Устройство для передачи вращательного движения от двух или большего числа приводов Российский патент 2018 года по МПК F16H37/14 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для передачи вращательного движения от двух или большего числа приводов на ведомое звено и может быть использовано в машиностроении, на транспортных средствах, в станкостроении, а также в иных отраслях промышленности.

Из уровня техники известно устройство для передачи вращательного движения, содержащее планетарный механизм, статор с обмотками, жестко закрепленный на оси, и ротор с постоянными магнитами, установленный внутри статора с возможностью свободного вращения и соединенный с центральной шестерней планетарного механизма (см. сайт в Интернет http://www.proelvel.ucoz.ru/index/ehlektromotor_dlja_velosipeda/0-9).

Недостатком известного решения является сложность конструкции, наличие статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами, отсутствие возможности передачи вращательного движения от нескольких приводов и отсутствие возможности регулировки крутящего момента выходного звена, низкий КПД.

Также из уровня техники известно устройство для передачи вращательного движения, содержащее вал, на котором соосно друг другу установлены элементы вращения… (см. RU 2597432 C1, опубликовано 10.09.2016).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности передачи вращательного движения от двух или большего числа приводов, низкий КПД.

Наиболее близким решением к предложенному изобретению является устройство для передачи вращательного движения, содержащее привод, связанный с валом через зубчатое колесо, установленное на валу посредством обгонной муфты (см., например, сайты в Интернет https://www.eltreco.ru/articles/15622/, http://el-velo.com/informaciya/stati/bafang_750w_podvesnoj_kit_nabor/ https://www.youtube.com/watch?v=axwKZj6ipjI, https://www.youtube.com/watch?v=td2wIiKwai4 http://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=18823.8334, http://bikelectro.ru/shop/kit/motor/reduktornye/mid-drive-bafang-8-fun-bb2-displejj/).

Недостатками наиболее близкого решения являются: сложность конструкции, наличие в составе устройства привода (статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами), требующего питания от аккумулятора и постоянного технического обслуживания, отсутствие возможности регулировки крутящего момента, отсутствие возможности передачи вращательного движения от нескольких приводов одновременно, низкий КПД.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение КПД всей системы, в которой используется предложенное устройство, создание простого и надежного устройства, передающего вращательное движение (крутящий момент) на ведомое звено от двух или большего числа приводов, расширение функциональных возможностей и областей применения устройства, уменьшение габаритных размеров устройства.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности управления величиной передаваемого крутящего момента при сохранении максимального КПД за счет подключения двух или большего числа приводов в систему с помощью устройства, исключение необходимости использования промежуточных валов за счет возможности установки устройства непосредственно на выходное ведущее звено одного из приводов.

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что устройство для передачи вращательного движения содержит вал, на котором соосно друг другу установлено по меньше два элемента вращения, каждый из которых выполнен в виде обгонной муфты, внутренние обоймы или общая внутренняя обойма всех обгонных муфт жестко связана с валом, при этом внешняя обойма первой обгонной муфты выполнена с возможностью жесткого соединения с выходным звеном первого привода вращения, а внешние обоймы другой или других обгонных муфт выполнены каждая с возможностью связи с соответствующим выходным звеном другого соответствующего привода вращения и с возможностью передачи вращения от другого соответствующего привода вращения на вал.

Кроме того, жесткое соединение внешней обоймы первой обгонной муфты с выходным звеном первого привода вращения может быть осуществлено посредством элемента фиксации.

Кроме того, вал может быть выполнен с возможностью шарнирного соединения с выходным звеном первого привода вращения посредством элемента вращения, выполненного, преимущественно, в виде подшипника.

Кроме того, вал может иметь соосную с ним цилиндрическую полость, внутри которой установлен подшипник.

Кроме того, связь внешней обоймы по меньшей мере одной из обгонных муфт с выходным звеном другого соответствующего привода может быть осуществлена посредством элемента передачи вращательного движения, закрепленного на внешней обойме по меньшей мере одной из обгонных муфт.

Кроме того, элемент передачи вращательного движения может быть выполнен в виде шкива, или звездочки, или зубчатого колеса, или магнитов.

Кроме того, жесткая связь внутренних обойм или общей внутренней обоймы всех обгонных муфт с валом может быть осуществлена посредством шпоночного, или шлицевого, или резьбового, или сварного соединения, а также посредством кольцевых выступов, образованных на внешней поверхности вала.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано предложенное устройство; на фиг. 2 показан пример схемы кинематической связи при передаче вращательного движения (крутящего момента) на ведомое звено в составе системы, включающей три привода и предложенное устройство.

