СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО И НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЫХОДНОГО ВАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF AUTOMATIC AND CONTINUOUS VARIATION OF OUTPUT SHAFT TORQUE AND RPM DEPENDING UPON RESISTANCE TO MOTION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к автомобилестроению, и может быть использовано в качестве способа автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению и в качестве устройства для его осуществления.
Способ
Известны способы автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению, в которых используются гидродинамические передачи (гидромуфты, гидротрансформаторы) и комплексные гидродинамические передачи в сочетании с многоступенчатыми механическими планетарными передачами (см. Танки. Основы теории и конструкции. М.: Издание Военной ордена Ленина Краснознаменной академии бронетанковых войск имени Маршала Советского Союза Малиновского Р.Я., 1968, с.144-165).
Недостатки этих способов
Передача крутящего момента осуществляется с помощью гидродинамической передачи, которая требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта и имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5). Гидродинамическая передача сложна по конструкции, имеет малый диапазон изменения скорости, низкий кпд и низкую надежность при пуске.
Известны теоретические закономерности, позволяющие создать в механизме с двумя степенями свободы эффект силовой адаптации, обеспечивающий автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению без использования гидродинамических передач (см.:
1. K.S.Ivanov. Discovery of the Force Adaptation Effect. // Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science. V.2. April 1-4, 2004, Tianjin,China,p.581 -585.
2. K.S.Ivanov. Adaptive Stepless Gearing. //Proceedings of the Nintht IFToMM International Symposium on TMM. Vol.2. Complex Mechanisms Used in Technical Systems on Transports. Bucharest, Romania, 2005, p.517-522.
3. Theory of Gear Adaptive Stepless Transfer. // "Aurel Vlaicu" University of Arad. Scientific and Technical Bulletin. Vol.1, No.2. Romania, Arad. 2005, p.5.
4. Ivanov K.S. Gear Automatic Adaptive Variator with Constant Engagement of Gears. // Proceedings of the 12th World Congress in Mechanism and Machine Science. Besancon. France. June 17-21, 2007, Vol.2, p.214-219.
5. Ivanov K.S. Torque car variator with permanent engagement of cogwheels. // Transactions of Forum for Engineers, Mathematicians and Computer Scientists to share research and innovations, promoting interdisciplinary activities in all fields of Engineering Optimization. Vol.8. Rio de Janeiro, Brazil, June 1-5, 2008. P.124-132).
Однако эти закономерности не содержат описания способа, обеспечивающего достижение указанного эффекта.
Из уровня техники известен способ непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению, при котором крутящий момент передают от двигателя на входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, содержащий два подвижных звена с наложенной на них дифференциальной связью, допускающей относительное движение, и далее на выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью с последующим их объединением на выходном звене этой цепи, в механизме подачи мощности создают одно последовательное направление передачи усилий от крутящего момента входного звена, присоединенного к стойке, к шарнирно присоединенному к нему звену, разделяемое на выходной кинематической цепи на два направления, а дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности создают выходной кинематической цепью путем передачи от нее разных по величине усилий сопротивлении (патент Великобритании GB 2238090 A (JOHN HARRIES), 22.05.1991). Согласно этому способу начало движения происходит путем внешнего принудительного торможения одного из подвижных звеньев. После начала движения необходимо принудительно отключить торможение.
Недостатком этого способа является отсутствие автоматического изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению в пределах всего периода работы трансмиссионной системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению и устройство для его осуществления (патент России №2234626, Кл. F16H 47/08. 2004).
Этот способ состоит в том, что крутящий момент передают от двигателя на входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, содержащий два подвижных звена с наложенной на них дифференциальной связью, допускающей относительное движение, и далее на выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью с последующим их объединением на выходном звене этой цепи, в механизме подачи мощности создают одно последовательное направление передачи усилий от крутящего момента входного звена, присоединенного к стойке, к шарнирно присоединенному к нему звену, разделяемое на выходной кинематической цепи на два направления, дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности создают выходной кинематической цепью путем передачи от нее разных по величине усилий сопротивления, а стартовый момент сопротивления преодолевают с помощью обгонной муфты, связывающей два подвижных звена.
