Гибкий.ру «развязать» гребень
Валерий Шилер, старший научный сотрудник ОмГУПС, ставит передо мной две небольшие тележки. Различаются они только колёсами. На первой – стандартная конструкция: колёса жёстко посажены на ось, фактически это цельная деталь. «Это замкнутая механическая система, которой пользовались ещё братья Черепановы 170 лет назад.
Поверхность колёс конусная, поэтому в процессе движения по рельсам они ходят из стороны в сторону, – говорит Шилер. – Когда идёте через тамбур поезда, замечаете, как вагоны шатает? То-то и оно. А ведь на такое трение колёс о рельсы затрачиваются значительные усилия.
Над тем, как уменьшить сопротивление, специалисты ломали голову несколько последних десятилетий. Вариантов модернизации колёсной пары предлагалось множество. Один из принципов – сделать колёса независимыми друг от друга, «развязать» их. Но значительного улучшения не было, пока Валерий Шилер не предложил заодно «развязать» и гребень – тот самый выступ на колесе, который не позволяет ему выходить за пределы рельсовой колеи.
«Перед началом испытаний мы предполагали, что будет улучшение характеристик на 10-15%. Это уже считалось бы успехом. Но, когда сделали образцы, запустили их и провели замеры, оказалось, что «гибкое колесо» эффективнее обычного в два раза!» – рассказывает Валерий Викторович.
Он подходит к макету железной дороги – трёхметровому отрезку рельсовой колеи с горкой на конце – и по очереди запускает обе тележки. Скатываясь с горки, первая проезжает сантиметров 30, вторая – 60. Это и есть двукратное улучшение характеристик. В 2 раза меньше сопротивление движению, в 2 раза меньше затраченной энергии, в 2 раза меньше расходов на содержание железнодорожных путей.
Гибкие колесные диски от michelin и maxion wheels не боятся выбоин и бордюров
На автомобильной выставке IAA 2022 во Франкфурте компания Michelin и крупнейший в мире производитель автомобильных дисков Maxion Wheels представили совместную разработку – инновационное гибкое колесо Maxion Flexible Wheel с технологией Michelin Acorus, предотвращающей повреждения легковых шин и дисков при езде по неровным дорогам.
Запатентованная инновационная технология заключается в необычной конструкции диска, которая состоит из двух гибких резиновых фланцев, закрепленных на особом корпусе колесного диска, благодаря чему колесо становится гибким, улучшая комфорт езды и поглощая удары при наезде на выбоины и бордюры. При этом новое колесо совместимо со всеми имеющимися на рынке типоразмерами легковых шин и комплектуется различными косметическими накладками для защиты тонкого легкосплавного диска.
«Колеса автомобилей становятся все больше и больше, поскольку придают автомобилям более премиальный вид, и большие блестящие легкосплавные диски являются неотъемлемой частью всех современных моделей автомобилей, – говорит главный исполнительный директор Michelin Флоран Менего. – В тоже время в результате использования низкопрофильных шин с колеса гораздо чаще подвергаются риску повреждения на сегодняшних все более ухудшающихся дорогах с бесчисленными выбоинами».
«Эта технология меняет правила игры на рынке колесных дисков, – уверен генеральный директор Maxion Wheels Питер Клинкерс. – Попадание обычного колеса в выбоину грозит повреждением шины или трещиной в диске, что может поставить безопасность водителя и пассажиров под угрозу. Когда же в выбоину попадает Maxion Flexible Wheel, фланец по технологии Michelin Acorus сгибается и защищает шину и диск от повреждений».
В тестах на преодоление выбоины глубиной 80 мм и длиной 700 мм при угле удара 79 градусов с шинами размерностью 285/30R21 стандартная версия обода колесного диска проколола шину на скорости 28 км/ч, в то время как гибкое колесо с технологией Michelin Acorus позволяло проезжать через выбоину без повреждений на любой скорости.
Помимо повышения безопасности и мобильности, колеса Maxion Flexible Wheel благодаря гибким резиновым фланцам повышают уровень комфорта езды и снижают уровень шума. Кроме того, Maxion Flexible Wheel предназначены для использования с любым типом покрышек, включая шины с низким сопротивлением качению, что позволяет экономить топливо и снижать уровень выбросов СО2.
