АВТОМАТИЧЕСКАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2001 года по МПК F16H33/14 F16H3/74 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортном машиностроении и станкостроении.

Известна инерционная муфта Б.Ф.Кочеткова, содержащая ведущую полумуфту и ведомую полумуфту в виде соосных центральных конических зубчатых колес, сателлиты с инерционными грузами, выполненные в виде конических зубчатых колес, установленных с возможностью вращения на оси, перпендикулярной оси муфты, и находящихся в зацеплении с центральными коническими колесами, ось сателлитов установлена с возможностью вращения относительно осей центральных зубчатых колес, а инерционные грузы выполнены в виде соосных сателлитам маховиков (авторское свидетельство СССР N 1821584, кл. F 16 D 43/20, 15.06.93, Бюл. N 22).

Эта инерционная муфта способна автоматически изменять частоту вращения выходного вала в обратной зависимости от приложенной к нему нагрузки, однако она не может трансформировать передаваемый вращающий момент и не передает его при одинаковой частоте вращения входного и выходного валов, когда маховики на своих осях не вращаются, а также имеет низкий КПД при частоте вращения выходного вала, близкой к частоте вращения входного вала.

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленной передаче является автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, содержащее ведущий и опорный элементы, механически взаимодействующие при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены на ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, водило которого закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей, на которых установлены с возможностью вращения сателлиты, которые входят в зацепление с размещенными по разные стороны от указанных радиальных осей центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий вращающий момент, а второе центральное колесо закреплено на выходном валу, полый ведущий вал инерционного тормозного устройства установлен коаксиально с входным валом (патент РФ N 2109188, МПК F 16 H 33/10, 3/74, 1998 г.).

У этой автоматической бесступенчатой механической передачи верхним пределом повышения частоты вращения выходного вала является режим работы при неподвижном ведущем элементе инерционного тормозного устройства, когда инерционные грузы на своем водиле и вместе с ним не вращаются и не передают на первое центральное колесо дифференциала тормозящий момент силы. При этом не передается вращающий момент и на выходной вал. С уменьшением частоты вращения водила инерционных грузов и приближением к указанному верхнему пределу частоты вращения выходного вала соответственно уменьшается КПД и эффективность использования мощности применяемого двигателя.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в автоматическом бесступенчатом изменении передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу, осуществлении возможности передачи вращающего момента при неподвижном водиле инерционного тормозного устройства и при равной частоте вращения выходного и входного валов, создании максимального по величине вращающего момента на неподвижном (заторможенном нагрузкой) выходном валу при отсутствии при этом угрозы остановки двигателя, возможности автоматического торможения рабочей машины при помощи выключенного двигателя (например, при движении машины под уклон) и запуска двигателя с применением буксировки машины. При этом обеспечивается оптимальное использование мощности двигателя с высокими показателями КПД, экономное расходование моторного топлива и уменьшение в связи с этим вредного экологического воздействия на окружающую среду применяемых двигателей внутреннего сгорания. Одновременно с этим упрощается управление транспортной машиной и уменьшается износ двигателя и трансмиссии в связи с плавным приложением нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая бесступенчатая механическая передача содержит соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. Инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное колесо, механически взаимодействующее с сателлитами и жестко соосно связанными с ними инерционными грузами в виде маховиков, размещенными на радиальных осях водила, которое установлено с возможностью независимого вращения на входном валу. У дифференциала один из концевых валов является ведущим валом инерционного тормозного устройства, установленным коаксиально с входным валом, а два других концевых вала являются соответственно входным и выходным валами передачи. Сателлиты дифференциала входят в зацепление с размещенными по разные стороны от радиальных осей водила дифференциала коническими зубчатыми центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы.

Согласно изобретению параллельно оси передачи в корпусе передачи установлен опорный вал, на котором закреплено два зубчатых колеса, одно из которых введено в зацепление с зубчатым колесом, закрепленном на входном валу, а другое колесо - с зубчатым колесом, жестко соосно связанным с опорным колесом при помощи установленного коаксиально с входным валом полого промежуточного вала с обеспечением постоянного вращения этого опорного колеса в направлении вращения входного вала и с большей по сравнению с ним частотой. Инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное ведущее колесо, жестко соосно связанное с первым центральным колесом дифференциала при помощи ведущего вала инерционного тормозного устройства. Ведущее колесо введено в зацепление с сателлитами инерционного тормозного устройства и размещено по другую сторону от радиальных осей водила по отношению к опорному колесу. Другое центральное колесо дифференциала закреплено на входном валу передачи, а водило дифференциала закреплено на выходном валу передачи.

