СПОСОБ БЕССТУПЕНЧАТОГО ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДВИЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSLATION OF MOTION AND FACILITY FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Изобретение относится к машиностроению. В частности, к бесступенчатым передачам движения, которые обеспечивают плавное и непрерывное изменение силового и кинематического передаточного отношения.
Известно, что передачи, обеспечивающие плавное, бесступенчатое изменение угловой скорости ведомого вала, при неизменной угловой скорости ведущего, называются вариаторами (И.И.Устюгов «Детали машин», «Высшая школа», Москва, 1973, стр.45). Вариаторы классифицируются несколькими основными типами: лобовые, конусные, шаровые, с кольцом, с колодками, торовые и т.д. Во всех перечисленных вариаторах движение от одного вала к другому передается за счет трения, возбуждаемого между рабочими поверхностями вращающихся катков, поэтому такие передачи называются фрикционными. Так, например, в лобовом вариаторе ведущий и ведомый катки касаются друг друга. При изменении точки касания ведомого катка относительно центра вращения ведущего катка, увеличивается (уменьшается) длина окружности, которую описывает точка вращающегося ведомого катка. При этом изменяется и угловая скорость ведомого вала. Фрикционные вариаторы обладают рядом преимуществ: простотой конструкции и дешевизной изготовления, плавностью и бесшумностью работы, возможностью бесступенчатого регулирования скорости; при перегрузках катки проскальзывают, предохраняя механизм привода от поломки. В то же время всем перечисленным выше типам фрикционных вариаторов присущи и недостатки: непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания катков, ограниченность передаваемой мощности (10-20 кВт), большие нагрузки на их валы и опоры (подшипники), сравнительно низкий КПД, износ рабочих поверхностей катков и их нагрев. Поэтому в машиностроении силовые передачи, основанные на фрикционных вариаторах, используются крайне редко.
Кроме фрикционных передач в машиностроении применяются ременные и цепные вариаторы. Основными элементами конструкции цепного вариатора являются две пары раздвижных зубчатых конусов и бесконечная цепь с выдвижными пластинками. Такие вариаторы передают мощность до 75 кВт, при окружной скорости 6-9 м/с. КПД вариатора в зависимости от передаточного числа изменяется в пределах 0.85-0.95. Наибольший диапазон изменения передаточного числа равен 7. Недостатком вариатора является низкая надежность ремня и цепи, что ограничивает передаваемую мощность.
Наиболее близкими по техническому решению к предлагаемому изобретению являются импульсные бесступенчатые передачи, которые можно выбрать в качестве прототипа. В частности, известна импульсная автоматическая коробка передач (В.Ф.Мальцев «Механические импульсные передачи, Москва, «Машиностроение», 1978, стр.71). Коробка передач включает ведущий вал с ведущим зубчатым колесом, вокруг которого вращаются промежуточные шестерни, находящиеся с ним в зацеплении. При вращении промежуточные шестерни сообщают импульсы водилу, приводя его в колебательное движение. Далее движение определенным образом передается через механизм свободного хода (МСХ) ведомому валу. Механизм, преобразующий вращательное движение ведущего вала передачи в колебательное движение звена, жестко связанного с ведущим звеном МСХ, называют преобразующим механизмом.
По такому принципу работает не только данная коробка передач, но и все импульсные бесступенчатые передачи. В импульсных бесступенчатых передачах в отличие от других видов передач энергия передается не непрерывно, а в виде периодических импульсов. Обычно вращательное движение ведущего вала у этих передач преобразуется в колебательное движение, которое при помощи МСХ вновь трансформируется во вращательное движение, но уже ведомого вала. Механизм, построенный по данному принципу, позволяет передавать очень большие энергии, но одновременно является и его существенным недостатком: вращение ведомого вала при этом является прерывистым, что ограничивает их применение только в специальных механизмах. Например, применяются в приводах подачи металлорежущих станков, прессов, транспортеров, дозаторов и т.д. Подобный механизм нельзя применить в трансмиссии автомобиля в качестве вариатора для изменения скорости движения.
Из литературы также известно (Н.И.Кошкин, М.Г.Гиршкевич «Справочник по элементарной физике», издательство «Наука», Москва, 1966), что движение, в котором за равные промежутки времени скорость изменяется на одинаковую величину, называется равнопеременным. Величина, измеряемая изменением скорости в единицу времени, называется ускорением. Ускорение может быть положительным (ускоренное движение) и отрицательным (замедленное движение). Равномерным называется движение, при котором точка в любые равные промежутки времени проходит равные расстояния.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке бесступенчатой зубчатой передачи (вариатора), которую можно было бы применить в трансмиссии автомобиля или иного механизма, для плавного и непрерывного изменения силового и кинематического передаточных отношений. Это облегчает управление механизмом (например, автомобилем), позволяет получить близкую к идеальной тягово-скоростную характеристику, увеличить срок службы трансмиссии за счет снижения динамических нагрузок, улучшить проходимость автомобиля.
