УЛУЧШЕННЫЙ 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 плавного регулирования передаточного числа редуктора, что ограничивает область его применения.
Также известен механический редуктор вертолета соосной схемы [патент РФ на полезную модель №189572], содержащий два шкива, один из которых является ведущим, другой ведомым, упомянутые шкивы имеют коническую форму в продольном сечении к оси вращения, и располагаются взаимно-обратно, причем большему диаметру одного шкива соответствует меньший диаметр другого. Передаточное кольцо установлено на одном из шкивов, имея диаметр больше диаметра шкива, и выполнено с наклоном стенок внутрь, совпадающим по углу с углом наклона рабочих поверхностей шкивов. Передаточное кольцо оснащено резиновым покрытием изнутри и снаружи. Данное решение является наиболее близким прототипом.
К недостаткам такого решения можно отнести размещение шкивов в редукторе раздельно друг от друга, что увеличивает габариты. К недостаткам также можно отнести наклон стенок передаточного кольца внутрь, что ведет к усложнению технологии его изготовления.
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, а также частая его замена на новый. Кроме того, существует возможность обрыва ремня при его высокой степени изношенности - что нежелательно в вариаторах средств движения, например в снегоходах.
На фигуре 1 представлена схема классического редуктора с ременной передачей, представляющая собой известный из уровня техники простейший вариант изменения механического передаточного числа. В таких устройствах два цилиндрических шкива располагаются на некотором расстоянии друг от друга. При этом в качестве передачи механического вращательного движения выступает гибкий ремень, который служит для переноса момента вращения. В таком варианте, соотношение диаметров шкивов определяет пропорцию скорости вращения ведущего и ведомого валов механического редуктора, а сила трения натянутого ремня о поверхности обеспечивает сцепление.
Подобные решения имеют ряд недостатков, в том числе при работе происходит растягивание гибкого ремня, и последующее проскальзывание при увеличенных 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. Внешний габарит всего редуктора в целом определяется, как минимум, суммой габаритного объема шкивов, или значительно превышает ее.
В редукторах, подобных изображенным на фигуре 1, возможны разные коэффициенты передачи вращательного движения (передаточные числа). В общем случае, передача вращательного движения будет пропорциональна соотношению между диаметрами двух шкивов. 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.
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.
Из уровня техники известен механического редуктора с возможностью плавной регулировки оборотов, это решение выбрано за основной прототип и использует два установленных параллельно-встречно шкива с конической формой, причем для передачи механического усилия с ведущего шкива на ведомый шкив используется передаточное кольцо.
Устройство выбранного основным прототипом решения, а также его принцип действия показан на фигуре 2. Здесь 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 в сторону увеличения или уменьшения - в зависимости от положения передаточного кольца на продольных осях вращения (показаны 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. На середине шкивов действует равное передаточное число, в этом положении скорости вращения ведущего и ведомого шкивов будут совпадать. По этой причине в этом случае возможно снятие механического вращательного усилия только с ограниченного участка рабочей поверхности шкивов.
В качестве передачи механического усилия между ведущим и ведомым валами в известном из уровня техники механическом редукторе предлагается использовать передаточное кольцо 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 валами механического редуктора. Форма самого кольца такова, чтобы обеспечивать параллельность всех осей вращения: обоих шкивов и передаточного кольца.
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. Это решение повышает надежность редуктора в сравнении с другими ременными передачами. Также возможно регулирование коэффициента редукции 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. Выбранное за основной прототип решение имеет стальное кольцо - имеющее постоянный профиль и не подверженное деформации, в качестве средства передачи механического усилия между шкивами. Это позволяет избежать старения и облегчить режим резинового покрытия в упомянутом передаточном кольце.
На фигуре 3 показано поперечное сечение известного из техники механического редуктора, где видно, что передаточное кольцо охватывает один из шкивов, который расположен внутри него. Это позволило сократить объем пространства, необходимый для реализации такого решения. Диаметр упомянутого передаточного кольца должен превышать наибольший диаметр конического шкива. Все описанные особенности механического редуктора позволяют повысить надежность работы средства передачи механического вращения (передаточного кольца), и обеспечить плавное регулирование передаточного числа в широком диапазоне - с проходом через равенство угловых скоростей (то есть равенство 1 передаточного числа).
