КАРДАННО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2003 года по МПК F16H29/16 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к транспортному станкостроению, а именно к конструкции устройств для обеспечения автоматического соответствия приводного крутящего момента действующим на исполнительный орган изделия нагрузкам.

В технике известны бесступенчатые коробки передач (пат. РФ 2097215, В 60 К 17/16 за 1997 г.) или автоматические коробки передач, содержащие двухрядные планетарные передачи, гидротрансформатор с планетарными и шестеренчатыми узлами (пат. РФ 2111870, В 60 К 17/10 за 1998 г.).

По а. с. СССР 968549, F 16 H 29/04 за 1982 г. известен импульсный вариатор, преобразующий крутящий момент посредством изменения эксцентриситета механизма, содержащего коромысла, водила, кинематически связанные с входным и выходным валами вариатора.

Известны также импульсные вариаторы скорости, содержащие цепи с двойными универсальными карданными шарнирами, см. а.с. СССР 320658 и 540091, F 16 Н 29/16 за 1964 и 1975 гг. соответственно.

Недостатками известных решений является низкая технологичность изготовления на этапе сборки изделия, большая материало-и трудоемкость с низкой надежностью вариаторов в эксплуатации. Эти механизмы имеют малую нагрузочную способность и не имеют автоматического обеспечения соответствия крутящего приводного момента нагрузке на выходном валу и передаточного отношения.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому решению является импульсный вариатор скорости, содержащий установленные в корпусе входной и выходной валы, двухступенчатую планетарную передачу с центральным колесом второй ступени на ведомом валу и водилом на входном валу, кинематически связанных посредством цепей с двойными универсальными карданными шарнирами, описанным в а. с. СССР 815374, F 16 Н 29/16, 3/56 за 1981 г. Он имеет две карданные цепи, каждая из которых имеет возможность радиального перемещения входного конца цепей с осевым смещением в ограниченном интервале элементов кинематической связи и механизм регулирования передаточного отношения механическим воздействием оператора.

Данное решение исключает некоторые недостатки известных решений (сложность конструкции, большие материало-и трудоемкость изготовления), но имеет при этом недостаточный интервал регулирования передаточных отношений, отсутствие автоматического регулирования его и крутящего момента.

Изобретение решает задачу бесступенчатого обеспечения соответствия приводного крутящего момента и передаточных отношений эксплуатационным нагрузкам в широком их диапазоне с одновременным уменьшением трудоемкости и материалоемкости изготовления и надежности вариатора в эксплуатации.

Сущность изобретения состоит в том, что карданно-дифференциальный вариатор, содержащий корпус, установленные в нем входной и выходной валы, шестеренчатые передачи и две карданные передачи, имеющие возможность смещения в ограниченном интервале перемещений, в том числе осевых, выполнен с двумя перемычками в корпусе с опорами, с блоками шестерен и водилом на каждой, сателлитный вал водила имеет центральную шестерню в середине вала и концевые шестерни на концах его, карданные передачи выполнены из ведущих валов с шестернями, размещенными в опорах стенок корпуса и его перемычках с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с шестернями входного вала, ведомого вала с шестерней, соединенного с ведущими валами двухшарнирными карданами с карданным валом между ними и установленного на свободном конце коромысла, другой конец которого шарнирно установлен на сателлитном валу и соединен пружиной с водилом, а шестерня ведомого вала зацеплена с центральной шестерней сателлитного вала, концевые шестерни которого зацеплены с малыми шестернями блоков шестерен, большие шестерни которых зацеплены с шестернями выходного вала, при этом зубчатые венцы шестерен входного вала выполнены с шириной, обеспечивающей зацепление их с шестернями ведущих валов карданных передач на всем интервале их перемещения в опорах.

Карданные передачи вариатора установлены в корпусе и водиле с разворотом на угол 90^o относительно друг друга.

Карданно-дифференциальный вариатор снабжен вторым водилом с коромыслом и карданными передачами, смещенными в окружном направлении на 45^o.

Карданно-дифференциальный вариатор может быть снабжен карданными цепями с использованием карданов любого вида гомокинетических сочленений (Spiecer, Rzeppa, Viess и пр.), а также их усовершенствования.

