Трансмиссия на шестернях со спиральными зубчатыми переходами
Изобретение относится к трансмиссиям, позволяющим непрерывно и неразрывно преобразовать скорость вращения с соответствующим ей крутящим моментом. Первый вал трансмиссии представляет собой конус с шестернями и встречно-навитыми спиральными зубчатыми переходами между ними. Второй вал параллелен наружной поверхности конуса, содержит шестерню, которая может свободно перемещаться вдоль него, но находясь с ним в зацеплении, например, при помощи протяженных шпонок или шлицов по длине вала. В начале и конце конуса расположены шестерни, диаметр которых равен диаметру конуса в месте расположения, а числа их зубьев пропорциональны первому и последнему коэффициенту передачи трансмиссии. Шаг зубьев всех шестерен и спиральных зубчатых переходов одинаков. Шестерни конуса соединены между собой двумя встречно навитыми спиральными зубчатыми дорожками, позволяющими как увеличивать, так и уменьшать передаточное число без смены направления вращения первого вала путем перекатывания по ним шестерни второго вала. В местах пересечения зубчатых дорожек на конусном валу могут быть расположены дополнительные шестерни, число зубьев которых пропорционально диаметру конуса в месте пересечения. Причем достаточное число промежуточных шестерен на первом валу при необходимости обеспечивает изменение коэффициента передачи трансмиссии с малым шагом. Для синхронизации положения зубьев шестерни второго вала и положения зубьев на спиральных зубчатых переходах и шестернях первого вала должна использоваться электронная или механическая система автоматического управления, перемещающая шестерню второго вала вдоль поверхности конусного вала так, чтобы зубья постоянно находились в зацеплении. Достигается повышение надежности устройства. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к зубчатым передачам с непрерывно-ступенчатым изменяемым передаточным соотношением между входом и выходом, то есть изменение передаточного отношения между соседними передачами, или иначе ступенями, осуществляется непрерывно.
Уровень техники
Из уровня техники известны такие устройства, как трансмиссии - это устройства, предназначенные для согласования скорости вращения и крутящего момента источника вращательного движения - как правило, двигателя, и скорости вращения и крутящего момента потребителя вращения. Широко распространены три типа трансмиссий - механические, автоматические и вариаторы. При этом зубчатыми, то есть позволяющими передать большой крутящий момент при небольших габаритах, являются механические и автоматические трансмиссии, недостатком которых является дискретность при изменении передаточного соотношения, необходимость в гидротрансформаторе для автоматических трансмиссий, снижающем КПД, разрывность передачи крутящего момента, сложность, необходимость в сцеплении для изменения коэффициента передачи трансмиссии и пр. Недостатком вариаторов является сложность передачи значительного крутящего момента вращающимся бесконечным ремнем и значительной мощности, поскольку отсутствует жесткая принудительная передача мощности, но при плавном и непрерывном изменении коэффициента передачи.
Известны технические решения, описанные в патентах США 5608390, 5653143, 6321613, а также решение “Зубчатая передача с непрерывно изменяемым передаточным числом”, патент РФ 2340815, которое является наиболее близким аналогом. Изобретение имеет конусный вал с распложенными на нем рядами спиральных зубчатых витков, отстоящих друг от друга вдоль вала. Второй вал проходит параллельно огибающей поверхности первого вала. Зубчатое устройство, расположенное на втором валу, вращается вместе с ним, имеет зубья для зацепления с зубьями спиральных зубчатых витков, имеет возможность скольжения вдоль второго вала для позиционирования в любом месте вдоль зубчатой рейки и содержит две соединенные шестерни. Шестерни имеют возможность упругого доворота относительно друг друга на некоторый угол. Общими признаками является наличие первого конусного вала (без стационарных шестерен на нем и двух встречно навитых по конусу спиральных зубчатых переходов) и второго вала с одной шестерней, которая может перемещаться вдоль конусного вала. Недостатком данной зубчатой передачи является то, что шестерни второго вала, находясь в произвольном по длине вала положении при вращении, поочередно входит в зацепление то с одним, то с другим витком зубчатой рейки, при этом площадь зацепления зубьев и, соответственно, максимальный предающийся крутящий момент являются переменной величиной. То есть при некоторых положениях вала нагрузка на края зубьев первого вала и шестерни второго вала может привести к их поломке. Кроме того, две шестерни второго вала с возможностью упругого доворота относительно друг друга не обеспечивают четкого и однозначного зацепления при переходе с одного витка зубчатой рейки на другой, что может привести к их повышенному износу, поломке зубьев или заклиниванию передачи.