Гибкие колесные диски Maxion с технологией Michelin Acorus первоначально будут доступны в размерах с посадочным диаметром от 19 дюймов и выше для оригинальной комплектации автомобилей премиум-класса.
Гибкое колесо волновой передачи — su 1000630
ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 15.09,81 (21) 3338715/25-2с присоединением заявки-Гееударетееиимк квмнтет СССР по деним изобретений н еткрмтнй3) Приоритет 3) УДК 621.833. .7 (088.8) публиковано 28,02.83. Бюллетень 8 ата опубликования описания 05.03.83(72) Авторы изобретения азуренко и С. М. краинский полиграфический институт им. Ивана Федорова(54) ГИБКОЕ КОЛЕСО ВОЛНОВО Изобретение относится к машиностроению, в частности к механическим передачам с зацеплением, и может быть использовано в волновых редукторах.Известно гибкое колесо волновой передачи, содержащее тонкостенную трубу и ступицу 11.Однако труба гибкого колеса жестко соединена со ступицей посредством диска, что усложняет изготовление колеса.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является гибкое колесо волновой передачи, содержащее тонкостенную трубу с зубчатым венцом у одного из торцов, расположенную у другого торца трубы ступицу, имеющую охватывающий трубу обод и размещенный внутри трубы конус, и элемент, связывающий трубу со ступицей, В этом гибком колесе элемент, связывающий трубу со ступицей, выполнен в виде подвижного зубчатого соединения 2.Недостатком известного гибкого колеса является необходимость изготовления двух зубчатых венцов: одного на наружной поверхности тонкостенной трубы, другого на внутренней поверхности обода, что усложняет технологию гибкого колеса.Цель изобретения – упрощение технологии гибкого колеса.Поставленная цель достигается тем, чтов гибком колесе волновой передачи, содержащем тонкостенную трубу с зубчатым венцом у одного из торцов, расположенную у другого торца трубы ступицу, имеющчюохватывающий трубу обод и размещенный 10 внутри трубы конус, и элемент, связывающий трубу со ступицей, последний выполнен в виде разрезного конического кольца, установленного между стенкой трубы и концом ступицы и зафиксированного в осевом направлении посредством установленной на ступице гайки.На чертеже показано гибкое колесоволновой передачи.Колесо содержит тонкостенную трубу 1с зубчатым венцом у одного из торцов, 20 расположенную у другого торца трубы 1ступицу 2, имеющую охватывающий трубу 1 обод 3 и размещенный внутри трубы 1 конус 4. Между стенкой трубы 1 и конусом 4 установлено разрезное коническое кольцо 5,1000630 Формула изобретения Составитель А. СтупановТехред И. Верес Корректор В.Тираж 923 Подписноесуда рственного комитета СССРизобретений и открытийЖ – 35, Раушская наб., д. 4/5тент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Редактор М. РацкулиЗаказ 1322/32 И Го дела оскв Пакоторое зафиксировано в осевом направлении посредством гайки 6. Кольцо 5 можно также перемещать по конусу 4 с помощью гайки 6, которая стопорится контргайкой 7.Соединение трубы 1 со ступицей 2 гибкого колеса работает следующим образом.Перемещение разрезного конического кольца 5 к основанию конуса 4 вызывает зажатие стенки трубы 1 между кольцом 5 и ободом 3. На поверхностях контакта возникают силы трения, величина которых зависит от материалов поверхностей, угла конуса 4 и силы затяжки гайки 6. Момент сил трения относительно оси гибкого колеса должен превышать крутящий момент сил сопротивления на выходном валу 8 волновой передачи.Изобретение позволяет упростить технологию предлагаемого гибкого колеса волновой передачи. При выходе из строя трубы 1, которая является гибким звеном волновой передачи, она может быть легко заменена новой с сохранением той же ступицы. Гибкое колесо волновой передачи, содержащее тонкостенную трубу с зубчатым венцом у одного из торцов, расположенную у другого торца трубы ступицы, имеющую охватывающий трубу обод и размещенный внутри трубы конус, и элемент, связывающий трубу со ступицей, отличающееся тем, что, с целью упрощения технологии гибкого колеса, элемент, связывающий трубу со ступицей, выполнен в виде разрезного конического кольца, установленного между стенкой трубы и концом ступицы и зафиксированного в осевом направлении посредством установленной на ступице гайки.15 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе
Смотреть
<a href=”https://gibkij.ru/2-1000630-gibkoe-koleso-volnovojj-peredachi.html” target=”_blank” rel=”follow” title=”База патентов СССР”>Гибкое колесо волновой передачи</a>
Контрольные вопросы
- 1. Как устроена и как работает волновая зубчатая передача? Назовите основные элементы передачи.
