Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МАГНИТОВОЛНОВОЙ ФРИКЦИОННЫЙ ВАРИАТОР (ВАРИАНТЫ)
МАГНИТОВОЛНОВОЙ ФРИКЦИОННЫЙ ВАРИАТОР (ВАРИАНТЫ)

МАГНИТОВОЛНОВОЙ ФРИКЦИОННЫЙ ВАРИАТОР (ВАРИАНТЫ)

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области приборостроения и предназначено, в частности, для передачи вращения вала через герметичную стенку, разделяющую разнородные среды с различными давлениями, а также редуцирования и плавного изменения передаточного числа, выполнения вычислительных операций или коррекции погрешностей путем перемножения частоты вращения входного вала на необходимые параметры, преобразованные в осевые перемещения элементов. В вариаторе используется жесткое ферромагнитное кольцо, соединенное с выходным валом и контактирующее своей фрикционной кромкой с внутренней фрикционной дорожкой неподвижного кольца-колеса, образуя пару качения, генератор волновой деформации магнитного поля выполнен в виде кольцевого модулятора с ферромагнитными башмаками, соединенного с входным валом и размещенного в кольцевом магнитном зазоре, образованном постоянными магнитами и/или внутренним кольцевым магнитом (полюсным наконечником) и жестким ферромагнитным кольцом. В вариаторе фрикционная дорожка или кромка может быть выполнена внутри жесткого ферромагнитного кольца с возможностью контактирования с фрикционной кромкой или дорожкой, закрепленной на поверхности перегородки или кольцевой полки, соединенной с основанием и внутренним кольцевым магнитом (полюсным наконечником) посредством кольцевой полки, образующими герметичную разделительную стенку. Ферромагнитные башмаки кольцевого модулятора выполнены в виде магнитов, намагниченных в радиальном направлении и распределенных на определенной площади. Ферромагнитные башмаки могут быть выполнены в виде двух полуколец, закрепленных на диамагнитном кольце-диске с двух сторон и намагниченных встречно друг другу, тогда жесткое ферромагнитное кольцо намагничено встречно неподвижному кольцевому магниту. Вариатор с плоскими жесткими ферромагнитными кольцами выполняется на торсионе и коническом кольце. Жесткое ферромагнитное кольцо и неподвижный кольцевой магнит, а также полукольца башмаков намагничены в осевом направлении встречно друг другу. Повышение помехоустойчивости и стабильности работы вариаторов обеспечивается их размещением внутри магнитомягкого экрана. Покрытая твердым фрикционным материалом дорожка выполняется профилированной, в частном случае - конической. Достигаемый технический результат состоит в обеспечении высокой помехозащищенности, исчезающе малой и неизменной нагрузки на входном валу, упрощении изготовления вариатора, повышении надежности и точности, уменьшении габаритов, обеспечении широких возможностей функционального измерительного преобразования. 4 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2138709
Класс(ы) патента: F16H15/16
Номер заявки: 97105606/28
Дата подачи заявки: 09.04.1997
Дата публикации: 27.09.1999
Заявитель(и): Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Автор(ы): Ференец В.А.; Голубович С.В.; Гареев Р.Ф.; Вареник С.Л.
Патентообладатель(и): Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева; Ференец Валентин Антонович
Описание изобретения: Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для передачи вращения вала при весьма малой его нагрузке через герметичную стенку, разделяющую полости с разнородными средами и/или различным давлением, а также для редуцирования и коррекции погрешностей путем перемножения частоты вращения на задаваемый параметр (перемещение). К примеру, такая задача возникает при создании систем дистанционного управления, а также расходомеров, счетчиков газа, воды, тепла, электроэнергии, топлива, окислителя.
Для передачи вращения вала через герметичную стенку, разделяющую полости с разнородными средами, нередко используют различные магнитные муфты с подвижными постоянными магнитами. Так, в расходомерах-счетчиках воды, рассматриваемых в известной книге П.П. Кремлевского "Расходомеры и счетчики количества" (Л.: Машиностроение, 1989) и применяемых в отечественных счетчиках типа СВ-15 (ЧЧЗ "Восток") и зарубежных аналогах (фирмы "Верле" или "Ценнер") магнитные муфты содержат достаточно громоздкие и инерционные двухполюсные постоянные магниты (ведущий и ведомый), создающие ощутимую динамическую и статическую нагрузку на ведущий вал, что вызывает потерю синхронизации, недопустимо большие погрешности, недостаточную магнитную помехозащищенность, а также ограничивают срок службы счетчиков.
