ИМПУЛЬСНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 1997 года по МПК F16H29/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесступенчатым передачам, используемым в приводах машин и механизмов различного назначения, например в наплавочных станках в приводах конвейеров в легкой промышленности, и приводах сельскохозяйственных машин.

Известные вариаторы имеют следующие значения диапазона регулирования: фрикционные 3. 4, цепные 7.10, клиноременные 1,45.1,7. Большинство современных машин требуют регулирования угловой скорости ведомого вала в более широких пределах. Как правило, расширение диапазона регулирования достигается установкой дополнительной коробки перемены передач или последовательным соединением двух вариаторов, что приводит к усложнению привода и снижению его надежности.

Известен импульсный вариатор, содержащий корпус, эксцентрики, диск с кольцевым пазом и пять групп одинаковых деталей, состоящих из ролика, рычага, промежуточного вала и механизма свободного хода (МСХ), связанного с ведомым валом [1]
Известен импульсный планетарный вариатор, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, пять промежуточных валов, пять шатунов и пять роликовых механизмов свободного хода [2]
Данные импульсные вариаторы имеют существенно больший диапазон регулирования, что достигается использованием фрикционных роликовых МСХ, которые при бесшумной работе и малом мертвом ходе обеспечивают способность работы при высоких скоростях и большом числе включений (до 5•10⁶) и широкий диапазон передаваемых моментов (до 100000 Нм).

Малый мертвый ход, позволяет импульсным вариаторам с роликовыми МСХ функционировать при i_max от 1400 ло 1500. (Здесь i передаточное отношение, отношение числа оборотов ведущего вала к ведомому). При этом наибольшее влияние на величину i_max оказывает вращающий момент, а наименьшее число роликов механизма свободного хода.

К недостаткам данных устройств следует отнести то, что ведомый вал за каждый оборот ведущего вала получает последовательно за равные промежутки времени только пять прерывистых вращательных движений пять импульсов. Такое число импульсов не обеспечивает непрерывное и достаточно равномерное вращение ведомого вала, особенно при больших значениях передаточного отношения. Увеличение числа импульсов связано с увеличением числа групп деталей и количества МСХ, что ведет к значительному увеличению габаритов и сложности конструкции вариатора.

Известен импульсный вариатор, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий, ведомый и промежуточный валы, корпусной и выходной преобразующие механизмы, состоящие каждый из барабана, установленного с возможностью вращения на промежуточном валу, собачек, шарнирноустановленных в барабане, храпового колеса с внутренним зацеплением и упругого элемента, связывающего собачки с храповым колесом [3]
Ведомый вал данного импульсного вариатора получает за один оборот ведущего вала от 8 до 24 и более импульсов. Количество импульсов определяется количеством собачек преобразующего механизма (ПМ), что открывает для данной схемы большие возможности в плане увеличения равномерности вращения ведомого вала.

К недостаткам данного устройства следует отнести:
1. Относительно малый диапазон регулирования (D=10.20, здесь D=i_max/ i_min, что существенно снижает область применения данного вариатора, например, делает невозможным его использование в приводе наплавочного станка (D= 50);
2. Ударное взаимодействие собачек с зубьями храпового колеса в процессе передачи нагрузки от одной собачки к другой, что приводит к поломке зубьев зубчатого колеса и, соответственно, потере работоспособности импульсного вариатора.

Диапазон регулирования данного вариатора во многом определяется числом зубьев храпового колеса Z. Действительно ПМ начинает передавать движение ведомому валу только тогда, когда за один оборот ведущего вала барабан с собачками повернется на угол, соответствующий углу зуба храпового колеса (360^o/Z), следовательно, i_max=Z. В соответствии с рекомендациями (4, с. 707, таблица 9) Z≅200. Следует также учитывать, что с увеличением числа Z (при неизменных габаритах) уменьшается нагрузочная способность храпового колеса.

Кроме того, дискретный характер расположения зубьев делает возможным передачу нагрузки от одной собачки к другой только когда между ними находится целое число зубьев, что приводит к ударам и высокой динамической нагруженности деталей вариатора, особенно при малых значениях эксцентриситета промежуточного вала, соответствующих передаточным отношениям близким к i_max.

Изобретение решает следующую техническую задачу обеспечивает расширение диапазона регулирования и повышение нагрузочной способности импульсного вариатора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что импульсный вариатор, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий, ведомый и промежуточный валы, корпусной и выходной преобразующие механизмы, состоящие каждый из барабана, установленного с возможностью вращения на промежуточном валу, и собачек, шарнирно установленных в барабане, согласно изобретению снабжен по числу преобразующих механизмов роликовыми механизмами свободного хода, каждый из которых образован вставками, роликами и упругими элементами, а каждый преобразующий механизм включает также обойму, в которой вставки установлены с возможностью перемещения относительно друг друга по обойме и шарнирно связаны с собачками, выполненными в виде пластин.

