Трансформатор вращающегося момента шашкина

 

Сущность изобретения: в трансформаторе вращающего момента механизм регулирования момента инерции ротора 1 выполнен в виде замкнутой передачи. Зубчатое колесо 5 и цилиндрическое колесо 21 жестко установлены на ведущем валу 4, центральные колеса 8 и 13 - свободно. В водиле 12 на общей оси шарнирно установлены сателлиты 9, 11, зацепленные с колесами 8,13. Шестерни 6,7 размещены на промежуточном валу и зацеплены с колесами 5,8. Со ступицей колеса 21 жестко связано водило 14 в виде барабана. На осях 15 шарнирно размещены шестерни 16, 17, зацепленные с колесом 21. Грузы 18, 19 жестко закреплены на ступицах шестерен 16,17. Механизм регулирования момента инерции ротора 22 выполнен аналогично. Передаточные отношения от колес 5, 27 до колес 13, 35 при остановленных водилах 12, 34 каждого механизма регулирования момента инерции равны единице. 1 ил.

Изобретение относится к механизмам, изменяющим плавно, бесступенчато величины момента и угловой скорости выходного звена.

Близким техническим решением к изобретению является инерционный трансформатор вращающего момента, который содержит входной, промежуточный и выходной валы, два одинаковых планетарных ряда с четырьмя центральными колесами и двумя сателлитами с неуравновешенными грузами, два механизма свободного хода, регулирующее устройство, выполненное в виде реверсивного гидромотора, статор и ротор которого связаны с двумя центральными колесами, и управляемую фрикционную муфту, фиксирующую статор и ротор регулирующего устройства.

Трансформатор имеет следующие недостатки.

1. Его невозможно использовать в негидрофицированных машинах.

2. В нем имеет место малая чувствительность и неточность регулирования.

3. Передаточное отношение в нем изменяется только при изменении момента сопротивления на выходном валу, его нельзя изменить чисто кинематически, т. е. при отсутствии момента сопротивления в нем невозможно управление его выходной моментной характеристикой.

4. Выходной вал вращается неравномерно; за одну половину оборота неуравновешенных грузов положительный момент передается на выходной вал, плавно изменяясь от нуля до максимума и опять до нуля, а на протяжении второй половины оборота отрицательный момент не передается на этот вал, так как гасится неподвижной наружной обоймой механизма свободного хода и вращательное движение передается на рабочую машину только с помощью маховика, что увеличивает неравномерность движения.

5. В нем употребляются механизмы свободного хода.

Целью изобретения является создание трансформатора вращающего момента, который не является инерционным и в котором отсутствуют импульсатор и механизм свободного хода, а выходное звено имеет равномерное одностороннее движение с возможностью управления выходной моментной характеристикой.

Поставленная цель достигается тем, что предложен трансформатор вращающего момента, содержащий корпус и выходной вал, снабжен двухсторонним электродвигателем с внутренним ротором, имеющим наружную обмотку роторного типа, и наружным ротором, имеющим внутреннюю обмотку статорного типа, и не имеющим неподвижного статора, обмотки обоих роторов связаны друг с другом и с корпусом посредством колец и щеток, внутренний ротор располагается в наружном, а наружный ротор располагается в корпусе на подшипниках качения, два входных вала соответственно внутреннего и наружного роторов соединены посредством соединительных муфт с ведущими валами соответственно механизма регулирования величины момента инерции внутреннего ротора и механизма регулирования момента инерции наружного ротора, каждый из механизмов регулирования момента инерции наружного и внутреннего роторов выполнен в виде замкнутой дифференциальной передачи, на ведущем валу которой жестко установлено зубчатое колесо, три центральные колеса, из которых первое и второе установлены на ведущем валу свободно, третье жестко, установленное на ведущем валу с возможностью фиксированного поворота первое водило, шарнирно установленные в нем на общей оси и жестко связанные между собой два сателлита, предназначенные для зацепления соответственно с первым и вторым центральными колесами, замыкающие первое и третье центральные колеса и размещенные на промежуточном валу две шестерни, первая из которых предназначена для зацепления с зубчатым колесом, вторая с первым центральным колесом, жестко связанное со ступицей второго центрального колеса второе водило, выполненное в виде барабана, состоящего из двух дисков и жестко связанных с ними двух осей, на последних шарнирно размещены предназначенные для зацепления с третьем центральным колесом две шестерни сателлита, на ступицах которых жестко закреплены грузы, выходной вал связан со вторым водилом дифференциального механизма регулирования момента инерции наружного ротора, а передаточное отношение от зубчатого колеса до второго центрального колеса при остановленном первом водиле каждого дифференциального механизма регулирования момента инерции выбрано равным единице.