Каждый из сателлитов инерционного тормозного устройства выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего и внутреннего относительно геометрической оси передачи, которые находятся в зацеплении соответственно с опорным колесом и с ведущим колесом инерционного тормозного устройства, при этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны.

Как частный случай устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с обоими центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами одинаковы.

Как частный случай выполнения, центральные колеса дифференциала имеют разные диаметры и передаточные отношения между ними и введенными с ними в зацепление сателлитами различны.

Как частный случай выполнения, сблокированные колеса сателлитов инерционного тормозного устройства имеют массу, позволяющую им выполнять одновременно функции маховиков.

Входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу.

Геометрическая ось радиальных осей сателлитов и маховиков инерционного тормозного устройства и геометрическая ось входного вала пересекаются в центральной точке, совмещенной с обоими осями.

На чертеже дан общий вид автоматической бесступенчатой механической передачи (далее - передача) с показом всех ее элементов и отличительных признаков, характеризующих изобретение.

Передача содержит соосные входной 1 и выходной 2 валы, инерционное тормозное устройство, дифференциал и механизм свободного хода.

Инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное опорное колесо 3, механически взаимодействующее при помощи сателлитов 4, 5 с жестко соосно связанными с этими сателлитами инерционными грузами в виде маховиков 6, размещенными вместе с сателлитами на радиальных осях 7 водила, которое установлено при помощи подшипника 8 на входном валу 1 с возможностью независимого от этого вала вращения. Каждый из сателлитов инерционного тормозного устройства выполнен в виде жестко соосно соединенных в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего 4 и внутреннего 5 относительно геометрической оси О-О передачи. Внешнее колесо 4 блока сателлитов находится в зацеплении с опорным колесом 3 инерционного тормозного устройства, а внутреннее колесо 5 блока сателлитов введено в зацепление с ведущим колесом 9 инерционного тормозного устройства, при этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны.

У дифференциала один из концевых валов 10 установлен коаксиально с входным валом 1 и является ведущим валом инерционного тормозного устройства. Сателлиты 11 дифференциала установлены на радиальных осях 12 водила 13 дифференциала и входят в зацепление с его центральными колесами 14 и 15, которые размещены по разные стороны от радиальных осей 12 водила 13 дифференциала. Первое из центральных колес 14 закреплено на ведущем валу 10 инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы. Второе центральное колесо 15 дифференциала закреплено на входном валу 1 передачи. Водило 13 дифференциала установлено на выходном валу 2 передачи.

Параллельно геометрической оси О-О передачи в корпусе 16 передачи установлен опорный вал 17, на котором закреплено два зубчатых колеса 18 и 19, одно из которых 18 введено в зацепление с зубчатым колесом 20, закрепленном на входном валу 1, а другое колесо 19 находится в зацеплении с зубчатым колесом 21, жестко соосно связанным с опорным колесом 3 при помощи установленного коаксиально с входным валом 1 полого промежуточного вала 22 с обеспечением постоянного вращения этого опорного колеса в направлении вращения входного вала 1 и с большей по сравнению с ним частотой.

Ведущий вал 10 инерционного тормозного устройства жестко связывает первое центральное колесо 14 дифференциала с ведущим колесом 9 инерционного тормозного устройства, которое размещено по другую сторону от радиальных осей 7 водила инерционного тормозного устройства по отношению к опорному колесу 3.

Как частный случай устройства, каждый из сателлитов 11 дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с обоими центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами 14, 15 одинаковы.

Как частный случай выполнения, центральные колеса 14, 15 дифференциала имеют разные диаметры и передаточные отношения между ними и введенными с ними в зацепление сателлитами 11 различны.

Как частный случай выполнения, сблокированные колеса 4 и 5 сателлитов инерционного тормозного устройства имеют массу, позволяющую им выполнять одновременно функции маховиков. При этом инерционные грузы в виде сблокированных с сателлитами маховиков не применяются.

