Зубчатая широкодиапазонная трансмиссия
TOOTH WIDE RANGE TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к вариаторным трансмиссиям с плавным отнулевым управлением скоростью вращения выходных валов приводов промышленных установок и транспортных средств.
Известна вариаторная зубчатая передача, включающая конические зубчатые колеса, на поверхностях которых нарезаны криволинейные зубья, установленные с возможностью зубчатого зацепления между собой (см. патент РФ на изобретение №2389922, МПК F16H 3/42 (2006.01), опубл. 20.05.2010). В данном устройстве конические зубчатые колеса установлены перпендикулярно относительно друг друга с возможностью продольного скольжения по собственным валам без относительного вращения, а криволинейные зубья имеют изменяющийся поперечный профиль, такой, что при перемещении колес вдоль валов в любой момент обеспечивается зубчатое сопряжение колес. При этом колеса установлены таким образом, что увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса. Изменение передаточного отношения, то есть перемещение упомянутых колес вдоль валов, осуществляется при помощи внешнего механизма управления.
Недостатками аналога являются повышенные габариты, сложность конструкции и управления. Это связано с поперечным расположением входного и выходного валов, что в совокупности с запасом на перемещение конусов требует увеличения размеров устройства в целом. При регулярном управлении необходимо непрерывно передвигать вдоль валов быстровращающиеся массивные конические зубчатые колеса, соблюдая синхронность вращения конусов и их валов, что усложняет еще и конструкцию, а также способствует проявлению эффекта «волчка», ухудшающего энергетику управления. Кроме того, данная передача имеет низкий диапазон изменения передаточного отношения, что не позволяет использовать ее в качестве полноценной трансмиссии, например, в автомобилях.
Известен также зубчатый реверсный вариатор, включающий две конические спиральные шестерни, установленные на параллельных валах и обращенные вершинами в противоположные стороны, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения (см. патент РФ на изобретение №2546047, МПК(2006.01) F16H 3/42, опубл. 10.04.2015). Конические спиральные шестерни выполнены в виде многозаходных равнонаправленных винтов, а промежуточный элемент выполнен цилиндрическим, ось перемещения которого неизменна в пространстве и установлена соосно боковым поверхностям конусных шестерен посредине между ними. При этом промежуточный зубчатый элемент должен иметь косые зубья с углом наклона, идентичным углу наклона логарифмической винтовой линии шестерен. В данном вариаторе для перемещения промежуточного зубчатого элемента вдоль конусных шестерен используется механизм перемещения в виде винтовой пары, состоящей из ступицы и ходового винта.
Недостатками аналога являются повышенные габариты, низкие мощность, быстродействие и КПД устройства, сложность конструкции и управления. Это связано с тем, что для изменения передаточного отношения хотя бы в пределах от 0,5 до 2 требуется большая длина конусов спиральных шестерен, поэтому и ходовой винт, являющийся осью перемещения промежуточного зубчатого элемента, удлинен - это ухудшает быстродействие и увеличивает габариты устройства. Равнонаправленность винтов означает их развертку на конические шестерни по логарифмической винтовой линии, угол наклона которой к образующей конуса строго постоянен, но торцовый шаг непрерывно и равномерно нарастает. Поэтому, во избежание заклинивания, промежуточный зубчатый элемент неизбежно должен иметь тонкие зубья с уширенными впадинами между ними, что снижает передаваемый момент, способствует низкочастотным вибрациям и ударам в передаче. При этом диапазон плавного варьирования передаточного отношения и передаваемый момент для полноценной трансмиссии недостаточны.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии, включающей входной, промежуточный и выходной валы, реверсор, дифференциал и базовый вариатор, состоящий из ведущей и ведомой шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен, (см. патент РФ на изобретение №2763619, МПК(2006.01) F16H 3/42, опубл. 30.12.2021). В данной конструкции трансмиссии базовый вариатор включает две конические спиральные шестерни, обращенные вершинами в противоположные стороны и установленные на параллельных валах, вращение от которых передается на реверсор, а затем на дифференциал.
Недостатками прототипа являются повышенные габариты и затраты на изготовление. Повышенные габариты связаны с особенностями конструкции, а именно, с последовательностью расстановки основных элементов трансмиссии: базовый вариатор, реверсор и дифференциал. Ведомое зубчатое колесо реверсора объединено с водилом дифференциала, которое и определяет размер этого колеса и не позволяет варьировать размеры устройства в этом узле в сторону уменьшения. Поэтому реверсор должен быть понижающей передачей, а вариатор - повышающей. При этом величина скорости вращения промежуточного вала при регулировании меняется от скорости входного вала до ее удвоенного значения. Т.к. приводной двигатель имеет обычно частоту вращения в несколько тысяч об/мин, то промежуточный вал и сидящие на нем подшипники, ведомая конусная спиральная шестерня вариатора и шестерня реверсора работают с повышенной интенсивностью, что требует усиления конструкции, а следовательно увеличения габаритов. Кроме того, самой сложной в изготовлении является спиральная конусная шестерня вариатора, а их в данной конструкции таких шестерен две, что повышает затраты на изготовление.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении габаритов, упрощении изготовления и повышении надежности.
