В зазоре между полумуфтами. Механизмы вариаторов

09.01.09
Иосиф Ольшаницкий

В ЗАЗОРЕ  между полумуфтами

Как сказано в учебниках,  машин  без муфты не существует.
А что если простейшую муфту, самую типичную в приводах оборудования, превратить в механизм перемены скорости работы машины!

Выбросим из муфты всякие болты, гайки,  шайбы, резинки. Просунем в зазор между её полумуфтами, –  чуть наискось, – круглую стальную пластину.

Это и есть основное звено фрикционного механизма, который предназначен для работы в качестве регулятора скорости в приводе машин. 

Он выполняет ещё и функцию муфты, причём муфты, весьма универсальной.

При этом  он допускает очень значительное несовпадение осей полумуфт и по координате центра, и по углу.

Кроме того он является и предохранительной муфтой, -  фрикционной.

Фрикционная пластина расположена между внутренними кольцами пары радиально-упорных шарикоподшипников.

Их корпус подвешен на ходовом винте этой передачи.

Корпусом  вариатора в показанной конструкции служит всего лишь узкий отрезок трубы прямоугольного профиля.
 
Прямоугольные боковины этого приспособления вырезаны из листовой стали.

В частном случае,  они служат тарельчатыми пружинами, достаточным усилием которых упомянутые полумуфты прижаты к упомянутой фрикционной пластине, - через подшипники (не показанные на чертеже,  чтобы нагляднее была видна простота технического решения).
 
Как вариант конструкции, с целью увеличения коэффициента трения, упомянутые полумуфты  (сколько можно,  массивные),  выполнены из магнитного сплава, то есть являются постоянными магнитами из материала, кстати сказать, обладающего довольно высокой твёрдостью,  очень износостойкого.

Это важно для фрикционной передачи. Магнитное притяжение этих фрикционных звеньев частично, если не полностью, решает  упрощенный так конструкторский вопрос создания достаточного трения между ними  самым простым  образом, хотя бы с виду.

Вообще-то варианты того, как именно прижимать фрикционные деталей друг к другу - это не столь существенные подробности,  чтобы на них заострять внимание.

Может, и не стоило бы изложением всяческих подробностей  портить общее впечатление о внешней простоте такого конструкторского решения.  Но мне для  достижения такой внешней, да и  конструктивной простоты  этого вариатора пришлось много повозиться с действующими вариантами опытных образцов, изготовленных моими руками и опробованных в реальной работе.

Стоит подчеркнуть одно из существенных достоинств этого вариатора. Его характеристику изменять очень просто. Достаточно заменять в нём его очень не дорогие торцевые шайбы полумуфт на такие же фрикционные шайбы, но чуть иного диаметра.

Это пара шайб не обязательно должна быть именно соосной и не обязательно только одинакового диаметра. Мощность, крутящий момент и кпд предложенного вариатора резко зависит от диаметра каждой из полумуфт.

Чтобы эти диаметры были по возможности большими, стоит назначать, приемлемо узкие диапазоны установлением шайб соответствующих диаметров.

К примеру.
Рабочий диаметр фрикционной пластины равен 120мм.
Пусть рабочий диаметр полумуфт  (по диаметру фрикционной дорожки качения)  будет равен даже 100 мм.
В крайнем положении подвески вариатора радиусы его дорожек качения на фрикционной пластине будут соответственно:
40мм на одной стороне фрикционной пластины, и 60мм на другой стороне.

Передаточное отношение вариатора в этом его положении
i = 60 : 40 = 1,5

Следовательно, диапазон регулирования в таком вариаторе равен квадрату этого числа:
1,5 х 1,5 = 2, 25
Это уже не плохо, но есть ещё и резерв.

Воспользуемся этим вариатором в качестве постоянной фрикционной передачи.
Пусть тогда диаметр одной полумуфты так и останется равным 100мм, а другую муфту  или только лишь торцевую шайбу на ней заменим на шайбу большую, -диаметром 120мм.

Тогда передаточное число этого устройства увеличится на 20%.
I = 1, 5 x 120  : 100 = 1,8

    .
При таких вариациях диаметров шайб эта  фрикционная передача с разными её характеристиками, – от переменной до постоянной, - имеет общий диапазон передаточных отношений, включая нерегулируемые,
1,8 х 1,8 = З,64

Это не меньше, чем типичный практически используемый диапазон регулирования в самых разных фрикционных вариаторах, широко применяемых в промышленности.

При этом осуществляется почти прямая передача, - с очень высоким кпд,  что, в частности, позволяет использовать вариатор при  существенно  большей мощности электродвигателя.

Не сложно выполнить полумуфты сборными, всего лишь из двух-трёх простейших деталей, выточенных на токарном станке. 

Вовсе не проблема – предусматривать незаметные снаружи, почти обязательные для вариаторов  расклинивающие шарики в лунках.

Но мне  упрямо хочется оставить полумуфты цельными и прижать их к пластинке как-нибудь иначе, например:

• усилием магнитов,
• упругостью, например, пружинящих стенок такого вариатора,
• пружиной вне вариатора
• или даже пневматикой.
 
