удвоитель частоты механических колебаний

Формула изобретения

1. Удвоитель частоты механических колебаний, состоящий из конической шестерни-платформы, конического зубчатого сателлита, оси сателлита, которая жестко соединена с входным валом, установленным в подшипнике корпуса, отличающийся тем, что входной вал состоит из двух участков, соединенных компенсирующей муфтой, один из которых установлен в подшипнике корпуса, другой - в подшипнике конической шестерни-платформы, а коническая шестерня-платформа установлена с возможностью поворота относительно диаметрально расположенной геометрической оси.

2. Удвоитель частоты механических колебаний по п.1, отличающийся тем, что коническая шестерня-платформа жестко прикреплена к двум диаметрально расположенным цапфам, каждая из которых установлена в своем подшипнике корпуса.

3. Удвоитель частоты механических колебаний по п.1, отличающийся тем, что диаметрально расположенная геометрическая ось поворота конической шестерни-платформы перпендикулярна среднему за период колебаний положению оси сателлита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в приводах вибрационного движения для увеличения частоты вибрации.

Известны умножители частоты электрических колебаний, содержащие колебательный контур с нелинейной емкостью (см. Основы теории колебаний. Мигулин В.В. и др. Под ред. В.В. Мигулина. - М.: Наука, 1978, с. 106-112). Однако построить по такому же принципу эффективно работающий умножитель частоты для механических колебаний не представляется возможным.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является механизм конического дифференциала (см. Теоретическая механика в примерах и задачах, т.3(специальные главы механики), Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С., под ред. Г.Ю.Джанелидзе и Д.Р.Меркина, учебное пособие. М., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1973 г., с. 67, рисунок к задаче 15.5).

Этот механизм состоит из неподвижной конической шестерни-платформы, с которой зацепляется конический зубчатый сателлит. Ось сателлита жестко связана с входным валом, установленным в подшипнике (который запрессован в корпус механизма).

При вращении входного вала конический зубчатый сателлит катится по конической шестерне-платформе, совершая вращение вокруг неподвижной точки, в результате чего возникает дополнительный динамический момент (см. приведенный выше источник). Этот момент стремится повернуть всю систему в ту или иную сторону. Если входной вал совершает неравномерное вращение, а крутильные колебания, то и указанный динамический момент будет переменным, причем этот момент имеет частоту изменения в два раза большую, чем частота колебаний входного вала.

Недостатком такой конструкции является невозможность конической шестерни-платформы совершать крутильные колебания под действием динамического момента, возникающего вследствие вращения конического зубчатого сателлита вокруг неподвижной точки, т.е. невозможность выступать в качестве удвоителя частоты механических колебаний.

Задачей изобретения является придание конструкции механизма конического дифференциала возможности поворота под действием динамического момента, возникающего вследствие качения конического зубчатого сателлита по конической шестерне-платформе, что обеспечит механизму свойство удваивать частоту колебаний своего входного вала.

Для решения данной задачи предложен удвоитель частоты механических колебаний, в котором входной вал разделен на два участка, соединенных компенсирующей муфтой, позволяющей одному участку вала располагаться под углом к другому участку (передавая при этом крутящий момент), а коническая шестерня-платформа установлена в подшипниках корпуса посредством двух жестко соединенных с ней и диаметрально расположенных цапф (подшипники корпуса запрессованы в неподвижный корпус механизма).

Кроме того, среднее за период колебаний положение оси сателлита должно быть перпендикулярно оси (геометрической), вокруг которой поворачивается (на цапфах) коническая шестерня-платформа, что обеспечивает наибольшую эффективность работы удвоителя частоты.

За счет того, что входной вал состоит из двух участков, соединенных компенсирующей муфтой, а коническая шестерня-платформа установлена на диаметрально расположенных цапфах в подшипниках корпуса, вся конструкция получила возможность поворота вокруг диаметрально расположенной (по отношению к конической шестерне-платформе) геометрической оси, т.е. возможность поворота под действием динамического момента, создаваемого движением конического зубчатого сателлита.

За счет того, что среднее за период колебаний положение оси конического зубчатого сателлита перпендикулярно геометрической оси поворота конической шестерни-платформы, коническая шестерня-платформа (вместе со всем механизмом) будет совершать движение под действием максимально возможного динамического момента.

