ЦЕПНОЙ ВАРИАТОР С АВТОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕМЫМ ШАГОМ
CHAIN VARIATOR WITH AUTOMATICALLY CHANGED PITCH

Изобретение относится к машиностроению, в частности к области бесступенчатых передач, и может быть использовано в механических приводах с плавным регулированием скорости.
Известен цепной вариатор, у которого пальцы цепей взаимодействуют с силовыми элементами - пазами (или зубьями) конических колес. Вариатор содержит ведущий и ведомый валы, на каждом из которых вращается по паре конических колес, имеющих радиальные прорези, с возможностью принудительного взаимосвязанного изменения расстояния между колесами в каждой паре, а также замкнутую шарнирную цепь с зубьями, охваченную гибкой металлической лентой [1].
Недостатком такой конструкции является возможность выхода из строя вследствие неопределенности задания указанным механизмом такого шага цепи, который необходим ее силовым пальцам для соответствия по условиям зацепления текущему шагу прорезей колес. Другим недостатком является недостаточная совместная жесткость на кручение системы, включающей в себя цепь и соединительную ленту, что может привести к скручиванию цепи вокруг продольной оси.
Указанных изъянов во многом лишен принятый в качестве прототипа цепной вариатор с автоматически изменяемым шагом, который содержит ведущий и ведомый валы, на каждом из которых вращается по паре конических колес с возможностью принудительного взаимосвязанного изменения расстояния между торцами колес в каждой паре, имеющих радиальные пазы, а также замкнутую шарнирную цепь с двухсторонними внешними выступами и дополнительными элементами, ограничивающими зигзагообразное смещение звеньев цепи [2].
Недостатком данной конструкции является возможность ударов при высоких тяговых нагрузках на участках входа двухсторонних внешних выступов цепи в контакт с пазами конических колес. Причиной является сближение между собой под действием растягивающих усилий дополнительных элементов в виде наружной и внутренней гибких ветвей, обеспечивающих зигзагообразную форму цепи, что приводит к избыточному увеличению шага цепи на участках между коническими колесами на тяговой ветви и пропорционального уменьшения шага на холостой ветви, соответственно. Другим фактором, влияющим на неустойчивость шага цепи при входе в контакт с пазом конического колеса, является составляющая полного усилия вдоль данного паза, которая может приблизить к центру колеса огибающую его цепь, что также влечет за собой искажение оптимального шага цепи.
Технической задачей, решаемой изобретением, является снижение динамических нагрузок при входе в контакт силовых элементов цепи и конических колес вариатора при увеличении жесткости цепи на кручение.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что цепной вариатор с автоматически изменяемым шагом цепи, содержащий закрепленные на ведущем и ведомом валах пары конических колес, имеющих силовые элементы на своих конических поверхностях и выполненных с возможностью взаимосвязанной регулировки расстояний между парами колес каждого вала, а также зигзагообразную замкнутую многозвенную цепь, внутренние и внешние звенья которой выполнены в виде плоских щек, взаимосвязанных между собой посредством внешних и внутренних соединительных пальцев, при этом внутренние соединительные пальцы выполнены с двухсторонними внешними выступами, контактирующими с силовыми элементами конических колес, а также с наружными и внутренними ограничителями складывания звеньев цепи относительно друг друга, согласно изобретению ограничители складывания звеньев выполнены в виде боковых и центральных колец - внешнего, стягивающего внешние соединительные пальцы цепи, и внутреннего распорного, вокруг которого выступы внутренних соединительных пальцев при помощи боковых колец сгруппированы по окружности меньшего диаметра, а внешние соединительные пальцы - по окружности большего диаметра, соответственно, с возможностью появления между центрами данных окружностей эксцентриситета, обеспечивающего изменение шага цепи до значения, соответствующего текущим значениям шагов силовых элементов ведущих и ведомых конических колес, причем центральный угол при вершине любого конического колеса выполнен из условия передачи рабочей нагрузки с одновременным использованием не более двух смежных силовых элементов того же колеса.
На решение поставленной технической задачи направлено и то, что цепь снабжена роликами, контактирующими с центральными и боковыми кольцами.
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что стягивающие боковые кольца выполнены упругими и имеют компенсационно-технологический стык.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено устройство многоступенчатого вариатора; на фиг. 2 представлен поперечный разрез А-А па фиг. 1 одной из ступеней механизма; на фиг. 3 изображен фрагмент I цепи, выделенный на фиг. 2; на фиг. 4 дан поперечный разрез Б-Б фрагмента I цепи, показанного на фиг. 3.
