ЗУБЧАТЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 1999 года по МПК F16H3/76 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к станкостроению и к транспортным механизмам.

Известны дифференциальные механизмы, в которых один из 3-х валов регулируется тормозным устройством (см. например, патент Германии N36331, кл. P 16 H 3/50, 5/76, P 16 D 55/14 1932 г.).

Однако такие конструкции не имеют возможности увеличивать крутящий момент на ведомом валу по мере снижения числа оборотов, не обладают возможностью реверсирования и имеют малый КПД.

Известны планетарные передачи с регулируемой скоростью солнечного колеса с помощью гидравлического насоса (см. например, патент США N 3924490, 1975 г.). Однако такая конструктивная схема не позволяет увеличивать выходной момент при снижении числа оборотов, а использование энергии гидравлического насоса усложняет конструкцию вариатора и снижает КПД передачи.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является зубчатая передача (см. авторское свидетельство СССР N 62597, кл. F 16 H 3/68, F 16 H 21/20 1941 г.), которая содержит корпус с подшипниковыми опорами для размещения ведущего и ведомых валов, механизм формирования зубчатого контура внутреннего зацепления регулируемого радиуса, включающий в себя опорную шестерню внутреннего зацепления, свободно насаженную на ось, перемещаемую вокруг ведущего вала с регулируемым эксцентриситетом, причем упомянутая шестерня снабжена ступицей прямоугольной формы, помещенной в кулисе, перемещаемой в направляющих корпуса в направлении, перпендикулярном движению ступицы в кулисе и, тем самым, обеспечивающей передачу крутящего момента с опорной шестерни на корпус при перемещении оси шестерни вокруг ведущего вала с регулируемым эксцентриситетом. Дополнительно планетарная зубчатая передача содержит силовую шестерню, свободно вращающуюся вокруг оси, перемещаемой вокруг ведущего вала с регулируемым эксцентриситетом, причем силовая шестерня связана с ведомым валом с помощью промежуточного вала шарнирами Гука и связана зубчатым зацеплением с опорной шестерней. Планетарная зубчатая передача содержит также механизм регулирования эксцентриситета шестерен с использованием эксцентриков, эксцентрично поворачивающихся вокруг ведущего вала, а также передача оснащена механизмом уравновешивания эксцентрично-вращающихся масс вариаторов, включающих балансировочный груз, перемещаемый в радиальном направлении, противоположном направлению перемещения шестерен.

Данная передача обеспечивает формирование зубчатого контура зацепления регулируемого радиса и передачу усилий со стороны силовой шестерни через опорную шестерню на корпус в точке зацепления с опорной шестерней, но т.к. опорная шестерня не проворачивается относительно корпуса, то число зубцов формируемого зубчатого корпуса остается постоянным независимо от радиуса контура, и, тем самым, с помощью данной передачи нельзя изменять число оборотов ведомого вала при изменении эксцентриситета шестерен.

Задачей изобретения является создание зубчатого вариатора с реверсом с КПД, равным КПД зубчатых передач, на основе формирования зубчатого контура зацепления регулируемого радиуса путем обкатки этого контура опорной шестерней постоянного радиуса с обеспечением нулевой скорости зубцов этой шестерни относительно корпуса в точке зацепления с шестерней, связанной с ведомым валом, а также с обеспечением передачи усилий в точке зацепления с опорной шестерней на корпус.

Указанный технический результат достигается тем, что зубчатый вариатор содержит корпус с подшипниковыми опорами для размещения ведущего и ведомого валов, механизм формирования зубчатого контура зацепления регулируемого радиуса, который включает в себя опорную шестерню внутреннего зацепления, которая снабжена не менее чем тремя шарнирными опорами, не лежащими на одной прямой и перемещаемыми в радиальном направлении в направляющих сегментов, способных вращаться вокруг ведущего вала, причем на сегментах закреплены корпуса сцепных муфт, а на сцепляемых с корпусами сцепных валах закреплены шестерни, которые контактируют с зубчатым колесом, закрепленным на корпусе. С опорной шестерней, которая путем обкатки по окружности регулируемого радиуса образует зубчатый контур, контактирует силовая шестерня, свободно вращающаяся на сателлитом валу, перемещаемом в радиальном направлении, и связанная непосредственно или с помощью дополнительных шестерен с ведомым валом посредством промежуточного вала с шарнирами Гука или с помощью муфты, допускающей радиальное смещение валов.

