Зубчато-рычажный вариатор

 

Изобретение относится к машиностроению, предназначено для плавного изменения передаточного отношения между входным и выходным валами вариатора. Зубчато-рычажный вариатор содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, две пары реек и две шестерни, каретки с направляющими реек, кулачки смещения кареток, механизм привода реек и зубчатую дифференциальную передачу с двумя степенями свободы. Один из трех валов зубчатой дифференциальной передачи, например водило, жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других - с шестерней. Каждая из шестерен сцеплена с рейками пары. Кулачки смещения кареток установлены на входном валу и взаимодействуют с каретками для смены зацепления каждой шестерни с одной рейки на другую. Механизмы привода реек имеют рычаг с осью вращения, перемещаемый рукояткой изменения передаточного отношения, и кулачок качания рычага, установленный на входном валу. Повышается передаваемая мощность и увеличивается диапазон варьирования передаточного отношения. 11 ил.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения между входным и выходным валами механизмов, включая останов и изменение направления вращения выходного вала, при этом кинематическая связь между валами жесткая и не прерывается при изменении передаточного отношения.

Известны вариаторы, в которых усилия от входного к выходному валу передают силы трения, что ограничивает величину рабочего момента (см. [1], стр. 329-356; [2], стр.40).

Известны устройства, в которых используются кулачковые и. рычажные механизмы (см. [1], стр. 357-361; [2], стр. 189-190), зубчатые дифференциальные передачи (см. [1] , стр. 194-204; [2], стр. 98-100), а также двухсторонняя зубчатая рейка (см. [2], стр. 381-382).

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату вариатор ( см. [1], стр. 357, рис. 5.60), содержащий установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, на каждом из которых установлена пара конических шестерен, содержащий рукоятку изменения передаточного отношения, взаимодействующую с шестернями с возможностью принудительного изменения расстояния между шестернями в каждой паре, содержащий кинематически связывающую пары шестерен замкнутую шарнирную цепь, в звеньях которой выполнены сквозные пазы, а в них установлены пластины с возможностью смещения при взаимодействии с зубьями шестерен. В механизме имеет место жесткая кинематическая связь между входным и выходным валами.

Признаки известного вариатора (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный механизм содержит зубчатые шестерни, рукоятку изменения передаточного отношения, а также установленные на подшипниках в корпусе, кинематически жестко связанные входной и выходной валы.

В известном вариаторе передаваемая мощность существенно ограничена малой прочностью пластин, пределы варьирования передаточного отношения незначительны и невозможен реверс.

Цель предлагаемого изобретения - повышение передаваемой мощности и увеличения диапазона варьирования передаточного отношения.

Предлагаемый зубчато-рычажный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, содержит рукоятку изменения передаточного отношения, содержит две пары зубчатых реек и две шестерни, каждая из которых смонтирована с возможностью сцепления с рейками пары, содержит каретки с направляющими реек и установленные на входном валу кулачки смещения кареток, взаимодействующих с каретками с возможностью смены зацепления каждой шестерени с одной рейки на другую, содержит зубчатую дифференциальную передачу с двумя степенями свободы, из трех валов которой один, например вал водила, жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других - с одной шестерней, содержит механизмы привода реек, каждый из которых имеет связанный шарнирно с рейкой рычаг с осью вращения, смонтированной с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, а на входном валу - кулачок качания рычага.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Зубчатый вариатор снабжен двумя парами зубчатых реек и двумя шестернями, каждая из которых смонтирована с возможностью сцепления с рейками пары, снабжен каретками с направляющими реек и установленными на входном валу кулачками смещения кареток, взаимодействующих с каретками с возможностью смены зацепления каждой шестерени с одной рейки на другую, снабжен зубчатой дифференциальной передачей с двумя степенями свободы, из трех валов которой один, например вал водила, кинематически жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других - с одной шестерней, снабжен механизмами привода реек, каждый из которых содержит связанный шарнирно с рейкой рычаг с осью вращения, смонтированной с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, а на входном валу -кулачок качания рычага.

На фиг. 1-3 представлена предложенная конструкция: на фиг. 1 - общий вид с осевым сечением, на фиг. 2 сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 1, на фиг. 4 и 5 показано взаимодействие двухсторонней зубчатой рейки с шестерней, на фиг. 6 - рисунок, поясняющий изменение передаточного отношения вариатора, на фиг. 7 - профили кулачков, на фиг. 8 - графики угловых скоростей шестерен и выходного вала, на фиг. 9 - графики изменения передаточного отношения и отношения моментов на выходном и входном валах, на фиг. 10 - вариант конструкции двухсторонней зубчатой рейки, а на фиг. 11 - вариант конструкции пары зубчатых реек. Зубчато-рычажный вариатор содержит входной 1 и выходной 2 валы, установленные в подшипниках корпуса 3, содержит зубчатую дифференциальную передачу с двумя степенями свободы. Передача имеет два конических колеса 4, сателлит 5 с осью 6, смонтированной на водило 7, а валом водила является выходной вал, связанный с водилом шпонкой 8, двумя другими валами дифференциальной передачи служат ступицы колес 9, установленные на выходном валу с возможностью вращения в подшипниках относительно вала, а на ступицах 9 жестко смонтированы две цилиндрические шестерни 10.

