Зубчатая передача преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в автомобилестроении и станкостроении, транспортных и грузоподъемных механизмах, а также устройствах, в которых выполняется преобразование крутящего момента на выходном звене или поглощение крутящего момента, приложенного к входному звену. Зубчатая передача преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания содержит блок зубчатых колес (4) с венцами разного диаметра, установленный на валу (5) с двумя степенями свободы с возможностью вращения и поперечного линейного или кругового перемещения, сдвига относительно зубчатых колес (1, 2), установленных на валу (3). Зубчатые колеса (1, 2) соединены между собой. Зубчатые колеса (1,2) также могут быть кинематически связаны между собой с постоянным передаточным отношением блоком зубчатых колес (4). Крутящий момент к валу (3) приложен одновременно с усилием, сдвигающим в поперечном линейном или круговом направлении блок зубчатых колес (4), установленный с двумя степенями свободы. Изобретение позволяет создавать встраиваемую зубчатую передачу с возможностью управляемого безопасного заклинивания и расклинивания, а также устройства, способные выполнять преобразование скорости вращения и передаваемого крутящего момента или его поглощение. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и предназначается для использования в автомобилестроении и станкостроении, транспортных и грузоподъемных механизмах, а также устройствах, в которых выполняется преобразование крутящего момента на выходном звене или поглощение крутящего момента, приложенного к входному звену.

Известны различные зубчатые передачи. Зубчатые передачи бывают с неподвижными осями колес и с подвижными осями, совершающими круговые движения. Две или более зубчатые передачи образуют зубчатый механизм. Эти механизмы описаны, например, в Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике», том 4 «Зубчатые механизмы». Зубчатые передачи и механизмы - это самый распространенный вид механизмов. Зубчатые передачи и механизмы обладают большой передаваемой мощностью на единицу массы, компактностью, долговечностью, высоким к.п.д. Они предназначены для передачи вращательного движения и преобразования его параметров и при этом выполнены или с постоянным передаточным отношением или с возможностью ступенчатого изменения выходных параметров.

Недостатком известных зубчатых передач и механизмов является невозможность непрерывного и управляемого регулирования величины передаваемого крутящего момента, приложенного к входному звену, а также возможности его изменения, частичного или полного поглощения при необходимости.

Известны случаи заклинивания зубчатых передач и механизмов, в частности передач с коническими колесами, требующих тщательной сборки, так как при продольном смещении колес в ту или другую сторону от заданного положения изменяется зазор между зубьями, что может приводить к защемлению зубьев, нарушению работоспособности колес и заклиниванию.

Но это явление при определенных условиях и конструкции зубчатой передачи может быть полезным. Идея получения состояния безопасного для зубчатого зацепления заклинивания и расклинивания зубчатых колес в зубчатой передаче может быть использована при создании зубчатых механизмов преобразования или поглощения крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в реализации идеи создания встраиваемой зубчатой передачи с постоянным передаточным отношением или зубчатого механизма с возможностью изменения передаваемого крутящего момента, приложенного к входному звену, или его поглощения с возможностью получения состояния безопасного заклинивания находящихся в зацеплении зубчатых колес, при этом обладающих высоким коэффициентом полезного действия, не требующих систем охлаждения, способных надежно работать как на низких, так и на высоких скоростях, которые должны отвечать современным требованиям по безопасности, долговечности, удобству, монтажа и эксплуатации.

Поставленная задача по зубчатой передаче преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания решается за счет того, что она содержит, по меньшей мере, блок зубчатых колес, установленный с двумя степенями свободы, с возможностью вращения и поперечного линейного или кругового перемещения, сдвига относительно зубчатых колес, связанных попарно зацеплением с зубчатыми венцами разного диаметра этого блока, причем зубчатые колеса либо соединены между собой, либо кинематически связаны между собой с постоянным передаточным отношением, возможно, по меньшей мере, блоком зубчатых колес, установленным на своей оси, при этом крутящий момент к звену передачи с возможностью вращения приложен одновременно с усилием, сдвигающим в поперечном линейном или круговом направлении блок зубчатых колес, установленный с двумя степенями свободы.

Может быть выполнена с элементами конической зубчатой передачи, с блоками в виде соединенных зубчатых колес.

Может быть выполнена с элементами цилиндрической зубчатой передачи.

Блок зубчатых колес с двумя степенями свободы может быть установлен с возможностью вращения на салазках для возможности поперечного линейного перемещения, сдвига.

Блок зубчатых колес с двумя степенями свободы может быть установлен с возможностью вращения на водило для возможности кругового перемещения, сдвига.

Достигаемый технический результат заключается в создании механизмов из одной или совокупности зубчатых передач с возможностью управляемого безопасного заклинивания, а также устройств, способных выполнять преобразование скорости вращения и передаваемого крутящего момента или его поглощение, величина которого зависит только от прочностных характеристик зубчатых колес.

