Реечная передача

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам для преобразования возвратного движения во вращательное, и может быть использовано, например, в передачах с мускульным приводом, в частности – в приводе велосипеда. Реечная передача содержит стойку, ведущее звено - привод рейки, ведомое зубчатое колесо и промежуточное звено – рейку, имеющую зубчатый венец, а с противоположной стороны выполненную гладкой. Рейка шарнирно присоединена к приводу рейки так, что между касательной к начальной линии зубчатой рейки и осью шарнира, связывающего рейку с приводом рейки, образовано плечо. Шарнирное соединение привода рейки с рейкой снабжено подтормаживающим устройством, а стойка – закрепленным на ней упором, предназначенным для взаимодействия с гладкой стороной рейки, ограничивающим величину зазора между рейкой и колесом в фазе обратного хода рейки. Упор может быть выполнен в виде ролика и закреплен на стойке шарнирно, а привод рейки – в виде качающегося звена, ось поворота которого относительно стойки расположена так, что качающееся звено и плечо рейки образуют острый угол. Технический результат заключается в обеспечении надежной бесшумной работы механизма, преобразующего колебательные движения (например, педалей) во вращательное. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам для преобразования возвратного движения во вращательное. Оно может быть использовано, например, в передачах с мускульным приводом, в частности в приводе велосипеда.

Известно устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в прерывистое вращательное, содержащее привод возвратно-поступательных перемещений со штоком, приводной элемент в виде шарнирного параллелограмма, одно звено которого кинематически связано со штоком, а противолежащее ему звено выполнено в виде зубчатой рейки, которая взаимодействует с ведомым зубчатым колесом и подпружинена к штоку (а.с. 1130709, F 16 Н 19/04. Прокофьев В.Д., Кузин А.П., Беляков Г.Н., Якушев А.С., Власов В.И. Устройство для преобразования возвратно-поступательного движения в прерывистое вращательное. Опубл. 23.12.84. Бюл. №47).

Устройством, наиболее близким к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа, является реечная передача, содержащая зубчатую рейку, привод перемещения рейки, ведомое зубчатое колесо, кронштейн, соединенный жестко с рейкой и шарнирно с приводом таким образом, что образовано плечо между направлением действия привода и точкой взаимодействия рейки с колесом (В формуле изобретения а.с. 1281787, к сожалению, имеется неточность, поэтому в ограничительной части формулы предлагаемого изобретения признаки прототипа описаны с использованием других геометрических параметров механизмов.), причем рейка поджимается к колесу при помощи пружины (а.с. 1281787, F 16 Н 19/04, 27/04. Вакуленко В.А. Реечная передача. Опубл. 07.01.87. Бюл.№1). Кроме привода возвратно-поступательного перемещения, рейка посредством шарнира может быть соединена с другим приводом, например качающимся рычагом. Рейка может быть прямой или изогнутой по радиусу и образовывать с колесом внешнее или внутреннее зацепление.

Недостатком данных конструкций являются удары зубьев рейки о зубья ведомого зубчатого колеса, происходящие в фазе обратного хода привода рейки вследствие наличия постоянного взаимодействия рейки с колесом под действием усилия пружины и сил тяжести рейки. Эти удары вызывают шум, вибрации, повышенный износ и выкрашивание зубьев, увеличивают сопротивление движению, уменьшают кпд передачи. Снизив усилие пружины, поджимающей рейку к колесу, можно несколько уменьшить указанное явление, но при этом становится ненадежным вход рейки в зацепление с колесом.

Для обеспечения надежного входа рейки в зацепление с ведомым зубчатым колесом и исключения их взаимодействия при обратном ходе привода в реечной передаче, содержащей стойку, ведущее звено, совершающее колебательные движения - привод рейки, ведомое зубчатое колесо и промежуточное звено - рейку, имеющую зубчатый венец, а с противоположной стороны выполненную гладкой, шарнирно присоединенную к приводу рейки в такой ее точке, что между касательной к начальной линии зубчатой рейки (в любой точке этой линии) и осью шарнира образовано плечо (при этом рейка наклонена к линии движения шарнира и повернута зубчатой стороной к направлению рабочего хода), шарнирное соединение привода рейки с рейкой снабжено подтормаживающим устройством, а стойка снабжена закрепленным на ней упором, предназначенным для взаимодействия с гладкой стороной рейки в фазе ее обратного хода. Подтормаживающее устройство обеспечивает надежное прижатие наклонной рейки к ведомому зубчатому колесу в фазе рабочего хода и устраняет их контакт при обратном ходе. Упор ограничивает величину зазора между рейкой и ведомым зубчатым колесом в фазе обратного хода, что обуславливает быстрый вход рейки в зацепление в начале рабочего хода. Для уменьшения трения в передаче упор рейки выполнен в виде ролика, который соединен со стойкой шарнирно.