Выполнение КДВ с механизмом разделения приводного крутящего момента на импульсы или моменты управляемого углом В плечевого и радиального позволяет осуществлять передачу их на выходной вал вариатора с учетом суммирования и дифференцирования нагрузки на вал, центробежных сил коромысла и сил упругости пружины с соответствующим передаточным отношением обеспечивает выполнение решения поставленной задачи - расширения диапазона автоматического регулирования момента и скорости вращения исполнительного органа изделия в интервале значении передаточного отношения 1-10.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема одинарного карданно-дифференциального вариатора (вид в плане); на фиг.2 - вид слева на водило; на фиг.4 - вид сверху на часть водила в статическом положении вариатора (при отсутствии нагрузки на выходном валу 16); на фиг.3, 5 - то же, в процессе работы вариатора в момент минимального угла отклонения карданных валов от оси карданной цепи; на фиг.6 - графики соотношения радиальных и плечевых моментов в положении карданной цепи, изображенном на фиг.2, 4; на фиг.7 - то же, для положения карданной цепи в положении фиг.3, 5; на фиг.8 - график генерации импульсов плечевого момента из приводного и их регенерации и суммирования в общий плечевой момент; на фиг.9 - график суммарного плечевого момента в двойном вариаторе.

Карданно-дифференциальный вариатор состоит из установленного в корпусе входного вала 1 (фиг. 1) с шестернями 2, 2', имеющими зубчатый венец с шириной (длиной зуба), равной осевому перемещению валов 4, 4' с жестко закрепленными на них шестернями 3, 3' соответственно. Ведущие карданные валы 4, 4' соединены двухшарнирными карданами 5, 5' и 7, 7' с валами карданными 6, 6' и ведомым 8 с шестерней 9 в середине, взаимодействующей с центральной шестерней 10 сателлитного вала. Установлен вал 8 на свободном конце коромысла 11, другой конец его шарнирно установлен на сателлитном валу, имеющем сателлитные шестерни 12, 12', взаимодействующие с шестернями 13, 13' блоков шестерен, шестерни 14, 14' которых взаимодействуют с шестернями 15, 15' выходного вала 16. Упомянутые блоки шестерен размещены на соответствующих опорах 17 перемычек корпуса, в полости опор установлены валы 4, 4' с возможностью вращения в них и осевого перемещения, как и в опорах 18 стенок корпуса. Вал 19 сателлитных шестерен 12, 12' установлен и зафиксирован от осевых перемещений в боковых стенках водила 20, также зафиксированного от осевого смещения на опорах 17 перемычек корпуса. Зафиксированы от осевых перемещений коромысло 11 на валу 19, вал 8 в коромысле 11, соединенном пружиной 21 со стенкой водила 20.

Работает карданно-дифференциальный вариатор следующим образом.

Вращающий момент от привода с входного вала 1 через пары шестерен 2-3, 2'-3' передается на карданную цепь 4-8, 4'-8'. Поскольку перед включением машины механизмы трансмиссии ее были разгружены, коромысло 11 с шестерней 9 пружиной 21 притянуто /смещено/ к стенке водила 20. Угол β в данном положении (фиг. 2, 4, 6) максимальный, что соответствует режиму храповой муфты, дающей наименьшее передаточное отношение. Преодоление пускового момента для такого передаточного отношения затруднено и создается увеличивающее усилие на ось шестерни 9. Шестерня 9, имея свободу обкатывания шестерни 10б смещается, преодолевая натяжение пружины 21. При этом благодаря возможности ведущих карданных валов 4, 4' смещаться в опорах 17 и 18 карданная цепь 4-8, 8'-4' начинает выпрямляться, уменьшая тем самым угол β. Пары шестерен при этом выполняет функции шлицевого соединения. Вместе с уменьшением угла β, уменьшается плечевой момент М_п карданных валов 6, 6' (фиг.3, 5, 7). Суммарное действие на водило моментов, действующих в системе, вынуждает его вращаться против направления вращения карданной цепи. Вращающий момент водила будет накладываться на момент очередного импульса вращения ведущего карданного вала 4, 4', увеличивая тем самым момент результирующий. Величина трансформации определяется углом β.

В качестве аналогичных процессов можно упомянуть процессы трансформации в регулируемом гидротрансформаторе.

Когда пусковая нагрузка будя преодолена, ослабевает момент противодействия приводному моменту (двс, электродвигателю и т.п.). Пружина 21 притягивает шестерню на некоторое расстояние к стенке водила, увеличивая угол β и плечевой момент. Водило приобретает нулевой суммарный момент и останавливается, создавая полную аналогию механическому редуктору на данном этапе работы КДВ - начале второго режима вариатора.

