КОРОБКА ПЕРЕДАЧ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к механическим редукторам для передачи вращательного движения, и представляет собой бесступенчатую трансмиссию.
Уровень техники. Известен согласующий редуктор комбинированной энергосиловой установки [Патент РФ на полезную модель №116102], содержащий ведущий шкив, расположенный на валу двигателя внутреннего сгорания, и ведомый шкив, расположенный на выходном валу редуктора, соединенного с трансмиссией. На валу электродвигателя располагается ведущий шкив, находящийся с ним в постоянном зацеплении, и опорный шкив, которые соединены клиновым ремнем.
К недостаткам такого решения можно отнести невозможность регулирования передаточного числа редуктора, а также растягивание ремня в длину, что ведет к ухудшению сцепления шкива и ремня.
Также известен ременной редуктор вертолета соосной схемы [патент РФ на изобретение №2658745], содержащий корпус, выполненный с возможностью привода вращения в противоположных направлениях вертикальных коаксиальных пустотелых ведомых валов от одного ведущего вала. Ведущие и ведомые валы выполнены с закрепленными на них шкивами, а шкивы ведомых валов расположены на различной высоте, при этом привод обеспечен за счет двух ременных передач, одна из которых выполнена с односторонним зубчатым ремнем, а другая ременная передача выполнена с двусторонним зубчатым ремнем и с блоком вспомогательных шкивов, обеспечивающих противоположное направление вращения одного ведомого вала относительно другого.
К недостаткам такого решения можно отнести невозможность регулирования передаточного числа редуктора.
Также из уровня техники известен зубчатый реверсный вариатор [патент РФ на изобретение №2546047], содержащий два вала-шестерни в виде конусных многозаходных равнонаправленных винтов. Оси упомянутых валов-шестерен расположены параллельно друг другу, а сами они обращены встречно-параллельно, в зацепление с ними входит промежуточная шестерня, перемещаемая вдоль валов-шестерен за счет винтовой пары, которой являются ступица и винт, привод винтовой пары осуществляется червячным мотором-редуктором через муфту. Ограничение на продольное перемещение промежуточной шестерни вдоль винта осуществляется датчиками концевого положения, изменение режима работы зубчатого реверсного вариатора, соответствующего движению транспортного средства в прямом направлении, задним ходом или находящегося на месте при работающем двигателе, достигается соответствующей комбинацией шестерен привода ведущего вала-шестерни.
К недостаткам такого решения можно отнести малую площадь в зоне контакта снаружи передаточного кольца и поверхности шкива.
Также из уровня техники известен механический редуктор [патент РФ на полезную модель №189572], содержащий два шкива, один из которых ведущий, другой ведомый. Упомянутые шкивы имеют коническую форму в продольном сечении к оси вращения, и располагаются взаимно-обратно, так что большему диаметру одного шкива соответствует меньший диаметр другого, причем один из шкивов установлен внутри передаточного кольца, имеющего диаметр больше диаметра шкива, и выполненного с наклоном стенок вовнутрь, совпадающим по углу с углом наклона рабочих поверхностей шкивов. Упомянутое передаточное кольцо оснащено резиновым покрытием изнутри и снаружи. Данное решение по своей сущности является наиболее близким прототипом.
К недостаткам такого решения можно отнести малую площадь в зоне контакта снаружи передаточного кольца и поверхности шкива.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные варианты механических редукторов, позволяющие передавать вращательное усилие между двумя или более валами. Назначение этих редукторов состоит в согласовании моментов на входном (ведущем) и выходном (ведомом) валах, с ведомого вала его крутящее усилие поступает на исполнительный механизм. Такое построение механического редуктора базируется на соотношении длин окружностей шкивов, установленных на входном и выходном, валах. В качестве средства передачи механического усилия от одного шкива к другому шкиву выступает ремень, выполняемый гибким в виде кольца, что позволяет ему обтягивать в натяг шкивы.
К недостаткам таких решений является необходимость натяга ремня, который теряет эластичность и усилие обжатия шкивов в процессе работы. Это требует обеспечения компенсации растягивания ремня.
