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 ob
racającej 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 przy
padającego 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 su
marycznej 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 roz
działu
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.