ЗУБЧАТО-РЫЧАЖНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2000 года по МПК F16H29/08 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения при большой передаваемой мощности между входным и выходным валами механизмов, включая останов выходного вала.

Известны вариаторы, в которых усилия от входного к выходному валу передают силы трения, что ограничивает величину рабочего момента (см [1], стр. 329-356; [2], стр. 40).

Известны устройства, в которых используются кулачковые и рычажные механизмы (см. [1], стр. 357-361; [2], стр. 189-190), зубчатые дифференциальные передачи (см. [1], стр. 194-204; [2], стр. 98-100), а также муфты свободного хода (обгонные муфты) (см. [1], стр. 412-423; [2], стр. 408-411, 504-505; [3], стр. 287-348; [4], стр. 319-406).

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату импульсный вариатор (прототип)(см. [3] , стр. 27, рис. 23), содержит установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, смонтированные на входном валу кулачки, а на выходном - муфты свободного хода с коромыслами, содержит также взаимодействующие с кулачками рычаги с осями вращения, смонтированными с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, при этом рычаги кинематически связаны с выходным валом посредством коромысел и муфт свободного хода.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный вариатор содержит рукоятку изменения передаточного отношения, муфты свободного хода, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, установленные на входном валу кулачки, содержит также взаимодействующие с кулачками рычаги с осями вращения, смонтированными с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, при этом рычаги кинематически связаны с выходным валом посредством муфт свободного хода.

В известном вариаторе угловая скорость выходного вала переменная (пульсирующая) при постоянной скорости входного вала, что существенно ограничивает область его применения.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик вариатора.

Предлагаемый зубчато-рычажный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит рукоятку изменения передаточного отношения, муфты свободного хода, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, установленные на входном валу кулачки, взаимодействующие с кулачками рычаги с осями вращения, смонтированными с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, содержит также зубчатую дифференциальную передачу с двумя степенями свободы, один из трех валов которой, например вал водила, кинематически жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других валов снабжен приводом, содержащим шарнирно связанные с рычагом зубчатые рейки с шестернями, соединенными с этими валами муфтами свободного хода.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый зубчато-рычажный вариатор снабжен зубчатой дифференциальной передачей с двумя степенями свободы, один из трех валов которой, например вал водила, кинематически жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других валов снабжен приводом, содержащим шарнирно связанные с рычагами зубчатые рейки с шестернями, соединенными с этими валами муфтами свободного хода.

На фиг. 1-3 представлена предложенная конструкция: на фиг. 1 - общий вид с осевым сечением; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показано взаимодействие зубчатой рейки с шестерней; на фиг. 5 - вариант конструкции зубчатой рейки; на фиг. 6 - иллюстрация, поясняющая изменение передаточного отношения вариатора; на фиг. 7 - профиль кулачка; на фиг. 8 - графики угловых скоростей шестерен и выходного вала; на фиг. 9 - графики изменения передаточного отношения и отношения моментов на выходном и входном валах.

Зубчато-рычажный вариатор содержит входной 1 и выходной 2 валы, установленные в подшипниках корпуса 3, также зубчатую дифференциальную передачу с двумя степенями свободы. Передача имеет два конических колеса 4 и 5, сателлит 6 с осью 7, смонтированной на водиле 8, а валом водила является выходной вал, связанный с водилом шпонкой 9, двумя другими валами дифференциальной передачи служат ступицы колес 10 и 11, установленные на выходном валу с возможностью вращения в подшипниках относительно вала. Вариатор снабжен двумя механизмами привода ступиц: I и II - соответственно для ступиц 10 и 11. Каждый механизм привода ступиц содержит установленные на ступице на подшипниках 12 и 13 две цилиндрические шестерни: внутреннюю 14 и внешнюю 15, связанные со ступицей муфтами свободного хода 16 и 17, сцепленные с шестернями 14 и 15 зубчатые рейки 18 и 19, а также связанные с зубчатыми рейками пальцами 20 рычаги 21, установленные в кулисах 22, цапфы 23 которых служат осями вращения рычагов. Зубчатые рейки имеют хвостовики 24, смонтированные в направляющих 25, другими направляющими реек служат ролики 26. На двух закрепленных на корпусе направляющих 27 установлена с рукояткой изменения передаточного отношения 28 траверса 29, на которой установлены с помощью цапф 23 кулисы 22. На входной вал на шпонках 30 посажены две ступицы 31, на которых жестко смонтированы кулачки качания рычагов 32 и 33 соответственно для привода внутренних 14 и внешних 15 шестерен. Кулачки контактируют с роликами 34 ползунов 35, связанных с рычагами цапфами 36 ползушек 37, установленных с возможностью осевого перемещения на рычагах. Направляющими ползунов 35 являются ступицы 31 и выполненные в корпусе направляющие 38. Используемые в данной конструкции муфты свободного хода - храповые механизмы с выполненными на шестернях храповыми колесами и подпружиненными собачками 40 и 41, смонтированными в ступицах 10 и 11.