Раскрытие изобретения
Технический результат заключается в плавном и непрерывном изменении коэффициента передачи и крутящего момента при переключении между стационарными шестернями конусного вала, являющимися ступенями трансмиссии.
Задачей, которую решает изобретение, является непрерывное изменение передаточного числа между зубчатыми передачами, в том числе между соседними, без прерывания крутящего момента. Изменение коэффициента передачи может иметь малый шаг, при большом числе ступеней трансмиссии, попутно может решаться следующая задача - первый конусный вал, как и трансмиссия в целом, может выполнять функцию маховика двигателя, поскольку передача крутящего момента осуществляется непрерывно и по конструкции может обладать большим моментом инерции. Кроме этого отпадает необходимость в использовании сцепления при переключении между ступенями трансмиссии.
Трансмиссия на шестернях со спиральными зубчатыми переходами содержит первый конусный вал, на котором расположены в начале и в конце шестерни, число зубьев которых пропорционально диаметру конуса в месте расположения, данные шестерни соединены двумя встречно навитыми спиральными зубчатыми переходами, в местах пересечения которых также могут быть расположены шестерни, диаметр которых и число зубьев пропорциональны диаметру конуса в месте расположения. Два встречно навитых спиральных зубчатых перехода необходимы, чтобы можно было как увеличивать, так и уменьшать передаточное число без смены направления вращения первого вала. Таким образом, получается конусный вал с рядом передач и спиральными зубчатым переходами между ними. Параллельно поверхности конуса расположен второй вал, на котором имеется шестерня. Шестерня может перемещаться вдоль вала, но закреплена на нем так, что вращается вместе с ним. Перемещение шестерни вдоль второго вала и соответственно вдоль конусного вала выполняет система управления, механическая или электронная, которая отслеживает линейное положение шестерни вдоль второго вала, угловое положение и скорость вращения первого вала, учитывает положения начала и конца спиральных зубчатых переходов и учитывает необходимость повышения или понижения коэффициента передачи, уровень нагрузки на валу и другие необходимые параметры. Таким образом, смена передаточного соотношения достигается перекатыванием в рассчитанные моменты времени, когда шестерня второго вала находится напротив начала спирального зубчатого перехода, системой управления шестерни второго вала по спиральным зубчатым переходам с шестерни на шестерню первого вала. Система управления имеет продольный исполнительный механизм для перемещения шестерни вдоль второго вала. Трансмиссия данного типа обратима, входным может быть первый или второй вал, а выходным - соответственно второй или первый. При этом шаг витков спирали может быть как равным для каждого из витков, так и переменным, а также поверхность конуса первого вала может быть как линейной, так и нелинейной. Зубья шестерен и спиральных зубчатых переходов могут быть утоплены вглубь конуса, что позволит перекатываться шестерне второго вала по ним, как по направляющим. В этом случае система управления упрощается и даже может быть механической. При утопленных зубьях конусного вала достаточно шестерню второго вала направить на спиральный зубчатый переход, после чего изменение передаточного числа произойдет автоматически.