Для редуцирования и перемножения частоты вращения вала на заданное перемещение нередко используют волновые фрикционные передачи, достаточно полно описанные на стр. 46 - 49 книги Н.И. Цейтлина и Э.М.Цукермана "Волновые передачи" (М.: ВИНИТИ, 1969). Через гибкие (деформационные, упругие) элементы-стенки вариаторов осуществляется также разделение полостей с различными средами и давлениями. Такие волновые фрикционные вариаторы позволяют обеспечить без их останова изменение передаточных чисел в диапазоне i = 10 - 10000, имеют малые габариты и могут быть встроены в различные механизмы, например, в электроприводы систем управления. Большое конструктивное разнообразие волновых фрикционных вариаторов, содержащих механические "генераторы" деформационных волн "гибких" элементов, фрикционно связанных с жесткими и/или упругими коническими колесами, втулками, трубами или кольцами, не устраняет основного недостатка - большой нагрузки на входном валу.
Прототипом предлагаемого изобретения являются волновой фрикционный вариатор по авторскому свидетельству СССР N178631, кл. 47 h, 8; (F 06 h), автор И.К.Мельниченко, содержащий входной и выходной валы, колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации колеса, связанный с входным валом, и жесткое коническое колесо, выполненное с возможностью осевого перемещения. Генератор волновой деформации выполнен в виде ролика, консольно установленного на пластинчатой пружине, закрепленной на входном валу. Деформируя гибкое колесо, ролик прижимает его в диаметрально противоположную сторону к жесткому коническому колесу, которое для изменения передаточного числа перемещается вдоль оси вращения.
Несмотря па простоту и малые габариты прототипу присущи упомянутые ранее недостатки: большая и изменяющаяся нагрузка на входном валу, что в ряде случаев вызывает недопустимо большие погрешности, усложняет производство и наладку, снижает срок службы вариатора.
Для снижения этих недостатков предлагается магнитоволновой фрикционный вариатор, который обеспечивает высокую помехозащищенность, исчезающе малую и неизменную нагрузку на входном валу, относительную простоту изготовления, надежность и точность, малые габариты и широкие возможности функционального измерительного преобразования.
В предлагаемом устройстве колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде жесткого ферромагнитного кольца и снабженного коническим кольцом с фрикционной кромкой, контактирующей с фрикционной дорожкой неподвижного в тангенциальном направлении кольца-колеса, образуя пару качения, генератор волновой деформации магнитного поля выполнен в виде кольцевого модулятора, содержащего ферромагнитные башмаки, соединенные посредством кольца-диска с входным валом и размещенные в кольцевом магнитном зазоре, образованном постоянными магнитами с внутренним и внешним кольцевыми полюсными наконечниками, магнитопроводами и жестким ферромагнитным кольцом, а снаружи на основании вариатора закреплен магнитомягкий экран.
В кольцевом магнитном зазоре между жестким ферромагнитным кольцом и ферромагнитными башмаками модулятора размещена перегородка, закрепленная на основании и при необходимости снабженная кольцевой полкой, соединяющей ее с внутренним кольцевым магнитом (полюсным наконечником), образуя герметичную разделительную стенку между полостями, в которых размещены входной и выходной валы.
Неподвижное кольцо-колесо с фрикционной дорожкой закреплено с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы относительно установочной кольцевой платформы, соединенной с основанием, а поверхность фрикционной дорожки выполнена профилированной, в частном случае - конической, при этом касательная к профилю дорожки в точке контактирования и образующая конического кольца с фрикционной кромкой составляют угол, близкий к прямому.
В другой модификации вариатора колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения, вдоль оси вращения в виде жесткого ферромагнитного кольца, внутри которого образована фрикционная дорожка или фрикционная кромка, контактирующая с фрикционной кромкой или фрикционной дорожкой, выполненными на внешней поверхности кольцевой части перегородки герметичной разделительной стенки между полостями, в которых размещены входной и выходной валы, и образующими пару качения, генератор волновой деформации магнитного поля выполнен в виде кольцевого модулятора, содержащего ферромагнитные башмаки, соединенные посредством кольца-диска с входным валом и размещенные в кольцевом магнитном зазоре, образованном постоянными магнитами с внутренним и внешним кольцевыми полюсными наконечниками, магнитопроводами и жестким ферромагнитным кольцом, а снаружи на основании вариатора закреплен магнитомягкий экран.
