Выбор конструкции цепи с изменяемым шагом для вариатора
В.
А. БяковБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Бяков
В.
А. Выбор конструкции цепи с изменяемым шагом для вариатора // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
4306–4310. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/55126.htm.
Аннотация. Рассматриваются преимущества и недостатки различных видов цепей для вариатора с изменяемым шагом. Описывается экспериментальный стенд для исследования вариатора с цепью изменяемого шага.
Текст статьи
Бяков Владимир Анатольевич,аспирант кафедры деталей машин и теории механизмов, ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНОДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)», г. Москва89153972653@mail.ru
Выборконструкциицепи с изменяемым шагом для вариатора
Аннотация.Рассматриваются преимущества и недостатки различных видов цепей для вариатора с изменяемым шагом. Описываетсяэкспериментальныйстенд дляисследования вариатора с цепью изменяемого шага.Ключевые слова:цепной вариатор, цепь с автоматически изменяемымшагом, экспериментальный стенд.
ВведениеТрансмиссии на основе вариаторов считаются одним из самых перспективных для наземных транспортных средств. Это вызвано рядом преимуществ вариаторов, среди которых можно отметить:–бесступенчатость; –компактность;–отсутствие преобразования одних видов энергии в другие;–высокий КПД;–простота и сравнительно низкая стоимость производства.Вариаторы также имеют более высокие потребительские качества как по динамике разгона, так и по топливной экономичности не только по сравнению с гидромеханическими трансмиссиями, но и с традиционными, имеющими в своём составе ступенчатые механические коробки передач.Проблемы современных вариаторов с цепью тянущеготипаИмеется множество конструкций как фрикционных, так и импульсных вариаторов. Однако наибольшее распространение получили фрикционные вариаторы, в том числе с цепью тянущего типа.Для фрикционных вариаторов с цепью тянущего типа характерны ряд проблем, которые обусловлены тремя основными факторами: –неадекватной прижимной силой шкивов: недостаточной, приводящей к повышенному скольжению, или излишней, ведущей к дополнительным потерям;–движением гибкого элемента под углом к осям вращения шкивов (эффект поперечного изгиба ветви). Данный эффектснижает долговечность, повышает шум и вибрацию, повышает величину требуемого контактного давления, повышает требования к точности системы регулирования и снижает скорость изменения передаточного отношения;–диссипативными потерями энергии вследствие специфических для таких передач колебаний. Вместе с тем, колебания приводят к повышенному шуму и вибрации, характерным для таких передач.Сравнение вариантов цепи вариатора.Для снижения потерь на трение и увеличения КПД вариатора предполагается трение скольженияв месте контакта шкива и пальца цепизаменить механической передачей.Это возможно посредством применения цепи с изменяющимся шагом. В ходе работы было рассмотренонесколько вариантов конструкции таких цепей.Вариант 1. Цепь с фигурными вырезами в пластинах
Рис. 1. Цепь с фигурными вырезами в пластинах
Двухзвенный механизм заменяется двумя пластинами с фигурными вырезами. Пластины соединены между собой штифтами, продетыми сквозь вырез каждой пластины. При уменьшении шага цепи, пластины начинают проворачиваться относительно пальцев (на рис. показаны большей длины, чем штифты).Недостатки:При движении штифта по фигурному вырезу возникает трение скольжения; Вырезы в пластинах со временем изнашиваются, при этом точность передачи уменьшается.Вариант 2. Цепь с Побразными звеньями.Цепь состоит из Побразных звеньев. Конструкция не позволяет цепи складываться. Таким образом, свободные ветви цепи становятся не только тянущими, но и толкающими. Усилие от шкива будет передаваться только первым звеном свободной ветви, входящим в зацепление со шкивом, и также только последнее звено свободной ветви будет передавать момент на ведомый шкив.
Рис. 2. Толкающая ветвь цепи.
При этом, чем меньше длина звена, тем меньше радиус на шкиве по которому может пройти цепь.
Рис. 3. Критический случай: звенья цепи сминают друг друга.
Недостатки:При определенных условиях звенья цепи начинают складываться, что приводит к их смятию и выходу из строя механизма.Вариант 3. Цепь с Побразнымизвеньями.Дополнительные звездочки вариатора.После вхождения в зацепление со шкивом, цепь проходит по шкиву определенное расстояние и по касательной выходит из зацепления, после этого цепь проходит позвёздочке и снова возвращается на шкив.При этом радиус звездочки сравним с шагом цепи.
