеме, рассмотрены С.М. Крупицким [33].

Р.Н. Болдырев исследовал внешнюю характеристику инерционной передачи без упругих элементов [34].

Вопросы динамики инерционной передачи без упругих элементов в трансмиссиях мотоциклов изучены В.А. Умняшкиным [16,17,35,36].

Обоснование выбора параметров жесткой схемы инерционной передачи на основе анализа методов построения и оптимизации внешней характеристики выполнено в работе Т.А. Ганьковой [37].

Вопросы моделирования преобразователей момента инерционных передач с применением САПР и с учетом случайного характера момента сопротивления рассмотрены в диссертации А.В. Белецкого [38].

В работе В.Н. Филимонова [39] рассмотрены аспекты построения внешней характеристики и оптимизации параметров инерционной передачи с двигателем внутреннего сгорания.

Важным шагом на пути снижения динамической напряженности силовой цепи инерционной передачи явилось выделение А.И. Леоновым предпочтительного (гармонического) семейства импульсных механизмов [40,41], у которых динамический момент, передаваемый на ведомый вал, имеет синусоидальный характер. Применение импульсных механизмов предпочтительного семейства позволило резко снизить пиковые значения передаваемого момента при неизменной его средней величине.

Тем не менее, проведенные теоретические и экспериментальные исследования инерционной бесступенчатой передачи,выполненной по жесткой схеме, не привели к созданию долговечной конструкции.

С целью дальнейшего снижения динамических нагрузок, повышения нагрузочной способности А.И. Леоновым была предложена и исследована упругая схема инерционной передачи [42,43] (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Обобщенная схема инерционной передачи При вращении ведущего маховика 1 инерционные силы грузовых звеньев 10 создают знакопеременный момент на промежуточном валу 2. Прямой импульс передается через выходной механизм свободного хода 7 и упругие элементы 6 на ведомый маховик 4. Обратный импульс передается через корпусной механизм свободного хода 8, обойму 3 и упругие элементы 9 на корпус 5 передачи. Часть энергии обратного импульса преобразуется в потенциальную энергию деформации упругих элементов 9, а затем отдается при действии прямого импульса.

Введение упругих элементов в механизмы свободного хода качественно изменяет характер протекания динамических процессов в инерционной передаче. На режиме заторможенного ведомого маховика промежуточный вал совершает нелинейные колебания. Участок выстоя промежуточного вала заменяется участком накопления упругими элементами корпусного механизма свободного хода потенциальной энергии и последующей отдаче ее. На участке совместного движения промежуточный вал и ведомый маховик имеют различные законы движения. Схема с упругими элементами имеет большее число степеней свободы, чем жесткая схема. Существуют и другие особенности упругой схемы.

Упругая схема позволила значительно расширить возможности передачи по обеспечению заданных выходных характеристик, снизить динамическую напряженность инерционной передачи и повысить ее надежность. Как показали исследования [42], использование упругой схемы позволяет снизить максимальные (в 1,5 – 2 раза) и средние нагрузки на механизмы свободного хода, максимальные (в 2 – 3 раза) и средние нагрузки на импульсный механизм, неравномерность вращения ведущего и ведомого валов, в 2 – 3 раза снизить массы грузовых звеньев импульсного механизма за счет накопления потенциальной энергии при действии обратных импульсов крутящего момента и ее использования при действии прямых импульсов.Упругая схема обладает и другими преимуществами по сравнению с жесткой. Все это приводит к снижению динамической напряженности инерционной передачи, повышению ее нагрузочной способности, и, следовательно, увеличению долговечности передачи.

Отметим и другие работы по изучению упругой схемы инерционной бесступенчатой передачи.

Математическая модель инерционной автоматической передачи городского автобуса с учетом упругих свойств механизмов свободного хода, полученных экспериментальным путем, рассмотрена в работе С.П. Баженова, А.В. Галкина и М.И. Дедяева [44].

С.М. Пономаревым исследован наиболее нагруженный режим работы инерционной передачи с упругими элементами режим трансформации момента в области малых передаточных чисел, рассмотрены вопросы рациональной формы записи дифференциальных уравнений ее движения [45].

В работе А.Ф. Дубровского [46] изучены ударные нагрузки, действующие на элементы упругого микрохрапового механизма свободного хода инерционной передачи.

Изучению динамики инерционной передачи с упругими механизмами свободного хода посвящены также другие работы [47-55].

Исследования упругой схемы позволили значительно повысить долговечность инерционной передачи и положили начало новому этапу в развитии инерционных систем этапу внедрения результатов разработок в промышленность. Коллективу научных сотрудников Челябинского политехнического института им. Ленинского комсомола под руководством А.И. Леонова осуществлено внедрение инерционных гайковертов на Уральском автомобильном заводе, микрохраповых механизмов свободного хода в приводе топок ТЛЗ, ТЗПЛ, ТЧЗ, ТЧЗМ, выпускаемых Кусинским машиностроительным заводом, инерционных трансформаторов вращающего момента в приводе буро-погрузочных машин Копейского машиностроительного завода. Тем не менее, упругая схема не позволила полностью решить проблему недостаточной долговечности инерционных передач и добиться их широкого применения.