В одном из вариантов вариатора ферромагнитные башмаки кольцевого модулятора и жесткое ферромагнитное кольцо выполнены из магнитомягкого материала.
В другом варианте вариатора ферромагнитные башмаки кольцевого модулятора и/или жесткое ферромагнитное кольцо выполнены в виде постоянных магнитов.
В третьей модификации вариатора колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде плоского жесткого ферромагнитного кольца, намагниченного в осевом направлении встречно неподвижному кольцевому магниту, установленному на основании посредством кронштейна с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы в полости, в которой находится входной вал, рабочий магнитный зазор и связанный с входным валом кольцевой модулятор, ферромагнитные башмаки которого выполнены в виде двух плоских ферромагнитных полуколец, закрепленных на диамагнитном кольце-диске с двух сторон, а жесткое ферромагнитное кольцо содержит коническое кольцо с фрикционной кромкой, контактирующей с фрикционной дорожкой неподвижного в тангенциальном направлении кольца-колеса, установленного на основании с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы.
В некоторых случаях стойка с цапфой упорно-опорного подшипника жесткого ферромагнитного кольца установлена на подвижном жестком центре манометрической коробки, неподвижный жесткий центр которой закреплен на основании, а неподвижное кольцо-колесо с фрикционной дорожкой соединено с установочным кольцом-платформой, которая закреплена на кромке деформационного преобразователя давления, температуры или объема жидкости, выполненного в виде тороидальной, согнутой по дуге в радиальном направлении, полой пружины, другая кромка которой соединена с основанием.
В четвертой модификации вариатора колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения, вдоль оси вращения в виде кольца-колеса с профилированной фрикционной дорожкой, контактирующей с фрикционной кромкой, связанной с колесом, закрепленным посредством упругого диска и торсиона на основании и выполненным в виде плоского жесткого ферромагнитного кольца, намагниченного в осевом направлении встречно неподвижному кольцевому магниту, установленному на основании посредством кронштейна с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы в полости, в которой находится входной вал, рабочий магнитный зазор и связанный с входным валом кольцевой модулятор, ферромагнитные башмаки которого выполнены в виде двух плоских ферромагнитных полуколец, закрепленных на диамагнитном кольце-диске с двух сторон, при этом торсион выполнен заодно со ступицей крепления и арматурой крепления жесткого ферромагнитного колеса, которая содержит фрикционную кромку, и связан подшипниками с входным и выходным валами.
Возможен вариант вариатора, в котором кольцо с фрикционной дорожкой установлено посредством биметаллических спиц на ступице выходной оси, на которой закреплена газонаполненная или вакуумированная манометрическая коробка, на жестком центре которой установлен подшипник скольжения, связывающий его с торсионом.
Сущность изобретения раскрывается на фиг.1 - 6, где
фиг.1 - схема вариатора с цилиндрическим жестким ферромагнитным кольцом;
фиг.2 - схема разреза по линии AA вариатора - вид сверху (фиг. 1);
фиг. 3 - схема вариатора с коническим кольцом и внутренними фрикционными кромкой и дорожкой;
фиг.4 - схема вариатора на струнной подвеске;
фиг.5 - схема вариатора с торсионом и упругим диском;
фиг. 6 - график зависимости магнитных сил притяжения-отталкивания от смещения башмаков из уравновешенного положения.
Обозначения на фиг. 1 - 6 соответствуют:
1 - установочная кольцевая платформа; 2 - основание; 3 - фрикционная дорожка; 4 - перегородка; 5 - ферромагнитные башмаки; 6 - входной вал; 7 - подшипник оси модулятора; 8 - кольцо-диск; 9 - противовесы; 10 - жесткое ферромагнитное кольцо; 11 - кольцо - колесо с фрикционной дорожкой 3; 12 - внутренний кольцевой магнит (полюсный наконечник); 13 - окно; 14 - резьбовая втулка магнита 24; 15 - кольцевой магнитопровод; 16 -упорные винты; 17 - внешний кольцевой полюсный наконечник; 18 - упорно-опорный подшипник; 19 - втулка подшипника; 20 - выходной вал; 21 - державка; 22 - стойка; 23 - кольцевая полка; 24 - постоянный магнит; 25 - коническое кольцо с фрикционной кромкой 26; 27 - прижимное кольцо-шайба; 28 - цилиндрическое диамагнитное кольцо модулятора; 29 - кольцо с фрикционной кромкой 26; 30 - цапфа; 31 - магнитомягкий экран; 32 - кронштейн; 33 - неподвижный кольцевой магнит; 34 - полая пружина; 35 - струнная подвеска с керном; 36 - манометрическая коробка; 37 - крепежное кольцо полой пружины 34; 38 - торсион; 39 - биметаллические спицы; ω1 и ω2 - частота вращения входного и выходного вала; h1 и h2- перемещение фрикционных дорожки и кромки; D1 и D2 - диаметры фрикционных дорожки и кромки; O1 и O2- центры фрикционных дорожки и кромки; ε - смещение центров; a1 и а2 - точки контактирования дорожки и кромки; P1 и P2 - магнитные силы притяжения; l - плечо момента силы; δ - смещение башмаков; l0 - положения магнитных колец; P - равнодействующая магнитных сил притяжения башмаков; Fпр и Fот - магнитные силы притяжения и отталкивания ферромагнитного кольца.
