Устройство для получения вращательного движения Абрамова Валентина Алексеевича (Абрамова В.А.)
DEVICE FOR PRODUCING A ROTATIONAL MOTION OF ABRAMOV VALENTIN ALEKSEEVICH

Изобретение относится к производству всех изделий, в которых необходимо регулирование скорости цифровой системой управления при постоянном вращающем моменте, например, в приводах роботов, манипуляторов, барботеров (реакторов), гайковертов, а также автоматики при создании быстродействующих исполнительных механизмов. Известен «волновой вибродвигатель» (Бюл №8, 1978 г., авторы Р.Э. Курыло и др. а.с. СССР №595813, Каунасский политехнический институт), содержащий закрепленный в корпусе пьезопреобразователь, выполненный в виде биморфного пьезокерамического кольца, разделенного на сектора, и с электродами, жестко соединенного с деформируемым элементом упруго охватывающим ротор, который вращается благодаря волновым деформациям биморфного пьзокерамического кольца. Деформирующий элемент выполнен в виде сплошного кольца, а выходное звено - в виде цилиндра. Волновая деформация деформируемого элемента, создаваемая пьезопреобразователем за счет фрикционной связи реализуется во вращательное движение выходного звена. Наличие фрикционной связи приводит к нестабильности крутящего момента и снижению передаваемой мощности.
Наиболее близкими по технической сущности к изобретению является «Волновой электродвигатель», содержащий закрепленный в корпусе пьезопреобразователь, выполненный в виде пьезокерамического кольца, склеенного из трапецеидальных брусков, установленного с натягом на внутреннюю поверхность тонкостенного стакана, выходное звено, выполненные заодно с эллиптическим кулачком, установленное в подшипниковой опоре, крышки, гибкий подшипник, установленный с натягом на эллиптический кулачок и контактирующий с пьезопреобразователем.
Недостатками волнового электродвигателя являются низкая виброустойчивость, неизбежность разуплотнения выходного звена и корпуса с крышкой, разуплотнений при их консольном (одноопорном) закреплении, низкий ресурс гибкого подшипника и наличие трения скольжения в сепараторах подшипников, заклинивание подшипников при выкатывании шариков за пределы дорожек, отсутствие аналитической проработки профиля эллиптического кулачка и низкая технологичность его обработки, низкая эффективность теплоотвода, отсутствует замковая фиксация резьбовых соединений, защитная функция кожуха ограничена влиянием атмосферы, не проработана система реализации задатчика интенсивности в виде цифрового управления, не выявлена возможность заимствования составных частей двигателя и технологий.
Сущность изобретения.
В данном предполагаемом изобретении, решаются следующие задачи:
Задача 1 - создание двухопорных выброустойчивых конструкций опор, конструкций выходного звена и корпуса, оснащенных фиксаторами резьбовых соединений при воздействии вибраций.
Задача 2 - повышение ресурса подшипников опор и гибких подшипников, существенное снижение трения скольжения в сепараторах подшипников опор и гибких подшипников путем замены сепараторов с трением скольжения сепараторами с трением качения из шариков в связи с возможностью обкатывания шариков уменьшенного диаметра с телами качения несущими нагрузку, установленных на дорожках с чередованием, и посредством конструктивных решений предотвращения заклинивания шариков от возможных выкатываний на борта колец подшипника по-средством конструктивных решений предотвращения заклинивания шариков от возможных выкатываний на борты колец подшипника посредством ограничителей перемещений элементами конструкции редуктора устройства или посредством конструктивных элементов собственно подшипников по патентам РФ №2519105, №2529931.
Задача 3 - регулирование числа оборотов вала устройства цифровым способом без применения промежуточных передач при постоянном моменте пьезопривода посредством реализации задатчика интенсивности цифрового управления.
