Магнитоволновой фрикционный вариатор (варианты)

 

Магнитоволновой фрикционный вариатор предназначен для передачи вращения через герметичную стенку, разделяющую разнородные среды с различными давлениями, а также редуцирования и функционального преобразования путем перемножения частоты вращения на определенные параметры. Слабоупругое кольцо-лента с магнитомягкими башмачками размещено посредством ленточек-подвесок совместно с магнитомягкими башмаками кольцевого магнитопровода-модулятора, соединенного с входным валом, и дамагнитным кольцом в кольцевом рабочем магнитном зазоре, образованном неподвижным постоянным магнитом с полюсными наконечниками и кольцевым магнитопроводом- экраном с внутренней профилированной фрикционной дорожкой, соединенным с выходным валом. За счет радиальных магнитных сил слабоупругое кольцо с башмаками выполнено с возможностью контактирования внешних фрикционных кромок с внутренней фрикционной дорожкой магнитопровода-экрана и поворота выходного вала при вращении входного вала. При закреплении магнитопровода-экрана на основании с возможностью осевого перемещения и соединении слабоупругого кольца-ленты с выходным валом башмаки, перекатываясь своими фрикционными кромками по фрикционной дорожке, поворачивают слабоупругое кольцо-ленту при вращении входного вала за счет неравенства периметров дорожки и суммарной длины дуг фрикционных кромок башмачков. Вариатор обеспечивает высокую помехозащищенность, простоту изготовления, надежность и точность, малые габариты и широкие возможности функции измерительного преобразования. 4 с. и 7 з.п.ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для передачи вращения вала при весьма малой его нагрузке через герметичную стенку, разделяющую разнородные среды с различным давлением, а также для редуцирования и функционального преобразования путем перемножения частоты вращения на заданный параметр (перемещение). К примеру, такая задача возникает при создании систем дистанционного управления, роботов, манипуляторов, а также расходомеров, счетчиков газа, воды, тепла, топлива, окислителя.

Для передачи вращения вала через герметичную стенку, разделяющую разнородные среды, 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), представляющие большую 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 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.

Волновой фрикционный вариатор по авт.св. СССР N 178631, кл. 47h,8 (F06h) автор И. К. Мельниченко содержит входной и выходной валы, гибкое колесо, связанное с выходным валом, генератор волновой деформации гибкого 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 диаметрально противоположную сторону к жесткому коническому колесу, которое для изменения передаточного числа перемещается вдоль оси вращения.

Несмотря на простоту и малые габариты, такому вариатору 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 вариатор, который обеспечивает высокую помехозащищенность, исчезающе малую и неизменную нагрузку на входном валу, относительную простоту изготовления, надежность и точность, малые габариты и широкие возможности функции измерительного преобразования.

В предлагаемом устройстве гибкое колесо выполнено в виде слабоупругого кольца-ленты, содержащего наружные магнитомягкие башмачки и соединенного с выходным валом, например посредством ленточек-подвесок, генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты выполнен в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и соединенного с входным валом, при этом слабоупругое кольцо-лента и башмаки магнитопровода-модулятора размещены в кольцевом рабочем магнитном зазоре, образованном цилиндрическим неподвижным постоянным магнитом, содержащим внешний и внутренний кольцевые полюсные наконечники, а также жестким коническим колесом, выполненным в виде кольцевого магнитопровода-экрана с внутренней фрикционной дорожкой и закрепленным на основании с возможностью осевого перемещения, при этом подвеска слабоупругого кольца-ленты на выходном валу размещена в магнитном зазоре, образованном внешним полюсным наконечником и магнитопроводом-экраном, а магнитомягкие башмачки слабоупругого кольца-ленты выполнены с возможностью их контактирования за счет радиальных магнитных сил и жесткости вдоль кольца-ленты своими внешними фрикционными кромками с внутренней фрикционной дорожкой магнитопровода-экрана и при вращении входного вала, перекатываясь по ней, вращают кольцо-ленту за счет большей протяженности-периметра дорожки по отношению к суммарной длине дуг фрикционных кромок с учетом зазоров между башмачками.

Однако при большой частоте вращения кольца-ленты с башмачками центробежные силы нарушают равномерное перекатывание башмачков, что вызывает заметное скольжение, снижает точность и надежность работы вариатора. Для расширения диапазона изменения частоты вращения, повышения точности и надежности слабоупругое кольцо-лента с башмачками, например, посредством диагональных ленточек-подвесок, закреплено на основании или на наружном полюсном наконечнике с возможностью осевого перемещения, а кольцевой магнитопровод-экран соединен посредством спиц и ступицы с выходным валом.