- 2. Каковы основные достоинства и недостатки волновой передачи по сравнению с другими передачами? Где применяются волновые передачи?
- 3. Каким образом гибкому колесу придают овальную форму? Как происходит передача движения в волновой передаче от ведущего звена к ведомому?
- 4. Какова разность чисел зубьев жесткого и гибкого колес волновой передачи? Какой применяют профиль зубьев?
- 5. Как вычисляют передаточное число волновой передачи?
- 6. Почему подшипник кулачкового генератора называют гибким?
- 7. Почему волновые передачи применяют в устройствах с повышенными требованиями к кинематической точности или к герметичности?
Кто даст ход?
Как водится, изобретением интересуются иностранцы. В первую очередь азиаты – китайцы, корейцы, японцы… По приблизительным оценкам, интеллектуальная собственность (макет плюс международный патент) тянет на 150-200 млн долларов. Кроме экономического эффекта новая колёсная пара даст и такие, как снижение уровня шума и повышение безопасности движения. Иначе говоря, в случае аварии выбить вагон из рельсовой колеи будет труднее.
Но «гибкое колесо» – часть более глобального проекта, который Шилеры называют «Высокоскоростная гибкая транспортная система». Если его реализовать, товарные поезда смогут ходить со скоростью 160-200 км/ч, пассажирские – 300-350 км/ч. Изменятся принципы загрузки и разгрузки составов, снизится стоимость перевозимых товаров – в итоге выиграет экономика всей страны.
«Мы рук не опускаем. Команда у нас в вузе молодая, понемногу двигаем проект дальше, – улыбается Александр. – Надо завершить эволюцию колеса. Сколько можно на телеге ездить?»
Расчет на прочность гибкого колеса волновых передач
Основным критерием работоспособности волновых зубчатых передач является прочность гибкого колеса, которую оценивают выносливостью (сопротивлением усталости) зубчатого венца.
Изнашивание зубьев незначительно и не ограничивает ресурс передачи.
Проектировочный расчет.
Внутренний диаметр d гибкого колеса (см. рис. 17.3) как основной размер передачи определяют из условия выносливости с учетом действия только нормальных напряжений:
где Тх — вращающий момент на валу гибкого колеса, Н • м; и — передаточное число передачи; [а] — допускаемое напряжение, Н/мм2; для стали марки ЗОХГСА [о] = 150…170 Н/мм2; Е — модуль упругости материала венца, для сталей Е = 2,1 • 105 Н/мм2;
fsd = SJd = 0,012…0,014 — коэффициент толщины зубчатого венца; ibd = bx/d= 0,15…0,20 — коэффициент ширины зубчатого венца. Для передач с кулачковым генератором расчетный диаметр d согласуют с наружным диаметром D гибкого подшипника качения (см. табл. 17.1).
Модуль зацепления т не лимитирует нагрузочную способность передачи. Учитывая, что внутренний диаметр d гибкого колеса близок его делительному диаметру зубчатого венца, приближенно находят модуль зацепления:
Полученное значение модуля согласуют со стандартным из ряда: 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 мм.
Определяют диаметр окружности впадин зубьев (см. рис. 17.3):
и подбирают коэффициент смещения хх гибкого колеса и число зубьев zx, обеспечивающие полученный dfl.
Для зубьев с широкой впадиной х, = (—1)…3. Ббльшие значения хх для и > 150.
