МЕХАНИЧЕСКИЙ РЕДУКТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к механическим редукторам для передачи вращательного движения, и представляет собой бесступенчатую трансмиссию.
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 из уровня техники известен зубчатый реверсный вариатор [патент РФ на изобретение №2546047], содержащий два вала-шестерни в виде конусных многозаходных равнонаправленных винтов. Оси упомянутых валов-шестерен расположены параллельно друг другу, а сами они обращены встречно-параллельно, в зацепление с ними входит промежуточная шестерня, перемещаемая вдоль валов-шестерен за счет винтовой пары, которой являются ступица и винт, привод винтовой пары осуществляется червячным мотором-редуктором через муфту. Ограничение на продольное перемещение промежуточной шестерни вдоль винта осуществляется датчиками концевого положения, изменение режима работы зубчатого реверсного вариатора, соответствующего движению транспортного средства в прямом направлении, задним ходом или находящегося на месте при работающем двигателе, достигается соответствующей комбинацией шестерен привода ведущего вала-шестерни.
К недостаткам такого решения можно отнести малую площадь в зоне контакта снаружи передаточного кольца и поверхности шкива.
Также из уровня техники 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 фигуре 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 фигуре 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.
Например, “автоматическая коробка передач”, применяемая в машинах представляет собой, по сути, ступенчатую механическую коробку передач с несколькими зубчатыми колесами, к которым подключаются передаточное зубчатое колесо выходного вала (то есть подключаясь к зубчатым колесам на входном вале, имеющим разный диаметр - мы меняем и общее передаточное число механического редуктора). В так называемых вариаторах используется того или иного рода механическое трение для передачи усилия вращения от входного вала на выходной.
Принцип действия решения, выбранного за основной прототип, становится очевиден из фигуры 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 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 как в сторону увеличения или уменьшения - в зависимости от точки на продольных осях, 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 предлагалось использовать передаточное кольцо, выполняемое 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 шкивами. Именно на таком принципе основано действие основного прототипа.
Использование размещенных совместно шкивов конической формы во взаимно-обратном расположении обеспечивает изменение соотношения между ними. Упомянутое выше передаточное кольцо благодаря возможности передвигаться вдоль шкивов реализует изменение передаточного числа.
Основным достигаемым результатом является плавное регулирование коэффициента передачи механического редуктора за счет перемещения передаточного кольца вдоль оси вращения. Однако, сцепление валов в таком редукторе не является жестким механическим, и работает за счет трения.
На фигуре 3 показан поперечный разрез основного прототипа, откуда 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 условия сцепления нагрузка будет меньше.
Предлагаемое решение представляет собой вариатор (механический редуктор) с жестким сцеплением между валами через червячную резьбу на всех валах. Его конструкция в упрощенном варианте показана на фигуре 4, где представлен продольный разрез предлагаемого решения с муфтой с краю передаточного кольца. Из рисунка видно два передаточных шкива, один из которых имеет конусообразную форму, а другой - цилиндрическую, между ними в качестве сцепления применено передаточное кольцо, охватывающее ведущий шкив конусообразной формы, цилиндрической шкив соприкасается с передаточным кольцом с наружной стороны и является ведомым.
Принцип, на котором основана работа предлагаемого решения, прост, но находится в неразрывной зависимости от ряда технических особенностей, которые и сделали возможным реализацию плавного регулирования.
В основе его лежит постоянство угла наклона резьбы червячного типа на ведущем и ведомом шкивах - однако ведущий шкив выполняется в виде конуса, и имеет переменный диаметр по длине его оси вращения. Это ведет к изменению шага резьбы из одного конца конуса в другой - как это показано на фигуре 5. На фигуре 5 показана развертка поверхности конуса в плоскость и резьба на ней - видно, что шаг резьбы в узкой части конуса сужается, то есть при одинаковом наклоне резьбы на меньшем диаметре один виток дает меньший продольный шаг. Это очень важно для реализации предлагаемого решения - поскольку равный угол наклона, означает согласованность резьбы шкива с резьбой передаточного кольца, в любом положении на продольной оси вращения, что гарантирует отсутствие стопорения и закусывания резьбы. Также это означает, что за один оборот ведущего шкива передаточное кольцо сделает разное количество витков, в зависимости от своего положения вдоль оси вращения - что и означает возможность регулирования коэффициента передачи предлагаемого решения. На фигуре 6 представлено поперечное сечение передаточного кольца предлагаемого решения, где видно, что внутри и снаружи его выполнена резьба червячного типа, причем по окружности на передаточном кольце достаточно сделать один виток резьбы.
Ведомый (выходной) шкив выполняется цилиндрической формы, так как коэффициент передачи обеспечивается конусообразной формой входного (ведущего) шкива. Задача ведомого шкива - принимать механическое усилие вращения от передаточного кольца, с наружной поверхности которого есть соответствующая червячной резьбе ведомого шкива ответная резьба, шаг которой и угол наклона соответствуют резьбе ведомого шкива, обеспечивая отсутствие закусывания и стопорения резьбы, а также ее плавный ход.
