Расчет механического КПД преобразователя движения волнового тина Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

п. Д. БАЛАКИН А. М. КРОПАЧЕВ

Омский государственный технический университет

Омский государственный аграрный университет

РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДВИЖЕНИЯ ВОЛНОВОГО ТИПА

Проведен расчет механического КПД преобразователя движения волнового типа, в котором скольжение активных поверхностей заменено качением, что делает предлагаемую конструкцию перспективной и конкурентоспособной.

Ключевые слова; передача, преобразователь, промежуточные тела, качение, КПД, скольжение.

Стремление реализовать большое передаточное отношение в одной ступени в свое время привело к созданию целого класса волновых передач, имеющих в своем строении гибкое звено, упругая волновая деформация которого используется для преобразования движения |1].

Применение промежуточных тел в передачах зацеплением обусловлено желанием:

1) убрать проблемное звено с упругой волновой деформацией,

2) упростить ремонт и замену активных элементов.

3) повысить механический КПД передачи за счет полного или частичного перевода неустранимого скольжения активных поверхностей в качение по ним посредников — промежуточных тел, вводимых в зацепление.

Среди известных схем преобразователей движения с промежуточными телами качения можно выделить конструктивную схему, предложенную группой томских изобретателей (2], которая вобрала в себя все основные достоинства волновых передаче промежуточными телами качения в качестве связей актив-

ных поверхностей звеньев и является одной из наиболее перспективных схем для дальнейшей модернизации.

Схема |2| не лишена недостатков, основные из которых порождены стесненными условиями, в которых находится промежуточное тело (шарик), вследс твие чего возникает скольжение в системе зацепления промежуточных тел с поверхностью торцовой волновой канавки выходного звена преобразователя, в сепараторе, где происходят потери энергии при передаче силового потока.

В [31 проведен тепловой расчет и расчет механического КПД преобразователя движения с промежуточными телами шариками по [2], который показывает, чго потери энергии могут быть весьма значительными. И это обстоятельство ограничивает КПД преобразователя в пределах 0,5 —0,6, кроме того, в условиях высокой компактности схемы и при малой поверхности теплоизлучения потери энергии могут привести к значительному нагреву несущих элементов конструкции. Нагрев может ускорить износ элементов конструкции, а также потерю работоспособности конструкции в целом. В связи с этим возникает необходимость принятия дополнительных мер по орг анизации теплоотвода, и в этом направлении необходимо увеличивать габариты конструкции для увеличения поверхности теплоотдачи, вводить в конструкцию смазочные материалы, организовать дополнительное охлаждение конструкции.

Все это свидетельствует о том, что вопрос снижения потерь энергии при преобразованияхдвижения является одним из наиболее актуальных при синтезе преобразователей движения волнового типа.

В |4| нами было предложено одно из возможных технических решений преобразователя движения с промежуточными телами качения.

Конструктивная схема представлена на рис. 1.

Преобразователь движения (рис. 1) состоит из корпуса 1, волнового генератора 2, упорного подшипника 3, промежуточных тел качения 5, выполненных в виде радиальных подшипников качения с. наружной И) и внутренней 11 обоймами и рычагом А (рис. 2), причем наружная обойма 10 представляет собой поверхность вращения с выпуклой криволинейной образующей, а внутренняя обойма 11 установлена неподвижно на конце рычага 4, размещенного подвижно в корпусе 1 преобразователя движения, выходного колеса 7, на торцевой поверхности которого выполнена волновая канавка б, радиально-упорного подшипника 8, радиальных подшипников 9, передаточного узла, содержащего три звена 3,12.13, одно из звеньев 3 связано с волновым генератором 2. Угол а — угол наклона косой шайбы генератора к общей оси преобразователя в контакте промежуточных тел с поверхностью косой шайбы генератора 2.

Преобразовательдвижения работает следующим образом. Волновой генератор 2 от вала привода двигателя получает вращение. Далее косая шайба, выполненная на волновом генераторе 2, генерирует волну деформации и через упорный подшипник качения 3 передает ее на промежуточные тела 5. При этом упорный подшипник 3 контактируете промежуточными телами 5 в зоне С рычага А (рис. 2).

Промежуточные тела 5 под воздействием генератора последовательно совершают ограниченное круговое. колебательное движение. В своем движении промежуточные тела 5 взаимодействуют с поверхностью круговой торцовой волновой канавки б, являющейся активной поверхностью выходного звена 13. Волновая канавка выполнена на торцевой поверх-

Рис. 1. Преобразователь движения.