Задача 4 - уменьшение величины момента трогания «двигателя» и волнового редукторного механизма с более низким коэффициентом трения подшипников опор и гибкого подшипника, получение малого угла рассогласования между большой осью эллиптического кулачка и большой осью эллипса «деформированного пьезокерамического ПЭП»
Задача 5 - решается задача отвода тепла от двигателя посредством жидкостей, подаваемых в корпус под напором через жидкостные магистрали и поддержания температуры втулок и дисков ПЭП ниже точки Кюри материала устройства в рабочем режиме.
Задача 6 - решается задача величины задаваемого вращающего момента путем разработки конструкции биПЭП, т.е. переменно-скоростного привода непрерывного, прерывистого и реверсивного вращения вала, волновым зацеплением с широкой впадиной, сдвоенным жестким зубчатым колесом для выборки мертвого хода волновой герметичной передачи
Задачей 7 - решается задача аналитического определения радиусов дуг окружностей при аппроксимации поверхностей эллиптических цилиндров кулачка и генератора волн деформации волнового зубчатого редуктора.
8. В изобретении решается задача создания волнового пьезопривода в герметичном исполнении и его функционирования в зонах, подвергающихся периодическому затоплению агрессивными жидкостями, нефтепродуктами, соленой водой и незаменим в фармакологических барботерах (реакторах), телескопах.
-6
-1
-7
-1
9. Решается задача стабилизации натяга в контактирующих эллиптических наружных и внутренних цилиндрах кулачка с подшипниками, установленными на рычагах путем выравнивания встречных деформаций при нагреве-охлаждении парных пьезостолбов, парных распорок и одиночного стержня равных размеров по длине и равных температурных коэффициентов линейных расширений (ТКЛР) материалов пьезокерамики: 1,5*10 К, пьезопассивных конструкционных материалов распорок, например, LI-900, LI-2200, теплозащитный материал плит из волокнистой керамики, ТКЛР которой составляет 3,2*10 К, включая и одиночный стержень, который выполнен составным из материалов с разными ТКЛР.
Будучи составными в размерной цепи конструкции единичного ПЭП при его нагревании-охлаждении, фиг. 9, температурные деформации крайних пьезостолбов и пьезостолбов пары 82 и пары двухчастевых распорок 87, 90 и одиночного стержня или шпильки 74, компенсируются, поэтому задача исключения колебаний деформации пьезодисков, слоев клея ДМ5-65 между ними, электродов из латуни и их покрытий серебром, разноразмерных диаметров неподвижных оснований биПЭП и корпуса и от нагрузки рабочей не может быть осуществлена расчетным путем и определяется экспериментально, что способствует обеспечению постоянства натяга ПЭП на эллиптических цилиндрах кулачка, наружных и внутренних, в парах 116-75, 115-76 и конструктивно возможной паре 10 - см. фиг. 1
Возможность реализации.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема модели устройства для получения вращательного движения в герметичном исполнении с ортогонально расположенными пьезопреобразователями, в разрезе, и соосно расположенным волновым редуктором и является бесступенчатым пьезоэлектрическим самотормозящим приводом с постоянным вращающим моментом и регулированием скорости вращения выходного вала посредством задатчика интенсивности в виде цифрового управления с большим диапазоном регулирования скорости, в случае, когда непрерывное регулирование скорости является необходимым технологическим условием, например, в наматывающих устройствах текстильных и бумагоделательных машин.
33
В устройстве одиночные пьезоэлектрические преобразователи выполнены на базе пьезоэлементов установленных соосно, торцы которых жестко последовательно соединены, с использованием продольного пьезомодуля d, см. фиг. 9, 12.
31
33
31
33
Конструктивная сущность и технологичность конструкции в устройстве сочетаются, однако поперечный пьезомодуль d в два раза меньше пьезомодуля d и реализация таких ПЭП характерна для применения в устройствах, в которых величина пьезомодуля d и конструктивное осуществление пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) из пьезоэлементов равной площади реально, а на базе пьезомодуля d изготовление пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) из дисков стержневых втулок и столбов характерно для более широкого круга применений, но трудоемко в изготовлении.