Необходимое движение опорной шестерни для создания зубчатого контура регулируемого радиуса обеспечивается вращением сцепных валов сцепных муфт, осуществляемым следяще-управляющим механизмом, который включает в себя следящую шестерню, свободно вращающуюся на сателлитом валу или жестко связанную с силовой шестерней, причем следящая шестерня контактирует с управляющей шестерней, свободно вращающейся на эксцентрике сателлитного вала, при этом управляющая шестерня с помощью не менее 3-х шарнирных опор закреплена на сегментах аналогично закреплению опорной шестерни, а на сегментах следяще-управляющего механизма закреплены опоры подшипников шестерен, контактирующих с неподвижной шестерней и соединенных несамотормозящей зубчатой передачей с устройствами расцепления муфт, причем передаточное отношение несамотормозящей зубчатой передачи обеспечивает равенство угловых скоростей соответствующих сегментов обоих упомянутых механизмов. С устройствами расцепления муфт могут контактировать непосредственно сегменты следяще-управляющего механизма с помощью клинового выступа на сегментах.

Механизм формирования зубчатого контура может включать опорную шестерню, снабженную внешним зубчатым венцом, контактирующим с шестернями, закрепленными на сцепных валах муфт, причем корпуса муфт закреплены на кронштейнах, перемещаемых в радиальном направлении в направляющих корпуса. При этом управляющая шестерня контактирует аналогичным образом с шестернями валов, контактирующих с устройствами расцепления муфт с обеспечением полного соответствия движения опорной шестерни движению управляющей шестерни.

На фиг.1 представлена конструктивная схема вариатора с зацеплением опорной и управляющей шестерен на сегментах и связью между сегментами с помощью валов; на фиг.2 показан вид по А-А фиг.1; на фиг.3 представлена конструктивная схема вариатора с закреплением опорной и управляющей шестерен на сегментах и связью сегментов с устройствами расцепления муфт с помощью клинового выступа; на фиг.4 представлена конструктивная схема вариатора с внешним зубчатым зацеплением опорной и управляющих шестерен; на фиг.5 показана конструктивная схема гидросцепной муфты; на фиг.6 представлена конструктивная схема фрикционной муфты: на фиг.7 представлена схема работы вариатора.

Зубчатый вариатор содержит корпус 1 с подшипниковыми опорами 2, 3 для размещения ведущего 4 и ведомого 5 валов, механизм формирования зубчатого контура зацепления регулируемого радиуса, который включает в себя опорную шестерню 6 внутреннего зацепления, которая снабжена не менее чем тремя шарнирными опорами 7, не лежащими на одной прямой, способными перемещаться в радиальном направлении в направляющих 8 сегментов 9, которые выполняют функцию кинематической связи и могут вращаться вокруг ведущего вала, причем на сегментах 9 закреплены корпуса сцепных муфт 10, сцепные валы 11 которых оснащены шестернями 12, введенными в зацепление с шестерней 13, неподвижно закрепленной на корпусе 1. С опорной шестерней 6 контактирует силовая шестерня 14, свободно вращающаяся на сателлитом валу 15, способном перемещаться в радиальном направлении в направляющих 16 ведущего вала. Ступица силовой шестерни 14 может быть непосредственно связана с ведомым валом 5 с помощью промежуточного вала 17 с шарнирами Гука или через зубчатое зацепление дополнительных шестерен. Необходимое движение опорной шестерни для создания зубчатого контура регулируемого радиуса обеспечивается вращением сцепных валов 11 сцепных муфт 10, осуществляемое следяще-управляющим механизмом, который включает в себя следящую шестерню 18, свободно вращающуюся на сателлитом валу 15 и жестко связанную с силовой шестерней 14, причем следящая шестерня 18 контактирует с управляющей шестерней 19, свободно вращающейся на эксцентрике 20 сателлитного вала 15, при этом управляющая шестерня 19 с помощью не менее трех шарнирных опор 21 закреплена на направляющих 22 сегментов 23 аналогично закреплению опорной шестерни 6, а на сегментах 23 следяще-управляющего механизма закреплены опоры подшипников 24 шестерен 25, контактирующих с неподвижно закрепленной на корпусе шестерней 26 и соединенных с помощью валов 27 с устройством расцепления муфт 10, корпуса которых закреплены на одноименных сегментах 9 механизма формирования зубчатого контура. Передаточные числа вышеупомянутых зубчатых передач выбираются из условия обеспечения равенства угловых скоростей одноименных сегментов обоих упомянутых механизмов. Воздействие на устройство расцепления муфт может осуществляться (фиг. З) непосредственно сегментами 23 с помощью закрепленных на них клиновых выступов 28.

