СПОСОБ БЕССТУПЕНЧАТОГО ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДВИЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR STEPLESS VARIATION OF MOTION TRANSFER AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к машиностроению. В частности, к бесступенчатым передачам движения, которые обеспечивают плавное и непрерывное изменение силового и кинематического передаточного отношения.
Известно, что передачи, обеспечивающие плавное, бесступенчатое изменение угловой скорости ведомого вала, при неизменной угловой скорости ведущего, называются вариаторами (И.И.Устюгов. «Детали машин», «Высшая школа», Москва, 1973, стр.45). Вариаторы классифицируются несколькими основными типами: лобовые, конусные, шаровые, с кольцом, с колодками, торовые и т.д. Во всех перечисленных вариаторах движение от одного вала к другому передается за счет трения, возбуждаемого между рабочими поверхностями вращающихся катков, поэтому такие передачи называются фрикционными. Так, например, в лобовом вариаторе ведущий и ведомый катки касаются друг друга. При изменении точки касания ведомого катка относительно центра вращения ведущего катка увеличивается (уменьшается) длина окружности, которую описывает точка вращающегося ведомого катка. При этом изменяется и угловая скорость ведомого вала. Фрикционные вариаторы обладают рядом преимуществ: простотой конструкции и дешевизной изготовления, плавностью и бесшумностью работы, возможностью бесступенчатого регулирования скорости; при перегрузках катки проскальзывают, предохраняя механизм привода от поломки. В то же время всем перечисленным выше типам фрикционных вариаторов присущи и недостатки: непостоянство передаточного числа из-за проскальзывания катков, ограниченность передаваемой мощности (10-20 кВт), большие нагрузки на их валы и опоры (подшипники), сравнительно низкий КПД, износ рабочих поверхностей катков и их нагрев. Поэтому в машиностроении силовые передачи, основанные на фрикционных вариаторах, используются крайне редко.
Кроме фрикционных передач в машиностроении применяются ременные и цепные вариаторы. Основными элементами конструкции цепного вариатора являются две пары раздвижных зубчатых конусов и бесконечная цепь с выдвижными пластинками. Такие вариаторы передают мощность до 75 кВт, при окружной скорости 6-9 м/сек. КПД вариатора в зависимости от передаточного числа изменяется в пределах 0.85-0.95. Наибольший диапазон изменения передаточного числа равен 7. Недостатком вариатора является низкая надежность ремня и цепи, что ограничивает передаваемую мощность.
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является вариатор по патенту RU 2391587 «Способ бесступенчатого изменения передачи движения и устройство для его осуществления». Способ основан на принципе, заключающегося в том, что равномерное вращательное движение на входе вариатора преобразуется в два раздельных, но равных по модулю непрерывных движения. Затем полученные непрерывные движения складываются. Результирующей сложения непрерывных движений будет равномерное вращательное движение. Передаточное отношение между ведущим и ведомым валами регулируется сдвигом по фазе двух раздельных непрерывных движений.
Конструктивно вариатор включает преобразующие механизмы с ведущими и ведомыми элементами, составляющими эксцентричные пары, обойму с дифференциалами, механизм трансформации, ведущий и ведомый валы.
Недостаток технического решения заключается в том, что у него ограничен диапазон передаточного отношения D, который выражается формулой:
где Vmax и Vmin - наибольшая и наименьшая равномерная результирующая скорость, т.е. верхний и нижний предел результирующей равномерной скорости, полученной на корпусе дифференциала, α - угол сдвига в ту или иную сторону от положения полной противофазы эксцентричных пар преобразующих механизмов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение диапазона передаточного отношения вариатора.
Для решения поставленной задачи в конструкцию вариатора введен промежуточный вал. Промежуточный вал снабжен шестернями, которые входят в зацепление с сегментами корпусов дифференциалов и с шестерней ведущего вала.
Устройство вариатора приведено на чертежах.
На фиг.1 приведен чертеж вариатора в собранном виде.
На фиг.2 приведен вариатор с разнесенными деталями сборки, поясняющими его состав и взаиморасположение основных сборочных единиц и составных деталей.