Достигается путем использования технических решений в конструкции, позволяющих изменять передаваемый крутящий момент, а также получать состояние управляемого безопасного заклинивания и расклинивания между входным и выходным звеном зубчатой передачи или механизма, исключения фрикционных связей и систем охлаждения.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.

На фиг.1 показана кинематическая схема зубчатой передачи преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания, вариант 1.

На фиг.2 - кинематическая схема зубчатой передачи преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания, вариант 2.

На фиг.3 - схема сил, возникающих при работе в зацеплении зубчатых колес конической зубчатой передачи.

На фиг.4 - схема сил, возникающих при работе в зацеплении зубчатых колес зубчатой передачи в равновесном состоянии на фиг.1.

На фиг.5 - схема сил, возникающих при работе в зацеплении зубчатых колес зубчатой передачи в равновесном состоянии на фиг.2.

Рассмотрим кинематические схемы зубчатой передачи преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания, представленные на фиг.1, фиг.2. Зубчатая передача преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания содержит блок зубчатых колес 4 на валу 5, установленный с двумя степенями свободы, с возможностью вращения и поперечного линейного или кругового перемещения, если быть точнее, сдвига относительно зубчатых колес 1 и 2, установленных на валу 3, связанных попарно зацеплением с зубчатыми венцами разного диаметра этого блока, причем зубчатые колеса 1 и 2 либо соединены между собой в блок, фиг.1, либо кинематически связаны между собой с постоянным передаточным отношением, как частный случай, блоком зубчатых колес 7, установленным на своем валу 8, фиг.2. При этом крутящий момент к звену передачи с возможностью вращения, например, к валу 3, приложен одновременно с усилием, сдвигающим в поперечном линейном или круговом направлении блок зубчатых колес 4. Причем поперечное перемещение блока зубчатых колес 4 со своим валом 5 осуществляется посредством салазок 6 и направляющих, на фиг.1, или посредством водила 6, на фиг.2, осуществляется круговое перемещение.

Зубчатая передача преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания является встраиваемой в устройство и работает с преобразованием крутящего момента при условии, что к звеньям этого устройства одновременно приложен крутящий момент, например к валу 3 или валу 8, на фиг.2, и сдвигающее в поперечном направлении усилие, приложенное к салазкам 6 в направляющих, на фиг.1, или водилу 6, на фиг.2. В результате имеется возможность изменения передаваемого крутящего момента или получения состояния безопасного заклинивания находящихся в зацеплении зубчатых колес и весь крутящий момент, приложенный к входному валу, поглощается зубчатой передачей и будет передаваться на корпус или устройство, в котором установлена или встроена зубчатая передача преобразования крутящего момента. Это происходит в случае, когда сумма сил и моментов, возникающих в зацеплении зубчатых колес зубчатой передачи, будут равны нулю и система находится в равновесии.

Для наглядности рассмотрим обычную коническую зубчатую передачу, передающую крутящий момент, на фиг.3, и возникающие при этом в зацеплении силы, окружные F1, F2, радиальные Fr1, Fr2 и осевые Fa1, Fa2, действующие на зубчатые колеса 1 и 4 соответственно. В сравнении, иная ситуация возникает в зубчатых передачах, работающих по принципу преобразования крутящего момента и управляемого заклинивания зубчатых колес. Возникающие при этом в зацеплении окружные силы изображены на фиг.4 и фиг.5, соответственно поясняющие описание для фиг.1 и фиг.2. При этом радиальные и осевые силы не учитываем, так как они компенсируются подшипниковыми опорами.

По фиг.4 работа осуществляется следующим образом. Блок зубчатых колес, состоящий из соединенных зубчатых колес 1 и 2, имеет одну степень свободы - вращение и, по сути, аналогично коническому колесу с широким зубчатым венцом. Блок зубчатых колес 4, установленный на салазках в направляющих 6, в этой передаче является ведомым и имеет две степени свободы - вращение и вместе с осью параллельное, относительно своего начального положения, поперечное перемещение по направляющим в плоскости действия окружных сил F1, F2 в зацеплении. Одновременно крутящий момент Мкр1 подается на блок из зубчатых колес 1, 2 и приложено усилие F, задающее поперечное перемещение блоку 4. Происходит поворот блока зубчатых колес 1, 2 на своей оси и одновременно происходит прямолинейное перемещение (сдвиг) на величину Δ салазок с блоком 4, зависящую от величины зазора между зубьями сопряженных зубчатых колес. Выбираются зазоры, появляется перекос в зацеплении и боковые поверхности зубьев двух зубчатых венцов зубчатых колес 1 и 2 разнонаправлено соприкасаются с боковыми поверхностями зубьев зубчатых венцов блока 4 в двух точках (точки контакта). На фиг.4 это точки a1, b1 блока из зубчатых колес 1, 2, аналогичные точки a2, b2 для блока 4. Для простоты восприятия для фиг.4 и фиг.5 примем, что:

где F - дополнительная уравновешивающая сила, приложенная к салазкам с блоком зубчатых колес 4.

