ЗУБЧАТО - ИМПУЛЬСНЫЙ ВАРИАТОР
GEAR - PULSE VARIATOR

Изобретение относится к областям общего и транспортного машиностроения, в частности к механическим вариаторам для передачи крутящего момента. Предлагаемый импульсный вариатор - зубчатого типа и не содержит фрикционных элементов. Бесступенчатое регулирование скорости вращения выходного вала производится изменением положения одного из звеньев. Может использоваться в составе управляемых приводов механизмов самого широкого назначения и различной мощности, в том числе рабочих органов любых технологических или специализированных машин.
Известен импульсный вариатор, включающий корпус, ведущий вал, качающуюся шайбу, снабженную внутренней втулкой с осью и подшипником; механизм изменения угла наклона шайбы; передаточные звенья с механизмами свободного хода и ведомый вал. В данном устройстве качающаяся шайба снабжена дополнительной втулкой с осью, размещенной между внутренней втулкой и подшипником, причем ось дополнительной втулки установлена перпендикулярно оси внутренней втулки. Описываемый вариатор снабжен вторым механизмом изменения угла наклона шайбы, выполненным в виде поводка, концы которого соединены с торцом дополнительной втулки и с ведущим валом (Патент RU №2229643, МПК7 F16H 29/04, 01.07.2002 г.).
Технические недостатки данного вариатора: относительно-малый диапазон передаточного числа; громоздкость компоновки и сложность конструкции; выполнение регулировки передаточного числа двумя приводами; наличие значительных рабочих нагрузок на тяги управления качающейся шайбы из-за ее малых размеров и ассимметричности приложения сил; проблема уплотнения пазов в зонах выхода рычагов; размещение вне корпуса открытых зубчатых зацеплений, подшипниковых узлов и механизмов свободного хода, что затрудняет их защиту и не позволяет жидкостную смазку; ведомая коническая шестерня, связанная с выходным валом очень большого размера и опирается на подшипник скольжения с повышенным трением, либо потребует установки стандартного подшипника качения большого диаметра. Еще одним недостатком данного устройства (принимаемого за прототип) является неспособность механизма обеспечить ряд дополнительных кинематических свойств, связанных с функцией изменения передаточного отношения. В том числе, при реверсировании вращения входного вала либо инвертировании потока мощности механизма. А также, трудность создания удобных конструктивных исполнений, относительно просто реализуемых в предлагаемом вариаторе, в том числе и по модульному принципу.
Техническая задача, решаемая в изобретении: принципиальная переработка конструкции прототипа, обеспечивающая выполнение и улучшение всех прежних функций с добавлением новых и недостижимых ранее кинематических и эксплуатационных свойств. Использована центрально-симметричная схема компоновки, снижающая рабочие нагрузки, упрощающая систему регулирования, изготовление и монтаж. Решена задача жидкостной смазки всех деталей с надежным уплотнением зон выхода элементов управления. С этими целями преобразовывается исходная кинематическая структура прототипа. Предлагается применить механизм, содержащий оси парных конических шестерен, вращаемых в пространстве вокруг общей оси входного и выходного валов. Исключено постоянное качание и вращение наклонной шайбы в составе рабочих движений.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
на Фиг. 1 изображен чертеж одного из вариантов исполнения вариатора;
на Фиг. 2 показан разрез устройства по плоскости А-А с Фиг 1.
