книги из ГПНТБ / Козырев А.В. Конструирование любительских магнитофонов

механизмам. Применение второго двигателя целесообразно лишь по­ тому, что это облегчает режим работы ведущего двигателя, и он может иметь на валу меньшую мощность.

Не менее важный вопрос, возникающий при выборе кинематической схемы,— это способ стабилизации натяжения ленты.

До последнего времени в большинстве промышленных и лю­ бительских конструкций для стабилизации натяжения ленты исполь­ зовались разомкнутые следящие системы с весочувствительными фрик­ ционными муфтами.

Однако сейчас все большее распространение получают автоматичес­ кие замкнутые следящие системы. Использование их во вновь разра­ батываемых ЛПМ целесообразно.

Что касается наличия в механизме двухстороннего или односто­ роннего рабочего хода, предпочтение следует отдать первому. Дву­ сторонний рабочий ход ленты не только повышает оперативность ра­ боты с магнитофоном, но и существенно уменьшает износ ленты, так как перемотка ее в ряде случаев бывает не нужна.

Однако наличие двух комплектов магнитных головок и усложне­ ние ЛПМ существенно повышают стоимость конструкции. Поэтому подобные механизмы иногда применяют в магнитофонах высшего клас­ са и репортажных.

Несмотря на указанные недостатки, бытовые магнитофоны промыш­ ленного производства строят в основном по одномоторной схеме. Объ­ ясняется это тем, что при крупносерийном производстве стоимость ме­ ханических деталей, изготовленных такими высокопроизводительными » высокотехнологичными процессами, как штамповка, литье и т. д., при широком использовании дешевых материалов, как алюминиевые сплавы, различные сорта пластмасс, оказывается значительно ниже стоимости трех электродвигателей.

Вцелом одномоторные конструкции получаются дешевле, чем двух­ моторные и трехмоторные. Поэтому последние применяют в основном для профессиональной записи. Двухмоторные конструкции нашли крайне небольшое распространение. Кассетные аппараты строят только по одномоторной схеме.

Влюбительской практике оценка выбора количества двигателей может быть иной. Иногда проще и дешевле достать три электродвигате­ ля, чем изготавливать с высокой степенью точности большое количе­ ство механических деталей; В ряде случаев конструкция получается предельно простой, состоящей из платы с укрепленными на ней тре­ мя электродвигателями, прижимного ролика и магнитных головок. Управление таким механизмом осуществляется чисто электрическим способом.

Радиолюбители добиваются от такой конструкции более высоких качественных показателей при минимальной затрате труда и вре­ мени.

Если же конструктор ставит перед собой задачу создания кас­ сетного или малогабаритного магнитофона с автономным питанием, то очевидно предпочтение следует отдать одномоторным схемам.

40

Г л а в а 3. УЗЕЛ ВЕДУЩЕГО ВАЛА

Основное назначение узла ведущего вала — это перемещение ленты относительно магнитных головок g необходимой стабильностью сред­ ней и мгновенной скорости.

Способы протягивания ленты. Перемещение (протягивание) магнит­ ной ленты в ЛПМ осуществляется следующими способами: перематы­ ванием ленты непосредственно приемной катушкой при ее вращении с псстоянной или переменной скоростью, протягиванием ведущим валом большого диаметра и протягиванием фрикционной парой ведущий вал — прижимной ролик (одним или двумя). В последних двух слу­ чаях ведущий вал должен вращаться с по­ стоянной скоростью.

Протягивание магнитной ленты за счет вращения приемной катушки иногда при­ меняется в простейших магнитофонах (рис. 14, с). Этот способ не обеспечивает постоянства скорости ленты, так как с уве­ личением радиуса намотки скорость будет изменяться. Введение различного рода устройств, изменяющих скорость вращения приемной катушки по мере намотки на нее ленты, сводит на нет основное преимущест­ во данного способа — простоту.

При втором способе (рис. 14, б) протя­ гивание осуществляется за счет хорошего сцепления ленты с поверхностью ведущего вала. Здесь возможно получить высокоста­ бильное протягивание ленты, но диаметр ведущего вала и угол обхвата его лентой должны быть достаточно большими. При этом однако усложняется заправка механиз­ ма лентой, тракт движения ленты получа­ ется более сложным за счет введения устройств, отводящих ленту от ведущего вала

в режимах перемотки, увеличиваются габариты. Если не введены сле­ дящие системы стабилизации натяжения ленты, то количество ее на ка­ тушках надо ограничить.