Входной и выходной валы передачи связаны механизмом свободного хода 23, ведущая обойма которого установлена на выходном валу 2, а ведомая обойма - на входном валу 1.

Геометрическая ось О₁-О₁ радиальных осей 7 сателлитов и маховиков инерционного тормозного устройства и геометрическая ось О-О входного вала 1 пересекаются в центральной точке О¹, совмещенной с обоими этими осями.

Автоматическая бесступенчатая механическая передача работает следующим образом.

При вращении входного вала 1 вместе с установленным на нем вторым центральным колесом 15 дифференциала и неподвижном выходном вале 2 с установленном на нем водилом 13 дифференциала в связи с приложенной к этому валу нагрузкой или началом движения из неподвижного положения, сателлиты 11 дифференциала приводятся во вращение на неподвижных радиальных осях 12 водила 13 дифференциала в связи с тем, что они находятся в зацеплении со вторым колесом 15 дифференциала. При этом приводится во вращение находящееся в зацеплении с сателлитами первое центральное колесо 14 дифференциала и жестко связанный с ним ведущий вал 10 инерционного тормозного устройства. Это вращение в данном случае осуществляется с максимальной частотой, равной частоте вращения входного вала 1, и в противоположном направлении по отношению к входному валу.

В свою очередь опорное колесо 3 посредством связанных с входным валом 1 двух пар зубчатых колес 20, 18 и 19, 21 приводится во вращение в одном направлении с вращением входного вала. При этом благодаря соответствующим передаточным отношениям указанных двух пар зубчатых колес частота вращения опорного колеса 3 превышает частоту вращения входного вала 1.

Вращающиеся в противоположных направлениях опорное колесо 3 и ведущее колесо 9 приводят во вращение с максимальной частотой на радиальных осях 7 водила находящиеся с ними в зацеплении соответственно внешние 4 и внутренние 5 колеса блока сателлитов, а также связанные с ними маховики 6. В связи с тем, что опорное колесо 3 вращается с большей частотой по сравнению с ведущим колесом 9, водило с радиальными осями 7, блоками сателлитов 4, 5 и маховиками 6 будет вращаться в одном направлении с опорным колесом 3 с максимальной частотой.

Исходя из сказанного следует, что блоки сателлитов 4, 5 и маховики 6 будут совершать вращение одновременно вокруг оси О-О передачи и оси О₁-О₁ водила, а следовательно, относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей. При этом частоты вращения блоков сателлитов и маховиков вокруг оси О₁-О₁ водила в данном случае, т.е. при неподвижном выходном вале 2 будет максимальной.

Известно, что вращающееся тело имеет определенный момент количества движения, который проявляется с соблюдением фундаментального всеобщего физического закона сохранения, согласно которому момент количества движения может быть изменен только под действием внешних сил. Известно также, что момент количества движения при вращении тела относительно точки является векторной величиной и направление вектора совпадает с направлением оси вращения непосредственно тела, в данном случае с направлением оси О₁-О₁ водила инерционного тормозного устройства, перпендикулярной оси О-О передачи. Но поскольку ось О₁-О₁ водила совершает вращение вокруг оси О-О передачи и относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей, направление векторов моментов количества движения сателлитов и маховиков постоянно изменяется.

Известно, что действия над векторами являются отражением соответствующих действий над векторными величинами, а векторные величины являются равными, если совпадают их числовые значения и направления. Исходя из этого, при указанном выше вращении сателлитов и маховиков относительно двух осей одновременно их моменты количества движения принудительно изменяются под воздействием в конечном итоге от вращающего момента, передаваемого входным валом 1, и момента сопротивления, приложенного к выходному валу 2. Проявление при этом закона сохранения противодействует вращению осей 7 водила инерционного тормозного устройства вокруг оси О-О передачи, которые стремятся сохранить свое стабильное положение. Возникающий при этом тормозящий момент силы посредством ведущего вала 10 инерционного тормозного устройства передается на первое центральное колесо 14 дифференциала, что обеспечивает передачу вращающего момента от входного вала 1 и второго центрального колеса 15 на водило 13 дифференциала и далее на выходной вал 2. При этом внешней опорой для торможения радиальных осей 7 инерционного тормозного устройства и первого центрального колеса 14 дифференциала и обеспечения при этом передачи и преобразования вращающего момента является корпус 16 передачи, в котором установлен опорный вал 17. Эта зависимость обусловлена тем, что создание и изменение моментов количества движения маховиков 6 и сателлитов 4, 5 инерционного тормозного устройства при любых режимах работы передачи обеспечивается вращением опорного колеса 3 с большей частотой по сравнению с входным валом 1 и за счет установленного в корпусе передачи 16 опорного вала 17.

