КОРОМЫСЛО-КУЛИСНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ НЕФРИКЦИОННОГО ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ВАРИАТОРА
ROCKER OSCILLATING MECHANISM OF NON-FRICTION HIGH-TORQUE VARIATOR

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для преобразования однонаправленного вращения входного вала в колебательное вращение колебательного вала с плавно изменяемым размахом его колебаний, что может быть использовано в нефрикционных высокомоментных вариаторах, объемных регулируемых гидромашинах и других устройствах при большой передаваемой мощности.
Известны некулачковые и кулачковые колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний колебательного вала. Некулачковые колебательные механизмы не обеспечивают равномерность вращения выходного вала высокомоментного вариатора [1…5]. Кулачковые колебательные механизмы с пространственным профилем кулачка, позволяющие плавное изменение характера колебаний по двум параметрам, обеспечивают отсутствие неравномерности во всем диапазоне варьирования, но конструктивно сложные и материалоемкие [6…10]. Кулачковые колебательные механизмы с профилем кулачка, позволяющие плавное изменение характера колебаний по одному параметру, обеспечивают равномерность только в узком диапазоне варьирования, но они конструктивно проще [11, 12]. Высокомоментные вариаторы, использующие известные колебательные механизмы, имеют не большой диапазон варьирования скорости выходного вала вариатора из-за малого размаха колебаний колебательного вала, что требует использование многоступенчатых коробок передач, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию. Значительное увеличение размаха колебаний колебательного вала достигается в колебательных механизмах, использующих кулисный механизм [13, 14], но эти механизмы конструктивно сложные, и в них затруднено уравновешивание инерционных нагрузок.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату колебательный механизм нефрикционного высокомоментного вариатора [12], содержащий корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок трубчатого типа - ведущее звено, соосные кулачку поворотник и ведомое звено в виде конического зубчатого колеса, и перпендикулярно оси кулачка контактирующие с кулачком кинематически связанное с ведомым звеном двухплечевое коромысло с кольцеобразный пазом, содержит так же рукоятку управления с возможностью поворота от нее поворотника, на котором выполнены перпендикулярно оси кулачка цапфы, при этом рычаг посажен на цапфы и на нем выполнены контактирующие с кольцевым пазом сферические головки и закреплен соосно цапфам конический зубчатый сектор, сцепленный с коническим зубчатым колесом.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок трубчатого типа - ведущее звено, ведомое звено, соосно оси кулачка поворотник, на котором выполнены перпендикулярно оси кулачка цапфы, содержит также рукоятку управления с возможностью поворота от нее поворотника и контактирующее с кулачком кинематически связанное с ведомым звеном двухплечевое коромысло.
У известного механизма сложное и громоздкое устройство изменения размаха колебания ведомого звена, а также малый размах его колебаний.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции, а также повышение его технических характеристик.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок трубчатого типа - ведущее звено, ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, и соосно кулачку поворотник, на котором выполнены перпендикулярно оси кулачка цапфы, содержит также рукоятку управления с возможностью поворота от нее поворотника, с цилиндрической кулисой и соосный ей спицей качающуюся шайбу, посаженное на цапфы поворотника контактирующее с кулачком двухплечевое коромысло, образующее вращательную пару с качающейся шайбой с перпендикулярной оси цапф осью вращения, при этом в корпусе выполнен параллельный оси кулачка продольный паз, фиксирующий ось спицы в плоскости оси кулачка, а цилиндрическая кулиса установлена с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом, на котором смонтирована, например, контактирующая с цилиндрической кулисой сферическая головка.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый колебательный механизм снабжен с цилиндрической кулисой и соосной ей спицей качающейся шайбой, образующей вращательную пару с двухплечевым коромыслом, ведомое звено выполнено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, двухплечевое коромысло посажено на цапфы поворотника, ось которых перпендикулярна оси вращения вращательной пары, а в корпусе выполнен параллельный оси кулачка продольный паз, фиксирующий ось спицы в плоскости оси кулачка, при этом цилиндрическая кулиса установлена с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом, на котором смонтирована, например, контактирующая с цилиндрической кулисой сферическая головка.
На фиг. 1…3 представлена конструкция предлагаемого механизма, на фиг. 4…8 - детали, на фиг. 9 дана кинематическая схема механизма.
