Высокомоментный вариатор нефрикционного типа
Владельцы патента RU 2622178:
Кантемиров Владимир Олегович (RU)
Пылаев Борис Васильевич (RU)
Изобретение относится к кулачковым высокомоментным вариаторам. Вариатор содержит корпус (1), установленные в корпусе входной (2) и выходной (3) валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления (17), посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок (4), трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом. Валы колес дифференциала (24а, 24b) снабжены двумя приводными механизмами. Каждый из механизмов включает установленную на подшипниках в корпусе параллельно входному валу пару колебательных валов и пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами. Каждая ведущая полумуфта кинематически связана с колебательным валом. На колебательных валах установлены карусельно в одной плоскости контактирующее с пространственным кулачком рычаги (6), с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов. Оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от оси входного вала. Оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости. Плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например цепной передачей (19). Достигается упрощение и удешевление конструкции. 9 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для плавного изменения передаточного отношения трансмиссии машин большой мощности, действующих при сложном динамическом режиме, включая останов выходного вала под нагрузкой, позволяет варьировать скорость и момент выходного вала в широком диапазоне.
Известны высокомоментные вариаторы нефрикционного типа, в которых момент от входного вала к выходному передается посредством пары колебательных механизмов с плавно изменяемым размахом колебаний, которые через обгонные муфты передают однонаправленное пульсирующее вращение на валы трехвального дифференциала, водило которого - выходной вал [1].
Известны некулачковые высокомоментные вариаторы, в которых колебательные механизмы некулачкового типа, например механизм с качающейся шайбой [2]. У вариаторов такого типа имеет место коэффициент неравномерности скорости вращения выходного вала около 10%.
Также известны кулачковые высокомоментные вариаторы, у которых колебательные механизмы кулачкового типа, например вариатор с непространственным кулачком, снабженный дополнительным устройством для изменения размаха колебаний колебательного вала [3]. У такого вариатора коэффициент неравномерности скорости вращения выходного вала -0…10%.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату высокомоментный вариатор с пространственными кулачками [4], который имеет нулевой коэффициент неравномерности во всем диапазоне варьирования. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженные на входной вал с возможностью совместного вращения и разнонаправленного осевого перемещения от рукоятки управления два пространственных кулачка, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленный в подшипниках корпуса перпендикулярно входному валу колебательный вал и пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а ведущими полумуфтами кинематически связаны с колебательным валом, на каждом из которых установлены оппозитно контактирующие с разными пространственными кулачками рычаги, при этом оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от входного вала в перпендикулярной оси входного вала плоскости, а также перпендикулярно друг другу.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами с установленными в подшипниках корпуса на одинаковом расстоянии от входного вала колебательными валами, при этом каждый приводной механизм содержит пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а ведущие полумуфты обгонных муфт кинематически связаны с колебательными валами, на которых установлены контактирующие с пространственным кулачком рычаги, с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов.
Известный механизм имеет два пространственных кулачка и достаточно сложные кинематические связи звеньев, что удорожает конструкцию и ухудшает массово-габаритные характеристики.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением эксплуатационных характеристик.
Предлагаемый высокомоментный вариатор нефрикционного типа имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок 4, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленную на подшипниках в корпусе параллельно входному валу пару колебательных валов и пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а каждая ведущая полумуфта кинематически связана с колебательным валом, на колебательных валах установлены карусельно в одной плоскости контактирующее с пространственным кулачком рычаги, с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов, причем оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от оси входного вала, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например цепной передачей.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый вариатор снабжен для каждого приводного механизма парой колебательных валов, установленных параллельно входному валу, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, рычаги установлены карусельно в одной плоскости, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например, цепной передачей.
На фиг. 1…6 дан вариант конструкции предлагаемого вариатора; на фиг. 7 - графики кинематических параметров, на фиг. 8 и 9 - варианты конструктивного исполнения.
Предлагаемый механизм (фиг. 1…6) содержит корпус 1, установленные на подшипниках в корпусе входной вал 2 и выходной вал 3, посаженный на шлицах входного вала с возможностью осевого перемещения пространственный кулачок 4. OXYZ - зафиксированная на корпусе, а оху - связанная с кулачком системы координат. На подшипниках в корпусе параллельно входному валу смонтированы две пары колебательных валов: 5а1, 5 а2 и 5b1, 5b2, причем оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от оси OZ входного вала, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны. Каждый колебательный вал снабжен контактирующим с кулачком рычагом 6 посредством ролика 7, при этом рычаги расположены карусельно в одной плоскости. На колебательных валах зафиксированы ведущие полумуфты 8 обгонных муфт 9, с ведомыми полумуфтами в виде шестерен 10а1, 10а2, 10b1, 10b2. В кулачке установлен на подшипниках стакан 11, зафиксированный от вращения ползуном 12 и пазом 13 в корпусе. С возможностью вращения в корпусе установлен связанный резьбой со стаканом 11 винт 14, с коническим зубчатым венцом 15, сцепленным с конической шестерней 16, которая закреплена на рукоятке управления 17. На колебательных валах (фиг. 5) закреплены двухвенцовые звездочки 18, на каждую из которых надета пара цепей 19, с закрепленными штифтами 20 крайними звеньями на диаметрально расположенных звездочках, а на подшипниках корпуса установлена пара опорных роликов 21. Цепи смонтированы с возможностью поворота диаметрально противоположных колебательных валов с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью. На выходном валу 3, являющемся водилом цилиндрического трехвального дифференциала [5], выполнена пара щек 22 с парой сцепленных сателлитов 23а и 23b, валы колес дифференциала 24а и 24b установлены на подшипниках выходного вала и сцеплены с сателлитами. На валах колес дифференциала выполнены зубчатые венцы 25а и 25b, сцепленные с соответствующими шестернями 10 обгонных муфт.
