ФРИКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ СИЛЫ И ФРИКЦИОННЫЙ ДЕМПФЕР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
FRICTION DEVICE FOR FORCE ADJUSTMENT AND FRICTION DAMPER INCORPORATING SAID DEVICE

Изобретение относится к фрикционному устройству для регулировки силы и к фрикционному демпферу, содержащему такое устройство.
Известны фрикционные устройства для регулировки силы, а именно устройства, используемые в фрикционных демпфирующих устройствах, общий принцип которых заключается в использовании двух фрикционных поверхностей с относительным смещением, прижатых друг к другу так, чтобы преобразовывать нормальную силу на таких поверхностях в фрикционную силу, способную создавать демпфирующую силу.
Такие демпфирующие устройства обычно содержат по меньшей мере два органа, один из которых может перемещаться в отношении другого под действием внешней силы, причем такое смещение скорее всего вызывает относительное смещение двух фрикционных поверхностей, подвергаемых прижимным усилиям, для того, чтобы преобразовать такую внешнюю силу в фрикционную силу и, таким образом, ослабить смещение упомянутого перемещаемого органа.
Такие фрикционные устройства используют в различных областях, например, но без ограничения, в средствах воздушного, автомобильного и железнодорожного транспорта в системах демпфирования, разрыва, сцеплении, коробке передач, ограничения крутящего момента и в оружии для ослабления отдачи стрелкового оружия.
Однако регулировка силы фрикционного устройства происходит посредством нормальной силы прижима, поэтому оно прямо зависит от коэффициента трения материалов, из которых изготовлены фрикционные поверхности, что создает неопределенность относительно возвратной силы или ее повторяемости и устойчивости с временем.
Из документа GB 260740 также известен гаситель колебаний для транспортных средств, предназначенный для использования в дополнение к успокоительным пружинам, который содержит фрикционные элементы, такие как диски, способные перемещаться в отношении друг друга под воздействием усилия смещения, связанные с пружинами, действие и упорное усилие которых регулируют для давления на фрикционные элементы, причем давление изменяется в соответствии с направлением перемещения, т.е. давление прилагается в одном направлении и подавляется в другом направлении. Для этого одну часть фрикционных элементов навинчивают на соосный элемент с резьбой, и упорное усилие пружин прилагается по оси на стороне, противоположной той, на которой находится другая часть фрикционных элементов, так, чтобы вращение в направлении навинчивания совпадало с упорным усилием и увеличивало трение, тогда как вращение в другом направлении стремится разделить фрикционные элементы и ослабить контакт между ними.
Работа такого гасителя колебаний осуществляется по принципу "включено-отключено" и не позволяет регулировать силу. Он предназначен в помощь демпфирующей системе, так как колеблется в соответствии с нормальной работой демпфирующей системы и блокируется, когда колебания достигают определенной величины в направлении сжатия пружины такой демпфирующей системы. Он поэтому не позволяет калибровать демпфирующую силу только в одном направлении, поскольку для снятия блокировки необходимо изменение направления силы.
Настоящее изобретение направлено на устранение различных вышеупомянутых недостатков путем использования фрикционного устройства для регулировки силы, у которого уровень возвращаемой силы почти не зависит от коэффициента трения материалов, из которых изготовлены фрикционные поверхности, и которое поэтому позволяет регулировать возвращаемую силу.
Фрикционное устройство согласно изобретению относится к типу, содержащему по меньшей мере два органа, один из которых способен или потенциально способен перемещаться при смещении относительно друг друга под действием внешней силы, и где такое относительное смещение, вероятно, вызывает относительное смещение двух фрикционных поверхностей, подвергаемых силам прижатия, чтобы преобразовать упомянутую внешнюю силу в фрикционную силу и, таким образом, регулировать смещение упомянутого способного или потенциально способного перемещаться органа, и отличается тем, что упомянутые силы прижатия вызваны средствами предварительного напряжения, чтобы использовать получаемый эффект относительного смещения упомянутого способного или потенциально способного перемещаться органа для уменьшения упомянутых сил прижатия.
