Źródło: "Mosty Napedowe" - doc. dr hab. inż. Zbigniew Jaśkiewicz

Wydawnictwo Komunikacji i Łącznści, Warszawa 1977

Kodowanie - Central Europe (Windows - 1250)

Z góry przepraszam za słabo zeskanowane rysunki.

Mechanizmy różnicowe krzywkowe, dwurzędowe

Opis i zasada działania konstrukcji

Zgodnie z rysunkami 3.75 - 3.77 element napędzający w postaci kosza zawiera dwa pierścienie popychaczy klinowych, poruszających się w czasie ślizgania w kierunku promieniowym. Jeden pierścień liczy dwanaście popychaczy rozmieszczonych co 30stopni. Kosz pozwala na ograniczone poruszanie się popychaczy w pewnym zakresie równolegle do osi symetrii i uniemożliwia ich obrót tak, że klinowe krawędzie pozostają równoległe do osi garbów krzywki. Popychacze klinowe większej średnicy nominalnej (równej 1in) są tak ukształtowane, że wewnętrzny ich zarys różni się od zewnętrznego w celu zapienienia poprawnego styku z krzywką.

W przypadku mniejszych popychaczy (o średnicy nominalnej 11/16 in) można uzyskać dostateczny styk przy identycznych zarysach z obu stron. Drugi pierścień dwunastu popychaczy jest identyczny. Różnica polega jedynie na obróceniu go w przestrzeni o 15° w stosunku do pierścienia pierwszego. Oba człony napędzane są współosiowymi krzywkami (są to człony zewnętrzne i wewnętrzne) o zarysie cylindrycznym i tej samej liczbie garbów. Przy ustawieniu podstawowym między nimi powstaje szczelina o równej szerokości, jeśli mierzyć ją po promieniu (rys. 3.76a). Dwie powierzchnie popychacza i ich rozmieszczenie tworzą odcinek

3.75. Schemat mechanizmu różnicowego krzywkowego dwurzędowego wg [36]l — obudowa (kosz), 2 — krzywka wewnętrzna dla lewego koła, 3 — krzywka zewnętrzna dla prawego koła, 4 — stożkowa przekładnia główna

spirali Archimedesa, co zapewnia stałe przesunięcie w ruchu po promieniu przy równych przesunięciach kątowych; jednak odcinki te muszą tworzyć garby, aby można było uzyskać ciągłe powtarzanie się procesu współpracy krzywki z popychaczem. Przy symetrycznym rozmieszczeniu garbów każdy z napędzających popychaczy będzie znajdował się na odpowiadającym mu garbie i wgłębieniu krzywki (rys. 3.76a). Na rysunku 3.76b pokazano zmianę szczeliny między krzywkami w części leżącej na prawo od pionowej osi symetrii na przestrzeni jednego radiana, obejmującej garb C krzywki wewnętrznej, który obrócił się o 30°. Początkowo szczelina między krzywkami równa wysokości popychacza zwęża się w kierunku na prawo w wyniku zbliżenia się krzywki zewnętrznej (w ruchu względnym) i powiększa się w kierunku na lewo w wyniku przesunięcia się krzywki wewnętrznej. Malenie i przyrost szerokości  szczeliny odbywa się równocześnie przy pokonywaniu kolejnych odcinków drogi  kątowej. W wyniku tego bez względu na wielkość kąta, o którą garb C krzywki wewnętrznej obróci się w prawo od wgłębienia E krzywki zewnętrznej, popychacz swoim położeniem musi dzielić ten kąt na połowy.Jedno jest tylko położenie, w którym wysokość szczeliny jest równa wysokości popychacza. W trakcie działania popychacze są w styku z obiema krzywkami przez cały czas i nacisk dośrodkowy popychacza A wzdłuż jego osi, powstały na skutek obrotu krzywki zewnętrznej, powoduje obrót krzywki wewnętrznej w sto­sunku do kosza w kierunku przeciwnym w miarę jak popychacz A ślizga się w dół po lewym boku garbu C. Odpowiednio odwrotna sytuacja powstaje dla popychacza B i w przypadku innych par popychaczy na całym obwodzie, co powoduje zajęcie odpowiedniego położenia w stosunku do kosza napędzającego w obu kierunkach. Z opisanego przebiegu działania wynika, że przy zatrzymanej krzywce zewnętrznej, napędzający pierścień kosza wraz z popychaczami zawsze obraca się o połowę kąta w tym samym kierunku, co krzywka wewnętrzna. Ruch obrotowy przebiega identycznie jak w konwencjonalnym mechanizmie różnicowym z kołami zębatymi. Rys. 3.76. Wycinek mechanizmu różnicowego z pokazaniem zarysu krzywki wewnętrznej wg [36]

