КУЛИСНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ НЕФРИКЦИОННОГО ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ВАРИАТОРА
LINK OSCILLATING MECHANISM OF NON-FRICTION HIGH-FRICTION 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], колебательные механизмы с непространственным профилем кулачка обеспечивают равномерность только в узком диапазона варьирования [6, 7], а кулачковые колебательные механизмы с пространственными кулачками обеспечивают равномерность во всем диапазоне варьирования [8…12], но они конструктивно сложные и материалоемкие. 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.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату колебательный механизм высокомоментного вариатора [7], содержащий корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок и контактирующий с кулачком колебатель с кольцевым пазом, а также снабженный рукояткой управления и устройством преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя установленный в корпусе с возможностью вращения от рукоятки управления поворотник с перпендикулярными оси вращения цапфами, контактирующий вращательно-поступательно с кольцевым пазом сферическим концевиком и посаженный подвижно на цапфы рычаг, при этом рычаг конической зубчатой парой связан с колебательным валом с возможностью передачи вращения.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением следующие. Известный механизм содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок и контактирующий с кулачком колебатель с пазом, а также снабжен рукояткой управления и устройством преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя установленный в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления поворотник, контактирующий вращательно-поступательно с пазом сферическим концевиком образующий вращательную пару с поворотником рычаг, при этом рычаг связан с колебательным валом с возможностью передачи вращения.
У известного механизма сложная и громоздкая система изменения размаха колебания колебательного вала, при этом размах колебаний колебательного вала не превосходит размаха колебаний колебателя, который не более 60°, так как ограничен углом давления контактного ролика на рабочий профиль кулачка, что существенно ограничивает диапазон варьирования высокомоментного вариатора, при этом использование такого колебательного механизма имеет место равномерность вращения выходного вала вариатора только в узком диапазоне варьирования.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции высокомоментного вариатора с повышением его диапазона варьирования за счет существенного увеличения размаха колебаний колебательного вала, при обеспечении высокой равномерности вращения выходного вала вариатора во всем диапазоне варьирования.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок и контактирующий с кулачком колебатель в виде кулисы с продольным пазом, а также снабжен рукояткой управления и устройством преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя установленный в корпусе с возможностью вращения от рукоятки управления поворотник, контактирующий вращательно-поступательно с продольным пазом кулисы сферическим концевиком и снабженный цапфой рычаг, при этом цапфа смонтирована на поворотнике с возможностью вращения и перемещения рычага в плоскости вращения кулисы, и она связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения, например, карданным валом.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. У предлагаемого колебательного механизма колебатель выполнен в виде кулисы с продольным пазом, рычаг снабжен цапфой, которая смонтирована на поворотнике с возможностью вращения и перемещения рычага в плоскости вращения кулисы, при этом она связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения, например, карданным валом.
На фиг. 1…8, 14 даны варианты конструкций предлагаемого механизма; на фиг. 9…11 - пример использования колебательного механизма в нефрикционном высокомоментном вариаторе; на фиг. 12 и 13 - характеристики высокомоментного вариатора;
Вариант предлагаемого механизма дан на фиг. 1…3, а на фиг. 4 - детали механизма. Он содержит корпус 1, установленные на подшипниках корпуса входной вал 2 с кулачком 3 (4 - рабочий профиль кулачка), колебательный вал 5, контактирующую роликом 6 с рабочим профилем кулачка кулису 7 с продольным пазом 8 (9 - ось кулисы) и поворотник 10 с рукояткой управления 11. В корпусе выполнены в плоскости вращения кулисы направляющие 12, на которые установлен ползун 13, связанный серьгой 14 с поворотником. В ползуне с возможностью вращения в плоскости вращения кулисы установлен рычаг 15 с цапфой 16, а на рычаге выполнен сферический концевик 17, контактирующий с продольным пазом кулисы 8. На шпонку 18 цапфы посажена вилка 19 карданного вала 20, 21 - крестовины карданного вала. Пружиной 22 кулиса прижата к рабочему профилю кулачка, осуществляя силовое замыкание пары ролик-кулачок. На фиг. 2 и 3 механизм показан без колебательного вала 5 и его привода от цапфы 16.
д
к
0
Колебательный механизм действует следующим образом. Вращающийся от двигателя (не показан) с угловой скоростью ω входной вал 2 с кулачком 3 задает колебательное вращение кулисе 7 с колебательной скоростью ω по часовой стрелке, а вращение кулисы против часовой стрелки обеспечивает пружина 20 (фиг. 2). На фиг. 1 и 2 показано положение рычага 15, при котором сферический концевик 7 совмещен с осью кулисы 9 при положении рукоятки управления 11 в крайнем положении РУ, при этом скорости колебания колебательного вала и рычага
кв
р
ω=ω=0.
р
кв
р
При перемещении рукоятки управления от крайнего (β - положение рукоятки управления), посредством продольного паза 8 кулиса передает колебательное вращение со скоростью ω рычагу с цапфой 16 (фиг. 3), а через карданный вал - колебательному валу, скорость колебательного вала в рассматриваемом механизме ω=ω.