Вариант конструктивной реализации механизма вариатора показан на Фиг. 1 и 2. Он скомпонован внутри шарообразного корпуса 1, имеющего разъем в горизонтальной плоскости, что характерно для типовых редукторов. Входной вал 2 и выходной 3 расположены на одной линии. Вал 2 жестко соединен с замкнутой рамкой 4 и вращается в двух разнесенных подшипниковых узлах. Выходной вал 3 крутится в собственном подшипниковом узле и одновременно является опорой для второго подшипника рамки 4, входящей в конструкцию вала 2. Рамка содержит две опорные пластины, на которых в центральной части вариатора установлены крутящиеся на подшипниках конические колеса 5 и 6. Внутри их расположены две подшипниковые опоры для поворачивающейся оси 7. Ось расположена перпендикулярно оси основных (входного и выходного) валов и пересекает ее в геометрическом центре механизма. На геометрической линии этой оси 7 помимо двух вращающихся конических колес расположен еще и прямолинейный двуплечий рычаг 8. Продольная ось рычага перпендикулярна оси 7 и он с ней жестко соединен. Рычаг симметричен относительно оси качания. Конические колеса кооксиальны и установлены на подшипниках качения по обе стороны от рычага 8 в районе центра и повернуты к нему зубьями. Особенностью установки колес является их способность вращаться относительно оси 7 лишь в одну сторону. Это определяется наличием встроенных механизмов свободного хода (МСХ) 9 в виде обгонных роликовых муфт однонаправленного вращения. Оба конца рычага 8 связаны со свободно вращающимся двухсторонним упорным подшипниковым узлом 10, охватывающим боковые беговые дорожки периферийного кольца поз. 11. Подшипник смонтирован с опорой на кольцо 11 по всему окружному периметру. Для соединения рычага с подшипником используются две детали в виде местных вилок 12. В связи с этим рычаг 8 всегда находится в плоскости кольца и его продольная ось постоянно перпендикулярна геометрической оси кольца. Диаметр кольца 11 превышает габариты всех деталей, размещенных внутри его. Кольцо может отклоняться путем поворота в двух разнесенных соосных цапфах вокруг своей диаметральной оси, перпендикулярной оси основных валов. Цапфы снабжены подшипниками качения и относительно корпуса неподвижны. Изначально кольцо 11 установлено соосно с основными валами. Принудительный разворот его осуществим в пределах ограниченного угла α с возможностью остановки в двух крайних либо в произвольных промежуточных положениях. Это достигается применением любого исполнительного механизма, реализующего поворот кольца с последующей его фиксацией при помощи регулирующего вала 13. Например: червячный механизм; рычажно-винтовой механизм; рукоятка с зубчатым фиксатором, вспомогательный гидро/пневмопривод и т.д. (на Фиг. 2 они показаны схематично и в состав вариатора не входят). Вал 13 может иметь и два выходных конца. Для работы механизма достаточно отклонять кольцо 11 только в одну сторону от плоскости А-А, хотя можно использовать и удвоенный угол 2α. В отличие от прототипа, наружная базовая часть кольца 11 вокруг своей геометрической оси никогда не вращается и в процессе передачи момента не колеблется относительно корпуса. Кольцо служит лишь подвижной регулируемой опорой для передачи боковых усилий на вилки рычага через тела качения. На выходном валу 3 закреплена ведомая коническая шестерня 14, расположенная между коническими колесами и введенная с ними в постоянное зубчатое зацепление. Для определенности описания рассмотрим правое вращение обгонных муфт (по часовой стрелке, если смотреть на колеса из центральной точки вариатора).