Механизм формирования зубчатого контура может включать в себя (фиг. 4) опорную шестерню 6, снабженную внешним зубчатым венцом 29, контактирующим с шестернями 12, закрепленными на сцепных валах 11 муфт 10, корпуса которых размещены на кронштейнах 30, способных перемещаться в радиальном направлении в направляющих 31 корпуса 1. При этом управляющая шестерня 19 снабжена зубчатым венцом 32 и контактирует с шестернями 25, закрепленными на валу 27, которые размещены в подшипниковых опорах корпусов муфт и взаимодействуют с устройствами расцепления муфт, причем передаточное отношение вышеупомянутых зубчатых пар подбирается из условия равенства угловых скоростей шестерен 19 и 6.

В частном случае, когда число зубцов опорной 6 и силовой 14 шестерен равно, зубчатое соединение между опорной 6 и управляющей 19 шестернями в виде жестко связанных между собой силовой 14 и следящей 18 шестерен вырождается в зубчатую муфту, при этом ведомый вал 5 непосредственно связан с управляющей шестерней 19 (не показано на фиг.).

Вариатор может быть снабжен рамами, соединяющими противоположные подвижные кронштейны 30 (не показаны на фиг.).

В качестве сцепной муфты может применяться гидросцепная муфта (фиг.5), содержащая корпус 32 с размещенными внутри корпуса ротором 33 с лопастями 34, прижатыми к эксцентрично выполненной внутренней цилиндрической поверхности корпуса с проточками 35 и 36, ограничивающими зоны высокого и низкого давлений жидкости. Упомянутые зоны могут быть соединены или разобщены каналами 37 и 38 при угловом рассогласовании ротора 33 с валом 27, в котором выполнен канал 39. В канале 37 установлен обратный клапан 40, а ротор 33 выполнен вместе с валом 11, на котором жестко закреплена шестерня 12.

В качестве сцепной муфты может применяться фрикционная муфта (фиг.6), содержащая корпус 32 с размещенными внутри корпуса валом 11 с закрепленной на нем шестерней 12 и фрикционной тарелкой 41, поджимаемой к корпусу пружиной 42 и способной перемещаться относительно вала 11 в шлицах 43 при угловом рассогласовании вала 27 с тарелкой 41 за счет клинового соединения 44 тарелки с валом 27. Кроме того, между валом 11 и корпусом муфты 32 установлена обгонная муфта 45 (на каждой фрикционной муфте).

