ПЛАНЕТАРНАЯ ПЕРЕДАЧА С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ
PLANETARY GEAR WITH CONTROLLED GEAR RATIO

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к механизмам, предназначенным для передачи вращения с регулируемым передаточным отношением, и может найти применение в трансмиссиях различных машин как транспортного, так и технологического назначения.
Известна планетарная зубчатая передача, содержащая корпус, закрепленное на корпусе центральное колесо с внутренним зацеплением, центральное колесо с внешним зацеплением, водило, а также совершающие плоско-параллельное движение сателлиты, входной и выходной валы, связанные с центральным зубчатым колесом с внешним зацеплением и с водилом соответственно (см. Планетарные передачи. Справочник. Под ред. докторов техн. наук В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977 г., стр. 10, рис. 1.2).
Недостатком этой передачи является невозможность регулирования частоты вращения выходного вала при неизменной частоте вращения входного вала.
Известны фрикционные вариаторы скорости, позволяющие бесступенчато изменять передаточное отношение механизма (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. «Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи», 2-е издание, М.: Машиностроение, 1967 г., стр. 179, 183).
Недостатками фрикционного вариатора являются относительно низкая нагрузочная способность, ограниченный диапазон регулирования передаточного отношения и коэффициент полезного действия (КПД) меньший, чем КПД зубчатых передач с аналогичным передаточным отношением.
Известны редукторы, содержащие несколько зубчатых передач с неподвижными осями колес (см. Автомобили: Конструкция, конструирование и расчет. Трансмиссия. Под ред. А.И. Гришкевича. - Мн.: Высш. шк., 1985 г., стр. 74) или несколько планетарных рядов (см. Планетарные передачи. Справочник. Под ред. докторов техн. наук В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд.), 1977 г., стр. 16), вместе позволяющие расширить диапазон изменения передаточного отношения механизма с сохранением высокой нагрузочной способности и к.п.д.
Общим недостатком таких редукторов является сложность конструкции и при этом недостаточно широкий диапазон регулирования передаточного отношения механизма, что приводит к использованию в транспортных машинах главных передач с различными передаточными отношениями, в зависимости от условий эксплуатации машины, что сокращает набор функциональных свойств конкретной машины.
Известна планетарная зубчатая передача (авторское свидетельство SU 1059329 А, публ.07.12.1983 г.), содержащая корпус, центральное колесо, связанное с выходным валом, водило с двухвенцовыми сателлитами, связанное с входным валом, гибкое звено изменяемого диаметра, и регулирующие устройства. Зубчатая передача снабжена размещенными на водиле натяжными элементами и установленными в корпусе с возможностью радиального перемещения ползунами, один из венцов сателлита выполнен в виде звездочки, а гибкое звено выполнено в виде цепей, имеющих каждая запасный участок, взаимодействующий с регулирующей звездочкой, и рабочий участок, взаимодействующий со звездочкой сателлита и натяжным элементом.
К недостаткам этой передачи относятся большие динамические нагрузки, вызываемые поступательным движением управляющих звездочек с частотой, равной частоте вращения входного вала, что ограничивает применение передач на быстроходных машинах. Кроме того, неочевидно свойство изменяемого передаточного числа механизма, так как положение сателлитов на водиле неизменно и центры звездочек сателлитов проходят за один оборот водила всегда одно и то же расстояние, а значит одно и то же количество шагов цепи, независимо от регулируемой длины цепи. Следовательно, угловая скорость сателлитов постоянна, угловая скорость выходного звена постоянна.
Наиболее близкой по технической сути к заявляемому решению является планетарная передача, состоящая из корпуса, одного неподвижного центрального колеса, водила с сателлитом и выходного вала, соосного с главной осью передачи, крутящий момент на который передается от сателлита посредством карданного вала (см. Планетарные передачи. Справочник. Под ред. докторов техн. наук В.Н. Кудрявцева и Ю.Н. Кирдяшева. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977 г., стр. 12, рис. 1.6.) (прототип).
Технической проблемой этой передачи являются значительные динамические нагрузки, а также невозможность регулирования частоты вращения выходного вала при неизменной частоте вращения входного вала.