Вариатор снабжен двумя одинаковыми механизмами привода реек (I и II), каждый из которых содержит сцепленную с шестерней двухстороннею зубчатую рейку 11 с зубчатыми венцами 12 и 13, содержит рычаг 14, установленный в состоящей из двух половин кулисе 15, цапфы 16 которой служат осью вращения рычага, пальцем 17 с рычагом шарнирно связана серьга перемещения рейки 18, установленная в направляющих 19, выполненных в выступах корпуса 20, на рычаге установлена ползушка 21, цапфами 22 шарнирно соединенная с ползуном качания рычага 23, направляющей которого служит паз корпуса 24, а на входной вал: на шпонке 25 посажена ступица 26, являющеяся второй направляющей ползуна 23 и одной из опор каретки 27 смещения рейки, второй опорой которой является ступица 9, на ступице 26 жестко смонтированы кулачок качания рычага 28 и кулачок 29 каретки 27 смещения рейки, каретка 27 снабжена роликовыми направляющими 30 рейки, а рейка шарнирно соединена с серьгой 18 пальцем 31, кулачок 28 взаимодействует со своим ползуном 23 посредством двух роликов 32, а кулачок 29 взаимодействует со своей кареткой 27 с помощью двух роликов 33.

На двух закрепленных на корпусе направляющих 34 смонтирована траверза 35 с рукояткой изменения передаточного отношения 36. Две кулисы 15 установлены на траверзе с помощью цапф 16, а в траверзе выполнены два паза 37.

Зубчато-рычажный вариатор работает следующим образом. Входной вал 1 вращает кулачки 28 и 29 двух механизмов привода шестерен с угловой скоростью ω₁ . Кулачок 28 сообщает возвратно-поступательное движение ползуну 23, который качает рычаг 14 в цапфах 16, а рычаг возвратно-поступательно перемещает серьгу 18, а с ней - рейку II. Рейка взаимодействуя с шестерней пово рачивает ее с угловой скоростью ω_ш в одном направлении, как по казано на фиг. 4 и 5 (V - скорость рейки), при движении рейки вверх (фиг. 4) в зацеплении с шестерней находится венец 12 рейки, а при движении рейки вниз (фиг.5) - венец 13. Смещение рейки вместе с кареткой 27 в радиальном по отношению к шестерне направлении осуществляется кулачком 29 в момент останова ползу на 18. Для обеспечения жесткой кинематической связи входного и выходного вала необходимо, чтобы при смещении рейки не нарушалось зацепление ее с шестерней, что выполняется при зазоре d между рейкой и шестерней, меньшим высоты головки зуба b. Вхождение зубьев шестерни в соответствующие впадины зубьев рейки при смещении ее возможно, потому что появляются зазоры в зацеплении, а наибольшее отклонение зуба относительно впадины незначительно - не превышает половины шага зубьев венцов. Концы головок зубьев следует выполнять скругленными.

Угловая скорость водила и, следовательно, выходного вала равна ω₂= 0,5(ω_ш1+ω_ш2), (1) где ω_ш1 и ω_ш2 - угловые скорости шестерен, взаимодействующих соответственно с I и II механизмами привода реек. Передаточное отношение вариатора i = ω₂/ω₁, (2) где ω₁ - скорость вращения входного вала, i зависит от профиля кулачка 28 и соотношения плеч рычага, которое можно изменять перемещением траверзы 35 рукояткой изменения передаточного отношения 36, расстояние z определяет положение рукоятки. На фиг. 8 показан рычаг при трех положениях рукоятки. Перемещение цапф 22 h = h(α) зависит от профиля кулачка, H - амплитуда перемещения - постоянная величина (α - угол поворота кулачка). Перемещение пальца 17 и, следовательно, рейки s = s(α), а также амплитуда перемещения S зависят от z, и имеет место соотношение s=(L/z-1)h.

При значениях z от минимального z_min до L передаточное отношение i будет уменьшаться, при z равном L станет равным нулю (выходной вал вращаться не будет и зафиксируется относительно корпуса), а при z большем L - станет отрицательным, то есть изменится направление вращения выходного вала.