Недостатки этого способа
1. Создание двух параллельных направлений передачи крутящего момента в механизме подачи мощности с использованием дифференциальной связи осуществляется с помощью гидродинамической передачи, которая требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта и имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5). Гидродинамическая передача сложна по конструкции, имеет малый диапазон изменения скоростей и низкую надежность при пуске. Таким образом, создание двух параллельных потоков передачи крутящего момента в механизме подачи мощности с использованием дифференциальной связи в виде гидродинамической передачи резко снижает эффективность описанного способа.
2. Способ требует использования обгонной муфты для преодоления стартового момента сопротивления, что усложняет конструкцию и существенно снижает ее надежность.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение диапазона изменения скоростей, повышение эффективности, повышение надежности и улучшение качества работы.
Задача изобретения решается тем, что на старте также создают дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности.
На чертеже изображено устройство, осуществляющее способ автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению
1
2
Устройство представляет собой зубчатый планетарный механизм с двумя степенями свободы и содержит входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы в виде стойки 0, одного входного звена (водила Н) и присоединенного к нему входного сателлита 2, и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью, содержащую блок солнечных колес 1-4, блок эпициклических колес 3-6, выходной сателлит 5 и выходное водило Н.
Способ осуществляется следующим образом.
Крутящий момент передают от двигателя на входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, содержащий неподвижную стойку и два подвижных звена с наложенной на них дифференциальной связью, допускающей относительное движение, и далее на выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью с последующим их объединением на выходном звене этой цепи.
1
2
2
В механизме подачи мощности создают одно последовательное направление передачи усилия от крутящего момента входного звена (водила H), присоединенного к стойке, к присоединенному к нему в шарнире А звену (сателлиту 2) и далее на выходную кинематическую цепь, разделяемое на выходной кинематической цепи в точках зацепления колес B, С на два направления. Выходная кинематическая цепь включает блоки колес 3-6, 1-4, выходной сателлит 5 и выходное водило Н. Дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности создают выходной кинематической цепью путем передачи от нее на точки В, С разных по величине усилий сопротивления, передаваемых от выходного звена H этой цепи.
2
2
На старте выходное водило H неподвижно. Выходным звеном становится выходной сателлит 5. Выходная кинематическая цепь преобразуется в кинематическую цепь с отрицательной подвижностью, которая при отсутствии внешнего активного момента сопротивления на выходном сателлите 5 обеспечивает дифференциальную связь между звеньями механизма подачи мощности. На выходной сателлит 5 со стороны механизма подачи мощности передаются не равные по величине усилия. Эти усилия вызывают появление на сателлите 5 не равных по величине сил инерции - сил сопротивления. Эти силы инерции создают на выходном сателлите 5 динамический стартовый момент сопротивления, который обеспечивает преодоление стартового момента сопротивления на выходном водиле Н и начало движения всего механизма в целом.
H2S
2
5
5
5
5
2
Стартовый момент сопротивления M, имеющий место на неподвижном водиле Н, преодолевают путем динамического воздействия на выходной сателлит 5 при наличии допускаемого углового ускорения ε с использованием инерционных сил в виде момента сил инерции Jε (J- момент инерции выходного сателлита 5). Момент сил инерции создает на сателлите момент сопротивления движению, обеспечивающий передачу движущей силы на выходное звено Н и преодоление стартового момента сопротивления при выполнении условия
5
5
H2
H2S
Jεr/e>M,
5
J - момент инерции выходного сателлита 5;
5
ε - допускаемое угловое ускорение выходного сателлита 5;
H2
2
r- радиус выходного водила Н;
1
2
H1
H2
е - расстояние между линиями действия входной силы на входном водиле H и выходной силы на выходном водиле Н, равное е=r-r;
H1
1
r - радиус входного водила H;
H2S
M - выходной стартовый момент сопротивления.
Устройство
Известна бесступенчатая регулируемая передача, содержащая зубчатый дифференциал и замыкающий механизм (Патент США №3699826, Кл. F16H 5/46, 57/10. 1972). Замыкающий механизм передачи выполнен в виде фрикционной муфты с двумя дисками, один из которых жестко размещен на выходном валу, связанном с центральным колесом, а другой - на скользящей посадке и связан с другим центральным колесом через центробежный регулятор. В этой передаче имеют место потери на трение во фрикционной муфте, а наличие центробежного регулятора существенно усложняет конструкцию.