Такое фрикционное устройство позволяет, начиная с предварительного напряжения известной мощности, точно достигать регулировки силы независимо от коэффициентов трения фрикционных поверхностей.
Согласно первому варианту осуществления фрикционного устройства согласно изобретению органы способны или потенциально способны перемещаться по отношению друг к другу в вращательном движении и связаны со средствами для преобразования вращательного движения в прямолинейное движение, когда между упомянутыми органами помещен кольцеобразный элемент, и такой кольцеобразный элемент:
- способен блокироваться при вращении на одном из упомянутых органов по меньшей мере в одном направлении вращения для того, чтобы создавать момент трения между упомянутым кольцеобразным элементом и другим органом,
- связан с упругими средствами предварительного напряжения, способными увеличивать упомянутый момент трения,
- и связан со средствами, способными под воздействием, с одной стороны, вращения органа, способного перемещаться, когда такое вращение вызвано внешней силой, и, с другой стороны, силы сопротивления в результате трения уменьшать воздействие упомянутых упругих средств предварительного напряжения.
Согласно дополнительному признаку первого варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению кольцеобразный элемент сформирован как коаксиальный узел из двух колец, каждое из которых имеет фрикционную поверхность и такую форму, чтобы изменение разделяющего их расстояния, полученного под действием упругих средств предварительного напряжения, воздействовало на сближение фрикционных поверхностей упомянутых колец с фрикционными поверхностями способного перемещаться органа.
Согласно еще одному дополнительному признаку первого варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению фрикционная поверхность каждого из колец коаксиально усечена, а фрикционная поверхность перед способным перемещаться органом также коаксиально усечена под тем же углом.
Согласно еще одному дополнительному признаку первого варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению оно содержит кольцо, блокируемое при вращении по меньшей мере в одном направлении вращения неподвижного органа, и кольцеобразный элемент которого выполнен при вращении вместе с шариками, расположенными в полостях, равномерно распределенных по периферии и выполненных путем совмещения двух выемок, одной в упомянутом кольце и другой в упомянутом кольцеобразном элементе, на половину в каждом из колец, их образующих, причем выемка в упомянутом кольцеобразном элементе выполнена в форме наклонных плоскостей, чтобы при вращении упомянутого кольцеобразного элемента относительно упомянутого кольца эти шарики находились на упомянутых наклонных плоскостях для разделения упомянутых колец.
Согласно еще одному дополнительному признаку первого варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению, каждое из колец имеет усеченную наружную стенку, чтобы придавать кольцеобразному элементу путем сближения упомянутых колец друг с другом форму двойного колеса, тогда как способный перемещаться орган имеет форму шкива, установленного на упомянутый кольцеобразный элемент, и его внутренняя стенка, которая образует фрикционную поверхность, предназначенную для взаимодействия с наружной стенкой упомянутого кольцеобразного элемента, которая образует другую фрикционную поверхность, имеет сопряженную форму и для этого имеет периферийный срединный выступ, который разделяет ее на две части, каждая из которых имеет усеченную форму и которые ориентированы в разных направлениях, причем на упомянутом шкиве зафиксировано и намотано средство, способное подвергаться внешней силе.
Согласно еще одному дополнительному признаку первого варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению кольцеобразный элемент соединен с одним из органов посредством обгонной муфты.
Согласно второму варианту осуществления фрикционного устройства по изобретению органы способны перемещаться относительно друг друга прямолинейным поступательным движением и содержат средства для преобразования упомянутого прямолинейного движения в два вращательных движения, соосных с упомянутым поступательным движением и направленных в противоположных направлениях, чтобы приводить фрикционные поверхности, введенные в контакт средством прижатия, в разнонаправленные движения.
Согласно еще одному признаку второго варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению один из органов состоит из стержня, имеющего резьбовую часть с несколькими левосторонними витками резьбы и резьбовую часть с несколькими правосторонними витками резьбы, на которые навинчивают две гайки, одна из которых с левой резьбой и другая с правой резьбой, причем каждая из них связана по меньшей мере с одной фрикционной поверхностью.