Вариатор работает следующим образом. При вращении ведущего вала 4 относительно оси O₄ (фиг.1,7) с сателлитным валом 15 силовая шестерня 14 с осью вращения O₁₄ и опорная шестерня 6 с осью вращения O₆ имеют точку зацепления K, которая вращается вокруг оси O₄, образовывая контур зацепления K_зц, радиус которого изменяется при изменении эксцентриситета ε за счет радиального смещения сателлитного вала 15 в направляющих 16 ведущего вала 4. В начальный момент вращения ведущего вала 4 с сателлитным валом 15 при наличии момента сопротивления ведомого вала 5, передающегося на силовую шестерню 14, в точке контакта K шестерен 14 и 6 возникает сила F. При этом в начальный момент обеспечивается отсутствие усилий в точке контакта К шестерен 18 и 19, что достигается, например, увеличенными люфтами в передачах следяще-управляющего механизма по сравнению с люфтами механизма формирования зубчатого контура, введением упругой связи в следяще-управляющем механизме или иным способом. Усилие F в точке зацепления K передается через шарнирные опоры 7 и направляющие 8 на сегменты 9 и через корпуса муфт 10, валы 11 и шестерни 12 замыкается на корпус через неподвижную шестерню 13. В итоге точка K оказывается неподвижной относительно корпуса и является мгновенным центром вращения для шестерен 14, 18 и для контактирующей с шестерней 18 шестерни 19. При дальнейшем движении шестерня 14 и связанная с ней шестерня 18 начинают вращаться относительно точки K, заставляя вращаться шестерню 19 вокруг эксцентрика 20 сателлитного вала 15. Движение шестерни 19 через шарнирные опоры 21, направляющие 22, сегменты 23, подшипниковые опоры 24, шестерни 25, вал 27, вал 11, шестерню 12 через корпус муфты 10, сегменты 9, шарнирные опоры 7 после выбора всех люфтов в передачах следяще-управляющего механизма и достижения деформаций, создающих достаточные усилия для движения устройств расцепления муфт, передается на шестерню 6, заставляя ее точно повторять движение шестерни 19, т. е. формировать зубчатый контур зацепления K_зц с неподвижной относительно корпуса точкой зацепления K, перемещаемой по контуру K_зц с угловой скоростью ведущего вала ω с передачей усилия зацепления шестерни 14 на корпус.

Угловые скорости шестерен 14 и 6 определяются выражением
ω₁₄ = ω₄(r₆-r₁₄-ε)/r₁₄, ω₆ = ω₄ε/r₆,
где ω₁₄ - угловая скорость шестерни 14;
ω₄ - угловая скорость ведущего вала 4;
r₆ - радиус зацепления шестерни 6;
r₁₄ - радиус зацепления шестерни 14;
ε - эксцентриситет оси шестерни 6 относительно оси ведущего вала;
ω₆ - угловая скорость шестерни 6.

При исполнении вариатора (фиг. 1) с соединением ведомого вала 5 с силовой шестерней 14 возможны следующие режимы работ.

Если ε = 0 то ω₆ = 0, все детали вариатора неподвижны, кроме валов 2, 5, 15 и шестерен 14 и 18. Вариатор работает как одноступенчатый зубчатый редуктор с КПД, равным КПД одной пары шестерен (основной режим транспортных средств). При ε > 0, но ε < (r₆-r₁₄) (ось O₆ ниже оси O₄, а ось O₁₄ выше оси O₄ - фиг. 7) направление угловой скорости ведущего и ведомого валов противоположные. При ε = (r₆-r₁₄) (ось O₁₄ совпадает с осью O₄) угловая скорость ведомого вала 5 равна нулю, а крутящий момент на валу равен максимально допустимому (теоретически равен ∞).
Если ε > (r₆-r₁₄), то направление вращения ведомого вала совпадает с ведущим, т. е. осуществляется реверс вариатора. При этом от проворачивания шестерни 12 в обратном направлении предохраняет обратный клапан 40 или обгонная муфта 45.

При исполнении вариатора с соединением ведомого вала с управляющей шестерней 19, которая вращается со скоростью ω₆, возможны следующие режимы работ.

При ε > 0, направления вращения ведущего и ведомого валов совпадают, при ε < 0 (ось O₆ выше оси O₄ - фиг.7) направления вращения упомянутых валов противоположны, при ε = 0 все детали вариатора неподвижны за исключением валов 4, 15 и шестерен 14, 18, угловая скорость ведомого вала равна нулю, а крутящий момент на валу максимально допустимый (основной режим подъемно-транспортных механизмов).

При работе вариатора могут быть потери на трение в подвижных элементах, в т.ч. в сцепных муфтах. Но муфты, находящиеся в зоне контакта К, имеют нулевое или незначительное перемещение, а с противоположной стороны при максимальных перемещениях отсутствуют нагрузки, в результате чего КПД будет приближаться к КПД зубчатой передачи шестерен 6 и 14.

