ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2002 года по МПК F16H29/08 

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

Известны высокомоментные импульсные вариаторы разнообразного конструктивного исполнения [1], содержащие кинематически связанный с входным валом и через обгонные муфты соединенный с выходным валом колебательный вал, амплитуду колебания которого можно изменять. Известен также импульсный вариатор [2], в котором на цапфах колебательного вала смонтирован наклонный кривошип, связанный с выходным валом посредством подшипника, с которым кривошип образует вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а механизм изменения наклона кривошипа, влияющий на амплитуду колебания, конструктивно сложен. Общим недостатком импульсных вариаторов является значительная неравномерность скорости вращения выходного вала. Известен механизм с качающейся шайбой [3, стр. 544, рис. 9.22 г], в котором изменение угла наклона кривошипа осуществляется с помощью соосного с валом штока, связанного с кривошипом серьгой, а расчет кинематических параметров механизма с качающейся шайбой изложен в [4]. Известно, что для обеспечения переменного передаточного отношения зубчатой пары шестерню и колесо выполняют с центроидами, имеющими переменное расстояние от центра вращения, например эллиптическими [3, стр. 158, рис. 3.27]. Уравнения центроид зубчатой пары с заданным законом изменения передаточного отношения от угла поворота шестерни можно получить, используя приведенные в [5, стр. 127-131] соотношения. Известны также высокомоментные вариаторы, у которых неравномерность выходного вала равна пулю [6, 7, 8], что достигается использованием по крайней мере двух колебательных валов, соединенных через зубчатый дифференциал с выходным валом, и кулачковых механизмов, связывающих входной вал с колебательными. К недостаткам этих устройств следует отнести конструктивную сложность и динамическую неуравновешенность.

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату зубчато-рычажный вариатор [8], содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o кулачковыми приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленные на входном вале кулачок и взаимодействующий посредством рычага с кулачком колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом рычаг с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения плеча рычага.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым высокомоментным вариатором, следующие. Он содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя кинематически связанный с входным валом колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом колебательный вал с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения амплитуды колебания.

В известном вариаторе конструкция привода колеса дифференциала достаточно сложная, а из-за наличия рычагов, перемещаемых кулачками в разных плоскостях со сдвигом по фазе, отсутствует динамическое уравновешивание механизма.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции и повышение эксплутационных характеристик вариатора.

Предлагаемый высокомоментный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя связанный с входным валом посредством зубчатой пары приводной вал с размешенным в нем с возможностью осевого перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения штоком, смонтированные на валике в проушинах приводного вала две косынки, между которыми шарнирно закреплен подшипник, установленный между косынками на цапфах колебательного вала наклонный кривошип, образующий с подшипником вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а косынки посредством серьги и соединены с штоком.

Указанные признаки дополняются следующими. С целью повышения компактности высокомоментный вариатор снабжен установленным и фиксированным от вращения на ступице колеса дифференциала приводным зубчатым колесом, при этом ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые - на конических шестернях, сцепленных с приводным зубчатым колесом.

Для обеспечения реверса высокомоментный вариатор снабжен рукояткой реверса, смонтированной на ступице колеса дифференциала с возможностью осевою перемещения от рукоятки реверса втулкой и вторым приводным зубчатым колесом, закрепленным вместе с первым на втулке, с возможностью поочередного сцепления с коническими шестернями при крайних положениях втулки.

С целью уменьшения неравномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора в зубчатой паре шестерня и колесо выполнены с переменным расстоянием от центра вращения центроидами.

Для динамического уравновешивания высокомоментного вариатора на проушинах приводного вила смонтированы противовесы, кинематически связанные с валиком косынок, например, посредством зубчатых секторов.

На фиг. 1 и 2 представлен общий вид варианта конструкции высокомоментного вариатора, на фиг. 3 - крайнее положение наклонною кривошипа, на фиг. 4 центроиды зубчатой пары, на фиг. 5 - графики δ = δ(θ), на фиг. 6 и 7 - примеры конструктивных решений.