Помимо зубчатых шестерен для трансмиссии данного типа могут использоваться и боле эффективные виды передачи вращения. Например, эксцентрико-циклоидальную передачу. Спецификой использования передач данного типа является то, что ось второго вала должна быть параллельна не поверхности конуса, а параллельна оси первого вала, т.е. первый и второй валы должны быть соостны. Для этого можно использовать перемещаемый карданный подвес. Т.е. салазки, содержащие второй вал, перемещаются по направляющим, параллельным поверхности конуса, тогда как ось второго вала параллельна оси конусного вала, а передача крутящего момента ко второму валу осуществляется через карданный привод, который перемещается относительно шестерни, на которую передается или с которой снимается крутящий момент. Данный тип передачи крутящего момента от первого ко второму валу может быть использован и для зубчатых передач.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает трансмиссию на шестернях со спиральными зубчатыми переходами в продольном разрезе
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показано, что трансмиссия на шестернях со спиральными зубчатыми переходами содержит корпус 1, изображенный в продольном разрезе, в котором имеются места для установки подшипников 2-8. Подшипники 2 и 3 установлены в корпусе 1, на конусном валу 9. Конусный вал 9 содержит стационарные шестерни в начале 10 и в конце 13 вала, число зубьев которых выбирается исходя из необходимого диапазона изменения передаточных чисел трансмиссии. Также стационарные шестерни на конусном валу 9 могут содержаться в местах пересечения двух встречно навитых спиральных зубчатых переходов - 11 и 12, в общем случае число пересечений и соответственно промежуточных шестерен может быть произвольным, что позволяет уменьшать шаг дискретности коэффициента передачи трансмиссии, но ограничено сверху длиной зубьев и длиной конусного вала 9. Диаметр и число зубьев этих шестерен увеличивается от узкого к широкому месту конусного вала. Причем шаг спиральных зубчатых переходов может быть как равным от одной стационарной шестерни к другой, так и переменным. То есть диаметры стационарных шестерен конусного вала, которые находятся на пересечении спиральных зубчатых переходов, не определены равным шагом спиральных зубчатых переходов, а могут варьироваться при проектировании, что позволяет задать необходимые диаметры и числа зубьев промежуточных шестерен. Форма вала 9 может отличаться от конусной, но вал 9 должен содержать необходимые для его работы зубчатые элементы. Таким образом, конусный вал содержит некоторое число N стационарных шестерен - на фиг. 1 их четыре - шестерни 10, 13, 14 и 15, число зубьев которых пропорционально диаметру конуса в месте их расположения. Два встречно навитых спиральных зубчатых перехода 11 и 12 необходимы для того, чтобы можно было менять передаточное число трансмиссии, как в большую, так и в меньшую сторону без изменения направления вращения конусного вала. Шаг зубьев спиральных зубчатых переходов и всех шестерен одинаков. Зубья спиральных конических зубчатых переходов направлены от конусного вала и в общем случае параллельны оси вала. На конусном валу 9 расположены датчики 16 - датчик углового положения вала, необходимый для контроля угловых положений зубьев спиральных зубчатых переходов, датчик скорости вращения конусного вала и датчик нагрузки на валу.
Трансмиссия на фиг. 1 содержит второй вал 17, расположенный параллельно поверхности конусного вала 9 на некотором расстоянии от него. Второй вал 17 закреплен в корпусе 1 посредством подшипников 4 и 5. Второй вал 17 снабжен протяженными вдоль него шпонками или шлицами 18, которые вращаются вместе со вторым валом. На втором валу 17 находится шестерня 19, которая вращается вместе с валом 17 благодаря шлицам 18, но может перемещаться вдоль второго вала так, что зубья шестерни 19 находятся в постоянном зацеплении с зубьями шестерен 10, 13, 14, 15 конусного вала, или спиральных зубчатых переходов 11 и 12 при их совмещении. Валы 9 и 17 могут выступать как ведущими в трансмиссии, так и ведомыми. Перемещение шестерни второго вала 19 вдоль вала 17 осуществляется при помощи ползуна 20, соединенного с шестерней 19 при помощи подшипника 8. Продольное перемещение ползуна 20 осуществляется при помощи исполнительного механизма, в качестве которого на фиг. 1 приведен винтовой вал 21 исполнительного реверсивного электродвигателя 22, закрепленный в корпусе 1 на подшипниках 5 и 6. Ползун 20 содержит резьбу 23, вращение винтового вала 21 в одну или другую сторону в которой приводит к перемещению ползуна 20 в одну или другую сторону, и соответственно перемещению шестерни 19 вдоль конусного вала 9. Линейное положение ползуна 20 контролируется датчиком линейного перемещения 24. Необходимое при перекатывании с одной стационарной шестерни вала 9 на другую линейное положение шестерни 19 вдоль вала 21 в конкретные временные моменты рассчитывается цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) 24. Любой другой известный механизм может использоваться для продольного перемещения шестерни 19 вдоль конусного вала. Например, зубья шестерен и спиральных зубчатых переходов могут быть утоплены в конусный вал 9, при этом для перекатывания шестерни 19 с одной стационарной шестерни конусного вала на соседнюю необходимо первоначальное помещение ее в канавку спирального перехода.