При исполнении вариатора с радиальным перемещением муфт (фиг. 4) схема работы аналогична вышеприведенной. Усилие на корпус со стороны шестерни 6 передается через зубчатые венцы 29 на муфты 10, затем на кронштейн 30, направляющие 31, а вращение валов 27 обеспечивается от шестерен 19 через зубчатые венцы 32 и шестерни 25.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к станкостроению и транспортным механизмам. Зубчатый вариатор содержит ведущий вал с регулируемым эксцентриситетом и ведомый вал, опорную и управляющую шестерни, связанные между собой зубчатым зацеплением. Опорная шестерня связана с ведомым валом посредством шарниров Гука, а с корпусом - передачами. включающими сцепные муфты, зубчатые зацепления и кинематические связи. Передачи могут быть осуществлены сцепными муфтами и зубчатыми зацеплениями. Управляющая шестерня связана с корпусом механизмом формирования зубчатого контура зацепления регулируемого радиуса, а с передачами или кинематическими связями - устройствами расцепления муфты. Передаточные числа передач выбраны из условия обеспечения равенства угловых скоростей упомянутых шестерен. Обеспечивается создание зубчатого вариатора с реверсом и с КПД, равным КПД зубчатых передач. 6 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Зубчатый вариатор, содержащий корпус с подшипниковыми опорами для размещения ведущего и ведомого валов, опорную и управляющую шестерни, установленные с возможностью вращения вокруг ведущего вала с регулируемым эксцентриситетом и связанные между собой средством зубчатого зацепления, причем одна из шестерен связана с ведомым валом посредством шарниров Гука, а вторая связана с корпусом механизмом формирования зубчатого контура зацепления регулируемого радиуса, отличающийся тем, что одна из шестерен связана с корпусом передачами, включающими сцепные муфты, зубчатые зацепления, кинематические связи или сцепные муфты и зубчатые зацепления, а вторая шестерня связана передачами или кинематическими связями с устройствами расцепления муфты, причем передаточные числа передач выбраны из условия обеспечения равенства угловых скоростей упомянутых шестерен. 2. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что опорная и управляющая шестерни шарнирно соединены с направляющими для радиального перемещения, которые закреплены на по меньшей мере трех сегментах для каждой шестерни, установленных в корпусе с возможностью вращения вокруг ведущего вала и выполняющих функцию кинематической связи, при этом все сегменты разных шестерен попарно соединены между собой посредством валов, причем с одной стороны этих валов установлены шестерни, введенные в зацепление с шестерней, неподвижно закрепленной на корпусе, а с другой стороны валы соединены с устройствами расцепления муфт, корпуса которых закреплены на сегментах, а сцепляемые с корпусами муфт валы оснащены шестернями, зацепленными с другой дополнительной шестерней, закрепленной на корпусе. 3. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что зубчатое зацепление между опорной и управляющей шестернями осуществлено посредством одной или двух жестко связанных между собой шестерен, контактирующих с упомянутыми шестернями внутренним или внешним зацеплением и свободно насаженных на сателлитный вал, установленный с возможностью перемещения в радиальном направлении в направляющих ведущего вала. 4. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что опорная и управляющая шестерни снабжены внешними зубчатыми венцами, контактирующими с шестернями, одни из которых закреплены на сцепных валах муфт, а валы других шестерен соединены с устройствами расцепления муфт, причем корпуса муфт установлены с возможностью их радиального перемещения в направляющих корпуса вариатора. 5. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сцепных муфт применены гидросцепные муфты, причем в магистралях между зонами высокого и низкого давлений установлены обратные клапаны. 6. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сцепных муфт применены фрикционные муфты, причем между валом и корпусом каждой фрикционной муфты установлены обгонные муфты. 7. Вариатор по п. 2, отличающийся тем, что сегменты опорной шестерни оснащены сцепными муфтами, а одноименные сегменты управляющей шестерни контактируют непосредственно с устройствами расцепления муфт.