согласно изобретению
Технический результат достигается тем, что зубчатая широкодиапазонная трансмиссия, включающая входной, промежуточный и выходной валы, реверсор, дифференциал и базовый вариатор, состоящий из ведущей и ведомой шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен, , реверсор установлен на входе трансмиссии и включает две конические шестерни, которые жестко закреплены одна на входном валу, а вторая на промежуточном валу, при этом еще на промежуточном валу жестко установлена ведущая спиральная шестерня базового вариатора цилиндрической формы, а ведомая коническая спиральная шестерня установлена с возможностью вращения относительно и входного и выходного валов, причем дифференциал установлен в ее внутренней полости и его водило жестко связано с конической спиральной шестерней.
Данное устройство позволит снизить габариты, упростить изготовление и повысить надежность конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1, изображена заявляемая зубчатая широкодиапазонная трансмиссия.
Зубчатая широкодиапазонная трансмиссия включает входной 1, промежуточный 2 и выходной 3 валы, реверсор, базовый вариатор и дифференциал. Реверсор установлен на входе трансмиссии и включает две конические шестерни 4 и 5, которые жестко закреплены одна на входном валу 1, а вторая на промежуточном валу 2. Базовый вариатор состоит из ведущей 6 и ведомой 7 спиральных шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент 8 с механизмом перемещения 9 и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен 6 и 7. При этом ведущая спиральная шестерня 6 базового вариатора выполнена цилиндрической формы и жестко установлена на промежуточном валу 2, а ведомая коническая спиральная шестерня 7 установлена с возможностью вращения относительно входного 1 и выходного 3 валов. Дифференциал установлен во внутренней полости ведомой конической спиральной шестерни 7, с которой жестко связано его водило 10, входное центральное колесо 11 с входным валом 1, а выходное центральное колесо 12 с выходным валом 3.
Зубчатая широкодиапазонная трансмиссия работает следующим образом.
1
2
1
7
10
2
вар
1
вар
вар
вар
7
6
7
6
10
1
3
3
1
вар
вар
1
/ϕ
/ϕ
/
/ϕ
Приводной двигатель (на фиг. 1 не показан) вращает входной вал 1 с угловой скоростью ω вместе с шестерней 4 реверсора и центральным колесом 11 дифференциала. Промежуточный вал 2 и ведущая спиральная шестерня 6 базового вариатора вращаются с той же частотой, но в противоположную сторону ω=-ω за счет реверсора, состоящего из конических шестерен 4 и 5. Ведомая коническая спиральная шестерня 7 базового вариатора и водило 10 дифференциала имеют частоту вращения ω=ω=-ω=ω. Передаточное отношение вариатора ϕ меняется при перемещении механизмом 9 промежуточного зубчатого элемента 8 в соответствии с формулой ϕ=dd, где d - диаметр делительной окружности конической спиральной шестерни 7 в точке ее текущего контакта с элементом 8; d - диаметр делительной окружности ведущей спиральной шестерни 6 базового вариатора. По правилу сложения скоростей в дифференциале ω=0,5(ω+ω), следовательно, частота вращения выходного вала 3 трансмиссии равна ω=ω(2-1). При изменении передаточного отношения ϕ всего лишь в пределах 2:1 частота вращения выходного вала 3 трансмиссии регулируется от 0 до скорости входного вала ω. Этого достаточно, чтобы, например, в современных автомобильных приводах с такой трансмиссией отказаться от гидротрансформатора с клиноременным вариатором или от автоматической коробки передач и сцепления, и вообще от регулирования скорости вращения двигателя в функции требуемой скорости движения и поддерживать ее постоянно на экономически наиболее выгодном уровне.
В заявленной конструкции зубчатой широкодиапазонной трансмиссии промежуточный вал 2 вращается всегда со скоростью входного вала 1, а сложных в изготовлении спиральных конусных шестерен в вариаторе, по сравнению с прототипом, требуется только одна. При этом за счет перемещения реверсора на вход трансмиссии повышается его компактность и появляется возможность размещения дифференциала во внутренней полости конической спиральной шестерни 7, что и способствует уменьшению габаритов всего устройства.
Данная зубчатая широкодиапазонная трансмиссия по сравнению с прототипом позволит снизить габариты, упростить изготовление и повысить надежность конструкции.