БЕЗИНЕРЦИОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА ШАШКИНА Российский патент 1997 года по МПК F16H33/14 

Изобретение относится к механизмам, изменяющим плавно, бесступенчато величины момента и угловой скорости выходного звена при неизмененных значениях момента и угловой скорости входного звена.

Известен инерционный импульсный автоматический трансформатор вращающего момента грузовых автомобилей, в котором ведущий вал передачи изготовлен за одно целое с передней крышкой ведущего маховика, выполненного разборным и несущего подшипники качения, в которых установлены оси сателлитов с закрепленными на них неуравновешенными грузами, причем сателлиты находятся в зацеплении с центральной шестерней, закрепленной на одном конце карданного вала автомобиля, жестко связанного с внутренней обоймой механизма свободного хода, у которого наружная обойма связана с корпусом передачи, при этом второй конец карданного вала несет маховик [1]
Трансформатор имеет следующие недостатки.

1. Передаточное отношение в нем изменяется только при изменении момента сопротивления, его нельзя изменять чисто кинематически, т.е. при отсутствии момента сопротивления в нем невозможно управление управление его выходной характеристикой величиной выходного момента и величиной угловой скорости выходного вала. 2. За одну половину периода одного колебания импульсатора положительный импульс вращающего момента передается на выходной вал, изменяясь плавно от нуля до максимума и опять до нуля, а на протяжении второй половины периода отрицательный импульс момента не передается на этот вал и вращательное движение на рабочую машину передается только с помощью маховика.

Близким техническим решением к изобретению является инерционный трансформатор вращающего момента [2] который содержит входной, промежуточный и выходной валы, два одинаковых планетарных ряда с четырьмя центральными колесами и двумя сателлитами с неуравновешенными грузами, два механизма свободного хода, регулирующее устройство, выполненное в виде реверсивного гидромотора, статор и ротор которого связаны с двумя центральными колесами, и управляемую муфту фрикционного типа, фиксирующую статор и ротор регулирующего устройства.

Трансформатор имеет следующие недостатки.

1. Его невозможно использовать в негидрофицированных машинах.

2. В нем имеет место малая чувствительность и неточность регулирования.

3. Передаточное отношение в нем изменяется только при изменении момента сопротивления на выходном валу, его нельзя изменить чисто кинематически, т. е. при отсутствии момента сопротивления в нем невозможно управление его моментной характеристикой.

4. За одну половину периода одного колебания импульсатора положительный импульс вращающего момента передается на выходной вал, плавно изменяясь от нуля до максимума и опять до нуля, а на протяжении второй половины периода отрицательный импульс момента не передается на этот вал, так как гасится неподвижной наружной обоймой механизма свободного хода и вращательное движение на рабочую машину передается только с помощью маховика, что увеличивает неравномерность движения.

Целью настоящего изобретения является создание безынерционного трансформатора вращающего момента, в котором обеспечивается требуемая величина коэффициента неравномерности вращения выходного вала за счет получения любого количества перекрывающих друг друга, однонаправленных и регулируемых одновременно по величине импульсов вращающего момента с возможностью управления выходной моментной характеристикой.