Устройство содержит корпус 1 с монтажной перегородкой 2, к которой крепится с центрированием неподвижное основание 8, установленное в цилиндрическом кольце - выступе 7 крышки 6. На крышке 5 выполнен цилиндрический выступ 118, на котором установлено неподвижное основание 3.
На основаниях 3 и 8 установлено по пять пар пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) 9, выполненных из установленных, параллельно, из пьезоактивной керамики, торцы которых жестко последовательно соединены клеем ДМ5-65 ОСТ5.9131-81 выполненных в виде столбов, склеенных из шайб или дисков, торцы которых жестко последовательно соединены накладками 14 посредством клеевых соединений, которые в совокупности образуют бисистему ПЭП устройства, посредством накладок 15 и промежуточных тел 16, одноплечих рычагов 17, установленных в опорах, выполненных в виде пластин 18 и колец 19. (см. Б-Б фиг 8 на фиг 1) и двуплечих рычагов 11. На кольцевом выступе 20 съемной крышки 6, и фланце 28 гибкого зубчатого колеса 29 установлены подшипниковые опоры 21, 31 выходного вала 22.
Крышки 5, 6 и корпус сопряжены герметичными соединениями 24 и снабжены гермоэлектровводами 23. Корпус 1 устройства снабжен патрубком 25 для заполнения электроизоляционной жидкостью 132-12Д ГОСТ 10916-74 и кольцевой камерой 26 с патрубком 27 для прокачки охлаждающей жидкости, например, водой водопроводной.
Каждый одноплечий рычаг 17 биПЭП снабжен регулирующим устройством натяга между единичными ПЭП и эллиптическими поверхностями 75, 76, а также 10 кулачка 103. Регулирующее устройство натяга выполнено в виде системы из двух передач винт-гайка с резьбами разных направлений винтовых линий, гайка одной передачи представляет собой ползун-упор 33, установленный с возможностью перемещения по вертикальной плоскости рычага 17 в направлении эллиптических 75, 76, 10 поверхностей кулачка 103 а гайка другой передачи выполнена в виде ввернутого в рычаг и закрепленного ввертыша  34. На шейках 35 и 111, 114 концов каждого одноплечего рычага 17 и двуплечего 119 установлены сферические подшипники 110, 116, 115 шариковые радиальные однорядные с уплотнениями ГОСТ8882-75, перемещающиеся в радиальных арочных проемах (окнах) 37, 112, неподвижных оснований 3, 8 и находящиеся в упругом контакте с поверхностями 75, 76 кулачка 103. Радиальное 38, торцовое 39 уплотнения выходного вала 22, фланцев 28, 40, гибкого колеса 29, подкладной оболочки 41 выполнены посредством резиновых колец в оболочке из фторопласта ТУ-2513-013-34724672-2010, установленных в канавки ГОСТ9833-73.
Фланец 40 и крышка 5 зафиксированы соединением шип-паз 42 и прокладкой.
По фиг. 1 заявитель сообщает необходимую информацию по макетам электронных схем управления, макету устройства пьезоприводов, зубчатому и фрикционному, и отчетов по ним, см. международный журнал "Трубопроводная арматура и оборудование", №3 (84), 2016. с 40…42 "Волновые пьезоэлектрические приводы: устройство и применения", Абрамов В.А., Абрамова М.В.
На фиг. 2 изображен вид по стрелке А фиг. 1 - устройство составного зубчатого жесткого колеса 43 волнового ускоряющего редактора. Жесткое зубчатое колесо 43 выполнено сдвоенным и имеет кольцо 44, жесткое зубчатое, установленное в расточке основного жесткого зубчатого колеса 45с возможностью поворота в окружном направлении на 180° и выборки мертвого хода в волновой ступени, т.е. получении беззазорной волновой герметичной передачи и ее плавности работы. Упоры 46 прикреплены винтами 47 к основному зубчатому колесу 45, в которые упираются пружины сжатия 48, установленные в резьбовые отверстия 49, усилия которых устанавливаются винтами 50, ввернутыми в упор 51, выполненный на основном зубчатом колесе 45.
