Механические системы с адаптивными свойствами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621-е 1

МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С АДАПТИВНЫ МИ СВОЙСТВАМИ

П. Д. Балакнн. Е. А. Хюндкк. О. С. Дюнлпк Омский ¿исудиусптенный технический унньерсипшгп, ¿. Омск, Puccia

Аннотация - Исследование содержит материал по развитию принципа конструирования механических систем путем наделения их свойствам адаптации к переменному внешнему нагружен ню, 5а счет способности к автоматическому изменению передаточной функции встроенной иепью управления. В качестве примера избрано оригинальное авторское схемное решение механической передачи на базе автоматического тлрояого яарпатора. Приветен проектный расчет огнокныт -»лементпк нгтроенкон цепи управлении, циклон а.аорш.м tetitHieia.Порнулыаим проведенною исследования ни.пчены выводы о том. что подобная цепь управления может быть реализована элементами с линейными характеристиками б ограниченном диапазоне изменения передаточной функции.

Ключевые слов с: целевая функция, автовариатор, цепь управления, vnpynra элемент.

l.bBtJt НШ:

В последнее время наряду с традиционными подходами вес более востребованным прп синтезе механических систем является принцип конструирования систем, механических передач в частности, путем наделения снсхсм на схадии ил лроскхированин свожлвамн адаихацин рса.1ьным x.o.pcxixtocxH>x .-хяихивленлл. сборки, к температурным и силовым дефермщиям к условиям эксплуатации. Научная оеновз такогс принципа конструирования заложена в [1? 2]. развита в [3; и др. доведена до полезных приложений в [5-9] н др.

D. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Еслп объектом синтеза избрать механический привод мапшпы. гармонизирующий компоненты трспефор мируемой мошности. то достижимые цели адаптации оудут такими:

- инднфференшосхь к нсоирсдслсинослям. порождаемым нолем хочиосхн. uojicm деформации, a галле к температурным искажениям размеров звеньев и связей:

- энергетическое совершенство:

- пслнос использование раеполагасмонмощностн:

- обеспечение стационарного режима ряооты диигстел* r углоииях переменного рнептнего нагружетпг;

- обесххсчснис шил охни на харакхерлех нки .hjiotjoi о нохоха на лено. хин хельном орх анс машины.

Средства адапгздии. построенные на реализации в них исключительно ззконэе механики к исполненные

механическими элементами, весьма ограничены и сводттся к праЕнльномустроению Г1.1 4] и дэпо.ткигельно-му tc основному движению звеньев. Дополнительное движение может быть кис малым дарением самоустаиов кн звеньев, деформации звеньев, элементов связей и специально вводимых в состав звеньев н связей функциональных компгнеатороз - упругих звеньев, вставок, сайленг - Олоеов н др.. так н значительным, реализуемым с

помощью встроенной в схсму управляющей цепн. получающей сигнал на управление от основною силового потока. как это закреплено, например, б материалах пагеитоэ [б 9] и др.

Механический лрквод с адаптивными свойствами обязательно наделяется рациональной структурой, исключающей избыточные контурные, локальные и повторяющиеся сеязи. Б тех случаях, когда полно? неюлоче-ние избыточных связей невозможно по критериям прочности, лсесткэсти. износостойкости. тогда неопределенности порождаемые ими должны быть макгимячьио ослаблены

Особый теоретический и прикладной интерес имеет решение задачи синтеза цепи автоматического бесступенчатого управтения передаточной функцией механического преобразователя движения, построеннэго нз базе фрикционного вариатора

Примем для определенности разработку цепи управления для торовогс вариатора с кинематической схем эй по техническому решению "5]. Торовый вариатор представляется перспективным из-за многопоточностн. простоты управления уровнем нормальных сил во фрикционных контактах. широкогс диапазона изменения передаточной функции.

В качестве целевой функции цепи управления изберем обеспечение стационарного режима работы двигателя машины в условиях переменного внешнего силового нагружения. Такаяцель является опреде.ляюшей для механического привода большинства транспортных и энергетических машин.

