БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2007 года по МПК F16H29/20 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесступенчатым механическим передачам, и может быть использовано в приводах различных механизмов и машин для бесступенчатого регулирования скорости вращения рабочих органов от нуля до заданной величины.

Известна бесступенчатая передача, содержащая ведущий вал, связанный с ведущим элементом, выполненным в виде вращающейся винтовой пружины, один конец которой закреплен неподвижно в осевом направлении, а второй конец пружины соединен с механизмом управления, позволяющим растягивать или сжимать пружину, тем самым изменять межвитковое расстояние, т.е. шаг пружины. В качестве ведомого элемента служит стержень, размещенный между витками пружины перпендикулярно ее оси. При вращении пружины ведомый элемент перемещается вдоль оси пружины со скоростью, заданной шагом пружины [1].

Недостатком известной бесступенчатой передачи является ограниченность ее применения из-за невозможности обеспечить ведомому элементу нулевую скорость и непрерывность его перемещения.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей бесступенчатой передачи путем обеспечения не только плавного изменения скорости, но и возможности установки нулевой скорости, а также непрерывности перемещения ведомого элемента.

Указанная задача решается тем, что бесступенчатая передача, содержащая ведущий вал, связанный с ведущим элементом, выполненным в виде упругого витка с возможностью изменения его шага при помощи механизма управления, включающего винтовую передачу, вал которой сопряжен через регулировочную гайку и подшипник с регулировочным элементом, и ведомый элемент, взаимодействующий с упругим витком, содержит дополнительно сумматор движений, выполненный в виде зубчатой передачи, ведомое звено которой закреплено на ведомом валу, а ведущие звенья кинематически связаны через муфты и ведомый элемент с упругим витком, ведущий вал снабжен цилиндрическим стаканом, внутри которого размещен регулировочный элемент механизма управления, выполненный в виде внутренней и наружной цилиндрических втулок, коаксиально установленных на ведущем валу с возможностью взаимного поворота и осевого перемещения, при этом упругий виток выполнен в виде разрезного кольца, размещенного между цилиндрическим стаканом ведущего вала и наружной цилиндрической втулкой механизма управления и шарнирно соединенного с упомянутыми втулками, а ведомый элемент выполнен в виде, по меньшей мере, двух подпружиненных к разрезному кольцу толкателей, кинематически соединенных через сумматор движений с выходным валом.

Каждый из толкателей снабжен зубчатой рейкой, взаимодействующей с соответствующим ведущим звеном сумматора движений, и шарнирно соединен посредством сферической головки с антифрикционным подпятником, контактирующим с разрезным кольцом.

Муфты сумматора движений выполнены в виде обгонных муфт, размещенных внутри ведущих звеньев зубчатой передачи, либо в виде сцепных муфт, установленных на ведущих звеньях зубчатой передачи и кинематически связанных с управляющей профильной кривой, выполненной на цилиндрическом стакане ведущего вала.

На фиг.1 изображена бесступенчатая передача, общий вид в разрезе, в положении сомкнутых концов разрезного кольца (нулевой шаг витка). На фиг.2 - то же, в положении максимально раздвинутых концов разрезного кольца (максимальный шаг витка). На фиг.3 - то же, разрез А-А на фиг.1. На фиг.4 изображена кинематическая схема бесступенчатой передачи (вариант исполнения сумматора движений с обгонными муфтами). На фиг.5 изображен механизм привода сцепной муфты сумматора движений, сечение Б-Б на фиг.3. На фиг.6 изображен общий вид наружной цилиндрической втулки. На фиг.7 - то же, разрез В-В на фиг.6. На фиг.8 изображен общий вид направляющих регулировочных гаек. На фиг.9 - то же, разрез Г-Г на фиг.8. На фиг.10 изображен фрагмент развертки профильной кривой цилиндрического стакана ведущего вала. На фиг.11 изображен общий вид разрезного кольца. На фиг.12 - то же, вид сверху. На фиг.13 - то же, разрез Д-Д на фиг.12. На фиг.14 - то же, разрез Е-Е на фиг.12. На фиг.15 изображена схема включения со сцепными муфтами сумматора движений.