Вариатор работает следующим образом. В исходном положении кольцо 11 находится в плоскости А-А, перпендикулярной осям ведущего и ведомого валов. При этом угол α=0°. Поскольку рычаг 8 введен в постоянное подвижное зацепление с кольцом 11 через вилки 12 посредством подшипника 10, он также занимает неизменное положение, перпендикулярное осям основных валов. Допустим, входной вал 2 крутится равномерно и однонаправлено по часовой стрелке (глядя с торца вала). Рамка 4, связанная с входным валом вращает весь узел, включающий ось 7 с рычагом 8 и вилками 12, два конических колеса 5 и 6 вместе с их подшипниковыми узлами и МСХ. Весь блок вращается внутри неподвижного периферийного кольца 11, свободно катясь по боковым беговым дорожкам последнего телами качения в подшипнике 10. Вилки 12 толкают подшипник 10, вызывая его окружное вращение вдоль неподвижной основы кольца. Но боковых усилий кольцо 11 на вилки не оказывает, ведомая шестерня 14, и, следовательно, выходной вал 3 остановлены. Это происходит из-за того, что конические колеса 5 и 6, обкатываясь по ведомой шестерне 14, поворачиваются в разные стороны. Обгонные муфты вращаются по часовой стрелке и не препятствуют разнонаправленному перекатыванию колес по шестерне. Крутящий момент с входного вала 2 на выходной 3 не передается: нет опорной реакции. Вариатор работает в режиме холостого хода (режиме выключенного сцепления). Выходной вал остановлен, несмотря на непрерывное вращение входного, в том числе, и с переменной скоростью. Если с помощью внешнего исполнительного механизма поворачивать регулирующий вал 13, изменяется угловое положение кольца 11. Оно займет некое промежуточное состояние, отклонившись от плоскости А-А на определенный угол в пределах максимального угла α. При этом режим работы вариатора изменится. Тела качения в подшипнике 10, обкатываясь по двум беговым дорожкам кольца 11, оказывают попеременное боковое давление через вилки 12 на концы рычага 8 и вынуждают его циклическое отклонение вместе с осью 7. За один оборот входного вала 2 рычаг 8 делает полный цикл углового качания, дважды пересекая вилками 12 плоскость А-А. Генерируется дополнительное однонаправленное вращение конических колес. Из-за наличия обгонных муфт 9 рычаг 8, жестко связанный с осью 7, толкает зубья конических колес 5 и 6 всегда в одну и ту же сторону. Вращение колес по отношению друг к другу разнонаправленно и они контактируют с ведомой шестерней 14 в диаметрально противоположных точках. Колеса вызывают вращение шестерни 14, воздействуя на ее зубья с двух противоположных сторон. В итоге, в сравнении с режимом холостого хода, добавляется принудительное вращение выходного вала. Оно неравномерно, но скорость вращения легко регулируется. При увеличении  уменьшении угла α отклонения кольца 11, изменяется амплитуда (угол) качания рычага 8 за один и тот же период времени полного оборота входного вала. Следовательно, меняется и угол (угловая скорость) поворота конических колес 5 и 6. Соответственно, ускоряется/замедляется вращение ведомой шестерни 14 вместе с выходным валом. Ускорение вращения выходного вала осуществляется однонаправленными гармоническими импульсами с амплитудой, задаваемой текущим углом α. Варьирование скорости возможно в диапазоне от нуля до некоторой величины k, зависящей от геометрии, в частности угла α данного вариатора. Передаточное отношение i изменяется в пределах от нуля до k (i=0…k). Импульсы передаются непрерывно на всех четырех отрезках (0-α°) углового качания рычага. Шестерни 5 и 6 попеременно включаются в работу, толкаемые рычагом 8 через ось 7 и заблокированные МСХ 9. При этом выходной вал обладает свойством «выбега», продолжая инерционное вращение в сторону разгона даже при исчезновении толкающих импульсов (т.е. возврата кольца 11 в исходное положение, когда α=0°). При реверсировании вращения входного вала 2 кинематика вариатора изменится, что можно использовать на практике. Если в рассмотренном режиме холостого хода остановить входной вал 2 и начать вращать его в противоположную сторону (против часовой стрелки), выходной вал 3 не будет стоять, а начнет вращаться, как и входной, в ту же сторону и с той же скоростью. Это произойдет вследствие заклинивания обгонных муфт, блокирующих поворот колес 5 и 6 против часовой стрелки. Но варьирование скорости ведомого вала тоже возможно при последующем отклонении кольца 11. МСХ при этом разблокируются, позволяя ускоренное вращение выходного вала 3 в попутную сторону, с опережением вращения входного вала 2. Увеличение угловой скорости выходного вала 3 будет идти уже не от нуля, а как приращение его оборотов к скорости вращения входного вала 2, т.е. i=1…(1+k). Несколько другие кинематические эффекты возникают при использовании в качестве входного вала 3, а выходного - 2, ибо предлагаемое устройство позволяет частичное инвертирование потока мощности. (Они отличаются от вышеописанных и здесь не рассматриваются). Это - полнительные качества, нереализуемые в прототипе. Отметим, что бесступенчатое регулирование числа оборотов производится независимо от предыдущего состояния и осуществимо при любом режиме работы устройства. Незначительными кратковременными изменениями скоростей валов и усилий в процессе регулирования можно пренебречь. В установившемся режиме работы вариатора (при остановке кольца) они отсутствуют.
