ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2001 года по МПК F16H29/08 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения трансмиссии машин при большой передаваемой мощности, включая останов ведомого вала под нагрузкой и реверс.

Известны высокомоментные импульсные вариаторы, в которых момент от входного к выходному валу передается посредством кулачков, коромысел и обгонных муфт (см. [1], стр. 48, рис. 4). В известных вариаторах угловая скорость выходного вала переменная (пульсирующая) при постоянной скорости входного вала, что существенно ограничивает область их применения.

Известны устройства, в которых используется реечный механизм для изменения длины плеча колеблющегося коромысла (см. [2]).

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату вариатор (см. [3], фиг. 15 и 17), содержащий соосные входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, связанные зубчатой передачей с входным валом четыре пространственных кулачка, с расположенными карусельно и параллельно входному валу осями, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два других вала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя два установленных на параллельных выходному валу коромысловых валах коромысла, взаимодействующих с разными пространственными кулачками с возможностью колебания в противофазе, пружинный механизм прижима коромысел к кулачкам и две обгонные муфты, с смонтированными на коромысловых валах ведущими полумуфтами, а ведомыми - на вале дифференциала, при этом рукоятка изменения передаточного отношения кинематически связана со всеми коромыслами с возможностью перемещения их вдоль осей пространственных кулачков.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный высокомоментный вариатор, содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, кинематически связанные с выходным валом пространственные кулачки, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два других вала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя два установленных на коромысловых валах и взаимодействующих с пространственными кулачками с возможностью колебания в противофазе коромысла, механизм прижима коромысел к кулачкам и две обгонные муфты, с смонтированными на коромысловых валах ведущими полумуфтами и кинематически связанными с валом дифференциала ведомыми, при этом рукоятка изменения передаточного отношения кинематически связана со всеми коромыслами с возможностью перемещения их относительно пространственных кулачков.

В известном вариаторе диапазон изменения передаточного отношения существенно ограничен из-за незначительного угла колебаний коромысел. Отсутствует динамическое уравновешивание, так как силы инерции пары коромысел каждого приводного механизма действуют в одном направлении и в разных плоскостях, следовательно не скомпенсированы. Пружинный механизм прижима коромысел к кулачкам не эффективен для вариаторов большой мощности. В конструкции не предусмотрен реверс выходного вала.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик вариатора.

Предлагаемый высокомоментный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, кинематически связанные с входным валом соосные пространственные кулачки, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два других вала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя два установленных на коромысловых валах взаимодействующих с пространственными кулачками с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости и перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения в перпендикулярном к своим осям коромысел направлении коромысла, механизм прижима коромысел к кулачкам и две обгонные муфты, с смонтированными на коромысловых валах ведущими полумуфтами и кинематически связанными с валом дифференциала ведомыми, при этом плоскости колебания коромысел разных приводных механизмов перпендикулярны.

Указанные существенные признаки дополняются следующими.

Механизм прижима коромысел к кулачкам в каждом приводном механизме содержит смонтированные на коромысловых валах сцепленные друг с другом зубчатые секторы.

Для расширения диапазона передаточного отношения каждый приводной механизм снабжен промежуточным валом, связанным зубчатой передачей с коромысловыми валами и с валом дифференциала.

Для обеспечения реверса вариатор снабжен рукояткой реверса, а промежуточный вал каждого приводного механизма установлен подвижно в осевом направлении с возможностью перемещения от рукоятки реверса и снабжен дополнительными шестернями.

Для расширения функциональных возможностей высокомоментного вариатора, например для раздельного привода левого и правого движетеля трактора, снабжен дополнительными выходным валом, рукояткой изменения передаточного отношения и трехвальным зубчатым дифференциалом со своей парой приводных механизмов.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. В предлагаемом высокомоментном вариаторе пространственные кулачки смонтированы соосно, а в каждом приводном механизме коромысла установлены с возможностью колебания в одной плоскости и перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения в перпендикулярном к своим валам коромысел направлении, при этом плоскости колебания коромысел разных приводных механизмов перпендикулярны.

В каждом приводном механизме на коромысловых валах смонтированы сцепленные друг с другом зубчатые секторы.

Каждый приводной механизм снабжен промежуточным валом, связанным зубчатой передачей с коромысловыми валами и с валом дифференциала.

Высокомоментный вариатор снабжен рукояткой реверса, а промежуточный вал каждого приводного механизма установлен подвижно в осевом направлении с возможностью перемещения от рукоятки реверса и снабжен дополнительными шестернями.

Высокомоментный вариатор снабжен дополнительными выходным валом, рукояткой изменения передаточного отношения и трехвальным зубчатым дифференциалом со своей парой приводных механизмов.