Высокомоментный вариатор содержит (фиг. 1 и 2) установленные в подшипниках корпуса 1 входной 2 и выходной 3 валы, содержит конический зубчатый дифференциал с двумя степенями свободы, который включает в себя закрепленное на выходном валу водило 4, несущее сателлит 5, и колеса дифференциала 6а и 6b со ступицами 7а и 7b, установленных на выходном валу с возможностью вращения относительно него, содержит два одинаковых привода колес дифференциала, включающих в себя следующее. Приводной вал 8, связанный с входным валом посредством зубчатой пары, состоящей из закрепленных на входном и приводном валах шестерни 9 и зубчатого колеса 10, а в проушинах приводного вала на валике 11 смонтированы две косынки 12 с шарнирно установленным подшипником 13, между косынками размещен образующий вращательную и поступательную пару с подшипником 13 наклонный кривошип 14, вилка 15 которого соединена цапфами 16 с установленным на подшипниках корпуса колебательным валом 17, связанным посредство обгонных муфт 18 и 19 с одинаковыми коническими шестернями 20 и 21, смонтированными на подшипниках колебательного вала и сцепленных с одной из двух приводных зубчатых колес 22 или 23, закрепленных на посаженной на ступицу 7 колеса дифференциала втулке 24, с возможностью передачи вращения ступице посредством шпонок 25 и осевого перемещения от рукоятки реверса 26. В приводном валу 8 установлен с возможностью осевого перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения 27 шток 28, связанный серьгой 29 с косынками 12. В проушинах приводного вала 8 смонтированы два противовеса 30 с зубчатыми секторами 31, сцепленными с закрепленными на валике 11 зубчатыми секторами 32, 33 и 34 - центроиды шестерни и колеса зубчатой пары. Два приводных вала 8а и 8b установлены со сдвигом но фазе на 90^o.

Высокомоментный вариатор работает следующим образом. Входной вал 2, нагруженный внешним моментом М₂, вращаясь с угловой скоростью ω₂, передает вращение приводным валам 8a и 8b. Приводной вал 8а через наклонный кривошип 14 поворачивает колебательный вал 17 на угол
β_a = Sign(cosψ_a)Arccos(1/e),
где e = (l+tg²θcos²ψ_a)^0.5 (см. [8]), ψ_a = ψ_a(α)- угол поворота приводного вала, функционально связанный с углом поворота α входного вала и зависящий от вида центроид 33 и 34, а θ- угол положения наклонного кривошипа 14, который можно варьировать рукояткой изменения передаточного отношения 27, на фиг. 3 показано положение наклонного кривошипа при θ = 0^°. Угловая скорость колебательного вала составит
ω_17a = (dβ_a/dψ_a)(dψ_a/dα)ω₂,
который посредством обгонных муфт вращает колесо дифференциала 6а с угловой скоростью
ω_6a(α) = |ω_17a|(z₂₀/z₂₂),
где z₂₀ и z₂₂ - число зубьев шестерен 20, 21 и зубчатых колес 22, 23. Так как приводные валы установлены со сдвигом по фазе, то угловая скорость колеса дифференциала 6b равна
ω_6b = ω_6a(α+90^°),
а угловая скорость водила, равная скорости выходного вала, составит
ω₃(α) = 0.5(ω_6a+ω_6b),
и будет уменьшаться с уменьшением θ, при этом передаваемый выходным валом момент М₃ будет возрастать, при θ = 0 выходной вал останавливается.

При фиксированном θω₃(α) будет зависить oт положения входного вала, то есть не будет постоянной при ω₂ = const. Неравномерность вращения выходного вала будем оценивать коэффициентом неравномерности
δ = 2(ω_max-ω_min)/(ω_max+ω_min),
где ω_max и ω_min- максимальное и минимальное значения ω₃. На величину δ влияют как конструктивные особенности механизма, так и вид центроид зубчатой пары. Свяжем с шестерней и колесом координатные оси 0_шxy и 0_кξη, L=0_к0_ш - межцентровое расстояние. Рассмотрим качение шестерни по колесу как показано на фиг. 4. Параметрические уравнения центроид имеют следующий вид (см. [5], стр. 127-131):
для шестерни
x_p(α) = -[L(dψ/dα)cosα]/(1+dψ/dα);
y_p(α) = [L(dψ/dα)sinα]/(1+dψ/dα),
для колеса
ξ_p(α) = -(Lcosψ)/(1+dψ/dα);
η_p(α) = (Lsinψ)/(1+dψ/dα).
Рассмотрим три функции ψ = ψ(α), обеспечивающие при повороте шестерни нa 180^o поворот колеса на 90^o:
а) ψ = 0.5α (центроиды-окружности);
б) ψ = 0.5α+Aα(α-π);
в) ψ = K₃α³+K₂α²+Bα, K₃ = (B+C-1)/π²; K₂ = (1.5-2B-C)/π,
где C = (dψ/dα) при α = π.
На фиг. 5 представлены графики коэффициентов неравномерности δ = δ(θ) для рассматриваемых функций при А=0.02122, В=0.512, С=0.564, коэффициенты определялись варьированием при минимизации δ = δ(θ = 30^°). На фиг. 1 на центроидах показаны точки контакта q_α и Q_α центроид, r(α) и R(α) - радиусы центроид, значения которых, а также ψ(α), приведены в таблице для трех функций при L=1 и α, равном 0^o, 90^o и 180^o.

Из таблицы и фиг. 5 видно, что незначительное отклонение центроид от окружностей заметно влияет на коэффициент неравномерности, который достигает значений, приемлемых в практике. Следует отметить, что реальный коэффициент неравномерности будет ниже благодаря обгонному характеру работы обгонных муфт и инерции звеньев, связанных с ведомыми полумуфтами.