Основная задача синтеза цепи управления авгоЕариатора ссстонт в подооре таких параметров ее элементов, которые обеспечивали бы нужную закономерность изменения передаточной функции в зависимости от уровня внешнею аи.ившо наф>жснт ири солралсниисчационирною режима рабош .«нср! еш\сский установки (дин-га ими).

Ш. ТЕОРИЯ

Стационарной реллм работы дштателя означает постоянство скорости вихедного звена двигателя или ско роста »1 входного звена механического преобразователя движения. Именно такой режим можно сделать наиболее сколомнчным. г.е целевая функция. достижение которой обеспечивает звтоварпзтор. сводится к по стояиству мощности энергетической установки, г.е.

= сотГ.

(1)

где М1 - силовая характеристика двигателя: ©1 -скорссть движения выходного -вена двигателя.

Для идеального преобразовалеля движения имеет место равенство мощности входного и выходного движения:

откуда

=М2о2, _ МХ6\

м,

(2)

(3)

где М: - силовая характеристика внешнего силового нагружено машины.

Зависимость (3) указывает на гиперболический закон: изменения скорости ©2 от Мч, эта зависимость представлена на рис. 1.

ОХ ¡/с

М /А"

и 1 г л 4 ь

Рис. 1. Изменение скорости выходного звена автэварнатора при переменном внешнем силовом нагружении.

Передающая функция и^ авюларнахсра & 12 ~~

Суде! шмсш-лься в обозначенных условиях но ли-

СсЬ

нейноиу закону (рис. 2).

о

о

г ) 4 >

М Им

Рис. 2. Изменение передаточпсй функции автоварнатора нрн переменном внешнем силовом нахруженил.

Обратимся к кинематической схеме торового автоварнатора по [5] (рис. 3) и покажем потенциальную возможность реализации зависимости (3) предлагаемой схемой, снабженной встроенной цепью управления передаточной функцией.

Ав 1 ила]ическил шровьш вариашр рабихаех следующим образом. Переменный внешний крутящий мо.чеы М2 от ведомого звена 4. передаваясь через винтовое соехтнение. создает осезую силу, действующую на ведомый вал 2. эта осевая сила вызывает осевое движение ведомого вала 2 вместе со втулкой 5 до достижения оав-н.-юегкя г упругой силой -е^ормгтот пружины 11 Движение ктутпгл * тою очередь, грелается чере^ предки 12 н преобразуется в угловое движение промежуточны:-: роликов 7, что приводит к евтонзмененню передаточного отношения вариатора.

Обратимся к рис. 4. на котором представлена связь изменяемых размеров 11] и II; основных звеньев в зависимости от углового положения промежуточных тел 7.

12

Рис. 3. Кинематическая схема торового вариатора ее встроенной цепью управления передаточной функцией.

к 7=0 Аггсдшуле-^оу/

она*}

Рис. 4. К определению передаточногс отношения автовариатора.

ЛГЮАИМЛВДМЯф она*;

Передаточная функция U;.2 аьтоварааторс по обозначениям рпс. 1 л пришлым началам отсчета утлою а промежуточных тел е у- поводков 12 будет такой:

12 Я

г г _я + /у$ша<

Ооозначнз rmiL-r0=a получим ь,, —-;-. оттуда

" а - r3sm а

suit* =

Го(^1,2 +D

(5)

Знал для достижения целевой рункши необходимые значения Ujj при переменном 1/:. по (5) определим зависимость угла а поворота промежуточных тел в зависимости от i/- ( рнс. 5).

С( ..'{КК) 70 60 50 40 vi 20 «il

M//.V

0 1*345

Рнс. Ь. К определению угла позоротз промежуточных тел при шаченнях г||1П=0.025 м. г# =0.05 м.

Приняв длину г поводка 12 , определим необходимое осевое смещение Л втулки 5 A=rcir.у. Расчетное осевое смешение Л ъ завнсимо:ти от М: представим на рнс 6.

M Пи

О 1 2 î » i

Рнс. 6. Осевое смещение втулкп з зависимости от М2.

Для определения жесткости пружины И, активного элемента пепн управления, используем силовые соотношения в винтовом соеднненни - элементе цепи управления в форме зависимости осевой силы ?а на винте и момента М- на ганке. имеем

2М-,

(6)

где dtJ, - средний диаметр резьбы в винтовом соединении: /? - угол подъема винтовой линии з соединенна: р-угсл тренид.