Согласно еще одному признаку второго варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению оно содержит стопу дисков в форме кольца на упомянутом стержне, каждый из которых поочередно соединяется при вращении с одной из гаек.
Согласно еще одному признаку второго варианта осуществления фрикционного устройства по изобретению две гайки и их диски размещены в корпусе, который содержит средства прижатия, состоящие из упругих средств, способных оказывать прижимное усилие на стопу дисков.
Согласно дополнительному признаку фрикционного устройства по изобретению независимо от варианта осуществления средства предварительного напряжения состоят из средств прижатия с регулируемой мощностью.
Согласно дополнительному признаку фрикционного устройства по изобретению средства предварительного напряжения состоят из гидравлических, пневматических или электрических исполнительных механизмов.
Преимущества и признаки фрикционного устройства согласно изобретению станут понятны из последующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые представляют собой несколько неограничительных вариантов осуществления.
На прилагаемых чертежах:
- Фиг.1 - схема, иллюстрирующая принцип фрикционного устройства согласно изобретению;
- Фиг.2 - перспективный схематический вид первого варианта осуществления устройства согласно изобретению;
- Фиг.3 - схематический вид срединного поперечного сечения того же устройства;
- Фиг.4 - перспективный и покомпонентный схематический вид с вырезом части того же устройства;
- Фиг.5 - частичный, перспективный и покомпонентный схематический вид с вырезом второго варианта осуществления устройства согласно изобретению;
- Фиг.6 - схематический вид срединного поперечного сечения того же устройства.
На Фиг.1 можно видеть комплект, позволяющий проиллюстрировать принцип фрикционного устройства согласно изобретению.
Этот комплект содержит пластину 1, которая снабжена двумя парами 10 и 11 роликов 12, которые параллельно установлены на осях, соответственно 13 и 14, перпендикулярно плоскости пластины 1. Центровка осей 13 роликов 12 пары 10 не параллельна центровке осей 14 роликов 12 пары 11, фактически они образуют некоторый угол.
Комплект также содержит, с одной стороны, прямолинейный стержень 15, помещенный на ролики 12 пары 10 и, с другой стороны, клин 16, введенный между стержнем 15 и роликами 12 пары 11, причем клин 16 имеет такую форму, что эти поверхности в контакте с роликами 12 образуют такой же угол, как и угол, образованный вышеупомянутыми центровками.
Кроме того, клин 16 отталкивается обратно, параллельно стержню 15, к роликам 12 пары 11 посредством пружины 17, взаимодействующей с системой 18 для регулировки ее натяжения.
Пружина 17 прилагает усилие к клину 16, которое преобразуется в нормальную силу между клином 16 и стержнем 15.
Относительное движение между стержнем 15 и клином 16 создает касательную силу между скользящими поверхностями, и при смещении стержня 15 по отношению к пластине 1 система блокируется в направлении упора пружины 17, когда она работает в противоположном направлении Р..
Будет понятно, что смещение стержня 15 в направлении Р очень мало зависит и почти не зависит от коэффициента трения материалов, из которых изготовлены стержень 15 и клин 16, но что она зависит с другой стороны от силы предварительного напряжения, развиваемой пружиной 17, причем эта сила, поскольку она регулируемая, зависит и от демпфирующей силы, что позволяет регулировать возвратную силу.
Это фрикционное устройство не относится к типу "включено-отключено", поскольку в направлении смещения, противоположном направлению Р, происходит блокировка, тогда как в другом направлении происходит регулировка смещения.
На Фиг.2-4 можно видеть первый вариант осуществления 2 фрикционного устройства согласно изобретению.
В частности, на Фиг.3 показано, что это фрикционное устройство 2 содержит вал 20, на котором установлено кольцо 21, над которым установлен кольцеобразный элемент 3, над которым установлен шкив 4.
Необходимо сказать, что кольцо 21 установлено на вал через обгонную муфту 22, которое допускает только одно направление вращения кольца 21 на вале 20.