На фиг. 1 приведена схема вариатора, у которого жесткое ферромагнитное кольцо 10 выполнено цилиндрическим из магнитомягкого или магнитотвердого материала, намагниченного радиально. На кольце 10 закреплен кольцевой магнитопровод 15 и ажурный конический диск 25 с фрикционной кромкой 26, нанесенной в виде твердой пленки. Магнитопровод 15 соединен державкой 21 с регулируемой резьбовой втулкой 19 упорно-опорного подшипника 18. Втулка 19 содержит выходной вал 20 и опирается подшипником 18 на цапфу, закрепленную на стойке 22, которая установлена на внешнем кольцевом полюсном наконечнике 17 с возможностью регулировки ее положения посредством трех крепежных винтов и трех упорных винтов 16 по пяти степеням свободы относительно полки 23, связанной кольцевой перегородкой 4 с основанием 2.
Фрикционная кромка 26 контактирует с профилированной фрикционной дорожкой 3, выполненной на кольце-колесе 11, которое закреплено на установочной кольцевой платформе 1 с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы посредством трех упорных и трех крепежных винтов.
На основании 2 закреплена цилиндрическая перегородка 4, снабженная кольцевой полкой 23, в которой запрессован внутренний кольцевой магнит (полюсный наконечник) 12, образующие герметичную разделительную стенку между полостями с различными средами и/или давлениями, в которых размещены входной вал 6 и выходной вал 20.
В полке 23 размещен постоянный магнит 24 посредством резьбовой втулки 14 для регулировки через окно 13 его осевого положения. Во внутреннем кольцевом магните (полюсном наконечнике) 12 установлен подшипник 7 оси модулятора. Модулятор состоит из кольца-диска 8, например, выполненного в виде диамагнитного стаканчика, армированного двумя ферромагнитными башмаками 5 и диамагнитными противовесами 9 в виде полуколец. В этом случае жесткое ферромагнитное кольцо 10 намагничено радиально и встречно направлению поля, создаваемому постоянным магнитом 24, что позволяет обеспечить увеличение силы прижатия фрикционной кромки 26 к дорожке 3 за счет формирования на увеличенной площади башмаков 5 магнитных сил притяжения, а также на площади диамагнитных противовесов 9 магнитных сил отталкивания.
В случае выполнения жесткого ферромагнитного кольца 10 из магнитомягкого материала ферромагнитные башмаки 5 выполняются из магнитомягкого железа или в виде миниатюрных магнитов, установленных в радиальных направлениях и рационально распределенных на увеличенной площади жесткого ферромагнитного кольца 10, силы магнитного притяжения кольца 10 при этом окажутся уменьшенными.
На фиг. 2 представлена проекция разреза по линии AA вариатора согласно фиг. 1 без учета некоторых несущественных деталей. За счет магнитной силы P фрикционная кромка 26 оказалась прижатой в точке a1 к фрикционной дорожке 3, поэтому их центры O1 и О2 будут смещены на некоторую величину е, которая зависит от соотношения диаметров дорожки D1 и кромки D2. На проекции разреза по AA видны ферромагнитные башмаки в виде двух цилиндрических полуколец 5, цилиндрическое диамагнитное кольцо 28 и диамагнитные полукольца противовесов 9.
