РЕГУЛИРУЕМАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2012 года по МПК F16H37/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дифференциальным механизмам, и может быть использовано в приводах различных машин, например, для регулирования подачи насосов в нефтяной промышленности.

Известно устройство для регулирования асинхронного двигателя биротативного типа, вал статора которого соединен с нагрузкой, а вал ротора - с механическим регулятором скорости, выполненным в виде магнитоиндукционного тормоза, представляющего собой диск из металла с высокой электропроводностью, помещенный в зазор между полюсами постоянного магнита [свидетельство на полезную модель RU №11418, кл. Н02Р 7/747, 1999 г.].

Недостатком известного устройства является низкий КПД, связанный с рассеянием энергии магнитоиндукционным тормозом.

Известен редуктор с бесступенчатым изменением передаточного отношения, содержащий дифференциальный механизм с червячным колесом, с которым функционально связаны два червячных вала, расположенных по обе стороны червячного колеса. Ось каждого червячного вала связана с шестеренчатым гидравлическим насосом. Регулирование скорости вращения выходного вала осуществляется путем создания переменного гидросопротивления дросселированием потока жидкости на выходе каждого из насосов [патент РФ №2253061, кл. F16Н 47/04. 2005].

Недостатком этого устройства является его конструктивная сложность, обусловленная наличием двух червячных передач, двух шестеренчатых насосов, регулируемых дросселей и пр., а также низкий КПД, связанный с потерями энергии в гидросистеме.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции и достигаемому результату является реверсивный бесступенчатый редуктор - регулируемая дифференциальная передача - содержащий входной и выходной дифференциальные механизмы, вал одного из которых соединен с электродвигателем, второй - с нагрузкой, устройство для регулирования передаточного отношения, и соединяющую их передачу, устройство регулирования передаточного отношения. Входной и выходной механизмы выполнены в виде дифференциальных механизмов, а устройство регулирования передаточного отношения выполнены в виде гидравлических насосов, соединенных с водилом дифференциальных механизмов, и снабженных регулируемыми дросселями [пат. RU №2188351, кл. F16Н 47/04. 2002].

Недостатками известного устройства, выбранного в качестве прототипа, являются его конструктивная сложность и низкая эффективность, обусловленная применением гидронасосов в качестве тормозных механизмов, что снижает КПД и надежность его работы.

Задача - упрощение конструкции, повышение надежности и КПД. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения:

- упрощение конструкции за счет использования фрикционных эффектов с целью снижения усилий регулирования;

- снижение потерь энергии в передачах редуктора за счет отказа от использования дросселирования потоков жидкости;

- расширение диапазона регулирования скорости выходного вала за счет применения фрикционного вариатора;

- повышение КПД за счет использования равенства угла подъема червячной передачи углу трения.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в регулируемой дифференциальной передаче, содержащей дифференциальный механизм, входной вал которого соединен с электродвигателем, второй - с нагрузкой, устройство для регулирования передаточного отношения, соединенное с водилом сателлитов дифференциального механизма, в отличие от прототипа, устройство для регулирования передаточного отношения выполнено в виде фрикционного вариатора, при этом водило сателлитов через червячное колесо, зацепленное с червячным валом, соединено с диском фрикционного вариатора, входной вал дифференциального механизма через зубчатую передачу соединен со вторым диском фрикционного вариатора, диски соединены между собой роликовой фрикционной передачей, корпус которой соединен с винтовым приводом линейного перемещения, кроме того, червячное колесо и червячный вал выполнены с углом подъема винтовой линии, равным углу трения между ними. Зубчатая передача, соединяющая входной вал дифференциального механизма со вторым диском фрикционного вариатора, выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с пересекающимися под прямым углом осями, а ее передаточное отношение и передаточное отношение червячной передачи равны между собой.

На фиг.1 представлена схема регулируемой дифференциальной передачи. На фиг.2 показан механизм регулирования передаточного отношения. Электродвигатель 1 своим выходным валом 2 соединен с косозубым зубчатым колесом 3 и входным валом 4 дифференциального механизма 5 (фиг.1). Водило сателлитов дифференциального механизма 5 соединено с червячным колесом 6. С дифференциальным механизмом 5 соединен выходной вал 7. Колесо 6 зацеплено с червячным валом 8, на оси которого закреплен диск 9 фрикционного вариатора. С зубчатым колесом 3 зацеплен зубчатый вал 10, на оси которого закреплен второй диск 11 фрикционного вариатора. К поверхностям дисков 9 и 11 фрикционного вариатора прижимаются ролики 12 и 13, установленные в корпусе 14, который перемещается винтовым механизмом 15. Ролики 12 и 13 жестко соединены между собой валом 16 (фиг.2). Ролики 17 и 18 контактируют с дисками 9 и 11 фрикционного вариатора с нижней стороны. Усилие прижатия роликов 12, 13, и 17, 18 к дискам 9 и 11 осуществляется пружиной 19.

Передача работает следующим образом.

