АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВАРИАТОР Б.Ф.КОЧЕТКОВА Российский патент 1995 года по МПК F16H33/14 F16H3/74 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к устройствам, передающим вращающий момент от входного вала на выходной вал с плавным автоматическим изменением передаточного отношения в зависимости от нагрузки на выходном валу, и может быть использовано в транспортном машиностроении и станкостроении.

Известна автоматическая коробка передач, содержащая входной, выходной валы и инерционную муфту, входной вал при помощи первой пары зубчатых колес, промежуточного вала и механизма свободного хода связан с выходным валом, ведущий вал инерционной муфты соединен с входным валом, а ведомый вал муфты посредством второй пары зубчатых колес, имеющей меньшее по величине передаточное отношение по сравнению с первой парой колес, связан выходным валом (авторское свидетельство N 1504423, кл. F 16 H 3/10, 1987 г. фиг.5).

Известна также автоматическая передача, содержащая входной и выходной валы, три пары зубчатых колес и расположенные соосно дифференциал и инерционную муфту, входной и выходной валы связаны первой парой колес с наибольшим передаточным отношением и механизмом свободного хода, водило дифференциала установлено на входном валу, одно из центральных колес дифференциала при помощи второй пары колес и механизма свободного хода связано с выходным валом, второе центральное колесо непосредственно соединено с ведущим валом инерционной муфты, оба центральных колеса имеют связь с применением механизма свободного хода, ведомый вал инерционной муфты при помощи третьей пары колес с наименьшим передаточным отношением связан с выходным валом (авторское свидетельство N 1747783, кл. F 16 H 33/14, 1989 г.).

К недостатками этой автоматической передачи относится то, что она имеет фиксированный по величине режим работы с наибольшим передаточным отношением, что исключает возможность вращения входного вала при неподвижном выходном вале и не позволяет осуществлять плавный пуск рабочей машины, дифференциал и инерционная муфта расположены параллельно выходному валу, что увеличивает габаритные размеры передачи и ее массу. Отсутствует возможность передачи вращающего момента от выходного вала на входной вал в связи с необратимым характером работы инерционной муфты, что не позволяет использовать двигатель для торможения выходного вала и рабочей машины, т.е. сужает функциональные возможности механизма.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении диапазона автоматического и плавного изменения передаточного отношения и величины передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу и расширении функциональных возможностей вариатора за счет способности передачи вращающего момента от выходного вала на входной вал при одновременном повышении компактности и уменьшении массы.

Указанный технический результат достигается тем, что в автоматическом вариаторе, содержащем входной, выходной валы, соосные входному валу дифференциал и инерционную муфту, водило дифференциала, установленное на входном валу, одно из центральных колес дифференциала, связанное с выходными валом при помощи первой пары зубчатых колес и механизма свободного хода, второе центральное колесо непосредственно установленное на ведущем валу инерционной муфты, ведомый вал муфты, связанный с выходным валом при помощи второй пары зубчатых колес, имеющей меньшее по сравнению с первой парой колес передаточное отношение, применяется второй механизм свободного хода, ведущая обойма которого связана с первым центральным колесом дифференциала, а ведомая обойма с водилом или вторым его центральным колесом, ведущий и ведомый валы муфты выполнены полыми, соответствующие им полумуфты инерционной муфты и второе центральное колесо дифференциала имеют осевые отверстия и через них проходит вал первого центрального колеса, у третьего, тормозного, механизма свободного хода, ведущая обойма установлена на ведомом валу инерционной муфты и через вторую пару колес связана с выходным валом, а ведомая обойма установлена на валу первого центального колеса дифференциала.

Как частный случай выполнения, применяется третья, тормозная, пара зубчатых колес, связывающая выходной вал с валом первого центрального колеса и в эту кинематическую связь включен тормозной механизм свободного хода, ведущая обойма которого связана с выходным валом, а ведомая обойма с валом первого центрального колеса, размещенное на выходном валу колесо из тормозной пары колес имеет больший диаметр по сравнению с размещенным на том же валу колесом из первой пары колес.

Указанные существенные признаки, характеризующие изобретение, обеспечивают плавное автоматическое изменение передаточного отношения между входным и выходным валами в широких пределах и соответствующее регулирование величины передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу и позволяет передавать максимальный по величине вращающий момент на заторможенный нагрузкой выходной вал, обеспечивая плавный пуск рабочей машины, а также позволяет передавать вращение и вращающий момент от выходного вала на входной вал с целью торможения рабочей машины с помощью отключенного двигателя при движении этой машины по инерции или под уклон.