Другая идея использования энергии обратного импульса для повышения нагрузочной способности инерционной передачи и снижения ее динамической напряженности реализована в схеме инерционного привода с реверсивной зубчатой передачей [56] (рис. 1.3).

На ведущем маховике 1 закреплены оси сателлитов 2 с неуравновешенными грузами 3. Сателлиты обкатываются по центральной шестерне 4, установленной на промежуточном валу 5, на котором также установлены внутренние обоймы двух механизмов свободного хода 6 и 7. Наружная обойма одного из них связана с реверсивной зубчатой передачей 8, другого с ведомым маховиком 9, расположенном на ведомом валу 10.

На режиме трансформации момента инерционные силы грузовых звеньев создают знакопеременный момент на промежуточном валу. Прямые импульсы момента передаются через механизм свободного хода 7 на ведомый вал, обратные импульсы через механизм свободного хода 6 и реверсивную зубчатую передачу 8 также передаются на ведомый вал.

Рис. 1.3. Схема инерционной передачи с реверсивной Принцип работы описанной инерционной передачи подробно изложен в статье [57], а ее динамика исследована Г.А. Болотовым и С.М. Крупицким [58В этих работах установлено, что использование энергии обратного импульса с помощью реверсивной зубчатой передачи позволяет снизить максимальные значения внутренних сил и моментов на 30 – 35%.

Как показали исследования Р.Н. Болдырева, Г.А. Болотова, С.М. Крупицкого и М.И. Злотника по обоснованию схемы инерционной передачи для транспортной машины [62], рациональным следует признать использование обратного импульса посредством шестеренчатой передачи лишь в диапазоне передаточных чисел от 0 до 0,35 с дальнейшим переходом на использование только прямого импульса. При этом обеспечивается наилучшее приближение внешней характеристики к идеальной. Реализация такого комбинированного использования энергии обратного импульса в инерционной трансмиссии транспортных средств вызывает усложнение конструкции, что еще раз подтверждает тезис о нерациональном использовании инерционной передачи в приводе транспортных средств.

Снижение динамической напряженности инерционного привода с реверсивной зубчатой передачей, так же как и в инерционной передаче с упругими механизмами свободного хода, достигается за счет дополнительного использования энергии обратного импульса. Сравнение этих конкретных реализаций одного и того же способа показывает преимущество упругой схемы, поскольку введение упругих элементов в механизмы свободного хода практически не усложняет конструкцию и сохраняет габариты передачи.

Еще одним интересным конструктивным приемом использования энергии обратного импульса и повышения за счет этого нагрузочной способности инерционной передачи является использование импульсов момента разного знака для привода различных рабочих органов. Такая схема с раздельным использованием импульсов предложена Г.Г. Васиным, В.Г. Белоглазовым, А.В. Куницей и Н.Ю. Золотаревым [63] для привода различных рабочих органов валковой дробилки (рис. 1.4).

Двигатель 1 с помощью муфты 2 связан с ведущим валом импульсного механизма 16, на ведомом валу которого закреплены внутренние обоймы механизмов свободного хода 11 и 15. Наружная обойма механизма свободного хода 11 через шестерни 3 и 4, ось с маховой массой 5 и карданную передачу 6 взаимодействует с валком 8, снабженном упругим элементом 7. Аналогичным образом, через шестерни 13 и 14, ось с маховой массой 12, карданную передачу осуществляется кинематическая связь наружной обоймы механизма свободного хода 15 с валком 9.

Прямые импульсы знакопеременного вращающего момента, генерируемого на ведомом валу импульсного механизма, передаются на валок 8, обратные на валок 9. Таким образом, в процессе работы валковой дробилки используется энергия импульсов различных знаков.

Рис. 1.4. Кинематическая схема инерционной передачи с раздельным использованием импульсов для привода различных рабочих органов Инерционная передача с раздельным использование импульсов для привода различных органов валковой дробилки позволяет автоматически и бесступенчато регулировать параметры вращающего момента на валках дробилки в зависимости от физико-механических свойств дробимого материала. Пульсирующий характер подачи вращающего момента на рабочие органы уменьшает энергоемкость процесса дробления, а то обстоятельство, что величина прямого импульса больше обратного, приводит к дополнительному истиранию дробимого материала [64]. Исследованию динамики инерционной передачи с различным использованием импульсов посвящены работы [63-65].

Заметим, что описанная схема инерционной передачи позволяет повысить ее нагрузочную способность, но может быть использована лишь в машинах с несколькими рабочими органами, что суживает возможные области ее применения.

Важным направлением повышения нагрузочной способности инерционной бесступенчатой передачи является снижение числа наиболее слабых ее звеньев механизмов свободного хода, разработка конструкций инерционной передачи, содержащих не два механизма свободного хода, как в общей схеме, а лишь один, а в некоторых случаях без механизмов свободного хода вообще.

Вероятно, первой инерционной передачей лишь с одним механизмом свободного хода является инерционная трансмиссия (рис. 1.5), разработанная английской фирмой "Maudslay" для применения на грузовых автомобилях большой грузоподъемности и предложенная Х. Хоббсом (Австралия) [66].