Механизм содержит (фиг. 1, 2 и 3) корпус 1, установленные на подшипниках корпуса входной вал 2 с соосным кулачком 3 трубчатого типа (фиг. 4), с возможностью вращения относительно оси входного вала поворотник 4 (фиг. 5) и рычаг 5 с колебательным валом 6, сферической головкой 7 радиуса r и противовесами рычага 8 (фиг. 6). На корпусе смонтирована рукоятка управления 9, связанная серьгой 10 с поворотником с возможностью поворота последнего. На корпусе зафиксирована декартова система координат OXYZ и в плоскости OXZ выполнен продольный паз 11. Как показано на фиг. 2 и 3 на цапфы поворотника 12 установлено двухплечевое коромысло 13 с цилиндрическими салазками 14 (фиг. 7), Ох*у*z* - декартова система координат, связанная с коромыслом. На осях 15 двухплечевого коромысла, соосных оси х* установлена пара роликов 16, а на цилиндрические салазки посажена качающаяся шайба 17 с кольцевой направляющей 18, с образованием вращательной пары. Oxyz - декартова система координат, связанная с качающейся шайбой, на которой выполнены противовес 19, соосные оси x цилиндрическая кулиса 20 с внутренней контактной поверхностью 21 радиуса r и соосная кулисе спица 22. Двухплечевое коромысло смонтировано с возможность контакта роликов с кулачком по рабочему профилю 23 кулачка, а у качающейся шайбы спица размещена в продольном пазу 11 корпуса, цилиндрическая кулиса установлена контактирующей со сферической головкой 7 рычага, при этом совпадающие плоскости коромысла и качающейся шайбы Ох*у* и Оху образуют угол γ с плоскостью ΟΧΥ. Цилиндрическая кулиса и сферическая головка рычага образуют вращательно-поступательную пару. На фиг. 3 показано положение звеньев механизма при γ=0. Кинематическая схема механизма дана на фиг. 9, где показаны угловые параметры звеньев механизма.
Параметры колебательного механизма: R=OB - расстояние от оси входного вала до оси вращения рычага; R=АВ - длина рычага; h=H/R - относительное расстояние; λ - размах колебания двухплечевого коромысла.
Колебательный механизм действует следующим образом (фиг. 2, 3 и 9). Вращающийся от двигателя (не показан) с угловой скоростью ω входной вал с кулачком задает колебательное вращение двухплечевому коромыслу с размахом колебания λ, γ=γ(α) - угол поворота двухплечевого коромысла относительно оси y*, функционально зависящий от угла поворота кулачка α, и обеспечивается рабочим профилем кулачка. Совместно с двухплечевым коромыслом совершает колебательное вращение ось x качающейся шайбы в плоскости OXY совместно с цилиндрической кулисой, за счет фиксации оси шайбы 22 в продольном пазу 11 корпуса, угол поворота оси x цилиндрической кулисы и производная этого угла:
ψ
ψ
ψ
ψ
Размах колебаний цилиндрической кулисы λ=λ(β) зависит от угла β поворота поворотника, т.е. положения оси вращения у* двухплечевого коромысла относительно оси ОХ. Угол β плавно изменятся рукояткой управления от 0 до 0,5π, при этом λ(β=0)=0 и λ(β=0,5π)=λ - максимальный размах колебаний. Углы между осями у и у*, также между осями Y и у равны
Цилиндрическая кулиса через сферическую головку рычага поворачивает рычаг, следовательно, и колебательный вал на угол
производная которого
где
Максимальный размах колебаний кулисы и, следовательно, рычага зависят от угла β и равны:
Функция, обратная функции (5), и ее производная:
2
где q(ϕ)=h+1+2h cosϕ.
Используемый в колебательном механизме кулачок трубчатого типа обеспечивает закон колебания γ=γ(α) по одному параметру α, следовательно, коэффициент неравномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора не может быть равен нулю на всем диапазоне варьирования, поэтому, учитывая оптимальные характеристики высокомоментного вариатора [15], для профилировки кулачка используется характеристическая функция (рис. 10):
в которой угол, приведенный к полуоткрытому интервалу [0, 2π),
п
α(α)=[1-Q(α)]π+Q(α)⋅acos(cosα),
-13
где Q(α)=sign[sin(α+10)].