Электродвигатель 1 вращает через вал 2 зубчатое колесо 3 и входной вал 4 дифференциального механизма 5. Колесо 3 вращает с постоянной скоростью зацепленный с ним зубчатый вал 10 и диск 11. Через ролики 12 и 13, соединенные между собой валом 16, вращение передается диску 9 и через него - червячному валу 8, который дает возможность вращаться зацепленному с ним червячному колесу 6. Скорость вращения выходного вала 7 получается как результат вычитания скорости вращения водила сателлитов дифференциального механизма 5 из скорости вращения вала 4, равной скорости вращения электродвигателя 1. Для изменения скорости вращения выходного вала 7 необходимо винтовым механизмом 15 передвинуть корпус 14 вдоль линии, соединяющей центры вращения дисков 9 и 11. Тогда соотношение диаметров окружностей ведущего диска 11 и ведомого 9, с которыми контактируют ролики 12 и 13, изменятся, а вместе с ними изменится скорость вращения червячного вала 8. Это приведет к изменению скорости вращения водила сателлитов дифференциального механизма 5, а вместе с ним - выходного вала 7.

Для того чтобы уменьшить усилия, передаваемые вариатором для вращения червячного вала 8, угол подъема винтовой линии червячной передачи выбирается равным углу трения между колесом 6 и валом 8.

Усилие, передаваемое на червячный вал 8, можно описать формулой

,

где Р - сила, необходимая для вращения червячного вала;

r_cp - средний радиус винтовой линии нарезки червячного вала;

Q - продольная (осевая) сила, возникающая в нарезке червячного вала при его вращении;

α - угол наклона винтовой линии нарезки червячного вала;

ρ - угол трения между червячным колесом и червячным валом;

D - диаметр окружности, описываемой роликом на ведомом диске фрикционного вариатора, соединенном с червячным валом.

Их формулы видно, что при равенстве угла наклона винтовой линии α углу трения ρ сила Р, необходимая для вращения червячного вала 8, равна нулю.

Червячная передача становится «нейтральной», т.е. ни самотормозящейся, ни несамотормозящейся. Тогда для работы червячной пары в режиме «отпускания», когда усилия на зубцах червячного колеса помогают проворачиваться валу 8, достаточно небольшого усилия для преодоления трения в подшипниках. Поэтому момент, передаваемый фрикционным вариатором, близок к нулю.

Для нормальной работы механизма регулирования скорости выходного вала 7 необходимо, чтобы передаточное отношение зубчатого колеса 3 и зубчатого вала 10 было равно передаточному отношению червячного колеса 6 и червячного вала 8, а направления вращения - противоположные.

Пример исполнения. Исходя из известных значений коэффициента трения стали по стали при наличии смазки, которые лежат в интервале µ=0,04…0,05, можно определить угол, при котором может существовать «нейтральная» червячная передача. Поскольку коэффициентом трения традиционно называют тангенс угла трения ρ, т.е. µ=tgρ=0,04…0,05, то нетрудно определить значение угла в градусах: ρ=2°20'…2°50'. Учитывая силы трения в подшипниках, выбираем угол наклона винтовой линии червячной передачи, равной α=3°. Усилие прижатия роликов 12, 13, 17 и 18 к поверхностям дисков 9 и 11 фрикционной передачи, определяемое силой пружины 19, выбирается небольшим, в пределах 5÷8 кгс, что позволяет увеличить надежность фрикционной передачи и срок ее службы. Изменение скорости вращения выходного вала можно осуществить винтовой передачей 15 как вручную, так и с помощью серводвигателя, вращающего винт.

Регулируемая дифференциальная передача находит применение в нефтедобывающей промышленности для регулирования подачи насосных агрегатов.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дифференциальным механизмам, и может быть использовано в приводах различных машин, например, для регулирования подачи насосов в нефтяной промышленности. Регулируемая дифференциальная передача содержит дифференциальный механизм (5), входной вал (4) которого соединен с электродвигателем (1), второй (7) - с нагрузкой, и устройство для регулирования передаточного отношения, выполненное в виде фрикционного вариатора. Водилом сателлитов дифференциального механизма (5) через червячное колесо (6) зацеплено с червячным валом (8) и соединено с диском (9) фрикционного вариатора. Входной вал (4) дифференциального механизма через зубчатую передачу соединен со вторым диском (11) фрикционного вариатора. Диски (9, 11) соединены между собой роликовой фрикционной передачей, корпус (14) которой соединен с винтовым приводом (15) линейного перемещения. Червячное колесо (6) и червячный вал (8) выполнены с углом подъема винтовой линии, равным углу трения между ними. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность и КПД. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулируемая дифференциальная передача, содержащая дифференциальный механизм, входной вал которого соединен с электродвигателем, второй - с нагрузкой, устройство для регулирования передаточного отношения, соединенное с водилом сателлитов дифференциального механизма, отличающаяся тем, что устройство для регулирования передаточного отношения выполнено в виде фрикционного вариатора, при этом водило сателлитов через червячное колесо, зацепленное с червячным валом, соединено с диском фрикционного вариатора, входной вал дифференциального механизма через зубчатую передачу соединен со вторым диском фрикционного вариатора, диски соединены между собой роликовой фрикционной передачей, корпус которой соединен с винтовым приводом линейного перемещения, кроме того, червячное колесо и червячный вал выполнены с углом подъема винтовой линии, равным углу трения между ними.

2. Регулируемая дифференциальная передача по п.1, отличающаяся тем, что зубчатая передача, соединяющая входной вал дифференциального механизма со вторым диском фрикционного вариатора, выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с пересекающимися под прямым углом осями, а ее передаточное отношение и передаточное отношение червячной передачи равны между собой.