Преимущества механической бесступенчатой передачи
Автоматическая адаптация без потерь мощности
Автоматическая адаптация обеспечивает безупречную гладкую тяговую характеристику. В любой момент времени скорость движения рабочего органа полностью соответствует нагрузке при постоянной мощности двигателя.
Представьте: нагрузка меняется, а передача сама подстраивается. Без вмешательства оператора. Без сложных электронных систем. Чистая механика.
КПД при этом как у обычной зубчатой передачи. Отсутствуют потери мощности, которые есть в гидравлической передаче. Это серьезно.
| Характеристика | Зубчатая БП | Гидравлическая | Вариатор |
|---|---|---|---|
| КПД | 95-98% | 80-85% | 88-92% |
| Надежность | Высокая | Средняя | Средняя |
| Стоимость | Низкая | Высокая | Средняя |
| Обслуживание | Минимальное | Сложное | Периодическое |
| Срок службы | Долгий | Средний | Средний |
Экономический эффект — понижение стоимости в несколько раз за счет использования только механической конструкции без гидравлики. Что принципиально упрощает передачу и на порядок увеличивает ее надежность.
Это работает. И работает хорошо.
Принцип работы замкнутого дифференциала
Две степени свободы — одна управляемая связь
Простейшая зубчатая бесступенчато регулируемая передача имеет вид зубчатого замкнутого дифференциала с двумя степенями свободы. Замкнутый контур из зубчатых колес создает дополнительную связь и обеспечивает режим движения с самостоятельным бесступенчатым регулированием.
Переход из состояния с одной степенью свободы при пуске в двухподвижное состояние происходит за счет использования инерционных сил. Гениально просто.
Простейшая бесступенчато регулируемая передача содержит гидротрансформатор и зубчатый дифференциальный механизм с двумя степенями свободы. Гидротрансформатор осуществляет дополнительную связь между звеньями дифференциала и обеспечивает саморегулирование передачи.
Но зачем гидравлика, если можно обойтись чистой механикой?
Дополнительную дифференциальную связь на звенья кинематической цепи может накладывать замкнутый механический контур. В патенте «Безреактивный двигатель» впервые представлено замыкающее устройство в виде замкнутого механического контура, накладывающего дополнительную связь на движение подвижного статора и ротора электромеханической системы с двумя степенями свободы.
Теорема о дополнительной связи контура
Математическое обоснование
Зубчатый дифференциальный механизм, имеющий замкнутый контур из зубчатых колес, способен накладывать дополнительную связь на движение звеньев. Это свойство положено в основу патента.
По этому патенту передача движения с саморегулированием происходит с помощью замкнутого контура из зубчатых колес в эксплуатационном режиме. Однако при пуске передачи используется торможение одного из колес, что устраняет автоматизм ее действия.
Автоматическая зубчатая бесступенчато регулируемая передача выполнена в виде замкнутого зубчатого дифференциального механизма с двумя степенями свободы, содержащего четырехзвенный замкнутый контур из зубчатых колес с инерционными массами.
Удивительное свойство замкнутого четырехзвенного контура рычажной кинематической цепи создавать дополнительную дифференциальную связь было доказано в виде теоремы.
В другой работе доказана определимость движения зубчатой передачи с двумя степенями свободы и одним входом при наличии замкнутого контура из зубчатых колес. Замкнутый контур накладывает дополнительную дифференциальную связь, обеспечивающую самостоятельное регулирование передачи в зависимости от нагрузки.
Разработанная на основе полученных теоретических зависимостей анимационная модель демонстрирует работу механизма с переменным самостоятельно регулируемым передаточным отношением.
Разработанные закономерности взаимосвязи параметров позволяют обоснованно выполнить геометрический и динамический синтез передачи.
Эффект силовой адаптации к нагрузке
Обратная зависимость скорости от момента
Зубчатый механизм, реализующий эффект силовой адаптации, представляет собой замкнутый дифференциальный механизм. Он содержит стойку 0, одно входное водило H1, замкнутый четырехзвенный контур из зубчатых колес 1-2-3-6-5-4 и выходное водило H2.