a — podstawowe ustawienie krzywek, b — krzywka wewnętrzna przesunięta o 30° w prawo (zgodnie z kierunkiem obrotu wskazówek zegara) w stosunku do położenia na schemacie a.

Ruch popychaczy wzdłuż ich osi, powodujący ruch jednej krzywki, wywołuje równy  ruch w kierunku przeciwnym drugiej krzywki, w stosunku do kosza popychaczy Krzywkowy mechanizm różnicowy tego typu jest urządzeniem o ustalonym łożeniu w sposób równie precyzyjny jak konwencjonalny mechanizm różnicowy z kołami zębatymi, przy czym efekt jego działania jest także identyczny. Warunki równego podziału momentu (w stosunku 1/2 :1/2) jest równa liczba garbów w krzywce wewnętrznej i zewnętrznej. Teoretycznie jest rzeczą możliwą osiągnąć nierówny  podział momentu wejściowego, przyjmując nierówne liczby garbów dla krzywki zewnętrznej i wewnętrznej. Przykładowo podwajając liczbę garbów dla jednej z krzywek można uzyskać podział momentu wejściowego przy zachowaniu proporcji 1..3;2.3 nie  uwzględniając wpływu tarcia wewnętrznego.

Charakterystyczną i oczywistą cechą tego mechanizmu jest to, że popychacz w swoim ruchu po skończonej długości pochyłości znajduje się w ruchu posuwisto-zwrotnym Zmiana kierunku ruchu następuje co każde 30° przesunięcia popychacza w stosunku do krzywki, gdyż na przemian co 30° rozmieszczone są garby i wgłębienia. Moment zmiany kierunku ruchu dla wszystkich popychaczy jednego pierścienia pokazano na rysunku 3.76a, na którym wszystkie popychacze znajdują się na garbach krzywek lub we wgłębieniach, a obie krzywki zewnętrzne i wewnętrzne są ustawione wobec siebie w położeniu symetrycznym. W takim położeniu zwrotnym wszystkie popychacze jednego pierścienia przestają napędzać krzywki. Problem ten rozwiązano dzieląc wewnętrzną krzywkę na dwie części krzywkowe, leżące obok siebie i nacięte na wspólnej piaście oraz obracając drugą część krzywkową względem pierwszej o 30stopni.

Drugi pierścień dwunastu popychaczy działa na drugą krzywkę wewnętrzną, a oba pierścienie działają na krzywkę zewnętrzną, w której nie zastosowano podziału na dwie  części, jak w przypadku krzywki wewnętrznej (rys. 3.77). Ponieważ cały cykl ruchu jednego popychacza, od jednego garbu do drugiego obejmuje kąt 60°, przesunięcie o 30° drugiego pierścienia popychaczy zawsze zapewnia, że będzie on w położeniu przeciwnym do pierwszego pierścienia popychaczy, co z kolei zapewnia ciągłośc przenoszenia napędu. Także w czasie działania różnicującego naciski popychaczy na ciągle zmieniające się pochylenie krzywki powodują ciągle zmienny moment działający na krzywkę. Natomiast drugi pierścień popychaczy przesunięty fazie przychodzi z pomocą i likwiduje zmienność przykładanego momentu ze strony jednego pierścienia. W wyniku tego uzyskuje się ciągły odbiór momentu. Z tych dwóch powodów w urządzeniu tym jest rzeczą konieczną, aby były co najmniej dwa przesunięte w fazie pierścienie popychaczy.