Известна передача с регулируемой скоростью, содержащая зубчатый дифференциал и замыкающий механизм (Авторское свидетельство СССР №844861, Кл. F16H 5/46, 1979). Замыкающий механизм выполнен в виде бесступенчатой регулируемой передачи, включающий центробежный регулятор, соединенный с одним из центральных колес дифференциала, и фрикционный лобовой вариатор, соединенный с центробежным регулятором и с другим центральным колесом дифференциала. Фрикционный лобовой вариатор в сочетании с центробежным регулятором представляет собой сложный и ненадежный узел конструкции, не позволяющий передавать большие крутящие моменты.
Известна передача с автоматически регулируемой скоростью, содержащая входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, состоящий из двух звеньев (водила и сателлита), и выходную кинематическую цепь (замыкающий механизм) с нулевой подвижностью в виде самотормозящейся зубчатой передачи, например, волновой с подвижным корпусом (см. Предварительный патент РК №3208, Кл. F16H 63/00, 1996 г.). В этой передаче входной вал передает на механизм подачи мощности входной движущий момент, а выходная кинематическая цепь передает от выходного вала на механизм подачи мощности (на сателлит) усилия сопротивления. При наличии двух степеней свободы в механизме подачи мощности входной момент и усилия сопротивления на сателлите являются независимыми и произвольно задаваемыми. В общем случае усилия сопротивления, передаваемые на сателлит, нарушают его статическое равновесие. Однако после троганья с места, движение сателлита подчиняется принципу возможных перемещений, который связывает силовые и кинематические параметры при сохранении равновесия. Такая связь, допускающая зависимость кинематических параметров от силовых, является дифференциальной связью. Она накладывается на относительное движение звеньев входного механизма с двумя степенями свободы и приводит к определенности его движения. Использование самотормозящейся передачи в выходной кинематической цепи обеспечивает надежное троганье с места и переход из состояния с одной степенью свободы в состояние с двумя степенями свободы.
Недостатком этой передачи является сложность конструкции, в которой необходимо использовать замыкающий механизм (выходную кинематическую цепь) в виде самотормозящейся зубчатой передачи.
Известна адаптивная зубчатая передача (варианты) с автоматически регулируемой скоростью в виде планетарного механизма, содержащая входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, состоящий из двух звеньев, и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью (см. Предварительный патент РК №14477, Кл. F16H 1/00, 1/28, 61/25, 2004 г.). В этой передаче входной вал передает на механизм подачи мощности входной движущий момент, а выходная кинематическая цепь передает от выходного вала на механизм подачи мощности усилия сопротивления. При наличии степеней свободы в механизме подачи мощности входной момент и усилия сопротивления на сателлите являются независимыми и произвольно задаваемыми. В общем случае усилия сопротивления, передаваемые на сателлит, нарушают его статическое равновесие. Однако после троганья с места, движение сателлита подчиняется принципу возможных перемещений, который связывает силовые и кинематические параметры при сохранении равновесия. Такая связь, допускающая зависимость кинематических параметров от силовых, является дифференциальной связью. Она накладывается на относительное движение звеньев входного механизма с двумя степенями свободы и приводит к определенности его движения.
Недостатком этой передачи является отсутствие надежности ее работы - необходимость обеспечения ее троганья с места, когда выходной вал под действием приложенного к нему момента сопротивления является неподвижным. В этом случае механизм передачи имеет одну степень свободы, которая обеспечивает лишь движение звеньев передачи при неподвижном выходном звене. Описание этой передачи не содержит конструктивных признаков, обеспечивающих троганье с места и передачу выходной кинематической цепью на входной механизм подачи мощности усилий, обеспечивающих нарушение его статического равновесия и создание дифференциальной связи.
Известны теоретические закономерности, позволяющие в механизме с двумя степенями свободы создать эффект силовой адаптации, обеспечивающий автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению (см.:
1. K.S.Ivanov. Discovery of the Force Adaptation Effect. // Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science. V.2. April 1-4, 2004, Tianjin, China, p.581-585.
2. K.S.Ivanov. Adaptive Stepless Gearing. // Proceedings of the Nintht IFToMM International Symposium on TMM. Vol.2. Complex Mechanisms Used in Technical Systems on Transports. Bucharest, Romania, 2005, p.517-522.
3. Theory of Gear Adaptive Stepless Transfer. // "Aurel Vlaicu" University of Arad. Scientific and Technical Bulletin. Vol.1, No.2. Romania, Arad. 2005, p.5.