Принимаем закон колебания рычага, при котором δ=0,
ϕο
o
o
где λ - размах колебаний рычага при фиксированном угле положения поворотника β. Используя (8) и (9), размах колебаний рычага при β
ϕο
ϕ
o
ϕο
λ=λ(β)=2ϕ(0,5λ),
o
где  следовательно, закон колебания цилиндрической кулисы с производной при β
Закон колебания двухплечевого коромысла и аналог ее угловой скорости:
Используя (1), (14) и (5), углы поворота цилиндрической кулисы и рычага (колебательного вала) при любом β:
производные этих функций от угла поворота входного вала α, которые соответствуют аналогам их угловых скоростей:
здесь использовались функции (10), (15), (16) и (6).
Угловая скорость колебательного вала
Приведенные ниже, в качестве примера, числовые расчеты и графики соответствуют следующим параметрам колебательного механизма:
max
max
o
λ=60°; h=H/R=sinε/sin0,5λ=0,186, где максимальный угол давления пары «кулиса-рычаг» ε=40°; β=45°. При λ=60° угол давления ролика на кулачок не более 38°.
На фиг. 11…13 даны графики кинематических параметров механизма.
В высокомоментном вариаторе (см. [15]) действуют с фазовым сдвигом 90° два колебательных механизма с общим входным валом 2, снабженных кулачком с двумя повернутыми на 90° рабочими профилями 23а и 23b и двумя колебательными валами 6а и 6b, рукоятка управления 9 связана с двумя поворотниками 4а и 4b (фиг. 14 и 15).
Для профилирования рабочего профиля разработана методика, изложенная в [16, 17].
Скорости колебательных валов 6а и 6b
к
а
к
кb
ка
ω(α,β)=ω(α,β); ω(α,β)=ω(α+0,5π,β).
24
28
Вариант применение предложенного колебательного механизма в высокомоментном вариаторе показан на фиг. 16 и 17, где, действующие с фазовом сдвигом на 90° два колебательных вала 6а и 6b, посредством смонтированных на них шкивов 24а и 24b передают однонаправленное вращения колесам цилиндрического дифференциала 25а и 25b сцепленных с парой сателлитов 26, установленных на водиле 27 [18]. Передача вращения осуществляется через две пары нефрикционных зубчатых обгонных муфт [19…21]. Ведомыми полумуфтами являются колеса дифференциала 25, а ведущими полумуфтами - шкивы 28, на которых зафиксированы фиксаторами 29 тросы: для прямой передачи - трос 30, для реверсивной - трос 31. На шпонке 32 водила посажена предохранительная муфта 33 с выходным валом вариатора 34. R и R - радиусы шкивов 24 и 28.
ν
к
к
а
b
Высокомоментный вариатор нагруженный внешним моментом M действует следующим образом (фиг. 16). Колебательные валы 6а и 6b от колебательного механизма передают знакопеременные скорости ω и моменты М посредством тросов 30 и 31 ведущим полумуфтам 28 зубчатых обгонных муфт, которые выпрямляют колебания и передают однонаправленное вращение со скоростями ω и ω колесам дифференциала, а через сателлиты, водило и предохранительную муфту выходному валу вариатора, варьируемая скорость которого
ν
a
ь
ν
ω(ω,β)=0,5(ω+(ω)=0…ω,max.
На фиг. 18 и 19 показан характер скоростей звеньев вариатора при безогонной работе зубчатых обгонных муфт.
Предохранительная муфта предназначена для ограничения момента, что необходимо для воизбежания поломок, так как колебательный механизм при близких к стоповому режиму (при малых значениях β) способен давать достаточно большие моменты.
Важной характеристикой колебательного механизма высокомоментного вариатора является равномерность вращения выходного вала при фиксированном положении рукоятки управления, что отражает коэффициент неравномерности (фиг. 20)
ν,ср
ν
ν,max
ν,min
где ω - средняя скорость выходного вала, а Δω=ω-ω - изменение его скорости (фиг. 19).
24
28
Принимая R/R=2, варьируемое передаточное отношение вариатора
ν,max
Максимальное передаточное отношение вариатора из-за обгонного действия зубчатых обгонных муфт i>1.
д
ν
На фиг. 21 показана скоростная характеристика вариатора, у которого входной вал колебательного механизма соединен с валом двигателя, где, при ω=const, N - мощность двигателя, M - момент на выходном валу вариатора, ограниченный предохранительной муфтой момент  - стоповый момент, действующий на заторможенном выходном валу, что важно для работы машин в сложных динамических режимах, например, для внедорожного транспорта.