На Фиг.2 также показано, что шкив 4 имеет снаружи канавку 40, на которую намотана фольга 41, которая прочно соединена одним концом с шкивом 4 в одной точке 42 соединения.
На Фиг.4 более точно показано, что кольцеобразный элемент 3 состоит из соосного узла из двух колец 30 имеет внутри цилиндрическую стенку 31, адаптированную под наружную стенку 23 кольца 21, и имеет снаружи усеченную стенку 32, так что кольцеобразный элемент 3 имеет форму двойного колеса.
Кроме того, на Фиг.3 показано, что шкив 4 имеет внутреннюю стенку 43 конкретной формы, т.е. двухконусной формы. Эта внутренняя стенка 43 имеет периферийный срединный выступ 44, который разделяет ее на две части 45 и 46, каждая из которых имеет усеченную форму, и которые ориентированы в разных направлениях, т.е. ее наружный край имеет диаметр, который больше диаметра выступа 44.
Наклоны частей 45 и 46 имеют такой же угол, что и наклоны стенок 32 колец 30 для того, чтобы обеспечить совершенную подгонку шкива 4 к кольцеобразному элементу.
Сближение двух колец 30 друг с другом внутри шкива 4 осуществляется за счет некоторого количества удерживающих элементов 33, распределенных на периферии, каждый из которых образован болтом 34, проходящим через два кольца 30, и гайкой 35, который прижимает к последней упругие средства 36, в данном случае наложенные друг на друга упругие шайбы, например тарельчатые пружины.
Таким образом два кольца 30 упруго прижимаются каждое своей стенкой 32 к части 45 или 46 упругими средствами 36.
Так, между кольцеобразным элементом 3 и шкивом 4 создается момент трения, значение которого изменяется в соответствии со свойствами упругих средств 36 в зависимости от количества удерживающих средств 33 и согласно затягивающих пар болтов 34 и гаек 35. Удерживающие средства 33 таким образом образуют средства предварительного натяжения для торможения относительного смещения при вращении шкива 4 на кольцеобразном элементе 3 посредством силы тяги на фольге 41.
На Фиг.3 и 4 показано, что в наружной стенке 23 кольца 21 расположены выемки 24, которые равномерно отделены друг от друга и распределены по срединной линии, тогда как стенка 31 каждого из колец 30 имеет на своем выступе 37 на внутренней стороне кольцеобразного элемента 3 вырезы 38, которые равномерно отделены друг от друга и имеют такое же угловое расстояние, что и выемки 24, так что во время сближения двух колец 30 два выреза 38, обращенные друг к другу, образуют выемку, которая формирует вместе с выемкой 24 полость 25, показанную на Фиг.3 и предназначенную для размещения шарика 26.
Шарики 26 являются единственным средством соединения между кольцом 21 и кольцеобразным элементом 3, причем полости 25 имеют такие размеры, чтобы шарики 26 имели только функциональный люфт.
Хотя выемки 24 имеют форму, которая может быть любой, в данном случае это форма колпака, вырезы 38 имеют конкретную форму, т.е. они сформированы двумя наклонными плоскостями 39, так что выемки, получаемые посредством сближения колец 30 друг с другом, имеют форму пирамиды.
Во время приведения в вращение кольцеобразного элемента 3 в направлении, противоположном направлению, допускаемому обгонной муфтой 22, контакт шариков с наклонными плоскостями 39 является причиной отделения колец 30 друг от друга.
При использовании вал 20 зафиксирован, фольга 41 соединена с движущим объектом, который необходимо демпфировать. При наличии тянущего усилия на фольге шкив 4 вращается на кольцеобразном элементе 3, причем такое вращение ограничивается трением между внутренней стенкой 43 и стенками 32.
Если момент трения чрезмерно высокий, происходит сцепление шкива 4 с кольцеобразным элементом 3, что приводит к относительному вращению кольцеобразного элемента 3 на кольце 21, и таким образом из-за взаимодействия шариков 26 с наклонными плоскостями 39 происходят разделение колец 30 и снижение момента трения.