Зубчато-рычажный вариатор работает следующим образом. Входной вал, нагруженный внешним моментом M₁, преодолевая момент M₂ на выходном валу, вращает кулачки с угловой скоростью ω₁. Каждый кулачок сообщает возвратно-поступательное движение ползунам 35, которые качают рычаги 21, а рычаги возвратно-поступательно перемещают зубчатые рейки. Каждая рейка, взаимодействуя со своей шестерней, поворачивает ее, как показано на фиг. 4, при работе механизма 1 привода ступицы 10 для внешней шестерни 15 (ω₁₅ - угловая скорость шестерни, V - скорость рейки, ω₁₀ - угловая скорость ступицы 10). Благодаря муфте свободного хода ω₁₀ равна ω₁₅ при движении рейки вверх (рабочий ход), а при движении рейки вниз вращение ступице от шестерни не передается (холостой ход), но при этом ступицу вращает внутренняя шестерня 14 аналогичным образом. Другая ступица 11 приводится во вращение описанным способом с угловой скоростью ω₁₁ от механизма 11 привода ступицы.

В рассматриваемой конструкции вариатора (фиг. 1-4) в каждом механизме привода ступиц использованы по два рычага, действующих в противофазе, что позволяет осуществлять вращение ступицы при полном повороте входного вала. Аналогичную функцию обеспечит механизм привода ступицы с одним рычагом и одним кулачком, но с зубчатыми рейками, объединенными в одну деталь, как показано на фиг. 5. В этом случае рабочий ход будет осуществляться при движении пальца 20 вверх для шестерни 14, и вниз - для шестерни 15.

Скорость водила дифференциальной передачи, следовательно и выходного вала составит
ω_в = ω₁= 0,5(ω₁₀+ω₁₁). (1)
Внешний момент M₂, действующий на выходной вал, направлен противоположно ω₂.
Передаточное отношение вариатора
i = ω₂/ω₁, (2)
зависит от профилирования кулачков и соотношения плеч рычагов. Плечи рычагов можно изменять перемещением траверсы 29 рукояткой изменения передаточного отношения 28, расстояние z определяет положение рукоятки. На фиг. 6 показан рычаг при двух положениях рукоятки. Перемещение цапф 36 h = h(α) зависит от профиля кулачка (α - угол поворота кулачка), H - максимальное перемещение. Перемещение пальца 20 и, следовательно, рейки S = S(α), а также максимальное перемещение S зависят от z, и имеет место соотношение
s = (L/z-1)h (3),
т. е. s пропорционально h. При значениях z от минимального z_min до L передаточное отношение i будет уменьшаться, при максимальном z, равном L, станет нулевым, то есть вращение от входного вала к выходному передаваться не будет. L и z_min - конструктивные параметры вариатора.

Рассмотрим частный случай профилирования кулачков. Для механизма привода 1 ступицы 10 и кулачка 32, вращающего внутреннею шестерню 14, примем следующий закон перемещения цапф 36:

На фиг. 7 показаны: G - геометричеcкое место точек центра ролика 34, K - профиль кулачка. Расстояние от оси входного вала O до точек G
R(α) = h(α)+OA. (5)
Используя (3) и (4), найдем угловую скорость шестерни

где параметр вариатора (R_ш - радиус начальной окружности шестерни). При установке кулачка 33, вращающего внешнюю шестерню 15, и с таким же профилем, как у кулачка 32, но повернутым относительно кулачка 32 на 180^o, будем иметь угловую скорость ступицы 10
ω₁₀ = 2ω₁W(L/z-1)sin²α, (7)
для любого углового положения входного вала.