На фиг.1 и 2 показано схематическое изображение удвоителя частоты механических колебаний: на фиг.1 - вид опереди, на фиг.2 - вид сверху.

Удвоитель частоты механических колебаний состоит из входного вала, имеющего участки 1 и 2, соединенные компенсирующей муфтой 3. Участок 2 входного вала жестко соединен с осью 4 сателлита, на которой установлен конический зубчатый сателлит 5, зацепляющийся с конической шестерней-платформой 6, имеющей две цапфы 7 и 8. Цапфы установлены в подшипниках корпуса 9 и 10 (подшипники корпуса запрессованы в неподвижный корпус механизма). В своем подшипнике корпуса 2 установлен также участок 1 входного вала. Участок 2 входного вала установлен в подшипнике 12 конической шестерни-платформы.

Принцип работы заявляемого изобретения состоит в следующем. Участок 1 входного вала под действием переменного момента (приложенного, например, от вибровозбудителя колебаний) совершает крутильные колебания по закону J=J_a sin kt, где J_a - амплитуда колебаний, k - круговая частота, t - текущее время. Через муфту 3 и участок 2 входного вала эти колебания передаются оси 4 сателлита. В результате этого конический зубчатый сателлит 5 будет катиться по конической шестерне-платформе 6 то в одну, то в другую сторону.

Главный момент количеств движения конического зубчатого сателлита относительно точки О обозначен L, а момент, действующий на него (точнее на его ось 4) со стороны входного вала, обозначен M_вх. (Точка О определяется пересечением оси сателлита и входного вала. Вектор _вх направлен вдоль входного вала. Вектор может считаться направленным вдоль оси сателлита с некоторой погрешностью. Это допущение не влияет на общую физическую картину происходящего, позволяя более наглядно представить принцип работы удвоителя частоты).

Если векторы _вх и направлены так, как показано на фиг.1 сплошными линиями, то согласно теоремы Резаля динамический момент М_дин, возникающий вследствие вращения конического зубчатого сателлита 5 вокруг неподвижной точки О, будет направлен по часовой стрелке (сплошная стрелка М_дин на фиг.1). При прохождении коническим зубчатым сателлитом своего среднего (в колебательном движении) положения знак М_вх меняется на противоположный (вектор для этого случая показан штриховой линией), а направление вектора не изменяется в силу того, что направление вращения конического зубчатого сателлита вокруг своей оси не изменяется при прохождении им среднего положения. Поэтому (согласно теоремы Резаля) динамический момент М_дин будет теперь уже направлен против часовой стрелки (штриховая стрелка на фиг.1).

При прохождении коническим зубчатым сателлитом своего крайнего положения направление момента, действующего на его ось (т.е. момента М_вх), не меняется, однако направление вращения сателлита вокруг своей оси изменяется на противоположной. Поэтому изменяется и направление вектора (штриховая линия на фиг.1). Вследствие этого направление М_дин вновь изменится на направление по ходу часовой стрелки (сплошная стрелка М_дин).

Далее конический зубчатый сателлит будет проходить свое среднее положение, при котором меняется направление М_вх, a направление L не меняется и т.д. Таким образом, изменение направления М_дин будет происходить в два раза чаще, чем изменение направления М_вх.

В случае, если угол J изменяется по указанному выше закону, динамический момент М_дин =СJa²k²cos2kt, где С - постоянная, определяемая параметрами удвоителя частоты.

Момент М_дин вызывает крутильные колебания всей механической системы на цапфах 7 и 8. Муфта 3 не препятствует повороту механизма на диаметрально расположенных цапфах, одновременно передавая момент М_вх с участка 1 входного вала на участок 2.

Из фиг.1 и 2 видно, что проекция М_дин на ось (геометрическую), вокруг которой поворачивается коническая шестерня-платформа, будет иметь наибольшее значение, если колебания оси конического зубчатого сателлита происходят вблизи прямой, перпендикулярной к этой оси поворота.

При необходимости передавать далее крутильные колебания удвоенной частоты к одной из цапф может быть присоединен выходной вал.