На фиг.3, 4 приведены два основных узла преобразующего механизма.
На фиг 5 приведен преобразующий механизм в собранном виде.
На фиг.6 приведена конструкция обоймы с дифференциалами в собранном виде.
На фиг.7, 8, 9 и 10 приведена конструкция в двух ракурсах эксцентричной пары с ведомыми и с ведущими элементами в собранном виде и с разнесенными деталями сборки.
На фиг.11, 12 и приведена конструкция дифференциала в собранном виде и с разнесенными деталями сборки.
На фиг.13 приведена конструкция механизма трансформации в сборе.
На фиг.14 приведены графики получения равномерного движения из равноускоренных и равнозамедленных движений.
Вариатор включает два преобразующих механизма 1, обойму с дифференциалами 2, установленную концентрично между преобразующими механизмами, механизм трансформации 3, ведущий 4, ведомый 5 и промежуточный 6 валы.
Преобразующий механизм представляет собой обойму с сепараторами 7, в ячейках которых установлены ведущие элементы 8 и центральная шестерня 9, и обойму с сепараторами 10, в ячейках которых установлены ведомые элементы 11. Центральная шестерня 9 находится в зацеплении со всеми ведущими элементами. Обе обоймы преобразующего механизма объединены, при этом каждый ведущий элемент сопрягается с ведомым элементом, и они составляют эксцентричную пару.
Ведущий элемент представляет собой шестерню 12 с валом, на поверхности которого выполнен криволинейный корректирующий паз 13 и радиальный паз 14. В радиальном пазу совершается возвратно-поступательное движение, основное водило 15.
На поверхности ведомого элемента выполнен диаметральный паз 16, в котором передвигается ползун 17. Ползун снабжен отверстием 18 и водилом 19. С другой стороны ведомый элемент снабжен шлицевым соединением 20.
При сопряжении ведущего и ведомого элемента основное водило 14 ведущего элемента 8 входит в отверстие 18 ползуна 17, а водило 19 ползуна 17 входит в корректирующий паз 13 ведущего элемента 8. Связанные таким образом между собой ведущие и ведомые элементы образуют эксцентричные пары, так как оси вращения ведущих и ведомых элементов расположены эксцентрично. При вращении ведомого элемента основное водило 14, приближаясь и удаляясь от оси вращения ведомого элемента 11, вызывает ускоренные и замедленные круговые движения ведомого элемента. При этом ползун 17 вращается вместе с ведомым элементом, одновременно передвигаясь вдоль диаметрального паза 16. В преобразующем механизме эксцентричных пар может быть 3 и более. В предлагаемой конструкции их пять.
Обойма с дифференциалами представляет собой кольцеобразную шестерню 21 с внутренним зацеплением, в которой установлены дифференциалы 22, размещенные вокруг шестерни 23 промежуточного вала 6. Дифференциалы, по мере вращения вокруг своей оси, входят в зацепление или с шестерней 23, или с шестерней внутреннего зацепления 21 обоймы.
Дифференциал включает корпус 24, являющийся, по сути, сегментной шестерней с сегментом 25, внутри которого в ячейке установлены сателлиты (три конические шестерни) 26. Сателлиты установлены на осях 27 с элементами крепежа 28 и входят в зацепление с двумя коническими шестернями 29, имеющими шлицевое соединение 30. Конические шестерни снабжены подшипниками 31 и элементами крепежа 32, которые установлены на оси 33 корпуса.
Обойма с дифференциалами предназначена для передачи входного движения и для съема наложенного друг на друга ускоренного и замедленного движения ведомых элементов эксцентричных пар преобразующих механизмов и передачи этих движений через шестерню внутреннего зацепления ведомому валу.
Ведущий вал 4 посредством шестерни 34 связан с шестерней 35 промежуточного вала 6.
Ведомый вал 5 связан с шестерней внутреннего зацепления 21. Ведомые элементы 11 шлицами 20 соединены с шестернями 29 дифференциала.