Вращающиеся башмаки магнитопровода-модуля вызывают возмущение среды, которое влияет на работу кольца-ленты, расположенных друг относительно друга на малом расстоянии, кроме того, при попадании между ними твердых включений возможно заклинивание или касание башмаков и кольца-ленты. Для предотвращения этих нарушений в работе между башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой установлено и закреплено на основании защитное диамагнитное кольцо. Упомянутое защитное диамагнитное кольцо позволяет, в случае необходимости, уменьшить габариты устройства, в том числе уменьшить размеры постоянного магнита и упростить изготовление устройства. В данном варианте гибкое колесо выполнено в виде слабоупругого кольца-ленты с внутренними магнитомягкими башмачками и соединено с выходным валом, а генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты выполнен в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и соединенного с входным валом, жесткое коническое колесо выполнено в виде диамагнитного кольца с внешней фрикционной дорожкой, закрепленного на основании с возможностью осевого перемещения между башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой в кольцевом рабочем магнитном зазоре, образованном неподвижным постоянным магнитом с внешним и внутренним кольцевыми полюсными наконечниками и кольцевым магнитопроводом-экраном, при этом ленточки-подвески слабоупругого кольца-ленты, связывающие его с выходным валом, размещены в магнитном зазоре между магнитопроводом-экраном и внешним полюсным наконечником, а магнитомягкие башмачки выполнены с возможностью их контактирования (прижатия) за счет радиальных магнитных сил своими внутренними фрикционными кромками в двух диаметрально расположенных точках с внешней фрикционной дорожкой диамагнитного кольца и при вращении входного вала, перекатываясь без заметного скольжения по ней, поворачивают слабоупругое кольцо-ленту за счет меньшей протяженности-периметра дорожки по отношению к суммарной длине дуг фрикционных кромок с учетом зазоров между башмаками.

Для ограничения размеров постоянного магнита и увеличения магнитного потока в рабочем магнитном зазоре, обеспечивающего надежное контактирование фрикционных кромок башмачков с фрикционными дорожками, диамагнитное кольцо выполнено из композиционного материала, включающего магнитомягкие присадки, например порошок технически чистого железа, или снабжено магнитомягкими радиально армированными ламелями из листового железа или мягнитомягкими стержнями, повышающими магнитную проводимость диамагнитного кольца в радиальном направлении.

В некоторых случаях желательно обеспечить передачу вращения входного вала на два выходных вала с различными передаточными числами. С этой целью в магнитоволновом фрикционном вариаторе гибкое колесо выполнено в виде слабоупругого кольца-ленты с наружными и внутренними магнитомягкими башмачками, соединенного с выходным валом, генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты выполнен в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящегно из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и соединенного с входным валом, жесткое коническое колесо выполнено в виде магнитопровода-экрана с внутренней фрикционной дорожкой, диамагнитное кольцо содержит внешнюю фрикционную дорожку и закреплено на основании с возможностью осевого перемещения между башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой в кольцевом рабочем магнитном зазоре, образованном неподвижным постоянным магнитом с внешним и внутренним кольцевым полюсными наконечниками и кольцевым магнитопроводом-экраном, соединенным с дополнительным выходным валом, установленным соосно выходному валу, а слабоупругое кольцо-лента с наружными и внутренними башмачками выполнено с возможностью контактирования (прижатия) за счет радиальных магнитных сил внешних и внутренних фрикционных кромок башмачков соответственно с внутренней и внешней фрикционными дорожками магнитопровода-экрана и диамагнитного кольца и при вращении входного вала, перекатываясь по упомянутым дорожкам, вращать оба выходных вала с различной частотой.

Предлагается более простой конструктивный вариант магнитоволнового фрикционного вариатора, у которого генератор волновой деформации гибкого колеса выполнен в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и соединенного с входным валом, жесткое коническое колесо выполнено в виде кольцевого магнитопровода-экрана с внутренней фрикционной дорожкой, соединенного с выходным валом с возможностью осевого перемещения, гибкое колесо выполнено в виде слабоупругого кольца-ленты с наружными и внутренними магнитомягкими башмачками и совместно с магнитомягкими башмаками кольцевого магнитопровода-модулятора, а также с диамагнитным кольцом с внешней фрикционной дорожкой в направляющей кольцевого паза, выполненным с возможностью осевого перемещения, размещенного в кольцевом рабочем магнитном зазоре, образованном неподвижным постоянным магнитом с внешним и внутренним кольцевыми полюсными наконечниками и магнитопроводом-экраном, при этом слабоупругое кольцо-лента с наружными и внутренними башмачками выполнено с возможностью контактирования (прижатия) за счет радиальных магнитных сил внешних и внутренних фрикционных кромок башмачков соответственно с внутренней и внешней фрикционными дорожками магнитопровода-экрана диамагнитного кольца, а при вращении входного вала за счет неравенства длин окружностей (диаметров) фрикционных дорожек и кромок башмачков слабоупругого кольца-ленты поворачивать магнитопровод-экран и выходной вал.