На чертеже показано кинематическая схема всего трансформатора.

Он содержит корпус, в подшипниках которого располагается внутренний ротор 1 электродвигателя (или гидромотора) с входным валом 2, соединенным муфтой 3 с ведущим валом 4 механизма регулирования момента инерции внутреннего ротора. На этом валу жестко закреплено колесо 5, входящее в зацепление с шестерней 6, сидящей на одном и том же промежуточным валу с шестерней 7, входящей в зацепление с первым центральным колесом 8, сидящим свободно на валу 4 и зацепляющимся с колесом сателлита, на валу 10 которого закреплена шестерня 11. Вал 10 шарнирно закреплен на первом водиле 12, которое сидит свободно на ведущем валу 4 с возможностью фиксированного поворота. Шестерня 11 входит в зацепление со вторым центральным колесом 13, сидящим на одной ступице со вторым водилом 14, выполненным в виде двух дисков 14 и 20 грузового барабана, в котором закреплены одним концом оси 15, на которых шарнирно сидят ступицы 16 и 17 шестерен-сателлитов, с которыми связаны грузы 18 и 19. Оси 15 закреплены вторыми концами в диске 20. Сателлиты 16 и 17 входят в зацепление с третьим центральным колесом 21, жестко связанным с ведущим валом 4. Наружный ротор 22 электродвигателя (или гидромотора) покоится в подшипниках качения 23 в неподвижном корпусе трансформатора и имеет входной вал 24, который соединяется муфтой 25 с ведущим валом 26 механизма регулирования величины момента инерции наружного ротора. Вал 26 несет колесо 27, входящее в зацепление с шестерней 28, сидящей на одном промежуточном валу с шестерней 29, образующей зубчатое зацепление через первое центральное колесо 30 с колесом 31 сателлита, вал которого 32, несущий шестерню 33, образует шарнирное соединение с водилом 34, сидящим свободно на ведущем валу 26 с возможностью фиксированного поворота. Колесо 30 также сидит свободно на этом валу. Шестерня 33 входит в зацепление со вторым центральным колесом 35, сидящим жестко на ступице второго водила 36, выполненного в виде дисков 36 и 42 грузового барабана, в котором закреплены одним своим концом оси 37, на которых шарнирно сидят ступицы шестерен-сателлитов 38 и 39, с которыми жестко связаны два груза 40 и 41. Оси 37 вторыми концами закреплены в диске 42 барабана, имеющего выходной вал трансформатора 43. Шестерни-сателлиты 38 и 39 входят в зацепление с третьим центральным колесом 44, жестко закрепленным на ведущем валу 26. Звенья 5-13 (и звенья 27-35) образуют механизм регулирования величины радиуса вращения грузов, в котором звенья 8-13 (и звенья 30-35) составляют его дифференциальный механизм с двумя степенями свободы, из которых одна принадлежит первому водилу 12 (и 34).

Звенья 14-17, 21 (и 36-39, 44) образуют дифференциальный механизм грузового барабана с двумя степенями свободы.

Дифференциальный механизм регулирования радиуса вращения грузов 18-13 (и 30-35) и дифференциальный механизм грузового барабана 14-17, 21 (и 36-39, 44) образуют последовательное соединение, так как второе центральное колесо 21 (и 44) сидит на одной ступице со вторым водилом 14 (и 36). Кроме того, в этом последовательном соединении первое центральное колесо 8 (и 30) и третье центральное 21 (и 44) замкнуты зубчатыми колесами 5-6-7 (и 27-28-29).

В целом образовался замкнутый дифференциальный механизм регулирования величины момента инерции внутреннего (и внешнего) ротора, составленный из звеньев 5-7, 21 (и 27-39,44) и имеющий две степени свободы. Одну степень свободы осуществляет ведущий вал 4 (и 26), а вторую водило 12 (и 34). Если сделать неподвижным водило 12 (или 34), то дифференциальный замкнутый механизм 5-13 превращается в обыкновенную зубчатую передачу с неподвижными осями и передаточным отношением, равным единице, т.е. U_5-13 1 (или U_27-351).