Таким образом момент трения определяется противодействием двух противоположных функций: одна заключается в затяжке колец 30 на шкиве 4 посредством удерживающих элементов 33 и действия упругих средств 36, и другая заключается в ослаблении колец 30, вызываемом относительным вращательным движением кольцеобразного элемента 3 на кольце 21 и действием шариков 26 на наклонных плоскостях 39.
Вращательное движение шкива 4 на кольцеобразном элементе, т.е. демпфирующая сила, очень мало зависит от коэффициента трения материалов, из которых они изготовлены, она главным образом зависит от удерживающих элементов 33, которые оказывают прижимное усилие вместе с упругими средствами 36, которые оказывают усилие предварительного натяжения, тогда как демпфирующая сила действует посредством шариков 26 и наклонных плоскостей 39 на удерживающие элементы 33 и упругие средства 39 для того, чтобы снизить прижимное усилие.
Необходимо сказать, что предусматривается, что фольга 41 будет предварительно сформована до диаметра, меньшего чем диаметр шкива 4, чтобы обеспечить ей пружинную функцию, так что при сбросе тягового усилия она восстанавливается до начальной формы и наматывается на шкив, что возможно за счет введения обгонной муфты 22 между кольцом 21 и валом 20.
Этот вариант осуществления фрикционного устройства согласно изобретению можно использовать, например, в качестве демпфирующего устройства в оружейной системе с целью ограничения эффектов отдачи ствола оружия. Отдача ствола приводит фольгу 41 в поступательное движение, что заставляет шкив 4 вращаться. При прекращении внешнего напряжения фольга 41 восстанавливает свою форму и позволяет стволу вернуться в исходное положение.
Конечно возможны многочисленные варианты. Так, конические фрикционные поверхности могут быть заменены простыми плоскими поверхностями или поверхностями множественного типа, как в многодисковых тормозах, в зависимости от общей геометрии проектируемого гасителя колебаний.
Разделяющая система с шариками также может быть заменена любой другой системой, позволяющей осуществлять ту же функцию, например, винтообразной наклонной поверхностью или кулачком.
Система, состоящая из фольги и шкива может быть заменена системой, состоящей из шкива и ремня с вырезами или без них, системой, состоящей из шкива и каната, или системой, состоящей из зубчатого колеса и рейки.
На Фиг.5 и 6 показан еще один вариант осуществления фрикционного устройства согласно изобретению.
Устройство содержит стержень 5, предназначенный для перемещения в осевом поступательном движении под воздействием толкающей или тянущей силы, наружная стенка которого снабжена, с одной стороны, резьбовой частью с несколькими левосторонними витками 50 и, с другой стороны, резьбовой частью с несколькими правосторонними витками 51. Витки 50 и 51 пересекаются между собой, и необходимо сказать, что они необязательно имеют один и тот же шаг.
Устройство также содержит, с одной стороны, гайку 6, имеющую левостороннюю резьбу 60, выполненную так, чтобы взаимодействовать с левосторонними витками 50 и, с другой стороны, гайку 7, имеющую правостороннюю резьбу 71, выполненную так, чтобы взаимодействовать с правосторонними витками 51.
Будет понятно, что относительное смещение при поступательном движении двух гаек 6 и 7 в одном и том же направлении по стержню 5 вызывает вращение двух гаек 6 и 7 в противоположных направлениях.
Устройство также содержит последовательность фрикционных дисков 62, блокируемых в направлении вращения гайки 6, а также последовательность дисков 72, блокируемых в направлении вращения гайки 7, причем диски 62 и 72 поочередно уложены в одну стопу.
Для этого гайка 6 выполнена в форме трубчатой втулки 61, содержащей внутри левосторонние витки резьбы 60 и снаружи продольные канавки 63, расположенные в соответствии с генерирующими линиями, а диски 62 выполнены в форме колец, имеющих на их внутренней периферии каналы 64, предназначенные для взаимодействия с канавками 63 для того, чтобы осуществлять блокировку при вращении дисков 62 на втулке 61.