Расчетная жесткость с упругого элемента 11 в цепи управления будет такой:

с

=4-

/ А

IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТА Из формул расчета жесткости упругого элемента видно, тпо явно нелинейная целевая функция автоупрявления компонентами трансформируемой мощности может быть удовлетворительно исполнена установкой в цепи управления автоварнатора упругого элемента постоянной жесткости, что показал пример расчета (рнс. 7).

С.н/

20

i

Я 1 2 ] i

М, ям

Рнс. 7. Жесткость упругого элемента в зависимости от М].

V. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Избранная схема цепи управления и проведенный проектный расчет основных параметров цепи управления механического торового автоварнатора позволяет выделить особенности алгоритма ее синтез:

1. Механическую систему можно наделить свойством лдаптяцнн путем реализации в ней специальной цепью управления дополнительного к основному движения звеньев.

2. Подбор элементов цепи управления и их характеристика зависят от целевой функции автоуправления передаточным отношением вариатора и параметров основного силового потока.

3. Набор элементов цепи управления автоварнатора !авнснт от базовой кинематической схемы вариатора, но обязательными структурными элементами цепи автоматического управления являются упругие звенья, деформации которых зависят от уровня трансформируемого силового потока, а тавскепреобразователн упругой деформации в управляющее движение, приводящее к нужному ажгонзмененню кинематических характеристик автоварнатора. Движение в управляющей цепи определяется второй обобщенной координатой механической системы.

4. Преобразователи упругой деформации в управляющее движение в цепи управления могут быть созданы на базе рычажных зубчатых, винтовых, кулачковых механизмов.

5. Расчет потребной жесткости упругого элемента может дать переменное ее значение в диапазоне управления передаточной функцией автоварнатора. что трудно реализовать технически. Б этом случае линейность упругого элемента можно сохранить нсполыованнем нелинейных свойств преобразователя движения, входящего в состав цепи управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Решетов Л. Н. Самоустанавлнвающнеся мехднн!мы: справочник. 2-е изд. М: Машиностроение. 1985. 272 с.

2. Кожевников С. Н. Основания структурного синтеза механиков. Киев: Наук, думка. 1975. 232 с.

3. Батакнн П. Д. Механические автоварнаторы: учеб. пособие. Омск: ОмГТУ. 1998. 146 с.

4. Newall J. P., Cowperthwaite S.. Hough M.. Lee A. P. Efficiency modelling in the full toroidal variator: Investigation into optimisation of EHL contact conditions to maximize contact efficiency H Tribology and Interface Engineering Senes. 2005. Vol. 48. P. 245-255.

5. Пат. 113323 Российская Федерация. МПК F 16 H15/38. Автоматический горовый вариатор / Батакнн П. Д., ДюндпкЕ. А. Дюнднк О. С.№ 2011133984/11; заяв. 12.08.11: опубл. 10.02.12, Бюл. № 4. 3 е.: ил.

6. Пат. 73425 Российская Федерация. ME1KF 16 H 55/52.Шкив / Балакнн IL Д..Згонник И. П. № 2007149459/22; !аяв. 27.12.07; опубл. 20.05.08, Бюл. 14. 3 е.: ил.

7. Пат. 28015S4 Российская Федерация. МПК. F 16 H 15/50. Автоматический фрикционный вариатор / Балакнн П. Д., Бненко В. В. № 961158811/28: заяв. 31.07.96; опубл.. 10.01.98. Бюл. № 1.3 е.: ил.

8. Пат. 2120070 Российская Федерация. МПК F 16 H 15/10. Автоматический фрикционный вариатор / Балакнн П. Д., Бненко В. В. № 96124674/28; заяв. 31.12.96; опубл. 10.10.98. Бюл. № 28. 3 е.: нл.

9. Пат. 2122670 Российская Федерация. МПК F 16 H 9/18, 55/56. Автоматический клнноременный вариатор Балакнн П. Д., Бненко В. В.№ 96124725/28: заяв. 31.12.96; опубл. 27.11.98. Бюл. № 33. 3 е.: ил.