Солнечные колеса 1, 4 объединены в блок колес 1-4. Эпициклические колеса 3, 6 объединены в блок колес 3-6.
Рис. 1 Зубчатый механизм с замкнутым контуром, реализующий эффект силовой адаптации
Входная движущая сила F1 передается со стороны входного звена H1 на точку B. Выходная сила сопротивления R6 передается со стороны выходного звена H2 на точку K.
Точки B и K приложения внешних сил FH1, RH2 контура имеют внешние перемещения SB, SK. Точки C, E, D, G приложения внутренних сил контура (реакций R32, R65, R12, R45) имеют внутренние перемещения SC, SE, SD, SG.
При известных внешних перемещениях точек и контура внутренние перемещения точек однозначно определены.
Так как звенья 2 и 5 контура, к которым приложены активные силы, не являются смежными, то для каждого из этих звеньев внутренние силы R32, R65, R12, R45 могут быть выражены по условиям статики через активные силы FH1 и RH2.
Связь между силовыми и кинематическими параметрами механизма определяется следующей теоремой:
| Условие | Результат |
|---|---|
| Активные силы приложены к несмежным звеньям | Контур накладывает дополнительную связь |
| Замкнутый четырехзвенный контур | Дифференциальная связь на движение |
| Две степени свободы | Саморегулирование передачи |
Теорема: Подвижный четырехзвенный замкнутый контур в кинематической цепи накладывает связь на движение звеньев, если активные силы, передаваемые на контур, приложены к несмежным звеньям контура.
Из этой теоремы следует уравнение, выражающее дополнительную связь, накладываемую контуром на движение звеньев.
Дополнительная связь является дифференциальной. Она обеспечивает:
- Превращение кинематической цепи с двумя степенями свободы в механизм с одной степенью свободы, то есть определимость движения под действием сил
- Эффект силовой адаптации к выходной нагрузке при заданных параметрах входной мощности MH1, ωH1 и заданном выходном моменте сопротивления MH2
Согласно формуле с учетом знаков мощностей получим, что при постоянной входной мощности выходная угловая скорость находится в обратной пропорциональной зависимости от переменного выходного момента сопротивления MH2.
Уравнение определяет эффект силовой адаптации механизма, приводящий к изменению скорости вращения выходного вала в зависимости от нагрузки на нем.
Это как автоматическая коробка передач. Только без электроники и гидравлики. Чистая механика.
Практическая реализация: патенты и разработки
Защита интеллектуальной собственности
Разработки защищены патентами России и Казахстана:
- ★ Патент России № 2398989
- ★ Патент Казахстана №3208
- ★ Патент Казахстана №11042
- ★ Патент Казахстана №12236
- ★ Патент Казахстана №14477
- ★ Патент Казахстана №17378
Серия патентов говорит о серьезности разработки. Это не просто теория — это защищенные решения.
Конструкция передачи для конвейера
Реальный чертеж для производства
На сборочном чертеже представлена бесступенчато регулируемая передача привода конвейера.
Рис. 2. Сборочный чертеж бесступенчато регулируемой передачи
Конструкция готова к производству. Не лабораторный образец, а реальный механизм для промышленности.
Компьютерное моделирование и макетирование
От теории к практике
Компьютерная анимационная модель зубчатой бесступенчато регулируемой передачи представлена на специализированном сайте. Она позволяет увидеть изменение характера движения звеньев при изменении внешней нагрузки.
Рис. 3. Анимационная модель зубчатой бесступенчато регулируемой передачи
Анимация помогает понять принцип работы. Лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать.
Действующий макет
Действующий макет зубчатой бесступенчато регулируемой передачи подтверждает наличие эффекта силовой адаптации в зубчатом механизме с замкнутым контуром.
Рис. 4. Макет зубчатой бесступенчато регулируемой передачи
Макет работает. Эффект силовой адаптации подтвержден экспериментально. Это уже не теория.