Устройство для передачи вращательного движения (крутящего момента) от двух или большего числа приводов 1 содержит главный вал 2, который может быть связан посредством промежуточных элементов с ведущим выходным валом 3 (выходным звеном) привода 1 с целью передачи крутящего момента от привода 1 на главный вал 2, который, в свою очередь, передает крутящий момент на ведомое звено 4 (вал). На внешней поверхности вала 2 установлены последовательно друг за другом и соосно друг другу две обгонные муфты 5 и 6 (муфты свободного хода - элементы вращения). Кроме того, на валу 2 может быть аналогично установлено и большее количество обгонных муфт, например, три или четыре или пять и т.д., в зависимости от количества приводов 1 (ведущих выходных валов 3 приводов 1), от которых необходимо передать крутящий момент (вращательное движение) на ведомое звено 4.

Внутренние обоймы (кольца) 7, 8 обгонных муфт 5 и 6 жестко связаны (соединены) с валом 2 и установлены на нем, например, посредством шпоночного соединения, или шлицевого соединения, или резьбового соединения, или сварного соединения, или любого иного соединения, обеспечивающего и позволяющего осуществить жесткую связь внутренних обойм 7, 8 с валом 2. При этом возможен вариант, когда внутренняя обойма 7 первой муфты 5 жестко связана с валом 2 посредством, например, резьбового соединения, а обойма 8 другой муфты 6 жестко связана с валом 2 посредством, например, сварки. Кроме того, возможно использование для жесткой связи внутренних обойм 7, 8 как одинакового соединения (например, шлицевого), так и их различное сочетание (например, шпоночное соединение одной обоймы 7 и сварное соединение обоймы 8 или другие варианты сочетания). Такую же жесткую связь имеют внутренние обоймы и других обгонных муфт, в случае установки на валу 2 большего количества обгонных муфт (более двух). Муфты 5, 6 могут быть установлены на валу 2 с зазором h друг относительно друга, причем данный зазор может иметь любое значение в зависимости от конфигурации системы, в которой используется изобретение, от длины вала 2, и от пространственного расположения друг относительно друга ведущих звеньев (например, валов 3 приводов 1), от которых необходимо принять валу 2 крутящий момент и передать его на звено 4.

Кроме того, возможен вариант выполнения изобретения, когда обгонные муфты 5, 6 (или другие обгонные муфты при их количестве большем двух) установлены без зазора h. В данном случае внутренние обоймы 7 и 8 плотно прилегают друг к другу, либо муфты 5 и 6 имеют общий единый корпус для их внутренних обойм 7 и 8 (такое же выполнение может иметь устройство при большем количестве обгонных муфт). При этом внешние обоймы (кольца) 9, 10 муфт 5 и 6 имеют возможность независимого вращения и передачи крутящего момента на вал 2 и соответственно на ведомое звено 4 от соответствующего привода 1 (вала 3) или одновременной передачи крутящего момента от всех приводов 1 (валов 3; при большем количестве обгонных муфт их внешние обоймы имеют такую же возможность).

Вал 2 позволяет объединить все обгонные муфты 5, 6 (и другие при наличии большего числа обгонных муфт) с жесткой посадкой. Предложенное устройство может быть посажено на привод 1 (один из приводов 1) за счет элемента 14, который так же может быть и частью внешней обоймы 9 обгонной муфты 5, либо частью или формой ведущего вала 3 привода 1. Кроме того, вал 2 может являться корпусом внутренней единой обоймы для внешних независимых обойм 9, 10. Либо все муфты 5, 6 могут иметь одну общую внутреннюю обойму, которая жестко связана с валом 2, при этом внешние обоймы муфт 5, 6 имеют возможность независимого вращения относительно общей внутренней обоймы. Кроме того, вал 2 может быть выполнен заодно целое (как единый конструктивный элемент) с внутренней обоймой либо одной из муфт (например, муфты 5 или муфты 6), либо с внутренними обоймами 7, 8 обеих муфт 5, 6, либо с внутренними обоймами всех обгонных муфт при их количестве большем двух, т.е. вал 2 может являться внутренней обоймой одной из обгонных муфт, или общим корпусом внутренних обойм всех обгонных муфт.

