Вариатори. Част 2. Конструктивни особености и к.п.д. Вариаторни задвижвания

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2014

Част 2. Конструктивни особености и к.п.д. Вариаторни задвижвания

В предишния брой на сп. Инженеринг ревю бе публикувана първата част на статията, посветена на вариаторите. В нея накратко бяха разгледани функцията на вариаторите, принципът им на работа, както и някои основни техни характеристики. Специално внимание бе обърнато на широко използваните в практиката механични вариатори.

В настоящия брой продължаваме темата с по-подробно разглеждане на фрикционните вариатори, материалите, използвани за изработка на триещите шайби, възможните повреди и постигания коефициент на полезно действие. Ще бъдат разгледани и различните видове вариаторни задвижвания.

Видове фрикционни вариатори
В зависимост от формата на триещите колела и междинните елементи вариаторите биват челни, конусни, торовидни, дискови и др.
Челните вариатори се използват във фрикционните винтови преси и в уредите.

Безстъпалното изменение на ъгловата скорост на задвижвания вал се извършва чрез осово изместване на малката ролка, т.е. чрез изменение на радиуса R2. Възможно е реверсиране (обръщане на посоката) на въртеливото движение. Тези вариатори се характеризират с интензивно износване на работните повърхности на ролките и нисък к.п.д. вследствие разликата в скоростите на точките от контактната площадка. Тъй като R1= const, диапазонът на регулиране за челния вариатор ще бъде D = R2max/R2min.

Вариаторите с раздвижни конуси имат широко приложение в машиностроенето. Като междинен елемент в нискоскоростните вариатори се използва широк клинов ремък или специална верига, а във високоскоростните - стоманен пръстен.

Плавното изменение на ъгловата скорост на задвижвания вал се извършва чрез синхронизирано раздалечаване или сближаване на конусните ролки, т. е. чрез изменение на изчислителните радиуси на ролките R1 и R2. Най-голямата и най-малката стойност на предавателното отношение ще бъде съответно imax = w1 /w2min  = R2max/R1min , а imin = w1 /w2max  = R2min/R1max.

Предимство на тези вариатори е сравнително простата конструкция, но, от друга страна, те се отличават с големи размери.
Торовидните вариатори (фиг. 1) се състоят от две съосни триещи шайби с торообразна работна повърхнина, които контактуват с две междинни ролки.

Регулирането на ъгловата скорост се извършва чрез едновременното завъртане на междинните ролки (най-често с лостов механизъм), при което се изменят радиусите на контактните точки R1 и R2. Моментната стойност на предавателното отношение е i = w1 /w2 = R2/R1.

В сравнение с други видове вариатори, торовидните се отличават с голяма компактност, но имат по-сложна конструкция и изискват висока точност на изработване на елементите.
Многодисковите вариатори (фиг. 2) се състоят от два комплекта задвижващи и задвижвани тънки дискове с конусни контактни повърхнини, които са притиснати от пружина и са подвижни в осова посока.

Изменението на ъгловата скорост w2 на задвижвания вал се извършва чрез радиално изместване на задвижващия вал спрямо задвижвания. При това се изменя изчислителният радиус R1 на задвижващите дискове при запазване на радиуса на задвижваните. Предавателното отношение на вариатора е i = w1 /w2 = R2/R1.
Диапазонът на регулиране е D Ј 5.

Различните конструкции вариатори се избират от фирмени каталози или справочници в зависимост от предавания въртящ момент, диапазона на регулиране и ъгловата скорост на задвижващия вал.

Материали за триещи шайби
Материалите за триещите повърхнини на шайбите е необходимо да бъдат с висок коефициент на триене m и модул на линейна деформация Е, да са износоустойчиви и влагонепоглъщаеми. Сред използваните материали са съчетания от следните двойки материали:

• Закалена стомана по закалена стомана от марките 40 ХН, 18 ХГТ, ШХ 15 и др. Използват се за елементи на високоскоростни закрити силови предавки, които работят в масло при коефициент на триене m = 0,04...0,06. Такива предавки имат високи износоустойчивост и к.п.д., малки размери, но изискват голяма точност на изработка.

• Гума, текстолит, гетинакс или фибър по стомана или чугун. Шайбите от тези материали работят при коефициент на триене m = 0,20...0,25, имат по-ниска износоустойчивост и се използват за ниско натоварени открити предавки.

