CC BY
44
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
%
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК: 62183 П. Д. БАЛАКИН
А. А. ДЕГТЯРЕВ С. Н. КАРБАИНОВА
Омский государственный технический университет
Омский государственный аграрный университет
ГЕОМЕТРО-КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В СВЯЗЯХ УГОЛКОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
Проведен геометро-кинематический и силовой анализ взаимодействия активных поверхностей уголковой передачи, показаны следствия ее структурного несовершенства. Предложено техническое решение объемной гидромашины с постоянной и регулируемой производительностью, кинематическая схема которой построена на базе уголковой передачи.
Уголковая передача, получившая свое название благодаря конфигурации промежуточных звеньев, кинематически связывающих два вала с пересекающимися осями без преобразования параметров движения, известна давно, включена в справочную литературу по механизмам, например в [1], однако она не получила широкого применения в технике из-за очевидных недостатков схемы.
С позиций структуры такая передача содержит повторяющиеся связи по количеству промежуточных звеньев (уголков), следовательно, имеет место неопределенность распределения между ними долей передаваемого передачей силового потока. Структурное несовершенство подобной схемы подробно изучено и показано, в частности, в [2].
Кроме того, силовые двухподвижные связи проме-
жуточных тел 3 с фланцами 1 и 2 (рис. 1б), нагружены основным силовым потоком и имеют значительное неустранимое скольжение активных поверхностей, что непосредственно снижает механический кпд и, как следствие, ресурс передачи. По этим критериям уголковая передача неконкурентна карданной передаче и передаче гибким валом.
Количественно определить параметры относительного скольжения активных поверхностей удобно на базе разложения движения на составляющие, при этом абсолютное движение промежуточных звеньев (уголков) является поступательным. Каждая точка уголка движется по плоской траектории, расположенной в сечении зоны движения уголков плоскостью, делящей угол в пересечения осей основных звеньев 1 и 2 пополам.
В относительном вращательном движении скорость скольжения Уокр будет равна V = ю й/2, где Ю - угловая скорость вращения основных звеньев, а d - диаметр базовой активной цилиндрической поверхности уголка. В относительном поступательном движении уголков по базовым поверхностям фланцев 1 и 2 скорость скольжения Уос будет переменной, знакопеременной, определяемой зависимостью вида:
(2)
(1)
где Д - диаметр условного цилиндра расположения осей уголков на фланцах; в - угол пересечения осей основных звеньев; ф - обобщенная координата передачи.
Силовая модель передачи также имеет особенности, обусловленные схемой. Промежуточное звено нагружено в связях боковыми силами, как частями окружной силы на диаметре Д от внешнего силового момента, причем угол давления — угол между вектором боковой силы и вектором поступательного движения уголка по базовой поверхности фланца равен п/2, что теоретически обосновывает невозможность относительного поступательного движения. Однако следует предположить, что сила трения активных поверхностей уголка и фланцев оказывается полностью выбранной трением в относительном вращательном движении, тогда в поступательном движении элементов трение отсутствует, образуя идеальную пару без трения, т.е. влияние угла давления в такой паре исключается.
Схема сил, действующих на промежуточное звено, зависит от его фазового углового положения. Силы могут быть как в плоскости, параллельной плоскости расположения осей основных звеньев, так и в пересекающихся плоскостях, отстоящих от осей основных звеньев на расстоянии Д/2. Если обозначить внешний силовой момент М , количество уголков Д то
кр
в первом приближении суммарные реакции в связях отдельного уголка будут такими:
01
02
Промежуточные звенья имеют симметричное, но консольное базирование, что предопределяет переменное по длине базовых поверхностей удельное давление активных поверхностей уголков с фланцами основных звеньев. Представление о характере распределения реакций в связях можно составить на модели уголковой передачи с в = 0, когда передача будет соосной, а уголки преобразуются в стержни, выполняющие роль соединительной муфты между фланцами основных звеньев 1 и 2. В целом каждый уголок при передаче силового потока находится в условиях симметричного знакопеременного нагружения, вызывающего в материале уголка симметричные напряжения О —.
В последнее время к уголковой передаче проявляется интерес, но только не как к передаче движения, а как к механизму, перспективному в реализации в качестве гидромашины объемного действия, с регулируемым объемным расходом жидкости, причем регулировка расхода достигается изменением угла пересечения осей основных звеньев.