Передача крутящего момента на ведомое звено 4 может осуществляться, например, посредством звездочек 11 (элементы передачи вращательного движения), установленных жестко на внешних обоймах 9, 10 (или выполненных заодно целое с ними) любым возможным способом, либо посредством шкивов, либо шестерен (зубчатых колес, не показаны), либо магнитным полем (если элемент передачи вращательного движения выполнен в виде постоянных магнитов, или если внешняя обойма обгонной муфты является частью ротора одного из приводов), либо иных элементов, способных передать крутящий момент на ведомое звено 4 (например, посредством цепной передачи, ременной и т.п.). При этом передача крутящего момента от вала 2 на звено 4 может осуществляться также либо посредством цепной передачи, либо ременной или иной передачи, соответственно, от звездочки или шкива или другого элемента, например маховик или гидротрансформатор, установленного, например, на торце вала 2 (противоположном торцу вала 2, обращенному к приводу 1),, либо аналогичной посадкой внутренних обойм обгонных муфт. Кроме того, ведомое звено 4 также может быть установлено, например, непосредственно на валу 2 (например, на его торце) и может представлять собой, например, колесо или шестерню или другой элемент (не показано). Передаточное отношение обгонных муфт 5 и 6 может быть как одинаковое, так и различное (аналогично в случае установки на валу 2 большего количества обгонных муфт).

Вал 2 может иметь цилиндрическую полость 12, т.е. может иметь либо сквозное отверстие (прямое или ступенчатое), образованное соосно валу 2, либо глухое отверстие. Кроме того, вал 2 может иметь как прямую цилиндрическую форму внешней поверхности, так и ступенчатую, т.е. с разными внешними диаметрами. При этом внутренние обоймы 7, 8 обгонных муфт могут быть расположены в канавках (не показаны), образованных кольцевыми выступами 15 на внешней поверхности вала 2, выполняющими функцию фиксации муфт 5, 6 в осевом направлении. Однако, выступов 15 может и не быть, при этом для исключения осевого перемещения муфт 5, 6 (и т.д.) могут использоваться, например, гайки (в связи с резьбой на внешней поверхности вала 2), или стопорные кольца, или другие элементы фиксации (не показаны). Внутри полости 12, т.е. на цилиндрической поверхности отверстия установлен элемент вращения 13, например, подшипник или другой элемент вращения, предназначенный для установки на ведущий вал 3 одного из приводов 1 (первого двигателя, ведущего звена) и обеспечивающий независимое вращение вала 2 относительно вала 3. Также вал 2 может и не иметь упомянутой полости 12, а быть выполнен цельным, при этом торцевая поверхность вала 2 может упираться в вал 3, например, посредством упорного подшипника (не показано). Возможен вариант, когда вал 2 не связан (не соединен) непосредственно с валом 3, а связан с ним только через внешнюю обойму 9 муфты 5, например, посредством элемента 14, и при этом вал 2 может иметь как цельную, так и полую конструкцию.

Предложенное устройство может иметь элемент 14 фиксации, жестко связывающий вал 3 с внешней обоймой 9 обгонной муфты 5, которая установлена ближе к приводу 1. В некоторых случаях при особом выполнении привода 1 (приводного механизма), элемент 14 может являться частью ротора двигателя, который жестко посажен на внешнюю обойму 9 муфты 5.

На валу 2 согласно предложенному изобретению может быть установлено минимум две обгонной муфты, каждая из которых предназначена для связи с соответствующим выходным валом 3 (звеном) соответствующего привода 1. В качестве привода может быть использован либо двигатель внутреннего сгорания, либо электродвигатель, либо ветродвигатель, либо гидродвигатель, либо мускульная сила и т.п., либо любое их сочетание в зависимости от того, в какой промышленности применяется предложенное устройство.

Таким образом, первая обгонная муфта 5, установленная ближе к приводу 1, принимает крутящий момент от вала 3 первого привода 1 (двигателя), на котором смонтировано предложенное устройство, и передает крутящий момент на главный вал 2. Вторая обгонная муфта 6, установленная следом за первой муфтой 5, принимает крутящий момент от второго привода (например, от выходного вала 3 второго двигателя) и передает крутящий момент на главный вал 2. И так далее в зависимости от количества обгонных муфт, соответствующего количеству приводов 1 (валов 3).