Видове повреди и к.п.д.
Основните повреди на елементите на фрикционните вариатори са питинг, задиране и износване. За предавките с метални ролки основен критерий за работоспособност е повърхностната умора, която се оценява чрез определяне на контактното напрежение sH, изчислено по формулата на Херц.

Допустимото контактно напрежение се определя за материала на ролката с по-малка якост, като за закалени стомани при добро мазане [sH] = 800 до 1200 МРа; за текстолит [sH] = 80 до 100 МРа.

За предавки, които работят на сухо (обикновено от неметални материали), основната повреда е износването. При якостното изчисляване се ограничава интензивността на линейното натоварване по широчината на по-тясната ролка, като допустимото линейно натоварване за различните двойки триещи материали е [q] = 50 до 500 N/mm.

Коефициентът на полезно действие на триещите предавки зависи главно от загубите от приплъзване и загубите в самите лагери. Приплъзването в контактната площадка на ролките се дължи на еластичните деформации на работните им повърхнини. Загубите в лагерите са пропорционални на силите в опорите, които се определят от необходимата сила на притискане между шайбите Fr. За триещи предавки със смазване (закрити) h = 0,88 до 0,93, за откритите - h =  0,78 до 0,86.

Вариаторни задвижвания
Редица фирми, специализирани в производството на редуктори, предлагат и многостъпални редуктори и мотор-редуктори с вграден като първо стъпало вариатор от различен тип – с ремък, с триещи ролки или верижен, с диапазони до 8. По такъв начин се постига голямо предавателно отношение на механизма, съчетано с безстъпално регулиране на оборотите на изходящия вал.

Световната практика показва, че за да може да отговори на нуждите на потребителите от механични задвижвания, рационалната номенклатура обхваща не по-малко от 500 типоразмера с параметри, построени в ред R 20 на нормалните линейни размери. По тази причина са разработени системи от блок-модули, състоящи се от ограничен брой типове и типоразмери зъбни предавки, вариатори и системи за управлението им.

При тяхното комбиниране могат да се реализират извънредно голям брой механични задвижвания. При това за изградената блок-модулна система се отчита, че последователното свързване на отделните модули е възможно само при унифицирани присъединителни размери и спазване на условието за стойностите на въртящите моменти Тизх1 » Твх2.

Така например за една от съществуващите такива системи параметрите и присъединителните размери на триещи вариатори с раздвижени конуси или с клинов ремък и диапазони 3, 4, 5 и 6 позволяват директното им куплиране към различни конструкции зъбни редуктори с мощност от 0,25 до 45 kW. Вариаторите с триещи ролки с диапазони 4 и 5 се предлагат за куплиране към зъбни редуктори с мощност от 0,37 до 11 kW.

Особено голямо приложение вариаторите намират в конструкцията на безстъпалните трансмисии (Continuously Variable Transmission, CVT). Това са предавателни устройства между двигателя и задвижваните колела, гребни винтове и др., които могат плавно да изменят предавателното отношение между тези елементи на задвижването в целия работен диапазон на скорости и тягови усилия на превозното средство.

Като правило безстъпалните трансмисии се класифицират в зависимост от типа на предавката, осигуряваща плавното изменение на предавателното отношение и по този показател те биват електрически, хидрообемни, хидродинамични (хидротрансформаторни), вариаторни и комбинирани.

Най-голямо приложение в задвижването на комбайни, скутери и съвременни леки автомобили от среден клас имат клиновите вариатори с широк гумен клинов ремък. От 1987 г. клинови вариатори с верига се използват масово в автомобилостроенето.

Днес, различни производители на автомобили проектират своите задвижвания на базата на CVT с използване на клинови и торовидни вариатори и хидротрансмисии. Такива трансмисии включват също и различни микропроцесори и сензори, но вариаторът е основният елемент, който дава възможност за ефективното приложение на тази технология.

Приложението на безстъпалните трансмисии осигурява по-добра икономия на гориво в сравнение с другите задвижвания, като дава възможност на двигателя да работи със своите най-ефективни обороти за целия обхват на скорости на превозните средства. Използването на CVT не изисква непременно включването на съединител в задвижването и може да се използва и за изграждане на системи за кинетично оползотворяване на енергията.

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0 /2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0 -2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top