Полости всасывания и нагнетания образуются во фланцах основных звеньев, их открытие и закрытие обеспечивается конструкцией бесклапанных торцевых уплотнений, а роль поршней выполняют промежуточные звенья (уголки), которые выполняются составными, соединенными одноподвижной
Рис. 1. Кинематическая схема передачи
вращательной парой по схеме [3], а основные звенья имеют возможность изменения угла пересечения осей, что приводит к изменению рабочих объемов гидромашины и, как следствие, к переменной, регулируемой ее производительности. Естественно, что использование уголковой передачи в качестве гидромашины с регулируемой производительностью, изменяет схему нагружения связей такой механической системы. Наиболее проблемной будет внутренняя связь составного промежуточного звена с изменяемой геометрией. Величины нагрузок будут зависеть от перепадов давления всасывающей и нагнетательной полостей, скоростного режима и объемного расхода гидромашины.
Один из вариантов использования уголковой передачи в оригинальной объемной гидромашине [4] с постоянным расходом жидкости представлен на рис. 2.
В схеме гидромашины промежуточные звенья играют роль уголковой передачи и одновременно — роль плунжеров.
Гидромашина работает следующим образом: вращение от ведущего блока цилиндров 3 промежуточными звеньями 4 передается ведомому блоку цилиндров 2 при этом плунжера поочередно перемещаются от верхнего положения к нижнему и обратно, а также одновременно перемещаются и вдоль цилиндров, совершая рабочий ход Н, полная величина которого определяется по формуле:
Н = В-гд
180° - в
(3)
где Б — диаметр окружности расположения цилиндров в блоке,
в — угол изгиба оси плунжера.
Рабочий объем каждого цилиндра увеличивается при перемещении промежуточного звена из верхнего положения к нижнему, в этой фазе происходит всасывание жидкости. При дальнейшем вращении блоков цилиндров промежуточные звенья перемещаются из нижнего положения к верхнему, совершая процесс нагнетания. Объем жидкости, подаваемый
а
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Рис. 2. Объемная гидромашина 1 - корпус, 2 - ведомый блок цилиндров, 3 - ведущий блок цилиндров,
4 - плунжера (промежуточные звенья), 5 - золотник, 6 - опора, 7 - уплотнения.
гидромашинной за один оборот блоков цилиндров, определяется по формуле
Ш = 2—-И-г , (4)
4
где 2 — число блоков цилиндров; d — диаметр плунжеров; Н — рабочий ход плунжера; z — количество плунжеров.
В данной схеме гидромашины всасывание и нагнетание происходит посредством золотника, установленного по оси ведомого блока цилиндров, а также сквозных осевых отверстий плунжеров и радиальных выпускных и впускных окон в ведомом блоке цилиндров.
Подобная гидромашина перспективна к использованию прежде всего в системах смазки, а также в качестве объемной гидромашины малой производительности.
В настоящее время в ОмГАУ завершается конструкторская разработка оригинальной гидромашины с регулируемой производительностью. В основу её схемного решения положена уголковая передача с переменным углом расположения основных звеньев.
Библиографический список
1. Механизмы : справочник. — Изд. 4-е, перераб. и доп.; под ред. С.Н. Кожевникова. — М. : Машиностроение, 1976. - 784 с.
2. Балакин, П.Д., Дегтярев, А.А., Згонник, И.П., Олькова, С.Н. Синтез оптимальной структуры уголковой передачи общего вида // Омский научный вестник. — 2006. — С. 100-103.
3. Уголковая передача : пат. на полезную модель 60662 Рос. Федерация : МПК F 16Н 1/100 / Балакин П.Д., Дегтярев А.А., Олькова С.Н., Сакара Д.В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2006122962/22; заявл. 27.06.06 ; опубл. 27.01.07, Бюл. № 3. — 3 с.
4. Объемная гидромашина : пат. на полезную модель 65582 Рос. Федерация : МПК F 04 В 1/10 / Балакин П.Д., Дегтярев А.А., Олькова С.Н., Сакара Д.В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 2007100398/22; заявл. 09.01.2007 ; опубл. 10.08.2007, Бюл. № 22. — 3 с .
БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин ОмГТУ.
ДЕГТЯРЕВ Анатолий Антонович, кандидат технических наук, доцент кафедры деталей машин ОмГАУ. КАРБАИНОВА Светлана Николаевна, аспирантка кафедры деталей машин ОмГАУ.
Дата поступления статьи в редакцию: 14.04.2008 г. © Балакин П.Д., Дегтярев А.А., Карбаинова С.Н.