4. Ivanov K.S. Gear Automatic Adaptive Variator with Constant Engagement of Gears. // Proceedings of the 12th World Congress in Mechanism and Machine Science. Besancon. France. June 17-21, 2007, Vol.2, p.214-219.).
5. Ivanov K.S. Torque car variator with permanent engagement of cogwheels. // Transactions of Forum for Engineers, Mathematicians and Computer Scientists to share research and innovations, promoting interdisciplinary activities in all fields of Engineering Optimization. Vol.8. Rio de Janeiro, Brazil, June 1-5, 2008. P.124-132).
Однако эти закономерности не содержат описания конструктивных признаков устройства, обеспечивающего достижение указанного эффекта.
Известно устройство для осуществления способа автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению, в котором используется гидродинамическая передача в сочетании с планетарной передачей в виде непереключаемой непрерывно-выравнивающей трансмиссии (Патент США №4932928, Кл. F16H 47/08, US Cl. 475/51; 475/47. 1990). Эта трансмиссия в виде планетарного механизма содержит входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, состоящий из двух входных звеньев (солнечного колеса и водила), подвижно связанных гидродинамическим преобразователем, и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью, получающую движение от двух источников движения механизма подачи мощности.
Недостатки этой трансмиссии: реализация двух степеней свободы входного механизма подачи мощности, обеспечивающая разные скорости вращения водила и сателлита (то есть дифференциальную связь между ними) создается гидродинамическим преобразователем и требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта. Преобразователь с гидродинамическим эффектом имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5), малый диапазон изменения скорости и низкую надежность при пуске, что приводит к необходимости использовать дополнительные механизмы свободного хода, обгонные муфты, усложняющие конструкцию и ухудшающие качество работы передачи (плавность движения). В результате конструкция трансмиссии с гидродинамическим преобразователем оказывается сложной, имеет низкую эффективность, является ненадежной при пуске и имеет низкое качество работы.
Из уровня техники известна силовая трансмиссионная система, содержащая два ряда эпициклических механизмов (патент Великобритании GB 2238090 A (JOHN HARRIES), 22.05.1991). Эта система выполнена в виде планетарного механизма, содержащего входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы и с наложенной дифференциальной связью и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью. Механизм подачи мощности выполнен в виде одного входного звена (водила) с присоединенным к нему входным сателлитом, а выходная кинематическая цепь, содержащая блок солнечных колес, блок эпициклических колес и выходной сателлит с выходным водилом, выполнена с разными по величине отношениями радиусов в блоках солнечных и эпициклических колес.
В этой трансмиссионной системе начало движения происходит путем внешнего принудительного торможения одного из подвижных звеньев. После начала движения необходимо принудительно отключить торможение.
Недостатком этой системы является отсутствие автоматического изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению в пределах всего периода работы трансмиссионной системы.
Ближайшим по технической сущности к изобретению является устройство для осуществления способа автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению (Патент России №2234626, Кл. F16H 47/08, 2004).
Это устройство выполнено в виде планетарного механизма и содержит входной механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, состоящий из двух входных звеньев (солнечных колес) с наложенной на них дифференциальной связью, допускающей относительное движение звеньев (выполненной в виде гидродинамической передачи), и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью.
Недостатки этого устройства
В механизме подачи мощности дифференциальная связь создается гидродинамической передачей, которая усложняет конструкцию и требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта. Гидродинамическая передача имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5), малый диапазон изменения скорости и низкую надежность при пуске. Это приводит к необходимости использовать дополнительные механизмы свободного хода, усложняющие конструкцию и ухудшающие качество работы передачи (плавность движения). В результате конструкция устройства имеет низкую эффективность, оказывается сложной, ненадежной при пуске и имеет низкое качество работы.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение диапазона изменения скоростей, повышение эффективности, повышение надежности и улучшение качества работы.
Задача изобретения решается тем, что выходная кинематическая цепь выполнена с геометрическими и инерционным параметрами, обеспечивающими преодоление выходного стартового момента сопротивления при допускаемом ускорении выходного сателлита по формуле
5
5
H2
H2S
Jεr/e>M,
5
J - момент инерции выходного сателлита 5;
5
ε - допускаемое угловое ускорение выходного сателлита 5;
H2
2
r - радиус выходного водила Н;
1
2
H1
H2
е - расстояние между линиями действия входной силы на входном водиле H и выходной силы на выходном водиле H, равное е=r-r;
H1
1
r - радиус входного водила H;
H2S
M - выходной стартовый момент сопротивления.