Рассмотрим подробнее основные преимущества предлагаемого зубчато-импульсного вариатора в сравнении с прототипом и достигаемый при этом технический результат. Изобретение позволяет сохранить все положительные свойства прототипа, во многом улучшить их и реализовать дополнительно некоторые новые, а именно:
- Весь механизм размещен в общем корпусе простой геометрии, закрывающем от внешнего воздействия и обеспечивающем жидкостную смазку всех деталей.- Применяется только один механизм регулирования, обеспечивая весь диапазон варьирования. Его конструктивное исполнение проще, чем у прототипа. Кольцо, входящее в состав устройства изменения передаточного числа, закреплено в цапфах, неподвижных относительно корпуса и кинематически не связано с вращением основных валов. Это существенно упрощает механизм управления наклоном и фиксацией кольца в нужном положении. В рабочем цикле периодическое качание и вращение элементов привода кольца, в отличие от прототипа, исключено.- Примененный механизм хорошо сбалансирован с динамической и кинематической точки зрения. Воздействия на шестерни и вилочные толкатели рычага - с двух сторон, вращающиеся и качающиеся элементы симметричны и попарно уравновешены. Рабочие силы и углы давления снижены за счет радиального увеличения размеров плеч рычагов и отдаления точек их контакта с кольцом от центра вариатора. Передача рабочей мощности идет непрерывно двумя параллельными потоками, что еще более снижает нагрузки на все детали, обеспечивая высокую работоспособность и надежность устройства в целом.
- Поступательно - движущихся деталей в предложенном устройстве нет, что, как правило, проще и надежнее. В прототипе управляющие усилия на качающуюся шайбу и приводы управления линейны, односторонни и консольны. Это может вызвать перекосы и заклинивания при перемещении поводков с тягами на шлицах.
- Диапазон варьирования k данного зубчато-импульсного вариатора шире, чем у прототипа. Пусть, в обоих сравниваемых вариантах α=30°. Однако в предложенной конструкции количество зубьев конических колес может многократно превышать количество зубьев шестерни ведомого вала. Угловой поворот большого конического колеса в пределах 30° вызывает значительно более длительное вращение сопрягаемой с ним малой шестерни. Например, при троекратном превышении разгонный импульс данного вариатора будет (4·30°)·3=360°, т.е. передаточное число равно единице. Для прототипа это нереально, т.к. невозможно существенно уменьшить диаметр ведомой шестерни, связанной с выходным валом. Там в центральной зоне размещено множество деталей, а в предложенной конструкции - только плоский рычаг.
- Вариатор удобен для модульного встраивания в кинематические цепи: точки крепления корпуса и вал механизма регулирования могут располагаться с любой стороны, в том числе сверху, снизу, наклонно. Практично исполнение с плоским соосным фланцем в зоне любого из основных валов для крепления к сопрягаемому агрегату. Либо выполнение с двумя фланцами для присоединения к одному из них двигателя по типу мотор-редуктора. Ориентация в пространстве почти безразлична (с учетом лишь размещения масляного сапуна в верхней части корпуса для исключения утечек масла).
- Наличие относительно-больших вращающихся масс в виде узла рамки с коническими колесами и рычагом пойдет вариатору на пользу, способствуя выравниванию и стабилизации скорости вращения выходного вала из-за проявления свойств инерции уравновешенного маховика. Это несколько сгладит пульсации скорости.
- В зависимости от выбора направления вращения ведущего вала один и тот же вариатор может менять передаточное число либо с нуля либо с единицы. При этом направление вращения выходного вала всегда остается неизменным. Этот эффект можно использовать как прием скачкообразного изменения передаточного числа.
- Весь механизм состоит преимущественно из стандартных деталей типа тел вращения, что немаловажно для простоты проектирования, изготовления, монтажа и ремонта. Корпус тоже несложен и легко отливается по типу редукторного.