В настоящее время в магнитофонах используют исключительно способ протягивания ленты фрикционной парой (рис. 14, в). Магнитная лента прижимается к вращающемуся с постоянной скоростью гладкому цилиндрическому валу поверхностью свободно вращающегося прижим­ ного ролика. Поверхность прижимного ролика выполнена из эластич­ ного материала с большим коэффициентом трения. Протягивание лен­ ты можно выполнить и двумя фрикционными парами (рис. 14, г). Этот способ обладает рядом преимуществ, но конструктивно он более сло­ жен по сравнению с предыдущим.

41

Как указывалось, на ведущем валу для стабилизации скорости ленты устанавливают маховик с большой массой. Вращение ведущего вала производится либо непосредственно двигателем, либо через си­ стему передачи вращения от вынесенного двигателя. Ведущий вал с прижимным роликом, находясь в контакте с лентой, осуществляет не только ее поступательное движение, но и передает ей все возмущения, которые возникают при работе или передаются ведущему узлу извне. От конструкции ведущего узла, величины его инерционных масс, си­ стемы передачи вращения от двигателя и т. д. зависит, в конечном счете, стабильность скорости ленты.

Рис. 15

Требования, предъявляемые к узлу ведущего вала, можно сформу­ лировать следующим образом: протягивание ленты с высокой стабиль­ ностью средней и мгновенной скорости; возможность протягивания ленты с несколькими-скоростями; простота и удобство изменения ско­ рости ленты; удобство и автоматизация заправки ленты; возможность работать как в горизонтальном, так и в вертикальном положе­ нии, бесшумность работы, высокая надежность и длительный срок службы.

Особенности работы фрикционной пары ведущий вал — прижимной ролик. Ведущий вал, лента, прижимной ролик являются сложной кине­ матической передачей, которую можно рассматривать как некоторое сочетание ременной и фрикционной передач. До настоящего времени нет единой точки зрения на механизм работы такой передачи. Тем не менее на практике используют два способа ее построения (рис. 15), отличающиеся размерами прижимного ролика. Не вдаваясь в подроб­ ности, можно с некоторыми допущениями считать, что в случае, пока­ занном на рис. 15, а, протягивание ленты в основном осуществляет эла­ стичная поверхность ролика, а в случае, показанном на рис. 15, б,— поверхность ведущего вала. В обоих случаях необходимо, чтобы при­ жимной ролик прижимался к ведущему валу с постоянным усилием Q (рис. 15, в). Если применяется способ протягивания поверхностью ролика, необходимо, чтобы эластичная поверхность ролика обвола­ кивала ленту сверху или снизу и имела непосредственный контакт с ведущим валом. Величина силы Q в этом случае (рис. 15, а) должна быть такой, чтобы вызвать деформацию сжатия эластичного слоя ролика бо­ лее чем на толщину ленты.

42

При этом вращающий момент ведущего вала через ленту и места контактов с ним эластичной (в большинстве случаев резиновая) поверх­ ности передается прижимному ролику. Ленту в основном «ведет» эластичная поверхность прижимного ролика, так как коэффициент трения покоя р, резина — лента равен примерно 0,9 и всегда больше коэффициента трения сталь — лента, равного примерно 0,2.

Если прижимной ролик прижимает ленту к ведущему валу с силой Q, то упрощенно можно считать, что непосредственно под прижимным роликом (по рисунку) в точке соприкосновения его с ведущим валом возникает сила F между лентой и резиновой поверхностью прижим­ ного ролика, равная:

зультирующей силы натяжения ленты в тракте ЛПМ, т. е. F ~> F0. Если угол обхвата а (в радианах) не равен нулю, то тогда сила между резиновой поверхностью прижимного ролика и лентой возрас­

Dn p — наружный диаметр прижимного ролика, мм.

Для протягивания ленты поверхностью ведущего вала эластичная поверхность ролика выполняется равной или даже несколько меньшей ширины ленты. Эластичная поверхность ролика прижимает ленту к ведущему валу с силой Q, увеличивая тем самым силу трения между валом и лентой. Вращает прижимной ролик движущая лента. Так как коэффициент трения сталь — лента составляет порядка 0,2, умень­ шается и сила F по сравнению со способом протягивания (рис. 15, с).

Чтобы не было проскальзывания ленты, необходимо значительно увеличить силу прижима Q или поддерживать постоянство сил натя­ жения ленты слева и справа от ведущего'вала. В ряде случаев для увеличения коэффициента трения между лентой и ведущим валом

43

последний подвергается специальной обработке, в результате которой его поверхность становится микрошероховатой. В общем случае ста­ бильность средней скорости ленты во втором случае получается ниже.