А) Два шкива, две дополнительные звездочки .
Рис. 4. Цепь с Побразными звеньями и двумя дополнительными звездочками.
Б) Треугольная схема. Спрямолинейнымдвижениемведомых шкивов.Имеется один ведущий и два ведомых шкива. Для компенсации натяжения цепиоси ведомых шкивов совершают прямолинейное движениеНа рисунке изображены три положения вариатора при разных значениях передаточных отношений.
Рис. 5. Цепь с Побразными звеньями.
В) Треугольная схема. С движением ведомых шкивов по радиусу кривой.Недостатки: Недостатки аналогичны варианту 2, при определенных условиях звенья цепи начинают складываться.
Рис. 6. Цепь с Побразными звеньями. Движение ведомых шкивов по радиусу кривой.
Вариант 4. Цепь шарнирная со стопором сжатия и растяжения.А) С Zобразными щеками, имеются упоры, позволяющие работать цепи на сжатие.Цепь предназначенадля работы с одной лентой.
Рис. 7. Цепь с Zобразными щеками
Б) С квадратными щеками (имеются упоры как для работы на сжатие, так и для работы на растяжение). Для работы с одной лентой.
Рис. 8. Цепь с квадратными щеками.
В) Цепь с Хобразными щекамиДля работы с двумя лентами. Щеки цепи имеют сложную форму.
Рис. 9. Цепь с Хобразными щеками.
Недостатки:Цепь имеет более сложную конструкцию, стоимость производства выше. Масса каждого звена больше, чем у аналогов, при тех же передаваемых нагрузках, что хуже при работе на больших частотах вращения шкивов.Вариант 5. Цепь шарнирная с зубчатым зацеплением звеньев и одной лентой.
Рис. 10. Цепь шарнирная с зубчатым зацеплением звеньев и одной лентой.
Каждая щека цепи с внутренней стороны контура снабжена зубчатой частью (вид А). Соседние щеки взаимодействуют друг с другом. Передаточное отношение данной зубчатой передачи не равно 1. Вследствие чего, при изменении шага на одном из пролетов цепи, шаг на соседних пролетах также изменится, но не будет равен данному шагу (положение 2). Цепь, в отличие от предыдущего варианта, снабжена только одной лентой.Недостатки: Шаг изменятся только в одном направлении, т.е невозможна ситуация, когда шаги соседних пролетов одинаковы и отличаются от данного изменяемого. Шаг на звене слева от изменяемого будет большего данного, и больше шага справа от изменяемого звена.Вариант 6. Шаринирная цепь с двумя гибкими элементами.
Шарнирная многозвенная цепь составлена из звеньев. Звенья и выполнены каждое в виде пары плоских ступенчатых щёк, жёстко скреплённых между собой плоскими или цилиндрическими поперечинами, расположенными на продольной оси симметрии звена. Цепь охвачена снаружи замкнутым гибким элементом, в виде металлической ленты.Цепная передача снабжена вторым гибким элементом, выполненным, также, в виде металлической ленты, которая установлена внутри и концентрична относительно первой ленты.Ленты
и имеют возможность смещаться относительно пальцев. Цепь имеет возможность изменять шаг в зависимости от расстояния между лентами.
Рис. 11. Шаринирная цепь с двумя гибкими элементами.