Поставленная техническая задача решается тем, что в преобразующем механизме равномерное вращательное движение ведущего вала преобразуется в два раздельных, но равных по модулю непрерывных движения, содержащих участки с ускоренными и замедленными движениями, затем непрерывные движения складываются. При этом результирующей будет равномерное вращательное движение, передаваемое на ведомый вал. Передаточное отношение между ведущим и ведомым валами регулируется сдвигом по фазе двух раздельных непрерывных движений.
Поясним этот принцип наложения на примере. Допустим, мы имеем два вращающихся элемента, связанных между собой определенным образом. Один элемент вращается ускоренно, другой - замедленно. Результирующая сложения двух ускорений будет величина постоянная (см. таблицу 1).
Таблица 1
Ускоренное движение
1
2
3
4
5
6
7
8
Замедленное движение
8
7
6
5
4
3
2
1
Результирующее движение
9
9
9
9
9
9
9
9
Теперь сместим ускоренное и замедленное движения по фазе друг относительно друга. При этом результирующей будет также равномерное движение (постоянная величина), но другое по величине (см. таблицу 2).
Таблица 2
Ускоренное движение
1
2
3
4
5
6
7
8
Замедленное движение
15
14
13
12
11
10
9
8
Результирующее движение
16
16
16
16
16
16
16
16
Устройство для бесступенчатого изменения передачи движения (в дальнейшем - «вариатор») приведено на чертежах.
На фиг.1 и 2 приведен вид вариатора с разнесенными деталями, поясняющий его состав и взаиморасположение основных сборочных единиц и составных деталей.
На фиг.3 и 4 приведен чертеж вариатора в собранном виде (вид спереди и сзади).
На фиг.5 и 6 приведена конструкция ведомого элемента (вид спереди и сзади).
На фиг.7 и 8 приведена конструкция ведущего элемента (вид спереди и сзади).
На фиг.9 приведен сборочный чертеж ведущего и ведомого элементов.
На фиг.10 и 11 приведен сборочный чертеж преобразующего механизма (вид спереди и сзади).
На фиг.12 приведена конструкция дифференциала.
На фиг.13 приведен чертеж механизма изменения передаточного отношения.
На фиг.14 приведен график, разъясняющий движение водила по корректирующему пазу.
На фиг.15 и 16 приведены графики зависимости результирующего непрерывного движения от изменения фазы вращения эксцентричных пар.
Вариатор состоит из корпуса 1 с ведомым валом 2 и шестерней внутреннего зацепления 3. Обоймы 4 и 5 представляют собой тела вращения с отверстиями 6, в которых на подшипниках качения установлены вращающиеся вокруг своих осей ведущие 7 и ведомые 8 элементы. Каждые две обоймы 4 и 5 жестко соединены между собой и составляют преобразующий механизм. Отверстия 6 в соединенных между собой обоймах расположены эксцентрично друг относительно друга, потому размещенные в них ведущие и ведомые элементы, связанные между собой подвижно определенным образом, также размещены эксцентрично и составляют эксцентричные пары. В преобразующем механизме эксцентричных пар может быть 3 и более. В предлагаемой конструкции их четыре.
Ведущий элемент, на поверхности которого выполнен диаметральный паз 9, снабжен промежуточной шестерней 10 и помещен в подшипник. На поверхности ведомого элемента выполнен криволинейный корректирующий паз 11 и радиальный паз 12. Ведомый элемент снабжен конической шестерней 13 и тоже помещен в подшипник качения 14.
Ведущий и ведомый элемент (эксцентричные пары) соединены между собой следующим образом (см. Фиг.9): в диаметральном пазу 9 ведущего элемента подвижно установлен ползун 16 с отверстием и корректирующим водилом 17, а в радиальном пазу 12 ведомого элемента подвижно установлено основное водило 15. Основное водило 15 входит в отверстие (позицией не обозначено) ползуна 16. Водило 17 ползуна входит в корректирующий паз 11 ведомого элемента и скользит вдоль него. Так как оси вращения ведущего и ведомого элемента расположены эксцентрично, то основное водило 15 в процессе вращения ведомого элемента вокруг своей оси приближается и удаляется от оси равномерно вращающегося ведущего элемента, вызывает ускоренные и замедленные движения ведомого элемента и, соответственно, конической шестерни 13. При этом основное водило, связанное с ползуном 16, перемещает его вдоль диаметрального паза 9. Каждая эксцентричная пара в преобразующем механизме отстоит друг относительно друга на угол 360°/n, (n - количество эксцентричных пар).