Также гайка 7 выполнена в форме трубчатой втулки 70, снабженной внутри правосторонней резьбой 71 и снаружи фланцем 73, имеющим наружную юбку 74 в форме втулки, имеющей на ее внутренней стороне продольные канавки 75, расположенные в соответствии с генерирующими линиями, а диски 72 имеют наружные каналы 76, предназначенные для взаимодействия с канавками 75 для того, чтобы осуществлять блокировку при вращении дисков 72 на юбке 74 и, поэтому, посредством фланца 73, на втулке 70.
Будет понятно, что относительное смещение при поступательном движении двух гаек 6 и 7 в одном направлении по стержню 5 вызывает вращение дисков 62 и 72 в противоположных направлениях, когда они контактируют друг с другом.
На Фиг.6 показано, что узел, состоящий из двух гаек 6 и 7 и их дисков, соответственно 62 и 72, заключен в корпус 8, образующий клетку.
Корпус 8 содержит, с одной стороны, трубчатую втулку 80, окружающую снаружи две гайки 6 и 7, которая закрыта на каждом из ее концов кольцеобразной деталью 81 и 82.
Кольцеобразная деталь 81 имеет отверстие 83 с диаметром между наружным диаметром стержня 5 и наружным диаметром втулки 61 для того, чтобы примыкать к последней.
Кольцеобразная деталь 82 имеет внутреннее отверстие 84 с диаметром больше наружного диаметра втулки 70 для того, чтобы допускать осевое смещение этой втулки 70 в этом отверстии 84.
В заключение втулка 80 имеет такую форму, чтобы размещаться в кольцеобразном пространстве 85, предусмотренном между фланцем 73 и кольцеобразной деталью 82, причем упругие средства 86 способны разделять фланец 73 и кольцеобразную деталь 82 и, следовательно, нажимать на концы стопы дисков 62 и 72.
Эти упругие средства 86 в данном случае состоят из стопы эластичных тарельчатых пружин 87 игольчатого типа, связанных с упором 88, введенных между стопой и фланцем 73 для того, чтобы позволять гайке 7 вращаться по отношению к корпусу 8.
Согласно неограничительному режиму эксплуатации наружное напряжение Т, прилагаемое к стержню 5, приводит последний в поступательное движение, которое генерирует вращение гаек 6 и 7 в противоположных направлениях, что приводит к скольжению фрикционных дисков 62 и 72 друг по другу. Момент трения возникает между фрикционными поверхностями из-за силы прижима, развиваемой упругими средствами 86. Этот момент трения преобразуется двумя системами, состоящими из болта и гайки, в два осевых тормозных усилия на стержне 5 для создания демпфирующей силы.
Для того чтобы сделать систему обратимой, одна из гаек, предпочтительно гайка 7, должна быть установлена в последовательности с обгонной муфтой, не показана, чтобы допустить обратное движение стержня 5.
Кроме того, поскольку корпус 8 выполнен неразъемно с демпфируемым объектом, или наоборот, поступательное движение стержня 5 стремится сжимать упругие средства, чтобы демпфирующая силу стремилась снизить предварительное напряжение и, следовательно, фрикционную силу, которая позволяет осуществлять регулировку этой фрикционной силы в зависимости от демпфирующей силы.
Необходимо сказать, что упругие средства 87 могут быть изготовлены различными способами. Они могут быть пневматическими, гидравлическими или электрическими исполнительными механизмами, например домкратами, что позволяет осуществлять дополнительную регулировку практически в реальном времени.
Независимо от варианта осуществления фрикционного устройства согласно изобретению вычислено, что сильное изменение коэффициента трения лишь незначительно изменяет возвратную силу.
Предпочтительное применение фрикционного устройства согласно изобретению заключается в фрикционном демпфирующем устройства согласно любому варианту осуществления.
Фрикционное устройство согласно изобретению может применяться и в других областях, например, но без ограничения, в тормозных системах, коробках передач, сервоуправлении тормозными системами и системами сцепления.