Для повышения технологичности при массовом производстве слабоупругое кольцо-лента с магнитомягкими башмачками изготовлено из композиционного полимерного материала, содержащего включения порошка технически чистого железа в виде сплошного магнитомягкого слабоупругого кольца овального сечения с внешней и (или) внутренней непрерывными фрикционными кромками.

Для герметичного разделения полостей, например, с разнородными средами и (или) различными давлениями, в которых размещены соответственно входной и выходной валы, диамагнитное кольцо снабжено кольцевой полкой, герметично соединяющей его с внутренним полюсным наконечником, образующими герметичную разделительную стенку.

Для изменения передаточного числа вариатора, в частности реализации функции умножения частоты вращения вала на изменение определенных параметров, например температуры, давления, влажности, фрикционные дорожки вдоль образующей выполнены профилированными, в частности коническими, а магнитопровод-экран и (или) подвеска слабоупругого кольца-ленты выполнены в виде элементов, преобразующих изменение упомянутых параметров в изменение размеров и (или) относительных осевых перемещений слабоупругого кольца-ленты и фрикционных дорожек.

Для умножения частоты вращения вала на разность (сумму) определенных параметров или их изменений, преобразованных в электрический ток, вариатор снабжен неподвижным кольцевым электромагнитом с наружным кольцевым магнитопроводом и магнитными наконечниками, обмотка которого включена в цепь преобразования упомянутых параметров, например в цепь термопар, преобразующую разность температур термоэлектродов в электрический ток, а кольцевой магнитопровод-экран содержит наружные конические участки и используется в качестве подвижного поляризованного якоря электромагнита, связанного с выходным валом или основанием в осевом направлении посредством упругих элементов.

Сущность изобретения раскрывается на фиг. 1-11, где: фиг. 1 - обобщенная схема магнитопровода вариатора; фиг. 2 - разрез АА'А'А фиг. 1; фиг. 3 - схема варианта крепления наружных башмачков слабоупругого кольца-ленты и его ленточек-подвесок; фиг. 4 - разрез слабоупругого кольца-ленты с наружными башмачками и подвеской на ленточках-подвесках; фиг. 5 - вид с внутренней стороны на фрагмент слабоупругого кольца-ленты с наружными башмачками; фиг. 6 - схема варианта крепления внутренних башмачков слабоупругого кольца-ленты; фиг. 7 - разрез слубоупругого кольца-ленты с внутренними башмачками и подвеской на ленточках; фиг. 8 - с внутренней стороны на фрагмент слабоупругого кольца-ленты с внутренними башмачками; фиг. 9 - разрез варианта вариатора со слабоупругим кольцом-лентой с внутренними и наружными башмачками, а также двумя фрикционными дорожками;
фиг. 10 - разрез варианта слабоупругого кольца-ленты с внутренними и наружными башмачками;
фиг. 11 - схема варианта размещения слабоупругого кольца-ленты из полимерного материала в направляющей кольцевого паза с наружной и внутренней фрикционными дорожками.