Более подробно данный вариант описан в Патенте РФ №2492377 «Цепная передача с автоматически изменяемым шагом»[1].Данный вариантнаиболее оптималендля использования в конструкции вариатора. Имеет наиболее технологичную конструкцию звеньев. Достигается однозначное соответствие между текущими значениями шага конических колёс и звена цепи в момент их входа в зацепление, что снижает динамические нагрузки на цепную передачу с изменяемым шагом.Экспериментальная установка.Для изучения параметров и совершенствования конструкции вариатора с цепью переменного шага по патенту РФ №2492377 разработан испытательный стенд.Целью ближайшихэкспериментальных исследований является определение оптимальной конструкции шкивов и цепи с изменяемым шагом, а также исследование процесса входа звеньев цепи в контакт с пазами шкива вариатораи получение точной математической модели работы вариатора с цепью новой конструкции
Рис. 11. Схема экспериментального стенда
Рис. 12. Общий вид вариаторной установки
Рис. 13. Вал с ведомыми шкивами в разрезСтенд включаетв себя электродвигатель, вариаторную установку, тормозное устройство и систему управления передаточным отношением вариаторной установки (рис. 11).От двигателя 1 крутящий момент через муфту 2 передается на ведущий вал вариатора. Крутящий момент со шкивов ведущего вала 3 посредством цепи передается на шкивы ведомого вала 10. На одном из концов ведомого вала установлен барабан, зажимающийся колодками тормозного устройства 11.На валах вариатора установлены датчики 5 и 9 частоты вращения. Тормозное устройство снабжено динамометром 13. Рядом с ведущими и ведомыми шкивами установлены шкалы 4 для контроля смещения шкивов.Устройство управления состоит из двух коромысел 7 вращающихся на осях расположенных между валами вариатора [2]. Более длинным плечом каждое коромысло связано с втулкой 15, передвигающейся по червяку 8. Червяк имеет левую и правую резьбу, при вращении рукоятки 6 втулки симметрично передвигаются. На коромысле установлены ролики 14. Между шкивами установлены пружины 2 (рис 13), поджимающие их к данным роликам. Ролики 3 (рис 13) изготовлены из полиуретана с высокой жесткостью и имеют встроенные подшипники.Конструкциясистемы управления такова, что изменение расстояния между шкивами вариатора при равномерном вращении ручки управления постоянно. Таким образом, зависимость между изменением рабочих радиусов на ведущем и ведомом шкиве должна быть линейной.
На данный момент происходит изготовление отдельных деталейстенда. Были приобретены необходимые покупные изделия. В ближайшее время будет произведена сборка и ходовые испытания стендаВыводНаиболее перспективным цепным вариатором является вариатор с цепью изменяемого шага. Из всех рассмотренных вариантов цепи с изменяемым шагом наиболее оптимальный вариант –шарнирная цепь с двумя концентрическими лентами.
Ссылки на источники1.Патент РФ № 2492377 кл. B 16 H 7/06 от 10.09.13.2.Решетов Д. Н. Детали машин. Атлас конструкций. М.: Машиностроение. 1992, 173 с.
V. A. Byakov, Postgraduate studentOptimal design of the chain with variable pitch for CVT.Abstract.Discuss the advantages and disadvantages of different kinds of chains for CVT with chain controllable pitch. Experimental stand for research of variablespeed drive with chain controllable pitchdescribes.Keywords:chain variator, chain automaticaly controllable pitch, experimental stand.
Выборконструкциицепи с изменяемым шагом для вариатора
Аннотация.Рассматриваются преимущества и недостатки различных видов цепей для вариатора с изменяемым шагом. Описываетсяэкспериментальныйстенд дляисследования вариатора с цепью изменяемого шага.Ключевые слова:цепной вариатор, цепь с автоматически изменяемымшагом, экспериментальный стенд.
ВведениеТрансмиссии на основе вариаторов считаются одним из самых перспективных для наземных транспортных средств. Это вызвано рядом преимуществ вариаторов, среди которых можно отметить:–бесступенчатость; –компактность;–отсутствие преобразования одних видов энергии в другие;–высокий КПД;–простота и сравнительно низкая стоимость производства.Вариаторы также имеют более высокие потребительские качества как по динамике разгона, так и по топливной экономичности не только по сравнению с гидромеханическими трансмиссиями, но и с традиционными, имеющими в своём составе ступенчатые механические коробки передач.Проблемы современных вариаторов с цепью тянущеготипаИмеется множество конструкций как фрикционных, так и импульсных вариаторов. Однако наибольшее распространение получили фрикционные вариаторы, в том числе с цепью тянущего типа.