КУЛАЧКОВЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ВАРИАТОР
CAM PULSE VARIATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к передачам для бесступенчатого регулирования скорости движения выходного звена, и может быть использовано, например, в высевающих узлах сельскохозяйственных машин, а также в других приводах машин и механизмов.
Известен кулачковый импульсный вариатор (см. описание к патенту №2127843, МПК F16H 29/02, опубл. 20.03.1999 г.). Вариатор содержит корпус, в котором расположены ведущий вал с жестко установленным на нем кулачком, преобразующий механизм, включающий в себя ведомый вал с расположенным на нем механизмом свободного хода. Преобразующий механизм имеет возможность качаться вокруг оси. Также в корпусе размещены толкатель, находящийся посредством пружины в постоянном контакте с кулачком и шарнирно связанный с ведущей обоймой механизма свободного хода; механизм регулирования, состоящий из ползуна, который перемещается вдоль толкателя по направляющим, и шарнирной опоры, поворотно размещенной в цилиндрической расточке ползуна, в отверстии которой свободно установлен толкатель. Причем параллельно первому преобразующему механизму в корпусе установлен второй преобразующий механизм, толкатель которого расположен с противоположной стороны относительно кулачка ведущего вала и связан с толкателем первого преобразующего механизма прижимным устройством, прижимающим оба толкателя к кулачку. Ведомый вал второго преобразующего механизма связан с ведомым валом первого преобразующего механизма зубчатой передачей.
Недостатком такого вариатора является то, что расположение толкателей с противоположных сторон кулачка приводит к повышенной неуравновешенности перемещающихся масс привода, так как оба толкателя совместно с прижимным устройством перемещаются кулачком синхронно в одном и том же направлении. В результате неуравновешенность привода и асимметричность кулачка вызывают вибрацию корпуса и, следовательно, ограничивают быстроходность вариатора. Вариатор может работать только в редукторном режиме, то есть частота вращения ведомого вала меньше частоты вращения ведущего вала, так как угол поворота ведомого вала за один оборот ведущего вала при любом положении ползуна незначителен из-за ограниченной величины подъема кулачка, размеры которого жестко связаны с межосевым расстоянием применяемых механизмов свободного хода. Также недостатком данного вариатора является то, что параллельное расположение механизмов свободного хода на двух ведомых валах требует необходимость их кинематической связи с помощью зубчатой передачи, что усложняет конструкцию.
Известен также импульсный вариатор (см. описание к патенту №2127385, МПК F16H 29/02, опубл. 10.03.1999 г.), содержащий корпус, в котором расположены ведущий вал с кривошипной шейкой, шатун, поворотно установленный на кривошипной шейке и шарнирно связанный с одним концом кулисы, ведомый вал с механизмом свободного хода, ведущая обойма которого шарнирно связана со вторым концом кулисы. Механизм регулирования состоит из ползуна, имеющего возможность перемещения вдоль кулисы по направляющим, и шарнирной опоры поворотно размещенной в цилиндрической расточке ползуна, в отверстии которой свободно установлена кулиса.
Однако данный вариатор имеет трудоемкий в изготовлении корпус с точными направляющими, по которым должен перемещаться ползун. Ось регулировочного винта, ввинчиваемого в ползун, смещена от центра ползуна, что вызывает появление силы, стремящейся повернуть ползун, и в итоге может привести к заклиниванию ползуна в направляющих. При работе шатун и кулиса совершают сложные движения и создают неуравновешенные центробежные силы, приводящие к вибрации вариатора, что ограничивает его быстроходность. Конструкция кулисы и шатуна данного вариатора не позволяет получать разные законы изменения частоты вращения ведомого вала. Вариатор может работать только в редукторном режиме, то есть частота вращения ведомого вала меньше частоты вращения ведущего вала, так как угол качания кулисы и, следовательно, угол поворота ведомого вала за один оборот ведущего вала при любом положении ползуна незначителен из-за ограниченной величины эксцентриситета кривошипной шейки ведущего вала.
Наиболее близким, принятым за прототип, является кулачковый импульсный вариатор (см. описание к авторскому свидетельству №937854, МПК F16H 29/04, опубл. 23.06.1982 г.), который содержит ведущий вал с тремя кулачками, которые смещены на угол 120°; ведомый вал с механизмами свободного хода, толкатели, взаимодействующие одним концом с кулачками, а другим - с механизмами свободного хода; и регулирующий механизм, выполненный в виде поворотного упора, ограничивающего угол качания толкателя.
