ИМПУЛЬСНАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2002 года по МПК F16H29/22 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных и приводах технологических машин.

Известен импульсный инерционный автоматический трансформатор вращающего момента /1/, /2/, содержащий шарнирный преобразующий механизм с грузовыми звеньями (генератор импульсов), механизмы свободного хода (выпрямители), ведущий, промежуточный и выходной валы, маховики. Эта импульсная бесступенчатая передача обеспечивает саморегулирование угловой скорости выходного вала за счет действия внешней нагрузки; недостаток - большие динамические нагрузки, развиваемые грузовыми звеньями, низкая надежность и долговечность, вследствие чего она не получила практического применения.

Известна импульсная бесступенчатая передача с саморегулированием передаточного отношения (/3/, стр.61-62), содержащая кривошипно-коромысловый преобразующий механизм (генератор импульсов), эксцентриковый механизм изменения длины кривошипа, механизм свободного хода (храповый механизм), регулирующий механизм, выполненный в виде радиально расположенных рычагов, жестко соединенных с эксцентриками и соединенных между собой пружиной. В этой передаче изменение нагрузки на ведомом валу приводит к деформации пружины и относительному повороту эксцентриков, что изменяет длину кривошипа преобразующего механизма и ведет к изменению передаточного отношения. Недостатками такой передачи являются относительно небольшая допустимая частота вращения ведущего вала, большие динамические нагрузки и шум за счет применения храповых механизмов, отсутствие возможности регулирования передаточного отношения по частоте вращения ведущего вала и величине подачи топлива при применении в трансмиссиях транспортных машин. Радиальное расположение рычагов регулирующего механизма не обеспечивает компактности и вызывает дополнительные динамические нагрузки, уменьшает надежность передачи.

Целью изобретения является создание компактной и надежной импульсной бесступенчатой передачи, обеспечивающей саморегулирование передаточного отношения по нагрузке, частоте вращения и величине подачи топлива (при применении передачи в транспортных машинах), имеющей высокую нагрузочную способность, надежность и долговечность, чему, в частности, способствует применение разработанных в последнее время секторной муфты свободного хода /4/ и эксцентрикового механизма изменения длины кривошипа со штоковым приводом /5/.

Поставленная цель достигается тем, что импульсная бесступенчатая передача содержит корпус, валы, импульсный вариатор, содержащий кривошипно-коромысловый преобразующий механизм, механизм свободного хода, эксцентриковый механизм изменения длины кривошипа, а в ведущем валу вариатора соосно и подвижно ему установлен шток с пальцем, расположенным в профильных пазах ведущего вала вариатора и профильных пазах установленной с возможностью поворота относительно этого вала ступицы, имеющей радиальный паз с расположенной в нем ползушкой, которая шарнирно соединена с эксцентриком, подвижно установленным на эксцентрике ведущего вала вариатора.

Ведущий вал вариатора снабжен центробежным регулятором с рычагами, а на штоке установлен профильный диск, контактирующий с рычагами центробежного регулятора.

На штоке установлен поршень демпфера.

Шток кинематически связан с педалью подачи топлива.

На фиг. 1 показан продольный разрез импульсной бесступенчатой передачи; на фиг. 2 - вариант соединения ведущего вала передачи с выходным валом; на фиг.3 - схема преобразующего и регулирующего механизма; на фиг.4 - эксцентриковый механизм изменения длины кривошипа; на фиг.5 - схема силового нагружения пальца штока; на фиг.6 - внешняя (скоростная) характеристика двигателя, на которой обозначено: n - частота вращения коленчатого вала двигателя; М_е, N_e - момент, мощность двигателя; g_e - удельный расход топлива; n_g - частота вращения коленчатого вала двигателя при минимальном удельном расходе топлива; на фиг.7 - конструктивная схема связи педали подачи топлива со штоком.