На фигуре 1 представлена схема редуктора с ременной передачей, представляющая собой известный из уровня техники простейший вариант изменения передаточного числа. В таких устройствах два цилиндрических шкива располагаются раздельно друг от друга на некотором расстоянии. При этом в качестве передачи механического вращательного движения выступает гибкий ремень, который служит для переноса момента вращения. В таком случае, соотношение диаметров шкивов определяет пропорцию скорости вращения ведущего и ведомого валов механического редуктора.
Подобные решения имеют ряд недостатков, в том числе при работе происходит растягивание гибкого ремня, и последующее проскальзывание при больших усилиях на валу. Для этого из уровня техники известны решения, направленные на улучшение контакта ремня и шкива, в том числе всевозможные системы подпружиненных шкивов для создания постоянного усилия для выборки избытка длины гибкого ремня.
Гибкий ремень в таких решениях выполняется, как правило, из резины и устанавливается на шкивах в натяг. Со временем, он начинает провисать и может порваться при больших механических нагрузках.
В редукторах, подобных изображенным на фигуре 1, возможны разные коэффициенты передачи вращательного движения (передаточные числа). В общем случае, передача вращательного движения будет пропорциональна соотношению диаметров двух шкивов между собой. При этом будет происходить преобразование значения момента силы на ведомом (выходном) валу в зависимости от соотношения диаметров шкивов.
Возможно как увеличение скорости вращения ведомого (выходного) вала, так и понижение скорости его вращения - в соотношении размеров двух шкивов. Преобразование скорости сопровождается изменением момента на валу - таким образом, происходит механическое преобразование не только скорости, но и усилия, при постоянной мощности на валу.
В ряде практических приложений требуется плавное регулирование скорости вращений ведомого (выходного) вала механического редуктора - примерами таких приложений могут быть различные электроприводы механизмов, а также вариаторы транспортных средств. Например, вариаторы применяются в снегоходах Ямаха и легковых автомобилях как импортного, так и отечественного производства.
Различные известные из уровня техники редукторы имеют либо одно фиксированное передаточное число, либо ограниченный ряд значений для ступеней преобразования скорости вращения. Такие решения реализуются в том числе на зубчатых колесах, что усложняет переключение скоростей и значения передаточного числа редуктора.
Например, “автоматическая коробка передач”, применяемая в машинах представляет собой, по сути, ступенчатую механическую коробку передач с несколькими зубчатыми колесами, к которым подключаются передаточное зубчатое колесо выходного вала (то есть подключаясь к зубчатым колесам на входном вале, имеющим разный диаметр - мы меняем и общее передаточное число механического редуктора). В так называемых вариаторах используется того или иного рода механическое трение для передачи усилия вращения от входного вала на выходной.
Принцип действия решения, выбранного за основной прототип, становится очевиден из фигуры 2. На ней изображены два передаточных шкива в форме усеченного конуса. Рабочие (боковые) поверхности шкивов имеют одинаковый угол наклона относительно друг друга. Таким образом, как это видно из фигуры 2, будучи установленными в обратном друг к другу порядке, упомянутые шкивы полностью совпадают между собой рабочими поверхностями. При этом передаточное число в комбинации конических шкивов изменяется как в сторону увеличения или уменьшения - в зависимости от точки на продольных осях, где снимется характеристика.
Однако, передача момента между коническими шкивами при касании их рабочих поверхностей непосредственно по всей длине продольных осей, невозможна. Это объясняется разными угловыми скоростями - а значит, и передаточными числами редукции. С одной крайней стороны шкивов будет действовать понижение передаточного числа, с другой стороны - будет повышение передаточного числа. В середине шкивов будет действовать равное передаточное число, когда скорость вращения ведущего и ведомого шкивов будут совпадать. По этой причине возможно снятие механического вращательного усилия только на ограниченном участке рабочей поверхности шкивов.
В качестве передачи механического усилия между ведущим и ведомым валами предлагалось использовать передаточное кольцо, выполняемое в виде окружности из металла, покрытое изнутри и снаружи резиной для увеличения коэффициента сцепления с поверхностями шкивов (показано на фигуре 2 под номером 4).