На фиг.1 приведен общий вид автоматического вариатора; на фиг.2 частный случай выполнения вариатора; на фиг. 3 и 4 показан пример устройства возможной к применению инерционной муфты в двух проекциях соответственно.

Автоматический вариатор (фиг. 1) содержит входной 1 и выходной 2 валы, дифференциал и установленную соосно с ним инерционную муфту 3. Водило 4 дифференциала установлено на входном валу 1, первое центральное колесо 5 дифференциала при помощи вала 6, первой пары зубчатых колес 7, 8 и первого механизма свободного хода 9 (МСХ 9) связано с выходным валом 2. Ведущая обойма МСХ 9 кинематически через первую пару колес 7, 8 и вал 6 связана с первым центральным колесом 5. Второе центральное колесо 10 дифференциала установлено на ведущем валу 11 инерционной муфты 3, ведомый вал 12 которой при помощи второй пары зубчатых колес 13, 14 связан с выходным валом. Передаточное отношение первой пары колес 7, 8 больше, чем второй пары колес 13, 14. Ведущая обойма второго механизма свободного хода 15 (МСХ 15) жестко соединена с первым центральным колесом 5, а ведомая обойма с водилом 4 дифференциала или его вторым центральным колесом 10, что показано на фиг.2, где в целях повышения компактности МСХ 15 размещен между центральными колесами дифференциала. Второе центральное колесо 10, ведущий 11, ведомый 12 валы, соответствующие им полумуфты инерционной муфты 3 установлены коаксиально с валом 6 первого центрального колеса, который выходит по обе стороны инерционной муфты 3. В кинематическую связь, содержащую вторую пару колес 13, 14, включен третий, тормозной, механизм свободного хода 16 (МСХ 16), ведущая обойма которого установлена на ведомом валу 12 инерционной муфты или, что одно и то же, на колесе 13, закрепленном на этом валу, а ведомая обойма установлена на валу 6 первого центрального колеса дифференциала.

Частный случай выполнения автоматического вариатора (фиг.2) отличается от описанного выше тем, что применяется дополнительная тормозная пара зубчатых колес 17, 18, связывающая выходной вал 2 с валом 6 первого центрального колеса и в эту кинематическую связь включен тормозной МСХ 16, ведущая обойма которого связана с выходным валом 2, а ведомая обойма с валом 6 первого центрального колеса дифференциала. Размещенное на выходном валу 2 колесо 18 из тормозной пары колес имеет больший диаметр по сравнению с размещенным на том же валу колесом 8 из первой пары колес.

В автоматическом вариаторе может применяться любая по устройству инерционная муфта, допускающая вращение ведомого вала 12 с одинаковой и меньшей частотой по сравнению с ведущим валом 11 в зависимости от нагрузки и обеспечивающая возможность выполнения этих валов полыми с прохождением внутри них соосного вала 6 первого центрального колеса дифференциала.

Приведенная в качестве примера инерционная муфта (фиг.3 и 4) содержит полые ведущий 11 и ведомый 12 валы, которые входят в состав соответственно ведущей и ведомой полумуфт. На ведущем валу 11 установлено водило 19 в виде радиальных выступов, на которых размещены с возможностью свободного вращения сателлиты 20 в виде конических зубчатых колес, которые выполняются массивными или несут на себе маховики 21. Ось О₁-О₁ сателлитов перпендикулярна оси О-О валов 11, 12 муфты и пересекается с ней в точке О¹. Сателлиты находятся в зацеплении с центральным ведомым коническим зубчатым колесом 22, закрепленном на ведомом валу 12 муфты.

Автоматический вариатор работает следующим образом.