Пусть даже весь электродвигатель (мощностью, хотя бы  до 1 кв) с его полумуфтой будет установлен на шарнире или на салазках, и пусть его прижимает к фрикционной пластинке вариатора что угодно:

• какая-нибудь пружина,
• подвешенный груз,
• сжатый воздух.
 
Мне капризно хочется, чтобы внутри своей идеально простой коробки этот собственно вариатор был бы впечатляюще прост.

Помню, показал я чертёж этого устройство местному магнату машиностроения.  Тот маленький старичок в большом кресле, аж вздрогнув, отшатнулся рефлексивно, -  так он был поражён неожиданной для него простотой конструкции такого вариатора.

Разумеется, палец о палец он не ударил для продвижения этого вариатора в дело.

Эта игрушка не единожды производила особое впечатление на сильных мира сего.
 
Аналогом предлагаемого устройства, предназначенного для установки вместо муфты к электродвигателю малой мощности, являются очень массивные, в принципе, самые примитивные вариаторы - с торцевым взаимодействием фрикционных колёс, чуть наклонённых друг к другу. 

Такие вариаторы, одноступенчатые, очень громоздкие, имеют очень низкий КПД.  Их иногда  применяют, например, в конструкциях для сверлильных станков.

Практически в их работе используют лишь очень узкую часть его диапазона – в районе прямой передачи. Однако в каталогах рекламируют очень широкий, фактически неиспользуемый диапазон таких вариаторов, примитивных, но зато прочных.

Предложенный вариатор-муфта – передача двухступенчатая.  Это устройство предназначено прежде всего для модернизации уже действующего оборудования малой мощности, например, до 1 кв.
 
Чем меньше мощность, тем конкурентоспособнее такой вариатор (он же - ещё и муфта!) в сопоставлении с аналогами.


Диапазон регулирования в нём имеет смысл задавать как можно уже.

Поскольку этот вариатор двухступенчатый, то на каждой ступени, то есть на каждой из сторон фрикционной пластины диапазон вариации задаём очень узким.
 
Этим обеспечивается многое: и очень высокий кпд передачи, и впечатляющая компактность, и несопоставимая ни с чем тем, что имеется на мировом рынке, да и все прочие достоинства, включая малую стоимость.
 
Однако, главное, - исключительно широкие возможности для применения этого типа вариаторов: не только для создаваемого оборудования, но и для уже действующего, причём самого разнообразного.

Особо следует отметить ещё одно достоинство такого вариатора.
Диапазон  этого вариатора на каждой его ступени задаётся отношением диаметра пластины к диаметру полумуфты.

Если эти шайбы установить не соосно друг другу, а со значительным смещением, меняя таким образом характеристику вариатора, то тогда они уже – не «полумуфты» .

Меняя диаметр  полумуфты, - каждой отдельно, - относительно одного и того же диаметра фрикционной пластины, а также смещая оси полумуфт относительно друг друга, можно расширить общий диапазон регулирования этого вариатора.

При этом на каждой из двух его ступеней диаметр столь простой и дешёвой  полумуфты (просто шайбы) выбирается наиболее подходящим, - то есть как можно большим.

Фрикционным материалом такой шайбы-полумуфты выбирается любой типичный для этого материал. Эти шайбы – детали столь дешевые и технологичные в ремонте вариатора – имеет смысл изнашивать много интенсивнее и заменять чаще, чем изнашиваемые запчасти, имеющиеся в иных типах вариаторов.


___

 Примечание.
• ОДНОЙ тысяче оборотов в минуту и
• ОДНОМУ киловатту соответствует
• ОДИН  килограммометр крутящего момента.

Если плечо этого крутящего момента во фрикционной передаче в 20 раз меньше ОДНОГО метра, то в эти же 20 раз больше, чем ОДИН килограмм, должно быть сила трения в точке соприкосновения наших фрикционных колёс.

Предположим, обеспечен коэффициент трения, равный  ОДНОЙ ТРЕТИ, а электродвигатель у нас имеет ТРИ тысячи оборотов в минуту.
 
Значит, для одного киловатта мощности  достаточно прижимать полумуфты к нашей круглой пластине, что между ними,  усилием всего 20 кг, -  с чем-то, – в  запас фрикционного сцепления.

При иных оборотах, размерах, моментах, мощностях, коэффициентах трения и прочих данных упомянутые величины мгновенно корректируются устным счётом.
____________


Это лишь схематическая картинка. Более реальные пропорции размеров - при существенном, но вполне практически достаточном сужении диапазона регулирования в таком вариаторе.
Такой тип муфт-вариаторов (для массового применения в приводах машин) тем более, - да и вообще особенно, - эффективен и практичен, чем меньше мощность электродвигателя, для которого он предназначен.
Напоминаю: "Машин без муфты не существует"!

См. также: "2. В зазоре между полумуфтами", "В разумных пропорциях", "Плоские", "В промежутке, а не в зазоре" и др.