Устройство, представленное на чертеже, при пуске работает следующим образом.
2
1
5
2
5
5
5
5
В начале движения выходное водило H неподвижно, механизм имеет одну степень свободы. Силовой поток от двигателя через входное водило Нпередается на входной сателлит 2 и разделяется на блоки зубчатых колес 1-4, 3-6, а затем объединяется на выходном сателлите 5 в виде движущего момента. Выходной сателлит 5 при отсутствии на нем момента сопротивления приобретает движение с угловым ускорением ε. Передача усилия от выходного сателлита 5 на выходное водило H возможна только при наличии момента сопротивления вращению сателлита. Для создания момента сопротивления используется динамическое воздействие на сателлит. Для этого сателлит 5 должен быть выполнен с моментом инерции J, который при наличии допускаемого углового ускорения ε обеспечит необходимый момент сопротивления Jε - момент сил инерции.
2
Равновесие выходного сателлита 5 при неподвижном водиле Н по условиям кинетостатики определяется условием равенства нулю суммы моментов сил, передаваемых на сателлит 5 относительно его оси:
H1
5
5
Fe-Jε=0,
H1
1
где F - движущая сила, передаваемая на сателлит 5 со стороны входного водила H
H1
H2
H1
H1
H2S
H2S
2
2
H2S
H2S
H2
е=r-r - плечо силы F относительно неподвижной оси (опоры) сателлита 5. В момент начала движения F=R, где R - реакция на сателлит 5 со стороны выходного водила Н (со стороны неподвижной опоры), соответствующая стартовому моменту сопротивления на выходном водиле Н. R=M/r.
H2S
H2
5
5
После подстановки этих значений сил в условие равновесия получим Me/r-Jε=0.
H2S
H2
5
5
Для начала движения выходного водила необходимо Me/r<Jε.
5
5
5
H2S
H2
5
Отсюда можно определить требуемое для начала движения значение момента инерции J при допускаемом ускорении ε по формуле J>Me/rε.
5
5
H2
H2S
Условие обеспечения начала движения имеет вид Jεr/e>M.
После начала движения выходного водила механизм переходит в состояние с двумя степенями свободы, в котором имеет место автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает упрощение конструкции, увеличение диапазона изменения скоростей, повышение эффективности, повышение надежности и улучшение качества работы.
Источники информации
1. Танки. Основы теории и конструкции. М.: Издание Военной ордена Ленина Краснознаменной академии бронетанковых войск имени Маршала Советского Союза Малиновского Р.Я., 1968, с.144-165.
2. K.S.Ivanov. Discovery of the Force Adaptation Effect. // Proceedings of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science. V.2. April 1-4, 2004, Tianjin, China, p.581-585.
3. K.S.Ivanov. Adaptive Stepless Gearing. // Proceedings of the Nintht IFToMM International Symposium on TMM. Vol.2. Complex Mechanisms Used in Technical Systems on Transports. Bucharest, Romania, 2005, p.517-522.
4. Theory of Gear Adaptive Stepless Transfer. // "Aurel Vlaicu" University of Arad. Scientific and Technical Bulletin. Vol.1, No.2. Romania, Arad. 2005, p.5.
th
5. Ivanov K.S. Gear Automatic Adaptive Variator with Constant, Engagement of Gears. // Proceedings of the 12 World Congress in Mechanism and Machine Science. Besancon. France. June 17-21, 2007, Vol.2, p.214-219.
6. Ivanov K.S. Torque car variator with permanent engagement of cogwheels. // Transactions of Forum for Engineers, Mathematicians and Computer Scientists to share research and innovations, promoting interdisciplinary activities in all fields of Engineering Optimization. Vol.8. Rio de Janeiro, Brazil, June 1-5, 2008. P.124-132).
7. Патент России №2234626, Кл. F16H 47/08, 2004.
8. Патент США№3699826, Кл. F16H 5/46, 57/10, 1972.
9. Авторское свидетельство СССР №844861, Кл. F16H 5/46, 1979.
10. Предварительный патент РК №3208, Кл. F16H 63/00, 1996.
11. Предварительный патент РК №14477, Кл. F16H 1/00, 1/28, 61/25, 2004.
12. Патент США №4932928, Кл. F16H 47/08, US C1. 475/51; 475/47, 1990.