Указанная техническая проблема в планетарной передаче с регулируемым передаточным отношением, содержащей корпус, шарнир с двумя степенями свободы, выходной вал, связанный с ведомым звеном шарнира, входной вал, связанный с водилом и водило, связанное с сателлитом, решается тем, что сателлит неподвижно соединен с ведущим звеном шарнира, а выходной вал связан с ведомым звеном того же шарнира, при этом центр масс сателлита неподвижен и сформирован совпадающим с центром шарнира, геометрическая ось сателлита наклонена по отношению к оси выходного вала на переменный угол нутации, водило с сателлитом установлены с возможностью выполнения движения регулярной прецессии относительно неподвижного центра шарнира, где осью прецессии принята ось выходного вала, а кинематическая связь сателлита с корпусом выполнена с возможностью исключения вращения сателлита относительно его геометрической оси вращения.
Кинематическая связь сателлита с корпусом может быть выполнена в виде зубчатой конической передачи, образованной сателлитом и центральным зубчатым колесом, вершины делительных конусов которых выполнены совпадающими с центром шарнира, а угол делительного конуса сателлита постоянен и равен 180°. При этом число зубьев и угол делительного конуса неподвижного центрального конического зубчатого колеса выполнены переменными, а радиус основания делительного конуса неподвижного центрального конического зубчатого колеса равен проекции на него радиуса основания делительного конуса сателлита.
В другом варианте исполнения кинематическая связь сателлита с корпусом может быть выполнена в виде фрикционной передачи. Фрикционная передача предпочтительно образована комплектом дисков, свободно вращающихся относительно их осей, жестко закрепленных на сателлите и расположенных по касательным к одной окружности с центром, совпадающим с центром шарнира, при этом диски поджаты к сферической внутренней поверхности корпуса, например, гидроцилиндрами, попарно связывающими между собой противоположно расположенные диски.
Техническим результатом изобретения является разработка планетарной передачи с возможностью изменения частоты вращения выходного вала от нуля при постоянной частоте вращения входного вала с сохранением высоких к.п.д. и нагрузочной способности передачи на уровне, характерном для планетарных зубчатых или фрикционных передач.
Изобретение поясняется следующими рисунками.
На фиг. 1 представлена схема планетарной передачи с регулируемым передаточным отношением, где кинематическая связь сателлита с корпусом представляет собой зубчатую передачу, при этом элементы передачи изображены в крайних положениях регулирования передаточного отношения и одном промежуточном.
На фиг. 2 изображена схема, иллюстрирующая зависимость передаточного отношения от угла нутации.
На фиг. 3а и 3б показана с разных сторон схема расположения цевок, образующих центральное зубчатое колесо в положении, когда минимально количество зубьев, участвующих в передаче момента.
На фиг. 4 приведена схема планетарной передачи с регулируемым передаточным отношением, где кинематическая связь сателлита с корпусом представляет собой фрикционную передачу.
Планетарная передача содержит корпус 1, шарнир 2 с двумя степенями свободы, например, шарнир Кардана-Гука или Шарнир Равных Угловых Скоростей, выходной вал 3, связанный с ведомым звеном шарнира 2, входной вал 4, связанный с водилом 5, которое, в свою очередь, связано с сателлитом 6. При этом сателлит 6 жестко связан с ведущим звеном шарнира 2, а выходной вал 3 связан с ведомым звеном того же шарнира 2. Центр масс сателлита 6 неподвижен и сформирован совпадающим с центром шарнира 2, геометрическая ось 7 сателлита 6 наклонена по отношению к оси выходного вала 3 на переменный угол нутации θ, водило 5 с сателлитом 6 установлены с возможностью выполнения движения регулярной прецессии относительно неподвижного центра шарнира 2. Осью прецессии принята ось выходного вала 3, а кинематическая связь сателлита 6 с корпусом 1 выполнена с возможностью исключения вращения сателлита 6 относительно его геометрической оси вращения 7, например, в виде зубчатой конической передачи с использованием, в частности, цевочного зацепления. Для этого сателлит 6 снабжен зубчатым венцом и входит в зацепление с неподвижным центральным зубчатым колесом 8, закрепленным на корпусе 1 и образуемым комплектом отдельных цевок 9, количество которых в составе центрального колеса может изменяться.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны разработать множество альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема приложенной формулы изобретения. Сам по себе тот факт, что определенные критерии перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих критериев не может быть использована для получения положительного эффекта.