Бесступенчатая передача (фиг.1, 2) содержит корпус 1, в котором на подшипнике установлен неподвижный в осевом направлении ведущий вал 2, снабженный цилиндрическим стаканом 3. На наружной поверхности стакана 3 выполнен, например, кольцевой буртик 4, имеющий форму профильной кривой на дуге окружности, меньшей 180° (фиг.10). В стакане 3 перпендикулярно его оси установлен неподвижно палец 5 (устанавливается при сборке устройства), на котором закреплено разрезное кольцо 6, выполненное в виде, например, пустотелого кольца прямоугольного профиля (фиг.13, 14). На наружной цилиндрической поверхности кольца 6 перпендикулярно его оси выполнено отверстие 7, в котором размещается палец 5 стакана 3. На внутренней цилиндрической поверхности кольца 6 выполнены диаметрально расположенные отверстия 8, 9, ось которых перпендикулярна оси отверстия 7. На одном из концов разрезного кольца 6 выполнен угловой срез (фиг.4, 11), обеспечивающий перемещение концов кольца 6 в противоположные стороны без задевания друг за друга. Внутри стакана 3 коаксиально установлены внутренняя 10 и наружная 11 цилиндрические втулки с возможностью взаимного поворота и осевого перемещения. Втулки 10 и 11 снабжены соответственно пальцами 12, 13, неподвижно установленными перпендикулярно их осям и вставленными с зазором в соответствующие отверстия 8, 9 разрезного кольца 6. Кольцо 6 размещено между втулкой 11 и стаканом 3. На наружной втулке 11 выполнено прямоугольное отверстие 14 для прохода пальца 12 втулки 10 и взаимного поворота и осевого перемещения втулок 10, 11 при раздвижении концов разрезного кольца 6.

Бесступенчатая передача содержит сумматор движений (фиг.1-3), выполненный в виде зубчатой передачи, ведомое зубчатое колесо 15 которой закреплено на ведомом валу 16 и кинематически связано с ведущими зубчатыми колесами 17, 18, расположенными диаметрально относительно оси вала 2.

В качестве ведомого элемента бесступенчатой передачи служат толкатели 19, 20 (фиг.1, 2), расположенные диаметрально относительно оси ведущего вала 2 и размещенные между стаканом 3 и втулкой 11 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих 21, 22 корпуса 1. Толкатели 19, 20 снабжены зубчатыми рейками 23, 24, находящиеся в постоянном зацеплении соответственно с зубчатыми колесами 17, 18. Верхние концы толкателей 19, 20 загнуты под углом 90° к их оси и соединены соответственно с пружинами 25, 26, закрепленными на корпусе 1. Нижние концы толкателей 19, 20 шарнирно соединены при помощи, например, сферических головок 27, 28 с антифрикционными подпятниками 29, 30, установленными с возможностью скольжения по поверхности разрезного кольца 6.

Механизм управления бесступенчатой передачи содержит винтовую передачу, вал 31 которой установлен соосно ведущему валу 2 с возможностью реверсивного вращения и снабжен раздельными участками с левой и правой резьбой, на которых размещены соответственно регулировочные гайки 32, 33 с возможностью перемещения в направляющих 34, 35 корпуса 1 вдоль оси вала 31. Гайки 32, 33 сопряжены соответственно посредством подшипников 36, 37 с цилиндрическими втулками 10, 11.

В варианте исполнения сумматора движений со сцепными муфтами ведущие зубчатые колеса 17, 18 неподвижно закреплены соответственно на валах 38, 39, установленных с возможностью вращения на подшипниках корпуса 1 (фиг.3). На валах 38, 39 с возможностью свободного вращения и неподвижно в осевом направлении установлены соответственно зубчатые шестерни 40, 41 с выполненными заодно с ними конусными сцепными полумуфтами 42, 43, конусные сцепные полумуфты 44, 45, установленные на шпоночном соединении с возможностью осевого перемещения, тарельчатые пружины 46, 47, свободно размещенные между шестернями 40, 41 и полумуфтами 44, 45, конусные шайбы 48, 49, установленные с возможностью свободного вращения и осевого перемещения, конусные шайбы 50, 51, установленные с возможностью свободного вращения и неподвижно в осевом направлении. Шестерни 40, 41 находятся в постоянном зацеплении с ведомым зубчатым колесом 15.

Бесступенчатая передача содержит механизм автоматического управления работой сцепных муфт, снабженный поводками 52 (фиг.5, второй поводок не показан), размещенными между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью цилиндрического стакана 3 вала 2 и расположенными диаметрально противоположно друг другу с возможностью возвратно-поступательного перемещения по пазам 53 (второй паз не показан), выполненным на внутренней стороне поверхности корпуса 1. Каждый из поводков 52 содержит установленные на их осях с возможностью свободного вращения ролики 54, 55, размещенные с обеих сторон буртика 4 цилиндрического стакана 3 с возможностью копирования профильной кривой буртика 4 при вращении вала 2. Вилки сцепления 56, 57 связаны шарнирно с поводками 52 и выполнены в форме клиньев с боковыми срезами под углом, равным углу конусных шайб 48-51 (фиг.3, 5), что позволяет обеспечить линейный контакт их с конусными шайбами 48-51 в момент включения сцепных муфт.

Бесступенчатая передача работает следующим образом.

