ИНЕРЦИОННЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСИВНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2003 года по МПК F16H33/14 F16H3/74 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к импульсивным вариаторам, и может быть использовано в силовых передачах машин и механизмов.

Известен планетарный импульсный вариатор, содержащий ведущий и ведомый валы, соединенные между собой муфтой свободного хода, на ведущем звене которой закреплен поводок, соединенный с осью, параллельной оси ведомою вала и связанной с ведомым валом с помощью зубчатой передачи и второй муфты свободного хода. На оси свободно расположено 2-венцовое зубчатое колесо, один из венцов которого взаимодействует с колесом зубчатой передачи, соединяющей регулирующее устройство с ведомым валом, а другой венец взаимодействует с зубчатой рейкой, шарнирно соединенной с ползуном, перемещаемым вдоль направляющей перпендикулярно оси ведомого вала (см. авторское свидетельство СССР 279285, кл. 47h,l3, MПK F 16 H 29/08, 1970 г.).

Известный вариатор не имеет автоматического регулирования, обладает большой неравномерностью вращения ведомого вала. Использование муфт свободного хода снижает надежность работы устройства.

Известна также автоматическая бесступенчатая механическая передача (см. патент РФ 2109188, кл. F 16 Н 33/10,1998 г.). Эта передача содержит входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. Водило дифференциала закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей. На этих осях установлены сателлиты, которые входят в зацепление с центральными колесами дифференциала. Опорный элемент инерционного тормозного устройства закреплен в корпусе и взаимодействует с инерционными грузами при вращении их относительно оси передачи.

Работа данного устройства основана на распределении крутящего момента ведущего вала и связанного с ним водила между двумя выходными валами, один из которых является ведомым, а второй связан с инерционным тормозным устройством.

Недостатком данного устройства является сложность и ненадежность конструкции, вызванная применением инерционного тормозного устройства, работа которого основана на законе сохранения импульса и связана с высокими скоростями вращения массивных сателлитов.

Из известных инерционных автоматических импульсивных вариаторов наиболее близким по технической сущности является автоматическая импульсивная передача В.И. Заславского (см. книгу В.Ф Мальцева "Импульсивные вариаторы", МАШГИЗ, Москва, 1963 г., фиг.35).

Эта автоматическая импульсивная передача содержит входной вал, связанный через конические шестерни и кривошипно-коромысловый механизм с первым центральным колесом дифференциальной передачи, установленным на коленчатом валу кривошипно-коромыслового механизма. Второе центральное колесо установлено на втором валу дифференциального редуктора вместе с двумя обоймами муфт свободного хода и находится в зацеплении с первым центральным колесом через сателлиты, установленные на массивном водиле. Наружные обоймы МСХ соединены с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении между собой через 4 паразитных колеса с двумя колесами ведомого вала, подключаемыми к нему кулачковой муфтой реверса. Передача В.И. Заславского работает на принципе использования тангенциальных сил колеблющегося массивного звена и представляет собой устройство, преобразующее с помощью кривошипно-коромыслового и дифференциального механизмов вращательное движение ведущего звена в колебательное движение выходного вала и выпрямление с помощью МСХ двух импульсов крутящего момента за один оборот ведущего звена.

Недостаток известной автоматической импульсивной передачи В.И. Заславского заключается в том, что колебательное движение первого центрального колеса вокруг своей оси создается кривошипно-коромысловым механизмом, усложняющим конструкцию.

Другим недостатком конструкции является использование МСХ, являющегося ненадежным и недолговечным звеном.

Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства автоматического и бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала в зависимости от нагрузки и снижение неравномерности его вращения.

Поставленная задача достигается тем, что в инерционном автоматическом импульсивном вариаторе, содержащем соосные ведущий и ведомый валы, несколько установленных последовательно преобразующих механизмов, образованных зубчатыми передачами с переменным передаточным отношением и массивными звеньями, согласно изобретению установленные последовательно, преобразующие механизмы выполнены в виде дифференциальною механизма с некруглым смещенным центральным колесом и двумя выходными валами, один из которых жестко связан с некруглым смещенным центральным колесом и является ведомым, а второй вал выполнен составным и образован несколькими полыми коаксиальными валами с закрепленными на них зубчатыми колесами, образующими составное второе центральное колесо, водилом, жестко связанным с ведущим валом и несущим оси двухрядных сателлитов, находящихся в зацеплении с центральными колесами и обеспечивающих кинематические связи каждого коаксиального вала с ведомым валом, и группой маховиков, жестко закрепленных на коаксиальных валах, при этом передаточные отношения от водила к каждому коаксиальному валу при остановленном некруглом смещенном центральном колесе одинаковые и имеют преобладающее отрицательное значение, числа зубьев некруглого смещенного центрального колеса и сопряженных с ним сателлитов равны, а сателлиты эксцентрично смещены относительно своих осей вращения на величину смещения некруглого центрального колеса.

