КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ВАРИАТОРА НЕФРИКЦИОННОГО ТИПА
OSCILLATORY MECHANISM OF HIGH-TORQUE VARIATOR OF NON-FRICTION TYPE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для преобразования однонаправленного вращения входного звена механизма в колебательное вращение выходного звена с плавно изменяемым размахом его колебаний, что может быть использовано в высокомоментных вариаторах нефрикционного типа, объемных регулируемых гидромашинах и других устройствах при большой передаваемой мощности.
Известны колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний колебательного вала, являющегося выходным звеном механизма. Такой механизм является необходимым устройством в высокомоментных вариаторах нефрикционного типа. Например, известны кулачковые колебательные механизмы, обеспечивающие равномерность вращения выходного вала высокомоментных вариаторов [1-3], а конструктивно более простые некулачковые колебательные механизмы, например [4], не обеспечивают высокой равномерности вращения выходных валов вариаторов. Известны также механизмы с качающейся шайбой, в которых угол положения шайбы относительно оси входного вала принудительно изменяется на работающем механизме [5 и 6].
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату колебательный механизм [7], содержащий корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной вал и с перпендикулярной ему осью колебательный вал, механизм качающейся шайбы, включающий в себя посаженный на цапфах входного вала кривошип, в виде втулки, устройство принудительного изменения угла наклона кривошипа относительно оси входного вала и образующий с кривошипом вращательно-поступательную пару качающуюся шайбу, связанную цапфами шайбы с колебательным валом посредством выполненной на нем опорной вилки с возможностью обеспечения одной из центральных осей качающейся шайбы перемещение в плоскости оси входного вала.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный механизм содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной вал и с перпендикулярной ему осью колебательный вал, а также механизм качающейся шайбы, включающий в себя посаженный на цапфах входного вала кривошип, устройство принудительного изменения угла наклона кривошипа относительно оси входного вала и образующую с кривошипом вращательную пару качающуюся шайбу, связанную с корпусом с возможностью обеспечения одной из центральных осей качающейся шайбы перемещение в плоскости оси входного вала, например, с помощью установленной на подшипнике в корпусе с перпендикулярной оси входного вала осью вращения опорной вилки, связанной цапфами шайбы с качающейся шайбой.
В известном механизме колебательный вал в мертвых точках имеет недостаточный выстой для обеспечения высокой равномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора, а так как у механизма один колебательный вал, то для вариатора требуется пара таких механизмов, что усложняет конструкцию вариатора.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением эксплуатационных характеристик.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной вал и скрещивающийся с ним под прямым углом колебательный вал, а также механизм качающейся шайбы, включающий в себя посаженный на цапфы входного вала кривошип, устройство принудительного изменения угла наклона кривошипа относительно оси входного вала и образующую с кривошипом вращательную пару качающуюся шайбу, связанную с корпусом с возможностью обеспечения одной из центральных осей качающейся шайбы перемещение в плоскости оси входного вала, например, с помощью установленной на подшипнике в корпусе связанной цапфами шайбы с качающейся шайбой опорной вилки, с перпендикулярной входному валу осью вращения, при этом колебательный вал снабжен коромыслом, а на качающейся шайбе установлена с возможностью вращения скрещивающаяся под прямым углом с осью кривошипа трубчатая направляющая, с размещенным в ней шаровым роликом, образующим с коромыслом поступательно-вращательную пару.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Входной и колебательный валы смонтированы скрещивающимися, колебательный вал снабжен коромыслом, а на качающейся шайбе установлена с возможностью вращения скрещивающаяся под прямым углом с осью кривошипа трубчатая направляющая с размещенным в ней шаровым роликом, образующим с коромыслом поступательно-вращательную пару.
На фиг.1-7 дан вариант конструкции предлагаемого колебательного механизма; на фиг.8 графики γ(α) и φ(α); на фиг.9-12 представлен пример использования колебательного механизма в высокомоментном вариаторе нефрикционного типа; на фиг.13 и 14 показаны кинематические характеристики вариатора; на фиг.15 - графики Ω(β) и М(β); на фиг.16 - вариант исполнения входного вала.
