Методы геометро-кинематического анализа и синтеза пространственных фрикционных передач с замкнутой системой тел качения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Федченко, Евгений Михайлович

• Федченко, Евгений Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федченко, Евгений Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ.

1.1 Опыт эксплуатации фрикционных передач.

1.2 Технические решения современных фрикционных передач.

1.3 Особенности фрикционных передач с ЗСТК. Пространственные передачи на основе ЗСТК.

1.4 Постановка задач исследования.

2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРОЕНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗСТК.

2.1 Геометрия звеньев в пространственных ЗСТК.

2.2 Задание положения звеньев в пространственных ЗСТК.

2.3 Параметрическое описание поверхностей звеньев ЗСТК.

2.4 Описание геометрии звеньев ЗСТК на основе Я-функций. Выявление контактов и интерференций между звеньями ЗСТК.

2.5 Условие рабочего контакта поверхностей звеньев в ЗСТК.

2.5.1 Сопряжение конических и плоских рабочих поверхностей звеньев пространственных ЗСТК по их вершинам.

2.5.2 Угловое сопряжение рабочих поверхностей звеньев пространственных ЗСТК.

2.5.3 Сопряжение цилиндрических рабочих поверхностей звеньев пространственных ЗСТК по расстоянию между их осями.

2.5.3 Сопряжение рабочих поверхностей звеньев пространственных ЗСТК по их образующим отрезкам 2.6 Выводы по главе.

3. СВЯЗИ В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЗСТК. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЗСТК.

3.1 Кинематические связи в ЗСТК и их описание. Кинематическая совместимость ЗСТК.

3.2 Нормальные связи в ЗСТК и их описание. Геометрическая неизменяемость ЗСТК.

3.3 Выводы по главе.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ С

ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ЗСТК.

4.1 Структурное описание пространственных ЗСТК.

4.2 Геометрический синтез ЗСТК.

4.3 Формирование и анализ информационной модели пространственных ЗСТК.

4.4 Геометрический анализ пространственных ЗСТК.

4.5 Структурный анализ ЗСТК.

4.6 Кинематический анализ ЗСТК.

4.7 Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФРИКЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ С ЗСТК.

5.1 Синтез пространственной ЗСТК.

5.2 Увеличение многопоточности пространственной ЗСТК.

5.3 Выводы по главе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы геометро-кинематического анализа и синтеза пространственных фрикционных передач с замкнутой системой тел качения»

С появлением новых потребностей техники, а также развитием технологических возможностей машиностроения, все большее внимание уделяется высокоскоростным силовым передачам постоянного передаточного отношения. Для передачи вращения в силовых приводах современных машин чаще других применяются зубчатые механизмы. Однако в ряде случаев это обусловлено не столько объективными преимуществами зубчатых передач, сколько недостаточной изученностью других видов механических передач, в том числе фрикционных.

Большинство фрикционных передач превосходят зубчатые в быстроходности, бесшумности и КПД, но проигрывают им в нагрузочной способности. Последнее обстоятельство удается частично скомпенсировать за счет применения рациональных конструкций, в частности, многопоточных схем передач. Использование многопоточных схем позволяет одновременно избавиться от некоторых деталей и опор звеньев во вращательном движении, так как их функции могут выполнять сами фрикционные катки, образуя замкнутую систему тел качения (ЗСТК). Данное свойство ЗСТК позволяет создавать механизмы, не содержащие или почти не содержащие подшипников, что может существенно упростить конструкцию и создает предпосылки для дополнительного повышения КПД и быстроходности.

На данный момент получены достаточно полные представления о закономерностях строения и методах расчета ЗСТК с цилиндрическими рабочими поверхностями. Известно множество схем бессепараторных подшипников и фрикционных передач, содержащих плоские ЗСТК. Тенденция развития механических фрикционных передач состоит в повышении их быстроходности, КПД и улучшении тяговых свойств. Данному направлению удовлетворяют механизмы с пространственной замкнутой системой тел качения. В настоящее время отсутствуют систематические представления о закономерностях строения и методах расчета механизмов на основе пространственных ЗСТК. Это не позволяет в полной мере реализовать преимущества пространственных ЗСТК во фрикционных передачах. Первым шагом в направлении изучения механизмов на основе пространственных ЗСТК является рассмотрение вопросов их геометро-кинематического анализа и синтеза.

Целью данной диссертационной работы является разработка и совершенствование конструкций многопоточных фрикционных передач с пространственной замкнутой системой тел качения на основе специальных методов их геометро-кинематического анализа и синтеза.