Планки 52, прикрепленные винтами 53 к вставному зубчатому колесу 44 также являются направляющими вставного зубчатого колеса 44 и одновременно служат для размещения винтов-фиксаторов 54 относительного положения основного 45 и вставного 44 зубчатых жестких колес редуктора, при этом для введения в действие пружин 48 винты-фиксаторы 54 удаляются через отверстие 55, которое закрывается фланцем 56.
Сдвоенное жесткое зубчатое колесо 43 на выходном валу 22 фиксируется кольцом 57.
Для выборки мертвого хода волновой герметичной передачи, т.е. свободного перемещения в некоторых пределах входного звена при неподвижном выходном звене, служат пружины сжатия 48, расположенные в составном 43 зубчатом жестком колесе передачи, фиг. 2
Пружины 48 обеспечивают контактное окружное усилие контактирующих зубьев волнового зацепления гибкого 29 и жесткого 43 колес.
Зубчатое колесо 44 фиксируется в расточке колеса 45 секторами 47, 52. Передаточное отношение I волновой герметичной передачи определяется по зависимости
, где Y1 и Y2 - углы поворота конечных звеньев передачи, вызванные погрешностями изготовления отдельных звеньев, их сборки, деформацией в процессе работы передачи.
Исключение мертвого хода передачи позволяет снизить величину слагаемого (вычитаемого) ΔY преимущественно в кинематических передачах. Дальнейшее уменьшение величины ΔY, в которой доминирует плавность передачи, может быть получено за счет повышения параметров точности передачи при изготовлении всех элементов звеньев передачи, точности формы поверхностей, размеров, устранения вибрации звеньев передачи, точности формы поверхностей, размеров, устранения вибрации звеньев, а функция I ограничена величиной ΔY=±4' для волновой негерметичной передачи с венцами 7 класса точности. (Б.И. Павлов, Л.С. Чернова. Волновые мелкомодульные зубчатые передачи и результаты их проверки на кинематическую точность ЛДНТП, Ленинград, 1968).
На фиг. 3 изображен Узел I - относительное расположение элементов волнового ускоряющего зубчатого редуктора: на кольцевом выступе 58 крышки 5 подшипниковой опоры 59, гибкого подшипника 60 в эллиптической расточке 61 наружного генератора 62, волнового зубчатого соединения 63 и гибкой оболочки 68, передающий вращающий момент с кулачка 103 генератору 62.
В гибком подшипнике 60, установленном с натягом на подкладной оболочке 41, сепараторы выполнены с трением качения из шариков, чередующихся на дорожках качения, шариков двух диаметров: шариков  диаметра, несущих нагрузку, и шариков меньшего диаметра, обкатывающихся с шариками  диаметра, при этом шарики  диаметра в подшипниках снабжены ограничителями осевого перемещения шариков, выполненными в виде цилиндрического выступа 64 в корпусе генератора 62 и цилиндрического выступа 65 на фланце 66 с другой стороны ряда шариков, прикрепленном винтами 67 к торцу наружного генератора 62 и установлены с осевыми зазорами в пределах 0,05…0,1 мм между торцами ограничителей 64, 65 и шариками подшипника  диаметра.
На фиг. 4, сечении D-D на фиг. 1, изображен узел крепления корпуса 1 с крышками 5, 6, предотвращающий ослабления болтовых соединений 69 посредством фиксаторов 70 резьбовых соединений ТУ 1600-016-31049464-9454-2015, зарегистрированного и внесенного в реестр учетной регистрации 02.11.2015.
На фиг. 5, сечение В-В на фиг. 1, изображено сопряжение промежуточного тела 16, выполненного в виде подшипников 73, шариковых радиальных однорядных с уплотнениями и сферической наружной поверхностью наружного кольца. Вкладышные подшипники, ТУ ВНИПП. 016-03, которые обеспечивают сферический контакт 71 по поверхности 72 пары 16-15 и пары 15-74 (фиг. 9 и 5).