Недостатком данного вариатора является большое количество механизмов свободного хода, сложных в изготовлении, что приводит к увеличению себестоимости вариатора и к увеличению его габаритов. Кроме того, несмотря на увеличение суммарного угла поворота ведомого вала за один оборот ведущего вала за счет наличия трех преобразующих механизмов такой вариатор может работать только в редукторном режиме, так как в данной конструкции угол качания толкателя небольшой даже при использовании кулачков с большим подъемом. Регулирующий механизм вследствие малого угла поворота упора не обеспечивает высокую точность задания положения толкателя и, следовательно, частоты вращения ведомого вала.
Задачей заявленного изобретения является создание устройства с широким диапазоном изменения передаточного отношения, обеспечивающего получение частоты вращения ведомого вала от минимальной вплоть до остановки до максимальной, равной или выше частоты вращения ведущего вала, при импульсной, но безударной передаче вращающего момента на ведомый вал во всем диапазоне регулирования; минимизирование воздействия на корпус устройства неуравновешенных движущихся масс устройства.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый кулачковый импульсный вариатор содержит корпус, расположенные в нем ведущий вал, ведомый вал, преобразующие механизмы, каждый из которых включает в себя кулачок, жестко установленный на ведущем валу, рычаг, взаимодействующий с кулачком и имеющий возможность качаться, пружину, механизм свободного хода, расположенный на ведомом валу; механизм регулирования. Заявленный вариатор отличается от прототипа тем, что рычаг содержит зубчатый сектор, а механизм свободного хода включает в себя зубчатый венец, кинематически связанный посредством зубчатой передачи с зубчатым сектором рычага, при этом делительный диаметр зубчатого сектора рычага больше делительного диаметра зубчатого венца механизма свободного хода, каждый преобразующий механизм включает в себя качающееся водило, установленное одним концом на ведомом валу, а вторым концом на оси рычага. Механизм регулирования вариатора включает в себя установленную в корпусе ось, на которой закреплена вилка с упорными выступами, каждый из которых взаимодействует с соответствующим преобразующим механизмом.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить получение широкого диапазона передаточного отношения вариатора, близкого к нулю и достигающего единицы и более благодаря применению двух или более преобразующих механизмов, имеющих зубчатую передачу, состоящую из рычага с зубчатым сектором большего делительного диаметра и механизма свободного хода с зубчатым венцом меньшего делительного диаметра, находящихся в постоянном зацеплении благодаря наличию в преобразующих механизмах качающихся водил. Также устройство обеспечивает минимизацию неуравновешенности движущихся масс преобразующих механизмов благодаря их противофазному движению и симметричной форме кулачков.
Сущность заявляемого вариатора поясняется чертежами. На фиг.1 изображен кулачковый импульсный вариатор в разрезе; на фиг.2 изображен разрез А-А; на фиг.3 изображен разрез Б-Б.
1
2
3
Кулачковый импульсный вариатор содержит корпус 1, расположенные в нем ведущий вал 2, ведомый вал 3, преобразующие механизмы и механизм регулирования. Каждый преобразующий механизм состоит из кулачка 4 симметричной формы с двумя выступами, установленного на ведущем валу 2, механизма свободного хода 5 с зубчатым венцом, выполненным, например, в виде обгонной муфты, водила 6, выполненного, например, в виде двух планок и установленного на ведомом валу 3, и оси 7, рычага 8, имеющего ролик 9, выполненный, например, в виде подшипника качения и установленный на оси 10, имеющего зубчатый сектор и свободно установленного на совместной с водилом оси 7, пружины 11, соединяющей рычаг 8 и корпус 1. Расстояние между осью 10 и осью 7 рычага 8 составляет длину l. Механизм регулирования, общий для всех преобразующих механизмов, состоит из вилки 12 с упорными выступами, взаимодействующими с соответствующими рычагами 8, установленной жестко на оси 13, которая может вращаться и устанавливаться в любое положение в пределах угла α с помощью рукоятки 14, что приводит к соответствующему изменению длин l и l плеч рычага 8. Рычаги 8 под воздействием пружин 11 постоянно контактируют через ролики 9 с кулачками 4 и с упорными выступами вилки 12, а также находятся в постоянном зацеплении через зубчатый сектор с зубчатым венцом механизма свободного хода 5 благодаря водилу 6, имеющему длину L, равную межосевому расстоянию данной зубчатой передачи.
1
2
3
В предлагаемом вариаторе плавность работы и передаточное отношение зависит от количества преобразующих механизмов, количества и величины подъема выступов каждого кулачка, отношения делительных диаметров зубчатого сектора рычага и зубчатого венца механизма свободного хода, величины размеров L, l, l, l (в данном случае рассматривается вариатор с двумя преобразующими механизмами, имеющий передаточное отношение, изменяющееся от близкого к нулю до достигающего единицы и более, а каждый кулачок имеет два выступа).
Предложенный кулачковый импульсный вариатор работает следующим образом.