На фигуре 4 показано продольное сечение шкива заявляемого решения (относительно его оси вращения), откуда наглядно виден большой диаметр боковой поверхности шкива на одном его конце, и малый диаметр боковой поверхности на другом его конце, также на рисунке наглядно показаны угол наклона боковой поверхности конуса, равный 45 градусам по сравнению с идеальным цилиндром с углом наклона боковой поверхности 0 градусов.
На фигуре 5 показано продольное к осям сечение, поясняющее работу заявляемого решения и выполненное в плоскости, на которой лежат оси вращения двух шкивов и передаточного кольца. Из рисунка видно, что шкив с меньшим диаметром размещен в полости другого шкива, с большим диаметром, причем их угол между их осями вращения составляет 90 градусов, что может быть удобно в ряде практических случаев (например, при расположении двигателя вдоль корпуса транспортного средства и необходимости передачи механического усилия в плоскости вращения осей колес). Также на рисунке видно, что грани боковых поверхностей шкивов передают усилие через передаточное кольцо, причем наружная боковая поверхность малого шкива передает механическое усилие через передаточное кольцо, выполненное цилиндрическим.
Угол наклона боковых поверхностей шкивов равный 45 градусам дает совпадение поверхностей (внутренней одного с внешней другого шкива) при угле между осями вращения шкивов 90 градусов, что отличает предлагаемое решение от его основного прототипа и многих других аналогов.
Меньший из шкивов устанавливают внутри полости большего шкива, оба они выполняются полыми как это и показано на фигурах 4 и 5, что дает меньшую массу и себестоимость. Шкивы устанавливаются вплотную, чтобы обеспечивать обжатие передаточного кольца, которое имеет обрезиненные наружную и внутреннюю поверхности для обеспечения повышенного трения поверхностей при передаче вращающего усилия. Передаточное кольцо имеет внутренний диаметр, больший чем наибольший наружный диаметр малого шкива и наружный диаметр, меньший чем наименьший внутренний диаметр большого шкива. Это возможно при условии, что малый диаметр большего из шкивов намного больше малого диаметр меньшего из шкивов, в таком случае возможен контакт боковых поверхностей шкивов по всей длине.
Заявленное решение является простым и практически применимым -позволяя улучшить технические характеристики. Исполнение передаточного кольца цилиндрическим (без наклона ее стенок) позволило упростить технологию его изготовления, а расположение шкивов внутри друг друга достигается выполнением их полыми.
В заявляемом решении уменьшение габаритов достигнуто следующим путем - а именно, заменой стального кольца с резиновыми покрытиями и наклоненными стенками на цилиндрическое, и размещение двух шкивов внутри друг друга - что позволило уменьшить занимаемый ими габаритный объем. Передаточное кольцо также располагается внутри шкива с большим диаметром. Конструкция предлагаемого решения по технической сути проста и легко реализуема, что дает возможность широко применять ее в промышленности.
Заявляемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- передаточное кольцо выполняется цилиндрическим, без наклона его стенок внутрь;
- угол наклона боковой поверхности конуса в обоих шкивах равен 45 градусам;
- угол между осями вращения двух шкивов составляет 90 градусов;
- шкивы выполняются полыми изнутри, причем шкив меньшего диаметра устанавливается внутри шкива с большим диаметром, так что наружная боковая поверхность шкива меньшего диаметра соприкасается через передаточное кольцо с внутренней боковой поверхностью шкива с большим диаметра.
Таким образом, существенные признаки полезной модели приводят к новому техническому результату - уменьшению габаритов редуктора, по сравнению с другими механическими передачами. Отличительные признаки решения в их совокупности неизвестны из уровня техники.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен разрез классического ременного редуктора. Здесь 1 - шкив, 2 - ремень. На фигуре 2 изображен разрез известного из уровня техники механического редуктора в плоскости продольных осей валов. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 3 изображено сечение известного из уровня техники механического редуктора в поперечной к осям валов плоскости. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 4 изображено продольное сечение шкива улучшенного механического редуктора. На фигуре 5 изображено сечение улучшенного механического редуктора в продольной к осям валов плоскости. Здесь 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо.
Список использованной литературы.
1. Коптяев Е.Н. Механический редуктор. Патент РФ на полезную модель №189572.