При вращении ведущего вала 2 (фиг.1, 2) по часовой стрелке совместно с ним вращаются разрезное кольцо 6, внутренняя 10 и наружная 11 цилиндрические втулки. В положении, когда рабочая поверхность разрезного кольца 6 размещена в плоскости, перпендикулярной оси вала 2 (концы разрезного кольца 6 сомкнуты), толкатели 19, 20 неподвижны и, соответственно, в этот момент времени скорость ведомого вала 15 равна нулю

При вращении вала 31 (фиг.1, 2) гайки 32, 33 наворачиваются на резьбовые участки вала 31 с левой и правой резьбой и перемещаются по пазам направляющих 34, 35 в противоположные стороны вдоль оси вала 2. Гайки 32, 33 посредством подшипников 36, 37 воздействуют на цилиндрические втулки 10, 11 и перемещают их также в противоположные стороны вдоль оси вала 2. Втулки 10, 11 с помощью пальцев 12, 13 разводят концы разрезного кольца 6 на заданное расстояние друг от друга, образуя тем самым один виток винта, шаг которого изменяется при вращении вала 31 от нуля до заданной величины. Угловой срез разрезного кольца 6 (фиг.4, 11) при увеличении шага витка от нуля обеспечивает перемещение концов кольца 6 в противоположные стороны вдоль оси вала 2 без задевания их друг за друга. Вращение разрезного кольца 6 в таком положении вынуждает толкатели 19, 20 совершать возвратно-поступательные движения вдоль оси вала 2, а подпятники 29, 30 копируют профиль рабочей поверхности разрезного кольца 6. При перемещении, например, толкателя 19 вверх (фиг.2, 3) в прорези направляющей 21 растягивается пружина 25, а зубчатая рейка 23 вращает против часовой стрелки находящуюся с ней в зацеплении ведущее зубчатое колесо 17, которое при включенной обгонной муфте или сцепной муфте (рабочий ход) через вал 38 вращает в том же направлении шестерню 41. Шестерня 41 приводит во вращение по часовой стрелке находящуюся в зацеплении с ней ведомое зубчатое колесо 15 и ведомый вал 16. По окончании витка разрезного кольца 6 обгонная муфта или сцепная муфта выключена (холостой ход), и толкатель 19 под действием пружины 25 опускается на начало витка разрезного кольца 6.

В это же время толкатель 20 также движется вверх в прорези направляющей 22, растягивается пружина 26, а зубчатая рейка 24 вращает против часовой стрелки находящееся с ней в зацеплении ведущее зубчатое колесо 18, которое при включенной обгонной муфте или сцепной муфте (рабочий ход) через вал 39 вращает шестерню 42 против часовой стрелки. Шестерня 42 приводит во вращение по часовой стрелке находящееся в зацеплении с ней ведомое зубчатое колесо 15 и ведомый вал 16. По окончании витка разрезного кольца 6 обгонная муфта или сцепная муфта выключена (холостой ход), и толкатель 20 под действием пружины 26 опускается на начало витка разрезного кольца 6. При дальнейшем вращении ведущего вала 2 процесс повторяется.

Обгонные муфты или сцепные муфты остаются включенными для каждого из толкателей 19, 20 поочередно на длине дуги окружности буртика 4 цилиндрического стакана 3 вала 2 свыше 180°, что позволяет перекрывать рабочие движения толкателей 19, 20 и тем самым обеспечивать непрерывность вращения ведомого вала 16 (фиг.15). Таким образом, при каждом обороте ведущего вала 2, суммарная величина рабочих ходов толкателей 19, 20 равна полному шагу витка, установленному валом 31 на данный момент времени.

Механизм автоматического управления работой сцепных муфт бесступенчатой передачи работает следующим образом.