Трансформатор вращающего момента работает следующим образом. При вращении внутреннего ротора 1 электродвигателя (или гидромотора) относительно наружного ротора 22 вращение передается валом 2 и муфтой 3 на ведущий вал 4 механизма регулирования величины момента инерции внутреннего ротора электродвигателя (или гидромотора), на котором закреплены зубчатое колесо 5 и третье центральное колесо 21. При неподвижном первом водиле 12 колесо 5 приводит во вращение ряд колес 6-13, и следовательно, второе водило 14 с осями 15 и ступицами шестерен-сателлитов 16 и 17 грузового барабана, который вращается вокруг центральной оси трансформатора. При неподвижном водиле 12 второе водило 14 и третье центральное колесо 21 имеют одинаковую угловую скорость, звенья 14 и 21 дифференциального механизма грузового барабана вращаются как одно целое, и грузы 18 и 19 имеют постоянные радиусы вращения относительно центральной оси трансформатора. При перемещении на ходу первого водила 12 механизм 8-13 превращается в дифференциальный, и угловая скорость второго водила 14 изменяется. Она не будет равна угловой скорости третьего центрального колеса 21. В этом случае шестерни-сателлиты 16 и 17 поворачивают грузы 18 и 19 вокруг своих осей, радиуса их вращения вокруг центральной оси изменяются, и следовательно, изменяется момент инерции внутреннего ротора 1 относительно центральной оси. Точно такой же механизм изменения величины момента инерции относительно центральной оси, установлен и для наружного ротора, который имеет возможность вращения относительно неподвижного корпуса в подшипниках 23.

Таким образом, в конструкции использован электродвигатель (или гидромотор), в котором нет неподвижного статора.

Он является двухроторным, т.е. в предлагаемой конструкции впервые используется взаимодействие двух роторов при отсутствии вообще неподвижного статора. Внутренний ротор, имеющий наружную роторную обмотку, вращается на подшипниках качения относительно наружного ротора, имеющего внутреннюю статорную обмотку, и вместе с ним также на подшипниках качения относительно неподвижного корпуса. При этом обмотки обоих роторов связаны между собой и корпусом посредством колец и щеток.

Особенностью трансформатора является то, что он имеет не один, а два входных вала. Один отходит от внутреннего ротора, а второй от наружного ротора, но они приводят в движение две вспомогательные кинематические цепи - механизмы регулирования моментов инерции обоих роторов, т.е. они предназначены для изменения параметров самих роторов, и следовательно, замыкаются на них самих. Других кинематических цепей, имеющих самостоятельное значение, в трансформаторе нет. Таким образом, внутренний ротор имеет только входной вал 2 для механизма регулирования его момента инерции, а наружный ротор имеет входной вал 24 для механизма регулирования его момента инерции и имеет, кроме того, выходной вал 43. При вращении наружного ротора 22 вал 24 передает вращение с помощью муфты 25 ведущему валу 26, который связан с корпусом посредством подшипников качения. При неподвижном водиле 34 вал 26 передает вращение зубчатой передачей 27-28 на промежуточный вал, закрепленный в корпусе посредством подшипников качения, а с него с помощью зубчатого колеса 29 на первое центральное колесо 30 и далее на сателлит 31-32-33, а затем, с помощью зубчатой пары 33-35, на ступицу второго водила 36, связанного в единое целое осями 37 с диском 42. Одновременно с ведущего вала 26 вращение передается с помощью центрального колеса 44 и сателлитов 38 и 39 грузами 40 и 41. При неподвижном первом водиле 34 третье центральное колесо 44 и второе водило 36 вращаются с одинаковой скоростью, звенья 36-39, 44 дифференциального механизма грузового барабана вращаются как одно целое, грузы 40 и 41 не имеют вращения относительно осей 37, и радиус вращения этих грузов остается неизменным. Следовательно, при постоянной массе грузов 40 и 41 момент инерции этих грузов относительно центральной оси также постоянен. При вращении водила 34 на ходу вручную или от какого-либо механизма с возможностью его фиксации механизм со звеньями 30-35 становится дифференциальным. В этом случае второе водило 36 и третье центральное колесо 44 имеют разные угловые скорости и совместно с сателлитами 38 и 39 образуют дифференциальный механизм грузового барабана, в котором сателлиты и грузы 40 и 41 вращаются вокруг осей 37. При вращении водила 34 грузы могут стать в положение, когда их центры масс окажутся на центральной оси. В этом случае радиус вращения грузов 40 и 41 будет равен нулю. Такая же картина имеет место и в механизме изменения момента инерции внутреннего ротора. На фиг. 1 показаны грузы 18 и 19 в том случает, когда их центры масс совпадают с центральной осью. При движении водила 12 грузы 18 и 19 разворачиваются, и когда они направлены по радиусам дисков 14 и 20, то их радиусы и моменты инерции максимальны.