Поставленная цель достигается тем, что предложен трансформатор вращающего момента, содержащий корпус, входной и выходной валы, механизмы свободного хода, импульсатор и механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, отличающийся тем, что, в одном случае, механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен соосным по схеме замкнутого дифференциального механизма, ведущее звено его соединено с входным валом импульсатора зубчатой или любой другой передачей с передаточным отношением меньше единицы, а ведомое звено посредством имеющего кривошип переменной длины кривошипно-ползунного механизма с тем же импульсатором, представляющим собой два шатуна, образующих каждый шарниры с хомутом ползуна кривошипно-ползунного механизма и с двумя коромыслами, несущими грузы, соединенными соответственно шарнирно посредством двуплечего рычага с наружной обоймой, и входным валом с внутренней обоймой первого механизма свободного хода, а второй механизм свободного хода наружной обоймой связан с наружной обоймой первого механизма свободного хода, внутренней обоймой с выходным валом; в другом случае, он снабжен установленным на выходном валу маховиком, механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен соосным по схеме замкнутого дифференциального механизма, ведущее звено его соединено с входным валом импульсатора зубчатой или любой другой передачей с передаточным отношением больше единицы, а ведомое звено посредством имеющего кривошип переменной длины кривошипно-ползунного механизма с тем же импульсатором, представляющим собой два шатуна, образующих каждый шарниры с хомутом ползуна кривошипно-ползунного механизма и с двумя коромыслами, несущими грузы, соединенным соответственно шарнирно посредством двуплечего рычага с наружной обоймой, и входным валом с внутренней обоймой первого механизма свободного хода, а второй механизм свободного хода наружной обоймой связан с наружной обоймой первого механизма свободного хода, внутренней обоймой с выходным валом, что в обоих случаях он снабжен кривошипно-ползунным механизмом с переменной длиной кривошипа, в котором механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен по схеме замкнутого дифференциального механизма, содержащего ведущий вал, жестко установленное на нем зубчатое колесо, первое и второе центральные колеса, установленные на ведущем валу свободно, установленное на ведущем валу с возможностью фиксированного поворота первое водило, шарнирно установленные в нем на общей оси и жестко связанные между собой два сателлита, предназначенные для зацепления соответственно с первым и вторым центральными колесами, замыкающие зубчатое колесо и первое центральное колесо и размещенные на промежуточном валу две шестерни, жестко связанное со ступицей второго центрального колеса второе водило, на пальце которого шарнирно размещен сателлит, входящий в зацепление с третьим центральным колесом, установленным жестко на ведущем валу, образующие в целом дифференциальный механизм переменного кривошипа, в котором второе водило и третье центральное колесо замкнуты механизмом регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, водило жестко связано со звеном, образующим шарнир с шатуном кривошипно-ползунного механизма, ползун которого связан шарнирно через хомут с двумя шатунами импульсатора, а передаточное отношение от зубчатого колеса до второго центрального колеса при остановленном первом водиле выбрано равным единице.

На фиг. 1 показана кинематическая схема всего трансформатора; на фиг. 2, 3 и 4 соответственно, схемы механизма регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, дифференциального механизма переменного кривошипа кривошипно-ползунного механизма и обоих механизмов свободного хода.