При вращении вала 2 ролики 54, 55 поводка 52 перемещаются по буртику 4 цилиндрического стакана 3 вала 2, копируя его профильную кривую (фиг.3, 5, 10). При этом поводок 52 перемещается по пазу 53 корпуса 1 вниз и совместно с ним вилка 56 сцепления. Конусные шайбы 48, 50 расцепляются, а конусная полумуфта 44 под действием тарельчатой пружины 46 перемещается на шпонке по валу 38 и выводится из сцепления с полумуфтой 42 шестерни 41. Передача крутящего момента на шестерню 41 и далее на ведомый вал 16 прекращается, сцепление выключено. Это действие совершается перед окончанием витка разрезного кольца 6 и зависит от длины дуги профильной кривой буртика 4 цилиндрического стакана 3 вала 2, которая на этом участке должна быть менее 90°. При дальнейшем вращении вала 2 ролики 54, 55 поводка 52 продолжают копировать профильную кривую буртика 4, и поводок 52 перемещается по пазу 53 вверх. Вилка 56 сцепления при этом заходит в зазор между шайбами 48, 50 и посредством конусной шайбы 48 перемещает конусную полумуфту 44 к полумуфте 42 шестерни 41, сжимая тарельчатую пружину 46. Полумуфты 44 и 42 вводятся в сцепление между собой, а шестерня 41 передает крутящий момент на ведомый вал 16 через зубчатое колесо 15. Сцепление включено. Это действие совершается в начале витка разрезного кольца 6 и также зависит от длины дуги профильной кривой буртика 4 цилиндрического стакана 3 вала 2, которая на этом участке должна быть менее 90°. То же самое происходит и при включении/выключении сцепной муфты на валу 39 ведущего зубчатого колеса 18. Подшипники, размещенные на валах 38, 39, обеспечивают работу сцепных муфт во включенном состоянии с минимальными потерями на трение. Включение и выключение сцепных муфт синхронизировано с рабочими и холостыми ходами толкателей 19, 20 за счет соответствующего взаимного размещения разрезного кольца 6 на цилиндрическом стакане 3 вала 2 и профильной кривой буртика 4 цилиндрического стакана 3 вала 2 (фиг.15).

Бесступенчатая передача (фиг.4) в варианте исполнения сумматора движений с обгонными муфтами работает аналогичным образом. Отличие состоит лишь в том, что обгонные муфты встроены в ведущие зубчатые колеса 17, 18 и выключаются соответственно в момент прихода толкателей 19, 20 на конец витка разрезного кольца 6.

Таким образом, обеспечивается не только плавное изменение скорости вращения, но и возможность регулировки передачи от нулевой до максимально заданной скорости, а также непрерывность вращения ведомого элемента, что расширяет функциональные возможности бесступенчатой передачи.

Источники информации

1. А.с. СССР №118904, кл. 21g, 1⁰¹,^{47b, 29, 47h, 3, опубл. 25.03.1959. Бюл. №7 (прототип).}

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесступенчатым механическим передачам, и может быть использовано в приводах различных механизмов и машин для бесступенчатого регулирования скорости вращения рабочих органов от нуля до заданной величины. Ведущий элемент бесступенчатой передачи выполнен в виде упругого витка, имеющего возможность изменения шага при помощи механизма управления. Упругий виток представляет собой разрезное кольцо (6), размещенное между стаканом ведущего вала и наружной цилиндрической втулкой механизма управления. Бесступенчатая передача содержит также сумматор движений, выполненный в виде зубчатой передачи, ведомое звено которой закреплено на ведомом валу (16), а ведущие звенья кинематически связаны через муфты и ведомый элемент, выполненный в виде, по меньшей мере, двух подпружиненных толкателей (19, 20), с разрезным кольцом (6). Такое выполнение расширяет функциональные возможности бесступенчатой передачи и обеспечивает не только плавное изменение скорости, но и возможность установки нулевой скорости, а также непрерывность перемещения ведомого элемента. 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Бесступенчатая передача, содержащая ведущий вал, связанный с ведущим элементом, выполненным в виде упругого витка с возможностью изменения его шага при помощи механизма управления, включающего винтовую передачу, вал которой сопряжен через регулировочную гайку и подшипник с регулировочным элементом, и ведомый элемент, взаимодействующий с упругим витком, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно сумматор движений, выполненный в виде зубчатой передачи, ведомое звено которой закреплено на ведомом валу, а ведущие звенья кинематически связаны через муфты и ведомый элемент с упругим витком, ведущий вал снабжен цилиндрическим стаканом, внутри которого размещен регулировочный элемент механизма управления, выполненный в виде внутренней и наружной цилиндрических втулок, коаксиально установленных на ведущем валу с возможностью взаимного поворота и осевого перемещения, при этом упругий виток выполнен в виде разрезного кольца, размещенного между цилиндрическим стаканом ведущего вала и наружной цилиндрической втулкой механизма управления и шарнирно соединенного с упомянутыми втулками, а ведомый элемент выполнен в виде, по меньшей мере, двух подпружиненных к разрезному кольцу толкателей, кинематически соединенных через сумматор движений с выходным валом.2. Бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что каждый из толкателей снабжен зубчатой рейкой, взаимодействующей с соответствующим ведущим звеном сумматора движений.3. Бесступенчатая передача по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый из толкателей шарнирно соединен посредством сферической головки с антифрикционным подпятником, контактирующим с разрезным кольцом.4. Бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что муфты сумматора движений выполнены в виде сцепных муфт, установленных на ведущих звеньях зубчатой передачи и кинематически связанных с управляющей профильной кривой, выполненной на цилиндрическом стакане ведущего вала, или в виде обгонных муфт, размещенных внутри ведущих звеньев зубчатой передачи.