Здесь; 1 - входной вал вариатора, вращающийся с частотой ₁ , 2 - магнитомягкий башмак кольцевого магнитопровода-модулятора; 3 - разделительная стенка (основание); 4 - слабоупругое кольцо-лента; 5 - внешняя часть рабочего магнитного зазора; 6 - магнитомягкое кольцо с внутренней профилированной дорожкой; 7 - ленточки-подвески слабоупругого кольца-ленты; 8 - кольцевой магнитопровод-экран (подвеска кольца с фрикционной дорожкой, якорь электромагнита); 9 - внешний полюсный наконечник; 10 - спицы подвески магнитопровода-экрана; 11 - дополнительный выходной вал с частотой вращения ₃ ; 12 - профилированная фрикционная дорожка диамагнитного кольца; 13 - профилированная фрикционная дорожка магнитопровода экрана; 14 - диамагнитное кольцо (цилиндрическая часть разделительной стенки); 15 - внутренний полюсный наконечник; 16 - внутренняя часть рабочего магнитного зазора; 17 - выходной вал с частотой вращения ₂ ; 18 - спицы подвески слабоупругого кольца-ленты; 19 - наконечники электромагнита; 20 - кольцевой неподвижный магнитопровод электромагнита; 21 - витки обмотки электромагнита; 22 - неподвижный постоянный магнит; 23 - внешняя фрикционная кромка наружного башмачка; 24 - слабоупругое кольцо-лента; 25 - наружный башмачок; 26 - заклепки; 27 - шайбы-прокладки; 28 - внутренний башмачок; 29 - фрикционная кромка внутреннего башмачка; 30 - внутренняя фрикционная кромка магнитомягкого слабоупругого кольца; 31 - внешняя фрикционная кромка магнитомягкого слабоупругого кольца; 32 - кольцевая полка; a, a, b, b - характерные точки контактирования (прижатия) фрикционных кромок с дорожками или точки гарантийных зазоров между ними; a-a - большая ось овала; b-b - малая ось овала.

На обобщенной схеме (фиг. 1) вариатора представлен ряд элементов, которые в некоторых вариантах устройства могут отсутствовать. Например, дополнительный выходной вал 11, электромагнит с магнитопроводом 20, наконечники 19 электромагнита, витки обмотки 21, внешняя 12 или внутренняя 13 фрикционные дорожки, магнитомягкое кольцо 6, разделительная стенка (основание) 3 с диамагнитным кольцом (цилиндрическая часть стенки) 14.

На фиг. 1 представлены некоторые связи, например связь слабоупругого кольца-ленты 4 с выходным валом 17 или связь магнитопровода-экрана 8 с дополнительным выходным валом 11, которые в ряде вариантов устройства отсутствуют. И в то же время не представлены другие связи, которые однозначно определяются текстовым материалом, например связь кольцевого магнитопровода-экрана 8 с выходным валом 17, или связь слабоупругого кольца-ленты 4 с основанием 3 или внешним полюсным наконечником 9. Также не приведены элементы, преобразующие определенные параметры в относительные перемещения слабоупругого кольца-ленты и фрикционной дорожки или размеры, за счет которых осуществляется функция перемножения вращения входного вала на упомянутые параметры.

На фиг. 11 представлен фрагмент схемы вариатора со слабоупругим кольцом-лентой 4, выполненным из композиционного полимерного материала. Аналогично выглядит и фрагмент схемы вариатора со слабоупругим кольцом-лентой с наружными и внутренними башмачками 25 и 28 (фиг. 9 и 10). Изготовление слабоупругого кольца-ленты с башмачками связано с необходимостью затраты высококвалифицированного ручного труда, поэтому не может быть рекомендовано для серийного производства.

При изготовлении магнитомягкого слабоупругого кольца (фиг. 11) из полимерного материала путем прессования или литья в пресс-форму следует выдерживать соотношения: большая ось овала в сечении кольца должна превышать в два раза малую ось, а фрикционные кромки должны быть выполнены с малой высотой и радиусом округления (порядка 0,5 мм), зависящими от мощности и размеров вариатора. Магнитомягкие присадки, например порошок технически чистого железа, желательно выбирать в виде гранул с размером менее 0,3 мм.

Магнитомягкие башмаки 2 магнитопровода-модулятора могут быть выполнены их технически чистого железа путем точения стакана и последующей фрезерной обработки для формирования двух диаметрально расположенных кольцевых башмаков толщиной более 1,5 мм и протяженностью менее четверти протяженности рабочего магнитного зазора, что определяется конструктивным исполнением диамагнитного кольца 14 и слабоупругого кольца-ленты 4, а также диапазоном изменения частоты вращения входного вала 1.

Магнитомягкие башмачки 25 и 28 (фиг. 3 - 10) выполнены из технически чистого железа в виде колец, которые разрезаны в радиальном направлении, например, на 9 равных частей, а затем каждый из башмаков неподвижно закреплен по образующей его средней линии и образующей кольца-ленты 24 посредством, например, точечной сварки или двух заклепок 26. При этом установленные между башмаками 25 и 28 и кольцом-лентой 24 прокладки-шайбы 27, а также зазоры между соседними башмачками обеспечивают свободное слабоупругое их движение при обкатывании кромок 23 и 29 по фрикционным дорожкам 12 и 13. Фрикционные дорожки и кромки желательно покрыть твердым фрикционным материалом. Радиусы округления кромок выбраны порядка 0,5 мм, что обеспечивает точечное контактирование, позволяющее увеличить удельное давление и предотвратить скольжение башмачков.