В то же время считается, что оба способа протягивания ленты с точки зрения колебаний скорости практически равноценны. Однако в ряде конструкций магнитофонов высших классов протягивание ленты осуществляется по второму способу. В этом случае тракт движения ленты и саму конструкцию прижимного ролика, чтобы исключить пере­ мещение ленты по высоте, надо выполнить более точно.

Если ведущий вал имеет биение, то при вращении упругая поверх­ ность прижимного ролика деформируется вне зависимости от его высоты. При этом возникают периодические колебания силы прижима. Амплитуда колебаний пропорциональна эксцентриситету ведущего вала и общей жесткости прижимного ролика в направлении силы при­ жима, приведенной к точке прижима. Аналогичное явление происхо­ дит из-за биения прижимного ролика, неоднородности и разной тол­ щины его эластичного слоя. Все это приводит к изменению переда­ точного отношения от ведущего вала к ленте, вызывает появление переменной составляющей момента сопротивления в подшипниках ведущего вала и прижимного ролика. В конечном итоге возникают колебания скорости ленты. Для того чтобы уменьшить указанное яв­ ление, нужно изготавливать ведущий вал и прижимной ролик с мак­ симально ЕОЗМОЖНОЙ точностью. Эластичный слой должен иметь вы­ сокую однородность и быть ровным по толщине по всей окружности ролика.

Так как амплитуда колебаний силы прижима зависит также от общей жесткости прижимного ролика, то ее необходимо выбирать минимально возможной. Из теории фрикционных передач известно, что при уменьшении жесткости эластичного слоя одного из роликов передачи увеличивается дуга, на которой происходит упругое про­ скальзывание. Аналогичное явление наблюдается и при уменьшении жесткости эластичного слоя прижимного ролика, приводящем к ухуд­ шению стабильности средней скорости ленты. Чтобы уменьшить жесткость системы, не уменьшая чрезмерно жесткость эластичного слоя ролика, рычаг, на котором он крепится, «развязывают» от якоря электромагнита или клавиши управления, поджимающей ролик к ведущему валу, с помощью пружины. Отвод ролика от ведущего вала производится второй (возвратной) пружиной. Иногда для этой же цели прижим осуществляют только пружиной, а при выключении механизма или при ускоренных перемотках отвод ролика от ведущего вала производится клавишей или электромагнитом. В ряде механизмов вводится регулировка натяжения развязывающей пружиной. При малой жесткости развязывающей пружины требуются значительные ее деформации, чтобы обеспечить нужную величину усилия прижима. Это может привести к значительному удлинению рабочих ходов ры­ чагов или тяг клавишей управления.

Ведущий вал и прижимной ролик являются конечным звеном, осу­ ществляющим протягивание ленты, поэтому элементы этого узла

44

необходимо изготавливать с очень высокой точностью. Например, биение ведущего вала обычно не должно превышать нескольких мик­ рон, а в ряде конструкций высших классов — даже долей микрона. С учетом технологических трудностей, возникающих при обработке эластичных слоев, биение прижимного ролика допускается неболее 10—20 мкм. Также следует в разумных пределах выбирать жест­ кость системы.

Рассмотрим способы взаимной установки прижимного ролика и ведущего вала. На рис. 16, а показан так называемый способ установки «на прижим», а на рйс. 16, б, в,г,д — «на заклинивание». Сила прижима Q зависит от длины рычага L, величины момента М, создаваемой пру­ жиной на рычаге, и угла [3 между направлением рычага и силой прижи­ ма, приложенной со стороны ведущего вала и прижимного ролика, т. е.

В общем случае сила прижима зависит также от величины окруж­ ного усилия Рокр, приложенного со стороны ведущего вала к прижим­ ному ролику. При р = 90° прижимное усилие существует только

ввиде силы Q, направленной по радиусу. При одном и том же моменте М усилие прижима получается минимальное при р = 90° и увеличива­ ется при изменении Р в большую или меньшую сторону. Однако уста­ новку на «заклинивание» в этом смысле нельзя считать преимуществом, так как увеличение силы прижима при р = 90° очень просто достига­ ется изменением плеч рычага. Больше того, установка на «заклини­ вание» приводит к увеличению нестабильности как средней,^'так и мгновенной скорости ленты, поскольку при этом увеличивается жест­ кость пружины прижимного ролика. Действительно, в крайних точках

Р= 0 или р = 180° любое усилие прижима только сжимает или растя­ гивает рычаг, но не поворачивает и не деформирует пружину. При уста­ новке ролика «на заклинивание» в результате вдавливания ведущего вала в эластичный слой происходит неравномерное и в большей мере, чем при установке «на прижим», навальцовывание его. При протягивании ленты роликом достаточно небольшой неоднородности эластичного слоя, чтобы навальцованный участок вызывал переменную нагрузку на ве­ дущий вал и, соответственно, на вал ротора двигателя. Это отрицатель­ но сказывается на стабильности скорости ленты. Кроме того, установ­ ка на «заклинивание» увеличивает зависимость силы прижима от момента сопротивления вращению прижимного ролика, что также при­ водит к нестабильности средней и мгновенной скорости ленты. Поэтому

всовременных конструкциях стараются ролик устанавливать на «при­ жим».