Ведущий вал 1 передачи выполнен заодно целое с передней крышкой ведущего маховика 2, в гнездах которого закреплены подшипники качения с установленными в них осями сателлитов 4. На осях закреплены неуравновешенные грузы 3. Сателлиты кинематически связаны с центральной шестерней 5, непосредственно соединенной с ведомым (карданным) валом 8. На ведомом валу также установлена внутренняя обойма 9 корпусного механизма свободного хода, наружная обойма 6 которого связана с корпусом передачи. На заднем конце ведомого вала с целью снижения неравномерности вращения установлен маховик 10.

При вращении ведущего маховика на режиме трансформации момента сателлиты обкатываются вокруг центральной шестерни. Возникающие силы инерции неуравновешенных грузов создают знакопеременный момент, прямые импульсы которого передаются на трансмиссию автомобиля, обратные через механизм свободного хода воспринимаются корпусом передачи.

При небольших оборотах ведущего вала создаваемый неуравновешенными грузами вращающий момент недостаточен для преодоления момента сопротивления, автомобиль остается неподвижным.

С увеличением числа оборотов возрастает пропорционально квадрату оборотов вращающий момент и при достижении им момента сопротивления происходит трогание автомобиля с места.

Если момент сопротивления на ведомом валу не превышает момента двигателя, устанавливается прямая передача, при этом сателлиты и центральная шестерня вращаются как одно целое с небольшими относительными колебаниями.

Если же момент сопротивления на выходном валу больше момента двигателя, устанавливается режим трансформации. В этом случае центральная шестерня совершает прерывистое одностороннее вращение. Повороту шестерни в направлении противоположном вращению ведущего вала препятствует механизм свободного хода. Равномерное движение автомобиля достигается тем, что ведомый вал выполнен торсионным и сглаживает неравномерное вращение центральной шестерни.

В передаче Хоббса используется только лишь один корпусной механизм свободного хода, выходной механизм свободного хода заменен упругим (торсионным) ведомым валом. В работе [67] показано, что при такой замене значительно снижается разность угловых скоростей ведущего и ведомого валов в момент выхода передачи на режим динамической муфты, уменьшается амплитуда максимальных значений реактивного момента на ведущем валу. Улучшается разгонная характеристика по сравнению с передачей с выходным механизмом свободного хода.

Исследованию динамики передачи Хоббса с упругим ведомым валом в приводе мотоцикла "Иж-Планета -3" посвящена работа [68].

Замена выходного механизма свободного хода упругим валом упрощает конструкцию инерционной передачи, исключает одно из наиболее нагруженных его звеньев, что способствует повышению нагрузочной способности передачи и ее долговечности. Вместе с тем, как показано в работе [69], на режиме заторможенного ведомого вала значительно повышаются нагрузки на корпусной механизм свободного хода, что объясняется дополнительным действием сил упругости.

Следующая схема инерционной передачи с одним механизмом свободного хода (рис. 1.6) предложена В.И. Пожбелко [70].

Рис. 1.6. Схема автоматического инерционно-импульсного привода Ведущая центральная шестерня 1 вращает неуравновешенные сателлиты разного диаметра 2, свободно установленные на осях водима 3. Водило жестко соединено с ведомым валом 5. На ведомом валу закреплена внутренняя обойма механизма свободного хода, наружная обойма которого соединена с корпусом передачи.

Принцип работы этой передачи аналогичен принципу работы передачи Хоббса. Ведомый вал в процессе работы передачи на режиме трансформации момента совершает прерывистое одностороннее вращение.

Отличительной чертой рассмотренного инерционного привода является применение полигармонического импульсного механизма. Одна из возможных схем полигармонического импульсного механизма представлена на рис. 1.7 и состоит из ведущей центральной шестерни 1, кинематически связанной с неуравновешенными сателлитами 2,3,4 разного диаметра, установленными свободно на осях ведомого водила 5. Инерционные силы вращающихся неуравновешенных сателлитов создают на ведомом звене импульсы полигармонического момента с числом гармоник, равным числу неуравновешенных сателлитов разного диаметра.

Рис. 1.7. Схема полигармонического импульсного механизма Применение полигармонических импульсных механизмов позволяет получать различные амплитудно-частотные характеристики инерционной передачи посредством изменения числа гармоник момента, соотношения частот и амплитуд гармоник, а также их фазового смещения [71].

Схема инерционной передачи с одним механизмом свободного хода и полигармоническим импульсным механизмом реализована в опытно-промышленном образце автоматического привода, смонтированного на серийном камнефрезерном станке БКС-3 (рис. 1.8) взамен серийной коробки скоростей.

Рис. 1.8. Схема автоматического инерционно-импульсного 1 -двигатель; 2 - ременная передача; 3,4,5 -звенья импульсного механизма; 6 - ведомый вал; 7 - механизм свободного хода; 8 - фреза Инерционные силы вращающихся неуравновешенных сателлитов формируют знакопеременный инерционный момент на ведомом валу 6. Прямые импульсы момента, действующие в направлении резания, создают усилие резания, обратные импульсы момента через механизм свободного хода замыкаются на корпус.