Кольцо-лента 24 выполнено из магнитомягкого листового железа толщиной порядка 0,05 мм, нарезанного в виде ленты шириной порядка 2,65 мм, на которой закрепляются башмачки 25, 28 и ленточки-подвески 7 в специальном приспособлении. Затем лента с башмачками на оправке сворачивается в слабоупругое кольцо-ленту 4. Кольцо-лента 24 может быть изготовлено путем точения кольца на оправке, при этом необходимо учитывать увеличение диаметра кольца при установке башмачков путем сварки или клепки. Ленточки-подсветки 7 могут быть простыми или диагональными и выполнены из проволоки или фольги толщиной 0,05 мм. Для удобства сборки и обеспечения устойчивой работы вариатора желательно использовать три или три пары ленточек-подвесок, связанных посредством спиц 18 и ступицы с выходным валом 17. При этом связь осуществлена через магнитный зазор, образованный внешним полюсным наконечником 9 и магнитопроводом-экраном 8.

В других конструктивных вариантах вариатора ленточки-подвески закреплены на кольцевой полке 32, или на основании 3, или на внешнем полюсном наконечнике 9 с возможностью осевого перемещения посредством специальных направляющих и элементов управления передаточным числом. При этом магнитопровод-экран 8 соединяется с выходным валом 17 посредством упругих фигурных спиц и ступицы.

Работа устройства заключается в следующем. Величина радиального магнитного потока вдоль рабочего магнитного зазора 5 зависит от углового положения башмаков 2 магнитопровода-модулятора и при изменении из углового положения соответственно изменяется, что вызывает перераспределение радиальных магнитных сил притяжения башмаков 25. Под действием этих сил слабоупругое кольцо-лента 24, на котором закреплены башмачки 25, деформируется и принимает овалообразную форму, что приводит к уменьшению малой оси вала b-b, а следовательно, к уменьшению зазора и устойчивому повышению сил притяжения части башмачков в радиальном направлении к центру. За счет ощутимой жесткости (в тангенциальном направлении) вдоль слабоупругого кольца-ленты 24 с башмачками 25 большая ось a-a олова кольца-ленты увеличивается, а зазор между фрикционными кромками 23 башмачков и фрикционной дорожкой 13 магнитомягкого кольца 6 уменьшается, что приводит к увеличению растягивающих магнитных сил и устойчивому контактированию (прижатию) фрикционных кромок 23 башмачков 25 с фрикционной дорожкой 13 в двух диаметральных точках a-a и ограничению дальнейшей деформации кольца-ленты 4.

Так как диаметр дуг фрикционных кромок 23 башмачков 25 выбран меньше по отношению к диаметру фрикционной дорожки 13 магнитомягкого кольца 5, то удельное давление сил прижатия в точках a-a оказывается достаточно высоким, поэтому проскальзывание в этих точках практически неощутимо. При этом в точках b-b малой оси овала зазоры обеспечиваются за счет надлежащего выбора периметра и жесткости слабоупругого кольца-ленты 24, а также уменьшения наружного диаметра диамагнитного кольца (цилиндрической части разделительной стенки 14). Поэтому при вращении башмаков 2 магнитопровода-модулятора башмачки 25 перекатываются по фрикционной дорожке 13, поворачивая выходной вал 17 с частотой ₂ в противоположном направлении вращению ₁ входного вала 1.

Если слабоупругое кольцо-лента 24 посредством ленточек-подвесок 7 закреплено на основании относительно оси вращения, то фрикционные кромки 23 башмачков поворачивают выходной вал 11 в направлении вращения входного вала 1 через магнитопровод-экран 8, спицы и ступицу. За один оборот башмаков 2 магнитопровода-модулятора суммарный путь L₁(h) (периметр), пройденный по внутренней фрикционной дорожке 13 кольца 6 точками соприкосновения кромок 23 башмачков 25, можно определить выражением
L₁= D₁+,
где
D₁ - диаметр дуги фрикционных кромок 23 башмачков;
- отклонение суммарного размера зазоров между башмачками 25;
h - относительное перемещение фрикционной дорожки 13 кольца 6 и башмачков 25 вдоль оси вращения.