При вращении ведущего вала 11, водил 19 и сателлитов 20 с маховиками 21 инерционной муфты вокруг оси О-О и неподвижных ведомом вале 12 и центральном ведомом колесе 22 или при частоте их вращения, меньшей частоты вращения ведущего вала, сателлиты 20 инерционной муфты обкатываются по центральному ведомому колесу 22, приводя маховик 21 во вращение вокруг оси О₁-О₁. При этом маховики относительно друг друга вращаются в противоположные стороны. Вращение сателлитов и маховиков одновременно вокруг двух пересекающихся осей О-О и О₁-О₁ является их вращением вокруг центральной точки О¹ пересечения этих осей. Вращающиеся сателлиты и маховики имеют определенный момент количества движения. Известно, что момент количества движения тела относительно точки является векторной величиной и при это он проявляется с соблюдением фундаментального физического закона сохранения. В данном случае в связи с вращением маховиков и сателлитов одновременно вокруг двух указанных выше осей, направление их векторов моментов количества движения постоянно принудительно изменяется, что является следствием воздействия на маховики и сателлиты моментов внешних сил со стороны ведущего вала 11 и центрального ведомого колеса 22. Согласно третьему закону классической механики (равенство и противоположная направленность действия и противодействия тел) при этом вращающиеся маховики и сателлиты препятствуют вращению ведущего вала 11, воспринимая передаваемую по нему мощность, и находятся в силовом взаимодействии с центральным ведомым колесом 22, которое принуждает маховики и сателлиты вращаться вокруг оси О₁-О₁ и центральной точки О¹. При этом на центральное ведомое колесо и ведомый вал 12 передается вращающий момент от ведущего вала 11, а соответственно и мощность с началом вращения ведомого вала 12. Величина передаваемого вращающего момента зависит от интенсивности изменения направления векторов моментов количества движения маховиков и сателлитов, т.е. от разности частот вращения ведущего 11 и ведомого 12 валов. В связи с вращением двух маховиков с сателлитами в разные стороны относительно оси О₁-О₁ возникающие при этом гироскопические силы уравновешиваются и не оказывают воздействия на подшипники муфты. Центр массы муфты в целом совмещен с осью О-О и точкой О¹, что исключает возможность вибраций и биений.

При вращении входного вала 1 и неподвижном выходном вале 2 в связи с приложенной к нему нагрузкой или началом работы (разгона рабочей машины) первая пара колес 7, 8, вал 6 первого центрального колеса 5 дифференциала и само это колесо, а также вторая пара колес 13, 14 и ведомый вал 12 инерционной муфты неподвижны. При этом МСХ 9 замкнут, а МСХ 15 и МСХ 16 разомкнуты. Исходя из свойств дифференциала, его второе центральное колесо 10 при этом вращается с удвоенной частотой по сравнению с частотой вращения входного вала 1. С учетом указанных выше особенностей инерционной муфты 3, она при тех же условиях передает максимальный по величине вращающий момент. Следовательно, на выходной вал 2 вращающий момент передается по двум потокам через обе пары колес 7, 8 и 13, 14 и величина его на валу 2 равна сумме величин вращающих моментов, передаваемых указанными парами колес. При этом величина момента на выходном валу 2 может быть больше или меньше величины момента на входном валу 1 за счет применения пар колес с соответствующими передаточными отношениями. Под воздействием приложенного вращающего момента выходной вал 2 приводится во вращение, частота которого зависит от нагрузки, поскольку она определяется работой инерционной муфты 3. С началом вращения и возрастанием частоты вращения выходного вала соответственно увеличивается частота вращения первого центpального колеса 5 дифференциала и замедляется частота вращения второго центрального колеса 10 дифференциала и при выравнивании частот вращения этих колес произойдет замыкание второго МСХ 15, что приведет к блокиpованию дифференциала и вращению его как единого звена, т.е. вращению водила 4, обоих центральных колес 5 и 10 с одинаковой частотой. Однако, ведомый вал 12 инерционной муфты, частота вращения которого меньше частоты вращения ведущего вала 11, и вторая пара колес 13, 14 при дальнейшем уменьшении нагрузки или увеличении вращающего момента на входном валу 1 увеличивает частоту вращения выходного вала, и когда она превысит частоту вращения колеса 8 из первой пары колес произойдет размыкание первого МСХ 9 и весь поток мощности будет передаваться только через сблокированный дифференциал, инерционную муфту 3 и вторую пару колес 13, 14. При увеличении нагрузки на выходном валу или уменьшении величины вращающего момента, передаваемого входным валом 1, произойдет обратный процесс переходов режимов работы вариатора.

В зависимости от принятых передаточных отношений пар колес, а также при малой нагрузке на выходном валу, он под воздействием вращающего момента, передаваемого через вторую пару колес 13. 14, способен быстро увеличить частоту вращения. При этом возможна иная очередность изменения режимов работы первого МСХ 9 и второго МСХ 15 по сравнению с указанной выше, т.е. вначале произойдет размыкание первого МСХ 9 и снятие нагрузки с первого центрального колеса 5 дифференциала, которое в связи с этим форсированно увеличит частоту вращения и без паузы обеспечит замыкание второго МСХ 15 и блокиpование дифференциала. При этом второе центральное колесо 10 постоянно нагружено со стороны инерционной муфты. В дальнейшем вариатор работает указанным выше порядком.

