УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА ОТ ВЕДУЩЕГО ВАЛА К ВЕДОМОМУ ВАЛУ
DEVICE FOR TORQUE TRANSFER FROM DRIVING SHAFT TO DRIVEN ONE

Изобретение относится к области машиностроения. В настоящее время передача вращающего момента между параллельными ведущим и ведомым валами, расположенными один от другого на расстоянии от одного метра до нескольких метров, осуществляется с помощью трансмиссионного вала, который устанавливается, как правило, перпендикулярно к ним и связан с каждым из них через угловые редукторы. Двукратный поворот крутящего момента уменьшает коэффициент полезного действия передачи, особенно если шестерни угловых редукторов гипоидные, зубья которых обкатываются с некоторым скольжением. Никогда не применяется широко известный способ, использующийся в конструкциях паровозов. Ведущее колесо паровоза, получающее вращение через шатун (кривошипное дышло в терминологии паровозостроения) от поршня паровой машины, соединяется сцепным шатуном (сцепным дышлом в терминологии паровозостроения) с другим колесом и таким образом передает крутящий момент на параллельно расположенный вал. Одной из причин отказа от передачи крутящего момента с помощью сцепных шатунов в современных транспортных средствах следует считать вес шатунов, который растет пропорционально расстоянию между валами. Применение сцепных шатунов приводит к возникновению неуравновешенных сил, переменных по величине и направлению, что вынуждает при их использовании устанавливать противовесы, которые значительно увеличивают вес конструкции. Это видно из рассмотрения конструкции ведущих колес паровоза. На стороне сцепного шатуна ось с ободом колеса соединена спицами, с противоположной стороны - литым диском.
Изобретение направленно на снижение отрицательных сторон применения сцепных шатунов.
За прототип устройства взята конструкция, изложенная в патенте US 2203975 (А), 1940-06-11 (ipc B61C 9/04; B61C 9/00). В описании предложено для выравнивания передаваемого момента вращения ближайшие оси колес двух независимых ведущих тележек паровоза выполнить в виде коленчатых валов с тремя кривошипами, расположенными через 120 градусов, соединив их шатунами.
Расположение кривошипов через 120 градусов позволяет передавать крутящий момент постоянно. При передаче крутящего момента одним или двумя шатунами существуют точки, в которых передаваемый момент равен нулю, что в большинстве случаев нежелательно. В прототипе были описаны коленчатые валы, но эксцентрики с эксцентриситетом, равным величине кривошипа, могут замещать коленчатые валы, а также использоваться вперемешку в случае необходимости. В МПК F16C 3/04 рассматриваются коленчатые валы, валы с эксцентриками, кривошипы, эксцентрики, то есть их некоторые свойства рассматриваются в одной подгруппе. Таким образом, в дальнейшем при описании действий с эксцентриками подразумеваются аналогичные возможности и с кривошипами (коленчатыми валами) и наоборот.
В настоящее время шатуны воспринимают знакопеременные нагрузки. Они изготавливаются из легированной стали с удельной прочностью до 100 кг на миллиметр квадратный, то есть близкой к максимальному пределу прочности для этого материала. В то же время существуют стальные изделия, работающие на растяжение, с удельной прочностью 200 кг на миллиметр квадратный - это стальная проволока для канатов.
Предлагается увеличить удельные нагрузки, заменив жесткие шатуны нежесткими тросами (фиг.1). При этом установленные три на ведущем и три на ведомом валах эксцентрики со смещением эксцентриситета относительно друг друга на 120 градусов обеспечат работоспособность механизма (фиг.1, 2, 3 и 4). При установке стальных тросов в качестве шатунов можно вдвое снизить вес шатунов и одновременно вдвое уменьшить вес противовесов. В настоящее время получили широкое распространение тросы из арамидных волокон (Кевлар - торговое название фирмы DuPont, http://www.chinaprice.ru/sell//n4c7c26718f22b1, Армос и Русар - Российские аналоги, http://www.aramid.ru.)
Арамидные волокна выдерживают удельную нагрузку до 450 кг на миллиметр квадратный, при этом удельный вес арамидных волокон 1,45 г на сантиметр кубический. Это в 5,38 раза меньше удельного веса стали. При установке арамидных тросов в качестве шатунов можно в 24 раза снизить вес шатунов и во столько же раз уменьшить вес противовесов.
Поскольку тросы работают только на растяжение, то они способны передавать нагрузку только на 180 градусах поворота вала. Расположенный по углу поворота на 120 градусах второй эксцентрик начинает тянуть второй шатун-трос раньше, чем закончится рабочий ход первого шатуна-троса, и третий шатун-трос начинает тянуть раньше окончания рабочего хода второго шатуна-троса, таким образом происходит постоянное действие момента вращения на ведомый вал. Перекрытие рабочего хода последующим шатуном-тросом составляет 60 градусов. Момент вращения по углу поворота на ведомом валу изменяется, см. график на фиг.5. Такое колебание момента вращения в отдельных случаях может привести к увеличению вибраций механизма и даже привести к разрушению устройства при возникновении резонансных колебаний. Снизить вибрации, наводимые сцепными шатунами, можно путем углового смещения эксцентриситета одного или двух эксцентриков на ведущем валу и соответствующих эксцентриков на ведомом валу. Это смещение должно быть меньше перекрытия рабочего хода, составляющего 60 градусов. Таким образом, суммарное угловое смещение не должно превышать 50 градусов.