Благодаря этому становится возможным снятие вращательного усилия на локальном участке рабочих поверхностей шкивов. При перемещении передаточного кольца вдоль оси вращения шкивов, оно позволяет изменять передаточное соотношение между ведомым и ведущим шкивами. Именно на таком принципе основано действие основного прототипа.
Использование размещенных совместно шкивов конической формы во взаимно-обратном расположении обеспечивает изменение соотношения между ними. Упомянутое выше передаточное кольцо благодаря возможности передвигаться вдоль шкивов реализует изменение передаточного числа.
Основным достигаемым результатом является плавное регулирование коэффициента передачи механического редуктора за счет перемещения передаточного кольца вдоль оси вращения. Однако, сцепление валов в таком редукторе не является жестким механическим, и работает за счет трения.
На фигуре 3 показан поперечный разрез основного прототипа, откуда видно, что передаточное кольцо охватывает один из шкивов, который оказывается расположенным внутри. Это сокращает объем пространства, необходимый для реализации решения. Диаметр упомянутого передаточного кольца должен превышать наибольший диаметр конического шкива, однако степень превышения может быть мала. Это позволяет сократить размеры известного из уровня техники редуктора. Описанные особенности редуктора позволяют повысить надежность работы средства передачи механического вращения (передаточного кольца), и обеспечить возможность плавного регулирования передаточного числа от минимального до максимального значения - с проходом через участок равенства угловых скоростей (то есть равенство 1 передаточного числа).
Однако, описанная в основном прототипе конфигурация имеет разные условия работы места контакта шкивов и единого передаточного кольца, то есть разную площадь контакта. При выполнении передаточного кольца с незначительным превышением диаметра над наибольшим диаметром шкива, шкив расположенный внутри будет иметь большую площадь контакта с резиновой поверхностью кольца передаточного, в сравнении с тем из шкивов который расположен снаружи передаточного кольца. Поскольку наружный шкив будет работать с выпуклой поверхностью передаточного кольца, его площадь контакта будет меньше - а значит и допустимая для редуктора по условия сцепления нагрузка будет меньше.
На фигуре 4 показана упрощенная схема предлагаемого решения, где наглядно видно его устройство и принцип работы. Из рисунка видно, что оба конусообразных шкива расположены взаимно-обратно, то есть их рабочие поверхности параллельны, а уширению одного шкива соответствует сужение другого шкива, что и позволяет изменять передаточное число. Отличие от основного прототипа заключается в жесткой механической передачи между шкивами, что позволяет значительно увеличить максимальный механический момент, который можно передать между шкивами.
Для этого в предлагаемом решении используется особая конструкция передаточного зубчатого колеса, показанная на фигуре 5. Из рисунка видно, что зубцы передаточного зубчатого колеса проходят сквозь держатели с краю круглого основания, которые обеспечивают их перемещение в радиальном направлении. Таким образом, наружный диаметр массива зубцов в подобном передаточном зубчатом колесе будет изменяться в зависимости от положения зубцов в радиальном направлении. Для перемещения зубцов используются шарниры, закрепленные на их корпусе, как это и показано на фигуре 5.
На фигуре 4 очевидно, что при перемещении передаточных зубчатых колес вдоль винтовой передачи, происходит изменение угла стержней на шарнирах, один конец которых соединяется с шарниром передаточного зубчатого колеса, другой конец соединяется с шарниром на корпусе. При перемещении, происходит регулирование положения зубцов в передаточном зубчатом колесе за счет изменения угла наклона стержней относительно оси винтовой передачи. При этом необходимо исключить положение с нулевым углом наклона, поскольку это будет вести к заклиниванию всей передачи в целом. Один комплект стержней, как это видно из фигуры 4, установлен с условно положительным углом наклона относительно оси своей винтовой передачи, а другой комплект стержней установлен с условно отрицательным углом наклона относительно оси своей винтовой передачи. Это необходимо для реализуемости предлагаемого решения, так как оба шкива выполняются с изменяемым шагом зубцов в зависимости от диаметра.