В результате таких сложных перемещений ведомый элемент совершает знакопеременное движение, носящее синусоидальный характер. А нам, в соответствии с описанным выше принципом наложения движений необходимо, чтобы ведомый элемент совершал не синусоидальные, а равноускоренные и равнозамедленные движения. Для того чтобы привести движения ведомого элемента к искомым и предназначен корректирующий паз 11. Корректирующий паз играет роль как бы «выпрямителя» восходящей и спадающей ветвей синусоидального колебания, что видно из графиков на фиг.15 и 16. Методика построения кривой корректирующего паза не приведена. Форма кривой рассчитывается индивидуально для каждого вариатора, исходя из заложенных технических характеристик, а также зависит от конструктивных размеров деталей, входящих в отдельные сборочные единицы.
Дифференциал 18 предназначен для съема наложенного друг на друга ускоренного и замедленного движения ведомых элементов эксцентричных пар преобразующих механизмов и передаче этих движений через шестерню внутреннего зацепления 3 ведомому валу 2. Дифференциалы (4 шт.) размещены между преобразующими механизмами и находятся с ними в механическом зацеплении. Дифференциал (Фиг.12) включает в себя сегментную шестерню 19, внутри которой установлен сепаратор 20 с сателлитами (коническими шестернями) 21. Сателлиты входят в зацепление с коническими шестернями 13 ведомых элементов обоих преобразующих механизмов. Цапфы сепараторов с двух сторон входят в углубления, выполненные на торцах конических шестерен 13, давая возможность вращаться дифференциалу вокруг своей оси. Единовременно с шестерней внутреннего зацепления 3 находится в контакте только одна сегментная шестерня 19. То есть шестерня 3 вращается сегментными шестернями поочередно, обеспечивая непрерывное вращение выходного вала 2.
Механизм изменения передаточного отношения предназначен для регулирования скорости вращения выходного вала при постоянной скорости вращения входного вала. Механизм изменения передаточного отношения содержит пустотелую втулку 22, в которой с одного конца выполнена винтовая нарезка 23, а с другого конца выполнены прямые шлицы 24. Во втулку с одного конца вставлен вал 25 с прямыми шлицами. С другого конца во втулку вставлен вал 26 с винтовой нарезкой, одновременно выполняющей роль ведущего вала вариатора. Между винтовыми нарезкам для снижения трения вставлены шарики. Втулка вставлена в корпус 27 с ведущей шестерней 28 первого преобразующего механизма, входящей в зацепление с промежуточными шестернями 10 ведущих элементов первого преобразующего механизма. С другого конца вал 25 снабжен шестерней 29 второго преобразующего механизма, также входящей в зацепление с промежуточными шестернями 10 ведущих элементов, второго преобразующего элемента.
Передаточное отношение меняется выдвижением (вдвижением) втулки 22 вдоль ведущего вала 26. Возвратно-поступательное движение втулки может быть осуществлено, например, созданием в полости А корпуса 27 гидравлического давления, толкающего втулку. В данном случае втулка 22 играет роль поршня. При этом прокручиваются валы 25 и 26, которые через связанные с ними ведущие шестерни 28 и 29 вращают шестерни 10 преобразующих механизмов, обеспечивая тем самым сдвиг по фазе ускоренных и замедленных движений. Соответственно, меняется и скорость вращения выходного вала 2.
Диапазон изменения передаточного отношения D вариатора определяется углом сдвига α эксцентричных пар и зависит от количества эксцентричных пар в преобразующем механизме. На Фиг.15 и 16 видно, что верхний и нижний предел передаточного отношения зависит от угла сдвига одной эксцентричной пары относительно другой. При этом меняется и величина участка равномерного движения.
Вариатор работает следующим образом:
При вращении ведущего вала 26, вращательное движение через шестерни 28 и 29е передается промежуточным шестерням 10 ведущих элементов 7, которые в свою очередь прокручивают ведомые элементы 8. При этом ведомые элементы полоборота вращаются ускоренно, а полоборота замедленно. Конические шестерни 13 ведомых элементов обоих преобразующих механизмов вращают сателлиты 21 и сегментные шестерни 19. При этом на сегментной шестерне происходит наложение непрерывных движений, полученных на выходе двух преобразующих механизмов. Результирующей складывания непрерывных движений является равномерное движение. Съем результирующего равномерного движения с сегментных шестерен происходит через шестерню внутреннего зацепления 3 и передается на ведомый вал 2.