ИМПУЛЬСНЫЙ ВАРИАТОР С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПЕРЕХОДНЫМИ РЕЖИМАМИ
PULSE VARIATOR WITH CONTROLLED TRANSIT MODES

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приводах машин и механизмов в качестве регулируемой бесступенчатой передачи.
Импульсные регулируемые передачи (вариаторы) включают в свой состав следующие функционально связанные механизмы: генератор механических колебаний, регулирующий механизм и механизмы свободного хода (выпрямители механических колебаний). Вариаторы позволяют получать широкий диапазон регулирования скорости, однако имеют и существенные недостатки.
Во-первых, для них характерен большой коэффициент неравномерности хода выходного вала, что является негативным фактором, за исключением специальных случаев. Для улучшения равномерности разработаны конструкции генераторов колебаний, которые обеспечивают в период рабочего хода приблизительно постоянную скорость движения ведомого звена, т.е. имеющих постоянное передаточное число на некотором угле поворота ведущего вала. Среди таких механизмов известны механизм R-V-R (А.А.Благонравов «Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа». - М.: Машиностроение, 1977, с.108, рис.57), кулисные (А.А.Благонравов «Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа». - М.: Машиностроение, 1977, с.108, рис.58), (А.с. СССР 1260620, МКИ F16H 29/00), кулачковые (В.Ф.Мальцев «Механические импульсные передачи». - М.: Машиностроение, 1978, с.27, рис.23). (А.с. СССР 1321971, МКИ F16H 29/00), (А.с. СССР 712572, МКИ F16H 29/00). Как разновидность кулачковых, для улучшения равномерности вращения выходного вала разработаны генераторы с некруглыми зубчатыми колесами (А.с. СССР 1414990, МКИ F16H 29/04), основанные на том же принципе - обеспечения приблизительно постоянной скорости в период рабочего хода выпрямителя (механизма свободного хода).
Другой путь снижения неравномерности движения ведомого вала заключается в установке на главных валах вариатора упругих звеньев (А.А.Благонравов. «Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа» -М.: Машиностроение, 1977), (А.с. СССР 1425394, МКИ F16H 29/00).
Однако все упомянутые устройства обеспечивают равномерность движения лишь в определенной мере, оставляя ее зависимой от передаточного числа, а также от внешних условий работы бесступенчатой передачи.
Во-вторых, неуправляемый процесс включения и выключения механизмов свободного хода происходит под нагрузкой при относительном скольжении ведущих и ведомых звеньев, что ведет к быстрому выходу из строя этих деталей. Предлагаемые решения этого вопроса сводятся к конструктивным изменениям механизмов свободного хода с целью снижения давлений между трущимися поверхностями или снижения относительной скорости скольжения трущихся поверхностей (А.А.Благонравов «Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа». - М.: Машиностроение, 1977), (В.Ф.Мальцев «Механические импульсные передачи». - М.: Машиностроение, 1978), (А.И.Леонов «Микрохраповые механизмы свободного хода». - М.: Машиностроение, 1982). Но все конструкции выпрямителей не устраняют органически присущие им отмеченные выше недостатки.
В-третьих, вариаторы с механизмами свободного хода без принятия специальных мер могут передавать мощность только в одном направлении от двигателя к выходному валу, поэтому является затруднительным изменение направления передачи мощности в том случае, когда ведомый вал в процессе работы становится ведущим. Механическая импульсная передача (А.с. СССР 712572, МКИ F16H 29/02) позволяет осуществлять реверсирование выходного вала, однако не устраняет другие недостатки вариаторов, отмеченные выше.
В-четвертых, во всех известных конструкциях вариаторов (в силу их принципа работы и компоновки) к механизмам свободного хода предъявляются очень высокие требования по массе и габаритам (удельной передаваемой мощности), что не позволяет создать работоспособный вариатор сколько-нибудь значительной мощности.