При дальнейшем уменьшении противодействия пружина еще притягивает шестерню 9 к стенке, и при определенном увеличении угла β увеличение плечевого момента приводит к вращению водила, одинаковому по направлению с вращением карданной цепи. При этом вращаются как шестерни планетарного механизма (шестеренчатых пар), так и водило. Когда противодействие достигнет минимального значения, а угол β увеличится до расчетного, плечевой момент достигнет величины, при которой сателлитный блок (шестерни 10, 12, 12') приобретает свойство рычага, т. е. вращение блока прекратится вокруг своей оси. Работа вариатора в этом случае уподобляется храповой муфте.

Из описанной работы вариатора режим храповой муфты характеризуется одинаковыми скоростями вращения ведущих карданных валов и водила, т.е. Ук: Ув = 1: 1; переходный режим - остановкой водила, т.е. Ук: Ув =1:0. После него начинается режим редуктора, в котором водило начинает вращение в противоположном вращению карданной цепи направлении с постепенным увеличением скорости этого вращения до скоростей Ук: Ув = 1:-1,7. При этом карданная цепь трансформирует приводной момент, разделяя на импульсы плечевого и радиального моментов и суммируя последующий с предыдущим импульсом по двум ветвям кинематической связи валов выходного 16 и входного 1. Функция карданного дифференциала вариатора основана на четырех свойствах карданных шарниров и двух вращениях карданной цепи: вращении валов карданной цепи вокруг своих осей, независимо от их положения относительно оси водила, и вращении карданной цепи относительно оси водила. В этом вращении крутящий момент определяется положением ведомого вала 8 с шестерней 9, карданных валов 6, 6' и шарниров 5, 5' и 7, 7' относительно оси водила 20.

Известными свойствами карданных шарниров являются управляемая генерация импульсов входным карданом с ведущего вала 4(4') на карданный вал 6(6') и регенерация импульсов выходным карданом с карданного вала на ведомый вал 8 (см. Техническую энциклопедию. Карданный вал. т. 9, стр. 1036-1037). Чем больше угол β, тем большую амплитуду имеют импульсы радиального и плечевого моментов. К тому же вращающие моменты из этих импульсов дополняют друг друга. В процессе вращения ведущего кардана происходит периодически перенос момента с радиального на плечевой и обратно подобно тому, как происходит перенос силы тяжести с одной опоры на другую при передвижении груза по перекладине, соединяющей опоры. Раздвоение одного вращения входного вала на два есть третье свойство карданного шарнира в данном решении и характеризует кардан как дифференциал.

При синхронном вращении карданных передач, развернутых на угол 90^o относительно друг друга в карданной цепи, вращающие моменты на карданный вал создает тот ведущий кардан, который дает меньший радиальный импульс. Связан этот эффект с изменением направления действия силы в голономном соединении карданного шарнира при его повороте, из-за чего в каждом положении кардана ведущему валу нужно повернуться на определенный угол для создания действия. Поэтому в синхронной цепи карданные передачи создают действие поочередно. Как следствие, в процессе одного оборота засинхроненных карданных валов ведущих карданные шарниры каждой передачи совершают два импульса действия и два вращения сопровождения - холостого хода.

Таким образом, карданная цепь является автологом, основанным на четвертом свойстве карданного шарнира, описанного выше, и выполняет функцию муфты свободного хода. Однако у него нет заклинивания, т.к. полушарниры не разъединяются, а плавно прекращают действие друг на друга и также плавно возобновляется это взаимодействие.

На фиг. 8 показано "выпрямление" импульсов, характерное для карданного автолога. Кроме того, в карданном автологе наибольшее действие в голономном соединении приходится на положение, когда сила направлена перпендикулярно к касательным взаимодействующих плоскостей. Такая передача действия характерна для храповой муфты, которая уже не является фрикционной. Следовательно, карданный автолог относится к нефрикционным, что безусловно улучшает надежность его в работе.

Описанные генерация и регенерация импульсов прекращаются при смещении вала 8 с шестерней 9 на угол β, близкий к 90^o, и этот переход на режим холостого хода исключен из режимов автоматической работы КДВ средством, ограничивающим смещение коромысла на этот угол. Оно может быть выполнено в компоновке КДВ или трансмиссии объекта (изделия) (условно не показано).

