МЕХАНИЧЕСКИЙ РЕДУКТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к механическим передачам вращательного движения.
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 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 фиг. 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 фиг. 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.
Принцип действия решения, выбранного за основной прототип, становится очевиден из фиг. 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 фиг. 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 (показанных пунктирной линией), 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 предлагается использовать передаточное кольцо, выполняемое в виде окружности из металла, покрытое изнутри и снаружи резиной для увеличения коэффициента сцепления с поверхностями шкивов (показано на фиг. 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 постоянство угла наклона в зазоре между ними. Упомянутое выше передаточное кольцо выполняется с наклоном вовнутрь, имеющим тот же угол, что и наклон внутрь рабочих поверхностей конических шкивов, и благодаря возможности передвигаться вдоль оси вращения шкивов реализует изменение передаточного числа.
Основным достигаемым результатом является повышение надежности редуктора, в сравнении с другими ременными передачами. Также возможно регулирование коэффициента передачи механического редуктора за счет перемещения передаточного кольца вдоль оси вращения.
Опыт эксплуатации ременных вариаторов (например, при передаче скоростей в снегоходах) показывает ограниченную надежность ремней, выполняемых, как правило, из резины. Это приводит к скорому износу и разрыву ремня, часто непредсказуемо по длительности отработанного ими времени. Описанное решение имеет стальное кольцо - один постоянный профиль, который не подвержен деформации, в качестве средства передачи механического усилия между двумя шкивами. Это позволило избежать старения и облегчить режим работы резинового покрытия в упомянутом передаточном кольце. Это наряду с возможностью плавного регулирования коэффициента передачи являются преимуществами прототипа.
На фиг. 3 показан поперечный разрез механического редуктора, где 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 условиям сцепления нагрузка будет меньше.
Предлагаемое решение указанного недостатка.
Его конструкция на фиг. 4, где видно два передаточных кольца, внутренние поверхности на которых прорезинены и контактируют с поверхностями шкивов, а снаружи расположены зубцы, образующие между передаточными кольцами зубчатую передачу. То есть имеет место симметричное построение редуктора, когда оба шкива работают с одинаковым (повышенным) сцеплением с внутренней поверхностью соответствующих им колец передаточных.
Зубчатая поверхность снаружи двух передаточных колец обеспечивает жесткое механическое сцепление между ними, и образует собой зубчатую передачу. При вращении одного передаточного кольца усилие передается на другое с жестким механическим зацеплением между ними, а поверхность внутри кольца прорезинена и имеет большую площадь соприкосновения со шкивом, чем в решении, выбранном за основной прототип.
Представленное решение является простым и потому практически применимым, позволяя достичь улучшения технических характеристик. Введение дополнительного передаточного кольца и зубчатой структуры снаружи передаточных колец, а также расположение второго шкива, внутри введенного впервые дополнительного передаточного кольца, обеспечило рост площади соприкосновения поверхности, в сравнении с прототипом, и соответствующий ему рост сцепления и допустимой механической нагрузки на линии вала выходного шкива. Расположение колец параллельно навстречу соответствует ориентации шкивов относительно друг другу и обеспечивает контакт зубцов передаточных колец между собой.
При работе предложенного решения будет обеспечиваться обратное направление вращения валов шкивов относительно друг друга.
Конструкция предлагаемого решения является простой и легко реализуемой, что дает возможность применять ее в промышленности.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
оба шкива установлены внутри передаточных колец;
передаточные кольца имеют внутренний диаметр больше наибольшего диаметра соответствующего им шкива;
передаточные кольца выполнены с наклоном стенок вовнутрь, совпадающим с углом наклона рабочих поверхностей шкивов, но установлены параллельно навстречу;
передаточные кольца оснащены резиновым покрытием только изнутри, и зубцами снаружи, так что наружные поверхности передаточных колец образуют между собой зубчатую передачу.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - улучшению сцепления между ведущим и ведомым шкивами и увеличению допустимой нагрузки на валу ведомого шкива. Вся совокупность отличительных признаков решения неизвестна из уровня техники.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен классический ременной редуктор. Здесь 1 - шкив, 2 - ремень. На фиг. 2 сечение известного из уровня техники механического редуктора в продольной плоскости. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фиг. 3 изображено сечение известного из уровня техники механического редуктора в поперечной плоскости. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фиг. 4 изображено сечение предлагаемого механического редуктора в поперечной плоскости. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо.