12.08.05. ТУПИК

Из года в год через каждые два-три номера американский журнал MACHINE DESIGN публикует среди прочих своих беглых обзоров, одностраничных, бесконечное число раз повторяемых, - по неисчислимым техническим темам в машиностроении, - одну и ту же глупую страничку с небрежными эскизами от руки нескольких схем: Basic types of traction drives – основные типы фрикционных передач.

В действительности именно эти типы вовсе не являются основными и применяются реже, чем прочие. В России не каждый из таких вариаторов был изготовлен хотя бы в качестве экспериментального образца. В русских учебниках и справочниках большинство из них даже не упоминается.

Точно так же почему-то в англоязычной технической литературе не найти упоминания схемы вариатора Святозарова. Этот механизм переменной передачи с довоенных времён является основным в России. По нему написаны горы научно-технической литературы. Каждый русскоязычный школьник зачем-то обязан знать его принцип: наклоняемый диск на соосных чашках с дуговыми образующими. Этот вариатор разумнее того, что применяют на Западе чаще других – по схеме фирмы Копп (Kopp): наклоняемый шар на соосных конусах. Хотя в сравнении с русским этот принцип ещё более глупый уже изначально, Запад не решается запускать в производство что-либо технически более разумное - из опасения спровоцировать эффект домино во всей промышленности. Это почти невозможно осознать даже мне, заявляющему, казалось бы, столь несусветную чушь. Но этот смешной и жуткий вывод – плод моих мучительных рассуждений на протяжении всей жизни со школьных лет. А я ведь - патентовед, и поэтому чаще других инженеров задумываюсь о том, почему из десятков миллионов зарегистрированных изобретений используется лишь их ничтожная часть.

На упомянутой страничке обратим внимание прежде всего на самую простенькую схему c названием SPOOL (''катушка'').

В нескольких словах пояснения к ней сказано, что это

· «низко-силовая» модификация тороидальной передачи

· с ограниченными пределами вариации скорости,

· но с высоким к.п.д.

· Наклон оси фрикционных колёс катушки, катящихся по фрикционным поверхностям ведущей и ведомой полусферам определяет

· указанное в пояснении передаточное число этого механизма: от 2,5 : 1 до 1 : 2,5

(Схемки и пояснения на этой глупой страничке даны так небрежно, что допущена опечатка: Torodial drive вместо Toroidal – тороидальная, или более коротко, тороидная, торовая.). Тор есть поверхность вращения, образованная дугой окружности. Сфера, как и шар, является частным случаем тора. Различие между сферой и шаром заключается в знаке кривизны поверхности. Являясь геометрическими частями своих торов, эти фрикционные поверхности вариаторов бывают вогнутыми, выпуклыми и выпукло-вогнутыми (двоякой кривизны). Они могут быть переменного и постоянного радиуса качения; для краткости назовём их соответственно ''широкими'' и ''узкими'' поверхностями.

Практически все фрикционные поверхности вращения с их криволинейными образующим являются тороидальными, поскольку дуга окружности – технологическое и конструктивное требование к форме криволинейной образующей.

Фрикционные передачи – это моё навязчивое хобби со школьных лет. Уделив ему чуть ли не больше времени, чем всем остальным своим увлечениям вместе взятым, я, вопреки всем учебникам, вижу во фрикционных механизмах одну из самых значимых перспектив техники. Однако, эта же тема лучше, чем любые другие, открыла мне глаза

· на ужас роста темпов развития техники и, соответственно,

· на абсурд очевидных путей её неизбежного развития,

· на опасный избыток полезных идей, а тем более, толковых специалистов, особенно механиков, способных грамотно решать технические задачи,

· на спасающее цивилизацию мародёрство жирующий неучей,

· на беспредел безнаказанного беззакония ради устрашающего пресечения любой инициативы, направленной на повышение производительности труда, на усовершенствование техники, почти любой.

___________________________________________________________

Примем к сведению характеристику схемы SPOOL (“катушка”) на той страничке американского журнала и, пока не оспаривая в ней глупость этой характеристики: «А LOW-POWER modification of the toroidal drive with limited range», сообразим, где можно использовать этот фрикционный вариатор типа ''катушка в сфере'', и, в частности, его вариант ''шарик в полусферах''.

Триллионы отверстий в технике (напр., под мелкие крепёжные винты) имеют диаметр такой малый, что свёрлам для них требуются более высокие обороты, чем те, что им обеспечивают станки и дрели.

Микро-вариаторы по схеме SPOOL в качестве приставок к шпинделям этих орудий труда обеспечили бы повышение оборотов хотя бы в указанные два с половиной раза, напр., до 8000 об/мин. При этом весьма важно, что к.п.д. этих устройств очень высок. Сегодня почти в каждом доме найдётся электродрель или гайковёрт, для которых стоит приобрести этот привлекательно недорогой ускоритель и регулятор частоты оборотов сверла. О полезности такой оснастки в производстве можно и не тратить слов. В последние годы на заводах кое-где уже применяют на станках приставные мультипликаторы оборотов, но с зубчатым механизмом. Однако, шестерни плохо работают на высоких оборотах, поэтому такие устройства требуют предельно точного изготовления, что делает зубчатые мультипликаторы дороже самих станков. Вследствие этого они не могут найти широкого применения.

На «глупой страничке» эта схема SPOOL показана с симметричным диапазоном вариации. Её колёса катушки имеют равные и сравнительно малые радиусы качения.

А что если заменить катушку с равными радиусами качения на катушку, колёса которой различаются между собой этим радиусом качения?! Тогда диапазон вариатора становится асимметричным, напр., от 1 до 6. Обороты сверла можно таким образом ещё повысить, а обороты метчика, наоборот, значительно понизить.

Перевернув катушку (или сам микро-вариатор), увеличиваем в квадрате этот диапазон вариатора, например, до 6 х 6 = 36. Так много не нужно! Наоборот, этот диапазон имеет смысл задавать как можно уже. Например, всего лишь при полуторакратном отношении радиусов качения колёс катушки диапазон вариатора может быть таким: (1,5 х 1,5) х (1,5 х 1,5) = 5, что тоже, пожалуй, всё ещё слишком много для решения большинства практических задач. Поэтому чаще стоит ещё решительнее сужать диапазон регулирования. Ведь и число 5 – это больше, чем типичный, применяемый диапазон большинства вариаторов.

Схема «полушария в полусферах» допускает варианты, в которых любая из четырёх фрикционных поверхностей может быть широкой и иметь переменный радиус качения. Возможны различные варианты, при которых наклоном катушки одновременно смещаются беговые дорожки на любых, даже на всех четырёх звеньях этой фрикционной передачи. Это значит, что в таком вариаторе его диапазон регулирования скорости вращения выходного вала зависит от изменения диаметров его беговых дорожек в 8-й (восьмой!) степени. При общем диапазоне вариации, напр., D = 5, достаточно изменения диаметров качения на каждом из всех его четырёх колёс всего лишь в 1,2 раза - по отношению к прямой передаче, то есть при i = 1 : 1 , когда к.п.д. почти равен единице. Радиусы качения при этом близки к максимальным, что очень важно для существенного повышения технических данных этого устройства. Это - очень эффективный путь повышения минимального кпд и увеличения крутящего момента на валах вариатора такого типа.

Схема SPOOL легко обеспечивает возможность иметь замену геометрически разных катушек, если стоит изменить характеристику вариатора, например, его диапазон.

Более того, вариатор типа ‘катушка’ и без замены катушки в нём может переключаться на четыре разных диапазона, из которых два реверсивные.

Кроме того, возможны конструкции, при которых узменять можно не только передаточное число, но и характеристику вариатора в каждом из его четырёх разных диапазонов.

Вариатор может быть автоматически саморегулируемым, - в зависимости от нагрузки.

Не из чего не следует, что схема SPOOL применима только для “низко-силовых” передач.

Наоборот! Среди всех переменных передач с криволинейными образующими фрикционных колёс такая передача – самая перспективная по критерию отношения крутящего момента на выходном валу к весу конструкции вариатора.

Такие вариаторы очень целесообразны для работы с электромоторами мощностью до десятков киловатт. (Для больших мощностей целесообразны вариаторы с коническими дисками.) Патенциальная потребность в таких вариаторах, например, для приводов всевозможных механизмов, для сверлильных патронов, для шпинделей самых разных станков, для дрелей и гайковёртов, для насосов, для конвейеров и т.д, сопостовима с неограниченной потребностью в асинхронных электродвигателях. Она исчисляется по меньшей мере многими десятками, если не сотнями миллионов в год. Чего стоит хотя бы потребность в такой дешёвой приставке к любой дрели, имеющейся почти в каждом доме.

Вариаторы по схеме SPOOL в принципе так мощны, так компактны, и так удобны в компоновке машин, что могут быть установлены даже на место муфты и даже ещё и в качестве снятой муфты, причём, например, и с такой характеристикой как: муфта перекоса и смещения, упругая, предохранительная.

Такому механизму можно дать название явно фантастическое: МУФТА-ВАРИАТОР. Стоит напомнить выражение из учебника по курсу ''Детали машин'' о том, что «машин без муфты не существует».

Конструкции таких механизмов проще любых других вариаторов в закрытом корпусе, имеющих промежуточное колесо двойной фрикционой передачи, жёсткое, с криволинейной образующей.