На фиг. 6 изображено крепление одиночных ПЭП к неподвижной накладке 85 посредством шпилек 74 с метрической резьбой, головкой и фиксатором резьбовых соединений HARDLOCK, www.zavod-rekom.ru.
На фиг. 7, сечение В-В на фиг. 1, изображен узел натяга в контакте посредством винта 117 регулирующего устройства, выполненного в виде системы из двух передач винт-гайка с резьбами одинакового или противоположного направлений винтовых между парами 116-75, фиксирующего натяг фиксатором 70 резьбовых соединений HARDLOCK, www.zavod-rekom.ru.
На фиг. 8. Сечение Б-Б на фиг. 1, изображены конструкции опор, выполненные в виде пластин 18 и колец 19 и установленные в неподвижные основания 3, 8.
Одноплечие рычаги 17 установлены в проушинах 79 посредством подшипников 80 и осей 81.
2
2
Механическая прочность при сжатии пьезокерамики может достигать 5000-6000 кгс/см и при растяжении 300-350 кгс/см (Глозман И.А. Пьезокерамика, «Энергия», 1972, c. 264).
Однако, допускаемые напряжения, которыми руководствуются в разработках существенно меньше.
По этой причине в предлагаемой заявке на изобретение малые допускаемые величины напряжений при растяжении в единичных ПЭП для обеспечения надежности пьезоэлементов являются малоэффективными и не используются.
На фиг. 9 изображен доминирующий вариант единичного ПЭП в биПЭП устройства, которых в биПЭП, например, 20
БиПЭП образован из многопарных единичных, устанавливаемых в одной плоскости ПЭП, выполненных в виде нескольких пар стержневых столбов 82, склеенных из дисков 83 клеем ДМ5-65 и пластинчатых электродов 84 между дисками, при этом стержневые пьезостолбы 82 установлены на их рабочее местоположение на накладках 85, 86 и на парных двухчастевых распорках 87; одной частью распорок являются стойки 88 корытного переменного сечения по высоте, снабженные сквозным отверстием 89 для выполнения сварного кругового шва лазером в дополнение к шву сварному, выполняемому по наружному контуру соединения стоек 88 с другой частью 90 - балкой коробчатого сечения с уголками 91 и сквозным отверстием 92 на центральной оси сечения балки.
Столбы 82 снабжены диэлектрическими дисками 102 на концах и приклеиваются клеем ДМ5-65 ОСТ5.9131-81 к рабочим местоположениям на соответствующих деталях.
Каждый единичный ПЭП снабжен стержнем 74 или трехчастевым стержнем 101, имеющим на торце конца плоскость или сферическое углубление 71, один конец стержня 74 или 101 установлен во втулке 93, которая демпфирует колебания стержня и установлена с натягом в детали 90. Другой конец стержня 74 или трехчастевого 101, выполненный из материалов с разными ТКЛР с метрической резьбой 94, головкой 95 ввинчен в накладку 85 и стопорится фиксатором 96 резьбовых соединений HARDLOCK www.zavod-rekom.ru (см. фиг. 11 сечение Е-Е на фиг. 9)
-6
-1
-7
-1
-7
-6
-1
Встречные деформации парных пьезостолбов, парных распорок и одиночного стержня равных размеров по длине и равных ТКЛР материалов пьезокерамики: 1,5*10 К с. 264, пьезопассивных конструкционных материалов распорок, например, LI-900, LI-2200 теплозащитные плиты из волокнистой керамики, ТКЛР которой составляет 3,2*10 К, инвара (5⋅10…2⋅10) К (Справочник конструктора: Справочно-методическое пособие /под редакцией И.И. Матюшева. Спб: Политехника. (2006, 1027 с.), таблица 4.4.20, с. 787, включая и одиночный стержень 74, который выполнен составным могут быть выровнены и не быть дестабилизаторами натяга при работе устройства.