Działanie  krzywkowego mechanizmu różnicowego

  Zgodnie z rysunkiem 3.78 jedna z dwóch par elementów krzywkowych znajduje się w typowym położeniu, gdy krzywki są niesymetrycznie przesunięte przez cały czas. Przy danym kierunku obrotu sześć z dwunastu popychaczy w każdym pierścieniu jest wciskanych w zwężającą się część szczeliny między krzywkami, co powoduje ruch elementu krzywkowego. Jeśli pojazd jedzie do tyłu pozostałe sześć popychaczy w każdym pierścieniu przesuwa się w ten sam sposób w kierunku przeciwnym szczeliny międzykrzywkowej. Dla kierunku obrotu przeciwnego do ruchu wskazówek zegara siła napędzająca F na popychaczu jest skierowana normalnie do każdego z punktów styku B i E z powierzchnią krzywki. Ze strony krzywki zewnętrznej oddziałuje reakcja Fne, a ze strony krzywki wewnętrznej reakcja Fni. Składowe obwodowe tych sił nazwano Fte dla krzywki zewnętrznej i Fti dla krzywki wewnętrznej. 

Byś. 3.78 Typowe położenia krzywek w mechanizmie różnicowym krzywkowym, gdy nie występuje działanie różnicujące (jednakowe momenty na wyjściach) wg [36]


Ponieważ pochylenie krzywki zewnętrznej jest zawsze mniejsze, można zauważyć że siła obwodowa na krzywce zewnętrznej jest zawsze mniejsza niż na krzywce wewnętrznej. Różnica ta jest kompensowana samoczynnie dzięki temu, że ramię siły dla krzywki zewnętrznej O E (zwane dalej re) jest dłuższe niż ramię siły dla krzywki wewnętrznej OB (zwane dalej ri) w takiej samej proporcji. Sytuacja taka   trwa ciągle bez względu na przesunięcie krzywek wobec siebie. Z tego powodu,  jeżeli pominie się tarcie wewnętrzne, zawsze równy moment jest przykładany do krzywki wewnętrznej i zewnętrznej, mimo że sytuacja na pierwszy rzut oka wydaje się być odwrotna. Potwierdzenie tego faktu pokazano w zamieszczonych dalej obliczeniach (równania 3.86-3.97). Na rysunku 3.78 przedstawiono mechanizm różnicowy w warunkach normalnego przekazywania momentu, gdy nie występuje działanie różnicujące i gdy jednakowe momenty są przykładane na wyjściach. Na rysunku 3.79a pokazano kierunek przeciwstawnych sił tarcia działających od krzywek na popychacz, gdy występuje różnicowanie prędkości przy „wolniej ob­racającej się krzywce zewnętrznej" (gdy wolniej obraca się krzywka wewnętrzna, to zwroty strzałek będą przeciwne). Ponieważ już wcześniej udowodniono, że elementy mechanizmu różnicowego obracają się w sposób normalny (to znaczy przy zatrzy­manym elemencie napędzającym obie krzywki obracają się w kierunkach przeciw­nych względem siebie), zatem w sytuacji działania różnicującego, jak na rysunki) 3.79a, tarcie od krzywki zewnętrznej przeciwstawia się ruchowi kamienia, co wpływa na wzrost momentu na krzywce zewnętrznej. Działanie tarcia od krzywki wewnętrz­nej jest zgodne z ruchem popychaczy, co wpływa na zmniejszenie momentu przy­padającego na krzywkę wewnętrzną. Na rysunku 3.79b przedstawiono oddziaływanie tarcia wewnętrznego w postaci wektorów. Trójkąty narysowane linią przerywaną ukazują wektory sił dla sytuacji, gdy nie występuje działanie różnicujące, pokazane na rysunku 3.78 i gdy momenty wyjściowe na krzywce zewnętrznej i wewnętrznej są sobie równe. Trójkąty oznaczone linią ciągłą pokazują zmianę wektorów, gdy do siły obwodowej Fte, między E i G zostanie dodany wektor siły tarcia Ffe między ,G i H. Podobnie siła tarcia krzywki wewnętrznej, wektor Ffi między C i D, jest odejmowana od wektora siły obwodowej Fti, między B i D. Ponieważ ramiona