Для преодоления отмеченных недостатков были предложены новые конструкции вариаторов (Пат. RU 2297565 С1, МПК F16H 29/08, Пат. RU 2335678 С1, МПК F16H 29/08). Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемой конструкции вариатора является импульсный вариатор (Пат. RU 2335678 С1, МПК F16H 29/08), содержащий генератор механических колебаний, регулирующий механизм и выпрямитель, а также суммирующие и дифференциальные механизмы и управляемые тормоза, ведущие звенья которых связаны с ведомыми звеньями генератора, устройство включения-выключения управляемых тормозов и механизм, суммирующий колебания скорости. При этом генератор вырабатывает колебательное движение ведомых звеньев с трапецеидальным законом изменения их скорости и фазами, последовательно смещенными относительно друг друга на четверть периода, а работа тормозов синхронизирована с работой генератора. Такая конструкция позволяет принципиально преодолеть первых три недостатка импульсных вариаторов и частично четвертый из отмеченных недостатков. Частично потому, что управляемые тормоза хотя и работают в значительно менее жестких условиях, чем муфты в вариаторе по патенту RU 2297565, а тем более МСХ, но условия работы тормозов изменяются в зависимости от установленного передаточного отношения, т.е. от передаваемого крутящего момента. Это приводит к противоречивым требованиям к конструкции тормозов. С одной стороны, при малых передаточных отношениях вариатора тормоз передает малый момент, но имеет высокую скорость вращения подвижных звеньев. Но с другой стороны, при больших передаточных отношениях вариатора тормоз передает большой момент, но имеет невысокую скорость вращения подвижных звеньев. Во втором случае для обеспечения прочности и долговечности тормозов требуется увеличивать размеры и массу их деталей, что ведет к ограничению передаваемой мощности.
Для увеличения передаваемой мощности и повышения надежности работы (при сохранении всех отмеченных положительных качеств прототипа) импульсный вариатор, содержащий генератор механических колебаний, который вырабатывает две серии колебательных движений ведомых звеньев с трапецеидальным законом изменения скоростей и с фазами, смещенными относительно друг друга на четверть периода, регулирующий механизм и выпрямитель механических колебаний с суммирующим механизмом с двумя входными валами, дополнительно содержит передаточные механизмы с регулируемым передаточным отношением, установленные между выходными валами дифференциальных механизмов и управляемыми тормозами.
При изменении передаточного отношения вариатора одновременно изменяются и передаточные отношения дополнительных передаточных механизмов таким образом, что вращающий момент, передаваемый тормозами, остается постоянным и оптимальным с точки зрения массогабаритных показателей всего вариатора. Таким образом, введение в конструкцию вариатора регулируемых передаточных механизмов между валами дифференциалов и управляемыми тормозами придает вариатору новое качество, а именно возможность обеспечения оптимальных условий работы тормозов при любом передаточном отношении, реализуемом в вариаторе, что повышает его надежность и долговечность.
На фиг.1 показана схема импульсного вариатора с управляемыми переходными режимами.
На фиг.2 приведены графики изменения скоростей на валах выпрямляющего механизма.
Импульсный вариатор состоит из входного звена - кулачка 1, двуплечих толкателей 2 и 2', причем длина одного плеча толкателя, сопряженного с кулисой 3 (3'), может изменяться при помощи специального механизма (В.Ф.Мальцев «Механические импульсные передачи». - М.: Машиностроение, 1978) не показанного на схеме. Кулиса 3 (3') жестко соединена с зубчатой рейкой 4 (4'), совершающей возвратно-поступательное движение. В зацеплении с рейкой находится зубчатое колесо, образующее звено 5 (5') с водилом дифференциального механизма. Звено 5 (5') образует вращательную кинематическую пару с блоком сдвоенных сателлитов 6 (6'). Эти сателлиты образуют зацепление с центральными колесами 7 (7') и 8 (8') дифференциального механизма. На одном валу с зубчатым колесом 7 (7') жестко установлено центральное колесо 9 (9') суммирующего механизма и входное звено передаточного механизма 18 (18') с тормозом 15 (15') на его выходном звене, а на одном валу с зубчатым колесом 8 (8') жестко установлено центральное колесо 10 (10') суммирующего механизма и входное звено передаточного механизма 17 (17') с тормозом 14 (14') на его выходном звене. В зацепление с колесами 9 (9') и 10 (10') входит блок сателлитов 11 (11') суммирующего механизма. Этот блок сателлитов образует вращательную кинематическую пару с водилом 12 (12') суммирующего механизма. В свою очередь водило 12 (12') образует звено с центральным колесом 13 (13') симметричного суммирующего механизма. Водило 16 этого механизма является выходным звеном вариатора.
На фиг.2 изображены диаграммы скоростей звеньев 9, 10, 12 и 9', 10', 12' и водила суммирующего механизма 16 за один период движения вариатора. Сплошной горизонтальной линией изображена скорость движения водила 16 симметричного суммирующего механизма как сумма участков диаграмм, принадлежащих указанным выше звеньям. На фиг.2 цифрами от 1 до 8 обозначены характерные участки диаграмм, соответствующие фазам движения звеньев.
