Техника - молодёжи 1974-06, страница 22
нее всего упругий элемент растягивать, а если нет опасности потерять устойчивость, то и сжимать. Взяв за основу величину удельной энергоемкости, все «упругие» аккумуляторы можно ориентировочно разделить на три типа: накопители малых (муфты), средних (пружинные двигатели) и высоких энергий. С ростом удельной энергоемкости изменяется не только область применения «упругого» аккумулятора, но и его конструкция, принцип действия, даже внешний вид... Однако не будем забегать вперед, поговорим о каждом типе устройств отдельно. Муфты Представим себе, что нужно быстро соединить два массивных вала машины, один из которых вращается, а другой неподвижен. При жестком соединении возникает удар, ломаются соединяющие устройства, а то и сами валы, вся машина испытывает сильное потрясение. Если же между этими валами поставить упругую муфту, то, поглотив избыточную энергию, она смягчит ударную нагрузку. Подобные ситуации встречаются в жизни машин на каждом шагу. Поэтому такие муфты очень широко распространены в технике. Во всех случаях упругая муфта состоит из двух частей, которые могут проворачиваться друг относительно друга, и аккумулирующего элемента между ними. И разница между муфтами заключается главным образом в конструкции этого самого элемента. Наиболее простая упругая муфта — втулочно-пальцевая (рис. 9). Здесь аккумулирующий элемент — вделанная в ведомую полумуфту резиновая втулка. В нее просовывается штырь ведущей полумуфты. (Понятия «ведущая» и «ведомая» полумуфты чисто условные.) Эта муфта накопляет ничтожно малые количества энергии и служит для смягчения небольших толчков в трансмиссии. В автомобилях используются упругие муфты иной конструкции — с цилиндрическими пружинами сжатия (рис. 10). А для очень маломощных приводов, например в приборах, применяются муфты с пружиной кручения (рис. 11). Оригинальна по устройству упругая муфта со спиральной змеевидной пружиной (рис. 12), охватывающей зубья на ведущей и ведомой полумуфтах. В магнитных муфтах (рис. 13) аккумулирующий элемент сразу и не отыщешь, его роль играет магнитное поле между полюсами постоянных магнитов. Эта муфта интересна еще и тем, что может передавать вращение через «стенку» из немагнитного материала. Столь уникальное свойство позволяет использовать муфту для передачи вращения из вакуума, агрессивной и радиоактивной среды. Но по аккумулирующим возможностям вне конкуренции муфты с упругими элементами из резины. Ведь она может накопить в единице веса больше энергии, чем любой другой материал. Одна из таких муфт, с шиной, показана на рисунке 14. Она применяется для смягчения толчков и ударов в массивных машинах. В моей статье «Не трать силу попусту» (см. «ТМ», № 11, 1972) был описан маховичный рекуператор (рис. 16), в котором резиновая шайба выполняет обязанности аккумулирующего элемента, как бы «промежуточного» аккумулятора при передаче энергии от движущегося транспорта маховику и обратно. Однако все описанные резиновые упругие элементы работают на сдвиг (кручение), а. как мы уже установили, использование материала при таком виде деформации далеко не эффективно. Лучше было бы растягивать резиновые элементы. Тогда показатель, характеризующий их энергоемкость, достиг бы максимальной величины 1. Учитывая все это, я и сконструировал упругую муфту — аккумулятор (рис. 15). Какой она получилась — судите сами. Резиновые жгуты, закрепленные концами на ведущей и ведомой полумуфтах, опираются на легкие, свободно сидящие на оси промежуточные поддерживающие диски (изготовленные, например, из пластмассы) и при относительном повороте полумуфт принимают положение «винтовой линии» Поскольку крепление жгутов к полумуфтам шарнирное, резина подвергается практически только растяжению. По энергоемкости эта муфта соизмерима даже с маховиками. Но почему же резиновые элементы, обладая столь ценными качествами, используются не так уж и широко? Если деформировать — например, растягивать — резиновый упругий элемент и записывать зависимость силы от перемещения его конца, то получим график, похожий на тот, что показан на рисунке 8. Однако кривая растяжения резины при накоплении в ней энергии будет отличаться от кривой ее сокращения при выделении энергии. Эти Две кривые обра-v3yiOT так называемую гистерезисную петлю, характеризующую потери энергии на упругий гистерезис. И чем больше растягивать резину, то есть накапливать в ней больше энергии, тем выше потери на упругий гистерезис (рис. 17). Кроме того, чем дольше сохраняется энергия в растянутой резине, тем больше петля гистерезиса и тем меньше энергии будет возвращено обратно, Гисте-резисные потери постепенно разрушают резину, и свойства ее меняются. Все это (мы уж не говорим о других недостатках) ограничивает применение резиновых упругих элементов для аккумулирования энергии в точных, долговечных и надежных приборах и машинах. Пружинные двигатели Такие аккумуляторы использовались человеком еще в глубокой древности. Вспомните хотя бы о луках, самострелах и катапультах. А в эпоху Возрождения пружинные двигатели можно было встретить в заводных игрушках, часах и даже в «самоб^Ьлых» каретах, предназначенных исключительно для торжественного выезда королей. Пружины тогда ковали кузнецы, и стоили они весьма дорого. Сейчас же пружинные двигатели для самых различных механизмов выпускаются многомиллионными сериями. Наиболее распространенные из них — двигатели со спиральной пружиной (рис. 18). Закаленная пружинная лента закладывается в обойму (барабан), крепится одним концом к ней, другим же — к валу и заворачивается вокруг него. В таком «взведенном» состоянии пружина «заневоливается», то есть оставляется на несколько дней для стабилизации упругих свойств. К.п.д. этих двигателей выше 0,9. Пружинная лента работает на изгиб. Причем та ее часть, что напряжена выше (навернута на меньший диаметр), аккумулирует больше энергии; периферийные же части напряжены слабее, стало быть, и аккумулируют меньше энергии. Если же пружину предварительно изогнуть S-образно (рис. 19), тогда все ее участки будут напряжены равномерно, и она накопит гораздо больше потенциальной энергии. Можно еще поднять энергоемкость спиральных пружин, придав им желобчатый профиль (рис. 1,9). Наво-рачиваясь на вал, такая пружина претерпевает деформацию изгиба как в продольном, так и в поперечном направлениях и накопляет максимальную энергию, Помимо этих, S-образные пружины с желобчатым профилем обладают и другими до- 20 |