На фиг. 1 буквой δ обозначен зазор в компенсационно-технологическом стыке боковых колец; М и ω - соответственно крутящий момент и частота вращения ведущего вала вариатора; сплошными толстыми стрелками изображена цепочка передачи мощности в многоступенчатом вариаторе; пунктирными стрелками показан возможный путь потока мощности в устройстве, предназначенном для изменения направления движения (реверса) машины и обозначенном пунктирным контуром. Реверс, а также другие типовые механизмы, например, служащие для изменения передаточного числа вариатора, как затеняющие суть изобретения, условно не показаны. На фиг. 2 приняты обозначения: М и ω - соответственно крутящий момент и частота вращения ведущих конических колес; ε - эксцентриситет между делительными окружностями внутренних и внешних соединительных пальцев. На фиг. 4 стрелками показаны осевые перемещения конических колес вариатора при необходимости регулирования передаточного числа.
Цепной вариатор (см. фиг. 1 и 2), например, имеющий две ступени с автоматически изменяемым шагом, вместе с механизмом реверса (не показан) находится в корпусе 1 с крышкой 2 и содержит в составе каждой ступени зигзагообразную замкнутую многозвенную цепь 3, которая расположена между парами ведущих и ведомых конических колес 4 и 5, соответственно (4′ и 5′ - для второй ступени). В свою очередь, конические колеса 4 и 5 закреплены подвижно в осевом направлении на ведущем и ведомом валах 6 и 7, соответственно. Цепь 3 (см. фиг. 3 и 4) составлена из внутренних и наружных плоских штампованных щек 8 и 9, соответственно. Внутренние щеки 8 взаимосвязаны между собой с помощью центральных втулок 10, а наружные щеки 9 - посредством внешних и внутренних соединительных пальцев 11 и 12, соответственно. Пальцы 11 и 12 поочередно расположены в центральных втулках 10, в которых обладают возможностью вращения, и имеют расклепанные головки. В конструкции предусмотрено по одному замыкающему внешнему и внутреннему пальцу 13 и 14, соответственно, которые могут быть запрессованы в одну из наружных щек 9 и зафиксированы на цепи от осевого смещения при помощи упорных быстросъемных шайб 75. Цепь 3 снабжена роликами 16, которые установлены на цилиндрических поверхностях консолей внутренних пальцев 12 и 14, а также имеются плоские шайбы 17. При этом ролики 16 контактируют с боковыми ограничителями складывания относительно друг друга звеньев цепи 3, выполненными в виде пары стягивающих боковых колец 18. При этом плоские шайбы 17 служат для боковых колец 18 ограничителями боковых сдвигов относительно цепи 3, которые могут быть упругими и иметь компенсационно-технологические стыки 19. В состав конструкции также входят ограничители зигзагообразного складывания цепи 3 в виде внешнего стягивающего и внутреннего распорного центральных колец 20 и 21, соответственно. Цепь 3 снабжена также роликами 22, установленными на цилиндрической поверхности центральных втулок 10 и контактирующими с кольцами 20 и 21. Внутренние пальцы 12 и 14 выполнены с двухсторонними внешними выступами 23 и предназначены для контакта и зацепления с силовыми элементами, например радиальными пазами 24 на конических поверхностях колес 4 и 5. Силовые элементы в зависимости от конструктивных особенностей механизма также могут быть выполнены в виде сдвоенных зубьев (не показаны), параллельных между собой для каждой из таких пар и расположенных на конических поверхностях колес 4 и 5. При этом выступы 23 внутренних соединительных пальцев 12 и 14 сгруппированы по окружности меньшего диаметра, а внешние соединительные пальцы 11 и 13 - по окружности большего диаметра, соответственно, с возможностью появления между центрами данных окружностей эксцентриситета ε, обеспечивающего изменение шага цепи 3 до значения, соответствующего текущим значениям шагов силовых элементов 24 ведущих и ведомых конических колес 4 и 5, соответственно. Причем центральный угол при вершине любого конического колеса выполнен из условия передачи рабочей нагрузки с одновременным использованием не более двух смежных силовых элементов 24 того же колеса. За счет отсутствия нагрузок, характерных для цепных вариаторов фрикционного типа, может быть обеспечено снижение массы конических колес 4 и 5, например, благодаря штамповке заготовок для конусов из листового материала, а также за счет сквозных окон (не показаны) на участках между силовыми элементами. Взаимосвязанные осевые перемещения вдоль валов 6 и 7, соответственно, и регулирование расстояний между обеими парами конических колес 4 и 5 могут быть заданы с помощью предназначенного для этого механизма (не показан). Состав конструкции второй ступени цепного вариатора аналогичен описанной выше первой ступени.