Импульсная бесступенчатая передача имеет корпус 1 (фиг.1), в котором установлен ведущий вал передачи 2, ведущий вал вариатора 3 с соосно и подвижно установленным штоком 4 с пальцем 5, ролики 6 которого расположены в профильных пазах 7 (фиг. 5) ступицы 8 (фиг.1), а другие ролики 9 - в профильных пазах 10 (фиг.5) ведущего вала вариатора 3 (фиг.1), который имеет эксцентрик 11 с эксцентриситетом е₁ (фиг.4). На эксцентрике 11 подвижно установлен эксцентрик 12 с эксцентриситетом е₂,, шарнирно соединенный с ползушкой 13 (фиг.1, фиг.3), расположенной в радиальном пазу ступицы 8 с возможностью перемещения по нему. Векторная сумма эксцентриситетов е₁ и е₂ (фиг. 4) равна радиусу (длине) кривошипа r. При е₁ равно е₂ равно е в зависимости от относительного положения эксцентриков 11 и 12 величина r изменяется от 0 до 2 е. На эксцентрике 12 подвижно установлен шатун 14 (фиг.1, фиг. 4), шарнирно соединенный с внутренней обоймой 15 (фиг.1, фиг.3) секторной муфты свободного хода /4/ (на фиг.1 муфта свободного хода показана условно). Указанное выше образует кривошипно-коромысловый механизм с длиной кривошипа r, преобразующий вращательное движение ведущего вала вариатора 3 в возвратно-вращательное движение внутренней обоймы 15, имеющей несколько равномерно расположенных механизмов заклинивания-расклинивания, каждый из которых имеет серьгу 16, подпружиненный рычаг 17 и сектор 18, контактирующий с наружной обоймой, 19, имеющей зубчатый венец 20 и установленной на ведомом валу вариатора 21. На штоке 4 (фиг.1) установлена пружина 22, которая одним торцем контактирует с упором на штоке, а с другого торца поджимается гайкой ведущего вала вариатора (упор и гайка на фиг.1 не обозначены). Шток 4 снабжен профильным диском 23, контактирующим с рычагами 24 центробежного регулятора, установленного на ведущем валу вариатора 3. Дополнительно шток 4 через пружину 25 (фиг.7) и рычаг 26 кинематически связан с педалью подачи топлива. Импульсная бесступенчатая передача снабжена передачей заднего хода (фиг.1), зубчатое колесо 27 которой неподвижно соединено с ведомым валом вариатора 21, а зубчатое колесо 28 свободно установлено на оси, жестко связанной с корпусом 1. На ведомом валу передачи 29 подвижно в осевом направлении установлена каретка 30 с зубчатыми колесами 31 и 32 и неподвижно закреплено зубчатое колесо 33, которое посредством промежуточных колес кинематически связано с зубчатым колесом 34, подвижно установленным на ведущем валу передачи 2 с синхронизатором 35 двустороннего действия, снабженного конусными или многодисковыми фрикционными выравнивающими элементами (/6/, стр. 61-62). На фиг.2 дан вариант соединения ведущего вала передачи 2 с выходным валом передачи 29 посредством цепной и зубчатой передач. Синхронизатор 35 (фиг. 1) может занимать следующие положения: 0 - нейтральное (нулевое) положение; 1 - крайнее левое положение, в котором посредством зубчатой муфты жестко соединяется ведущий вал передачи 2 с зубчатым колесом 34; 2 - крайнее правое положение, в котором жестко соединяется ведущий вал передачи 2 с ведущим валом вариатора 3. Каретка 30 также может занимать аналогичное положение: 0 - нейтральное (нулевое) положение; 1 - зубчатое колесо 31 каретки 30 зацепляется с зубчатым венцом 20 наружной обоймы 19; 2 - зубчатое колесо 32 зацепляется с зубчатым колесом 28 передачи заднего хода. Для гашения возможных продольных колебаний шток 4 снабжен демпфером 36.