Неуравновешенные сателлиты полигармонического импульсного механизма выполнены с различным числом зубьев (42, 21, 14). При таком выборе параметров сателлитов максимальный момент, действующий на механизм свободного хода, оказывается значительно меньше максимального момента, создающего усилие резания. Таким образом, достигается снижение нагрузок на механизм свободного хода. Использование полигармонического импульсного механизма позволяет также производить настройку привода камнефрезерного станка на оптимальные режимы работы.

Автоматический инерционно-импульсный привод камнефрезерного станка изменяет режимы резания в соответствии с физико-механическими свойствами камня в процессе динамического резания, что обеспечивает более полное использование мощности двигателя, повышает производительность станка и снижает энергоемкость процесса резания в 1,3 - 1,5 раза по сравнению со статическим приводом [69]. Пульсирующий характер подачи момента на камнерезный инструмент способствует образованию в камне трещин, что также приводит к улучшению технико-экономических показателей установки.

Динамика автоматического планетарного инерционно-импульсного привода камнерезного инструмента с полигармоническим импульсным механизмом подробно исследована в кандидатской диссертации В.И. Пожбелко [69].

Схема инерционной передачи с одним механизмом свободного хода лежит и в основе конструкции инерционного гайковерта, предложенного А.А. Романченко, А.И. Леоновым и А.Л. Колесниковым [72]. Кинематическая схема инерционного гайковерта приведена на рис. 1.9.

На валу электродвигателя 2, размещенного в корпусе 1, установлена солнечная шестерня 3, кинематически связанная с неуравновешенными сателлитами 4, находящимися на осях водила 5. Водило установлено в корпусе на подшипниках и жестко соединено с рабочим органом 7. На валу рабочего органа закреплена внутренняя обойма механизма свободного хода 6, наружная обойма которого связана с корпусом гайковерта.

Рис. 1.9. Схема инерционного автоматического гайковерта При достаточно малом моменте сопротивления на завинчиваемой гайке инерционная передача работает на прямом режиме. При этом завинчиваемая гайка максимально быстро выбирает холостой участок хода. При выборе холостого хода инерционная передача переходит на режим трансформации. Прямые импульсы момента о инерционных сил грузовых звеньев передаются на рабочий орган, а обратные воспринимаются корпусом. Рабочий орган совершает при этом прерывистое одностороннее вращение. Осуществляется затягивание гайки. В случае, когда водило заторможено, на рабочий орган передается максимальный момент, т.к. при этом сателлиты вращаются с максимальной скоростью.

Инерционный автоматический гайковерт создает вибрационный характер затяжки, который позволяет в значительной мере усреднить ошибки нарезки резьбы, различные коэффициенты трения и имеет на стоповом режиме стабильные характеристики затяжки(отклонение величины момента затяжки от заданного не превышает 2%), что очень важно для качественного выполнения резьбового соединения..

На базе электрического ударно-импульсного гайковерта ГК-3 был спроектирован инерционный гайковерт, имеющий следующие параметры: мощность электродвигателя 0,3 кВт, средняя угловая скорость рабочего органа от 0 до 199 с в зависимости от момента сопротивления на рабочем органе, максимальный момент затяжки 30 Нм, максимальный коэффициент трансформации момента 75. Две промышленные партии инерционных автоматических гайковертов внедрены на Уральском автомобильном заводе.

Изучению динамики инерционных гайковертов посвящена работа [73].

Описанная схема инерционной передачи не может быть использована в приводе машин и механизмов, рабочие органы которых должны совершать равномерное вращение.

Отметим, что во всех рассмотренных конструкциях инерционной бесступенчатой передачи с одним механизмом свободного хода этот механизм является корпусным.

Особый интерес с точки зрения повышения нагрузочной способности представляют конструкции инерционной бесступенчатой передачи, в которыхмеханизмы свободного хода, как наиболее слабые звенья передачи, отсутствуют вообще.

К сожалению, в настоящее время не известно ни одной конструкции инерционно-импульсной бесступенчатой передачи механического типа общего назначения без механизмов свободного хода с однонаправленным вращением ведомого вала. Вопрос о принципиальной возможности создания такой конструкции остается открытым. Но известно несколько конструкций инерционной передачи без механизмов свободного хода, имеющих специализированное назначение. В таких конструкциях рабочий орган совершает знакопеременное движение.

Начало выделению класса инерционных передач без механизмов свободного хода положило изобретение машины для сварки трением [74]. Схема этой машины изображена на рис.1.10.

Вал двигателя 1 соединен с ведущим маховиком 2 импульсного механизма.

На ведущем маховике закреплены оси неуравновешенных сателлитов 3, входящих в зацепление с солнечной шестерней 4. Ось солнечной шестерни соединена со шпинделем 5 рабочего органа, представляющего собой свариваемую деталь.

На режиме трансформации момента импульсный механизм за цикл работы сообщает шпинделю два противоположных импульса. Оба импульса расходуются на нагрев свариваемой детали.