Кроме того, для повышения нагрузочной способности и надежности вариатор снабжен установленными между вставками опорными роликами, сепаратором опорных роликов и упругими элементами, связывающими опорные ролики с вставками.

Кроме того, для упрощения конструкции ролики механизма свободного хода шарнирно соединены с собачками.

Особенностями заявляемого устройства являются следующие.

Преобразующий механизм снабжен обоймой, в которой установлены вставки роликового механизма свободного хода.

Вставки роликового механизма свободного хода установлены с возможностью перемещения относительно друг друга по обойме и шарнирно связаны с собачками, выполненными в виде пластин, что позволяет за счет возможности корпусов вставок перемещаться друг относительно друга (сближаться или удаляться в соответствии с положением собачек), использовать элементы роликового МСХ в конструкции данного импульсного вариатора, за счет малого мертвого хода вставок роликового механизма свободного хода существенно (примерно в 10 раз) увеличить максимальное значение передаточного отношения и соответственно диапазон регулирования вариатора, а также за счет фрикционного контакта роликов с корпусом вставок и обоймой практически исключить удары при передаче нагрузки от одной собачки к другой, повышая нагрузочную способность вариатора.

Снабжение вариатора установленными между вставками опорными роликами, сепараторы опорных роликов и упругими элементами, связывающими опорные ролики с всатвками роликового механизма свободного хода, позволяет за счет восприятия нагрузки на обойму опорными роликами разгрузить вставки, не передающие в данный момент нагрузку, и улучшить условия их перемещения в обойме. Соответственно повышается нагрузочная способность и надежность работы обоймы. Сепаратор обеспечивает равномерное распределение опорных роликов по обойме, а упругие элементы помогают занимать равноудаленное от соседних вставок положение.

Соединение роликов механизма свободного хода шарнирно с собачками позволяет, за счет исключения шарнира, соединяющего корпус вставки с собачкой, и уменьшения размеров вставок уменьшить габариты и упростить конструкцию вариатора.

На фиг. 1 изображен импульсный вариатор в разрезе; на фиг. 2 вариант обоймы с опорными роликами; на фиг. 3 обойма, у которой ролики механизма свободного хода шарнирно соединены с собачками.

Импульсный вариатор (фиг. 1) содержит корпус 1, размещенные в нем ведущий 2 и ведомый (на чертеже не показан) валы, промежуточный вал 3, размещенный на ведущем валу 2 с возможностью радиального перемещения, корпусной преобразующий механизм, состоящий из барабана 4, установленного с возможностью вращения на промежуточном валу 3, собачек 5, выполненных в виде пластин и шарнирно связанных с барабаном 4 и роликовым механизмом свободного хода со вставками, расположенными в обойме 6 с возможностью перемещения относительно друг друга на обойме. Каждая вставка имеет корпус вставки 7, установленный в обойме 6 с возможностью перемещения, ролик 8, установленный между корпусом вставки 7 и обоймой 6 и поджимаемый к ним упругим элементом 9. Обойма 6 корпусного преобразующего механизма жестко связана с корпусом 1 вариатора.

Выходной преобразующий механизм устроен аналогично, а его обойма жестко связана с выходным валом (на чертеже не показан).

Кроме того, вариатор (фиг. 2) может быть дополнительно снабжен опорными роликами 10, установленными между корпусами вставок 7, сепаратором 11 опорных роликов 10 и упругими элементами 12, связывающими опорные ролики с корпусами вставок.

Кроме того, (фиг. 3) ролики 8 механизма свободного хода шарнирно соединены с собачками 5.

Импульсный вариатор работает следующим образом.

При соосном расположении промежуточного вала 3, ведущего вала 2 и корпуса 1, вал 3 проворачивается в барабане 4, который при этом остается неподвижным, вследствие чего вращающий момент на ведомый вал не передается. Эксцентриситет расположения оси промежуточного вала 3 и барабана 4 относительно оси вращения ведущего вала 2 равен нулю (OS=0).

При несоосном расположении промежуточного вала 3 и корпуса 1 вращение от ведущего вала 2 передается промежуточному валу 3, который, поворачиваясь в барабане 4, заставляет его совершать плоскопараллельное движение.

При изменении эксцентриситета промежуточного вала 3 от нуля до некоторого значения OS₀ плоскопараллельное движение барабана не приводит к вращению ведомого вала, так как колебательные движения собачек 5 и корпусов вставок 7 лежат в пределах мертвого хода роликового механизма свободного хода. Барабан 4 совершает относительно оси вращения ведущего вала колебательное движение, но вращение на ведомый вал не передает.

При OS>OS₀ вставка роликового механизма свободного хода корпусного преобразующего механизма, корпус 7, который имеет наибольшую относительную линейную скорость перемещения по обойме 6 (для приведенных чертежей направления скорости соответствует вращению против часовой стрелки) вступает в фрикционный контакт с с обоймой, происходит заклинивание ролика 8 между обоймой 6 и корпусом вставки 7. Корпус вставки останавливается, и соответствующая ему собачка 5 образует с корпусом 1 вариатора неподвижное шарнирное соединение. В результате собачка 5 передает усилие на барабан 4 и он начинает совершать сложное движение.

