МЕХАНИЧЕСКАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2008 года по МПК F16H3/74 F16H29/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных и тяговых колесных и гусеничных машин, а также в приводах различного технологического оборудования.

Известны механические бесступенчатые передачи, содержащие ведущий и ведомые валы, эксцентриковый преобразователь вращения в колебания, снабженный механизмом регулирования эксцентриситета, и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные звездообразно механизмы свободного хода (МСХ), ведущие элементы которых связаны с преобразователем, а ведомые выполнены в виде зубчатых колес, находящихся в зацеплении с центральным колесом (см. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. - М.: Машиностроение, 1977, 143 с., рис.59 и 60).

Недостатком таких передач являются повышенные динамические перегрузки из-за того, что передаваемый момент в течение одного оборота ведущего вала изменяется от максимального значения до нуля столько раз, сколько размещено МСХ, например пять. При этом через каждый МСХ по очереди передается полный импульс крутящего момента, а остальные в это время работают в режиме свободного хода.

Известна механическая бесступенчатая передача (прототип), содержащая ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь вращения в колебания и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные равномерно по окружности зубчатые колеса, находящиеся в зацеплении с центральным колесом, и соосные с ними механизмы свободного хода, ведущие элементы которых соединены с преобразователем, а ведомые через торсионные валы соединены с зубчатыми колесами с возможностью поворота ведомых элементов МСХ относительно зубчатых колес в пределах поворота ведущих элементов, соединенных с преобразователем (см. патент РФ №2211971, МПК F16H 3/74, 29/22. Бюл. №25, 2003 г.).

Такая передача обладает свойством саморегулирования, которое осуществляется благодаря самопроизвольному изменению углов закрутки торсионных валов и суммарного эксцентриситета преобразователя при изменении нагрузки на ведомом валу. Передача является многопоточной, так как импульсы моментов, передаваемые на ведомый вал торсионами соседних МСХ, перекрываются по времени.

Недостатком прототипа является то, что совместная работа передачи с двигателем не обеспечивает полного использования его мощности при изменении передаточного отношения в широком диапазоне (см. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи. Екатеринбург: УрО РАН, 2005, 202 с.).

Другой недостаток прототипа заключается в следующем. В эксцентриковом преобразователе наружный эксцентрик играет роль ведущего кривошипа, радиус которого равен суммарному эксцентриситету, а наружная цилиндрическая поверхность эксцентрика служит шейкой этого кривошипа. Из-за того, что диаметр шейки кривошипа в несколько раз больше его радиуса, применение кривошипно-шатунного механизма для связи ведущего вала с коромыслами ведущих элементов МСХ становится конструктивно невыполнимым. Вместо этого применяется кривошипно-ползунный механизм, включающий пазовый диск, установленный на эксцентрике и сухари (ползуны), размещенные в кольцевом пазу диска и шарнирно соединенные с коромыслами МСХ. Так как нагрузка на шип коромысла от сухаря прикладывается консольно, то для компенсации возможного перекоса шарнир должен быть сферическим. Обеспечение достаточной надежности преобразователя такой конструкции весьма затруднительно.

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в том, чтобы вместо самопроизвольного изменения суммарного эксцентриситета под действием центробежных сил и сил, действующих на эксцентрик со стороны коромысел МСХ, обеспечить его нужное изменение с помощью механизма регулирования; повысить потенциальную надежность преобразователя путем радикального уменьшения диаметра шейки кривошипа и применения вместо кривошипно-ползунного механизма кривошипно-шатунного, в шарнирах которого могут использоваться стандартные роликовые радиальные игольчатые подшипники.

Решение поставленных задач достигается тем, что в механической бесступенчатой передаче, содержащей ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь с механизмом регулирования эксцентриситета и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные звездообразно механизмы свободного хода, ведомые элементы которых через торсионные валы соединены с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным колесом, а коромысла ведущих элементов МСХ, в отличие от прототипа, соединены не с общим пазовым диском, а с помощью шатунов с кривошипом промежуточного вала, установленного внутри ведущего вала с эксцентриситетом, равным радиусу кривошипа, с возможностью относительного проворота на 180° с помощью закрепленного на нем поводка, который выходит из ведущего вала через боковую поперечную щель и соединен с механизмом регулирования общего эксцентриситета.