ν
ν
ν
Следует отметить, что при высоких скоростях ω из-за обгонного свойства обгонных муфт, имеет место автоматическое изменение передаточного отношения вариатора при изменении момента сопротивления M при фиксированном положении рукоятки управления: при уменьшении момента скорость ωвозрастает, а при увеличении - уменьшается [15].
Обгонные муфты вариатора работают при высокой частоте срабатывания и большой нагрузке, поэтому известные фрикционные обгонные муфты, например, роликовые и храповые непригодны.
На фиг. 22 и 23 показаны варианты конструкции предлагаемого колебательного механизма. На фиг. 22 цилиндрическая кулиса выполнена с внешним рабочим профилем 35 контактирующим с ползуном 36, посаженным в цилиндрическую направляющую рычага 37. На фиг. 23…25 цилиндрическая кулиса 38 выполнена на рычаге, а сферическая головка 39 - на качающейся шайбе.
Вариант конструкции вращательной пары «двухплечевая кулисакачающаяся шайба показан на фиг. 26…28. Двухплечевая кулиса выполнена с внутренней цилиндрической поверхностью 40 (фиг. 26), а качающаяся шайба - с внешней 41 (фиг. 27). На фиг. 28 показан колебательный узел в сборе, где упорная шайба 42 фиксирует двухплечевую кулису и качающуюся шайбу от взаимного осевого перемещения.
Фиксацию оси кулисы x в плоскости OXY можно осуществлять различными способами. В конструкциях, показанных на фиг. 2 и 23 фиксация осуществляется сферической головкой, так как рычаг зафиксирован от перемещения вдоль оси вращения, поэтому наличие фиксации продольным пазом 11 является избыточной связью, которая необходима в колебательном механизме, представленном на фиг. 22.
Предложенный колебательный механизм применим в устройствах, параметры которых необходимо плавно изменять без прерывания передаваемой мощности, поэтому высокомоментный вариатор с предложенным коромысло-кулисным колебательным механизмом может эффективно применен в трансмиссиях мобильных машинах с двигателем внутреннего сгорания, в плавно регулируемом приводе технологического оборудования с асинхронным электродвигателем и пр., с высоким КПД, а широкий диапазон варьирования позволяет не использовать многоступенчатых автоматических коробок передач, следовательно, предлагаемое устройство эффективнее, чем гидравлические или электрические приводы.
Источники информации:
1. RU 2179673 C1, F16H 29/08, 03.07.2000 (Б.В. Пылаев).
2. 5. RU 2250400 C1, F16H 29/08, 06.10.2003 (Б.В. Пылаев).
3. RU 2263240 С2, F16H 29/08, 25.11.2003 (Б.В. Пылаев).
4. RU 2263840 С2, F16H 29/08, 06.10.2003 (Б.В. Пылаев).
5. RU 2475663 C1, F16H 29/08, 22.09.2011 (Б.В. Пылаев).
6. RU 2169870 С2, F16H 29/08, 14.05.1999 (Б.В. Пылаев).
7. RU 2212574 С2, F16H 29/08, 19.11.2001 (Б.В. Пылаев).
8. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
9. RU 2304734 С2, F16H 29/08, 14.03.2005 (Б.В. Пылаев).
10. RU 2622178 C1, F16H 29/02, 27.01.2016 (Б.В. Пылаев).
11. RU 2204749 C1, F16H 29/08, 05.11.2001 (Б.В. Пылаев).
12. RU 2409779 C1, F16H 29/08, 06.07.2009 (Б.В. Пылаев).
13. RU 2706630 C1, F16H 29/08, 13.11.2018 (Б.В. Пылаев).
14. RU 2731830 C1, F16H 29/08, 23.01.2020 (Б.В. Пылаев).
15. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 16-22.
16. Б.В. Пылаев. Профилирование пространственного кулачка высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2019. №5. С.40-43.
17. ISSN 1060-798Х, Russian Engineering Research, 2019, Vol. 39, No 8, pp. 645-649. Sparing of Cams for High-Torque Variable-Speed Drives. B.V. Pylaev.
18. А.Ф. Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь. M.: Машиностроение. 2001, стр. 175, рис. «б».
19. Б.В. Пылаев, А.А. Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2008. №6. С. 3-6.
20. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
21. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин)