Групповой двухдвигательный дифференциальный привод

Область техники
Полезная модель относится к дифференциальным приводам и может найти применение в качестве группового привода двух раздельно функционирующих механизмов одного устройства (например, двухлебедочных механизмов подъемных кранов, обеспечивающих изменение наклона стрелы и перемещение груза).
Уровень техники
Известен дифференциальный привод в виде многодвигательного мотора-редуктора, содержащий несколько входных валов, на которых установлены электродвигатели, поочередно передающие вращение выходному валу. Недостаток известного привода - неспособность передачи на выходной вал суммарной мощности установленных электродвигателей и работы в режиме нейтрали, характеризующимся отсутствием вращения выходного вала без остановки приводных двигателей и без механического разрыва кинематических соединений [RU2581107].
Известен выбранный в качестве прототипа, двухдвигательный дифференциальный привод, обеспечивающий передачу на выходной вал суммарной мощности двух двигателей, а также работу в режиме нейтрали [RU 2561875].
Прототип содержит первый и второй приводные двигатели, суммирующий дифференциал, выходной вал которого служит выходом привода, а первый и второй входы связаны через кинематические соединения с валом первого и второго приводного двигателя так, что передаточное отношение от вала первого приводного двигателя до выхода суммирующего дифференциала противоположно по знаку соответствующему передаточному отношению от вала второго двигателя. (Противоположность знаков, передаточных отношений в прототипе обеспечивается введением в одно из упомянутых кинематических соединений пары сцепленных зубчатых шестерен, реверсирующей направление вращения и, следовательно, знак передаточного отношения).
Недостаток прототипа - неэффективное использование суммарной установленной мощности приводных двигателей. Мощность двигателей особенно неэффективно используется при работе в режиме нейтрали, когда оба двигателя вращаются в холостую.
Этот недостаток привода-прототипа проявляется при его применениях в устройствах, имеющих, по меньшей мере, два раздельно функционирующих механизма (например, в подъемных кранах, имеющих разновременно работающие механизмы перемещения стрелы и перемещения груза).
Сущность полезной модели
Предметом полезной модели является групповой дифференциальный привод, содержащий первый и второй приводные двигатели, первый суммирующий дифференциал, выходной вал которого служит первым выходом привода, а первый и второй входы связаны через кинематические соединения с валом первого и второго приводного двигателя так, что передаточное отношение от вала первого приводного двигателя до выхода первого суммирующего дифференциала противоположно по знаку соответствующему передаточному отношению от вала второго приводного двигателя, отличающийся тем, что приводные двигатели выполнены реверсивными и введен второй суммирующий дифференциал, выходной вал которого служит вторым выходом привода, а первый и второй входы связаны через кинематические соединения с валом первого и второго приводных двигателей так, что передаточное отношение от вала первого приводного двигателя до выходного вала второго суммирующего дифференциала совпадает по знаку с соответствующим передаточным отношением от вала второго двигателя.
Это позволяет повысить эффективность использования суммарной установленной мощности приводных двигателей путем ее перераспределения между двумя выходами заявленного дифференциального привода без механического переключения кинематических соединений, а только за счет изменения скоростей и направлений вращения приводных двигателей. При этом заявляемое устройство сохраняет все достоинства и режимные возможности прототипа, описанные в патенте RU 2561875.
Одним из вышеуказанных отличий заявляемого привода от прототипа является способность приводных двигателей к реверсу направления вращения, поскольку, согласно описанию прототипа, для него обязательным условием является неизменность направлений вращения валов двигателей на всех рабочих режимах. При этом в заявленном устройстве могут быть использованы электрические, гидравлические и другие типы реверсивных двигателей. Применение нереверсивного двигателя (например, двигателя внутреннего сгорания) потребовало бы введения переключаемого кинематического соединения (например, коробки передач) и, следовательно, не позволило бы получить вышеуказанный технический результат.
Осуществление полезной модели
На фигуре показана кинематическая схема устройства, иллюстрирующая совокупность его существенных признаков.
На фигуре обозначено:
1 и 2 - первый и второй суммирующие дифференциалы, выходы (выходные валы) 3 и 4 которых служат первым и вторым выходами (выходными валами) заявляемого устройства;
5 и 6 - первые входы дифференциалов 1 и 2, связанные с валом 7 первого реверсивного приводного двигателя 8 через кинематические соединения 9 и 10 (обозначены пунктирными линиями) соответственно;
11 и 12 - вторые входы дифференциалов 1 и 2, связанные с валом 13 второго реверсивного двигателя 14 через кинематические соединения 15 и 16 (обозначены пунктирными линиями) соответственно.
Привод характеризуется четырьмя передаточными отношениями от ведущих валов (7 и 13) к ведомым (3 и 4):
7÷3
- от вала 7 до вала 3 (k);
13÷4
- от вала 13 до вала 4 (k);
7÷4
- от вала 7 до вала 4 (k);
13÷3
- от вала 13 до вала 3 (k).
Передаточные отношения от каждого ведущего вала (вала двигателя) до каждого ведомого вала (выходного вала дифференциала) определяются при остановленном другом ведущем вале и учитывают внутренние коэффициенты передачи дифференциалов 1 и 2.