Исходя из этого решаются следующие основные задачи:

1. Создание математической модели для описания геометрии пространственных ЗСТК. 2. Исследование закономерностей строения фрикционных передач с замкнутой системой тел качения.

3. Разработка универсальной методики геометро-кинематического анализа и синтеза пространственных ЗСТК.

4. Создание научно-исследовательского прототипа САПР для исследования проектируемых механизмов.

В ходе выполнения работы использовались методы аналитической геометрии в пространстве, теории Я-функций, теории механизмов и машин, теоретической механики, вычислительной математики и программирования.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые системно рассмотрены закономерности строения фрикционных механизмов, представляющих собой пространственные ЗСТК. Создана универсальная математическая модель для описания их геометрии. Изложены теоретические основы геометрического синтеза и анализа пространственных ЗСТК с номинальным отсутствием геометрического скольжения в кинематических парах. Предложен метод с использованием теории Я-функций для нахождения интерференций и контактов между звеньями в пространственных ЗСТК. В работе исследованы два основных критерия работоспособности механизмов на основе пространственных ЗСТК с постоянной структурой: неизменное относительное положение элементов ЗСТК (геометрическая неизменяемость механизма) и кинематическая совместимость его элементов во вращательном движении. Разработаны аналитические методы проверки ЗСТК на геометрическую неизменяемость и кинематическую совместимость. В ходе работы найдены зависимости для описания кинематических и нормальных связей в пространственных ЗСТК. При исследовании ЗСТК на геометрическую неизменяемость аналитическим и эмпирическим путем раскрыта природа коэффициентов при вариациях перемещений звеньев в неравенствах нормальных связей.

Практическая ценность выполненного исследования заключается в создании на основе теоретических разработок универсальной методики расчета механизмов с пространственными ЗСТК и научно-исследовательского прототипа САПР для расчета указанных механизмов. Разработанное программное обеспечение позволяет использовать его при автоматизированном исследовании и проектировании качественно новых фрикционных механизмов, сокращая сроки проектирования и улучшая характеристики разрабатываемых механизмов.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на VI международном симпозиуме «Теория реальных передач зацеплением» (г. Курган, 1997), национальной конференции с международным участием «Engineering mechanics 2000» (Чехия, г. Свратка, 2000), научном семинаре «Пространство зацеплений» (г. Ижевск, 2001), международной конференции «Power transmissions'03» (Болгария, г. Варна, 2003). По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, выводов, списка использованных источников, включающего 93 наименований, содержит 255 страниц машинописного текста, 114 иллюстраций, 6 таблиц, 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Федченко, Евгений Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Создана математическая модель для геометрического описания механизмов с пространственными ЗСТК.

2. Конкретизировано понятие рабочего контакта применительно к механизмам с пространственными ЗСТК и разработана теоретическая основа для геометрического синтеза таких механизмов.

3. В результате исследования закономерностей строения пространственных ЗСТК определены два основных условия их существования -геометрическая неизменяемость и кинематическая совместимость элементов системы, установлены критерии выполнения этих условий.

4. Разработана универсальная методика проектирования механизмов с пространственными ЗСТК, включающая геометро-кинематический синтез, структурный и кинематический анализ.

5. Создана информационная модель, позволяющая представлять механизмы с пространственными ЗСТК в виде многопараметрических систем, разработаны и реализованы методы ее анализа.

6. Построенные теоретические модели положены в основу научно-исследовательского прототипа САПР «Ргюйоп-ЗБ» для проектирования фрикционных механизмов с пространственными ЗСТК, позволяющего:

- описывать геометрию звеньев и их относительное расположение, определяющее сборку механизма;

- создавать многопараметрические модели механизмов и анализировать их на корректность описания;

- выявлять рабочие контакты, в которых номинально отсутствует геометрическое скольжение;

- находить контакты, вызывающие геометрическое скольжение;

- исследовать механизмы на интерференции между звеньями;

- исследовать механизмы на геометрическую неизменяемость и кинематическую совместимость;

- рассчитывать кинематические характеристики, в том числе и для планетарных механизмов;

- хранить созданные модели на накопителях и производить экспорт результатов моделирования в другие САПР (Solid Works, Inventor, Компас и т.д.). В рамках создания САПР «Friction-3D» разработаны многофункциональные средства визуализации результатов моделирования, позволяющие просматривать:

- геометрию механизма и отдельных звеньев;

- структуру механизма в виде пространственного графа;

