ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМОГО ЗАКЛИНИВАНИЯ
TOOTH GEAR OF TORSION TORQUE CONVERSION WITH POSSIBILITY OF CONTROLLED JAMMING

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.