7÷4
13÷4
7÷3
13÷3
Передаточные отношения от ведущих валов 7 и 13 до выхода одного из дифференциалов 1 или 2 устанавливаются одинаковыми по знаку, а до выходов другого дифференциала - противоположными. Например, отношения k и k имеют одинаковые (например, положительные) знаки, а отношения k и k имеют положительный и отрицательный знаки соответственно. Для этого соответствующим образом (с учетом знаков внутренних передаточных отношений дифференциалов 1 и 2) задаются знаки передаточных отношений кинематических соединений 10 и 16, а также 9 и 15.
Как будет показано ниже, заявляемый привод способен распределять между своими выходами 3 и 4 суммарную мощность приводных двигателей 8 и 14 в зависимости от отношения скоростей и направлений вращения их валов 7 и 13.
Устройство работает следующим образом.
В соответствии с назначением суммирующих дифференциалов их функция состоит в алгебраическом суммировании (т.е. сложении или вычитании) вращений, и соответственно скорость вращения на выходе каждого суммирующего дифференциала равна алгебраической сумме приведенных к выходу скоростей вращения на его входах.
Следовательно, скорости вращения на выходах 3 и 4, являющихся выходами дифференциалов 1 и 2, равны алгебраической сумме приведенных скоростей вращения на валах 7 и 13 двигателей 8 и 14 соответственно:
где ω - угловая скорость вращения ведущего (7, 13), или ведомого (3, 4) вала, указанного в соответствующем индексе, а k - передаточное отношение от ведущего до ведомого вала, указанных в соответствующем индексе.
13÷3
7
13
В приведенном выше примере (знак k отрицателен, а знаки остальных передаточных отношений k положительны), выражение (1) при одинаковых направлениях вращения (и, следовательно, знаках скоростей ω и ω) представляет собой арифметическую разность приведенных скоростей, а выражение (2) их арифметическую сумму.
7
13
Система управления двигателями 8 и 14 (не показана на фигуре) регулирует их скорости в соответствии с технологическими задачами исполнительных механизмов, вращаемых заявляемым приводом, и распределяет суммарную мощность двигателей 8 и 14 между ведомыми валами 3 и 4, изменяя отношение скоростей вращения ω/ω ведущих валов 7 и 13.
Для направления суммарной мощности двигателей 8 и 14 на выход 3 (первый выход заявляемого устройства) система управления устанавливает соотношение скоростей вращения:
13÷4
7
13
4
3
13÷3
Учитывая, что k положительно, скорости ω и ω при этом должны иметь разные знаки, т.е. валы 7 и 13 должны вращаться в разных направлениях (по часовой стрелке и против нее). В соответствии с (2) скорость ω становится равной нулю, а скорость ω соответствует выражению (1) и равна (с учетом отрицательного знака k) арифметической сумме приведенных к валу 3 скоростей вращения ведущих валов 7 и 13.
При последующем изменении скоростей вращения двигателей 8 и 14, но сохранении отношения между их скоростями вращения, будет изменяться скорость вращения вала 3, с сохранением нулевой скорости вращения вала 4.
7
13
Для перенаправления суммарной мощности на выход 4 (второй выход заявляемого устройства) система управления изменяет отношение скоростей вращения ω/ω. После установления его равным
3
4
13÷3
скорость вращения ω вала 3 будет согласно (1) равна нулю, а скорость вращения ω на валу 4 согласно (2) будет равна сумме приведенных скоростей вращения валов 7 и 13 обоих двигателей 8 и 4. При этом мощность обоих двигателей поступает на выход 4 (второй выход заявляемого устройства). Учитывая, что отношение k отрицательно, направления вращения двигателей 8 и 4 в этом случае должны быть одинаковыми.
При последующем изменении скоростей вращения двигателей 8 и 14, но сохранении отношения между их скоростями вращения, будет изменяться скорость вращения вала 4 с сохранением нулевой скорости вращения вала 3.
При одновременном вращении валов 7 и 13 их суммарная мощность будет распределятся между выходными валами 3 и 4 заявляемого устройства. Скорости вращения каждого из выходных валов могут быть определены по выражениям (1) и (2).
Заявляемое устройство может быть выполнено в едином конструктиве - в виде двухдвигательного мотор-редуктора, предназначенного для привода двух исполнительных механизмов. В частном случае его конструктивной реализации (по аналогии с прототипом) суммирующие дифференциалы 1, 2 и кинематические соединения 9, 10, 15 и 16 могут быть собраны в одном корпусе 17, из которого выведены ведомые валы 3 и 4, предназначенные для передачи вращения приводимым механизмам, и ведущие валы 7, 13, на которых жестко смонтированы приводные двигатели 8 и 14. Дифференциалы 1 и 2 могут быть реализованы в виде планетарных передач, а кинематические соединения 9, 10, 15 и 16, например, в виде непосредственного соединения соответствующих валов или в виде двух и более сцепленных зубчатых шестерен.
Как видно из приведенного описания, заявленная совокупность признаков группового привода позволяет практически полностью использовать суммарную установленную мощность двух двигателей (с потерями, обусловленными КПД) для привода любого из двух приводимых механизмов. При этом перераспределение мощности не требует механического переключения кинематических соединений, сопровождающегося разрывом кинематической схемы и потока мощности (что во многих применениях недопустимо), а осуществляется только за счет изменения скоростей и направлений вращения приводных двигателей.