- контакты и интерференции в механизме;

- кинематику механизма в виде согласованного движения звеньев в реальном времени;

7. Достоверность результатов полученных с помощью системы «Friction-3D» проверена на ряде существующих плоских механизмов с ЗСТК. Созданы компьютерные модели модификаций передачи на основе пространственной ЗСТК, позволяющие значительно расширить ее геометро-кинематические характеристики. Результаты моделирования показали, что предложенные автором теоретические разработки и методика геометро-кинематического анализа и синтеза могут быть успешно использованы при проектировании и дальнейшем изучении фрикционных механизмов на основе пространственных и плоских ЗСТК.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федченко, Евгений Михайлович, 2004 год

1. Андреев А. В. Передачи трением. М.: Машиностроение, 1978. -176 с.

2. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1981. - 438 с.

3. Иванов М. Н. Детали машин: Учеб. М.: Высш. шк., 1991. - 383 с.

4. Балакин П. Д. Механические передачи с адаптивными свойствами: Науч. издание. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. - 144 с.

5. Березовский Ю. Н. и др. Детали машин: Учеб. /Ю. Н. Березовский, Д. В. Чернилевский, М. С. Петров; Под ред. Н. А. Бородина. М.: Машиностроение, 1983. - 384 с.

6. Пронин Б. А., Ревков Г. А. Бесступенчатые клиноременные фрикционные передачи. М.: Машиностроение, 1980. - 320 с.

7. Фрикционная передача с постоянным передаточным отношением. Machine Design, June 19, V 52, № 14, 1980.

8. Пат. 325446 (США). Фрикционная планетарная передача / А. Насвитис.

9. Крохмаль Н. Н. Элементы структурного синтеза, критерии функционирования и расчет основных параметров фрикционных передач с замкнутой системой тел качения: Дисс. канд. техн. наук. Курган: КМИ, 1989.-235 с.

10. Сравнительные характеристики зубчатых и фрикционных планетарных редукторов. Р. ж. Материалы. Детали машин. Гидропривод, 1986, №4.

11. Пинегин С. В. Трение качения в машинах и приборах. М.: Машиностроение, 1976, 262 с.

12. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1968, 542 с.

13. Александров В. М., Ромалис Б. Л. Контактные задачи в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986. 176 с.

14. КуклинЛ.Г. Повышение надежности и долговечности роликоподшипников. М.: Машиностроение, 1969.

15. Галахов М. А. и др. Расчет подшипниковых узлов. М.: Машиностроение, 1988, 272 с.

16. Приборные шариковые подшипники. Справочник / под ред. К. Н. Явленского. М.: Машиностроение, 1981.- 351 с.

17. Сприглевский А. И. Подшипники качения. М.: Машиностроение, 1969. 632 с.

18. Вирабов Р. В. Тяговые свойства фрикционных передач. М.: Машиностроение, 1982, 264 с.

19. Бакаев Н. А. Основы проектирования фрикционных передач. Ростов н/Д: 1985.

20. Детали машин. Справочник. Т-2 / Под ред. Н. С. Ачеркана, М.: Машгиз, 1953.

21. А. с. 1257330 (СССР). Фрикционная передача / С. А. Козлов, А. С. Козлов, опубл. Б. И. 1984, № 34.

22. Доброгурский С. О. и др. Механизмы. М.: Машгиз, 1947, 306 с.

23. А. с. 191997 (СССР). Фрикционная планетарная передача / В. А. Чесноков.

24. Пат. 20042 (Япония). Фрикционная передача / Р. ж. Материалы. Детали машин. Гидропривод, 1973, № 1.

25. Пат. 4112787 (США). Фрикционная планетарная передача с автоматическим регулированием усилия прижатия дисков.

26. Пат. 1451418 (Франция). Планетарная фрикционная передача.

27. А. с. 449190 (СССР). Волновая фрикционная передача / М. С. Кубласов; Опубл. Б. И. 1974, № 41.

28. Заявка 62-88865 (Япония). Фрикционный планетарный редуктор / Катаямо Сиро и др. Опубл. Р. ж. Машиностроительные материалы. Детали машин. Гидропривод. 1988, № 10, 10.48.518.

29. А. с. 528405 (СССР). Планетарная фрикционная передача / П. В. Лапшин и др.; опубл. Б. И. 1976, № 34.

30. Пат. 4487090 (США). Фрикционный редуктор / В. Вальтер; Опубл. Р. ж. Материалы. Детали машин. Гидропривод., 1985, № 10.