ЦВМ 24 использует для работы датчик выбранной передачи 25, который устанавливает, какая из стационарных шестерен конусного вала 9 должна быть подключена к шестерне второго вала 19. На основе текущего положения шестерни 19 вдоль второго вала, контролируемого при помощи датчика линейного перемещения 26, а также датчиков скорости вращения вала 9, датчиков его углового положения, позволяющего контролировать угловые положения зубьев спиральных зубчатых переходов, ЦВМ 24 рассчитывает требуемые линейные положения шестерни 19 в определенные моменты времени при переключении на заданную стационарную шестерню вала 9 с текущей стационарной шестерни. Используя данные величины и уровень нагрузки на конусном валу с датчика 16, ЦВМ 24 вырабатывает необходимые управляющие сигналы реверсивному электродвигателю 22 и рассчитывает время начала переключения, когда зубья шестерни 19 будут совпадать с началом спирального зубчатого перехода. Электродвигатель 22, вращая винтовой вал 21, перемещает ползун 20 и вместе с ним шестерню второго вала 19 вдоль вала 17 таким образом, что шестерня 19 находится при переключении в постоянном зацеплении и зубьями спиральных зубчатых переходов вала 9, пока не установится положение стационарной шестерни вала 9, заданной датчиком передачи 25.
Необходимую для изменения коэффициента передачи трансмиссии угловую скорость вращения вала электродвигателя 22 ω1 в радианах в секунду, учитывая что переключение должно быть выполнено за время поворота конусного вала 9 на полоборота, и начальный момент времени его включения t0 ЦВМ 24 упрощенно определяет при помощи выражений:
ω1=8π2l/dω, где 1 - линейная длина спирального перехода плюс ширина стационарной шестерни вала 9, контролируемая по датчику линейного положения шестерни второго вала 26, d - шаг резьбы 23 вала 21, ω - угловая скорость вращения конусного вала 9 в радианах в секунду,
t0=(α0-α)/ω, где α0 - угол начала спирального зубчатого перехода в радианах, значение которого можно принять равным 2π, ω - текущее угловое положение конусного вала 9 в радианах.
Кроме того, данная система управления является системой автоматического управления. При переключении, по значениям, вычисленным ЦВМ 24, контролируется также и текущее линейное положение вала 19 по датчику 26. Рассчитанное и текущее линейные положения шестерни 19 вдоль вала 17 постоянно сравниваются в процессе переключения, и при наличии рассогласования, превышающего установленную допустимую величину, вырабатывается дополнительный корректирующий сигнал для реверсивного электродвигателя 22, позволяющий скомпенсировать появившееся рассогласование. Данная система автоматического управления является одной из мер, обеспечивающих защиту трансмиссии от соскакивания шестерни 19 со спиральных зубчатых переходов 11 и 12 вала 9 в моменты изменения коэффициента передачи трансмиссии. Другой мерой предотвращения соскакивания могут являться более широкие спиральные зубчатые переходы, которые при возможных флюктуациях нагрузки на валу 9 позволят также избежать соскакивания шестерни 19 с вала 9 при переключении. Также еще одной мерой может выступать блокировка флюктуаций нагрузки на валу при изменении коэффициента передачи трансмиссии. Еще одной мерой может выступать устройство контроля прижатия второго вала к первому с определенным усилием, например 27. Еще одной мерой может выступать “самообучаемость” системы автоматического управления трансмиссии, которая заключается в том, что со временем некоторые параметры трансмиссии могут меняться, например усилие, необходимое для смены линейного положения шестерни 19, и система управления может отслеживать постоянные отклонения от вычисленных значений и производить самоюстировку. Т.е. вносить корректировку в свою работу с учетом износа и изменения своих параметров. Поскольку стационарных шестерен на конусном валу 9 может быть значительное число, то изменение коэффициента передачи трансмиссии может иметь небольшой шаг.