Планетарная передача работает следующим образом.
Вращаясь, входной вал 4 приводит в движение водило 5. Водило 5 с сателлитом 6 совершают движение регулярной прецессии около неподвижной точки, а именно - точки О пересечения оси 7 сателлита 6 и основной оси передачи, совпадающей с осью выходного вала 3. При этом сателлит 6 входит в зацепление с центральным зубчатым колесом 8. Таким образом, в процессе работы сателлит 6 своим делительным конусом с углом конуса 180° обкатывается без скольжения по поверхности делительного конуса неподвижного центрального конического зубчатого колеса 8. Когда угол θ наклона оси 7 сателлита 6 к оси выходного вала 3 - угол нутации - не равен нулю, плоскость сателлита 6 наклонена к плоскости неподвижного колеса 8, диаметр основания делительного конуса колеса 8 меньше, чем диаметр основания делительного конуса сателлита 6. Тогда длина окружности основания конуса колеса 8 меньше, чем длина окружности основания конуса сателлита 6 и сателлит 6, начав движение из некоторого положения и совершив с водилом 5 один оборот прецессии относительно оси выходного вала 3, коснется колеса 8 не исходной точкой А (см. фиг. 2), но некоторой другой - А1, ограничивающей дугу на периметре сателлита 6 от точки А, длина дуги при этом равна длине окружности основания конуса колеса 8. Таким образом, сателлит 6 повернется относительно неподвижного центрального колеса 8 и основной оси передачи на некоторый угол, равный углу сектора А1OА сателлита 6. Этот поворот сателлита 6 передается выходному валу 3 посредством шарнира 2. Чем больше угол нутации θ водила 5 и сателлита 6, тем больше угол поворота выходного вала 3 за один оборот входного вала 4. Если угол нутации равен нулю, то угол делительного конуса центрального колеса 8 равен 180° в этом положении число его зубьев 9 равно числу зубьев сателлита 6, сателлит 6 неподвижен при вращении входного вала 4, каждый зуб сателлита 6 находится в зацеплении с соответствующим ему зубом неподвижного центрального колеса 8.
При увеличении угла нутации θ водила 5 и сателлита 6 от нуля, уменьшается число зубьев 9 центрального колеса 8 и угол его делительного конуса. Причем, каждому числу зубьев 9 колеса 8 соответствует строго определенный угол его делительного конуса и строго определенный угол θ нутации сателлита 6. Зацепление центрального колеса 8 и сателлита 6 может быть, в частности, цевочным.
Угловая скорость выходного вала 3 механизма связана с угловой скоростью входного вала 4 зависимостью:
3
4
ω=ω×(l-cosθ), где:
4
ω - угловая скорость входного вала;
3
ω - угловая скорость выходного вала;
θ - угол нутации.
Передаточное отношение i механизма: i=1/(1-cosθ).
Предлагаемая планетарная передача может быть исполнена как планетарный фрикционный вариатор. На фиг. 4 изображена принципиальная кинематическая схема фрикционного вариатора, частота вращения выходного вала 3 которого изменяется от нуля, отличающегося от планетарной передачи с кинематической связью сателлита с корпусом в виде зубчатой передачи тем, что кинематическая связь сателлита с корпусом выполнена в виде фрикционной передачи. Фрикционная передача представляет собой комплект дисков 10, свободно вращающихся относительно их осей, которые жестко закреплены на сателлите 6 и расположены по касательным к одной окружности с центром, совпадающим с центром шарнира 2, при этом диски 10 поджимаются к сферической внутренней поверхности корпуса 1 с помощью, например, гидроцилиндров, попарно связывающих между собой противоположно расположенные диски 10.