Преимущества установки ролика на «прижим» реализуются пол­ ностью только тогда, когда оси ролика и ведущего вала строго парал­

ного ролика. При перекосе в плоскости, проходящей через оси ве­ дущего вала и прижимного ролика, деформация эластичного слоя

45

Рис. 16

будет неодинакова по длине их контакта. Из-за этого сила прижима в разных точках по высоте ролика также будет неодинаковой. Это приведет к возникновению усилия, действующего на ленту по линии

такта, также возникает усилие, смещающее ленту в поперечном на­ правлении. В основном это вызвано тем, что периферические ско­ рости точек ведущего вала и прижимного ролика направлены под углом. Для устранения этого явления узлы и детали прижимного ролика, установленного «на прижим», должны изготавливаться с более высокой точностью.

и г,— уменьшает. Если окружное усилие увеличивает усилие прижима, то прижимной ролик работает в режиме самозаклинивания, при этом момент, создаваемый пружиной, прижимающий ролик, может быть значительно уменьшен и даже равен нулю. Это же окружное усилие стремится обкатать прижимной ролик вокруг ведущего вала. При некоторой свободе перемещения оси ролика окружное усилие ориентирует его относительно ведущего вала, позволяя реализовать принцип самоустановки в двух плоскостях. Отметим, что самоустановка прижимного ролика возможна и при способе «на прижим», но только в плоскости, проходящей через оси ролика и ведущего вала. Самоуста­ новка роликов является существенным технологическим фактором, в результате чего принцит установки «на заклинивание» получил не­ которое распространение в бытовых магнитофонах. На практике при­ жимной ролик устанавливают по схеме рис. 16, б, что позволяет ослабить влияние навальцовывания эластичного слоя на участке ленты ведущий вал— магнитные головки.

При определении необходимой величины силы прижима Q нужно также учитывать следующее. Увеличение силы Q при конечных коэф­ фициентах трения лента — ведущий вал — прижимной ролик уве­ личивает силу протягивания. Однако слишком большая сила Q уве­ личивает износ ленты и внутренние потери в эластичном слое ролика, в подшипниках ведущего вала и даже может вызвать деформацию последнего.

Особенности работы узла ведущего вала. В зависимости от способа передачи момента вращения от двигателя ведущему валу различают узлы ведущего вала с непосредственным и косвенным приводами. В первых ведущим валом является насадка, укрепленная на валу двигателя, или сам вал двигателя. В узлах с косвенным приводом ве­ дущий вал с подшипником и маховиком выполняют в виде самостоя­ тельного узла, вращение которому передается через редуктор, выпол­ ненный в виде ременной или фрикционной передачи.

Непосредственный привод отличается простотой конструкции, минимальными габаритами, высокой надежностью и долговечностью

47

работы. Отсутствие редуктора обеспечивает высокую стабильность средней скорости. Недостаток такого привода — ограничение в вы­ боре диаметра ведущего вала, дополнительная нагрузка на подшипни­ ки двигателя за счет усилия со стороны прижимного ролика, труд­ ности использования его при низких скоростях ленты. Последнее объясняется тем, что с уменьшением скорости ленты приходится либо существенно уменьшать диаметр ведущего вала, либо применять низкооборотные двигатели. С уменьшением диаметра ведущего вала при конечной точности его обработки растет коэффициент детонации и вал становится механически слабым. При использовании же низко­ оборотных (тихоходных) двигателей возрастают его габариты, ухуд­ шается к. п. д. и повышается неравномерность вращения. При высоких скоростях движения ленты в профессиональной аппаратуре диаметр ведущего вала получается достаточно большим (даже при частотах вращения двигателя 750—1500 об/мин). При этом обеспечивается необходимая стабильность скорости ленты. Высокие требования к стабильности средней скорости привели к тому, что непосредственный привод используется в студийных магнитофонах, особенно старых выпусков. Непосредственный привод применялся в бытовых магнито­ фонах первых выпусков, работавших с высокими скоростями ленты.