Применение инерционной передачи в приводе машины для сварки трением позволяет строго регламентировать сварочный процесс, так как количество энергии, вносимой в зону сварного соединения, прямо пропорционально времени работы передачи и может быть точно рассчитано теоретически. Улучшается и прирабатываемость свариваемых деталей за счет их знакопеременного относительного вращения.

Машина для сварки трением является примером удачно подобранной области применения инерционной передачи без механизмов свободного хода. Действительно, сварка трением независимо от направления вращения шпинделя позволяет выполнить одну и ту же функцию нагревать свариваемую деталь. В смысле выполнения этой основной функции прямые и обратные импульсы равноправны.

Заметим, что момент сопротивления на шпинделе машины для сварки трением меняет знак в течение цикла работы передачи, что является необходимым условием для трансформации момента.

Приведенная схема инерционной передачи без механизмов свободного хода исследована в диссертации Р.Н. Болдырева [34], а также в работе А.В. Геренштейна и В.И. Пожбелко [75].

Описанный способ трансформации момента может быть использован и в других машинах, рабочие органы которых совершают знакопеременное вращение.

Причем преимущество имеют машины с небольшими моментами инерции рабочих органов, потому что периодические разгоны и остановки больших инерционных масс за короткие промежутки времени вызовут значительные динамические нагрузки в передаче.

Следующая оригинальная идея осуществления инерционной передачи без механизмов свободного хода принадлежит М.Ф. Балжи и Р.Н. Болдыреву [76] и заключается в использовании гидропередачи, скомпонованной с импульсным механизмом (рис. 1.11).

Ведомый вал 1 импульсного механизма соединен с ротором реверсивного гидронасоса 2. Гидронасос с помощью трубопроводов 3 и 4 связан с клапанной коробкой 5. От клапанной коробки отходят нагнетательный 6 и всасывающий трубопроводы, связывающие ее с гидромотором 8.

В процессе трансформации момента ведомый вал импульсного механизма вместе с ротором гидронасоса совершает знакопеременное вращение. Направление движения жидкости, текущей по трубопроводам 3 и 4, также меняется в течение цикла работы передачи. Знакопеременное движение жидкости выпрямляется в клапанной коробке, и по трубопроводам 6 и 7 жидкость течет уже в одном направлении. Таким образом при действии прямого и обратного импульсов обеспечивается однонаправленный подвод жидкости к гидромотору. Ведомый вал гидромотора совершает одностороннее непрерывное вращение.

По сравнению с предыдущей схемой инерционной передачи без механизмов свободного хода гидроинерционная передача имеет существенное преимущество, так как в принципе может быть применена в приводах большинства современных машин. Вместе с тем, гидроинерционная передача обладает и недостатками. Использование гидромотора, гидронасоса и выпрямляющей клапанной коробки значительно усложняет конструкцию инерционной передачи. Для предотвращения течи жидкости требуются уплотняющие устройства. Промежуточное преобразование энергии из одного вида в другой и обратно снижает КПД передачи.

Результаты теоретических исследований гидроинерционной передачи и экспериментальных исследований опытного образца отражены в работах В.И. Филинова, Б.Л. Диковского и И.Б. Щербакова [77,78].

С.П. Баженовым, В.М. Земиным, А.А. Остапенко предложены варианты инерционной гидродифференциальной передачи с дополнительно введенными фрикционными элементами, позволяющие уменьшить габариты и повысить надежность передачи [79].

В работе Д.В. Гребенькова [80] проведено прогнозирование технического ресурса инерционной гидродифференциальной автоматической передачи мобильных машин.

Инерционной передачей без механизмов свободного хода является также инерционно-импульсная виброустановка для бучардирования гранита [81]. Схема установки представлена на рис. 1.12.

Солнечная шестерня 2, закрепленная на валу двигателя 1, приводит в движение неуравновешенные сателлиты 3. Сателлиты свободно установлены на осях водила 4, которое соединено с двуплечим рычагом 5. На одном плече рычага размещен комплект бучард 6, другое плечо рычага через упругие элементы 8 связано с корпусом передачи.

Инерционные силы неуравновешенных сателлитов создают знакопеременные импульсы вращающего момента. При действии импульсов момента одного знака происходит сжатие упругих элементов и раскрытие зазора между бучардами и камнем 7, при действии импульсов момента другого знака происходит нанесение бучардами удара по камню. В процессе бучардирования осуществляется автоматическое регулирование режимов виброобработки. Параметром автоматического регулирования служит изменение ударной скорости бучард по мере удаления слоя камня. Наиболее выступающие участки камня обрабатываются с максимальной интенсивностью, а при чистовой обработке интенсивность скола снижается до минимума. Настройка привода на требуемый режим импульсной обработки камня производится варьированием предварительного поджатия упругих элементов.

Инерционно-импульсная виброударная установка позволяет закрепить на выходе комплект бучард и производить одновременную обработку всей ширины поверхности камня, что повышает производительность процесса в несколько раз.

Интенсификации процесса способствует также виброударный характер воздействия бучард на поверхность гранита. С помощью установки можно обрабатывать грубоколотую поверхность заготовок из разных пород гранита и обеспечить при этом высокую прямолинейность и качество готового изделия [81].