Такое конструктивное выполнение инерционного автоматического импульсивного вариатора обеспечит достижение заданного технического результата за счет соответствующих кинематических связей коаксиальных валов, образующих составной выходной вал, с закрепленными на них массивными звеньями с двумя другими валами дифференциального механизма. Применение передачи с некруглым колесом со средним значением передаточного отношения 1:1 обеспечивает циклически изменяющееся передаточное отношение дифференциального механизма. Преобладающее отрицательное переменное передаточное отношение от водила к составному выходному валу при остановленном некруглом центральном колесе обеспечивает получение импульсов крутящих моментов одною знака на ведомом валу при сложении знакопеременных импульсов в дифференциальном механизме с двумя степенями свободы. Размещение на водиле максимально возможного числа осей сателлитов определяется конструктивно и соответствует числу импульсов крутящих моментов за один оборот водила, их взаимный фазовый сдвиг и тем самым влияет на равномерность вращения ведомого вала. Существенным достоинством вариатора является автомагическое бесступенчатое трансформирование в широком диапазоне вращающего момента в зависимости от нагрузки на ведомом валу, а также отсутствие МСХ, присущее устройствам этого типа. Автоматизм вариатора достигается за счет распределения крутящего момента от ведущего вала между двумя выходными валами дифференциального механизма: ведомым валом с приложенным к нему моментом сопротивления от действия нагрузки и составным выходным валом с установленными на нем маховиками, неравномерное вращение которых вызывает нелинейно изменяющиеся тангенциальные силы инерции. Передаточное отношение и его знак определяются соотношением чисел зубьев составного центрального колеса и находящихся в зацеплении с ним сателлитов и выбирается исходя из конкретных условий.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображена кинематическая схема инерционного автоматического импульсивного вариатора;
на фиг. 2 изображена схема положений начальных окружностей одного двухрядного сателлита относительно центральных колес с двумя экстремальными положениями;
на фиг. 3 изображена схема положений одного двухрядного сателлита относительно центральных колес с 4-мя экстремальными положениями.

Инерционный автоматический импульсивный вариатор (фиг. 1) состоит из стоек 10 и 11, расположенных соосно, и установленных в них подвижно коаксиальных валов 5 и 5.1, жестко связанных с центральными колесами 4 и 4.1, ведущего вала 7, жестко связанного с водилом В, и ведомого вала 9, жестко связанного с некруглым смещенным центральным колесом 1. На водиле подвижно установлены оси 8 и 8.1 двухрядных сателлитов 2 и 3, 2.1 и 3.1. Сателлиты 2 и 2.1, сопряженные с некруглым смещенным центральным колесом 1, имеют круглую форму, эксцентрично смещены относительно своих осей вращения на величину смещения некруглого центральною колеса. Маховики 6 и 6.1, имеющие одинаковые маховые моменты, жестко закреплены на коаксиальных валах 5 и 5.1.

Устройство работает следующим образом.

Вращение ведущего вала 7, жестко связанного с водилом В, сообщает через оси 8 и 8.1 с закрепленными на них сателлитами 2 и 3, 2.1 и 3.1 движение обкатывания последними центральных колес 1,4 и 4.1 (фиг.1). Центральное колесо 1, установленное на ведомом валу 9 со смещением и имеющее некруглую форму, находится в неподвижном состоянии при начале движения или вследствие сил сопротивления от действия нагрузки. Сателлиты 2 и 2.1, имеющие круглую форму и установленные эксцентрично на осях 8 и 8.1 вызывают их неравномерное вращение в результате возникающих биений при обкатывании неподвижного центрального колеса 1. Неравномерное вращение через сателлиты 3 и 3.1 передается находящимся в зацеплении с ними центральным колесам 4 и 4.1 и маховикам 6 и 6,1 через коаксиальные валы 5 и 5.1. Неравномерное вращение маховиков происходит в направлении, противоположном вращению водила.

Мгновенное значение передаточного отношения при ω₁ =0 определяется по формуле

где ω₁,ω_в,ω₄ - угловые скорости соответственно некруглого центрального колеса 1, водила В и центрального колеса 4;
R'₁, R'₂ - мгновенные значения радиусов начальных окружностей некруглого центрального колеса 1 и эксцентричного сателлита 2 в точке их соприкосновения;
R₄, R₃ - радиусы начальных окружностей второго центрального колеса 4 и сателлита 3.