Работа цепного вариатора осуществляется следующим образом.
Рассмотрим работу устройства на примере первой ступени вариатора, у которой на ведущем валу 6 крутящий момент равен М и частота вращения - ω. Шаг цепи 3 в зонах контакта двухсторонних выступов 23, принадлежащих внутренним пальцам 12 и 14, зависит от текущего шага пазов 24, который при помощи системы управления определяется степенью сближения между собой как ведущих, так и ведомых соответствующих конических колес 4 и 5 вариатора. То есть пазы 24 конических колес 4 и 5 в зонах контакта с цепью 3 задают ее шаг равным текущему значению шага конических колес 4 и 5. Например, на участке с большим шагом какой-либо пары упомянутых конических колес центральное внешнее стягивающее кольцо 20 сближается с центральным внутренним распорным кольцом 21 на величину эксцентриситета ε. Тогда цепь 3, находящаяся между внешним и внутренним соответствующими центральными кольцами 20 и 21, на участке их наибольшего сближения получит максимальный шаг, соответствующий в данной зоне контакта окружному шагу пары конических колес 4 и 5. Однако по мере увеличения радиального зазора между кольцами 20 и 21 шаг цепи 3 постепенно уменьшается до значения, соответствующему текущему значению шага, потребного уже для другой смежной пары конических колес. При передаче крутящего момента М от ведущих конических колес 4 цепь 3, находящаяся в виде замкнутой зигзагообразной ломаной линии между центральными кольцами 20 и 21, дополненными боковыми кольцами 18, сохраняет заданную форму во всем диапазоне рабочих нагрузок, что обеспечивается благодаря радиальной жесткости колец 20 и 21. Кроме того, кольца 18, 20 и 21 дополнительно выполняют функцию маховика, предохраняющего цепь 3 от перекосов относительно конических колес 4 и 5.
При этом цепь 3, собранная в форме зигзагообразной ломаной линии, ограничена в радиальных перемещениях за счет колец 18, 20 и 21, а в тангенциальных - жесткостью щек 8 и 9 и минимальными зазорами в шарнирах цепи 3, тем самым представляя собой единую кольцевую объемную конструкцию, стабильность которой увеличивается по мере роста центробежных сил.
Для снижения трения износа цилиндрических поверхностей цепи 3 их контакт с кольцами 18, 20 и 21 осуществляется посредством роликов 16 и 22.
Факторами, предохраняющими заклинивание элементов цепи 3 между распорным центральным внутренним и упругими боковыми кольцами 21 и 18, соответственно, являются компенсационно-технологические стыки 19 в боковых кольцах 18, имеющих зазоры 6.
При работе вариатора под воздействием жестких центральных колец 20 и 21 на участках между колесами 4 и 5 по мере приближения цепи 3 к радиальным пазам 24 автоматически происходит выравнивание между собой шага двухсторонних внешних выступов 23 с текущими значениями окружных шагов конических колес 4 и 5, в свою очередь, изменившимся после осевых смещений последних по валам 6 и 7 по командам системы управления. Следовательно, у вариатора с цепью 3 переменного шага снижаются динамические нагрузки на контактирующие поверхности. Одновременно происходит увеличение жесткости цепи на кручение благодаря наличию ограничителей складывания в виде комплекта колец 18, 20 и 21. Аналогичным образом происходит работа второй ступени вариатора с парами колес 4′ и 5′. Что касается центрального угла при вершине любого конического колеса 4, 5, 4′ и 5′, то его выполнение обеспечивается из условия передачи рабочей нагрузки с использованием одновременно не более двух смежных силовых элементов, например радиальных пазов 24 того же колеса, что позволяет обеспечить работу цепной передачи с высокой степенью надежности без заклинивания.
В режиме реверса вариатор будет работать аналогичным образом, сохраняя свои динамические свойства.
Таким образом, изобретение позволяет снизить динамические нагрузки при входе в контакт силовых элементов цепи и конических колес вариатора при увеличении жесткости цепи на кручение.
Источники информации
1. Патент РФ №2133393, М. кл. F16Н 9/24, опубл. в 1999 г.
2. Патент РФ №2492377, М. кл. F16Н 7/06, опубл. в 2013 г. (прототип).