На чертеже показана кинематическая схема механической бесступенчатой передачи.

Механическая бесступенчатая передача содержит ведущий вал, имеющий переднюю 1 и хвостовую 14 части. Внутри ведущего вала установлен с возможностью поворота на 180° промежуточный вал 2 с кривошипом так, что кривошип расположен между передней и хвостовой частями ведущего вала. Промежуточный вал установлен с эксцентриситетом относительно оси ведущего вала, равным радиусу кривошипа. Передняя часть ведущего вала имеет боковую поперечную щель, через которую выходит поводок 3, закрепленный на оси промежуточного вала. Поводок соединен с ведущим валом через любой известный по аналогам механизм изменения суммарного эксцентриситета 16, например, планетарного типа. Кривошип через втулку 4 и шарнирно закрепленные на ней шатуны 5 соединен с коромыслами 6 ведущих элементов МСХ 7, установленных звездообразно. Ведомые элементы МСХ 8 с помощью торсионных валов 9 соединены с соосными им зубчатыми колесами 10, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом 11, закрепленным на ведомом валу 12. Установленные на промежуточном валу противовесы 13 уравновешивают промежуточный вал относительно его оси. Противовесы 15, установленные на ведущем валу, уравновешивают ведущий вал вместе с промежуточным относительно оси ведущего вала.

Механическая бесступенчатая передача работает следующим образом.

С помощью механизма изменения суммарного эксцентриситета 16 путем поворота водила левого планетарного ряда относительно неподвижного водила правого ряда обеспечивается относительный поворот солнечных шестерен левого и правого рядов. Так как солнечная шестерня левого ряда закреплена на ведущем валу 1, а правого ряда - соединена с поводком 3, закрепленном на промежуточном валу 2, то происходит поворот промежуточного вала относительно ведущего. При этом суммарный эксцентриситет кривошипной шейки 4 может изменяться от нуля, когда кривошип направлен против эксцентриситета промежуточного вала, до максимального значения, равного удвоенному эксцентриситету, когда кривошип направлен в ту же сторону, что и эксцентриситет.

При установленной величине суммарного эксцентриситета вращение ведущего вала вызывает угловые колебания ведущих элементов МСХ, близкие к гармоническим с амплитудой, равной отношению суммарного эксцентриситета к длине коромысла. При этом максимальная угловая скорость ведущих элементов МСХ за цикл равна произведению амплитуды на частоту, равную угловой скорости ведущего вала. По кинематическому условию, которое обеспечивает МСХ, угловая скорость ведомых элементов не может быть меньше, чем у ведущих. Поэтому при отсутствии момента сопротивления на ведомом валу 12, когда он вращается по инерции, и соответственно отсутствии закрутки торсионных валов 9 угловая скорость ведомого вала ω₁₂=ϕ_0jω₁i_cp (где ϕ_0j - установленное значение амплитуды угловых колебаний коромысел, рад; ω₁ - угловая скорость ведущего вала, с^-1; i_cp - передаточное отношение суммирующего редуктора, равное отношению чисел зубьев z₁₀/z₁₁). При этом реализуется передаточное отношение i=ω₁₂/ω₁=ϕ_0ji_ср.

Если же момент сопротивления на ведомом валу настолько велик, что вал остановлен, то передаточное отношение i=0, а ведомые части МСХ, следуя за ведущими, закручивают торсионные валы (торсионы). В каждом цикле колебаний угол закрутки торсионных валов изменяется от нуля до максимального, равного 2ϕ_0j, и снова до нуля. При этом среднее значение угла закрутки торсиона в гармоническом цикле равно ϕ_0j. Тогда на ведомый вал передается крутящий момент постоянной величины М₁₂=ncϕ_0j/i_ср, где n - количество торсионов, работающих со сдвигом по фазе; с - угловая жесткость каждого торсиона, Н·м/рад.