НА фиг. 10, сечение Ж-Ж на фиг. 9, изображен узел крепления одиночного ПЭП посредством шпильки 97 с метрической резьбой, головкой 98 и накладки 86 к неподвижным основаниям 3, 8 и его фиксации фиксаторам 96 резьбовых соединений HARDLOCK www.zavod-rekom.ru.
На фиг. 12 изображен вариант единичного ПЭП с тремя парами распорок из пьезопассивцого конструкционного материала, тремя парами стержней 82 из пьезоактивных дисков, склеенных клеем ДМ5-65 и одиночными 74 или 101, составленного из трех частей из пьезопассивных материалов с различными ТКЛР и концами стержня из металлического конструкционного материала, одного конца с метрической резьбой, головкой 95, ввернутого в накладку 85 и зафиксированного фиксатором 96 резьбовых соединений HARDLOCK, и вторым нижним концом стержней 74 или 101 с углублением на торце со сферой 71, или без углубления с плоским торцом, см. фиг. 9, установленными в отверстие втулки 93, запрессованной в деталь поз. 90
На фиг. 13 изображена расчетная схема контуров эллиптических цилиндров, наружных внутренних кулачков и генератора волн волнового редуктора
а - большая их полуось эллипсов,
b - малая их полуось эллипсов,
- фокальный параметр эллипсов кулачков и генератора волн волнового редуктора, см. ИН Бронштейн, КА Семендяев. Справочник по математике ГИТ-ТЛ, М. 1953, с. 206.
2С - фокусное расстояние эллипсов;
1
2
1
F, F - фокусы эллипсов; К, L, В, В - вершины;
1
О - центры; r - радиус описанной окружности ΔDDL; R - радиус описанной окружности ΔABD.
Функциональная целесообразность формы в виде эллиптических цилиндров рабочих поверхностей кулачков, генераторов волн не сочетается с технологичностью получения этих поверхностей на станках с ЧПУ и решается задача аналитического определения радиусов дуг окружностей путем аппроксимации этой формы поверхностей, предпосылкой к которой является наличие кругового интерполятора в станках с ЧПУ и общих точек на контурах эллипсов и описанных окружностей.
Поэтому следует руководствоваться теоремой:
а) около любого треугольника можно описать окружность или через три точки можно провести окружность и притом только одну (см. Геометрия для общеобразовательных организаций М. Просвещение. 2015, 383 с.);
б) радиус описанной окружности равен отношению произведения длин трех сторон треугольника к его учетверенной площади; в случае б) это правило выглядит так:
2
2
1
1
r=DL*DD/4SΔDLD; R=AB*AD/4SΔABD;
в) если две окружности имеют общую точку на линии их центров, то они касаются и значит, сопрягаются изнутри;
г) и обратная в): если две окружности касаются, то точка касания лежит  на линии центров (см. Геометрия. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2015); А.П. Киселев, Геометрия. Учебник. Учпедгиз, 1961.
1
1
1
1
1
где r для равнобедренного ΔDLD с боковой стороной m=DL и основанием его n=DD.
р - фокальные параметры эллиптических цилиндров на кулачке и генераторе волн. Из приведенного Решения Задачи, см. с 480 «Элементарная математика» В.В. Зайцев. В.В. Рыков, М.И. Сканави, Издательство «Наука», М. 1976, по определению радиуса описанной окружности R равнобедренного треугольника ABD с боковой стороной m=АВ (см. фиг. 13), основанием его n=AD. при а=50, в=49
2
2
Обозначая  и a-b=(a+b)(a-b)=G,
получим  или
где I - квадрат разности длин малой полуоси «b» и фокального параметра «р» эллипса кулачков и генератора волн деформации волнового редуктора;
G - произведение суммы и разности длин большой полуоси «а» и малой полуоси «b» эллипсов кулачков или разность квадратов длин большой полуоси «а» и малой полуоси “b” эллипса кулачков и генератора волн деформации волнового редуктора.
Если а=50 и в=49, что характерно для данного