С ростом диаметра шкива, увеличивается и шаг зубцов по окружности его. В таком случае, изменяемая геометрия (диаметр) передаточных зубчатых колес позволяет согласовать шаг каждого из них с шагом зубцов шкива, с которым он находится в сцеплении. Каждое из передаточных зубчатых колес находится в сцеплении со своим шкивом, которые ориентированы взаимно обратно-параллельно, расширению одного соответствует сужение другого шкива - и пропорционально изменяется и шаг зубцов. Использование здесь передаточных зубчатых колес с фиксированным шагом зубцов, на практике невозможно или значительно ограничено по диапазону регулирования, не более люфта между зубцами шкивов и передаточного зубчатого колеса.
Именно конструкция передаточных зубчатых колес с регулируемым шагом зубцов обеспечивает возможность согласования их шага со шкивами и работу предлагаемого решения. Также следует отметить, что передаточные зубчатые колеса имеют стержни, подсоединенные к их шарнирам, что дает возможность изменения угла наклона при перемещении вдоль винтовой передачи, причем передаточные зубчатые колеса изменяют свою геометрию в обратном к друг другу порядке. Угол наклона стержней одного комплекта имеет условно положительный знак относительно оси винтовой передачи, а в другом комплекте - условно отрицательный. Соответственно, один из них втягивает зубцы при перемещении, а другой наоборот - выталкивает наружу. Надо отметить, что винтовые передачи являются точными устройствами и не накапливают ошибку перемещения, работая в пределах собственного люфта. При работе винтовой передачи, на стержнях будут создаваться усилия или на сжатие, или на растяжение - что и дает перемещение зубцов в держателях, по знаку их угла наклона (либо выдвигание, либо втягивание). Наиболее удобно это реализуется в крупных машинах, когда возможно создание для стержней больших углов наклона, что облегчает работу всего механизма перемещения. Также можно отметить, что длину шкивов можно снизить, путем увеличения угла наклона их рабочей поверхности относительно их оси вращения, что дает возможность управления соотношением размеров.
По мнению автора, предлагаемое решение будет наиболее удобно для крупных машин и механизмов, особенно в технологических устройствах или механизмах автоматизации сельского хозяйства. Это связано с облегчением в реализации предлагаемого устройства в крупном исполнении. При этом оно может быть дешевым, простым и надежным. Но также не исключается и его использование в транспортных средствах разного рода.
Представленное решение является простым и потому практически применимым, что дает возможность применять его в промышленности.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
- передаточные зубчатые колеса имеют круглые основания, в центре которых отверстие с резьбой для винтовой передачи и оснащены зубцами, проходящими через держатели по краю основания, обеспечивающими ход зубцов в радиальном направлении;
- зубцы имеют по шарниру каждый, к которому присоединяются стержень, соединенный с другой стороны к шарниру на корпусе механического редуктора с внутренней его стороны;
- все шарниры на корпусе расположены на равном расстоянии и вокруг оси винтовой передачи;
- в любом положении передаточных зубчатых колес имеется угол между винтовой передачей и стержнями, отличный от нуля;
- количество передаточных зубчатых колес равно двум;
- передаточные зубчатые колеса оснащаются цепной передачей между собой, содержащей одну звездочку на каждом передаточном зубчатом колесе, и цепь между ними;
- для каждого передаточного зубчатого колеса угол наклона между винтовой передачей и стержнями, присоединенными к шарнирам, противоположен по знаку с углом наклона стержней и винтовой передачи другого передаточного зубчатого колеса.
Таким образом, совокупность существенных отличительных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - улучшению передачи механического усилия и обеспечению плавного регулирования для коэффициента передачи в широком диапазоне.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен классический ременной редуктор. Здесь 1 - шкив, 2 - ремень. На фигуре 2 изображен разрез известного из уровня техники механического редуктора в продольной плоскости. Здесь 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 3 изображено сечение известного из уровня техники механического редуктора в поперечной плоскости. Здесь 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 4 изображена упрощенная схема предлагаемого решения. Здесь 3 - конусообразный шкив, 6 - винтовая передача, 8 - передаточное зубчатое колесо, 9 - шарнир, 12 - цепная передача. На фигуре 5 изображен внешний вид передаточного зубчатого колеса. Здесь 9 - шарнир, 10 - держатель, 11 - круглое основание.