Плавное изменение вращения шкивов обеспечивается впервые среди известных промышленных решений, а выбранное за основной прототип решение работает за счет механического трения, что реализуемо - но имеет ограничения на предельный момент валов. Описанный результат достигается всей совокупностью использованных мер и конструктивных решений. Основной из них является переменный шаг для резьбы на ведущем шкиве конусообразной формы, что позволило снимать усилие вращения в разных точках вдоль его оси вращения. Закусывания и стопорения резьбы передаточного колеса при этом не происходит, поскольку их угол наклона согласован между собой. Наружная резьба передаточного кольца позволяет передать усилие вращения на ведомый вал, форма которого дает равный ход резьбы и принимает усилие вращения. Передаточное кольцо выступает здесь в качестве промежуточного звена, которое может обладать разным шагом резьбы одновременно, поскольку обладает двумя сторонами, наружной и внутренней. Для перемещения передаточного кольца вдоль поверхности шкивов использована муфта, оснащенная двумя роликами, по одному с каждой стороны, которые обеспечивают удержание передаточного кольца в процессе его вращения. Перемещение муфты обеспечивается за счет винтовой передачи, известной из уровня техники и представляющей собой вал с резьбой, проходящий сквозь основание муфты с соответствующей ему резьбой. При вращении винтовой передачи, происходит перемещение муфты вместе с зажатым в ней передаточным кольцом. Расположение муфты как на фигуре 4 является приближенным, также как и габариты муфты.
Показанная на фигуре 4 муфта является работоспособной, обеспечивая вращение передаточного кольца и одновременно его вращение. На фигуре 4 видны ролики, расположенные внутри муфты и обеспечивающие скольжение передаточного кольца по окружности (вращение). Также винтовая передача обеспечивает коррекцию положения муфты, то есть ее перемещение, что дает возможность плавного регулирования передаточного числа вариатора.
Разница между муфтой с одновальной винтовой передачей, и муфтой с четырехвальной как на фигуре 8, заключается в плавности хода и симметрии положения при перемещении передаточного кольца. На практике, от этого зависит мощность на шкивах, которую можно будет передавать на выход редуктора. Муфта на фигуре 4 будет обеспечивать работу вариаторов меньшей мощности, а как на фигуре 8 будет обеспечивать работу вариаторов большой мощности крупных машин и технологических линий. В этом преимущество для предлагаемого решения - улучшение плавности хода передаточного кольца при изменении передаточного числа, снижение трения от перекоса резьбы передаточного кольца и уменьшение его износа.
Для согласованного перемещения четырех винтовых передач, на фигуре 7 показана система шестеренок, образующих зубчатую передачу. Вал в центре вращает общую шестеренку, принимающую внешнее вращающее усилие регулирования при изменении положения муфты. Четыре шестеренки находятся в механическом зацеплении с центральной шестеренкой, вращаясь синхронно и согласно. Однако конструкция данного узла не является сутью предлагаемого решения, и показана для демонстрации работы всего решения в целом и его реализуемости. Важно, что возможна передача вращающего усилия одновременно на все четыре вала винтовой передачи, что при равном шаге их резьбы обеспечивает и равное перемещение углов муфты.
На фигуре 8 показан в целом узел муфты с передаточным кольцом, отдельно от остального вариатора. На рисунке здесь видны ролики, которые расположены по окружности муфты изнутри нее и обеспечивают скольжение передаточного кольца при вращении.
В остальном (кроме шестеренок на фигуре 7 и узла муфты на фигуре 8) предлагаемое решение идентично упрощенному варианту на фигуре 4. При работе предлагаемого вариатора обеспечивается тот же принцип работы, что и на фигуре 4. Таким образом, отличие предлагаемого решения заключается в механизме удержания и перемещения передаточного кольца, которое дает регулирование передаточного числа всего вариатора в целом. Показанные на фигуре 7 шестеренки четырех валов с резьбой винтовой передачи муфты дают возможность перемещение муфты и передаточного кольца.
Введение четырех валов с резьбой в винтовой передаче муфты обеспечивает равномерное движение передаточного кольца вне зависимости от усилия на шкивах предлагаемого вариатора. Уменьшение разного рода перекосов и отклонений соосности дает уменьшение трения канала резьбы на передаточном кольце и ответной резьбы на шкивах, что уменьшает износ.
Представленное решение является простым и потому практически применимым, что дает возможность применять его в промышленности.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- муфта устанавливается на винтовой передаче, имеющей четыре вращающихся с равной скоростью вала с резьбой;
- муфта выполняется квадратной снаружи и имеет круглый вырез изнутри;
- валы с резьбой проходят сквозь муфту по углам квадрата через отверстия с резьбой;
- круглый вырез внутри муфты больше по диаметру наибольшего диаметра ведущего шкива;
- муфта имеет роликовые пары с обеих сторон своей внутренней полости по всей окружности;
- муфта имеет две стенки, между которыми передаточное кольцо;
- роликовые пары совпадают с плоской боковой поверхностью на передаточном кольце между его наружной и внутренней резьбой.
Таким образом, совокупность существенных отличительных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - улучшению плавности хода передаточного кольца и уменьшению износа, и неизвестна ранее из уровня техники.
Краткое описание чертежей.  На фигуре 1 изображен классический ременной редуктор. Здесь 1 - шкив, 2 - ремень. На фигуре 2 изображен разрез известного из уровня техники механического редуктора в продольной плоскости. Здесь 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 3 изображено сечение известного из уровня техники механического редуктора в поперечной плоскости. Здесь 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо. На фигуре 4 изображен разрез варианта с упрощенной конструкцией муфты в продольной к оси вращения плоскости. Здесь 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо, 5 - цилиндрический шкив, 6 - винтовая передача, 7 - муфта. На фигуре 5 изображен ход резьбы по конусообразному шкиву предлагаемого решения. На фигуре 6 изображено сечение передаточного кольца предлагаемого решения в поперечной к оси вращения плоскости. Здесь 8 - наружная резьба, 9 - внутренняя резьба. На фигуре 7 изображен узел зубчатой передачи управляющего усилия к валам винтовой передачи муфты предлагаемого решения. На фигуре 8 изображен узел винтовой передачи, муфты и передаточного кольца в сборе для предлагаемого решения. Здесь 4 - передаточное кольцо, 6 - винтовая передача, 7 - муфта, 10 - шестеренки зубчатой передачи.