Из осуществления изобретения видно, что устройство решает поставленные задачи. Поскольку при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема охраны, то данное описание и решение, приведенное на фиг. 1, является иллюстративным примером и не носит ограничивающего характера.
1. Трансмиссия на шестернях со спиральными зубчатыми переходами, содержащая корпус (1) с вращающимся первым валом (9), с расположением зубчатых элементов по конусу, второй вращающийся вал (17) с продольными средствами зацепления (18), расположенный параллельно поверхности первого вала, и отстоящий от него, содержащий шестерню (19), находящуюся в зацеплении с зубьями первого вала, вращающуюся вместе со вторым валом (17), но имеющую возможность перемещаться вдоль него при помощи линейного исполнительного механизма (20), позволяющего позиционировать шестерню (19) в любом месте по длине второго вала, отличающаяся тем, что первый вал (9) имеет в начале и в конце шестерни (10, 13) диаметр и число зубьев которых пропорциональны диаметру первого вала в месте их расположения, соединенные двумя встречно навитыми спиральными зубчатыми переходами (11, 12), в местах пересечения которых так же могут располагаться шестерни, а соединение частей этих зубчатых элементов может выступать замкнутым самостоятельным зубчатым элементом - конусной шестерней переменного радиуса.
2. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что изменение коэффициента передачи трансмиссии происходит плавно, непрерывно и достигается перекатыванием шестерни второго вала (19) по спиральным зубчатым переходам (11, 12) при вращении, без смены направления вращения первого вала (9).
3. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что шаг зубьев двух встречно навитых спиральных зубчатых переходов (11, 12) и стационарных шестерен (10, 13, 14, 15) первого вала (9) одинаков везде.
4. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что зубья на первом валу (9) могут быть утоплены в тело конуса, а окружающие зубья бортики могут служить направляющими для перемещения шестерни второго вала (19) по спиральным зубчатым переходам (11, 12).
5. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что вторых валов (17) около первого вала (9) одновременно может быть один, два и более, как и связанных с ними систем автоматического управления (24), исполнительных механизмов (20), шестерен второго вала (19), каждая из которых работает самостоятельно, и вращается со скоростью, определяемой своей системой автоматического управления (24) каждого из вторых валов (17), использовать которые можно как независимо, так и с весовым суммированием скоростей вращения первого вала и различных скоростей вращения вторых валов (17), чтобы обеспечить комбинационный набор разных по величине и направлению суммарных скоростей вращения, в том числе нулевую.
6. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что шаг спиральных зубчатых переходов (11, 12) может быть как равный от одной стационарной шестерни до другой (10, 13, 14, 15), так и переменный, что позволяет делать диаметры и число зубьев стационарных шестерен первого вала (9) произвольным, но зависящим от диаметра первого вала (9) в месте их расположения.
7. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе систему автоматического управления (24), основанную на датчиках, с исполнительным механизмом (20), эффективно связанным с шестерней второго вала (19), и позиционирующую шестерню второго вала (19) таким образом, чтобы ее зубья находились в постоянном зацеплении либо со стационарными шестернями (10, 13, 14, 15) первого вала (9), либо с зубьями спиральных зубчатых переходов (11, 12) при изменении коэффициента передачи трансмиссии.
8. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что число стационарных шестерен первого вала (9) может быть произвольным, но ограничено сверху длиной первого вала и шириной зубьев.
9. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что для передачи вращения между первым (9) и вторым (17) валами форма зубьев на первом валу (9) может являться отпечатком формы меняющих свое пространственное положение зубьев или иных средств зацепления шестерни (19) второго вала (17).
10. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что оси шестерен первого (9) и второго вала (17) могут быть параллельны при использовании перемещаемых параллельно поверхности первого вала (9) салазок, содержащих шестерню второго вала, связанную со вторым валом карданным приводом.
11. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе устройство, поддерживающее постоянную силу прижатия первого вала (9) и шестерни второговала (19), если прямая продольного сечения вершин любых зубьев первого вала параллельна оси первого.
12. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что входным валом трансмиссии может выступать как первый вал (9), так и второй (17), а выходным валом соответственно как второй (17), так и первый (9).