Упомянутый путь окажется меньше полной окружности L₂(h) = D₂ (h) фрикционной дорожки 13 на величину
L(h) = L₂(h)-L₁= D₂(h)-D₁-,
где
D₂(h) - текущий диаметр фрикционной дорожки 13. За счет этой разницы L(h) кольцо 6 повернется на угол
(h) = 2L(h)/D₂(h).
Следовательно, без учета скольжения передаточное число i₁(h) вариатора можно определить соотношением
i₁(h) = ₁/₃= 2/(h) = D₂(h)/[D₂(h)-D₁-/]. .

Пренебрегая малой величиной / , получим простое приближенное выражение для расчета передаточного числа
i₁(h) = D₂(h) / [D₂(h) - D₁].

Так, если D₂(h) = 30 мм, а D₂(h) - D₁ = 0,1 мм, то получим i₁ = 300. Относительным перемещением h вдоль оси вращения кольца 6 или слабоупругого кольца-ленты 4 можно обеспечить D₂(h) - D₁ = 1,0 мм, тогда получим i₁ = 30 и т. д. Пренебрежение изменением зазоров между соседними башмачками вызывает погрешность, которая имеет систематический характер, поэтому легко корректируется посредством изменения величины перемещения h и соответствующим профилированием фрикционной дорожки 13.

При условии ограничения требований по передаточному числу и диапазону частоты вращения ₁ входного вала 1 вариатор можно упростить, неподвижно закрепив относительно оси вращения магнитомягкое кольцо 6 с магнитопроводом-экраном 8, а выходной вал 17 соединитель посредством ступицы и спиц 18 с ленточками-подвесками 7 слабоупругого кольца-ленты 7 с башмачками 25. Тогда башмачки перекатываются своими фрикционными кромками 23 по неподвижной фрикционной дорожке 13 кольца 6 и поворачивают слабоупругое кольцо-ленту 4 и выходной вал 17 в противоположную сторону вращения ₁ входного вала 1, т.е. передаточное число i₂(h) вариатора определится выражением
i₂(h) = -D₂(h)/[D₂(h) - D₁].

С целью уменьшения габаритов, в том числе уменьшения постоянного магнита, при необходимости обеспечения передаточного числа оборотов более i = 300. . .500 возможен упрощенный вариант изготовления вариатора. При этом наружная поверхность диамагнитного кольца 14 (цилиндрической части разделительной стенки 3) выполнена в виде внешней профилированной фрикционной дорожки 12. С внутренней стороны слабоупругого кольца-ленты (фиг. 6-8) в точках, проходящих по его образующей, посредством заклепок 26 или сварки закреплены шайбы-прокладки 27 и внутренние магнитомягкие башмачки 28 с внутренними фрикционными кромками 29, диаметр D₄ дуг которых превышает диаметр D₃(h) внешней фрикционной дорожки 12. Периметр L₃(h) фрикционной дорожки выбран меньше суммарной длины L₄ дуг фрикционных кромок 29 башмачков с учетом зазоров между ними. Кольцо-лента 24 посредством ленточек-подвесок 7, спиц 18 и ступицы соединено с выходным валом 17, а кольцевой магнитопровод-экран 8 неподвижно закреплен на основании. При этом за счет радиальных магнитных сил, величина которых зависит от углового положения магнитомягких башмаков 2 магнитопровода-модулятора, кольцо-лента 24 деформируется, приобретая овалообразную форму, и внутренние кромки 19 башмачков 28 в двух точках b-b малой оси овала оказываются прижатыми к внешней фрикционной дорожке 12.

При вращении башмаков 2 кольцевого магнитопровода-модулятора с частотой ₁ фрикционные кромки 29 башмаков перекатываются по внешней фрикционной дорожке 12, поворачивая выходной вал 17 с частотой ₂ в направлении вращения входного вала,
₂= ₁[L₄-L₃(h)]/L₄.
Если необходимо обеспечить различные передаточные числа вращения двух выходных валов 11 и 17, тогда используют слабоупругое кольцо-ленту 24 с внутренними и наружными магнитомягкими башмачками 25 и 28 (фиг. 9 и 10), закрепленными на ней посредством шайб-прокладок 27 и закрепок 26. При этом подвижный магнитопровод-экран 8, соединенный посредством спиц 10 и ступицы с дополнительным выходным валом 11, снабжен магнитомягким кольцом 6 с внутренней фрикционной дорожкой 13. Выбором периметра и жесткости кольца-ленты 24, а также диаметров внешней 12 и внутренней 13 фрикционных дорожек и дуг фрикционных кромок внутренних 28 и наружных 25 башмачков за счет радиальных магнитных сил обеспечивается прижатие кромок башмачков в четырех точках a-a и b-b, проходящих по большой и малой оси овала. Положение этих точек зависит от углового положения башмаков 2 кольцевого магнитопровода-модулятора и при его вращении внутренние наружные кромки башмачков перекатываются по обеим фрикционным дорожкам, поворачивая выходные валы 11 и 17 с различной частотой. Выходной вал 17 вращается с частотой ₂ в направлении вращения входного вала 1