В работе [82] установлены соотношения между основными параметрами виброударной системы, обеспечивающие ударно-вибрационные режимы работы.

Результаты экспериментальных исследований инерционно-импульсного бучардирования отражены в работах [83-86].

С точки зрения возможностей и методов повышения нагрузочной способности инерционных бесступенчатых передач, несомненно, интерес представляют исследования, направленные на повышение нагрузочной способности технических передач, непосредственно не являющимися инерционными, но имеющими в принципе своего действия импульсную природу генерирования крутящего момента. Примером могут служить импульсные вариаторы. К таким исследованиям можно отнести монографии В.Ф. Мальцева [87], А.А. Благонравова [88,89], А.Е.

Кроппа [90], А.И. Леонова и А.Ф. Дубровского [91] и некоторых других авторов.

Значительные усилия по совершенствованию инерционных бесступенчатых передач с целью повышения их нагрузочной способности предпринимаются за рубежом. Достаточно сослаться на источники [92-99].

1.3 Опыт ошибочных конструкций инерционных бесступенчатых передач Идея создания конструкций инерционных бесступенчатых передач без механизмов свободного хода чрезвычайно привлекательна, так как именно недостаточная надежность механизмов свободного хода сдерживает широкое использование таких передач. Поэтому достаточно часто появляются схемы и конструкции инерционных передач без механизмов свободного хода, авторы которых утверждают, что эти конструкции и схемы являются работоспособными. Основная идея таких конструкций заключается в попытках исключения обратных импульсов или изоляции их действия на ведомый вал. Как правило, эти передачи при дальнейшем исследовании оказываются неработоспособными. На создание этих ошибочных конструкций тратятся значительные силы и средства, при этом теряется впустую большое количество времени, которое могло бы быть потрачено изобретателями, конструкторами и экспертами на созидательные усилия. Так, например, один из изобретателейтолько за последние несколько лет получил на свои конструкции бесступенчатых передач свыше двадцати патентов на изобретения, но все эти конструкции, к сожалению, являются ошибочными.

Важным инструментом по определению ошибочности предлагаемых конструкций инерционных передач без механизмов свободного хода явилось доказанное Леоновым А. И. утверждение о невозможности трансформации момента в соосных передачах при действии одностороннего момента сопротивления при отсутствии опоры на корпус. Другими словами, для трансформации момента со стороны корпуса в течение цикла должен действовать момент реакции, направленный против момента полезного сопротивления. Доказательство этого утверждения [100] позволило резко сократить затраты на отсечение неработоспособных конструкций.Тем не менее, ошибочные схемы и конструкции инерционных бесступенчатых передач без механизмов свободного хода, защищенные патентами, в большом количестве появляются и по сей день.

Приведем некоторые примеры, рассмотрение которых необходимо для учета накопленного опыта, что позволит избежать ошибок при создании инерционных передач повышенной нагрузочной способности. Подчеркнем, что все эти примеры ошибочных конструкций защищены патентными документами, а следовательно, рассмотрение подобных примеров будет полезным не только для конструкторов и изобретателей, но и для экспертов патентных организаций.

В качестве типичного примера попытки исключить действие обратного импульса может служить конструкция[101], схема которой изображена на рис.1.13.

Рис.1.13. Схема инерционной передачи с пустотелыми сателлитами Основная идея конструкции заключается в том, что сателлиты 2 импульсного механизма, установленного в корпусе 1, выполнены пустотелыми с эллиптическими профилями поперечных сечений. Во внутренних областях сателлитов размещены подвижные грузы 3, выполненные, например, в виде дроби, металлического порошка или маловязкой тяжелой жидкости. Подвижные грузы заполняют внутренние полости сателлитов на 30 - 40%.

Автор конструкции ошибочно полагает, что при относительном и переносном вращении сателлитов 2 на размещенные в них подвижные грузы 3 действуют центробежные силы, создающие на ведомом валу импульсный вращающий момент. Благодаря эллиптической форме внутреннего профиля сателлитов, за каждый их оборот в относительном движении импульс вращающего момента создается дважды и действует в одном направлении, что обеспечивает возможность работы передачи в режиме трансформации вращающего момента.

В действительности, конструкция не может трансформировать момент, так как является сосной и не имеет опоры на корпус. Тем не менее, автор не останавливается на этой конструкции и совместно с соавторами предлагает аналогичную, но, к сожалению, также ошибочную конструкцию инерционной передачи для трансформации вращающего момента [102].

Рассмотрим следующий пример.

На рис.1.14 приведена схема, защищенная патентом [103]. Устройство содержит неподвижный корпус 1, ведущий и ведомый валы 2 и 3, маховик 4, уравновешенные грузы 5, конусные зубчатые колеса 6, ось 7, сателлиты с конусными 8 и цилиндрическими 9 венцами и колесо 10.

По мнению автора, устройство работает следующим образом.