При необходимости торможения рабочей машины при помощи двигателя, что имеет место при ее движении по инерции и под уклон, работа двигателя прекращается и он перестает вращать входной вал 1 с превращением передачи вращающего момента на выходной вал 2 через инерционную муфту 3 и вал 6 первого центрального колеса. При этом выходной вал 2 вращается и передает вращающий момент в сторону входного вала 1 за счет кинетической энергии движущейся рабочей машины. Изменение направления потока мощности через вариатор приведет к замыканию тормозного МСХ 16, который сблокирует ведомый вал 12 с валом 6 первого центрального колеса и обеспечит передачу на него вращения и вращающего момента со стороны выходного вала 2. Это приведет к замыканию второго МСХ 15, блокированию дифференциала и передаче вращения и вращающего момента от выходного вала 2 на входной вал 1 и далее на двигатель, который при этих условиях обеспечит торможение рабочей машины.

Плавное изменение величины передаточного отношения между входным 1 и выходным 2 валами с соответствующим плавным изменением частоты вращения выходного вала в зависимости от нагрузки обеспечивается двумя основными свойствами вариатора, вытекающими из особенностей его устройства. Первое возможность центральных колес 5 и 10 дифференциала вращаться с разной и переменной частотой относительно друг друга, в том числе способностью одного колеса (в данном случае первого колеса 5) быть неподвижным и передавать в то же время на свой вал 6 вращающий момент с одновременным вращением при этом другого центрального колеса 10 с удвоенной частотой по сравнению с частотой вращения входного вала 1 и водила 4. Здесь принимается во внимание, что второе центральное колесо 10 имеет постоянную нагрузку со стороны инерционной муфты. Второе постоянная связь выходного вала 2 с ведомым валом 12 инерционной муфты при помощи второй пары колес 13, 14 и способность ведомого вала 12 инерционной муфты только к плавным изменениям частоты вращения.

Отличия в работе частного случая выполнения автоматического вариатора (фиг. 2) по сравнению с описанной выше состоит в том, что при торможении рабочей машины при помощи двигателя поток мощности от выходного вала 2 передается через тормозную пару колес 17, 18 и тормозной МСХ 16.

Приведенное описание работы автоматического вариатора показывает возможность достижения заданного технического результата. При этом повышение компактности и уменьшение массы по сравнению с принятым прототипом достигается за счет коаксиальной установки обоих валов 11, 12 инерционной муфты и вала 6 первого центрального колеса дифференциала.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: передача содержит входной и выходной валы, инерционную муфту, дифференциал и три механизма свободного хода (МСХ), один из которых тормозной. Первый МСХ связан кинематически с дифференциалом и с выходным валом. Второй МСХ соединяет центральное колесо и водило дифференциала. Третий МСХ тормозной, он соединяет инерционную муфту и дифференциал. Плавное изменение частоты вращения и передаваемого вращающего момента осуществляется при помощи инерционной муфты и первого и второго МСХ в зависимости от нагрузки на выходном валу. Торможение рабочей машины при помощи двигателя обеспечивается при автоматическом замыкании тормозного МСХ. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Автоматический вариатор, содержащий входной и выходной валы, соосные с входным валом дифференциал и инерционная муфта, водило дифференциала, установленное на входном валу, одно из центральных колес дифференциала, связанное с выходным валом при помощи первой пары зубчатых колес и первого механизма свободного хода, второе центральное колесо, установленное на ведущем валу инерционной муфты, ведомый вал муфты, связанный с выходным валом при помощи второй пары зубчатых колес, имеющей меньшее по сравнению с первой парой колес передаточное отношение, отличающийся тем, что применяется второй механизм свободного хода, ведущая обойма которого связана с первым центральным колесом дифференциала, а ведомая обойма с водилом или вторым его центральным колесом, ведущий и ведомый валы муфты выполнены полыми, соответствующие им полумуфты инерционной муфты и второе центральное колесо дифференциала имеют осевые отверстия и через них проходит вал первого центрального колеса дифференциала, у третьего, тормозного, механизма свободного хода ведущая обойма установлена на ведомом валу инерционной муфты и через вторую пару колес связана с выходным валом, а ведомая обойма установлена на валу первого центрального колеса дифференциала. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен третьей, тормозной, парой зубчатых колес, связывающих выходной вал с валом первого центрального колеса, в эту кинематическую связь включен тормозной механизм свободного хода, ведущая обойма которого связана с выходным валом, а ведомая обойма с валом первого центрального колеса дифференциала, размещенное на выходном валу колесо из тормозной пары колес имеет больший диаметр по сравнению с размещенным на том же валу колесом из первой пары колес.