На фиг. 1 и 2 представлен вариант конструкции высокомоментного вариатора: на фиг. 1 - общий вид с осевым сечением, на фиг. 2 сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - графики угловых скоростей звеньев зубчатого дифференциала, на фиг. 4 - механизм реверса, а на фиг. 5 - вариант использования высокомоментного вариатора в механизме привода гусеничного трактора.

Высокомоментный вариатор (фиг. 1 и 2) содержит установленные в подшипниках корпуса 1 входной 2 и выходной 3 валы, смонтированные на входном валу соосно одинаковые пространственные кулачки 4 и 5, установленный на оси 6 двухплечий рычаг 7 с возможностью поворота от рукоятки изменения передаточного отношения 8, образующей пару винт-гайка с резьбовым стержнем 9, шарнирно соединенным с рычагом 7, а также трехвальный зубчатый дифференциал, у которого валом водила 10 несущим сателлит 11 служит выходной вал, а два других вала 12 и 13 установлены свободно на выходном валу и имеют цилиндрические зубчатые венцы 14 и 15. Каждый из валов 12 и 13 снабжен приводным механизмом, включающим в себя пару коромысел 16 и 17, контактирующих посредством шаровых роликов 18 с кулачками (коромысло 16 с кулачком 4, а коромысло 17 с кулачком 5) и установленных подвижно в пазах 19 коромысловых валов 20 и 21, промежуточный вал 22 с цилиндрической шестерней 23, сцепленной с цилиндрическим зубчатым венцом вала дифференциала, и парой конических шестерен 24, две обгонные муфты 25, у которых ведущей полумуфтой служит коромысловый вал, а на ведомой выполнен конический зубчатый венец 26, сцепленный с конической шестерней 24. На коромысловых валах подвижно в осевом направлении установлены косозубые рейки 27, сцепленные с выполненными на коромыслах зубьями 28 и шарнирно связанные с рычагом 7 штангами 29. На коромысловых валах 20 и 21 смонтированы сцепленные друг с другом зубчатые секторы 30 и 31.

Коромысла одного приводного механизма установлены с возможностью колебания в одной плоскости, проходящей через ось кулачков, а аналогичная плоскость другого приводного механизма перпендикулярна первой. Высокомоментный вариатор работает следующим образом. Входной вал, нагруженный внешним моментом M₂, поворачивается на угол α преодолевая действующий на выходной вал момент сопротивления М₃, вращая пространственные кулачки с угловой скоростью ω₂, которые сообщают колебательные движения коромыслам. Рассмотрим работу приводного механизма вала 12 дифференциала. При полуобороте выходного вала кулачок 4, воздействуя на коромысло 16 через обгонную муфту, вращает промежуточный вал 22 и через него вал 12 с угловой скоростью ω₁₂(α) , за другой полуоборот выходного вала кулачок 5, воздействуя на коромысло 17 аналогичным образом, вращает тот же вал 12, при этом благодаря зубчатым секторам 30 и 31 коромысло 16 совершает обратное движение, оставаясь прижатым к кулачку 4. Обгонные муфты передают вращение от коромысел только в одном направлении. Приводной механизм вала 13 колеса дифференциала работает описанным выше способом, но так как плоскости колебания коромысел разных приводных механизмов перпендикулярны, то угловая скорость вала 13
ω₁₃(α) = ω₁₂(α+π/2),
то есть сдвинута по фазе на 90^o. Длина плеча коромысла e рукояткой изменения передаточного отношения 8 может изменяться от минимальной h до максимальной H. Введем изменяемый параметр вариатор
К=(e-h)/(H-h),
следовательно 0 ≅ К ≅ 1. Профили пространственных кулачков обеспечивают следующую зависимость угла поворота коромысла 16 от α
γ = Kλ[U(α)-0,5],
λ = |γ|_max - максимально возможный угол поворота коромысел, а периодическая функция U(α) имеет вид
U(α) = (l-S)π+S(α_п-0,5sin2α_п)/π,
где S = sign(sinα), α_п = (l-S)π+Sarccos(cosα) - аргумент приведения к интервалу [0; 2 π). Обозначая через i_п - передаточное отношение зубчатых передач, связывающих вал коромысла с валом дифференциала, имеем
ω₁₂(α) = |dγ/dα|i_пω₂ = (2Kλi_пω₂/π)sin²α,

a скорость водила и, следовательно, выходного вала составит
ω₃ = 0,5(ω₁₂+ω₁₃) = Kλi_пω₂/π,
откуда передаточное отношение вариатора
i_ВАР = ω₃/ω₂ = M₂/M₃ = Kλi_пω₂/π,
то есть не зависит от угла α, поэтому при постоянной скорости входного вала скорость выходного тоже постоянна. Характер скоростей звеньев зубчатого дифференциала показан на фиг. 3. Диапазон изменения i_ВАР от 0 до λi_п/π. Момент на выходном валу M₃_→ ∞ при K _→ 0, если рассматривать идеализированный вариатор, в котором отсутствуют потери на трение и у обгонных муфт угол срабатывания равен нулю.