F1 - окружная сила, действующая в зацеплении на блок из зубчатых колес 1, 2 в точке контакта a1;

F2 - окружная сила, действующая в зацеплении на блок зубчатых колес 4 в точке контакта а2.

Безопасное заклинивание в зубчатой передаче или состояние равновесия в нашем случае может быть выполнено при условии, что в любой момент времени сумма сил и моментов, действующих на блок из зубчатых колес 1, 2 и блок зубчатых колес 4, возникающих в передаче при приложенном крутящем моменте Мкр1 к блоку из зубчатых колес 1, 2 будут равны нулю. При этом также примем, что кратчайшее расстояние от оси блока 4 до точки контакта b2 в два раза меньше кратчайшего расстояния от оси блока 4 до точки контакта a2. Это легко достигается конструктивным исполнением механизма. В результате сама передача будет находиться в равновесии.

Сумма сил и крутящих моментов относительно своей оси (две степени свободы - вращение и линейное перемещение), действующих, например, на зубчатые венцы блока 4:

где 2F2 - окружная сила, действующая в зацеплении на блок зубчатых колес 4 в точке контакта b2;

R - кратчайшее расстояние от оси блока 4 до точки контакта b2;

2R - кратчайшее расстояние от оси блока 4 до точки контакта a2.

По фиг.5 работа осуществляется следующим образом. Зубчатые колеса 1 и 2, а также блок зубчатых колес 7 имеют одну степень свободы - вращение. Блок зубчатых колес 4, установленный на водиле 6, в этой передаче является ведомым и имеет две степени свободы - вращение и круговое относительно зубчатых колес 1 и 2 перемещение. Одновременно крутящий момент Мкр1 подается, например, к валу 8 блока 7 и приложено усилие F, задающее круговое перемещение (сдвиг) блоку 4. Происходит поворот колес блока 7 на своей оси, колес 1 и 2 и одновременно происходит поворот водила 6 на величину Δ с блоком 4, зависящую от величины зазора между зубьями сопряженных зубчатых колес. Выбираются зазоры, и при взаимодействии с зубьями зубчатых колес 1 и 2, находящихся одновременно в зацеплении с зубчатыми венцами блоков 4 и 7, на боковые поверхности зубьев зубчатых венцов блоков 4 и 7 одновременно действуют окружные силы в точках контакта. На фиг.5 точки контакта a1, b1 блока 7, аналогичные точки a2, b2 для блока 4. Условие равновесия соблюдается, когда сумма сил и крутящих моментов относительно своей оси, действующих, например, на зубчатые венцы блока 4 будут:

Для разблокирования колес и непрерывного управления частотой вращения выходного звена или торможения входного звена можно приложить незначительный крутящий момент к выходному валу для преодоления сил трения, возникающих в подшипниковых опорах.

Конструкция предусматривает как полное поглощение нагружающего крутящего момента, так и частичное и зависит от диаметральных размеров зубчатых колес или соотношения приложенных сил к входным звеньям. При этом передача работает в режиме преобразования крутящего момента в прямом и обратном направлении.

1. Зубчатая передача преобразования крутящего момента с возможностью управляемого заклинивания, характеризующаяся тем, что содержит, по меньшей мере, блок зубчатых колес, установленный с двумя степенями свободы c возможностью вращения и поперечного линейного или кругового перемещения, сдвига относительно зубчатых колес, связанных попарно зацеплением с зубчатыми венцами разного диаметра этого блока, причем зубчатые колеса либо соединены между собой, либо кинематически связаны между собой с постоянным передаточным отношением, возможно, по меньшей мере, блоком зубчатых колес, установленным на своей оси, при этом крутящий момент к звену передачи с возможностью вращения приложен одновременно с усилием, сдвигающим в поперечном линейном или круговом направлении блок зубчатых колес, установленный с двумя степенями свободы.

2. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с элементами конической зубчатой передачи, с блоками в виде соединенных зубчатых колес.

3. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с элементами цилиндрической зубчатой передачи.

4. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что блок зубчатых колес с двумя степенями свободы установлен с возможностью вращения на салазках для возможности поперечного линейного перемещения, сдвига.

5. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что блок зубчатых колес с двумя степенями свободы установлен с возможностью вращения на водило для возможности кругового перемещения, сдвига.