31. Заявка 59-80.557 (Япония). Фрикционная планетарная передача / Хара Хикасси, Иман Киродзо. Опубл. Р. ж. Материалы. Детали машин. Гидропривод.

32. А. с. 846836 (СССР). Подшипник качения / А. М. Селезнев; опубл. Б. И. 1981, №26.

33. А. с. 187455 (СССР). Пластмассовый сепаратор подшипника / Р. Н. Подшивалов и др.; опубл. Б. И. 1966, № 20.

34. Пат. 2221513 (США). Роликоподшипник / J. V. Foley, 1940.

35. А. с. 136123 (СССР). Подшипник качения с сепарирующими роликами / В. В. Тавталадзе, Н. Н. Пономарев; Опубл. Б. И. 1961, № 4.

36. Пат. 4080018 (США). Подшипник качения / Э. Траут, 1978.

37. Пат. 3989324 (США). Подшипники качения / Э. Траут, 1976.

38. Пат. 3937536 (США). Подшипник качения / Э. Траут, 1976.

39. Пат. 3969005 (США). Устройства качения / Э. Траут, 1976.

40. Пат. 4141607 (США). Высокотемпературные шарикоподшипники / Э. Траут, 1979.

41. Cageless bearings technology, the standard for the 1980'S. E. Traut. Sample Journal, V 17, № 2.

42. Пат. 4174141 (США). Подшипник качения с синхронизированным корпусом и стабилизирующим кольцом / К. Рейсс, 1979.

43. Пат. 3365254 (США). Бессепараторный подшипник качения / А.Насвитис.

44. Пат. 3306686 (США). Многороликовые высокоскоростные подшипники / А.Насвитис, 1967.

45. Пат. 4053191 (США). Упругие роликоподшипники / Э. Траут, 1977.

46. Положительное решение по заявке № 4290776/31-27. Подшипник качения / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль и др.

47. А. с. 519559 (СССР). Бессепараторный роликовый подшипник качения / П. Д. Кийков; Опубл. Б. И. 1976, № 24.

48. А. с. 1432297 (СССР). Фрикционная многопоточная передача / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль и др.; Опубл. Б. И. 1988, № 39.

49. А. с. 1783202 СССР, МКИ5 А 16 Н 21/40. Механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и наоборот / С. А. Макеев, П. Д. Балакин, А. В. Бородин // Открытия. Изобретения. 1992. - № 47.

50. А. с. 1541405 СССР, МКИ4 Б 04 В 1/16. Механизм привода преимущественно поршневой газовой машины / А. В. Бородин, Н. X. Хамитов, П. Д. Балакин, С. А. Макеев (СССР) // Открытия. Изобретения. -1990. № 5.

51. Положительное решение по заявке № 4455637/25-28. Механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль.

52. А. с. 1477967 (СССР). Фрикционная планетарная передача / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль; опубл. Б. И. 1989, № 17.

53. А. с. 1441116 СССР, МКИ4 Б 16 Н 13/08. Фрикционный планетарный редуктор / П. Д. Балакин, А. В. Бородин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. 1988. - № 44.

54. Положительное решение по заявке № 4647340/25-28. Фрикционная планетарная передача / Г. Ю. Волков, Н. Н. Крохмаль и др.

55. А. с. 1772480 СССР, МКИ5 Б 16 Н 15/08. Фрикционный планетарный редуктор / П. Д. Балакин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. -1992.-№40.

56. А. с. 1698540 СССР, МКИ5 F 16 H 13/08. Фрикционный планетарный редуктор / П. Д. Балакин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. -1991.-№46.

57. А. с. 1728558 СССР, МКИ5 F 16 H 13/08. Фрикционный планетарный редуктор / П. Д. Балакин, А. В. Бородин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. 1992. - № 15.

58. А. с. 1796820 СССР, МКИ5 F 16 H 13/06. Фрикционный планетарный редуктор / П. Д. Балакин, А. В. Бородин, О. М. Троян (СССР) // Открытия. Изобретения. 1993. - № 7.59. «Кикай саккей», Mach Des 1981, V 25, № 1.

59. А. с. 355413 (СССР). Планетарная фрикционная передача / В. А. Чесноков, опубл. Б. И. 1972, № 31.

60. Левитский И. Г. Разработка основ расчета и проектирования силовой фрикционной планетарной передачи с гидравлическим сжимаемым кольцевым контактом: Дис. . канд. техн. Наук. Курган: КМИ, 1990. - 181 с.