Противовесы 30 служат для динамического уравновешивания механизма, они отклоняются совместно с наклонным кривошипом, с которым связаны зубчатыми секторами 31 и 32.

Направление вращения выходного вала не зависит от направления вращения входного. Для реверса выходного вала следует рукояткой реверса 26 переместить втулки 24 с приводными зубчатыми колесами 22 и 23 в другое крайнее положение.

Нa фиг. 6 и 7 показаны два варианта конструкций без механизма реверса, отличающихся oт рассмотренной выше кинематической связью наклонного кривошипа с колесом дифференциала. Нa фиг. 6 ведомые полумуфты обгонных муфт установлены на ступице колеса дифференциала, а на колебательном валу смантирована коническая шестерня 35, связанная с другой шестерней 36 посредством паразитки 37, шестерни 35 и 36 установлены на ведущих полумуфтах обгонных муфт. На фиг. 7 ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые на конических шестернях 39 и 38, связанных паразиткой 37, шестерня 39 снабжена дополнительным цилиндрическим зубчатым венцом 40, сцепленным с зубчатам колесом 41, закрепленным на ступице колеса дифференциала.

Используемый в высокомоментном вариаторе зубчатый дифференциал может быть иным, например с цилиндрическими зубчатыми колесами.

Тип обгонных муфт не принципиален, можно использовать фрикционные муфты с заклинивающимися роликами или храповые, у последних передаваемый момент выше, чем у аналогичных по габаритам фрикционных. Следует отметить, что в приводном механизме вращение передает одна обгонная муфта, а переключение муфт происходит при остановке колебательного вала, что уменьшает динамические нагрузки в муфтах.

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

2. US 3449972, U.S. С1. 74-119, F 16 H 29/08, 25.01.67 (G. Wicenec).

3. Кожевников С.Н. Механизмы. Справочник. 4-е изд. под ред. С.Н. Кожевникова. -М.: Maшиноcтроение, 1976.

4. Пылаев Б.В. Кинематика и динамика бесшатунного механизма с качающейся шайбой. // Вестник машиностроения. 1996. 4. С. 6-10.

5. Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики, ч.1. -М.: Наука, 1972.

6. DE 3309044, F 16 H 29/08, 14.03.83 (Rindfleisch В.).

7. RU 2137966 C1, F 16 H 29/08, 25.02.98 (Б.В. Пылаев).

8. RU 2147701 C1, F 16 H 29/08, 25.02.98 (Б.В. Пылаев).

Изобретение относится к машиностроению. Вариатор содержит входной 2 и выходной 3 валы, трехвальный зубчатый дифференциал и приводные механизмы. Приводные валы 8а и 8б приводных механизмов установлены со сдвигом по фазе на 90^o. Приводной вал каждого из приводных механизмов посредством зубчатой пары 9-10 связан с входным валом 2. В приводном валу установлен с возможностью осевого перемещения от рукоятки 27 изменения передаточного отношения шток 28, связанный серьгой 29 с косынками 12, смонтированными на валике 11 в проушинах приводного вала. Между косынками 12 закреплен подшипник 13, образующий с наклонным кривошипом 14 вращательную и подвижную в осевом направлении пару. Через наклонный кривошип 14 приводной вал связан с колебательным валом 17. Колебалельный вал 17 каждого из приводных механизмов через обгонные муфты 18, 19 и зубчатую передачу связан со ступицей колеса дифференциала. Водило дифференциала составляет единое звено с выходным валом. Технический результат - упрощение конструкции и повышение эксплутационных характеристик вариатора. 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Высокомоментный вариатор, содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя кинематически связанный с входным валом колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом колебательный вал с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения амплитуды колебания, отличающийся тем, что приводной механизм снабжен связанным с входным валом посредством зубчатой пары приводным валом с размещенным в нем с возможностью осевого перемещения от рукоятки измерения передаточного отношения штоком, смонтированными на валике в проушинах приводного вала двумя косынками, между которыми шарнирно закреплен подшипник, установленным между косынками на цапфах колебательного вала наклонным кривошипом, образующим с подшипником вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а косынки посредством серьги соединены с штоком. 2. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что зубчатая передача выполнена в виде установленного и фиксированного от вращения на ступице колеса дифференциала приводного зубатого колеса и сцепленных с ним конических шестерен, при этом ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые - на конических шестернях. 3. Высокомоментный вариатор по п. 2, отличающийся тем, что снабжен рукояткой реверса, смонтированной на ступице колеса дифференциала с возможностью осевого перемещения от рукоятки реверса втулкой и вторым приводным зубчатым колесом, закрепленным вместе с первым на втулке, с возможностью поочередного сцепления с коническими шестернями при крайних положениях втулки. 4. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что в зубчатой паре шестерня и колесо выполнены с переменным расстоянием от центра вращения центроидами. 5. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что на проушинах приводного вала смонтированы противовесы, кинематически связанные с валиком косынок, например, посредством зубчатых секторов.