Для изменения направления вращения выходного вала (реверса) вариатор снабжен рукояткой реверса 32, на каждом промежуточном вале 22 смонтированы дополнительная пара конических шестерен 33, и сами валы установлены подвижно с возможностью осевого перемещения рукояткой реверса со сменой зацепления конических шестерен 24 на 33 (фиг. 4).

Следует отметить, что направление вращения входного вала не влияет на направление выходного.

Для расширения функциональных возможностей вариатора, например при использовании в приводе гусеничного трактора, как показано на фиг. 5, вариатор снабжен дополнительными выходным валом 34, рукояткой изменения передаточного отношения 35, рукояткой реверса 36 и трехвальным зубчатым дифференциалом со своими механизмами привода валов дифференциала. Входной вал 2 соединен с двигателем 37, а выходные валы 3 и 34 зубчатыми передачами 38 и 39 - с ведущими звездочками 40 и 41. Все механизмы привода валов колес дифференциалов действуют от двух кулачков 4 и 5.

В предлагаемом вариаторе механизм прижима коромысел к кулачку может быть также и пружинным.

Изменение длины плеча коромысла может осуществляться другими способами, например гидроцилиндрами.

Тип применяемого в вариаторе зубчатого дифференциала может быть иным, например с цилиндрическими зубчатыми колесами.

Тип обгонных муфт в вариаторе не принципиален. Можно использовать фрикционные муфты с заклинивающимися элементами, например роликами, или храповые механизмы. Следует отметить, что у последних передаваемый момент выше, чем у аналогичных по габаритам фрикционных обгонных муфт.

Автор имеет демонстрационную модель высокомоментного вариатора.

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

2. RU, 2059863 С1, F 02 M 39/00,59/30, 30.12.92 (Пылаев Б.В.)
3. DE, 3309044 A1, F 16 H 29/08, 14.03.83 (Rindfleisch В.)ю

Изобретение относится к машиностроению. Высокомоментный вариатор содержит входной 2 и выходной 3 валы, связанные с входным валом 2 соосные пространственные кулачки 4,5, трехвальный зубчатый дифференциал, приводные механизмы 14 и 15, рукоятку 8 изменения передаточного отношения. Каждый приводной механизм включает коромысла 16 и 17, механизм прижима коромысел к кулачкам 4 и 5 и обгонные муфты 25 для связи коромысловых валов с валами дифференциала. Коромысла установлены на коромысловых валах для взаимодействия с кулачками 4, 5 с возможностью колебания в противофазе в одной плоскости и перемещения в перпендикулярном к своим осям направлении. При этом плоскости колебания коромысел разных приводных механизмов перпендикулярны. Вал водила дифференциала составляет единое звено с выходным валом. Повышены эксплуатационные характеристики вариатора. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Высокомоментный вариатор, содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, кинематически связанные с выходным валом пространственные кулачки, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два других вала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя два установленных на коромысловых валах и взаимодействующих с пространственными кулачками с возможностью колебаний в противофазе коромысла, механизм прижима коромысел к кулачкам и две обгонные муфты, со смонтированными на коромысловых валах ведущими полумуфтами и кинематически связанными с валом дифференциала ведомыми, при этом рукоятка изменения передаточного отношения кинематически связана со всеми коромыслами с возможностью перемещения их относительно пространственных кулачков, отличающийся тем, что пространственные кулачки смонтированы соосно, а в каждом приводном механизме коромысла установлены с возможностью колебания в одной плоскости и перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения в перпендикулярном к своим валам коромысел направлении, при этом плоскости колебания коромысел разных приводных механизмов перпендикулярны. 2. Высокомоментный вариатор по п.1, отличающийся тем, что в каждом приводном механизме на коромысловых валах смонтированы сцепленные друг с другом зубчатые секторы. 3. Высокомоментный вариатор по п.1, отличающийся тем, что каждый приводной механизм снабжен промежуточным валом, связанным зубчатой передачей с коромысловыми валами и с валами дифференциала. 4. Высокомоментный вариатор по п.1 или 3, отличающийся тем, что снабжен рукояткой реверса, а промежуточный вал каждого приводного механизма установлен подвижно в осевом направлении с возможностью перемещения от рукоятки реверса и снабжен дополнительными шестернями. 5. Высокомоментный вариатор по п.1, отличающийся тем, что снабжен дополнительными выходным валом, рукояткой изменения передаточного отношения и трехвальным зубчатым дифференциалом со своей парой приводных механизмов.