Механизм действует следующим образом. От рукоятки управления 17 кулачок 4 из исходного положения (фиг. 2) перемещается на расстояние h, Н=hmax - максимальное перемещение (фиг. 3). Поворачивающийся на угол α входной вал 2 отклоняет кулачком рычаги 5 колебательных валов на углы γ(α, h), зависящие от профиля пространственного кулачка и положения рукоятки управления (фиг. 4), λ=2γmax - максимальный размах колебаний колебательных валов. При α=0…π/2 колебательный вал 5а1 поворачивается кулачком посредством рычага на угол [1]
,
а его угловая скорость 
,
где ω - скорость входного вала, t - время. Через обгонную муфту колебательный вал вращает шестерню 10а1 с угловой скоростью ω10а=ωКа1. Одновременно диаметрально противоположный колебательный вал 5а2 цепной передачей поворачивается на угол
,
при этом обгонная муфта колебательного вала 5а2 действует в режиме обгона, на фиг. 5 стрелками показаны натянутые ветви цепей 19. При α=π/2…2π колебательный вал 5а2 передает вращение на шестерню 10а2 с угловой скоростью ω10а=ωКа1, а обгонная муфта колебательного вала 5а1 совершает обгон. При полном обороте входного вала (α=0…2 л)
,
при этом шестерни 10a1 и 10а2 через зубчатый венец 25а при любом α передают вращение на вал колеса дифференциала 24а с угловой скоростью
,
где z10 и z25 - число зубьев в шестерне 10 и зубчатом венце 25.
Колебательные валы 5b1 и 5b2 действуют аналогично на вал колеса дифференциала 24b, но со сдвигом по фазе на π/2, следовательно, его угловая скорость
.
Водило дифференциала, которое является выходным валом вариатора, вращается с угловой скоростью
,
следовательно, имеет место идеальная равномерность вращения выходного вала при ω=const, и обеспечивается варьирование скорости выходного вала рукояткой управления 17, перемещением кулачка относительно рычагов, в широком диапазоне:
.
На фиг. 7 показаны графики угловых скоростей звеньев вариатора.
Кинематическая связь диаметрально противоположных колебательных валов может быть конструктивно различной: например (фиг. 8), с помощью тросов 26, закрепленных на диаметрально противоположных блоках 27, установленных на колебательных валах, 28 - опорные шкивы.
Изменение передаточного отношения вариатора зависит от относительного положения рычагов 6 и пространственного кулачка 4, поэтому перемещение кулачка относительно входного вала непринципиально: при фиксированном на выходном валу кулачке можно установить рычаги на колебательных валах перемещаемыми от рукоятки управления, как показано на фиг. 9, где колебательные валы выполнены глянцевыми, а для перемещения рычагов используются поводковые механизмы 29.
Следует применять в вариаторе нефрикционные обгонные муфты, позволяющие передавать без потерь энергии большие моменты, например зубчатые обгонные муфты [6…8].
Информация о высокомоментных вариаторах нефрикционного типа дана на сайте [9].
Источники информации
1. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке// Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 12-16.
2. RU 2475663 C1, F16Н 29/08, 22.09.2011 (Б.В. Пылаев).
3. RU 2409779 C1, F16Н 29/08, 06.07.2009 (Б.В. Пылаев).
4. RU 2242654 С2, F16Н 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
5. Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2001 (стр. 175. Схема б).
6. Б.В. Пылаев, А.А. Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора// Вестник машиностроения. 2008. №6. С. 3-6.
7. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
8. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
9. www.vmvp.ru.
Высокомоментный вариатор нефрикционного типа, содержащий корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами с установленными в подшипниках корпуса на одинаковом расстоянии от входного вала колебательными валами, при этом каждый приводной механизм содержит пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а ведущие полумуфты обгонных муфт кинематически связаны с колебательными валами, на которых установлены контактирующие с пространственным кулачком рычаги, с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов, отличающийся тем, что снабжен для каждого приводного механизма парой колебательных валов, установленных параллельно входному валу, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, рычаги установлены карусельно в одной плоскости, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например цепной передачей.