1 - корпус преобразователя; 2 — генератор волн;

3 - упорный подшипник; А - рычаг промежуточного тела; 5 - промежуточные тела - подшипники;

6 - волновая канавка; 7 - выходное колесо;

8 - радиально-унориый подшипник;

9 - радиальные подшипники;

12 - передаточное звено преобразователя;

13 - выходное звено преобразователя; а - угол наклона косой шайбы-генератора к общей оси преобразователя

Рис. 2. Промежуточное тело

ности выходного колеса 7, при этом количество волн на единицу меньше количества промежуточных тел 5. В таком взаимодействии колебательное движение промежуточных тел 5 преобразуется во вращательное движение выходного колеса 7.

Упорные подшипники 9, установленные в корпусе 1 воспринимают осевые составляющие передаваемого силового потока, а радиально-упорный подшипник 8 выполняет функцию базирования ведущего 2 и ведомого 13 звеньев, кроме того, с его помощью осуществляется регулировка зазоров, в том числе между активными поверхностями ОСНОВНЫХ ЗВС1П.0В. Подцшптшк 3 исключает скольжение в контакте промежуточных тел 5 с поверхностью косой шайбы генератора 2.

В данной конструкции сепаратор традиционной конструкции отсутствует, и геометрические связи промежуточных тел в передаточном звене конструктивно разнесены. Исполнение промежу точных тел в виде подшипников качения позволяет устранить геометрическое скольжение промежуточных тел и заменить его чистым качением. Данное техническое решение преобразователя устраняет недостатки ранее известной схемы по (2) и снижает энергетические потери при передаче силового потока.

Как и в известной схеме [2], в предложенной конструкции [3] имеют место два преобразования силового

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ В£С1НИК N» 1 (17) 2010

М2

Рис. 3. Схема сил, действующих ни генератор при первом преобразовании движении

Рис. 4. Схема сил, действующих на промежуточное тело при втором преобразовании движения

потока. Первое (рис. 3), соответственно, преобразует входное вращательное движение в колебательное движение промежуточных тел. Во втором преобразовании (рис. 4} колебательное движение промежуточных тел преобразуется во вращение выходного колеса 7. Отобразим основные зависимости параметров при преобразовании силового потока.

Первое преобразование с учетом потерь выглядит так:

откуда

= P,d5v

(1)

12)

где (#5, — элементарное перемещение промежуточных тел 5 в их движении; =Лмт1аПвЛ« ~ потери в первом преобразовании; Т1ч — парциальный КПД муфты соединяющей источник движения с ведущим звеном (на рис. 1 муфга не изображена); Л3. Па- -парциальные КПД подшипников качения.

Минимальная осевая нагрузка определяется так:

Рцг mm ^2 ^ ^.1

(3)

где Л., - максимальное осевое перемещение (амплитуда) промежуточных тел от срединной линии волновой канавки 6 на колесе 7; 2,4^ — соответственно, полное перемещеі сие промежуточных тел.

Силовые соотношения между звеньями во втором преобразовании без учета потерь имеют вид векторного уравнения:

^ + *" + ^,= 0,

(4)

где Я" — нормальная реакция со стороны волновой канавки колеса 7 на промежуточное тело 5, вызываемая осевой силой Р „ от первого преобразования.

(5)

где 3 — переменный по величине угол нормали к поверхности волновой канавки, определяемой ее геометрией и принимающий значение для конкретного промежуточного тела 5 от 3=0;пцх до 3^0.

Выходной момент для предложенной конструкции преобразователя определяется простой зависимостью:

М7=Р,

„ж 2

Агр 2 '

(6)

Остановимся подробнее на основных потерях во втором преобразовании.

В передаточном звене предложенной схемы преобразователя движения, в зоне «а» (рис. 4) заделки оси рычага в корпусе преобразователя может возникать трение скольжения, поскольку рычаг промежуточного тела 5 установлен подвижно в корпусе преобразователя (вращательная пара).

Соответственно, потери энергии на трение скольжения в зоне «а» определяются так:

А„„=^/%ДФ.

(7)

где Рнк2==2/М7/Дгр — окружное усилие в передаточном звене промежуточных тел; f — коэффициент трения; dilc — диаметр оси рычага; Д<р — угол отклонения рычага от срединной линии при осевом перемещении промежуточного тела.

В зоне «в» взаимодействия промежуточного тела с поверхностью волновой канавки будет наблюдаться качение, но при этом потери энергии происходят в самом промежуточном теле — подшипнике. Принимая в расчет КПД радиального подшипника качения равным 0,98, потери энергии в промежуточном теле, таким образом, составляют 2 %.

Тогда совокупные потери энергии при втором преобразовании имеют вид:

Д —Д хД

оодії т/> Нот лр.ш.

(8)

где ^папиф.т. ~ потери энергии в промежуточном теле (подшипнике) 5.

Полезная работа но втором преобразовании

А*.-2я М7.