Автоматическое трансформирование передаваемого вращающего момента и частоты вращения в зависимости от нагрузки на выходном валу 2 обеспечивается возможностью изменения момента торможения, передаваемого от инерционного тормозного устройства на первое центральное колесо 14 дифференциала. Величина этого момента торможения зависит от совокупной массы сателлитов 4, 5 и маховиков 6 и частоты их вращения одновременно вокруг оси О₁-О₁ водила инерционного тормозного устройства и оси О-О передачи, а совокупно - относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей.

В свою очередь частота вращения блоков сателлитов 4, 5 и маховиков 6 относительно оси О₁-О₁ при неизменной частоте вращения входного вала 1 и опорного колеса 3 находится в обратной зависимости от частоты вращения выходного вала 2 и жестко связанного с ним водила 13 дифференциала. Отсюда следует вывод, что величина создаваемого инерционным тормозным устройством тормозящего момента и обусловленная этим величина передаваемого на выходной вал вращающего момента зависит от величины разности в частотах вращения входного 1 и выходного 2 валов.

Исходя из сказанного следует, что максимальная величина передаваемого вращающего момента будет при неподвижном (заторможенном нагрузкой) выходном вале 2, поскольку при этом сателлиты 4, 5 и маховики 6 инерционного тормозного устройства будут иметь наибольшие моменты количества движения, изменение направления векторов которых при вращении вокруг оси О-О передачи обеспечит создание на радиальных осях 7 водила наибольшие моменты торможения, передаваемые на первое центральное колесо 14 дифференциала.

С увеличением частоты вращения выходного вала 2 частота вращения сателлитов 4, 5 и маховиков 6 вокруг радиальной оси О₁-О₁ водила по указанным выше причинам уменьшается одновременно с уменьшением передаваемого на первое колесо 14 дифференциала тормозящего момента, а следовательно, и передаваемого на выходной вал 2 вращающего момента. В этом заключается автоматизм работы передачи.

В связи с вращением опорного колеса 3 с большей частотой по сравнению с входным валом 1 инерционное тормозное устройство передает на первое центральное колесо 14 дифференциала тормозящий момент силы при любых режимах работы, в том числе при одинаковой и даже большей частоте вращения выходного вала 2 по сравнению с входным валом 1, а также при неподвижных радиальных осях 7 водила, поскольку при любом из этих режимов работы обеспечивается вращение сателлитов 4, 5 и маховиков 6 инерционного тормозного устройства относительно радиальных осей О₁-О₁ водила и центральной точки O¹.

Подтверждением сказанному является известное свойство гироскопа (волчка) устойчиво сохранять направление оси своего вращения и противодействовать повороту этой оси.

Выполнение сателлитов 4, 5 и маховика 6 инерционного тормозного устройства в виде единой детали, когда это возможно исходя из других конструктивных особенностей, упрощает устройство передачи.

При частном случае выполнения передачи, когда центральные колеса 14, 15 дифференциала имеют разные диаметры и различные передаточные отношения с сателлитами, обеспечивается возможность дополнительного постоянного регулирования величины передаваемого на выходной вал 2 вращающего момента. При этом опорами для изменения величины вращающего момента являются оси водила дифференциала, которые в данном случае устанавливают к оси О-О передачи и выходному валу 2 под углом, отличным от прямого.

При необходимости передачи вращающего момента и вращения от выходного вала 2 на входной вал 1 с целью торможения рабочей машины, работа двигателя прекращается. При этом под воздействием вращающего момента, передаваемого от выходного вала на входной вал, происходит замыкание механизма свободного хода 23, который обеспечит передачу потока мощности от выходного вала на входной вал и далее - на двигатель, принудительное вращение вала которого приводит к торможению рабочей машины. Таким же образом обеспечивается запуск двигателя с применением буксировки рабочей машины, что может иметь место в зимнее время, при разряженных аккумуляторах, неисправном стартере и др.