Для фрикционных вариаторов с цепью тянущего типа характерны ряд проблем, которые обусловлены тремя основными факторами: –неадекватной прижимной силой шкивов: недостаточной, приводящей к повышенному скольжению, или излишней, ведущей к дополнительным потерям;–движением гибкого элемента под углом к осям вращения шкивов (эффект поперечного изгиба ветви). Данный эффектснижает долговечность, повышает шум и вибрацию, повышает величину требуемого контактного давления, повышает требования к точности системы регулирования и снижает скорость изменения передаточного отношения;–диссипативными потерями энергии вследствие специфических для таких передач колебаний. Вместе с тем, колебания приводят к повышенному шуму и вибрации, характерным для таких передач.Сравнение вариантов цепи вариатора.Для снижения потерь на трение и увеличения КПД вариатора предполагается трение скольженияв месте контакта шкива и пальца цепизаменить механической передачей.Это возможно посредством применения цепи с изменяющимся шагом. В ходе работы было рассмотренонесколько вариантов конструкции таких цепей.Вариант 1. Цепь с фигурными вырезами в пластинах
Рис. 1. Цепь с фигурными вырезами в пластинах
Двухзвенный механизм заменяется двумя пластинами с фигурными вырезами. Пластины соединены между собой штифтами, продетыми сквозь вырез каждой пластины. При уменьшении шага цепи, пластины начинают проворачиваться относительно пальцев (на рис. показаны большей длины, чем штифты).Недостатки:При движении штифта по фигурному вырезу возникает трение скольжения; Вырезы в пластинах со временем изнашиваются, при этом точность передачи уменьшается.Вариант 2. Цепь с Побразными звеньями.Цепь состоит из Побразных звеньев. Конструкция не позволяет цепи складываться. Таким образом, свободные ветви цепи становятся не только тянущими, но и толкающими. Усилие от шкива будет передаваться только первым звеном свободной ветви, входящим в зацепление со шкивом, и также только последнее звено свободной ветви будет передавать момент на ведомый шкив.
Рис. 2. Толкающая ветвь цепи.
При этом, чем меньше длина звена, тем меньше радиус на шкиве по которому может пройти цепь.
Рис. 3. Критический случай: звенья цепи сминают друг друга.
Недостатки:При определенных условиях звенья цепи начинают складываться, что приводит к их смятию и выходу из строя механизма.Вариант 3. Цепь с Побразнымизвеньями.Дополнительные звездочки вариатора.После вхождения в зацепление со шкивом, цепь проходит по шкиву определенное расстояние и по касательной выходит из зацепления, после этого цепь проходит позвёздочке и снова возвращается на шкив.При этом радиус звездочки сравним с шагом цепи.
А) Два шкива, две дополнительные звездочки .
Рис. 4. Цепь с Побразными звеньями и двумя дополнительными звездочками.
Б) Треугольная схема. Спрямолинейнымдвижениемведомых шкивов.Имеется один ведущий и два ведомых шкива. Для компенсации натяжения цепиоси ведомых шкивов совершают прямолинейное движениеНа рисунке изображены три положения вариатора при разных значениях передаточных отношений.
Рис. 5. Цепь с Побразными звеньями.
В) Треугольная схема. С движением ведомых шкивов по радиусу кривой.Недостатки: Недостатки аналогичны варианту 2, при определенных условиях звенья цепи начинают складываться.
Рис. 6. Цепь с Побразными звеньями. Движение ведомых шкивов по радиусу кривой.
Вариант 4. Цепь шарнирная со стопором сжатия и растяжения.А) С Zобразными щеками, имеются упоры, позволяющие работать цепи на сжатие.Цепь предназначенадля работы с одной лентой.
Рис. 7. Цепь с Zобразными щеками
Б) С квадратными щеками (имеются упоры как для работы на сжатие, так и для работы на растяжение). Для работы с одной лентой.
Рис. 8. Цепь с квадратными щеками.
В) Цепь с Хобразными щекамиДля работы с двумя лентами. Щеки цепи имеют сложную форму.
Рис. 9. Цепь с Хобразными щеками.
Недостатки:Цепь имеет более сложную конструкцию, стоимость производства выше. Масса каждого звена больше, чем у аналогов, при тех же передаваемых нагрузках, что хуже при работе на больших частотах вращения шкивов.Вариант 5. Цепь шарнирная с зубчатым зацеплением звеньев и одной лентой.
Рис. 10. Цепь шарнирная с зубчатым зацеплением звеньев и одной лентой.
Каждая щека цепи с внутренней стороны контура снабжена зубчатой частью (вид А). Соседние щеки взаимодействуют друг с другом. Передаточное отношение данной зубчатой передачи не равно 1. Вследствие чего, при изменении шага на одном из пролетов цепи, шаг на соседних пролетах также изменится, но не будет равен данному шагу (положение 2). Цепь, в отличие от предыдущего варианта, снабжена только одной лентой.Недостатки: Шаг изменятся только в одном направлении, т.е невозможна ситуация, когда шаги соседних пролетов одинаковы и отличаются от данного изменяемого. Шаг на звене слева от изменяемого будет большего данного, и больше шага справа от изменяемого звена.Вариант 6. Шаринирная цепь с двумя гибкими элементами.