В результате многолетних забав автора этих строк этот механизм теперь так прост по конструкции, что представляет собой всего лишь интегральный подшипник, в котором имеется всего несколько деталей, - таких, которые почти все можно подобрать по каталогам подшипниковой промышленности. Это значит, что производством этих механизмов вполне могла бы заняться подшипниковая промышленность, используя свои ни с чем не сопоставимые возможности.

Такой механизм - любого размера - имеет всего четыре кинематичесие звена, но при этом в нём имеется по сути лишь три или четыре детали конструкции, которые можно подобрать по каталогам подщипниковой промышленности. Собранный лишь из этих четырёх деталей, он выполняет роль последовательной цепи четырёх мощных вариаторов, поскольку имеет до четырёх одновременно переменных радиусов качения. Переменный радиус качения может быть предусмотрен на каждом из всех его четырёх фрикционных колёс. Но и это ещё не предел дальнейшего упрощения самой схемы с созранением упомянутых достоинств.

Внешне незаметная коррекция геомерии этих фрикционных колёс меняет поразительно характеристику такого вариатова, - более эффектно, чем коррекция геометрии линз или зеркал в оптических системах.

Такая коррекция легко осуществляется не только при конструировании разных моделей такого вариатора скорости, не только при сборке в разных исполнениях этого механизма при его производстве, но и при его использовании, - во время работы с ним, - каждым, кто хоть иногда будет пользоваться этим устройством, например, в быту.

Конструирование этих вариаторов – это теперь по большей части в основном всего лишь проработка подшипниковых узлов, - стремление разместить всё как можно компактнее. Наиболее изящно эти вопросы решаются в пневматическом инструменте. Вместо подшипников качения там имеются лишь зазоры, которые упруги под действием сжатого воздуха. Напор струй возрастает при попытках плотно зажимать отверстия на поверхности скольжения воздушного подшипника. Тем же сжатым воздухом, как на поршень, создаётся усилие фрикционного контакта тел качения друг по другу с высоким коэффициентом трения, - сухого.

Каждое даже малейшее упрощение формы любой детали в этих поразительно простых конструкциях исключительно ценно. (Это ассоциируется с тем, что для стрелка возрастает ценность самых последних миллиметров у центральной точки мишени).

Заманчива и реализация принципа гидродинамической смазки, такой как, например, на шейках коленчатого вала в автомобиле. Вращающиеся детали рассматриваемых механизмов имеют широкие поверхности скольжения довольно большой площади, что удобно для обеспечения воздушной, гидродинамической или гидростатической смазки.

Даже с применением привычных подшипников качения вариаторы по схеме SPOOL изумительно изящны в сравнении со всем, что существует на мировом рынке механизмов подобного назначения.

Разработке этих конструкций я отдал неправдоподобно много своего личного времени, начиная со школыных лет. Патентоспособных и конструкторских решений у меня накопилось неисчислимое множество. Тема эта неисчерпаемо интересна и невообразимо значима. Глаза должны полезть на лоб у того, кто впервые начнёт осознавать на этом примере из “глупой странички” упомянутого журнала то, как мы все наивны в своих представлениях о спасительном развитии науки и техники.

Отчаянные попытки растущего человечества спасаться от губительного изобилия состоят во всё более отчаянных мерах по изъятию у слабых средств к существованию, - так, чтобы они были беднее нищих, неимущих. Нужно вводить всех во всё большие потребности и во всё более глубокие долги, чтобы каждый человек и каждая страна были более нуждающимися, зависимыми и послушными, чем просто голодные и неимущие.

Естественная борьба за выживание всегда лищь меньшинства заключается в подчинении человека человеком путём создания всё более удушающей нужды для растущего большинства. Дальнейшие чудеса техники и сказочный рост производительности не отменят, а будут ужесточать этот принцип.

-----------

Ученик токаря по небрежным эскизам запросто может изготовить приспособление SPOOL в школьной мастерской к её сверлильному станочку.

Теперь представим, что какая-то фирма занимается производством многошпиндельных сверлильных головок, в том числе универсальных, с переставными шпинделями.

Эти переналаживаемые головки предназначены для одновременного сверления нескольких или многих отверстий и в мелкосерийном, и в среднесерийном, и в крупносерийном, и даже в массовом производстве. Часто такой головкой надо бы одновременно сверлить отверстия разных диаметров. Но каждый диаметр требует соответствующую частоту оборотов сверла. Однако все шпиндели имеют общую частоту оборотов.

Для решения этой проблемы возникает ультимативное техническое требование: применить микро-вариаторы схемы SPOOL. Только такой микро-вариатор можно было бы вставить в каждый шпиндель головки.

К тому же такое простенькое приспособление так дёшево, что это всем позволяет использовать его на каждом шпинделе, - не только во многошпиндельной головке, - хотя бы для обеспечения достаточной частоты оборотов очень мелким свёрлам.

Фирма могла бы ув