3.2. Механические передачи

В электрических аппаратах применяют механические передачи разнообразных конструкций и различного действия. В зависимости от конструкции коммутирующего контакта (см. п. 2.3) механическая передача должна создавать поступательное или поворотное перемещение подвижного контактного узла.

На рис. 3.2 представлены изобразительные модели, отражающие различные принципы действия механических передач.

Эти передачи называют прямоходовыми передачами, т.к. толкатель 2 подвижного контактного узла (ПКУ) при замыкании и размыкании коммутирующего контакта (КК) совершает возвратно-поступательное движение. Оно характеризуется переменной величиной перемещения ρ толкателя относительно левого упора (упоры показаны затемненными треугольниками). Такие передачи применяют для контактных систем с мостиковыми, стыковыми и розеточными коммутирующими контактами.

Допустим, что от преобразовательного устройства к механической передаче в единицу времени передается энергия F^.(dρ/dt) , где F - сила воздействия, показанная на рис. 3.2а в виде стрелки. Допустим также, что преобразовательное устройство является источником силы. Его энергия расходуется на преодоление инерции подвижных частей механической передачи, сжатие возвратной пружины 1, сжатие контактной пружины в ПКУ (см. п. 2.2) и преодоление возникающих сил трения подвижных частей. Упрощенные зависимости статической силы сопротивления F_С перемещению толкателя и силы контактного нажатия F_К от величины перемещения ρ показаны на рис. 3.3 (считаем, что коммутирующий контакт КК замыкающий).

График силы F_C имеет два характерных участка. На участке 1 действует возвратная пружина. На участке 2 добавляется действие контактной пружины. Она создает контактное нажатие F_K , также показанное на рис.3.3 в виде графика. Чтобы обеспечить необходимое по величине конечное нажатие F_К= F_КК, преобразовательное устройство должно создать силу F > |F_С | при всех значениях ρ в пределах 0≤ρ≤ρ_К . Если эта сила перестает действовать, то под влиянием возвратной пружины толкатель 2 на рис. 3.2а вернется в исходное положение, для которого ρ=0. Аппараты такого действия называют электрическими аппаратами с самовозвратом (см., например, п, 1.3). К ним относятся электромагнитные реле напряжения и тока, контакторы, некоторые кнопки управления и другие аппараты.

На рис. 3.2б показана изобразительная модель механической передачи с защелкой. Передачи подобного типа применяют, например, в автоматических выключателях.

Толкатель передачи имеет упор 3 для защелки 4, которая может совершать вертикальное (так на рисунке) возвратно-поступательное движение. Защелка сдвигается вниз наклонной поверхностью упора 3, когда толкатель перемещается вправо. Вверх защелка переместится непосредственно перед подходом толкателя к крайнему правому положению. Пружина 5 защелки сжимается, когда защелка движется вниз, и затем расправляется, выталкивая защелку вверх. Тем самым осуществляется включение аппарата под действием силы F_вкл . Аппарат остается во включенном состоянии и после прекращения действия F_вкл , т.к. защелка и упор не позволяют толкателю переместиться влево. Отключение может быть осуществлено только путем приложения силы F_отк к защелке, как показано на рис. 3.3б. Если F_отк достаточна по величине, чтобы преодолеть силу противодействия пружины защелки, то защелка переместится вниз и разблокирует толкатель. Он передвинется влево под действием возвратной пружины, и произойдет отключение аппарата. Источники управляющих воздействий F_вкл и F_отк могут быть разными. В аппаратах ручного управления F_вкл и/или F_отк создаются мускульным усилием человека.

На рис. 3.2в изображена механическая передача без возвратной пружины и без защелки. В ней фиксируются два разных положения толкателя, благодаря переключающим пружинам 6.

При перемещении толкателя вправо из крайнего левого положения (см. рис. 3.2в) переключающие пружины сначала противодействуют перемещению, создавая силу сопротивления, а затем, после того как пружины займут вертикальное положение, они изменят направление действия силы на противоположное направление. Теперь переключающие пружины будут способствовать дальнейшему перемещению толкателя до крайнего правого положения, ограниченного упором. Аналогично переключающие пружины действуют на толкатель при его перемещении в обратном направлении справа налево. Во время полного перемещения толкателя (0≤ρ≤ρ_К) переключающие пружины вначале сжимаются, накапливая энергию, а затем расправляются, расходуя накопленную энергию на ускорение движения толкателя.

Обозначим через x величину отклонения толкателя вправо от положения, при котором каждая из переключающих пружин занимают вертикальную позицию и сжата в максимальной степени. Тогда на толкатель вдоль его оси со стороны переключающей пружины действует сила:

(Н), (3.1)

где а - длина переключающей пружины (м) в сжатом состоянии, когда она занимает вертикальное положение;

b - величина сжатия пружины (м) от ее длины в свободном состоянии до длины, равной а;

с – жесткость пружины (Н/м) .

График зависимости F_ПП от х показан на рис.3.4 (вверху).

При x=0 , x=x₂ и x= -x₂ горизонтальная сила F_ПП действия переключающей пружины на толкатель равна нулю. Величина x₂ определяется из условия

.

Чтобы переключающая пружина смогла замкнуть контакт, перемещение толкателя должно удовлетворять условию ρ_К < 2x₂.

Контактное нажатие будет наибольшим по величине, когда

ρ_К = 2x₁ , где x₁ - значение x , при котором F_ПП имеет локальный максимум:

.

Положив в (3.1) x = x₁ , можно найти величину контактного нажатия, создаваемого двумя переключающими пружинами: F_КК =2^.F_ПП .

Таким образом, при использовании переключающих пружин отпадает необходимость в применении контактной пружины в ПКУ, т.к. контактное нажатие может быть создано переключающей пружиной. Толкатель при отсутствии внешних управляющих воздействий (F_вкл=F_отк=0) может устойчиво сохранять любое из крайних положений (ρ=0 или ρ =ρ_К), ограниченных упорами. Промежуточное положение при ρ = ρ₀ , когда F_ПП =0, является неустойчивым.

Для каждого типа прямоходовых механических передач, показанных на рис. 3.2, существует множество конструкций эквивалентных по принципу действия передач с поворотным движением. Их применяют для контактных систем с пальцевыми и другими коммутирующими контактами.