Трансформатор содержит корпус О, в подшипниках которого Д-Д расположен входной вал 1 импульсатора, с которым жестко связана внутренняя обойма 2 первого механизма свободного хода. В гнездах наружной поверхности этой обоймы располагают ролики 3, взаимодействующие с наружной обоймой 4, имеющей двуплечий рычаг, с которым шарнирно связаны два коромысла 5 и 6, несущие грузы 7 и 8 и образующие шарниры F с шатунами 9 и 10, связанными шарнирами С с хомутом 11 ползуна 12, образующего вращательную пару H с шатуном 13, соединенным шарниром со звеном 14, имеющим шарнир K с водилом 15, связанным шарниром с корпусом устройства. Обойма 4 первого механизма свободного хода имеет общую ступицу с наружной обоймой 16 второго механизма свободного хода, взаимодействующей с роликами 17, располагающимися в гнездах внутренней обоймы 18, связанной со ступицей маховика 19, сидящего на выходном валу устройства. Со звеном 14 жестко связана шестерня 20, входящая в зацепление с центральным колесом 21, закрепленном на одном конце ведущего вала. На втором конце этого вала закреплено зубчатое колесо 29. Ведущий вал А-А лежит в подшипниках корпуса. Колесо 22 входит в зацепление с колесом 23, жестко закрепленным на валу C-C. С этим валом жестко связана шестерня 24, входящая в зацепление с центральным колесом 25, в свою очередь зацепляющимся с сателлитом 26, который, жестко закреплен на валу, несущем сателлит 27, входящий в зацепление с центральным колесом 28, ступица которого располагается соосно с ведущим валом А-А и жестко связана с водилом 15. Вал зубчатых колес 26 27 образует шарнир с водилом 29. Входной вал импульсатора D-D и ведущий вал А-А связаны друг с другом либо зубчатой передачей, либо другим механизмом, например, рычажного типа. Именно поэтому, кинематическая связь звеньев 1 и 21 не показана на фиг. 1. Ролики 3 и 17 механизмов свободного хода имеют пазы во внутренних обоймах 2 и 18 с противоположными углами заклинивания (фиг. 3 и фиг. 4). Трансформатор вращающего момента работает следующим образом. Звенья 4 11 образуют центробежный импульсатор. От двигателя приводится во вращение входной вал 1 импульсатора, от которого вращается внутренняя обойма 2 первого механизма свободного хода, при этом ролики 3 этой обоймы взаимодействуют с подвижной наружной обоймой 4 и приводят ее во вращение. В этот период угловые скорости вала 1 и обоймы 4 одинаковы. Одновременно от двуплечего рычага обоймы 4 приводятся во вращательное движение вокруг оси D-D звенья 5 и 6 с грузами 7 и 8. Под действием центробежной силы инерции грузы 7 и 8 стремятся повернуть звенья 5 и 6 вокруг шарниров, образованных ими с двуплечим рычагом 4, к такому положению, когда звенья 4, 5 и 6 с грузами 7 и 8 вытянутся в одну линию по радиусу вращения, перпендикулярному к оси вращения вала 1. В этом случае звенья 9 и 10 стремятся оттянуть ползун вправо с помощью хомута 11. Однако это возможно только в том случае, если шатун 12 позволит ползуну 12 сделать такое движение. Ползун 12 является выходным звеном кривошипно-ползунного механизма ABH, с переменной длиной кривошипа. AB. Длина кривошипа AB может изменяться с помощью механизма регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, который образуется звеньями 22 29. В нем звенья 25 29 составляют его дифференциальный механизм с двумя степенями свободы, одна из которых принадлежит первому водилу 29, а вторая уничтожается тем, что колесо 22 и центральное колесо 25 замкнуты парой колес 23 и 24.

От ведущего вала А-А вращение передается колесу 22, от которого с помощью пары колес 23 24 приводится во вращение первое центральное колесо 25, которое с помощью пары сателлитов 26 27 связано со вторым центральным колесом 28, жестко закрепленным на одной ступице со вторым водилом 15, несущим на пальце К-К сателлит 20, входящий в зацепление с третьим центральным колесом 21. Звенья 12 15, 20, 21 образуют кривошипно-ползунный механизм, в котором звенья 15, 20, 21 составляют его дифференциальный механизм изменения длины кривошипа, имеющий две степени свободы. Третье центральное колесо 21 и второе водило 15 замкнуты в целом механизмом регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, что уничтожает одну степень свободы. Вторая степень свободы принадлежит второму водилу 15. При остановленном первом водиле 29, установленном свободно на ведущем вала А-А с возможностью фиксированного поворота, передаточное отношение от второго водила 15 до третьего центрального колеса принято равным единице, т.е. U_15-21 1. При остановленном водиле 29 угловые скорости звеньев 15 и 21 одинаковы, следовательно и сателлит 20 и шатун 14 не имеют относительного движения, и расстояние AB не изменяется при непрерывном вращении водила 15. При повороте водила 29 вручную или от какого-либо механизма кинематическая цепь 25 29 превращается в дифференциальный механизм. В этом случае звенья 15 и 21 получают относительное движение, причем сателлит 20 с шатуном 14 поворачиваются относительно водила 15. В этом случае шарнир B приближается к шарниру A. Таким образом, AB является кривошипом переменной длины в кривошипно-ползунном механизме ABH. При изменении длины кривошипа AB от максимального значения до нуля ход ползуна 12, а следовательно и угол поворота звена 5 в шарнире E относительно двуплечего рычага 4 изменяется также от максимального значения до нуля. Пусть при максимальном значении длины AB кривошипа ползун 12 находится в крайнем правом положении, и пусть в этот момент звенья 4 и 5 вытягиваются в одну линию по радиусу R_max, перпендикулярному оси вращения D-D импульсатора. В этом положении звенья 4 11 имеют угловую скорость, равную угловой скорости обоймы 2 и вала двигателя 1. Грузы 7 и 8 развивают некоторый кинетический момент. Кривошип AB располагается по одной линии с шатуном 13. При дальнейшем вращении кривошипа AB от этого положения ползун 12 движется влево и поворачивает звенья 5 и 6 относительно звена 4, уменьшая угол между этими звеньями. В этом случае, при сохранении величины кинетического момента, угловая скорость импульсатора 4 11 увеличивается, так как радиус вращения грузов 7 8 относительно оси D-D уменьшается до минимального значения R_min. Угловая скорость импульсатора 4 11 становится большей угловой скорости вала 1 обоймы 2. Эта скорость передается обоймой 16 и роликами 17 обойме 18, и выходной вал устройства с маховиком 19 получают импульс. Следовательно, импульсатор вращается всегда в одну сторону и создает односторонний импульс для выходного вала.