Режимы и эскизы чертежа относятся к одинарному КДВ и повторяются в компоновке его со сдвоенным водилом, коромыслом и карданной цепью. В одинарном вариаторе выходной плечевой момент имеет незначительное колебание по величине, которое исключается в двойном вариаторе.

Графики на фиг.8 и 9 показывают сложение импульсов плечевого момента в одинарном и двух плечевых в двойном вариаторе, в котором упомянутые колебания момента исключаются смещением точки взаимодействия карданных цепей с шестернями входного вала 1 на угол 45^o. На графиках 8, 9 оси Т-времени и М-ось моментов, на графике 8 штрихами изображено графически изменение импульсов плечевого момента.

В конструкции описанных вариаторов использованы свойства одного из видов голономных сочленений - кардана Гука. Работа действующего макета вариатора на карданах Гука подтвердила наличие описанных режимов работы вариатора и тем самым промышленную применимость заявленного решения.

Имеют определенный интерес вариаторы, выполненные на основе других видов, например гомокинетических сочленений (Spiecer, Rzeppa, Viess), а также шарниров Гука с увеличенным углом эффективной работоспособности карданной передачи.

Области применения, преимущества и недостатки вариаторов, использующих известные сочленения и их усовершенствования, требуют дополнительных исследований и экспериментальных проверок. Описанные варианты вариаторов с шарниром Гука могут быть снабжены узлом переключения с автоматического режима на работу по заданному алгоритму или с регулирующим механическим воздействием в определенных эксплуатационных обстоятельствах (ручным, гидро- или электромеханическим).

Изобретение относится к машиностроению, станкостроению, к конструкции автоматических преобразователей крутящих моментов и передаточных отношений. Карданно-дифференциальный вариатор состоит из установленных в корпусе входного (1), выходного (16) валов с шестернями (2, 2' и 15, 15'), водила (20), блоков шестерен (13 и 14, 13' и 14') и двух карданных передач. Шестерни (3, 3') ведущих валов (4, 4') карданных передач зацеплены с шестернями (2, 2') входного вала. Ведущие валы (4,4') и ведомый вал (8) с шестерней (9) карданных передач соединены между собой двухшарнирными карданами ( 5 и 6, 5' и 6') и карданным валом (6) между ними. Ведущие валы (4 и 4') установлены в опорах корпуса и его перемычек с возможностью вращения и осевого перемещения. Ведомый вал (8) установлен на коромысле (11), соединенном с водилом (20). Водило (20) установлено в опорах перемычек корпуса. Центральная шестерня сателлитного вала (19) водила (20) зацеплена с шестерней (9) ведомого вала, а концевые шестерни (12, 12') через блоки шестерен (13 и 14, 13' и 14') соединены с шестернями (15, 15') выходного вала (16). Технический результат: расширение диапазона передаточных отношений и уменьшение трудоемкости и материалоемкости в изготовлении. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Карданно-дифференциальный вариатор, содержащий корпус, установленные в нем входной и выходной валы, шестеренчатые передачи и две карданные передачи, имеющие возможность смещения в ограниченном интервале перемещений, в том числе осевых, отличающийся тем, что корпус имеет две перемычки с опорами, и на каждой опоре установлен блок шестерен и водило, сателлитный вал водила имеет центральную шестерню в середине вала и концевые шестерни, карданные передачи выполнены из ведущих валов с шестернями, размещенными в опорах стенок корпуса и его перемычек с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с шестернями входного вала, и ведомого вала с шестерней, соединенного с ведущими валами двухшарнирными карданами с карданным валом между ними и установленного на свободном конце коромысла, другой конец которого шарнирно установлен на сателлитном валу и соединен пружиной с водилом, а шестерня ведомого вала зацеплена с центральной шестерней сателлитного вала, концевые шестерни которого зацеплены с малыми шестернями блоков шестерен, большие шестерни которых зацеплены с шестернями выходного вала, при этом зубчатые венцы шестерен входного вала выполнены с шириной, обеспечивающей зацепление их с шестернями ведущих валов карданных передач на всем интервале их перемещения в опорах. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что карданные передачи его установлены развернутыми на угол 90^o относительно друг друга. 3. Вариатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен вторым водилом с коромыслом и карданными передачами, смещенными в окружном направлении на угол 45^o относительно друг друга.