Примеры использования предложенного устройства

1) Электротранспорт

Например, мотоциклу, работающему на электромоторе, в городском движении (где совокупность разных режимов движения: разгон, поддержание скорости в потоке, крутой подъем и т.д.) требуется большой крутящий момент для разгона и для подъема в горку и не такой большой при поддержании средней и малой скорости. Если на транспорте один двигатель, то необходима коробка передач (шестеренчатые, звездные, планетарные) или вариатор. Но конструкция значительно усложняется, надежность падает, требуется регулярное обслуживание. Данное решение не популярно в легком электротранспорте. В основном на рынке представлены модели, где крутящий момент передается непосредственно от двигателя на колесо через цепную или ременную передачу, иногда используется промежуточный вал для создания второй степени редукции.

Предлагается добавить в электромотоцикл дополнительный двигатель через предложенное устройство для передачи крутящего момента. Система будет иметь «три передачи», при условии добавления одного двигателя: 1) передача крутящего момента одновременно с двух двигателей (суммирование крутящих моментов) - максимальный крутящий момент; 2) передача крутящего момента от первого двигателя, на котором установлено устройство; 3) передача крутящего момента от второго двигателя. При этом можем использовать предложенное устройство как промежуточный вал для передачи момента от второго (дополнительного) двигателя, что даст возможность добавить степень редукции.

Например, выбрав двигатели с одинаковыми характеристиками, первый двигатель передает момент на колесо с редукцией 1:5, а второй 1:10 за счет использования устройства как промежуточный вал. В итоге, возможно разогнаться (или подняться на крутые подъемы) с помощью второго (дополнительного) двигателя (с редукцией 1:10), а далее переключаться на первый и поддерживать скорость. Либо активировать сразу оба двигателя, что в итоге даст еще больший крутящий момент при разгоне или подъеме в горку, а когда второй (дополнительный) двигатель наберет максимальные обороты и перестанет передавать крутящий момент, он перейдет в режим холостого хода и минимума потребления электричества, а транспорт продолжить набирать скорость на первом двигателе.

2) Станкостроение

Через предложенное устройство возможна работа станка с несколькими приводами, работающего в разных мощностных режимах, либо с разным режимом оборотов. В целях экономичности можно комплектовать систему под требуемые характеристики.

Варианты режимов могут быть, например:

- 3000 об/мин, 1500 об/мин, и т.д. с одинаковым или разным крутящим моментом (двигатели могут быть подобраны или настроены под оптимальный КПД);

- выдавать при определенных оборотах 100 н*м, или достаточно в каком-то режиме только 20 н*м и т.д.

3) Гибридная установка

Благодаря предложенному устройству возможно использование различных двигателей по степени потребления ресурсов (двигатели внутреннего сгорания, электрические, гидро-, ветро- и т.д.). Например, возможно использование бензинового двигателя совместно с электрическим.

Представим самый обычный автомобиль на ДВС с механической (или автоматической) коробкой передач. Устанавливают на выходной вал ДВС (коленчатый вал) до маховика (или гидротрансформатора) предложенное устройство для передачи крутящего момента, при этом маховик (или гидротрансформатор) закрепляют на главном валу 2, тем самым не вмешиваясь в принципы работы между маховиком и коробкой или гидротрансформатором и автоматической коробкой передач. К предложенному устройству подключают дополнительный электродвигатель. Передачу крутящего момента от электродвигателя на предложенное устройство возможно осуществить любой передачей (цепной передачей, ременной, или шестеренчатой). Настраивают работу электродвигателя на то, чтобы он помогал добавлять крутящий момент на предложенное устройство, в то время когда ДВС находится в диапазоне с минимальным крутящим моментом, а именно на низких оборотах, после чего электродвигатель выключают. В итоге получается ровный общий передаваемый на маховик крутящий момент. Автомобиль разгоняется идеально ровно с хорошим подхватом на всех оборотах.

Так же возможно использование в режиме только ДВС, или только электродвигатель, либо оба вместе, либо по комбинированной схеме описанной выше.

Рекуперация от электродвигателя, подключенного к предложенному устройству будет невозможна, но это не проблема, так как возможны варианты, если это требуется. Например, возможно установить для данной задачи другой электродвигатель на выходной вал коробки передач. Таким образом, получаем гибридный автомобиль, подобный выпускаемым.