Крутящий момент от ведущего вала 2 передается через маховик 4, ось 7, колеса 6, венцы 8 и 9 сателлитов и колесо 10 на ведомый вал 3. Если момент сопротивления вала 3 превышает крутящий момент, то венцы 9 сателлитов, обкатывая колесо 10, через венцы 8 приводят во вращение колеса 6 и связанные с ними грузы 5. В результате на грузах 5 возникают центробежные силы инерции относительно оси 7 и валов 2, 3. Однако относительно оси 7 эти силы уравновешены, так как установлены парные грузы 5. Относительно валов 2 и 3 грузы 5, вращаясь вокруг оси 7, циклически удаляются и приближаются к оси трансформатора, что приводит к циклическому изменению момента инерции. Под воздействием центробежных сил грузы 5 стремятся занять и сохранить наиболее удаленное положение от валов 2, 3, соответствующее максимальному моменту инерции. В результате циклически возникающие импульсы сил передаются через колеса 6, венцы 8 и 9 сателлитов колесу 10 и, следовательно, валу 3.

С возрастанием частоты вращения вала 2 импульсы сил увеличиваются пропорционально квадрату частоты вращения и в случае превышения или момента сопротивления вала 3 последний вращается с частотой, возрастающей до частоты вращения вала 2, т.е. прямой передачи, когда все звенья трансформатора вращаются как одно целое, а грузы 5 занимают наиболее удаленное положение от оси трансформатора. На режиме трансформации момента устанавливается промежуточное передаточное отношение, соответствующее равновесию сил.

То есть, автор устройства полагает, что это устройство является инерционным трансформатором и способно изменять передаточное отношение. Более того, автор заявляет, что изготовлена модель предложенного устройства, причем проведенные испытания модели показали ее работоспособность.

Не вдаваясь в технические подробности, на основании доказанного Леоновым А.И. утверждения можно сразу сделать вывод о неработоспособности предложенного устройства. Действительно, предложенное устройство является соосным и в нем отсутствует необходимая для трансформации момента опора на корпус.

Следующий пример ошибочной конструкции инерционной передачи без механизмов свободного хода [104] показан на рис.1.15.

Рис. 1.15. Схема ошибочной конструкции инерционной передачи Схема включает ведущее водило 1, ведомое центральное колесо 2, с которым взаимодействуют сателлиты 3 с подвижными неуравновешенными грузами 4, установленными в диаметральной плоскости сателлитов 3 с возможностью вращения относительно осей 5, расположенной перпендикулярно этой плоскости.

Автор схемы считает, что предложенная конструкция работает следующим образом.

Вращение с ведущего водила 1 передается сателлитам 3, которые обкатываются по ведомому центральному колесу 2. Центробежные силы, воздействующие на неуравновешенные грузы 4, создают на ведомом колесе 2 вращающий момент, направленный в сторону вращения ведущего водила 1. Образование знакопостоянного вращающего момента обусловлено тем, что при приближении груза 4 к межцентровой линии сателлита 3, груз 4 отбрасывается центробежными силами в положение максимального удаления от оси вращения ведомого центрального колеса 2. Таким образом, груз 4 постоянно находится по одну сторону от вышеупомянутой межцентровой линии.

Понятно, что предложенная конструкция является сосной и не имеет опоры на корпус, следовательно, такая конструкция инерционной передачи является ошибочной и трансформировать вращающий момент не может.

Другим примером ошибочной конструкции инерционной бесступенчатой передачи является предложение болгарских ученых Добромиром Стояновым и Бранимиром Брангиевым [105], запатентованное во многих странах Европы и Америки, причем авторы утверждают, что предложенное устройство прошло экспериментальную проверку. Схема предложенного устройства изображена на рис. 1.16.

Ведущий вал 8 планетарной передачи, содержащий эпицикл 9, сателлиты 15, солнечную шестерню и водило 12, установлен в корпусе 7. На осях 10 сателлитов 15 установлены дополнительные модули 11 с двумя неуравновешенными секторами 2, имеющими переменные профили. Соосно с ведущим валом установлен поддерживающий диск 14. Водило планетарного механизма связано с ведомым валом 13.

По мысли авторов, при вращении сателлитов возникают инерционные силы, действующие на неуравновешенные секторы 2. В моменты, когда секторы не контактируют с поддерживающим диском 14, как показано в левой части рис. 1.17, инерционные силы F уравновешены. При контактировании с поддерживающим диском, как показано в правой части рис. 1.17, сектор передвигается в радиальном направлении, при этом инерционная сила другого сектора становится неуравновешенной. Действующая инерционная сила создает крутящий момент на ведомом валу.

Рис. 1.16. Схема конструкции, заявленной в качестве автоматической Авторы ошибочно предполагают, что таким образом можно исключить влияние обратного импульса, а передавать на ведомый вал лишь прямой импульс, обеспечивая при этом необходимую трансформацию момента. В работе [105] болгарским ученым Димитаром Петровым с помощью уравнений Лагранжа второго рода доказана несостоятельность данной конструкции. Заметим, что ошибочность этой соосной конструкции можно выявить и более простым путем, учитывая отсутствие опоры на корпус.