Выходной преобразующий механизм преобразует сложное движение барабана 4 во вращательное движение ведомого вала. При этом все остальные вставки роликовых механизмов свободного хода остаются в незаклиненном состоянии и перемещаются вместе с собачками и барабаном в направлении вращения ведомого вала (для приведенных чертежей направление вращения ведомого вала соответствует вращению по часовой стрелке). Как только линейная скорость корпуса какой-либо вставки изменит направление, ее роликовый механизм свободного хода совершает фрикционное заклинивание, и следующая собачка начинает передавать нагрузку на ведомый вал. Собачки работают последовательно друг за другом соответственно заклиниванию и расклиниванию роликов 8. Постоянство контакта роликов с корпусом вставок и обоймой обеспечивают упругие элементы 9. Направление вращения барабана 4 и, соответственно, ведомого вала не зависит от направления вращения ведущего вала и определяется направлением заклинивания роликовых механизмов свободного хода. Угловая скорость вращения ведомого вала плавно возрастает в соответствии с увеличением значения эксцентриситета OS промежуточного вала при помощи механизма регулирования (на чертежах не показан).

Импульсный вариатор с обоймой, изображенной на фиг. 2, работает аналогично. Опорные ролики 10 разгружают корпуса вставок 7, находящихся в незаклиненном состоянии, от действия радиальных сил, возникающих при деформациях обоймы в процессе заклинивания одного из роликов 8. Сепаратор 11 обеспечивает равномерное распределение опорных роликов 10 по обойме 6, а упругие элементы помогают им занимать примерно равноудаленное положение от соседних корпусов вставок 7, улучшая условия их перемещения в обойме 6.

Импульсный вариатор с обоймой, изображенной на фиг. 3, работает аналогично вариатору на фиг. 1. Отличием является то, что вследствие непосредственного шарнирного соединения собачек 5 с роликами 8 движение корпусов вставок 13 при работе вариатора определяется упругими элементами 9. При большой скорости перемещения в направлении по часовой стрелке упругий элемент 9 может быть сжат и тогда ролик 8, непосредственно контактируя с корпусом вставки 13, перемещает его по обойме. При уменьшении скорости перемещения ролика 8 упругий элемент 9 разжимается и корпус вставки обгоняет в движении по обойме ролик 8, поджимая его к поверхностям корпуса 13 и обоймы 6, что способствует быстрому заклиниванию ролика 8 при начале его движения по обойме в направлении против часовой стрелки.

Опытный образец импульсного вариатора, выполненный с двенадцатью вставками роликового механизма свободного хода, с наружным диаметром корпуса в пределах 250 мм и максимальном значении эксцентриситета OS=8 мм при испытаниях с частотой вращения ведущего вала n₁=100 мин^-1 показал следующие результаты:
1) минимальное значение передаточного отношения при OS_max=8 мм, i_min=8;
2) максимальное значение передаточного отношения при значении эксцентриситета промежуточного вала близком к нулю (точно установить не удалось) i_max=620; D=i_max/i_min; D=77,5.

3) диапазон частоты вращения ведомого вала изменялся в пределах n₂=(0,16 12,5) мин^-1.

Испытания подтвердили расширение диапазона регулирования и показали необходимость усовершенствования механизма регулирования величины эксцентриситета OS для более точного определения максимального передаточного отношения вариатора, при значении OS близком нулю.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: в импульсном вариаторе роликовый механизм свободного хода (МСХ) образован вставками, роликами и упругими элементами. Корпусной и выходной преобразующие механизмы включают каждый барабан, шарнирно установленные в них и выполненные в виде пластин собачки и обоймы. В обойме преобразующего механизма установлены вставки соответствующего роликового МСХ с возможностью перемещения относительно друг друга по обойме и шарнирно связаны с собачками. Ролики МСХ также шарнирно соединены с собачками. Между вставками установлены опорные ролики. Сепаратор опорных роликов и упругие элементы связывают вставки с опорными роликами. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Импульсный вариатор, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий, ведомый и промежуточный валы, корпусной и выходной преобразующие механизмы, включающие каждый барабан, установленный на промежуточном валу, и собачки, шарнирно установленные в барабане, отличающийся тем, что он снабжен по числу преобразующих механизмов роликовыми механизмами свободного хода, каждый из которых образован вставками, роликами и упругими элементами, а каждый преобразующий механизм включает также обойму, в которой вставки установлены с возможностью перемещения относительно друг друга по обойме и шарнирно связаны с собачками, выполненными в виде пластин. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен установленными между вставками опорными роликами, сепаратором опорных роликов и упругими элементами, связывающими опорные ролики со вставками. 3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что ролики механизма свободного хода шарнирно соединены с собачками.