Шарнирная многозвенная цепь составлена из звеньев. Звенья и выполнены каждое в виде пары плоских ступенчатых щёк, жёстко скреплённых между собой плоскими или цилиндрическими поперечинами, расположенными на продольной оси симметрии звена. Цепь охвачена снаружи замкнутым гибким элементом, в виде металлической ленты.Цепная передача снабжена вторым гибким элементом, выполненным, также, в виде металлической ленты, которая установлена внутри и концентрична относительно первой ленты.Ленты
и имеют возможность смещаться относительно пальцев. Цепь имеет возможность изменять шаг в зависимости от расстояния между лентами.
Рис. 11. Шаринирная цепь с двумя гибкими элементами.
Более подробно данный вариант описан в Патенте РФ №2492377 «Цепная передача с автоматически изменяемым шагом»[1].Данный вариантнаиболее оптималендля использования в конструкции вариатора. Имеет наиболее технологичную конструкцию звеньев. Достигается однозначное соответствие между текущими значениями шага конических колёс и звена цепи в момент их входа в зацепление, что снижает динамические нагрузки на цепную передачу с изменяемым шагом.Экспериментальная установка.Для изучения параметров и совершенствования конструкции вариатора с цепью переменного шага по патенту РФ №2492377 разработан испытательный стенд.Целью ближайшихэкспериментальных исследований является определение оптимальной конструкции шкивов и цепи с изменяемым шагом, а также исследование процесса входа звеньев цепи в контакт с пазами шкива вариатораи получение точной математической модели работы вариатора с цепью новой конструкции
Рис. 11. Схема экспериментального стенда
Рис. 12. Общий вид вариаторной установки
Рис. 13. Вал с ведомыми шкивами в разрезСтенд включаетв себя электродвигатель, вариаторную установку, тормозное устройство и систему управления передаточным отношением вариаторной установки (рис. 11).От двигателя 1 крутящий момент через муфту 2 передается на ведущий вал вариатора. Крутящий момент со шкивов ведущего вала 3 посредством цепи передается на шкивы ведомого вала 10. На одном из концов ведомого вала установлен барабан, зажимающийся колодками тормозного устройства 11.На валах вариатора установлены датчики 5 и 9 частоты вращения. Тормозное устройство снабжено динамометром 13. Рядом с ведущими и ведомыми шкивами установлены шкалы 4 для контроля смещения шкивов.Устройство управления состоит из двух коромысел 7 вращающихся на осях расположенных между валами вариатора [2]. Более длинным плечом каждое коромысло связано с втулкой 15, передвигающейся по червяку 8. Червяк имеет левую и правую резьбу, при вращении рукоятки 6 втулки симметрично передвигаются. На коромысле установлены ролики 14. Между шкивами установлены пружины 2 (рис 13), поджимающие их к данным роликам. Ролики 3 (рис 13) изготовлены из полиуретана с высокой жесткостью и имеют встроенные подшипники.Конструкциясистемы управления такова, что изменение расстояния между шкивами вариатора при равномерном вращении ручки управления постоянно. Таким образом, зависимость между изменением рабочих радиусов на ведущем и ведомом шкиве должна быть линейной.
На данный момент происходит изготовление отдельных деталейстенда. Были приобретены необходимые покупные изделия. В ближайшее время будет произведена сборка и ходовые испытания стендаВыводНаиболее перспективным цепным вариатором является вариатор с цепью изменяемого шага. Из всех рассмотренных вариантов цепи с изменяемым шагом наиболее оптимальный вариант –шарнирная цепь с двумя концентрическими лентами.
Ссылки на источники1.Патент РФ № 2492377 кл. B 16 H 7/06 от 10.09.13.2.Решетов Д. Н. Детали машин. Атлас конструкций. М.: Машиностроение. 1992, 173 с.
V. A. Byakov, Postgraduate studentOptimal design of the chain with variable pitch for CVT.Abstract.Discuss the advantages and disadvantages of different kinds of chains for CVT with chain controllable pitch. Experimental stand for research of variablespeed drive with chain controllable pitchdescribes.Keywords:chain variator, chain automaticaly controllable pitch, experimental stand.