Отметим некоторые перспективы и направления использования данного устройства. Описанный вариатор уже способен обеспечить бесступенчатое передаточное отношение в диапазоне не менее i=0…1, как редуктор. Этот диапазон можно увеличить и сверх единицы, превратив редуктор в мультипликатор. Это достижимо конструктивными методами даже на одной ступени. Он подойдет в качестве бесступенчатой коробки передач для множества транспортных средств, в том числе и автомобилей. Между тем, предлагаемая компоновка позволяет создание двухкаскадных (и более) вариаторов, с последовательным размещением механизмов в общем картере. На корпусе будут соосные входной и выходной валы, один или несколько боковых регулирующих валов. Регулировка ступеней может быть синхронной либо независимой, что обеспечит широкую гамму передаточных чисел. Несложно реализовать изготовление бесступенчатой коробки передач широкого диапазона. Грамотным конструированием можно существенно нивелировать и гармонические пульсации скорости вращения выходного вала. Например, разворотом осей соседних регулирующих валов перпендикулярно друг к другу. Такой коробке не нужно сцепление, что немаловажно для транспортных машин. Для технологического оборудования быстрый вывод вариатора в режим холостого хода обеспечит аварийное отключение привода. Автоматически достигается исчезающе малая («ползучая») скорость вращения выходного вала при максимально большом крутящем моменте. В такой коробке передач последовательно соединяются каскады двух вариаторов. Выходной вал первого каскада объединяется с входным валом второго. При раздельном поэтапном регулировании первый каскад может использоваться как сугубо тихоходный. Он обеспечивает участок отключения/включения сцепления и разгона выходного вала от нуля до 360° за один оборот входного. Это начало движения транспортной машины с преодолением тяжелых дорожных условий или разгон с места. Поскольку в первом каскаде вращение валов разнонаправлено, второй каскад один к одному поддерживает вращение, передаваемое от первого. А с началом отклонения кольца второго каскада может и ускорить его, добавив еще не менее 360° на один оборот входного вала. Редукторный режим коробки передач плавно меняется на мультипликационный: выходной вал начинает вращаться быстрее входного. Это процесс продолжения движения машины с дальнейшим ускорением. При максимальной трансформации момента один оборот входного вала после двух каскадов преобразуется в 720° выходного. Регулирование каскадов может быть синхронным или комбинированным, с реализацией любых функций, в том числе и с обратными связями. Общий диапазон трансформации передаточного числа данной коробки передач можно увеличивать и далее путем подбора разных углов α по двум ступеням и изменения соотношения зубьев их колес. Допустимо и параллельное использование двух каскадов, в том числе в едином корпусе. Тогда их тоже можно применять для суммирования в один поток с попутным выравниванием пульсаций скоростей на выходе. Скажем, как исполнительные механизмы при управлении разными звеньями одного или двух планетарных рядов. Либо прямое использование в составе механизмов поворота, например гусеничных машин. Это полное исключение фрикционов и потерь мощности на трение с нагревом.
Для технологического и многого другого оборудования часто нет необходимости в динамичном отслеживании и регулировании передаточного числа. Тогда несложно настроить данный вариатор на любое заданное значение i в пределах определенного бесступенчатого диапазона. И зафиксировать его наладку для обеспечения нужной скорости вращения выходного вала. При этом привод управления можно и далее упростить, выведя наружу не вал, а какой-то более простой элемент. Скажем, хвостовик винта под ключ, размещенный на корпусе сверху. Винт будет двигать непосредственно основу кольца за его верхнюю часть, удаленную от цапф. Это выгоднее по раскладу сил для целей сдвига и фиксации. Цапфы кольца можно закрыть глухими крышками, т.к. регулирующий вал не нужен. Устройство станет служить легко перенастраиваемым понижающим редуктором либо повышающим мультипликатором.
Предложенный зубчато-импульсный вариатор можно встроить отдельным модульным блоком и в уже серийно изготавливаемые типовые агрегаты. Это резко расширит их эксплуатационно-технические характеристики и сферы возможного применения. Можно выпускать данное устройство и серийно с каталожной типизацией по мощности и размерам присоединительных валов.