А выходной вал 11 вращается с частотой ₃ так как он получает относительное вращение (*) и переносное вращение ₂ , т.е.
В случае использования в качестве гибкого колеса магнитомягкого слабоупругого кольца с внутренними и внешним диаметрами D₄ и D₁ фрикционных кромок 30 и 31, установленного в направляющем кольцевом пазу диамагнитного кольца 14 с диаметром D₃(h) наружной фрикционной дорожки или на ленточках-подвесках 7, кольцевой магнитопровод-экран 8 с диаметром D₂(h) внутренней профилированной фрикционной дорожки 13 вращает выходной вал 17 без учета деформации и скольжения с передаточным отношением.

Большая ценность предлагаемого изобретения состоит, во-первых, в возможности сравнительно просто производить начальную настройку вариатора путем изменения относительного начального положения (h) башмачков и профилированных фрикционных дорожек. Во-вторых, с целью коррекции температурных мультипликативных погрешностей достаточно организовать относительное перемещение h с изменением температуры путем, например, коррекции второго рода, используя для этого биметиллические или дилатометрические элементы. При этом необходимо обеспечить соответствующий профиль фрикционных дорожек. В-третьих, при необходимости реализации функции умножения частоты вращения вала на изменение необходимых параметров, например температуры, давления, влажности, функциональные элементы передачи: башмачки, подвеска, диаметры выполняются в виде узлов, преобразующих изменение упомянутых параметров в соответствующее изменение размеров, диаметров, расстояний посредством материалов с повышенными температурными коэффициентами расширения, давления, влажности, что позволяет производить операцию умножения автоматического изменения передаточного числа.

В-четвертых, в случае простой возможности преобразования необходимых параметров в электрический ток, например, разности температур в ток цепи термопар, устройство снабжается кольцевым (осевым) неподвижным электромагнитным с наружным магнитопроводом 20 и наконечником 19 электромагнита, витки обмотки 21 которого включены в цепь с упомянутым током, а кольцевой магнитопровод-экран 8 одновременно используется в качестве подвижного якоря, частично выполненного с конической поверхностью. Изменение тока в обмотке электромагнита приводит к перемещению поляризованного якоря, а следовательно, к относительному перемещению фрикционной дорожки относительно внешних фрикционных кромок, что изменяет соответственно передаточное число вариатора.

Предлагаемое изобретение позволяет передать вращение вала через герметичную достаточно толстую со сложной конфигурацией стенку, разделяющую разнородные среды с различными давлениями, одновременно реализуя функцию вариации передаточного числа путем перемножения частоты вращения на заданное линейное перемещение. Устройство позволяет существенно повысить точность и надежность, снизить нагрузку на входной вал и различные возмущающие воздействия, повысить магнитную помехозащищенность, обеспечить простоту изготовления, малые габариты и стоимость.

Изобретение рекомендовано к использованию в системах дистанционного управления, а также в турбинных расходомерах-счетчиках жидких или газообразных сред.

Формула изобретения

1. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, неподвижный постоянный магнит с внешним и внутренним полюсными наконечниками, жесткое коническое колесо, выполненное в виде кольцевого магнитопровода-экрана с профилированной внутренней фрикционной дорожкой, образующего совместно с постоянным магнитом кольцевой рабочий магнитный зазор, гибкое колесо, выполненное в виде слабоупругого кольца-ленты с наружными магнитомягкими башмачками, внешние фрикционные кромки которых введены в контакт с внутренней фрикционной дорожкой магнитопровода-экрана, связанный с входным валом генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты, выполненный в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков, размещенных совместно со слабоупругим кольцом в кольцевом рабочем магнитном зазоре.

2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что кольцевой магнитопровод-экран закреплен на основании с возможностью осевого перемещения, а слабоупругое кольцо-лента посредством ленточек-подвесок соединено с возможностью осевого перемещения с выходным валом.

3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что кольцевой магнитопровод-экран соединен с выходным валом с возможностью осевого перемещения, а слабоупругое кольцо-лента закреплено на основании с возможностью осевого перемещения.

4. Вариатор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он снабжен закрепленным на основании диамагнитным кольцом, установленным между магнитомягкими башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой.

5. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, неподвижный постоянный магнит с внешним и внутренним кольцевыми полюсными наконечниками, кольцевой магнитопровод-экран, между которым и внутренним полюсным наконечником образован кольцевой рабочий магнитный зазор, соединенное с выходным валом гибкое колесо, выполненное в виде слабоупругого кольца-ленты с внутренними магнитомягкими башмачками, а связанный с входным валом генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты выполнен в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков, жесткое коническое колесо, выполненное в виде диамагнитного кольца с профилированной внешней фрикционной дорожкой, закрепленного на основании с возможностью осевого перемещения между магнитомягкими башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой в кольцевом рабочем магнитном зазоре с возможностью контакта внутренними фрикционными кромками магнитомягких башмачков слабоупругого кольца-ленты с профилированной внешней фрикционной дорожкой.

6. Вариатор по пп.4 и 5, отличающийся тем, что диамагнитное кольцо для повышения магнитной проводимости в радиальном направлении выполнено из композиционного материала, включающего магнитные присадки, например порошок технически чистого железа, или имеет магнитомягкие радиально армированные ламели, или снабжено магнитомягкими стержнями, установленными вдоль образующей диамагнитного кольца.

7. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, установленный соосно с выходным валом дополнительный выходной вал, неподвижный постоянный магнит с внешним и внутренним кольцевыми полюсными наконечниками, соединенное с дополнительным выходным валом с возможностью осевого перемещения жесткое коническое кольцо, выполненное в виде магнитопровода-экрана с профилированной внутренней фрикционной дорожкой, образующее совместно с неподвижным постоянным магнитом кольцевой рабочий магнитный зазор и связанное с выходным валом гибкое колесо, выполненное в виде слабоупругого кольца-ленты с наружными и внутренними магнитомягкими башмачками, которые внешними и внутренними фрикционными кромками введены в контакт с внутренней и внешней фрикционными дорожками соответственно магнитопровода-экрана и диамагнитного кольца, генератор волновой деформации слабоупругого кольца-ленты, выполненный в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и связанного с входным валом, а диамагнитное кольцо закреплено на основании с возможностью осевого перемещения между магнитомягкими башмаками магнитопровода-модулятора и слабоупругим кольцом-лентой в кольцевом рабочем магнитном зазоре.

8. Магнитоволновой фрикционный вариатор, содержащий основание, входной и выходной валы, неподвижный постоянный магнит с внешним и внутренним кольцевыми полюсными наконечниками, установленное с возможностью осевого перемещения диамагнитное кольцо с кольцевым направляющим пазом, имеющим внешнюю профилированную фрикционную дорожку, соединенное с выходным валом с возможностью осевого перемещения и выполненное в виде кольцевого магнитопровода-экрана с профилированной фрикционной дорожкой жесткое коническое колесо, образующее совместно с неподвижным постоянным магнитом кольцевой рабочий магнитный зазор, генератор волновой деформации гибкого колеса, выполненный в виде кольцевого магнитопровода-модулятора, состоящего из двух диаметрально расположенных магнитомягких башмаков и связанного с входным валом, гибкое колесо, выполненное в виде слабоупругого кольца-ленты с наружными и внутренними магнитомягкими башмачками и связанное с выходным валом, совместно с магнитомягкими башмаками кольцевого магнитопровода-модулятора и диамагнитным кольцом размещено в кольцевом рабочем магнитном зазоре с возможностью контакта внешними и внутренними фрикционными кромками башмаков с внутренней и внешней фрикционными дорожками соответственно магнитопровода-экрана и диамагнитного кольца.

9. Вариатор по пп.1 - 8, отличающийся тем, что слабоупругое кольцо изготовлено из композиционного полимерного материала, содержащего, например, включения из порошка технически чистого железа, в виде сплошного магнитомягкого слабоупругого кольца овального сечения с внешней и/или внутренней непрерывными фрикционными кромками.

10. Вариатор по пп.4 - 9, отличающийся тем, что магнитное кольцо снабжено кольцевой полкой для герметичного соединения с внутренним кольцевым полюсным наконечником и основанием, образующими герметичную разделительную стенку.

11. Вариатор по пп.1 - 5, 7 и 8, отличающийся тем, что он снабжен неподвижным кольцевым электромагнитом с наружным кольцевым магнитопроводом и магнитными наконечниками, обмотка которого включена в цепь управления осевым положением кольцевого магнитопровода-экрана с внутренней фрикционной дорожкой, который содержит наружные конические участки для использования в качестве подвижного поляризованного якоря электромагнита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11