Изобретение относится к машиностроению, транспортному машиностроению, станкостроению. Передача содержит входной 1 и выходной 2 валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. Инерционное тормозное устройство содержит центральное опорное колесо 3, установленное с возможностью независимого вращения на входном валу, водило с радиальными осями 7, на которых размещены сблокированные внешние 4 и внутренние 5 сателлиты с маховиками 6. Внешний сателлит введен в зацепление с центральным опорным колесом 3, а внутренний сателлит - с ведущим колесом 9 инерционного тормозного устройства, которое посредством ведущего вала 10 инерционного тормозного устройства, установленного коаксиально с входным валом 1, жестко связано с первым центральным колесом 14 дифференциала, второе центральное колесо 15 которого установлено на входном валу 1, а водило 13 закреплено на выходном валу 2. Опорное колесо посредством промежуточного вала 22, установленного коаксиально с входным валом, и двух пар зубчатых колес 20, 18 и 19, 21 механически связано с входным валом с возможностью постоянного вращения в одном с ним направлении с большей частотой, чем входной вал. Два колеса 18 и 19 закреплены на опорном валу 17, установленном в корпусе передачи 16 и являющемся опорой для преобразования вращающего момента и частоты вращения. Оси O-O передачи и O₁-O₁ водила инерционного тормозного устройства пересекаются в центральной точке О¹, что обеспечивает возможность вращения сателлитов 4, 5 и маховиков 6 инерционного тормозного устройства относительно этой центральной точки О¹ с принудительным изменением направлений векторов их моментов количества движения. Возникающий при этом тормозящий момент силы передается от ведущего колеса инерционного тормозного устройства на первое центральное колесо дифференциала. Обеспечена возможность передачи вращающего момента на выходной вал с автоматическим изменением его величины в обратной зависимости от частоты вращения выходного вала. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал, инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное опорное колесо, механически взаимодействующее с сателлитами и жестко соосно связанными с ними инерционными грузами в виде маховиков, размещенными на радиальных осях водила, которое установлено с возможностью независимого вращения на входном валу, у дифференциала один из концевых валов является ведущим валом инерционного тормозного устройства, установленным коаксиально с входным валом, а два других концевых вала являются соответственно входным и выходным валами передачи, сателлиты дифференциала входят в зацепление с размещенными по разные стороны от радиальных осей водила дифференциала коническими зубчатыми центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы, отличающаяся тем, что параллельно оси передачи в корпусе передачи установлен опорный вал, на котором закреплено два зубчатых колеса, одно из которых введено в зацепление с зубчатым колесом, закрепленным на входном валу, а другое колесо - с зубчатым колесом, жестко соосно связанным с опорным колесом при помощи установленного коаксиально с входным валом полого промежуточного вала с обеспечением постоянного вращения этого опорного колеса в направлении вращения входного вала и с большей по сравнению с ним частотой, инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное ведущее колесо, жестко соосно связанное с первым центральным колесом дифференциала при помощи ведущего вала инерционного тормозного устройства, ведущее колесо введено в зацепление с сателлитами инерционного тормозного устройства и размещено по другую сторону от радиальных осей водила по отношению к опорному колесу, другое центральное колесо дифференциала закреплено на входном валу передачи, а водило дифференциала закреплено на выходном валу передачи. 2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что каждый из сателлитов инерционного тормозного устройства выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего и внутреннего относительно геометрической оси передачи, которые находятся в зацеплении соответственно с опорным колесом и с ведущим колесом инерционного тормозного устройства, при этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны. 3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с обоими центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами одинаковы. 4. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, центральные колеса дифференциала имеют различные диаметры и передаточные отношения между ними и введенными с ними в зацепление сателлитами различны. 5. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, сблокированные колеса сателлитов инерционного тормозного устройства имеют массу, позволяющую им выполнять одновременно функции маховиков. 6. Передача по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу. 7. Передача по п.1, отличающаяся тем, что геометрическая ось радиальных осей сателлитов и маховиков инерционного тормозного устройства и геометрическая ось входного вала пересекаются в центральной точке, совмещенной с обеими осями.