1
Предлагаемый механизм (фиг.1-7) содержит корпус 1, установленные на подшипниках в корпусе с осью Z входной вал 2 и скрещивающийся с ним под прямым углом колебательный вал 3 с коромыслом 4 (Х - ось колебательного вала), а также механизм качающейся шайбы, включающий в себя посаженный посредством двух цапф 5 входного вала кривошип 6 (z - пересекающаяся с осью Z в точке О ось кривошипа) и установленную на подшипниках 7 кривошипа качающуюся шайбу 8 с цилиндрическими проушинами 9 с шипами 10, на которые с возможностью вращения установлена с осью АВ, скрещивающейся с осью кривошипа z под прямым углом, трубчатая направляющая 11 с шаровым роликом 12. О - центр качающейся шайбы, Oxyz - связанная с качающейся шайбой декартова система координат. На качающейся шайбе выполнены противовес 13 и соосно центральной оси шайбы x пара цапф шайбы 14, а также закреплены соосно оси z два стакана 15 подшипников 7. В корпусе с возможностью вращения установлена опорная вилка 16, взаимодействующая с качающейся шайбой посредством цапф шайбы 14, Y - ось вращения опорной вилки, проходящая через центр O перпендикулярно осям Z и x, OXYZ - связанная с корпусом декартова система координат.
Механизм снабжен устройством принудительного изменения угла β наклона оси z кривошипа 6 относительно оси Z входного вала 2. Это устройство содержит образующие винтовую пару винт 17 с рукояткой управления 18 и закрепленную на корпусе гайку 19. На винте с возможностью вращения с осевой фиксацией установлен ползун 20, связанный штифтом 21 с поворотником 22. В поворотнике выполнены прямоугольный паз 23 и цилидрический палец 24, в пазу размещена с возможностью вращения в кривошипе 6 планка 25, образующая с поворотником поступательную пару. Поворотник 22 с ползуном 20 установлены внутри входного вала с возможностью осевого перемещения за счет направляющей 26 и цилиндра 27, при этом поворотник фиксирован от поворота относительно входного вала плоской направляющей 28.
ка
a
Механизм действует следующим образом. Вращающийся с угловой скоростью ω входной вал 2 совместно с кривошипом 6 сообщает качающейся шайбе 8 движение относительно неподвижного центра O. Характер движения различных точек качающейся шайбы зависит от их положения. Перемещения точек на оси x возможно только в плоскости OXZ, из-за кинематической связи с опорной вилкой 16. α - угол поворота входного вала. Колебательное вращение колебательного вала 3 с угловой скоростью ω осуществляется от качающейся шайбы через коромысло 4, взаимодействующее с шаровым роликом 12, посаженным в трубчатую направляющую 11. Такая особенность конструкции позволяет перемещать контактную точку E в центральной плоскости Oxy качающейся шайбы, что влияет на характер колебаний колебательного вала, то есть на функцию угла поворота γ(α), которая зависит от параметров механизма (см. фиг.1, 4 и 5):
D
1) положение колебательного вала 3 (Y);
D
2) положение коромысла 4 (X, τ);
A
3) ориентация оси AB трубчатой направляющей 12 (y и µ).
a
max
ка
max
Размах колебаний колебательного вала λ=2|γ| зависит от угла β наклона оси z кривошипа 6 к оси Z входного вала, который можно изменять вращением рукоятки управления 18. При этом винт 17 перемещается вдоль оси входного вала вместе с ползуном 27 и поворотником 22. Поворотник своим прямоугольным пазом 23, контактируя с планкой 25, поворачивает кривошип. При β=0 скорость колебательного вала ω=0, а при максимальном перемещении винта h угол β и размах колебаний λ максимальны.
a
a
Зависимость угла поворота колебательного вала γ(α) при полуобороте входного вала показана на фиг.8, где пунктиром дана функция угла поворота опорной вилки φ(α) при β=28,8°. φ - угол поворота колебательного вала в механизме [7], принятом за прототип. На представленных графиках видно, что в окрестности мертвой точки k имеем сравнительно более продолжительный выстой колебательного вала предлагаемого устройства, чем у прототипа, так как кривизна γ(α=90°) меньше кривизны φ(α=90°). Это позволяет иметь меньшую более чем в два раза в сравнении с прототипом неравномерность вращения выходного вала вариатора при использовании предлагаемого механизма.