На фиг. 3 приведена схема вариатора с коническим жестким ферромагнитным кольцом 10, с внутренней стороны которого образована фрикционная дорожка 3, контактирующая с фрикционной кромкой 26, выполненной на кольце 29, установленном снаружи кольцевой конической перегородки 4 или кольцевой полки 23. Такой конструктивный вариант вариатора позволяет несколько упростить его изготовление, уменьшить габариты, в том числе конической перегородки 4, одновременно при этом снижается точность работы и функциональные возможности вариатора, что оказывается не всегда приемлемым. Кольцевой модулятор с ферромагнитными башмаками 5 выполняется аналогично ранее рассмотренным (фиг.1 и 2) конструктивным вариантам. Снаружи вариатора на основании закреплен магнитомягкий экран 31, который повышает помехоустойчивость и стабильность работы.
На фиг. 4 приведена схема вариатора на струнной подвеске 35 с плоским жестким ферромагнитным кольцом 10, намагниченным в осевом направлении встречно намагничению неподвижного плоского кольцевого магнита 33, размещенного с возможностью регулировки ею положения по пяти степеням свободы посредством кронштейна 32 в полости входного вала 6 и модулятора с диамагнитными кольцом-диском 8 и противовесами 9, а также ферромагнитными башмаками 5. Кольцо 10 подвешено посредством державки и втулки с выходным валом и подшипником на струнной подвеске 35 с керном установленной на подвижном жестком центре вакуумированной или газонаполненной манометрической коробки 36, закрепленной на основании 2. Кольцо 10 снабжено коническим кольцом 25 с фрикционной кромкой 26, контактирующей за счет магнитных сил отталкивания и притяжения с фрикционной дорожкой 3, выполненной профилированной на кольце-колесе 11 (фиг. 1), закрепленной на внутренней кромке полой пружины 34, внешняя кромка которой связана с крепежным кольцом 37, которое выполнено с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы относительно установочной кольцевой платформы 1, закрепленной на основании 2. Внутренняя полость изогнутой по дуге в радиальном направлении тороидальной полой пружины 34 может быть заполнена жидкостью и служить преобразователем, например, внутренней или внешней температуры. Одновременно полая пружина 34 позволяет достаточно точно фиксировать кольцо-колесо 11 с фрикционной дорожкой 3.
На фиг.5 приведена схема вариатора, у которого плоское жесткое ферромагнитное кольцо 10 посредством конического кольца 25 с фрикционной кромкой 26 и торсиона 38 неподвижно закреплено на основании 2. Кольцо 10 намагничено вдоль осевого направления встречно намагничению неподвижного кольцевого магнита 33, закрепленного в полости входного вала посредством кронштейна 32, установленного на основании 2, и элементов регулировки его положения по пяти степеням свободы. В магнитном зазоре, образованном кольцом 10 и магнитом 33, размещен кольцевой модулятор магнитной волны, выполненный в виде диамагнитного кольца-диска 8, содержащего два ферромагнитных полукольца башмаков 5 и диамагнитные противовесы 9. На цапфе оси торсиона подвешено подвижное коническое кольцо 11 с профилированной фрикционной дорожкой 3 посредством кольца-державки и биметаллических спиц 39, закрепленных на подвижном жестком центре манометрической коробки 36, являющимся одновременно выходным валом 20, а неподвижный жесткий центр коробки 36 снабжен подшипником, сочлененным с упомянутой цапфой.
Работу вариатора проследим по фиг.6, на которой приведена гипотетическая диаграмма распределения магнитных сил притяжения и отталкивания модулятора и ферромагнитного кольца 10 от смещения δ башмаков, для случая радиального намагничения, который представлен на фиг.6 в верхнем левом углу или фиг. 1. Случай осевого встречного намагничения приведен на фиг.4 и 5. Для увеличения силы контактирования фрикционной кромки 26 и дорожки 3 ограниченными по мощности миниатюрными магнитами, а также для снижения потерь на вихревые токи и на переориентацию магнитных доменов применяемая дифференциальная магнитная цепь со встречным намагничением оказалась наиболее удачной. В магнитном зазоре, в котором расположены башмаки 5, результирующий магнитный поток существенно снижен, в особенности в части кольца, где нет башмаков, а при вращении модулятора башмаки 5 не перемагничиваются, что не создает нагрузки на входном валу.
В части диамагнитных полуколец противовесов 9 (фиг. 1) имеет место практически неизменная распределенная на относительно большой площади сила Fот отталкивания жесткого ферромагнитного кольца 10 от внутреннего кольцевого магнита 12, что на фиг.6 представлено горизонтальной прямой. В противоположной части модулятора с ферромагнитными башмаками 5 силы отталкивания будут сосредоточены в диамагнитном внутреннем промежутке между башмаками 5, а между башмаками и ферромагнитным кольцом 10 и внутренним кольцевым магнитом 12 появятся магнитные силы притяжения Fпр. Из фиг.6 видно, что эти силы Pпр определяются разницей силы P1 притяжения башмака к правому полюсу и силы P2 его притяжения к левому полюсу. Максимальное значение силы Fпр имеет место при среднем (нейтральном) δ = 0 положении башмаков.