При уменьшении момента сопротивления на ведомом валу передаточное отношение будет увеличиваться, а средний угол закрутки торсионов за цикл - уменьшаться. Будет уменьшаться и среднее значение момента М₁₂, равное моменту сопротивления. В результате при каждом значении ϕ_0j зависимость развиваемого на ведомом валу крутящего момента от передаточного отношения в системе координат Оху будет определяться наклонной кривой, пересекающей ось ординат в точке с y=ncϕ_0j/i_ср и ось абсцисс в точке х=ϕ_0ji_ср (см. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи. Екатеринбург: УрО РАН, 2005, 202 с.). Так как ординаты и абсциссы кривой пропорциональны ϕ_0j, то при изменении ϕ_0j от нуля до ϕ_0max получается множество подобных кривых, верхняя из которых получена при максимальном суммарном эксцентриситете. Переход с одной характеристики на другую осуществляется с помощью изменения ϕ_0j. Поэтому передача обладает свойством саморегулирования при постоянном значении суммарного эксцентриситета преобразователя и возможностью дополнительного регулирования с помощью принудительного изменения эксцентриситета. С помощью дополнительного регулирования может быть получен ряд полезных свойств: обеспечение постоянного значения мощности, развиваемой двигателем, при изменении момента сопротивления в достаточно широком диапазоне; поддержание постоянного значения угловой скорости ведомого вала при изменении момента сопротивления в определенных пределах; ограничение максимальных углов закрутки торсионов, допустимых по условию усталостной прочности.

Таким образом, задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, решены: с помощью механизма регулирования обеспечена возможность нужного изменения суммарного эксцентриситета преобразователя; благодаря радикальному уменьшению шейки ведущего кривошипа и применению шатунно-кривошипного механизма для соединения кривошипа с коромыслами МСХ повышена потенциальная надежность преобразователя, так как в его шарнирах могут использоваться стандартные роликовые радиальные игольчатые подшипники.

Изобретение относится к машиностроению. Механическая бесступенчатая передача содержит ведущий и ведомый валы, установленный на ведущем валу эксцентриковый преобразователь с механизмом (16) регулирования эксцентриситета, размещенные звездообразно механизмы свободного хода (МСХ) и соосные с ними зубчатые колеса (10), зацепляющиеся с центральным зубчатым колесом (11), установленным на ведомом валу (18). Ведущие элементы (7) МСХ соединены с преобразователем, а ведомые (8) через торсионные валы (9) соединены с зубчатыми колесами (10). Кривошип преобразователя выполнен на промежуточном валу (2), установленном внутри ведущего вала с эксцентриситетом, равным радиусу кривошипа, и имеет возможность поворота вокруг своей оси с помощью механизма регулирования эксцентриситета. Это позволяет выполнить шейку кривошипа достаточно малого диаметра для того, чтобы соединить его с коромыслами ведущих элементов (7) МСХ с помощью кривошипно-шатунного механизма. Изобретение позволяет обеспечить дополнительное регулирование, позволяющее получить любую нужную загрузку двигателя в широком диапазоне изменения передаточного отношения, повысить потенциальную надежность преобразователя. 1 ил.

Механическая бесступенчатая передача, содержащая ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь с механизмом регулирования эксцентриситета и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные звездообразно механизмы свободного хода (МСХ), ведомые элементы которых через торсионные валы соединены с соосными им зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным колесом, а ведущие - с преобразователем, отличающаяся тем, что коромысла ведущих элементов МСХ соединены с преобразователем кривошипно-шатунным механизмом, кривошип которого выполнен на промежуточном валу, размещенном внутри ведущего вала с эксцентриситетом, равным радиусу кривошипа, с возможностью поворота вокруг своей оси с помощью механизма регулирования эксцентриситета.