Для сохранения положительного эффекта от подтормаживания рейки в случае, когда рейка совершает не возвратно-поступательное движение, а возвратно-вращательное, т.е. является качающимся звеном, ось его качания относительно стойки расположена так, что качающееся звено и плечо рейки (перпендикуляр, опущенный от шарнира рейки на касательную к ее начальной линии) образуют острый угол. В противном случае момент трения, возникающий в подтормаживающем устройстве в фазе рабочего хода, будет не замыкать, а размыкать реечное зацепление.

Для устранения касания рейки и ведомого зубчатого колеса в периоды выстоя привода рейки, когда направление и величина момента трения в шарнире становятся неопределенными, рейку рекомендуется располагать ниже колеса, чтобы сила тяжести поджимала ее к упору. Если рейка расположена выше колеса, то передача снабжена пружиной, поджимающей рейку к упору в отсутствие определенного движения привода.

Для надежного входа в зацепление рейки и ведомого зубчатого колеса в фазе рабочего хода требуется большая сила притяжения, чем для исключения их контакта в фазе обратного хода. Поэтому для дополнительного уменьшения потерь на трение в фазе обратного хода подтормаживающее устройство шарнира, образуемого приводом и рейкой, размещенное между торцевыми поверхностями привода рейки и рейки, состоит из двух торцовых полумуфт с обращенными друг к другу скошенными зубьями, одна из которых жестко связана с приводом рейки или с рейкой, а другая - выполнена плавающей. Ось шарнира снабжена регулируемыми торцевыми опорами, ограничивающими взаимное осевое удаление рейки и привода, а полумуфты имеют упоры, ограничивающие угол их относительного поворота. При рабочем ходе рейки полумуфты раздвигаются в осевом направлении, увеличивая осевые усилия на торцевых опорах и, соответственно, момент трения в шарнире. При холостом ходе эти силы уменьшаются.

На фиг.1 изображена реечная передача с прямой рейкой и приводом рейки, совершающим возвратно-поступательное движение. На фиг.2 - подобная передача с дугообразной рейкой. На фиг.3 - передача с качающимся приводом рейки и зубьями на выпуклой стороне рейки, на фиг.4 - то же с зубьями на вогнутой стороне рейки. На фиг.5 показан разрез по А-А - простейший вариант подтормаживающего устройства. На фиг.6 (разрез по А-А) - усовершенствованное подтормаживающее устройство. Фиг.7 - его разрез по Б-Б; фиг.8 - развертка В-В.

Передача (фиг.1) состоит из привода рейки 1, снабженного шарниром 2, при помощи которого к приводу крепится рейка 3, входящая в зацепление с ведомым зубчатым колесом 4. Между шарниром 2 и начальной линией рейки (в данном случае прямой) имеется плечо "h". Упор 5 расположен так, чтобы при отходе рейки от ведомого зубчатого колеса до контакта с упором между рейкой и колесом был гарантированный зазор. Шарнир 2 снабжен подтормаживающим устройством 6.

Устройство работает следующим образом. В начале движения привода 1 рейки в рабочем направлении (показано сплошной стрелкой) рейка 3, удерживаемая силами трения в шарнире 2, движется вместе с приводом до упора в ведомое зубчатое колесо. Если зубья рейки и колеса сразу не вошли в зацепление, то в следующий момент рейка 3, прижатая к колесу силой F, зависящей от момента Мтр трения в шарнире 2, скользит по колесу 4 до зацепления зубьев. При дальнейшем движении привода 1 рейки происходит рабочий ход рейки 3, вращающей ведомое зубчатое колесо 4. Когда привод 1 рейки останавливается, зубья колеса, продолжающего вращаться по инерции, вытесняют рейку из зацепления, после чего рейка под действием собственного веса ложится на упор 5. При этом момент статического трения в шарнире 2 дополнительно стабилизирует положение рейки. При обратном ходе рейки 3 момент трения в шарнире 2 сильнее прижимает рейку к упору 5 и удерживает ее в этом положении до начала рабочего хода.

Реечная передача, показанная на фиг.2, также содержит возвратно-поступательно движущееся приводное звено 1. Однако рейка 3 здесь имеет зубья на стороне, обращенной к шарниру 2. Кроме того, начальная линия рейки - дуга окружности. При такой конфигурации рейки 3 рабочим является ход привода 1 рейки "от колеса 4". Упор 5 выполнен в виде ролика, шарнирно связанного со стойкой (для снижения трения при обратном ходе рейки). Плечо "h" для дугообразной рейки является переменным, но по всей рабочей части рейки оно отлично от нуля и не меняет направление (знак). Работает устройство аналогично предыдущему.

На фиг.3 и фиг.4 изображены реечные передачи с качающимся приводом рейки 1.

При этом качающееся приводное звено 1 и плечо "h" всегда составляют острый угол. Иначе можно сказать, что привод рейки находится с выпуклой стороны рейки. Такое расположение приводного звена обеспечивает совпадение направлений относительных угловых скоростей рейки и привода рейки, возникающих за счет "набегания" рейки 3 на колесо 4 и за счет вращения привода 1 рейки.

