Моделирование кинематики преобразователя вращения

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

Заказчиком было предложено провести исследование поведения механизма оригинальной конструкции. Механизм представляет собой комбинацию вращающихся тел в виде колец, сопряженных друг с другом по схеме, типичной для конструкций традиционных гироскопов. При этом наружное кольцо имеет возможность свободного вращения относительно своей оси, которая, в свою очередь, может поворачиваться в одной плоскости. Среднее кольцо служит для передачи движения на внутренне кольцо, положение оси вращения которого фиксировано (см. рисунок).

Равномерное вращение на наружное кольцо передается через зубчатое зацепление с быстроходного приводного вала, показанного на рисунке серым цветом (слева). Управляющий вал красного цвета (справа) обеспечивает возможность поворота поддерживающей наружное кольцо рамки и вместе с ней оси вращения наружного кольца. Вращение с внутреннего кольца снимется с помощью специальной конической магнитной муфты и передается на выходной вал голубого цвета (внизу).

Было проведено моделирование работы описанного механизма при скорости приводного вала 60 об/мин и передаточном отношении 3 для различных фиксированных положениях поддерживающей рамки. Выявлено, что характер передачи движения существенно зависит от угла ее поворота. При расположении поддерживающей рамки в горизонтальной плоскости, когда ось вращения наружного кольца вертикальна, вращение на выходном валу равномерно, а его скорость соответствует передаточному отношению зубчатой передачи и составляет в рассматриваемом случае 120 град/сек. При повороте рамки от этого положение на некоторый угол начинает нарушаться равномерность скорости вращения выходного вала. Она обнаруживает незначительные периодические изменения, причем характер изменения скорости близок к синусоидальному с частотой, вдвое большей частоты вращения вала. График изменения скорости вращения выходного вала (град/сек) приведен на следующем рисунке.

При дальнейшем повороте рамки пульсации скорости все заметнее отличаются от синусоидального закона (см. очередной рисунок).

Наконец, при повороте от исходного положения на угол, близкий к 90 градусам, выходной вал начинает вращаться короткими рывками, что иллюстрирует последовательность импульсов на рисунке внизу.

Когда ось вращения наружного кольца проходит горизонтальное положение, происходит перемена направления вращения выходного вала на противоположное. Это критическая точка, после прохождения которой, неравномерность вращения выходного вала постепенно снижается, приходя к полностью равномерному в момент, когда ось вращения наружного кольца снова принимает вертикальное положение. Следующий рисунок показывает, как изменяется скорость вращения выходного вала, если плавно осуществлять поворот рамки в процессе вращения приводного вала. На следующем рисунке для возможности сопоставления показаны графики поперечного смещения произвольных точек, взятых на поверхностях соответствующих валов, в момент перехода критической точки.

Здесь цвет каждого графика назначен совпадающим с цветом соответствующего вала на приведенном вначале изображении конструкции. Как видно из рисунка, серая и красная кривые меняются по гармоническому закону, что говорит о равномерном вращении соответствующих валов, в то время как голубая кривая носит выраженный апериодический характер и имеет, перемежающиеся с пологими, крутые участки, что свидетельствует о высоких скоростях и существенной неравномерности движения выходного вала. В ходе исследования обнаружено, что конструкция оказывается чувствительной к положению внутреннего кольца, при котором происходит переход через критическую точку. В наиболее неблагоприятных случаях в это время может происходить удар, характеризуемый линейными ускорениями отдельных элементов конструкции в сотни g