Принцип работы трансформатора заключается в следующем. Внутренний ротор 1 имеет относительное вращательное движение относительно внешнего ротора с угловой скоростью ω_1,22=ω_дв, где ω_дв номинальная угловая скорость внутреннего ротора относительно наружного ротора в том случае, когда наружный ротор становится неподвижным, т. е. если он станет неподвижным статором. Вращательное движение наружного ротора 22 относительно неподвижного корпуса, т.е. его абсолютное движение есть переносное движение для внутреннего ротора 1 с угловой скоростью ω₂₂. Тогда абсолютное движение внутреннего ротора 1 осуществляется с угловой скоростью Так как все внешние силы перпендикулярны центральной оси вращения, то сумма их моментов относительно этой оси равна нулю, и имеет место случай сохранения главного момента количества движения системы относительно центральной оси. Обозначим через сумму приведенных моментов инерции всех вращающихся звеньев по линии 1-21, через сумму приведенных к оси моментов инерции всех вращающихся звеньев по линии 22-44, через I_40,41 момент инерции грузов 40 и 41 относительно центральной оси и через I_18,19 момент инерции грузов 18 и 19 относительно той же оси. Тогда для указанного случая имеем уравнение откуда угловая скорость наружного ротора и его выходного вала равна Если момент инерции груза массы m и радиуса r относительно оси C-C, проходящей через его центр масс, равен , то его же момент инерции относительно центральной оси равен соответственно для грузов 18,19,40,41
где r₁ и r₂ действительные радиусы вращения центров масс C относительно центральной оси грузов механизмов регулирования величин моментов инерции соответственно внутреннего и наружного роторов. Если обозначить через , через , то получим

Передаточное отношение равно

Момент инерции всего внутреннего ротора должен быть значительно меньше момента инерции всего наружного ротора, чтобы угловая скорость наружного ротора и выходного вала резко уменьшалась по сравнению с относительной угловой скоростью внутреннего ротора, т.е. чтобы было соблюдено условие
ω₂₂< ω_дв.

Пусть, например, заданы следующие моменты инерции при принятых обозначениях: I₁ 0,5 ед; I₂ 0,5 ед; mr²₁ = 0; m·r²₂= 20 ед.; при r₁ 0 и r₂ R_max (именно такое положение грузов 18, 19, 40 и 41 показано на фиг.1). Тогда передаточное отношение будет равно
Пусть, при другом положении грузов заданы следующие моменты инерции: I₁ 0,5 ед; I₂ 0,5 ед; mr²₁= 10 ед.; mr²₂=0; при r₁ R_max и r₂ 0 (грузы 18 и 19 развернуты, а грузы 40 и 41 в сложенном положении). Тогда имеем

Таким образом, передаточное отношение в этом случае изменяется в пределах
U -(1,25 82).

Знак минус показывает, что наружный ротор вместе с внутренним ротором будет вращаться в сторону, противоположную вращению внутреннего ротора. Таким образом, величина передаточного отношения трансформатора зависит только от соотношения величин моментов инерции относительно центральной оси грузов грузовых барабанов, а процесс плавного регулирования этой величины осуществляется плавным же перемещением водила 12 и водила 34 механизмов изменения моментов инерции внутреннего и наружного роторов.

Формула изобретения

Трансформатор вращающего момента, содержащий корпус и выходной вал, отличающийся тем, что он снабжен двухроторным электродвигателем с внутренним ротором, имеющим наружную обмотку роторного типа, и наружным ротором, имеющим внутреннюю обмотку статорного типа и не имеющим неподвижного статора, обмотки обоих роторов связаны друг с другом и с корпусом посредством колец и щеток, внутренний ротор располагается в наружном, а наружный ротор располагается в корпусе на подшипниках качения, два входных вала соответственно внутреннего и наружного роторов соединены посредством соединительных муфт с ведущими валами соответственно механизма регулирования величины момента инерции внутреннего ротора и механизма регулирования момента инерции наружного ротора, каждый из механизмов регулирования момента инерции наружного и внутреннего роторов выполнен в виде замкнутой дифференциальной передачи, на ведущем валу которой жестко установлено зубчатое колесо, три центральные колеса, из которых первое и второе установлены на ведущем валу свободно, третье жестко, установленное на ведущем валу с возможностью фиксированного поворота первое водило, шарнирно установленные в нем на общей оси и жестко связанные между собой два сателлита, предназначенные для зацепления соответственно с первым и вторым центральными колесами, замыкающие первое и третье центральные колеса и размещенные на промежуточном валу две шестерни, первая из которых предназначена для зацепления с зубчатым колесом, вторая с первым центральным колесом, жестко связанное со ступицей второго центрального колеса второе водило, выполненное в виде барабана, состоящего из двух дисков и жестко связанных с ними двух осей, на последних шарнирно размещены предназначенные для зацепления с третьим центральным колесом две шестерни сателлита, на ступицах которых жестко закреплены грузы, выходной вал связан с вторым водилом дифференциального механизма регулирования момента инерции наружного ротора, а передаточное отношение от зубчатого колеса до второго центрального колеса при остановленном первом водиле каждого дифференциального механизма регулирования момента инерции выбрано равным единице.

РИСУНКИ

Рисунок 1