Он не взаимодействует с неподвижной поверхностью, как это имеет место в импульсаторе двухстороннего импульса, применяющегося во всех существующих инерционных трансформаторах. При изменении радиусов вращения грузов от R_max до R_min величина кинетического момента сохраняется. Это следует из того, что ось вращения D-D импульсатора расположена горизонтально, как на фиг. 1, или, если ось вращения D-D импульсатора расположена вертикально /этот случай не показан на схемах/, то силы тяжести грузов 7 и 8 расположены перпендикулярно оси вращения в первом случае и вдоль оси вращения во втором. В обоих случаях сумма моментов этих сил относительно сои вращения равна нулю, и имеют место случаи сохранения проекции главного момента количества движения системы L_D материальных точек. При изменении величины радиусов вращения грузов 7 и 8 от значения R_max до значения R_min имеет место условие , или
,
где моменты инерции,
угловые скорости грузов 7 и 8 относительно оси D-D.

Отсюда

Имея в виду, что , где M масса грузов 7 и 8, получим

Передаточное отношение трансформатора равно
Например, передаточное отношение трансформатора при R_max R_min равно

Передаточное отношение трансформатора плавно изменяется при плавном перемещении водила 29. При длине кривошипа l_AB 0 ход ползуна 12 равен нулю и R_max R_min, в этом случае U 1, и следовательно, диапазон плавного изменения передаточного отношения определяется как 1≅U≅16.

Угловая скорость импульсатора изменяется от значения до значения . Такой трансформатор может использоваться в трансмиссиях автомобилей, тракторов, тягачей и других машин, в которых начальная угловая скорость вала двигателя не равна нулю.

Следовательно, трансформатор построен на новом принципе сохранении проекции главного момента количества движения системы материальных точек, а не на использовании колебательного движения импульсатора, как это делается во всех существующих схемах трансформаторов.

В предлагаемой конструкции импульсатор все время вращается в одну сторону и возбуждает односторонние импульсы, что позволяет создать безинерционный трансформатор. В этом случае вал 1 импульсатора и второе водило 15 вместе с третьим центральным колесом 21 должны быть связаны, например, зубчатой передачей, имеющей передаточное отношение U_1-15<1. В этом случае за один оборот вала 1 водило 15, центральное колесо 21 и кривошип AB кривошипно-ползунного механизма сделают несколько оборотов, что обеспечить несколько импульсов импульсатора за один оборот вала 1.