Из формулы следует, что отношение R'₁R₃/R'₂R₄ определяет мгновенное значение передаточного отношения и его знак.

При R'₁R₃/R'₂R₄= 1 ω_в/ω₄ = ∞, т.е. скорость центрального колеса 4 равна 0.

В случае вращения некруглого центрального колеса 1 в режиме дифференциального механизма это соответствует равенству скоростей центральных колес.

При R'₁R₃/R'₂R₄<1 передаточное отношение положительно, направления вращении водила и центрального колеса 4 одинаковы.

При R'₁R₃/R'₂R₄>1 передаточное отношение отрицательно, направления вращении водила и центрального колеса 4 противоположны.

Соотношение R'₁/R'₂ имеет экстремальные значения при таких положениях начальных окружностей, когда разность мгновенных значений радиусов R'₁-R'₂= 2е, где е - величина смещения центрального колеса и сателлитов.

Соотношение R₃/R₄ определяет среднее значение передаточного отношения редуктора и выбирается, исходя из требуемых динамических характеристик устройства и конструктивных особенностей.

На фиг.2 изображены 2 экстремальных положения начальных окружностей 2 и 3 одного двухрядного сателлита относительно начальных окружностей центральных колес 1 и 4. Мгновенное значение передаточного отношения в верхнем по схеме положении определяется параметрами: R₃=R'₂; R'₁=R₄; R'₂-R₂=R₁-R'₁= е; где e - смещение; R₂, R₃, R₄ - радиусы начальных окружностей колес 2, 3,4; R₁ - радиус начальной окружности центрального колеса 1, установленного без смещения; R'₁ и R'₂ - мгновенные значения радиусов начальных окружностей колес 1 и 2 в точке их соприкосновения.

Мгновенное значение передаточного отношения для верхнего по схеме положения

соответствует угловой скорости центрального колеса 4 ω₄ = 0. При вращении некруглого центрального колеса 1 это положение соответствует равенству скоростей ω₄ = ω₁.
Поворот водила на угол α из верхнего положения соответствует нижнему положению начальных окружностей сателлитов 2 и 3 и сопровождается изменением мгновенных значений радиусов эксцентричного сателлита 2 и некруглого центрального колеса 1.

В нижнем по схеме положении: R₃-R'₂=R'₁-R₄=Δ₂=2е; отношение

соответствует максимальной скорости вращения центрального колеса 4 с отрицательным знаком при наибольшем кпд механизма.

Поворот водила В и оси 8 сателлитов 2 и 3 из верхнего положения в нижнее на угол а вызывает ускоренное вращение центрального колеса 4 с отрицательным знаком до максимального значения (участок ускорения), а из нижнего в верхнее - с замедлением (участок замедления) до выравнивания скоростей центральных колес 1 и 4.

В инерционном автоматическом импульсивном вариаторе (фиг.1) вращение центрального колеса 4 и связанного с ним маховика 6 на участке ускорения вызывает реактивный импульс крутящего момента от возникающей тангенциальной силы инерции, который передается через зацепления дифференциального механизма ведомому валу 9.

Величина этого импульса зависит в основном от махового момента маховика, угловой скорости водила, диапазона изменения передаточного отношения, величины смещения зубчатых колес, кпд дифференциального механизма. Переход от ускоренного вращения маховика к замедленному сопровождается изменением знака импульса крутящего момента на противоположный.

В дифференциальном механизме этот импульс распределяется между водилом, направление вращения которого совпадает с направлением приходящего на него через оси сателлитов части этого импульса, и ведомым валом, имеющим противоположное направление вращения. Соотношение частей импульса, приходящих на водило и ведомый вал, кроме вышеперечисленых факторов зависит также от махового момента водила. Прохождение сателлитами верхнего на схеме 2-го участка соответствует очень большим значениям передаточных отношений при очень низком кпд (менее 0,01), и оставшаяся часть импульса крутящего момента приходит на некруглое центральное колесо, где происходит сложение приходящих импульсов от всех маховиков. В результате на ведомый вал действуют импульсы крутящих моментов одного знака, каждый длительностью, соответствующей половине оборота водила. Фазовый сдвиг импульсов определяется положением осей на водило и для изображенного на фиг.1 положения равен 180^o.

Увеличение скорости вращения водила вызывает увеличение величины импульсов крутящих моментов пропорционально квадрату скорости. Превышение импульсами крутящих моментов момента сопротивления от действия нагрузки на ведомом валу вызовет его вращение. Дальнейшее увеличение скорости вращения приводит к большему распределению крутящего момента к ведомому валу, а устройство стремится к состоянию, при котором отсутствует движение обкатывания сателлитами центральных колес. Передаточное отношение устанавливается автоматически при выравнивании суммарного крутящего момента от действия тангенциальных сил инерции и момента нагрузки на ведомом валу.