Рис. 1.17. Схема действия сил во время прямого и обратного Аналогичный пример ошибочной конструкции автоматической инерционной импульсной передачи [106] изображен на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Схема ошибочной конструкции автоматической инерционной Не вдаваясь в конструктивные особенности, заметим, что идея конструкции состоит в том, что в зоне действия положительных импульсов устройство работает как обычная инерционная передача, в зоне же действия отрицательных импульсов инерционные силы воспринимаются дополнительно установленным кольцом, поэтому они не передаются на ведомый вал.

Ошибочность конструкции очевидна, так как эта конструкция является соосной, но опора на корпус с созданием момента реакции относительно оси конструкции не обеспечена.

Еще одним примером ошибочной конструкции инерционной бесступенчатой передачи может служить устройство[107], схема которого показана на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Схема инерционного устройства без корпусного Это устройство состоит из ведущего вала 1 с импульсным механизмом 2, промежуточного вала 3 с установленным на нем выходным механизмом 4 свободного хода и ведомого вала 5 с маховиком. На промежуточном валу 3 размещен датчик 6 скорости, соединенный с блоком 7 управления.

В качестве выходного механизма свободного хода установлена муфта дистанционного управления с возможностью включения при помощи блока управления. Импульсный механизм включает в себя шестерню 8 внутреннего зацепления, солнечную шестерню 9 и сателлиты 10 с неуравновешенными грузами 11.

По мнению авторов, устройство работает следующим образом.

В период положительного импульса, когда направление вращения промежуточного вала 3 также условно положительно, блок 7 управления выдает сигнал на включение выходного механизма свободного хода. В момент появления отрицательного импульса и, следовательно, в момент смены направления крутящего момента промежуточного вала 3 выходной механизм 4 свободного хода отключается блоком 7 управления, то есть валы 3 и 5 разомкнуты, промежуточный вал 3 начинает вращаться в обратную сторону. В момент начала вращения вала 3 в положительном направлении выходной механизм 4 свободного хода вновь замыкается блоком 7 управления. Далее процесс повторяется. При этом в зависимости от частоты смены направления промежуточного вала 3 блок управления может давать сигнал на включение выходного механизма 4 свободного хода не сразу с появлением положительного импульса, а с пропуском нескольких таких импульсов, что снижает нагрузку на выходной механизм 4 свободного хода, хотя и увеличивает время разгона импульсной передачи.

Данное устройство не содержит корпусного механизма свободного хода, а содержит лишь выходной механизм свободного хода, но который не обеспечивает необходимую для изменения момента опору на корпус. Недостаток этого устройства заключается в том, что передача является неработоспособной. Действительно, по мысли авторов во время действия прямых импульсов крутящий момент передается через выходной механизм свободного хода на ведомый вал, а при действии обратных импульсов происходит размыкание выходного механизма свободного хода и промежуточный вал начинает вращаться с обратную сторону. То есть, при действии обратных импульсов промежуточный вал не тормозится. Однако отсутствие корпусного механизма свободного хода лишает промежуточный вал возможности опираться на корпус при действии обратных импульсов. Авторы предполагают включение выходного механизма свободного хода во время действия прямых импульсов, но в данном устройстве прямых импульсов не будет вообще. Не испытывая сопротивления своему вращению в обратном направлении, промежуточный вал будет вращаться лишь этом направлении, ускоряя и замедляя свое вращение вплоть до мгновенных остановок.Предложенное устройство является соосным и не имеет опоры на корпус.

Таким образом, данное устройство в принципе не является бесступенчатой передачей, оно не может изменять крутящий момент, следовательно, является неработоспособной конструкцией.

В последнее время широко обсуждаются конструкции так называемого зубчатого вариатора [108], схема которого изображена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Схема ошибочной конструкции зубчатой Устройство выполнено в виде планетарного механизма и содержит входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы и с наложенной дифференциальной связью и выходную кинематическую цепь. Механизм подачи мощности выполнен в виде одного входного звена (водила H1 ) и сателлита 2. Выходная кинематическая цепь содержит блок солнечных колес 1, 4, блок эпициклических колес 3, 6, сателлит 5 с выходным водилом H 2 и выполнена с разными по величине отношениями радиусов в блоках солнечных и эпициклических колес и с геометрическими и инерционными параметрами, обеспечивающими преодоление выходного стартового момента сопротивления при допускаемом ускорении выходного сателлита. При передаче крутящего момента на старте также создают дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности.

Сборочный чертеж предложенной конструкции изображен на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Сборочный чертеж предполагаемого вариатора Авторы полагают, что их конструкция обеспечивает любой требуемый диапазон изменения скорости вращения выходного вала в зависимости от нагрузки на нем, что не соответствует истине, так как передача, как и все предыдущие конструкции, является сосной и не имеет опоры на корпус.

Аналогичная ошибочная конструкция зубчатого вариатора [109] приводится на рис. 1.22.

Зубчатая передача включает центральный вал 1 с солнечной шестерней 2, центральный вал 3 с солнечной шестерней 4, планетарные двухвенцовые шестерни 5 на осях 6 водила 7 первой ступени, центральную шестерню 8, планетарные шестерни 9, на осях 10 водила 11 второй ступени, центральную шестерню 12.

Рис. 1.22. Схема ошибочной конструкции зубчатого вариатора Автор конструкции предполагает, что устройство работает следующим образом.