Импульсный вариатор передачи работает следующим образом. При вращении ведущего вала вариатора 3 (фиг.1, фиг.3) вращательное движение кривошипа длиной r, образованной относительным положением эксцентриков 11 и 12, преобразуется шатуном 14 в возвратно-вращательное движение внутренней обоймы 15. При прямом ходе за счет заклинивания звеньев 16, 17, 18 внутренняя обойма 15 жестко соединяется с наружной обоймой 19 и они вращаются как единое звено. При обратном ходе звенья 16, 17, 18 расклиниваются и наружная обойма 19 продолжает вращаться в том же направлении, что и при прямом ходе. Движение обоймы 19 в обратном направлении невозможно ввиду указанного выше заклинивания. Применение двух преобразующих механизмов, сдвинутых по фазе на 180^o, с учетом большой частоты вращения двигателя и инерционности движущихся масс обеспечивает требуемую равномерность движения. При изменении радиуса кривошипа за счет относительного поворота эксцентриков 11 и 12 изменяется угол качания и угловая скорость обоймы 15 и, следовательно, частота вращения наружной обоймы 19.

Возможны следующие варианты изменения радиуса кривошипа и, следовательно, изменения передаточного отношения вариатора:
1. За счет осевого перемещения и фиксации положения штока 4. В этом случае частота вращения ведомого вала вариатора 21 изменяется без учета преодолеваемой внешней нагрузки, частоты вращения ведущего вала вариатора 3 и величины подачи топлива (в конструкции отсутствуют пружина, центробежный регулятор и нет связи штока 4 с педалью подачи топлива).

2. За счет поворота эксцентрика 12 (фиг.3) при изменении внешней нагрузки и, следовательно, усилия со стороны шатуна 14. В этом случае возможны следующие варианты: а) автоматическое регулирование по внешней нагрузке путем введения в конструкцию пружины; б) автоматическое регулирование по внешней нагрузке и частоте вращения ведущего вала вариатора 3 путем добавления в конструкцию центробежного регулятора; в) автоматическое регулирование по внешней нагрузке, частоте вращения ведущего вала вариатора 3 и величине подачи топлива путем добавления в конструкцию связи штока 4 с педалью подачи топлива.

При перемещении штока 4 (фиг.1) ролики 5 и 6, перемещаясь в профильных пазах 7 и 10 (фиг.3), имеющих разные направления подъема (левое и правое), поворачивают ступицу 8 относительно ведущего вала вариатора 3 (фиг.1, фиг. 3), что вызывает перемещение ползушки 13 и поворот шарнирно соединенного с ползушкой 13 эксцентрика 12 (фиг.4) относительно эксцентрика 11 ведущего вала вариатора 3, что изменяет радиус кривошипа r и частоту вращения ведомого вала вариатора 21.

Во втором варианте регулирования при определенной нагрузке осевое усилие F_p на штоке 4, равное векторной сумме усилий, развиваемых пружиной 22 и центробежным регулятором через рычаги 24 и профильный диск 23, развивает на ступице 8 момент М_p, равный моменту М_н от действия нагрузки F_н со стороны шатуна 14, при этом шток 4 занимает соответствующее внешней нагрузке определенное положение и находится в равновесии, так как осевое усилие со стороны пазов F_п равно осевому усилию F_p, развиваемому пружиной 22 и центробежным регулятором.