В современных бытовых магнитофонах нашел наибольшее рас­ пространение косвенный привод. Несмотря на некоторую сложность конструкции, он обладает рядом существенных преимуществ, к ко­ торым относятся высокая мгновенная стабильность движения ленты, возможность протягивания ленты с несколькими скоростями, исполь­ зование ведущего вала большого диаметра, применение двигателей с широким диапазоном частот вращения, уменьшение нагрузки на подшипники двигателей и т. д.

последнее время устанавливают жесткие пассики из полиэфирной плен­ ки, лавсановых тканей и т. д., что позволяет создать редуктор, обеспечивающий высокую стабильность не только мгновенной, но и средней скорости ленты. Поэтому косвенный привод начинают ши­ роко использовать и в профессиональной аппаратуре. Свойства и осо­ бенности конструкции элементов косвенного привода ведущего узла подробно рассмотрены в гл. 5.

Остановимся на построении узла ведущего вала и определим, как получить высокую стабильность средней и мгновенной скорости ленты. Будем считать, что элементы узла выполнены с необходимой точностью. Как известно, для уменьшения колебаний скорости лен­ ты в зоне магнитных головок участок ленты, непосредственно соприка­ сающийся с головками, связывают со значительными инерционными массами. Одну из таких масс в виде маховика устанавливают непосред­ ственно на ведущем валу. Причем в непосредственном приводе маховик укрепляют прямо на валу двигателя, а в косвенном— на ведущем ва­ лу. В последнем случае маховик выполняет роль ведомого диска (шкива) передачи.

48

На ведущий вал воздействует ряд возмущающих факторов. Это собственные колебания скорости вращения ротора электродвигателя, возмущения в подшипниках вала и прижимного ролика, возмущения, возникающие в эластичных слоях фрикционных передач, и т. д. Для уменьшения амплитуды колебаний угловой скорости ведущего вала, вызываемых внешними возмущениями, необходимо увеличить массу маховика, а связь между ведущим валом и двигателем делать упругой. Причем, чем слабее величина упругой связи, тем меньше действие вне­ шних возмущающих сил. Редуктор косвенного привода — элемент такой связи. Упругие свойства пассика и эластичного слоя фрикцион­ ной передачи являются естественным фильтром, сглаживающим не­ равномерность вращения ротора двигателя. В зависимости от того, что преобладает—значение стабильности средней или мгновенной ско­ рости,— выбирают степень жесткости связи. Упругие передачи с резиновыми пассиками и фрикционные обеспечивают наилучшую филь­ трацию, но зато стабильность средней скорости ленты при их исполь­ зовании получается меньшей. Если в ременной передаче применить жесткие пассики типа лавсанового, жесткость связи увеличится, а ее фильтрующее свойство уменьшится, но зато стабильность средней скорости возрастет. Передача с упругими пассиками, как будет пока­ зано, имеет ряд конструктивных и технологических преимуществ. Поэтому в бытовых магнитофонах, где требования к стабильности сред­ ней скорости несколько ниже, чем в профессиональных, косвенный привод с использованием упругих систем передач вращения нашел самое широкое распространение.

* При непосредственном приводе также устанавливают маховик. В этом случае его закрепляют на валу двигателя, и казалось бы вли­ ять на величину связи затруднительно. Однако введением развязыва­ ющих упругих муфт между валом двигателя и ведущим валом также можно изменять жесткость связи. В простейшем случае такие муфты представляют собой два диска с ведущими пальцами, укрепленные на ведущей оси и валу двигателя, между которыми помещен слой ре­ зины. Связь может осуществляться не только через резиновое кольцо, но и через спиральную пружину. Существуют и более сложные кон­ струкции таких фильтров.

В передачах с непосредственным приводом особое внимание не­ обходимо обратить на выбор ведущего двигателя. Например, в них нежелательно использовать гистерезисные двигатели, имеющие по­ вышенные колебания скорости вращения ротора. В этом случае лучше применять синхронно-реактивные двигатели. Стабильность скорости вращения ротора можно существенно повысить тщательным подбором элементов фазосдвигающих цепочек. В узлах ведущего вала желатель­ но стабилизировать момент сопротивления подшипников, например, путем использования подшипников качения и т. д.

Ведущие узлы по количеству скоростей бывают односкоростные и многоскоростные. В узлах с непосредственным приводом для протяги­ вания ленты с несколькими скоростями ставят сменные насадки раз­ ных диаметров, укрепляемые непосредственно на валу двигателя, или же

49