На ведущем валу 2 жестко устанавливаются два кулачка 4 под углом 90° относительно друг друга. При необходимости более плавной работы вариатора можно установить большее количество кулачков. В зависимости от количества кулачков 4 в корпусе 1 устанавливается соответствующее количество преобразующих механизмов.
Ведущий вал 2 приводится во вращение, например, равномерное в любую сторону, которое преобразующими механизмами преобразуется в однонаправленное импульсное, но безударное вращение ведомого вала 3, в преобразующем механизме рычаг 8 может совершать сложное движение с поворотом на оси 7 относительно водила 6 и вместе с водилом относительно ведомого вала 3, при этом водило всегда сохраняет межосевое расстояние для нормального зацепления зубчатого сектора рычага с зубчатым венцом механизма свободного хода 5, в исходном положении рычаг 8 и водило 6 вследствие усилия пружины 11 занимают положение, при котором рычаг через ролик 9 контактирует с кулачком 4, а боковой поверхностью С контактирует с упорным выступом вилки 12.
2
При вращении кулачка 4 происходит непрерывное обкатывание ролика 9 по поверхности кулачка, что приводит к качательному движению рычага относительно упорного выступа вилки 12 с углом качания, зависящим от величины расстояния l. Через совместную ось 7 водило 6 приводится от рычага 8 в качательное движение относительно ведомого вала 3, создавая при этом условия для сохранения межосевого расстояния зубчатого сектора рычага и зубчатого венца механизма свободного хода 5. Совершая качательное движение рычаг 8 заставляет посредством зубчатого сектора поворачиваться зубчатый венец механизма свободного хода 5 в том или ином направлении на угол, зависящий от соотношения делительных диаметров зубчатого сектора рычага и зубчатого венца механизма свободного хода. При этом зубчатый венец механизма свободного хода 5 поворачивается на значительно больший по сравнению с углом поворота зубчатого сектора рычага 8 угол, так как делительный диаметр зубчатого сектора рычага больше делительного диаметра зубчатого венца механизма свободного хода. Угловые перемещения зубчатого венца механизма свободного хода преобразуются в однонаправленное вращение ведомого вала 3.
При сбегании ролика 9 с выступа кулачка 4 под воздействием пружины 11 происходит обратный поворот рычага 8 и, следовательно, зубчатого венца механизма свободного хода 5, который при этом разъединяется и прекращает поворот ведомого вала 3. При дальнейшем повороте ведущего вала 2 происходит набегание второго кулачка 4 на ролик 9 и процесс повторяется. В описанном случае кулачки 4 установлены на ведущем валу 2 под углом 90° относительно друг друга, благодаря чему преобразующие механизмы работают поочередно. При этом поворот ведомого вала 3 производится преобразующими механизмами импульсами с удвоением частоты, что улучшает плавность вращения ведомого вала. Кроме того, происходит противофазное движение неуравновешенных масс преобразующих механизмов, что минимизирует их воздействие на корпус вариатора.
3
2
2
3
3
2
Регулирование частоты вращения ведомого вала 3 обеспечивается путем изменения амплитуды качательного движения рычагов 8 одновременно в обоих преобразующих механизмах путем изменения отношения длин l/l плеч рычага 8 до линии контакта, относительно которой происходит поворот рычагов, где l - длина плеча от оси 10 ролика 9 до упорного выступа вилки 12 (линии контакта), l - длина плеча от упорного выступа вилки 12 (линии контакта) до линии контакта зубьев зубчатого сектора рычага с зубьями зубчатого венца механизма свободного хода 5. В положении вилки 12, показанном на фиг.1, отношение l/l максимально, при этом максимален угол качания рычагов 8 и, соответственно, передаточное отношение вариатора равно
max
3
2
min
min
i. В положении вилки 12, показанном пунктиром на фиг.1, отношение l/l минимально, при этом минимален угол качания рычагов 8 и, соответственно, передаточное отношение вариатора равно i, которое с учетом угла холостого поворота механизма свободного хода достигает величины i=0.
min
max
Таким образом, благодаря применению в данном устройстве рычага с зубчатым сектором большего делительного диаметра и находящемся с ним в зацеплении зубчатого венца механизма свободного хода меньшего делительного диаметра, которые образуют зубчатую передачу, в предлагаемом кулачковом импульсном вариаторе обеспечивается возможность получения не только редукторного, но и ускоряющего режима с коэффициентом передачи от i до i, при сохранении крутящего момента на ведомом валу во всем диапазоне регулирования, ограниченном только величиной допускаемого момента для примененных механизмов свободного хода.
В предложенном кулачковом импульсном вариаторе неуравновешенными движущимися массами являются массы рычагов и водил, но благодаря противофазному движению создаваемые ими дисбалансы в значительной степени взаимокомпенсируются.
Заявляемый кулачковый импульсный вариатор может быть использован в высевающих узлах сельскохозяйственных машин, а также в других устройствах и машинах.