На фиг.4 рейка 3 расположена выше ведомого зубчатого колеса 4, поэтому для предотвращения ее взаимодействия с колесом в период выстоя привода 1 рейки рейка подтянута вверх к упору 5 пружиной 7, натяжение которой лишь незначительно превышает вес рейки. Подтормаживающее устройство в простейшем варианте (фиг.5) содержит фрикционные диски 8, размещенные между торцевыми поверхностями привода 1 рейки и рейки 3 вокруг оси шарнира 2, пружину 9, шайбу 10 и гайки 11.

Для увеличения тормозного момента Мтр пружину 9 с помощью гаек 11 сжимают, для уменьшения - ослабляют. При этом используется деформируемость пластин привода 1 рейки.

Подтормаживающее устройство, обеспечивающее снижение потерь на трение при обратном ходе привода, показано на фиг.6.

Между торцевой поверхностью пластины привода 1 рейки и рейки 3 помещены полумуфты 12, 13 со скошенными зубьями на торцах, обращенных друг к другу. Полумуфта 12 жестко связана приводом 1 рейки посредством штифта 14. Полумуфта 13 - плавающая, но в ней выполнен паз 15, взаимодействующий с штифтом 14, ограничивающий угловое перемещение полумуфты 13 относительно полумуфты 12. Ось шарнира 2 выполнена в виде болта 16, снабженного гайкой 17. Для стабилизации момента трения Мтр между трущимися торцами полумуфты 13 и рейки 3 установлен фрикционный диск 18. Другой фрикционный диск 19 расположен между рейкой 3 и второй пластиной привода 1 рейки, которая за счет деформации системы может перемещаться относительно первой в осевом направлении.

При рабочем ходе механизма (см. фиг.8) полумуфта 12, поворачиваясь вместе с приводом 1 рейки относительно полумуфты 13 на своих скошенных зубьях одновременно, отодвигается от нее в осевом направлении. Это приводит к упругой деформации всех деталей, находящихся между шляпкой болта 16 и гайкой 17, и увеличению осевых сил, действующих на фрикционные диски 18 и 19. Когда штифт 14 доходит до упора в торец паза 15, происходит проскальзывание рейки 3 по фрикционным дискам 18 и 19.

При обратном ходе механизма полумуфты 12 и 13 имеют минимальную суммарную толщину, поэтому осевые силы, действующие на фрикционные диски, меньше, и момент трения Мтр в шарнире ниже.

Предлагаемая конструкция принципиально отличается от всех известных тем, что она автоматически (сама, без участия человека) обеспечивает отвод рейки от ведомого зубчатого колеса в момент окончания рабочего хода, удерживает рейку без соприкосновения с ведомым зубчатым колесом на холостом ходу и при обратном ходе, а в момент начала рабочего хода вводит рейку в зацепление и обеспечивает передачу мощности.

Использование предлагаемого устройства обеспечивает надежную бесшумную работу механизма, преобразующего колебательные движения (например, педалей) во вращательное.

Формула изобретения

1. Реечная передача, содержащая стойку, ведущее звено, совершающее колебательные движения – привод рейки, ведомое зубчатое колесо и промежуточное звено - рейку, имеющую зубчатый венец, а с противоположной стороны выполненную гладкой, шарнирно присоединенную к приводу в такой своей точке, что между касательной к начальной линии зубчатой рейки и осью шарнира, связывающего рейку с приводом рейки, образовано плечо, отличающаяся тем, что шарнирное соединение привода рейки с рейкой снабжено подтормаживающим устройством, а стойка - закрепленным на ней упором, предназначенным для взаимодействия с гладкой стороной рейки, ограничивающим величину зазора между рейкой и ведомым зубчатым колесом в фазе обратного хода рейки.

2. Реечная передача по п.1, отличающаяся тем, что упор выполнен в виде ролика и закреплен на стойке шарнирно.

3. Реечная передача по п.1, отличающаяся тем, что привод рейки выполнен в виде качающегося звена, ось поворота которого относительно стойки расположена так, что качающееся звено и перпендикуляр, опущенный от шарнира рейки на касательную к начальной линии рейки, образуют острый угол.

4. Реечная передача по п.1, отличающаяся тем, что рейка расположена выше ведомого колеса, а передача содержит пружину, связывающую рейку со стойкой, которая, преодолевая вес рейки, поджимает рейку к упору в периоды неподвижности привода рейки.

5. Реечная передача по п.1, отличающаяся тем, что подтормаживающее устройство шарнирного соединения привода рейки с рейкой размещено между их торцевыми поверхностями соосно с шарниром и состоит из двух торцевых полумуфт с обращенными друг к другу скошенными зубьями, одна из которых закреплена на рейке или приводе рейки жестко, а другая выполнена плавающей, ось шарнира снабжена регулируемыми торцевыми опорами, ограничивающими взаимное удаление привода рейки и рейки, а полумуфты снабжены упорами, ограничивающими угол их относительного поворота.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8