При нарезании зубьев гибкого колеса модифицированной стандартной червячной фрезой с уменьшенной высотой головки зуба диаметр окружности впадин зубьев колеса
где hM = 0,35 — коэффициент высоты головки зуба фрезы. Величина деформации гибкого колеса
где меньшие значения для и <</i> 150.
После определения основных размеров гибкого колеса выполняют проверочный расчет на прочность зубчатого венца.
Согласно теории гладких цилиндрических оболочек, с учетом влияния зубьев основные напряжения зубчатого венца следующие.
1. Напряжения изгиба при деформировании венца генератором, изменяющиеся по симметричному циклу (см. рис. 2.1, в):
Амплитуда напряжений цикла аиа = аи.
2. Напряжения растяжения зубчатого венца от окружных сил в зацеплении, изменяющиеся по отнулевому циклу (см. рис. 2.1, б)
Амплитуда напряжений цикла ар(7 = ор„, = ср/2.
3. Напряжения кручения зубчатого венца, изменяющиеся по отнулевому циклу:
Амплитуда напряжений цикла тка = хкт = тк/2.
Коэффициент запаса прочности s определяют по формуле (2.12). Обычно [.у] = 1,4… 1,5.
Подшипники качения генератора волн проверяют по динамической грузоподъемности (см. гл. 29).
Пример 17.1. Определить основные размеры гибкого колеса волновой зубчатой передачи с кулачковым генератором для редуктора общего назначения (см. рис. 17.5). Вращающий момент на валу гибкого колеса Тх = 870 Н • м, передаточное число и’ = 100 (допустимо отклонение ± 4 %).
Решение. Проектировочный расчет.
1. Материал гибкого колеса. Принимаем сталь марки 30ХГСА (см. § 17.2), термообработка — улучшение, твердость Н = 280…320 НВ с дробеструйным наклепом, включая впадины зубьев (ав = 1100 Н/мм2, а_, = 480 Н/мм2, [о] = 160 Н/мм2, Е = 2,1 • 105 Н/мм2; см. § 17.4).
2. Расчетные коэффициенты. Принимаем |fsd = 0,012; bd =0,18 (см. § 17.4).
3. Внутренний диаметр гибкого колеса [формула (17.4)]:
Принимаем d = 150 мм, что соответствует наружному диаметру гибкого подшипника для волновых передач (см. табл. 17.1).
4. Толщина зубчатого венца гибкого колеса [см. рис. 17.3 и формулу (17.4)]:
Ширина зубчатого венца [формула (17.4)]: 6, =|fbdd = 0,18 • 150 = 27 мм. Принимаем Ь{ = 28 мм (см. § 27.3).
5. Ориентировочное число зубьев Z гибкого колеса [формула (17.2)]:
6. Модуль зацепления [формула (17.5)]:
По стандарту принимаем т = 0,8 мм (см. § 17.4).
7. Диаметр окружности впадин зубьев гибкого колеса [формула (17.6)]:
- 8. Подбираем коэффициент смещения хх гибкого колеса и уточняем число зубьев Z, обеспечивающие = 153,6 мм.
- 8.1. Назначаем нарезание зубьев гибкого колеса червячной модифицированной стандартной фрезой с уменьшенной высотой головки зуба. Согласно рекомендациям (см. § 17.4), предварительно принимаем хх = 0.
- 8.2. Фактическое число зубьев гибкого колеса [формула (17.7)]:
Принимаем Z= 193.
8.3. Число зубьев жесткого колеса (см. § 17.3):
8.4. Фактическое передаточное число [формула (17.2)]:
Отклонение составляет 3,5 % < 4 %, что допустимо.
8.5. Уточняем коэффициент смещения гибкого колеса [формула (17.7)]:
что находится в рекомендуемых пределах (см. § 17.4).
9. Назначаем высоту зуба гибкого колеса [формула (17.1)]:
Диаметр вершин зубьев гибкого колеса (см. рис. 17.3):
Проверочный расчет на прочность зубчатого венца гибкого колеса. 10.1. Деформация зубчатого венца гибкого колеса [формула (17.8)]:
10.2. Напряжения изгиба зубчатого венца, изменяющиеся по симметричному циклу [формула (17.9)]:
Амплитуда напряжений цикла а|Ш = аи = 120 Н/мм2.