Рассмотрим работу механизма II привода ступицы 11, в котором кулачки 32 и 33 установлены по отношению к аналогичным кулачкам механизма 1 со сдвигом по фазе на 90^o. Учитывая, что
sin²(α+90^°) = cos²α,
имеем
ω₁₁ = 2ω₁W(L/z-1)cos²α, (8)
и в этом случае угловая скорость выходного вала из соотношения (1) с учетом (7) и (8)
ω₂ = ω₁W(L/z-1), (9)
следовательно, при постоянной скорости входного вала имеем постоянную скорость выходного вала, которую можно изменять (варьировать) в широком диапазоне рукояткой изменения передаточного отношения. На фиг. 8 показаны графики угловых скоростей шестерен и выходного вала, а на фиг. 9 - изменение в зависимости от z приведенного передаточного отношения

а также приведенного отношения моментов на выходном M₂ и входном M₁ валах

Показанный на фиг. 7 кулачок имеет постоянный диаметр

что позволило в рассматриваемой конструкции использовать два диаметрально расположенных ролика 34.

На кулачке (см. фиг. 7) точки A и B соответствуют мертвым точкам рычага, и при этих положениях рычагов происходит перераспределение нагрузок с одной муфты свободного хода на другую. Динамические усилия в муфтах при этом незначительны, так как относительные угловые скорости полумуфт практически равны нулю.

В предлагаемой конструкции вариатора в качестве муфт свободного хода были использованы храповые механизмы, у которых угол срабатывания (включения) не превосходит углового шага зубьев β (см. фиг. 4). Для уменьшения динамических нагрузок в храповом механизме можно группу работающих совместно собачек 39 установить по отношению к другой группе собачек 40 со сдвигом, что сделает угол срабатывания меньшим β в два и более раз.

Тип муфт свободного хода в вариаторе не принципиален. Можно использовать фрикционные муфты с заклинивающимися элементами, например роликами (см. [1], [2] , [3] ), но следует отметить, что у этих муфт передаваемый момент ниже, чем у аналогичных по габаритам храповых механизмов.

Необходимое требование к зубчатой передаче шестерня-рейка - это пропорциональность угла поворота шестерни перемещению рейки s. Профиль зуба шестерни не принципиален, может быть, например, эвольвентным, а зуб - прямым, косым или шевронным.

Тип применяемой в конструкции зубчатой дифференциальной передачи может быть другим, например, с цилиндрическими зубчатыми колесами (см. [2], стр. 98-100), а выходной вал можно соединять с любым из трех валов передачи.

В вариаторе скорость выходного вала может опережать скорость водила, но направление вращения конкретное, зависящее от муфт свободного хода, а направление вращения входного вала может быть любым.

Для изменения направления вращения выходного вала (реверса) можно использовать, например, реверсивные муфты свободного хода (см. [3], стр. 295, рис. 7).

Вариатор позволяет задавать циклически изменяющуюся скорость выходного вала при постоянной скорости входного, для чего следует использовать специально спрофилированные кулачки.

Источники информации
1. С.Н. Кожевников, Я.И. Есипенко, Я.М. Раскин. Механизмы. Справочник - 4-е изд. под ред. С.Н. Кожевникова. - М.: Машиностроение, 1976.

2. А.Ф. Крайнев. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1987.

3. В.Ф. Мальцев. Механические импульсные передачи. - 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1978.

4. И.И. Артоболевский. Механизмы в современной технике. - 2-е изд., 4-й том. - М.: Наука, 1980.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения между входным и выходным валами вариатора. Зубчато-рычажный вариатор содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, кулачки, трехвальную зубчатую дифференциальную передачу, два вала которой имеют по паре муфт свободного хода и механизмы привода. Механизмы привода установлены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o и включают кулисы, ползушки, взаимодействующие с кулачками ползуны, связанные с механизмами свободного хода зубчатые рейки и рычаги. Оси рычагов смонтированы с образованием вращательных пар с кулисами и кинематически связаны с возможностью перемещения с рукояткой изменения передаточного отношения. Повышены эксплуатационные характеристики вариатора. 9 ил.

Зубчато-рычажный вариатор, содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, кинематически связанные с выходным валом кулачки, трехвальную зубчатую дифференциальную передачу, вал водила которой составляет единое звено с выходным валом, а два других имеют по паре муфт свободного хода и установленные с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o механизмы привода, включающие рычаги, образующие с рычагами поступательные пары кулисы и ползушки, кинематически связанные с рукояткой изменения передаточного отношения с возможностью перемещения оси рычагов, взаимодействующие с кулачками ползуны и связанные с механизмами свободного хода зубчатые рейки, при этом рычаги кинематически связаны с зубчатыми рейками и посредством ползушек с ползунами, отличающийся тем, что оси рычагов смонтированы с образованием вращательных пар с кулисами, а зубчатые рейки соединены с рычагами шарнирно.