Рассмотрим частный случай профилирования кулачка 28, обеспечивающего следующий закон перемещения цапфы 22 На фиг. 9 для механизма привода шестерни 1 показаны: G - геометрическое место точек центра ролика 32, K_p и K_k - профили кулачков 28 и 29. Расстояние от оси входного вала О до точек G равно R(α) = h(α)+OA. (5) Используя (3) и (4), найдем угловую скорость шестерни

где параметр вариатора (R_ш - радиус начальной окружности шестерни). При установке кулачка 28 механизма привода реек II со сдвигом по фазе на 90^o относительно кулачка I механизма, учитывая, что sin²(α+90°) = cos²α, имеем ω_ш2= 2ω₁W(L/z-1)cos²α, (7) в этом случае угловая скорость выходного вала из соотношения (1), с учетом (6) и (7), равна
ω₂= ω₁W(L/z-1), (8)
следовательно, при постоянной скорости входного вала имеем постоянную скорость выходного вала, которую можно изменять (варьировать) в широком диапазоне рукояткой изменения передаточного отношения. На фиг. 8 показаны графики угловых скоростей, а на фиг. 9 - изменение в зависимости от z приведенного передаточного отношения

а также приведенного отношения моментов на выходном M₂ и входном M₁ валах

Показанный на фиг. 7 кулачок имеет постоянный диаметр

что позволило в рассматриваемой конструкции использовать два диаметрально расположенных ролика 32.

На кулачке (см. фиг. 7) точки A и B соответствуют мертвым точкам рычага, смещение рейки происходит при положениях роликов 32 на участках A_oA_o и B_oB₀ а роликов 33 - на участках D₁D₂. Для удлинения периода выстаивания рычага, то есть для увеличения угла 2γ, возможно выполнение участков A_oA_o и B_oB_o дугами окружностей, соответственно радиусами (OA) и (OB) (изменения кривой G показаны пунктиром).

Для уменьшения динамических нагрузок в зацеплении при смещении зубчатой рейки в радиальном направлении по отношению к шестерне предлагается вариант конструкции рейки, представленной на фиг. 10. В рейке выполнены два паза 38, в которых с зазором 39 размещены и подпружинены пружинами 40 зубчатые венцы 12 и 13 с возможностью перемещения в продольном направлении, при этом величина перемещения Δ может быть, например, не превышающей шага зубьев венцов.

Необходимое требование к зубчатой реечной передаче - пропорциональность угла поворота шестерни перемещению рейки s. Профиль зуба шестерни не принципиален, может быть, например, эвольвентным, а зуб - прямым, косым или шевронным.

Двухсторонняя зубчатая рейка может быть выполнена смещаемой по отношению к шестерне параллельно ее оси, как, например, в конструкции, представленной в [2] на стр. 381-382.

Для динамического уравновешивания следует применять для каждой шестерни пару односторонних реек с механизмами привода каждой рейки пары, работающими в противофазе. На фиг. 11 дан вариант такой конструкции в момент передачи вращения зубчатым венцом 12 при движении его вверх. При останове рычагов в мертвых точках каретки смещения реек (на фиг. 11 не показаны), работающие в противофазе, изменят сцепленные с шестерней зубчатые венцы, так же как и при работе двухсторонней зубчатой рейки.

Тип применяемой в конструкции зубчатой дифференциальной передачи не принципиален, и может быть другим, например, с цилиндрическими зубчатыми колесами (см. [2], стр. 98-100), а выходной вал можно соединять с любым из трех валов передачи.

Вариатор позволяет задавать циклически изменяющуюся скорость выходного вала при постоянной скорости входного, для чего следует использовать специально спрофилированные кулачки 28.

Автор располагает демонстрационной моделью предлагаемого вариатора.

Источники информации:
1. С.Н. Кожевников, Я. И. Есипенко, Я.М. Раскин. Механизмы. Справочник.- 4-е изд. под ред. С.Н. Кожевникова. М.: Машиностроение, 1976.

2. А.Ф. Крайнев. Словарь- справочник по механизмам.- 2-е изд. М.:Машиностроение, 1987.

Формула изобретения

Зубчато-рычажный вариатор, содержащий шестерни, рукоятку изменения передаточного отношения, а также установленные на подшипниках в корпусе, кинематически жестко связанные входной и выходной валы, отличающийся тем, что, с целью повышения передаваемой мощности и увеличения диапазона варьирования передаточного отношения, снабжен двумя парами зубчатых реек и двумя шестернями, каждая из которых смонтирована с возможностью сцепления с рейками пары, снабжен каретками с направляющими реек и установленными на входном валу кулачками смещения кареток, взаимодействующих с каретками с возможностью смены зацепления каждой шестерни с одной рейки на другую, снабжен зубчатой дифференциальной передачей с двумя степенями свободы, из трех валов которой один, например, вал водила кинематически жестко соединен с выходным валом, а каждый из двух других - с одной шестерней, снабжен механизмами привода реек, каждый из которых содержит связанный шарнирно с рейкой рычаг с осью вращения, смонтированной с возможностью перемещения рукояткой изменения передаточного отношения, а на входном валу - кулачок качания рычага.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11