Например, пусть . Тогда ω₁₅=10ω₁ и импульсатор выдаст десять импульсов за один оборот вала 1. Следовательно, выходной вал близок к своему равномерному движению и устанавливать маховик нет необходимости.

Таким образом, трансформатор является безинерционным при передаточном отношении U_1-15, обеспечивающем допустимую величину коэффициента неравномерности вращения выходного вала трансформатора, необходимую по условиям работы машины, в которой установлен трансформатор.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: трансформатор вращающего момента содержит корпус, входной и выходной валы, механизмы свободного хода, импульсатор и механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента. Механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен соосным по схеме замкнутого планетарного механизма. Его ведущее звено соединено с импульсатором передачей с передаточным отношением меньше единицы. Его ведомое звено соединено с тем же импульсатором кривошипно-ползунным планетарным механизмом. Импульсатор представляет собой два шатуна и два коромысла, несущие грузы, соединенными механизмами свободного хода с выходным валом. Трансформатор может включать устанавливаемый на выходной вал маховик. 2 с.п.и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Трансформатор вращающего момента, содержащий корпус, входной и выходной валы, механизмы свободного хода, импульсатор и механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, отличающийся тем, что механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен соосным по схеме замкнутого планетарного механизма, ведущее звено его соединено с входным валом импульсатора зубчатой или любой другой передачей с передаточным отношением меньше единицы, а ведомое звено посредством имеющего кривошип переменной длины кривошипно-ползунного планетарного механизма с тем же импульсатором, представляющим собой два шатуна, образующих каждый шарниры с хомутом ползуна кривошипно-ползунного планетарного механизма и с двумя коромыслами, несущими грузы, соединенными соответственно шарнирно посредством двуплечего рычага с наружной обоймой и входным валом с внутренней обоймой первого механизма свободного хода, а второй механизм свободного хода наружной обоймой связан с наружной обоймой первого механизма свободного хода, внутренней обоймой с выходным валом. 2. Трансформатор вращающего момента, содержащий корпус, входной и выходной валы, механизмы свободного хода, импульсатор и механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, отличающийся тем, что он снабжен установленным на выходном валу маховиком, механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента выполнен соосным по схеме замкнутого планетарного механизма, ведущее звено его соединено с входным валом импульсатора зубчатой или любой другой передачей с передаточным отношением больше единицы, а ведомое звено посредством имеющего кривошип переменной длины кривошипно-ползунного планетарного механизма с тем же импульсатором, представляющим собой два шатуна, образующих каждый шарниры с хомутом ползуна кривошипно-ползунного планетарного механизма и с двумя коромыслами, несущими грузы, соединенными соответственно шарнирно посредством двуплечего рычага с наружной обоймой и входным валом с внутренней обоймой первого механизма свободного хода, а второй механизм свободного хода наружной обоймой связан с наружной обоймой первого механизма свободного хода, внутренней обоймой с выходным валом. 3. Трансформатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что механизм регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, выполненный по схеме замкнутого планетарного механизма, имеет ведущий вал, на котором установлено жестко зубчатое колесо, с возможностью свободного вращения первое и второе центральные колеса, с возможностью фиксированного поворота водило, несущее шарнирно установленные в нем на общей оси и жестко связанные между собой два сателлита, введенные в зацепление соответственно с первым и вторым центральными колесами, и размещенные на промежуточном валу две шестерни, при этом передаточное отношение от зубчатого колеса до второго центрального колеса при остановленном водиле выбрано равным единице, а кривошипно-ползунный планетарный механизм с переменной длиной кривошипа представляет собой колесо, жестко установленное на ведущем валу механизма регулирования амплитуд импульсов вращающего момента, жестко связанный с вторым центральным колесом последнего кривошип, несущий сателлит, который введен в зацепление с колесом и жестко соединен с одним из двух шатунов, посредством которых шарнирно связан с ползуном, размещенным с возможностью осевого перемещения на входном валу импульсатора.