sił ri, między O i B oraz re, między O i E, są nadal względem siebie nierówne w tej samej proporcji, jest oczywiste, że dodanie i odjęcie siły tarcia powoduje powiększenie momentu dla krzywki zewnętrznej i odpowiednie zmniejszenie dla krzywki wewnętrznej. Jest to właśnie działanie, które powoduje rozdział momentu w mechanizmie różnicowym, w wyniku czego można uzyskać wymagane powiększenie momentu na kole obracającym się wolniej lub o większym współczynniku przyczepności  (w przypadku ruchu na śliskiej powierzchni) i powiększenie w ten sposób sumarycznej siły napędowej.Z rysunku 3.79b można zauważyć, że wielkość rozdziału momentu w wyniku tarcia wewnętrznego jest proporcjonalna do wektorów Ffe i Ff,, które z kolei są proporcjonalne do sił promieniowych Fre i Fri, znajdujących się w proporcji do sił normalnych  Fne i Fri-Siły normalne zależą z kolei od pochylenia garbu krzywki. Stąd widać, a zmniejszając pochylenie garbu można uzyskać powiększenie współczynnika rozdziału momentów obrotowych.Interesującą cechą konstrukcji jest to, że moment od sił tarcia na krzywce zewnętrznej jest zawsze większy niż na krzywce wewnętrznej. Wynika to stąd, że obwodów siły tarcia Ffe i Ffz dla obu krzywek są takie same dla jednego popychacza (przy założeniu takiego samego współczynnika tarcia), lecz ramiona działania sił re i ri, są zawsze inne. Ponieważ większe ramię jest dla krzywki zewnętrznej, to jej moment od sił tarcia jest większy. Ta różnica jest powodem istnienia interesującej właściwości działania polegającej na tym, że występują dwa odmienne współczynniki rozdziału momentów obrotowych dla dwóch sposobów działania różnicującego W czasie rozdziału momentu obrotowego momenty od sił tarcia są odpowiednio do­dawane dla jednej krzywki i odejmowane dla drugiej przy jednym sposobie dzia­łania różnicującego oraz przeciwnie — odejmowane dla jednej i dodawane dla drugie w przypadku przeciwnego sposobu działania (przeciwnego ruchu elementów krzyw­kowych mechanizmu).>W wyniku nie uzyskuje się takiej samej wartości współczynnika rozdziału momentów dla obu przypadków działania różnicującego. Gdy „wolniej obraca się krzywią zewnętrzna", współczynnik rozdziału momentów obrotowych wynosi średnio około 2 natomiast „gdy wolniej obraca się krzywka wewnętrzna" współczynnik rozdziali momentów obrotowych wynosi średnio około 3. Matematyczne uzasadnienie te różnicy podano w obliczeniach (równania 3.106-3.109).>Zgodnie z rysunkiem 3.796 tylko wówczas współczynniki rozdziału momentów obrotowych są równe, gdy siła obwodowa oporu tarcia Ffe krzywki zewnętrznej będzie mniejsza niż siła obwodowa oporu tarcia Ffi dla krzywki wewnętrznej tak, aby równe były momenty od obu sił tarcia. W przedstawionej konstrukcji sytuacja taki nie występuje, chociaż z drugiej strony panuje przekonanie, że ta wada zostaje zniwelowana przez zaletę wynikającą z faktu znoszenia się sił działających na krzyw­ki oraz wyjątkową zwartość całej konstrukcji.