Из фиг. 1, 2, 4 и 5 видно, что силы отталкивания Fот и силы притяжения Fпр увеличивают момент сил, опрокидывающий жесткое ферромагнитное кольцо 10 относительно точки подвеса, за счет которого кольцо 10, контактируя фрикционной кромкой 26 с дорожкой 3, будет совершать волновые движения-повороты относительно почти горизонтальной оси, которая в свою очередь вращается с частотой ω1 входного вала 6. Проекция центра 02 фрикционной кромки (фиг.2) описывает с частотой ω1 окружность относительно центра O1 радиусом, соответствующим эксцентриситету ε.
На фиг.6 приведена также зависимость результирующей P магнитных сил P1 и P2 как их алгебраической суммы, действующей на модулятор. При малых смещениях δ модулятора от уравновешенного положения, в котором сила P равна нулю, за счет диамагнитного промежутка между башмаками имеет место слабая зависимость P(δ), что и используется на практике.
Положение подвижного жесткого ферромагнитного кольца 10, следовательно, и точки a1 контактирования (фиг.2) кромки 26 и дорожки 3, однозначно и устойчиво определяется угловым положением ферромагнитных башмаков 5 или силы Р. При повороте башмаков 5 модулятора на угол ϕ сила P1 также повернется на этот угол, вызывая момент силы Мп перекатывания (опрокидывания), за счет которого точка контактирования a2 повернется на тот же угол ϕ. Момент Mп определим зависимостью
Mп= k·l·P1= k1·P1·sinϕ,
где k и k1; - коэффициенты пропорциональности; D1 - диаметр окружности фрикционной дорожки 3; l - плечо силы P1. Максимальный момент перекатывания имеет место при ϕ = 90°, тогда l= D1/2. Это позволяет использовать весьма миниатюрные магниты, а диаметр D1 выбрать достаточно большим, что обеспечит на выходной оси необходимый нагрузочный момент.
При вращении башмаков 5 модулятора с частотой ω1 упомянутая точка контактирования a1 будет следовать за вращением силы P1 с некоторым смещением за счет инерционности механической подвижной системы с кольцом 10, которая совершает волновые движения также с частотой ω1, а упомянутое смещение (запаздывание) естественно не являются проскальзыванием, которое может быть вызвано превышением нагрузочного момента на выходном валу 20.
При повороте башмаков 5 на полный поворот точка контактирования по дорожке повернется также на полный оборот, она пройдет полностью длину окружности фрикционной дорожки 3 соответствующего диаметра D1. Фрикционная кромка 26, имея меньшую протяженность окружности диаметра D2, вынуждена будет повернуться в противоположную сторону на некоторый угол относительно неподвижной дорожки, что и вызывает повороты выходной оси 20 вариатора.
Частота ω2 вращения выходного вала с достаточной точностью определяется зависимостью
ω2= (D2-D1)·ω1/D1= -ω1·ΔD/D1,
где ΔD - разность диаметров кромки D2 и дорожки D1, имеющая отрицательный знак, т.е. выходной вал вращается в противоположную сторону вращения ω1 входного вала 6.
Передаточное число вариатора определится выражением
i = D1/(D2-D1)= -D1/(D1-D2) = -D1/ΔD.
Так, если D1= 60 мм, а ΔD = 0,01 мм, то i=6000, а при ΔD =1 мм передаточное число уменьшается в 100 раз, т.е. до величины i= -60, что является весьма значимым.
Для случая (фиг. 3), когда фрикционная дорожка 3 выполнена на внутренней поверхности жесткого фрикционного кольца 10, имеет большой диаметр D1 и обкатывается по неподвижной фрикционной кромке 26 с диаметром D2, вращение ω2 выходного вала совпадает с направлением вращения входного вала ω1, а приведенное соотношение сохраняет свою форму.