b
Колебательный вал, установленный симметрично показанному на фиг.4, имеет сдвинутые по фазе 90° кинематические характеристики. Угол поворота этого колебательного вала γ(α) показан на фиг.8. Это свойство позволяет использовать предлагаемый механизм в высокомоментном вариаторе нефрикционного типа с одной качающейся шайбой и с парой колебательных валов 3а и 3b. Конструкция такого вариатора показана на фиг.9-12, где 2 - входной, а 29 - выходной валы. На выходном валу смонтирован дифференциал с парой установленных с возможностью относительного вращения зубчатых колес 30, и на этом валу закреплено водило 31 с сателлитом 32, сцепленным с зубчатыми колесами. На шпонках 33 каждой из зубчатых колес посажена пара обгонных муфт 34 с ведущими полумуфтами 35 и 36, выполненных в виде шкивов. На каждом колебательном валу выполнена пара шкивов 37 и 38, связанных с ведущими полумуфтами соответственно 35 и 36, закрепленными на шкивах тросами 39, с возможностью передачи от колебательных валов через обгонные муфты однонаправленного вращения зубчатым колесам со скоростями
a
ка
b
кb
ω=|ω|(r/R) и ω=|ω|(r/R),
где r и R - радиусы шкивов (фиг.10).
Скорость водила 31 дифференциала, следовательно, выходного вала 29 вариатора
a
b
Ω=0,5(ω+ω).
Коэффициент неравномерности вращения выходного вала
,
где  - среднее значение скорости выходного вала;
M - передаваемый выходным валом момент.
Коэффициент неравномерности δ существенно зависит от параметров колебательного механизма (фиг.13). Минимальное значение δ=0,07 достигается при угле наклона оси AB цилиндрической направляющей µ=30°.
На фиг.14 даны кинематические параметры вариатора при частоте вращения входного вала n=1000 об/мин (ω=104,7 рад/с) и β=20°.
st
При изменении угла β от 0° до 20° рукояткой управления 18 варьируются передаваемый момент M и скорость Ω выходного вала 29 от 0 до 18,4 рад/с, и в стоповом режиме (при β~0°) имеем на выходном валу пиковый передаваемый момент M (фиг.15).
Применение предлагаемого колебательного механизма в высокомоментном вариаторе нефрикционного типа позволяет упростить его конструкцию за счет отсутствия сложных кулачковых колебательных механизмов [1-3], при этом обеспечивается достаточно высокая равномерность вращения выходного вала, которая может быть уменьшена до нуля за счет обгона в обгонных муфтах. Благодаря обгону (фиг.15) имеет место автоматическое изменение передаточного отношения вариатора (эффект саморегулирования [8 и 9]): при уменьшении передаваемого момента M скорость выходного вала Ω возрастает при фиксированной рукоятке управления 18.
Статическая балансировка механизма осуществляется противовесом 13 на качающейся шайбе, а динамическая - применением двух маховиков 40 и 41, посаженных на концах входного вала 2 (фиг.16).
В вариаторах данного типа следует применять зубчатые нефрикционные обгонные муфты [10-12], у которых угол срабатывания равен нулю при большом передаваемом моменте.
Информация о высокомоментных вариаторах нефрикционного типа дана на сайте [13].
Источники информации
1. DE 3309044, F16H 29/08, 14.03.83.
2. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В.Пылаев).
3. RU 2409779 С1, F16H 29/08, 06.07.2009 (Б.В.Пылаев).
4. RU 2250400 С1, F16H 29/08,06.10.2003 (Б.В.Пылаев).
5. DE 2659958, F16H 23/08, 30.07.76.
6. SU 1096417 А, F16H 23/04, 03.06.82.
7. RU 2207463 С2, F16H 23/04, 06.03.2001 (Б.В.Пылаев).
8. RU 2313019 С2, F16H 29/08, 28.12.2005 (Б.В.Пылаев).
9. Б.В.Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С.12-16.
10. Б.В.Пылаев, А.А.Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2008. №6. С.3-6.
11. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В.Пылаев, А.А.Шамин).
12. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В.Пылаев, А.А.Шамин)
13. http://vmvp.ru