Вариаторы
Вариатор — механическая передача, способная плавно менять передаточное отношение в некотором диапазоне регулирования. Изменение передаточного отношения производится вручную или автоматически.
Вариатор применяется в устройствах (агрегатах), требующих бесступенчато изменять передаточное отношение, таких как автомобили, конвейеры, металлорежущие станки, мешалки и др.
Виды механических вариаторов:
Фрикционные вариаторы:
лобовые;
конусные;
шаровые;
многодисковые;
торовые;
волновые;
клиноременные.
Вариаторы зацепления:
цепной вариатор.
Фрикционные передачи с плавным изменением передаточного отношения по кинематике удобно разделить на простые передачи (рис. 76) и сдвоенные передачи с промежуточными телами качения (рис. 78 и 81), а по форме тел качения, изменяющих радиусы качения в процессе работы — на дисковые (рис. 80), конусные (рис. 78), шаровые и торовые (рис. 81).
Рис. 76. Фрикционная
планетарная передача
По разветвлению потока мощностей передачи делят на одно- (рис. 77) и многопоточные (на рис. 80 —двухпоточная).
Важнейшей кинематической характеристикой вариаторов является диапазон регулирования скоростей D = n2max / n2min ≈ Rmax / Rmin где n2max и n2min — максимальная и минимальная частота вращения на выходе (см. рис. 77).
Вариаторы, как правило, выполняют сдвоенными с симметричным диапазоном регулирования частот вращения (рис. 78 и 81), в которых радиус каждого колеса может изменяться от минимального значения до максимального. При этом диапазон регулирования определяют по формуле
D = n2max / n2min ≈ (d2max / d2min)2 .
Наибольший диапазон регулирования частот вращения простого вариатора равен 3-6, сдвоенного — 12.
При больших диапазонах регулирования значительно понижается КПД.
Рис. 77. Лобовая фрикционная передача Рис. 78. передача с раздвижными конусными
(вариатор). шкивами и промежуточным рабочим телом.
Лобовые вариаторы (см. рис. 77). Они вследствие значительного геометрического скольжения на площадке касания и возможности только одностороннего регулирования уступают вариаторам других конструкций по величине диапазона регулирования, КПД и износостойкости. Однако благодаря перпендикулярности осей ведущего и ведомого валов и возможности реверсирования этих передач, кинематическая схема машин упрощается и эти вариаторы находят ограниченное применение.
Вариаторы с раздвижными конусными шкивами и кольцевым промежуточным телом (рис. 78). Регулирование скорости достигается изменением радиусов (d1/2 и d2/2) контакта с промежуточным телом 2 конусных дисков 1 и 4 путем их раздвижения и сближения двумя рычагами 3 с резьбовыми парами 5.
В качестве промежуточных тел применяют широкие клиновые ремни (рис: 79, а), нормальные клиновые ремни, стальные кольца (рис. 79, б), специальные цепи (рис. 79, в).
Основное применение среди всех механических вариаторов имеют клиноременные с широким клиновым ремнем. Они просты в изготовлении, надежны в работе. Их применяют для значительных диапазонов регулирования от 4 до 9. Мощность вариатора до 40 кВт.
Цепные вариаторы. Имеют по две пары раздвижных конусных дисков с прямыми радиальными зубьями на поверхности конусов и сложную цепь с пакетами подвижных пластинок (рис. 78, в), образующими зубья при набегании на диски. Зубья на парных конусных дисках смещены на полшага по окружности.
Регулирование скорости вращения осуществляется сближением пары дисков на одном валу и синхронным их раздвижением на другом валу. При этом зубья цепи формируются выдвижением пластинок.
Многодисковые вариаторы. Основаны на регулировании скорости сближением и раздвижением осей конических дисков 1 и 2 (рис. 80). Их изготовляют многопоточными для передачи больших мощностей. Угол конусности дисков 4...5 °. Число дисков в пакете в зависимости от мощности составляет 10...15.
Вариаторы хорошо работают даже при малых частотах вращения.
Торовый вариатор (рис. 81). Имеет на входном и выходном валах торовые чашки 1 и 2, между которыми вращаются два или три ролика 3. Рабочий профиль чашек очерчен дугами окружности с общим центром кривизны О. Частота вращения регулиоуется изменением угла наклона осей вращения роликов 3.
Вращающий момент от входного вала к ведущей чашке и от ведомой чашки к выходному валу передается через независимые нажимные устройства, что обеспечивает самозатягивание передачи.
Преимущественно применяемые материалы тел качения — сталь по текстолиту (из текстолита изготовляют обод ролика 3). Вариатор имеет начальное касание по линии и работает без смазывания. Диапазон регулирования вариатора 4...6.
Рис. 79. Виды (сечения) промежуточных тел Рис. 80. Дисковый вариатор. Рис. 81. Торовый вариатор
в передачах с раздвижными конусными шкивами.
Подобно фрикционным, ременные вариаторы служат для плавного (бесступенчатого) изменения угловой скорости ведомого вала. Распространение получили клиноременпые вариаторы со специальными широкими клиновыми ремнями, диапазоном регулирования Д обычно до 5, а иногда и до 12.
Такой вариатор конструкции ЭНИМС представлен на рис. 82. Каждый из шкивов этого вариатора состоит из двух конических дисков, один из которых закреплен с валом неподвижно (1 и 4), а другой (3 и 5) может перемещаться в осевом направлении. Диск 3 поджимается пружиной 2, а диск 4 перемешается с помощью электродвигателя управления и специального механизма 6.
Применяют также клиноременные вариаторы со стандартными клиновыми ремнями, диапазоном регулирования Д = 1,45 (профили С, D, E)...1,7 (профили О, А, B).
К ременным вариаторам относятся также колодочно-ременные. В них вместо клинового ремня применяется высококачественная лента (ремень), к которой крепятся колодки из легких сплавов и дерева. Диапазон регулирования колодочно-ременных вариаторов Д = 2...10.
Передаточные отношения (максимальное imaх и минимальное imin) и диапазон регулирования Д для ременных вариаторов определяют так же, как и для фрикционных.
Многообразие конструкций и ограниченное применение вариаторов не позволяет систематизировать методы их расчетов.
Кинематический расчет формируется из приведенных выше элементарных кинематических зависимостей.
Расчет клиноременных вариаторов можно строить по аналогии с клиноремёнными передачами.
Расчет на прочность вариаторов с контактирующими телами качения ведут по формулам Герца.
Рис. 82. Клиноременной
вариатор.
Опасным элементом в вариаторах являются обычно промежуточные тела или рабочие тела, которые работают на всех скоростях вращения.
Расчеты на прочность вариаторов наиболее близки к расчету на контактную прочность зубчатых передач, включая переменность режима нагрузки.
При проектировании вариаторов или проверке правильности назначаемых их размеров и других параметров целесообразно максимально использовать накопленный опыт: табличные данные из каталогов, данные эксплуатации по одному типоразмеру вариатора с последующим использованием методов подобия.
Основные тенденции совершенствования конструкций и расчета вариаторов: выполнение вариаторов с самозатягиванием, т. е. силы прижатия тел качения растут пропорционально передаваемому моменту; применение специальных высокотяговых масел; применение многопоточности передачи энергии.