Жесткое ферромагнитное кольцо 10 посредством конического кольца 25 с фрикционной кромкой 26 и торсиона 38 неподвижно связано с основанием (фиг. 5). А фрикционная дорожка 3 выполнена внутри подвижного кольца 11, связанного с выходным валом. Под действием момента сил отталкивания Fот и притяжения Fпр ферромагнитное кольцо 10 окажется повернутым относительно горизонтальной оси и посредством фрикционной кромки 26, выполненной на периферийной части конического кольца 25, контактирует с фрикционной дорожкой 3. При вращении модулятора ферромагнитное кольцо 10 совершает волновые движения, обкатываясь по дорожке 3, диаметр D1 и протяженность окружности которого окажется меньше по отношению размеров кромки с диаметром D2, поэтому относительные повороты дорожки и выходного вала будут проходить в противоположном направлении с частотой ω2, определяемой выражением
ω2= -ω1·ΔD/D1;
i = -D1/ΔD.
Величину силы контактирования (прижатия) при необходимости можно увеличить путем повышения магнитомягкой массы подвижного кольца 11, что обеспечивает высокий предельный нагрузочный момент на выходном валу.
Как и в обычных редукторах, момент M2 на выходном валу 20 вызывает на входном валу 6 нагрузочный момент, значительно меньший
M1= M2/i·η,
где η - коэффициент полезного действия.
Так как потери на трение в подшипниках подвески жесткого ферромагнитного кольца 10 оказываются малыми, а также при не- больших потерях на магнитный гистерезис, вихревые токи и повороты доменов, то коэффициент полезного действия удается увеличить до 0,85, что для малых габаритов устройства является вполне приемлемым.
Значимой представляется нагрузка на входном валу 6 за счет механической (статической и динамической) и магнитной несбалансированности модулятора. Снижение последней обеспечивается регулировкой положения неподвижного постоянного магнита, например, 24 (фиг.1) или 33 (фиг.4 и 5). При магнитной балансировке необходимо обеспечить минимальную нагрузку на модулятор для случая, когда жесткое ферромагнитное кольцо 10 своей кромкой 26 опирается на фрикционную дорожку 3 некоторого начального (среднего) диаметра D1H, так как это положение и должно быть для башмаков исходным уравновешенным состоянием. При изменении в процессе работы условий и диаметра дорожки на величину ± ΔDн, возникнет относительно небольшая сила ± ΔP, нагружающая модулятор (фиг. 6).
Как было отмечено ранее, под действием сил отталкивания Fот и притяжения Fпр, создается момент сил относительно точки подвеса
M1L1(Fот+Fпр),
где L1- плечо действия сил, которое уравновешивается моментом силы R реакции контактирования кромки 26 и дорожки 3
R=L1(Fот+Fпр)/L2,
где L2 - плечо.
Предполагая, что контактирование проходит без скольжения, получим величину предельного нагрузочного момента Мпр на выходном валу 20:
Mпр= D2·R·μ/2,
где μ - коэффициент трения покоя ( μ < 0,6 - 0,75).
Для обеспечения работы бытовых счетчиков газа, тепла, питьевой и горячей воды необходимо учитывать изменение абсолютного давления и температуру газа, разницу температуры входящей и выходящей воды батарей, температуру горячей и питьевой воды. Эти параметры или их изменения различными механическими устройствами (манометрическая коробка, полая пружина, жидкостной термометр, биметалл и т.п.) преобразуются в перемещения h1 и h2 (фиг. 1 и 4), которые вызывают изменение диаметра D1 окружности фрикционной дорожки и передаточного числа вариатора, что позволяет осуществлять необходимые функциональные преобразования, коррекцию методических и инструментальных погрешностей, градуировку приборов, повысить точность и надежность работы.
Формула изобретения: 1. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации колеса, связанный с входным валом, и коническое колесо, выполненное с возможностью осевого перемещения, отличающийся тем, что колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде жесткого ферромагнитного кольца и снабженного коническим кольцом с фрикционной кромкой, контактирующей с фрикционной дорожкой неподвижного в тангенциальном направлении кольца-колеса, образуя пару качения, генератор волновой деформации магнитного поля выполнен в виде кольцевого модулятора, содержащего ферромагнитные башмаки, соединенные посредством кольца-диска с входным валом и размещенные в кольцевом магнитном зазоре, образованном постоянными магнитами с внутренним и внешним кольцевыми полюсными наконечниками, магнитопроводами и жестким ферромагнитным кольцом, а снаружи на основании вариатора закреплен магнитомягкий экран.
2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что в кольцевом магнитом зазоре между жестким ферромагнитным кольцом и ферромагнитными башмаками модулятора размещена перегородка, закрепленная на основании и при необходимости снабженная кольцевой полкой, соединяющей ее с внутренним кольцевым магнитом (полюсным наконечником), образуя герметичную разделительную стенку между полостями, в которых размещены входной и выходной валы.