Благодаря использованию предложенного изобретения, выполненного вышеописанным образом, существенно повышается качество работы и КПД системы, в которой используется несколько приводов 1 (различных или одинаковых по типу двигателей), способных передать крутящий момент на ведомое звено 4 (колесо, маховик, винт, и т.д.). Кроме того, благодаря такому выполнению предложенного устройства обеспечивается компактность, простота устройства, минимум деталей, не требует отдельного промежуточного вала для системы, повышается надежность и долговечность устройства и соответственно всей работающей системы. Также за счет возможности одновременной передачи на вал 2 (и на ведомое звено 4) совокупного крутящего момента одновременно от нескольких приводов 1 (или от всех приводов 1 сразу), либо выборочно от любого привода 1 (за счет независимой работы обгонных муфт), обеспечивается высокий КПД (в разы повышается КПД системы). Каждый двигатель может передавать определенный крутящий момент в своем диапазоне оборотов в зависимости от их настройки по оптимальным параметрам с учетом требуемых скоростно-силовых особенностей транспорта (или другой системы, где используется предложенное изобретение). Количество подключаемых двигателей (приводов 1) не ограничено, при этом двигатели не передают крутящий момент друг другу. Характеристики подключаемых двигателей в одну систему через предложенное устройство могут быть разные (обороты, мощность, степень редукции и пр.).

Кроме того, предложенное устройство может обладать характеристиками промежуточного вала для подключаемых в систему двигателей, что можно использовать в целях повышения или понижения редукции. С использованием предложенного устройства обеспечивается возможность реализации разных целей. Подборкой двигателей с необходимыми характеристиками, настройкой требуемой редукции, а так же подбором необходимого количества двигателей, можно добиться максимального КПД для реализации поставленных целей.

Благодаря предложенному изобретению обеспечивается более эффективный расход, например, электроэнергии (при использовании нескольких электродвигателей), существенно повышаются динамические характеристики транспорта. Сохраняется простота и надежность конструкции ввиду отсутствия коробки передач и прочих сложных механизмов.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к устройствам, предназначенным для передачи вращательного движения. Устройство для передачи вращательного движения содержит вал (2), на котором соосно друг другу установлены по меньшей мере две обгонные муфты (5, 6). Их внутренние обоймы (7, 8) или общая внутренняя обойма всех обгонных муфт жестко связаны с валом (2). Внешняя обойма (9) первой обгонной муфты (5) выполнена с возможностью жесткого соединения с выходным звеном (3) первого привода (1) вращения. Внешние обоймы (10) другой или других обгонных муфт (6) выполнены каждая с возможностью связи с соответствующим выходным звеном (3) другого соответствующего привода (1) вращения и с возможностью передачи вращения от другого соответствующего привода (1) вращения на вал (2). Достигается уменьшение габаритных размеров. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для передачи вращательного движения, содержащее вал, на котором соосно друг другу установлены элементы вращения, характеризующееся тем, что на валу установлено по меньшей мере два элемента вращения, каждый из которых выполнен в виде обгонной муфты, внутренние обоймы или общая внутренняя обойма всех обгонных муфт жестко связаны с валом, при этом внешняя обойма первой обгонной муфты выполнена с возможностью жесткого соединения с выходным звеном первого привода вращения, а внешние обоймы другой или других обгонных муфт выполнены каждая с возможностью связи с соответствующим выходным звеном другого соответствующего привода вращения и с возможностью передачи вращения от другого соответствующего привода вращения на вал.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что жесткое соединение внешней обоймы первой обгонной муфты с выходным звеном первого привода вращения осуществлено посредством элемента фиксации.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что вал выполнен с возможностью шарнирного соединения с выходным звеном первого привода вращения посредством элемента вращения, выполненного в виде подшипника.

4. Устройство по п. 3, характеризующееся тем, что вал имеет соосную с ним цилиндрическую полость, внутри которой установлен подшипник.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что связь внешней обоймы по меньшей мере одной из обгонных муфт с выходным звеном другого соответствующего привода осуществлена посредством элемента передачи вращательного движения, закрепленного на внешней обойме по меньшей мере одной из обгонных муфт.

6. Устройство по п. 5, характеризующееся тем, что элемент передачи вращательного движения выполнен в виде шкива, или звездочки, или зубчатого колеса, или магнитов.

7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что жесткая связь внутренних обойм или общей внутренней обоймы всех обгонных муфт с валом осуществлена посредством шпоночного, или шлицевого, или резьбового, или сварного соединения, а также посредством кольцевых выступов, образованных на внешней поверхности вала.