Указанные выше моменты можно выразить как М_p=С•F_p, где С - коэффициент, зависящий от угла β подъема паза (фиг.5) и среднего радиуса ступины 8; М_н= F_н•h₁•U₁₂₈, где F_н - сила, приложенная к эксцентрику 12 (фиг.4) со стороны шатуна 14; h₁ - плечо силы F_н относительно центра О₁ (фиг.3); U₁₂₈ - передаточное отношение от звена 12 к звену 8 при условно неподвижном ведущем валу вариатора 3. Момент на ведущем валу вариатора 3 от действия внешней нагрузки равен: М_в= F_н•h, где h - плечо силы F_н относительно оси вала 0. Со стороны двигателя к ведущему валу вариатора 3 приложен момент М_е. При установившемся движении шток 4 (фиг.1) неподвижен относительно этого вала и M_e=М_в. Параметры пружины 22, профиль пазов 7 и 10 (фиг.5), профиль диска 23 (фиг.1) подбираются таким образом, чтобы при изменении нагрузки положение штока 4 (фиг. 1) обеспечивало передаточное отношение передачи, при котором момент М_е соответствует минимуму удельного расхода топлива (фиг.6) /7/, стр.21).

Процесс регулирования, например, при возрастании нагрузки осуществляется следующим образом. При возрастании нагрузки согласно внешней характеристике двигателя (фиг. 6) уменьшается частота вращения вала двигателя и возрастает момент М_е. Это ведет к уменьшении осевого усилия F_р (фиг.5) на штоке 4 со стороны диска 23, контактирующего с рычагами центробежного регулятора, и возрастанию момента М_н (фиг.3), при этом М_н>М_р, что вызывает поворот эксцентрика 12 относительно эксцентрика 11, перемещение штока 4 и уменьшение плеча h₁, что в свою очередь вызывает увеличение частоты вращения двигателя и уменьшение М_е до начального значения. При значительной внешней нагрузке шток 4 перемещается в крайнее левое положение, при котором передаточное отношение передачи равно 0, что обеспечивает стоповый режим работы (при работающем двигателе выходной вал передачи 29 не вращается). Аналогичную картину имеем при уменьшении нагрузки. Для обеспечения оптимального регулирования при различных частичных внешних характеристиках двигателя, соответствующих различным положениям педалей подачи топлива, шток 4 (фиг.7) дополнительно связан с педалью подачи топлива посредством пружины 25.

Запуск двигателя производится при нейтральном положении синхронизатора 35 (фиг.1) и положении 1 каретки 30, при этом частота вращения ведущего вала передачи 2 равна частоте вращения вала двигателя. При перемещении синхронизатора 35 в положение 2 увеличивается частота вращения ведущего вала вариатора 3, при этом шток 4 занимает крайнее левое положение, соответствующее передаточному отношению передачи, равному 0. Перемещение штока 4 и, следовательно, изменение передаточного отношения передачи начинается после преодоления усилия предварительного сжатия пружины 22, что обеспечивает плавность разгона. Пределы изменения передаточного отношения вариатора составляют примерно 0. . .0,4. За счет зубчатого зацепления колес 20 и 31 передаточное отношение передачи составляет 0...1 и выше. Передаточное отношение, равное 1, соответствует прямой передаче. Для движения на прямой передаче синхронизатор 35 занимает положение 2 (крайнее левое) и вращение выходного вала передачи 29 осуществляется от ведущего вала передачи 2 через рядовую передачу или, как вариант, через цепную и зубчатую передачи (фиг.2). В этом случае вариатор не работает и шток 4 (фиг.1) занимает крайнее левое положение. Введение рядовой передачи позволяет, кроме того, осуществлять запуск двигателя буксированием и торможение двигателем. Для движения задним ходом каретка 30 занимает положение 2 (крайнее правое). При транспортировке, например, автомобиля буксированием синхронизатор 35 и каретка 30 переводятся в нейтральное положение.

Возможные высокочастотные колебания штока 4, возникающие по причине импульсного принципа роботы вариатора, гасятся демпфером 36.