3. Вариатор по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что неподвижное кольцо-колесо с фрикционной дорожкой закреплено с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы относительно установочной кольцевой платформы, соединенной с основанием, а поверхность фрикционной дорожки выполнена профилированной, в частном случае - конической, при этом касательная к профилю дорожки в точке контактирования и образующая конического кольца с фрикционной кромкой составляют угол, близкий к прямому.
4. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации колеса, связанный с входным валом, и коническое колесо, выполненное с возможностью осевого перемещения, отличающийся тем, что колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде жесткого ферромагнитного кольца, внутри которого образована фрикционная дорожка или фрикционная кромка, контактирующая с фрикционной кромкой или фрикционной дорожкой, выполненными на внешней поверхности кольцевой части перегородки герметичной разделительной стенки между полостями, в которых размещены входной и выходной валы, и образующими пару качения, генератор волновой деформации магнитного поля выполнен в виде кольцевого модулятора, содержащего ферромагнитные башмаки, соединенные посредством кольца-диска с входным валом и размещенные в кольцевом магнитном зазоре, образованном постоянными магнитами с внутренним и внешним кольцевыми полюсными наконечниками, магнитопроводами и жестким ферромагнитным кольцом, а снаружи на основании вариатора закреплен магнитомягкий экран.
5. Вариатор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что ферромагнитные башмаки кольцевого модулятора и жесткое ферромагнитное кольцо выполнены из магнитомягкого материала.
6. Вариатор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что ферромагнитные башмаки кольцевого модулятора и/или жесткое ферромагнитное кольцо выполнены в виде постоянных магнитов.
7. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации колеса, связанный с входным валом, и коническое колесо, выполненное с возможностью осевого перемещения, отличающийся тем, что колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде плоского жесткого ферромагнитного кольца, намагниченного в осевом направлении встречно неподвижному кольцевому магниту, установленному на основании посредством кронштейна с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы в полости, в которой находится входной вал, рабочий магнитный зазор и связанный с входным валом кольцевой модулятор, ферромагнитные башмаки которого выполнены в виде двух плоских ферромагнитных полуколец, закрепленных на диамагнитном кольце-диске с двух сторон, а жесткое ферромагнитное кольцо содержит коническое кольцо с фрикционной кромкой, контактирующей с фрикционной дорожкой неподвижного в тангенциальном направлении кольца-колеса, установленного на основании с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы.
8. Вариатор по одному из пп.1 - 3, 5, 7, отличающийся тем, что стойка с цапфой упорно-опорного подшипника жесткого ферромагнитного кольца установлена на подвижном жестком центре манометрической коробки, неподвижный жесткий центр которой закреплен на основании, а неподвижное кольцо-колесо с фрикционной дорожкой соединено с установочным кольцом-платформой, которая закреплена на кромке деформационного преобразователя давления, температуры или объема жидкости, выполненного в виде тороидальной, согнутой по дуге в радиальном направлении, полой пружины, другая кромка которой соединена с основанием.
9. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации колеса, связанный с входным валом, и коническое колесо, выполненное с возможностью осевого перемещения, отличающийся тем, что колесо, связанное с выходным валом и установленное на упорно-опорном подшипнике, выполнено с возможностью перемещения вдоль оси вращения в виде кольца-колеса с профилированной фрикционной дорожкой, контактирующей с фрикционной кромкой, связанной с колесом, закрепленным посредством упругого диска и торсиона на основании и выполненным в виде плоского жесткого ферромагнитного кольца, намагниченного в осевом направлении встречно неподвижному кольцевому магниту, установленному на основании посредством кронштейна с возможностью регулировки его положения по пяти степеням свободы в полости, в которой находится входной вал, рабочий магнитный зазор и связанный с входным валом кольцевой модулятор, ферромагнитные башмаки которого выполнены в виде двух плоских ферромагнитных полуколец, закрепленных на диамагнитном кольце-диске с двух сторон, при этом торсион выполнен заодно со ступицей крепления и арматурой крепления жесткого ферромагнитного колеса, которая содержит фрикционную кромку, и связан подшипниками с входным и выходным валами.
10. Вариатор по п.9, отличающийся тем, что кольцо с фрикционной дорожкой установлено посредством биметаллических спиц на ступице выходной оси, на которой закреплена газонаполненная или вакуумированная манометрическая коробка, на жестком центре которой установлен подшипник скольжения, связывающий его с торсионом.