На фиг.3 изображены начальные окружности 2 и 3 одного двухрядного сателлита относительно начальных окружностей 1 и 4 центральных колес с 4 экстремальными положениями. Дифференциальный механизм, выполненный по этой схеме, обладает положительным переменным передаточным отношением на участке зацепления, соответствующего очень большим значениям передаточных отношений. Мгновенное значение передаточного отношения для верхнего по схеме положения начальных окружностей определяется параметрами:
R₄-R'₁=R'₂-R₃=Δ₁; 0<Δ<е

соответствует максимальной скорости центрального колеса 4 с положительным передаточным отношением.

Для боковых положений, соответствующих повороту водила на угол α:

соответствует равенству скоростей центральных колес 1 и 4.

Для нижнего положения начальных окружностей 2 и 3:
R'₁-R₄=R₃-R'₂=Δ₂; е<Δ₂<2_e;

соответствует максимальной скорости вращения центрального колеса 4 с отрицательным передаточным отношением.

Работа инерционного автоматического импульсивного вариатора, выполненного по этой схеме, позволяет использовать энергию маховика на участке зацепления, соответствующего углу поворота водила 2α при очень больших значениях передаточных отношений, за счет изменения направления его вращения. Для этого положения дифференциальный механизм может рассматриваться как приведенный, т. е. механизм с остановленным водилом. Крутящий момент от тангенциальной силы инерции маховиков передается непосредственно ведомому валу через сателлиты. На участке ускорения, соответствующем углу поворота водила на угол β, возникающий реактивный крутящий момент при тех же параметрах маховика имеет большую величину за счет изменения направления его вращения при некотором уменьшении длительности импульсов на величину, соответствующую повороту водила на угол α.
Схема, изображенная на фиг 3, позволяет более полно использовать возможности устройства в реальной конструкции и улучшить динамические характеристики устройства.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в силовых передачах машин и механизмов. Устройство содержит ведущий и ведомый валы, несколько установленных последовательно преобразующих механизмов, выполненных в виде дифференциального механизма с некруглым центральным колесом и двумя выходными валами. Один из выходных валов жестко связан с некруглым центральным колесом и является ведомым. Второй вал выполнен составным и образован несколькими полыми коаксиальными валами с закрепленными на них зубчатыми колесами, образующими составное второе центральное колесо. Водило жестко связано с ведущим валом и несет оси двухрядных сателлитов, зацепленных с центральными колесами и кинематически связывающих каждый коаксиальный вал с ведомым валом. Группа маховиков жестко закреплена на коаксиальных валах. Переменные передаточные отношения от водила к каждому коаксиальному валу при остановленном некруглом центральном колесе одинаковы и имеют преобладающее отрицательное значение. Числа зубьев некруглого центрального колеса и сопряженных с ним круглых сателлитов равны. Сателлиты эксцентрично смещены относительно своих осей вращения на величину смещения некруглого центрального колеса. Технический результат - создание устройства автоматического и бесступенчатого регулирования частоты вращения ведомого вала в зависимости от нагрузки и снижение неравномерности его вращения. 3 ил.

Инерционный автоматический импульсивный вариатор, содержащий соосные ведущий и ведомый валы, несколько установленных последовательно преобразующих механизмов, образованных зубчатыми передачами с переменным передаточным отношением и массивными звеньями, отличающийся тем, что установленные последовательно преобразующие механизмы выполнены в виде дифференциального механизма с некруглым смещенным центральным колесом и двумя выходными валами, один из которых жестко связан с некруглым смещенным центральным колесом и является ведомым, а второй вал выполнен составным и образован несколькими полыми коаксиальными валами с закрепленными на них зубчатыми колесами, образующими составное второе центральное колесо, водилом, жестко связанным с ведущим валом и несущим оси двурядных сателлитов находящихся в зацеплении с центральными колесами и обеспечивающих кинематическую связь каждого коаксиального вала с ведомым валом, и группой маховиков, жестко закрепленных на коаксиальных валах, при этом переменные передаточные отношения от водила к каждому коаксиальному валу при остановленном некруглом смещенном центральном колесе одинаковые и имеют преобладающее отрицательное значение, числа зубьев некруглого смещенного центрального колеса и сопряженных с ним круглых сателлитов равны, а сателлиты эксцентрично смещены относительно своих осей вращения на величину смещения некруглого смещенного центрального колеса.