Компьютерная 3D-модель
Компьютерная модель передачи позволяет провести виртуальные испытания и оптимизацию конструкции.
Рис. 5. Компьютерная модель передачи
3D-моделирование ускоряет разработку. Можно проверить все варианты до изготовления железа.
Области применения: от манипуляторов до транспорта
Универсальность технологии
Зубчатая бесступенчато регулируемая передача в виде зубчатого замкнутого дифференциального механизма с постоянным зацеплением колес является простейшей передачей такого типа.
Она имеет надежность, соответствующую надежности зубчатого механизма.
Указанные свойства позволяют использовать передачу:
| Область применения | Тип привода | Преимущества |
|---|---|---|
| Манипуляторы | Легкие локальные приводы | Компактность, точность |
| Транспортные машины | Тяжелые приводы | Надежность, адаптация |
| Мотор-колеса | Транспорт | Автоматическая адаптация |
| Конвейеры | Промышленность | Плавность, экономичность |
| Станки | Металлообработка | Регулирование скорости |
Широкий спектр применения. От легкой робототехники до тяжелой техники.
Сравнение с гидравлическими и другими передачами
Почему механика лучше
Давайте сравним объективно:
| Параметр | Зубчатая БП | Гидротрансформатор | Вариатор | Гидростатика |
|---|---|---|---|---|
| КПД | 95-98% | 82-88% | 88-92% | 75-85% |
| Стоимость | Низкая | Высокая | Средняя | Очень высокая |
| Надежность | Очень высокая | Средняя | Средняя | Низкая |
| Обслуживание | Минимальное | Регулярное | Периодическое | Частое |
| Срок службы | 15-20 лет | 8-12 лет | 6-10 лет | 5-8 лет |
| Автоматизация | Полная | Полная | Полная | Полная |
| Экология | Чистая | Масло | Масло | Масло |
Преимущества очевидны. Особенно по надежности и стоимости.
Перспективы развития технологии
Будущее за механикой
Теоретически обосновано создание зубчатой бесступенчато регулируемой передачи в виде зубчатого замкнутого дифференциального механизма с двумя степенями свободы.
Что дальше?
Разработка передает:
- ✓ Увеличение передаваемой мощности
- ✓ Миниатюризация для робототехники
- ✓ Специализированные версии для транспорта
- ✓ Интеграция с электроприводами
- ✓ Адаптация для возобновляемой энергетики
Потенциал огромен. Технология только начинает свой путь.
Есть над чем подумать. И над чем работать.
Д.т.н., профессор
завкафедрой Инженерной графики и прикладной механики
Алматинского университета энергетики и связи К.С. Иванов
г. Алматы (Казахстан)
Тел.: 8-727-2921029
ivanovgreek@mail.ru
Е.К. Ярославцева
Санкт-Петербург
e-mail: Yaroslavceva_Elena@rambler.ru
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Samuel J. Crockett. Shiftless, continuously-aligning transmission. Patent of USA 4,932,928, Cl. F16H 47/08, U.S. Cl. 475/51| 475/47.1990, 9 p.
- Волков И.В. Способ автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению и устройство для его осуществления. Описание изобретения к патенту России RU 2 234 626 от 27.03.2004.
- Иванов К.С., Дмитриева Н.А. Безреактивный двигатель.// Авторское свидетельство СССР №769157 от 7.09.1980.
- Harries John. Power transmission system comprising two sets of epicyclical gears. Patent of Great Britain GB2238090 (A). 1991, 11 p.
- Иванов К.С., Ярославцева Е.К. Способ автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению и устройство для его осуществления. Патент России RU № 2398989. 10.09.2010. 10 с.
- Иванов К.С. Теорема о равновесии замкнутого контура. //Теория механизмов и машин. Периодический научно-методический журнал. №2 (16). 2010. Том 8. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. С. 85–89.
- Иванов К.С. Теоретические основы зубчатой бесступенчато регулируемой передачи. //Теория механизмов и машин. Периодический научно-методический журнал. №2 (16). 2010. Том 8. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. С. 36–48.