(9)

Общий КПД при втором преобразовании определяется как:

ЛоЛі,2“

А...

м J^n«n2

(10)

Далее рассмотрим пример определения механического КПД при втором преобразовании движения и силового потока.

Для этого примем следующие значения:

М= 10 Нм (Рой = 200 Н; Д./2 = 0. 05 м); (/73= 15; {= 0,1; <^/2 = 0,0015 м; Лф = 5*.

За один оборот ^нератора полезная рабсуга составит:

Л„,м= ЮНм ^ =4,19 Дж,

I О

Ат|1 = 200x0,1 х 0,0015x5 = 0,15 Дж.

Совокупные потери при переходе согласно (8)

А1итг = 0.15 -I- 0.°2 = 0,17 Дж.

Затраченная работа па птором прообразовать

К""ГА™+А^ = 4,19 + 0.17 = 4,36 Дж.

а механический КПД г\,^т7 второго преобразования

^=4,19/4.36 = 0.96.

Далее, общий КПД преобразователя движения рассчитываем как:

^оощ * (М)

где - механический КПД первого преобразова-

ния.

Учитывая, что потери энергии па нервом преобразовании происходят в подшипниках 3, 8 и 9 (рис. 1), КПД первого преобразования имеет вид

тогда

=0,98x0.98x0,98 = 0,94

Общий КПД преобразователя движения составляет

^„=0.96x0.94 = 0,9.

Исходя из полученных результатов расчета, можно сделать следующие выводы:

1. КПД предложенного технического решения преобразователя движения существенно выше чем у известной схемы |2|.

2. Снижение потерь энергии при преобразовании силового потока позволяет достига ть высокой компактности конструкции без нагрева несущих эле-

ментов и. как следствие, без дополнительного охлаждения.

Таким образом, предложенное в (4) конструктивное решение преобразователя движения волнового типа является весьма перспективным для применения в узлах машин и механизмов, атакже более энергетически совершенным но сравнению с известной схемой (2).

Данное решение является не единственным возможным перспективным решением преобразователей движения и может иметь другие варианты конструктивных исполнений, например, |5).

Библиографический список

I. Гинзбург Е.Г. Ва\новые зубчатые перрон» / Е.Г. Гннзбург. -А.: Машиностроение, 1969. — 159 с.

2 Пот. 1Ш2179272С1 РоссийскаяФедерациямПК Г: 16И25/ 06 // Дифферетщиалышй преобразователь скорости п редуктор — подшипник» / Становской В.В., Шибико А.Ф., Ремнева Т.А., Ста-новской Л.В.. Кривошеев В.В. . заявитель и патентообладатель ООО «Томские трансмиссионные системы*. - N9 2001108604/ 28 ; заявл. 30.03.01 ; опубл. 10.02.02. / Бюл. № <1.2002.

3. Валакин, П.Д. Преобразователи движения волновою типа с промежуточными телами в качестве связей активных поверх пастей основных звеньев / П.Д. Балакин // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2002 - Вып. 21. — С. 58-61

4. Пат. Яи 52961 и I Российская Федерация МПК7Р 16Н25/ 06 Соосный преобразователь скорости // Балакин П.Д., Кропа-чев АМ.. МихайликО.С.: заявитель и патентообладатель Омский государственный техническийуниверситет. — №2005130054/22 ; заявл. 26.09.05; опубл. Бюл. № 4,2006,

5. Бала кин, П.Д. Новые технические решепия преобразователей движения волнового типа с промежуточными телами в качестве связей активных поверхностей звеньев / П.Д. Балакип, Л.М. Кропачев //Динамика систем, механизмов и машин. матер УМеждупар.науч. техн.конф. — Омск:ОмГТУ, 2004. — С..23—27.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой « Теория механизмов и машин» Омского государственного технического университета.

КРОПАЧЕВ Александр Михайлович, инженер кафедры «Детали машин и инженерной графики» Омского государственною аграрногоуниверситета. Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 28.12.2009 г.

® П. Д. Бала кин, А М. Кропачев

Книжная полка

Холодкова, А, Г. Технологическая оснастка (Текст): учеб. для вузов по специальности «Технология машиностроения» направления подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / А. Г. Холодкова. — М.: Академия, 2008. — 366, (1J с.: рис., табл. — (Высшее профессиональное образование). — Библиогр.: с. 364-365. — ISBN 978-5-7695-4322-7.

Изложены вопросы проектирования технологической оснастки для механосборочного производства с учетом ее назначения, конструктивных особенностей и особенностей производства. Приведены методики расчета точности приспособлений, их параметров, силовых характеристик и экономической эффективности. Рассмотрены особенности применения универсально-сборной оснастки, приспособлений для сборки и контроля, п том числе гибкого автоматизированного производства.