Предлагаемая конструкция импульсной бесступенчатой передачи при применении в трансмиссиях транспортных машин обеспечивает оптимальные тягово-скоростные и топливо-экономические свойства, легкость управления, высокий КПД. За счет применения секторной муфты свободного хода обеспечивается движение накатом, торможение на склонах, стоповый режим. Так как примерно 70% пробега автомобиль работает на прямой передаче (/6/, стр.102), то наличие кинематической цепи, параллельной кинематической цепи вариатора, обеспечивает работу двигателя на прямой передаче, минуя вариатор, что увеличивает надежность и долговечность импульсной бесступенчатой передачи. Разгон, например, автомобиля начинается с определенной минимальной частоты вращения вала двигателя при дальнейшем плавном изменении передаточного отношения с нуля. Это обеспечивает плавность разгона, меньшие динамические нагрузки и потери. Малая инерционность штока механизма регулирования обеспечивает качество регулирования. Гашение демпфером продольных колебаний штока механизма регулирования повышает долговечность импульсной бесступенчатой передачи.

Предлагаемая импульсная бесступенчатая передача имеет преимущества перед фрикционными бесступенчатыми передачами: более высокий KПД и более широкий диапазон регулирования передаточного отношения, начиная с нуля; не требуется создавать большие усилия, которые необходимы во фрикционной передаче для прижатия фрикционных элементов, обеспечивающих получение сил трения, достаточных для передачи требуемого крутящего момента. Предлагаемая импульсная передача имеет преимущества также перед гидрообъемными и гидромеханическими передачами, которые не получили широкого применения ввиду их сложности и высокой стоимости.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 195818, кл. F 16 Н 29/04, 1967.

2. Леонов A.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента. - М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.

3. Саморегулирующийся импульсный вариатор (прототип). - В кн.: Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. -367 с.

4. Патент РФ 2113642, кл. F 16 D 41/06, 1998.

5. Патент РФ 2139459, кл. F 16 Н 21/20, 1999.

6. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета. - М.: Машиностроение, 1989. - 304с.

7. Автомобиль: Основы конструкции /Н.Н.Вишняков. В.К.Вахламов, А.Н.Нарбут и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М..: Машиностроение, 1986. -304 с.

Изобретение относится к машиностроению. Импульсная бесступенчатая передача содержит корпус, валы, импульсный вариатор, включающий в себя муфту свободного хода, преобразующий кривошипно-коромысловый механизм, эксцентриковый механизм изменения длины кривошипа. В ведущем валу вариатора соосно и подвижно ему установлен шток с пальцем, расположенным в профильных пазах ведущего вала вариатора и профильных пазах ступицы. Ступица имеет радиальный паз с ползушкой, которая шарнирно соединена с эксцентриком, подвижно установленном на эксцентрике ведущего вала вариатора. Такая конструкция импульсной бесступенчатой передачи исключает работу вариатора на высшей (прямой) передаче, имеет плавное изменение передаточного отношения от нуля. Указанные особенности конструкции обеспечивают качество регулирования и оптимальные тягово-скоростные и топливо-экономические свойства, повышенную долговечность и надежность. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Импульсная бесступенчатая передача, содержащая корпус, валы, импульсный вариатор, содержащий кривошипно-коромысловый преобразующий механизм, механизм свободного хода, эксцентриковый механизм изменения длины кривошипа, отличающаяся тем, что в ведущем валу вариатора соосно и подвижно ему установлен шток с пальцем, расположенным в профильных пазах ведущего вала вариатора и профильных пазах установленной с возможностью поворота относительно этого вала ступицы, имеющей радиальный паз с расположенной в нем ползушкой, которая шарнирно соединена с эксцентриком, подвижно установленным на эксцентрике ведущего вала вариатора. 2. Импульсная бесступенчатая передача по п. 1, отличающаяся тем, что ведущий вал вариатора снабжен центробежным регулятором с рычагами, а на штоке установлен профильный диск, контактирующий с рычагами центробежного регулятора. 3. Импульсная бесступенчатая передача по п. 1, отличающаяся тем, что на штоке установлен поршень демпфера. 4. Импульсная бесступенчатая передача по п. 1, отличающаяся тем, что шток кинематически связан с педалью подачи топлива.