61. А. с. 735857 (СССР). Каток фрикционной передачи / И. Г. Левицкий; Опубл. Б. И. 1980, № 19.

62. Левицкий И. Г. О нагрузочной способности планетарной фрикционной передачи. В сб.: Теория и расчет передаточных механизмов. ХПИ, 1973, с. 155 - 159.

63. А. с. 522363 (СССР). Фрикционная планетарная передача / Ю. И. Кобзе, Г. Н. Сенигов: Опубл. Б. И. 1976, № 27.

64. Пат. 4471667 (США). Фрикционный редуктор / И. Краус.

65. Пат. 4454788 (США). Планетарный фрикционный редуктор.

66. Крохмаль H. Н., Волков Г. Ю. Анализ схем высокоскоростных механических передач. Труды международной конференции Теория и практика зубчатых передач. Ижевск, 1998. С. 236-239.

67. Волков Г. Ю., Крохмаль H. Н. Закономерности строения фрикционных механизмов, представляющих собой замкнутую систему тел качения // Известия ВУЗов. 1992. - №10-12. - С. 52-57.

68. Балакин П. Д., Бородин А. В. Кинематическое соединение для привода: поршневых микромашин // Вестник машиностроения. 1989: - № 10:-С. 33 -34.

69. Макеев С. А., Балакин I I. Д., Бородин■ А. В; Расчет фрикционной передачи малогабаритной!криогенной машины7/ Исследование и разработка микрокриогенных систем и их элементов / Под ред. А. К. Грезина, Л. Г. Абакумова. М., 1990. - С. 67 - 71.

70. Балакин 11. Д., Бородин А. В. Кинематические соединения в приводе поршневых машин // Теория механизмов и машин. Харьков, 1990. - Вып. 49. - С. 53 - 57.

71. Федоров Н. Н., Балакин П. Д: Кинематика и синтез фрикционного планетарного редуктора // Механика процессов и машин. Омск., 1994. - С. 157- 167.

72. Иванов В. I I. Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. -М.: Радио и связь, 1995. 224 С.

73. Рвачев В. Л. Теория Я-функций и некоторые ее отображения. Киев: Наук. Думка, 1982. - 552 С.

74. Гольдфарб В. И. Основы теории автоматизированного геометрического анализа, и синтеза червячных передач общего вида: Дис. . докт. техн. наук. Устинов, 1985.

75. Гольдфарб Д. И., Главатских Д. В., Вознюк Р. В. Инструментальная система моделирования процесса огибания // Труды международн. конференции «Теория и практика зубчатых передач». Ижевск: ИжГТУ. 1996.-С. 481-484.

76. Вознюк Р. В. Особенности применения недифференциального метода моделирования процесса огибания // Теория и практика зубчатых передач. Труды межд. конференции. Ижевск: ИжГТУ. 1998. - С. 549-553.

77. Вознюк Р. В. Построение определяющих функций тел, заданных кинематически // Проблемы проектирования изделий машиностроения и информатизации. Труды научн. сотрудников и аспирантов. Ижевск: ИжГТУ. 1999. - С. 98-99.

78. Малышев А. П. Прикладная механика. Новониколаевск., 1923. 88 С.

79. Добровольский В. В. Теория механизмов. М.: 1951. 465 С.

80. Озол О. Г. Основы конструирования и расчета механизмов. Рига: «Звайгзне», 1979. 360 с.

81. Снитко Н. К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1980. 4321. С.

82. Черников С. Н. Линейные неравенства. М.: Наука, 1968. 488 с.

83. Сызранцев В.Н., Федченко Е.М. Система геометрического моделирования сложных поверхностей недифференциальными методами // Информационные материалы VI международного симпозиума, Курган-97 Теория передач зацеплением, 1997. С. 95-96.

84. Сызранцев В.Н., Крохмаль H.H. Федченко Е.М. Выявление интерференций звеньев пространственных механизмов с ЗСТК // Сборник научных трудов аспирантов и соискателей КГУ. Курган, 2000. - С. 125-128.

85. Syzrantsev V. Krokhmal N. Fedchenko Е. Synthesis of high-speed transmissions with close system of rotating links // Engineering mechanics 2000. Conference materials. Czech Republic, Svratka. 2000.

86. Syzrantsev V. Krokhmal N. Fedchenko Е. Geometrical synthesis of highspeed transmissions with close system of rotating links // Power transmissions'03. Conference materials. Bulgaria, Warna. 2003. P. 362-367.