Механизм трансформации включает в себя гидроцилиндр 36 с поршнем 37 и муфту. Муфта включает втулки 38 и 39. связанные между собой винтовым соединением 41, и прокручиваются относительно друг друга вокруг общей оси. На втулке 38 и валу 40 установлены центральные шестерни 9 двух преобразующих механизмов. Поршень 37 связан с втулкой 39, с внутренними прямыми шлицами, в которые входят шлицы вала 40. Втулка муфты 39 перемещается вдоль вала 40 по шлицам.
Механизм трансформации предназначен для изменения передаточного отношения вариатора. Передаточное отношение изменяется путем фазового смещения эксцентричных пар одного преобразующего механизма относительно эксцентричных пар другого преобразующего механизма. Фазовый сдвиг создается поворотом центральных шестерен 9 преобразующих механизмов 1 относительно друг друга, которые, в свою очередь, связывают между собой эксцентричные пары. Поворот осуществляется движением втулки 39 муфты вдоль оси, которая связана винтовым зацеплением с втулкой 38, на котором установлена одна из центральных шестерен 9, и связана прямыми шлицами с валом 40 с центральной шестерней 9 второго преобразующего механизма. Движение обеспечивается поршнем 37 гидроцилиндра 36.
Вариатор работает следующим образом.
При вращении ведущего вала 4 вращательное движение посредством шестерни 34 передается шестерне 35 промежуточного вала 6. При этом вращается шестерня 23, с которой последовательно входят в зацепление сегменты 25 корпусов дифференциалов 24.
При равномерном вращении ведущих элементов 8 вызываются ускоренные и замедленные движения ведомых элементов 11. Результатом наложения этих ускоренных движений (при условии, что эти ускорения противонаправлены) будет равномерное вращение корпуса 24 дифференциала. Соответственно, обратной связью, в той же фазе (при котором результирующее движение на корпусе дифференциала было равномерное), вращая равномерно корпус дифференциала 24 через ведомые элементы 11, на ведущих элементах 8 получаем равномерное движение. Таким образом, сегменты 25 корпуса дифференциала 24, последовательно входя в зацепление с шестерней 23 промежуточного вала, обеспечивают непрерывное равномерное вращение ведущих элементов. Соответственно корпусы дифференциалов, поочередно входя в зацепление с шестерней 23, поочередно входят в зацепление с шестерней внутреннего зацепления 21, вызывая непрерывное вращательное движение ведомого вала 5.
Процесс преобразования наложенных друг на друга ускоренного и замедленного движения, результирующим которого является равномерное движение, разъясняется графиком (фиг.14). На графиках наблюдаем фазы движения наложенных ускоренных движений, которые имеют верхний и нижний предел равномерного движения, отстоящих друг от друга на 180°.
При сдвиге на определенный угол, в положительную сторону или в отрицательную сторону от положения противофазы, одного преобразующего механизма относительно другого, наблюдаем соответственно взаимозамену верхнего предела фазы равномерного движения корпуса дифференциала с нижним пределом фазы равномерного движения корпуса дифференциала.
Соответственно происходит взаимозамена зацепления между ведущим и ведомым валом пределов равномерного вращения корпуса дифференциала. То есть если входное движение передавалось через нижний предел равномерного движения, а выходное снималось через верхний предел равномерного движения, то при сдвиге фазы входное движение будет передаваться уже через верхний предел равномерного движения, а выходное - сниматься с нижнего предела равномерного движения.
Если ведущий вал передает движение через зацепление с нижним пределом равномерного движения корпуса дифференциала, то выходной вал находится в зацеплении с верхним пределом равномерного движения корпуса дифференциала. Передаточное отношение в этом случае равно Vmin/Vmax.
Если ведущий вал передает движение через зацепление с верхним пределом равномерного движения корпуса дифференциала, то выходной вал находится в зацеплении с нижним пределом равномерного движения корпуса дифференциала. Соответственно передаточное отношение равно Vmax/Vmin.
При этом диапазон передаточного отношения вариатора характеризуется выражением:
То есть, введя в конструкцию вариатора промежуточный вал с шестерней, добиваемся квадратичного изменения диапазона передаточного отношения.