10.3. Напряжения растяжения зубчатого венца, изменяющиеся по отну- левому циклу [формула (17.10), см. также рис. 2.1, б]:
Амплитуда напряжений цикла ора = ор/2 = 104/2 = 52 Н/мм2. 10.4. Суммарная амплитуда нормальных напряжений:
10.5. Напряжения кручения зубчатого венца, изменяющиеся по отнуле- вому циклу [формула (17.11) и рис. 2.1, б:
Амплитуда напряжений цикла тко = тк/2 = 13,4/2 = 6,7 Н/мм2. Ввиду малого значения в дальнейшем расчете хка не учитываем.
- 10.6. Расчетные коэффициенты. По табл. 2.1…2.5 принимаем: Kda —0,59; Ка =1,75 (как для шлицев); KFa =0,86 (при Ra =1,6 мкм); Ку =1,6 (при обдувке дробью).
- 10.7. Коэффициент снижения предела выносливости [формула (2.3)]:
10.8. Предел выносливости материала зубчатого венца [формула (2.5)]:
- 10.9. Коэффициент запаса прочности зубчатого венца [формулы (2.10) и
- (2.12)]:
Так как 5 > [s] (1,47 > 1,4; см. § 2.5), прочность зубчатого венца гибкого колеса обеспечивается.
Форма и размер деформирования гибкого колеса
Большое число зубьев в зацеплении можно получить и в ненагруженной передаче, если профиль зубьев жесткого колеса выполнить по форме, эквидистантной форме траектории точки ag (см. рис. 10.7), а профиль зуба гибкого колеса — сопряженным к профилю зуба жесткого колеса. При этом зуб колеса b должен быть выпуклым. Известно, что внутренние эвольвентные зубья имеют вогнутый профиль. Поэтому они не оптимальны для волновых передач.
§ 10.6. Форма и размер деформирования гибкого колеса
Волновая передача может быть работоспособной при различных формах и размерах деформирования гибкого колеса. Здесь нет однозначного решения. Исследователями предложены формы: по cos2cp, по эллипсу, с эвольвентными участками, с участками, очерченными по дугам окружности, по форме кольца, деформированного системой сосредоточенных сил, и пр. Критериями для оценки различных вариантов служат нагрузочная способность, КПД, долговечность.
Наибольшее распространение получили формы: по cos2cp, по кольцу, деформированному двумя или четырьмя сосредоточенными силами, и по дугам окружности в районе большой оси генератора (рис. 10.9).
Форма по рис. 10.9,
осуществляется генератором с двумя роликами; по рис. 10.9,6 — четырехроликовым генератором; по рис. 10.9, в — дисковым генератором (два больших ролика). Любая из форм может быть получена также при кулачковом генераторе (рис. 10.10). Кулачок генератора h выполняют по выбранной форме деформирования гибкого колеса. Для уменьшения трения между кулачком и гибким колесом располагают тела качения (гибкий подшипник; см. табл. 10.1). Кулачковый генератор лучше других сохраняет заданную форму деформирования под нагрузкой и поэтому считается предпочтительным для силовых передач. В дальнейшем рассмотрим передачи только с кулачковым генератором и формой деформирования w = w0cos2cp.
Размер деформирования и’0 можно определить из условия равенства окружных скоростей [формула (10.16)] при некотором значении φ. Рационально применить это условие в зоне большой оси генератора (φ = 0), так как здесь максимальна глубина захода зубьев и минимальна роль клинового эффекта. При этом в формуле (10.16) vtr = 0 и vt = vtb. С учетом формул (10.10) и (10.14) получим ωή νν0 = ωΛΓφ//^. Используя формулу (10.13) и принимая r^ = dbjl, найдем w0 = db/zb = m или w0/m= 1. Проследим, как влияют отклонения w0/m от единицы.
На рис. 10.11, а, 6, β изображены формы траектории (см. рис. 10.3) при различных значениях w0/m. Применив к этим