При вращении кулачка 1 движение от него передается толкателям 2 и 2', совершающим вращательно-колебательное движение. Толкатели расположены так, что фазы их колебаний смещены относительно друг друга на четверть периода. Толкатели сообщают возвратно-поступательное движение кулисам 3 и 3'. Причем амплитуда колебаний кулисы может изменяться за счет изменения длины плеча толкателя, сопряженного с кулисой. Вместе с кулисами перемещаются зубчатые рейки 4 и 4', сообщая движение звеньям 5 и 5'. Благодаря свойствам кулисного механизма при изменении длины плеча двуплечего толкателя изменяется амплитуда колебаний реек, но трапецеидальный вид колебаний их скоростей не изменяется. От звена 5 (5') через сателлиты 6 (6') дифференциального механизма движение передается либо колесу 7 (7'), либо 8 (8') в зависимости от того, какое из них свободно, а какое заторможено через передаточный механизм 18 (18') тормозом 15 (15') или через передаточный механизм 17 (17') 14 (14'). Скорости вращения колес 7 (7') и 8 (8') суммируются на водиле 12 (12') суммирующего механизма. При этом числа зубьев зубчатых колес дифференциального и суммирующего механизма подобраны так, что передаточные отношения в кинематических цепях звеньев 5-6-7-9-11-12 (5'-6'-7'-9'-11'-12') и 5-6-8-10-11-12 (5'-6'-8'-10'-11'-12') равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Поэтому звенья 12 и 12' вращаются в одном направлении, хотя звенья 5 и 5' совершают колебательное движение. За счет формы профиля кулачка диаграммы скоростей движения этих звеньев имеют трапецеидальный вид, указанный на фиг.2. В свою очередь скорости движения звеньев 12 и 12' суммируются симметричным суммирующим механизмом и водило (16) движется равномерно с заданной наперед скоростью.
На первой фазе движения (фиг.2) зубчатое колесо 10 через передаточный механизм 17 остановлено тормозом 14, а колесо 10' через передаточный механизм 17' остановлено тормозом 14'. При этом скорость колеса 9 изменяется от 0 до +ω, а скорость колеса 9' от +ω до 0. Скорости колес 9 и 10 складываются на выходном звене 12 суммирующего механизма, а скорости колес 9' и 10' складываются на выходном звене 12' суммирующего механизма. В свою очередь скорости звеньев 12 и 12' складываются симметричным суммирующим механизмом и его водило движется с постоянной скоростью +ω.
На второй фазе движения звено 9 движется с постоянной скоростью +ω. Звено 10 остановлено тормозом 14. Звенья 9' и 10' неподвижны вследствие выстоя звена 2'. В это время тормоз 14' выключается и звено 10' растормаживается, а тормоз 15' включается и через передаточный механизм 18' затормаживает звено 9'. Сумма скоростей звеньев 9, 10, 9' и 10' равна +ω и равна скорости водила 16.
На третьей фазе движения скорость звена 9 изменяется линейно от +ω до 0. Звено 10 через передаточный механизм 17 остановлено тормозом 14, а звено 9' через передаточный механизм 18' остановлено тормозом 15'. Скорость звена 10' изменяется от 0 до +ω. Сумма скоростей звеньев 9, 10, 9' и 10' равна +ω и равна скорости выходного звена вариатора 16.
На четвертой фазе движения звено 10' движется с постоянной скоростью +ω. Звено 9' через передаточный механизм 18' остановлено тормозом 15'. Звенья 9 и 10 неподвижны вследствие выстоя звена 2. В это время тормоз 14 выключается и звено 10 растормаживается, а тормоз 15 включается и через передаточный механизм 18 затормаживает звено 9. Сумма скоростей звеньев 9, 10, 9' и 10' равна +ω и равна скорости выходного звена вариатора 16.
Во второй половине движения периода на фазах 5, 6, 7 и 8 работа вариатора осуществляется аналогично описанной выше. Таким образом, скорость движения выходного звена вариатора - водила 16 в течение всего периода является постоянной, наперед заданной равной +ω.
Переключение тормозов происходит синхронно с работой генератора в течение времени, которое заранее может быть определено при проектировании. Передаточные отношения регулируемых передаточных механизмов 17, 17', 18, 18' задаются одновременно с заданием передаточного отношения генератора (вариатора) таким образом, что при любом номинальном передаточном отношении генератора развиваемый тормозами 14, 14', 15, 15' момент остается постоянным и оптимальным. Звенья тормозов на фазе переключения остаются неподвижными и потерь мощности на буксование нет. Механическая связь между звеньями вариатора постоянно сохраняется, поэтому вариатор позволяет передавать движение в обоих направлениях.