Для увеличения равномерности протекания момента вращения на ведомом валу желательно увеличение количества эксцентриков более трех. Для силовой передачи использование двенадцати эксцентриков следует считать достаточным количеством. Так как тросы работают только на половине оборота, то фактически двенадцать тросовых шатунов будут выполнять работу шести обычных шатунов. Уравновешенность шести шатунов в шестицилиндровом двигателе внутреннего сгорания считается оптимальной и широко используется, притом что шатуны в двигателе нагружены по более сложным законам, нежели сцепные шатуны в нашем случае. При использовании двенадцати эксцентриков одновременно в передаче крутящего момента будут участвовать несколько тросовых шатунов, следовательно, толщину тросов можно уменьшить. Колебание крутящего момента, передаваемого на ведомый вал, не превысит одного процента.
Особенно интересен случай, когда эксцентриков от шести до двенадцати и если их расположить попарно под углом 180 градусов друг к другу. При таком расположении силы инерции поступательно движущихся шатунов и центробежные силы инерции эксцентриков взаимно уравновешиваются (фиг.6, 7, 8 и 9). Равномерность передаваемого крутящего момента остается неизменной (фиг.10), и дополнительно отпадает необходимость в противовесах. Можно сказать, что силы, передаваемые тросами через два спаренных эксцентрика, полностью заменяют силы, передаваемые стальным шатуном. При этом вес двух шатунов из арамидных волокон в сравнении со стальным шатуном уменьшается в 12 раз.
Устройство для передачи вращающего момента с помощью трех нежестких шатунов-тросов показано на чертежах, вид сверху - на фиг.1, разрез по А-А - на фиг.2, разрез по Б-Б - на фиг.3, разрез по В-В - на фиг.4, где поз.1 - силовой контур, поз.2 - ведущий вал, поз.3 - ведомый вал, поз.4 - подшипник, поз.5, 7, 9 - эксцентрики ведущего вала, поз.6, 8, 10 - эксцентрики ведомого вала, поз.11 - шатун-трос между 5 и 6 эксцентриками, поз.12 - шатун-трос между 7 и 8 эксцентриками, поз.13 - шатун-трос между 9 и 10 эксцентриками.
График изменения момента на ведомом валу по углу поворота при трех шатунах-тросах показан на фиг.5, где поз.24 - изменение момента при работе шатуна-троса 11, поз.25 - изменение момента при работе шатуна-троса 12, поз.26 - изменение момента при работе шатуна-троса 13.
Устройство для передачи вращающего момента с помощью шести нежестких шатунов-тросов показано на фиг.6, вид сверху (эксцентрики и шатуны, по расположению соответствующие аналогичным на фиг.1, имеют те же номера позиций). Разрез по Г-Г показан на фиг.7. Разрез по Д-Д показан на фиг.8. Разрез по Е-Е показан на фиг.9, где поз.15 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 5, поз.16 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 6, поз.17 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 7, поз.18 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 8, поз.19 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 9, поз.20 - эксцентрик, повернутый на 180 градусов к эксцентрику 10, поз.21 - шатун-трос эксцентриков 15 и 16, поз.22 - шатун-трос эксцентриков 17 и 18, поз.23 - шатун-трос эксцентриков 19 и 20.
График изменения момента на ведомом валу по углу поворота при шести шатунах-тросах показан на фиг.10, где поз.24 - изменение момента при работе шатуна-троса 11, поз.25 - изменение момента при работе шатуна-троса 12, поз.26 - изменение момента при работе шатуна-троса 13, поз.27 - изменение момента при работе шатуна-троса 21, поз.28 - изменение момента при работе шатуна-троса 22, поз.29 - изменение момента при работе шатуна-троса 23.
Паровозы в силу низкого кпд паровых машин, применявшихся на них, выходят из употребления, но потребность в использовании шатунов из арамидных волокон остается на рельсовом транспорте. Одну из таких потребностей рассмотрим на примере тепловоза 2ТЭ116. (Данные по тепловозу взяты из характеристик, приведенных на сайте: http//rustrain.narod.ru/biblio/2te116/soder.htm). Каждая секция тепловоза комплектуется дизель-генератором, установленным на раме, и шестью электромоторами, передающими вращающий момент через редукторы на шесть ведущих колесных пар. Электродвигатель с редуктором связан с колесной парой с помощью опорно-осевой подвески, при которой одна опора электродвигателя находится на раме, а вторая жестко связана с колесной парой. Общий вес неподрессоренной части составляет 4,25 тонны, что отрицательно влияет на ходимость электромотора, редуктора и колесной пары, а также на долговечность рельсового пути. При установке тягового электродвигателя в сборе с редуктором на раме тележки на выходной вал редуктора устанавливается блок из трех эксцентриков, который тросами из арамидных волокон соединяется с блоком эксцентриков, установленных на оси колесной пары. Вес неподрессоренных масс сведется к весу колесной пары с установленным на ее оси блоком эксцентриков, вес которых около десяти килограммов. Это положительно скажется на ходимости электромотора, редуктора и колесной пары, а также долговечности рельсового пути. При этом в процессе движения нежесткие шатуны позволят колесной паре смещаться относительно рамы на небольшую величину.
Возможность промышленного применения заявляемого изобретения показана на фиг.11 и 12, где колесная пара тепловоза получает вращение от трех шатунов-тросов из арамидных волокон. Поз. 30 - электродвигатель, поз.31 - планетарный редуктор, поз.32 - блок эксцентриков на оси колесной пары, поз.33 - блок эксцентриков на выходном валу редуктора, поз.34 - колесная пара, поз.35 - шатуны-тросы, поз.36 - сателлиты, поз.37 - выходной вал редуктора - водило, поз.38 - центральное колесо, поз.39 - рама тележки.