2
Размах колебания кулисы λ=const, размах колебания рычага с цапфой зависит от положения угла β=0…β рукоятки управления (фиг. 3)
p
р
max
λ(β)=0…λ,,
р
1
λ(β)=λ - при совмещении цапфы 16 с осью кулисы 9.
р
max
В предложенной конструкции колебательного механизма λ, существенно превосходит λ.
На фиг. 5…8 показаны варианты колебательных механизмов с кинематическим замыканием пары ролик-кулачок.
В показанном на фиг. 5, 6 кулиса снабжена двумя оппозитно установленными роликами 6 и 6+, а кулачок выполнен с двумя внешними рабочими профилями 4 и 4+. В поворотнике 10 с возможностью свободного вращения установлена цапфа 16 рычага 15, на шпонке 18 цапфы посажен шкив 23. Колебательный вал 5 установлен соосно оси вращения поворотника и на нем закреплен шкив 24, связанный тросом 25 со шкивом 23, трос закреплен на шкивах фиксатором 26.
При вращении кулачка 3 на одном полупериоде поворота рабочий профиль кулачка 4 поворачивает кулису по часовой стрелки (фиг. 6), а при другом полуобороте - против часовой стрелки рабочим профилем кулачка 4+. Колебательное вращение от шкива 23 тросом 25 передается колебательному валу 5.
р
На фиг. 7, 8 представлен колебательный механизм с двумя колебательными валами 5а и 5b, действующими с фазовым сдвигом 90°, что необходимо для использования колебательного механизма в высокомоментном вариаторе. Механизм снабжен кулачком 3 с выпуклым 4 и вогнутым 4+ рабочими профилями кулачка и двумя кулисами 7а и 7b, на каждой кулисе ролик 6 попеременно контактирует с рабочими профилями кулачка 4 и 4+. Устройство изменения размаха колебаний λ аналогичен механизму, представленному на фиг. 1…3.
Вариант применение предложенного колебательного механизма в высоко-моментном вариаторе показан на фиг. 9, а детали - на фиг. 10, где два, действующих с фазовом сдвигом на 90°, колебательных вала 5а и 5b посредством смонтированных на них шкивов 27а и 27b передают вращения колесам дифференциала 28а и 28b с водилом 29, 30 - пара сцепленных цилиндрических сателлитов [13]. Передача вращения осуществляется через обгонные муфты зафиксированными на шкивах фиксаторами 26 тросами: для прямой передачи - тросом 31, для реверсивной - тросом 32. Ведущие полумуфты обгонных муфт выполнены как шкивы 33 на которых зафиксированы тросы 31 и 32. Ведомыми полумуфтами являются колеса дифференциала с роликами 34. На шпонке 35 водила посажена предохранительная муфта 36 с выходным валом вариатора 37.
кв
кв
а
b
Высокомоментный вариатор действует следующим образом (фиг. 11). Колебательные валы 27а и 27b от колебательного механизма передают знакопеременные скорости ω и моменты М посредством тросов 31 и 32 ведущим полумуфтам 33 обгонных муфт, которые выпрямляют колебания и передают однонаправленное вращение со скоростями ω и ω колесам дифференциала, через сателлиты - водилу и, через предохранительную муфту, - выходному валу вариатора варьируемую скорость
v
д
а
b
v
max
ω(ω,β)=0,5(ω+ω)=0…ω, ,
v
M - внешний момент.
На фиг. 12 показан характер скоростей валов, связанных с поворотом кулис от кулачка колебательного механизма.
Предохранительная муфта предназначена для ограничения момента, что необходимо для во избежание поломок, так как колебательный механизм при близких к стоповому режимах (при малых значениях β) способен давать достаточно большие моменты.
Характер скоростей валов механизма зависит от профиля кулачка и конструктивных параметров. На фиг. 3: α - угол поворота кулачка, γ=γ(α) - угол поворота кулисы, ϕ=ϕ(α,β) - угол поворота рычага с цапфой.
Важной характеристикой колебательного механизма высокомоментного вариатора является равномерность вращения выходного вала при фиксированном положении рукоятки управления, что отражает коэффициент неравномерности
v
где  - средняя скорость выходного вала, a Δω - изменение его скорости за оборот входного вала.
Для минимизации δ профилировку рабочего профиля кулачка рекомендуется осуществлять с использованием характеристической функции [14]
где угол, приведенный к полуоткрытому интервалу [0, 2π),
п
α(α)=[1-Q(α)]π+Q(α)acos(cosα),
'
Угол поворота кулис 7а и 7b (фиг. 3, 12)
a
γ(α)=λ(U(α)-0,5),
b
а
γ(α+0,5π)=γ(α).
Для профилировки кулачка достаточно рассматривать только угол
a
γ(α)=γ(α).
1
Колебательная скорость кулисы равна скорости рычага при β (фиг. 3)
при этом δ=0, а при других положениях рукоятки управления δ<0,025. Практически нулевое значение δ объясняется выстоем рычагов и, следовательно, ведущих полумуфт обгонных муфт в мертвых точках (фиг. 12)
ϕ
max
23
24
27
33
Для следующих параметров колебательного механизма с тросовыми передачами (фиг. 5, 6): λ,,/π=120°/180°=0,67; R/R=R/R=1,55, имеем максимальные средние скорости колес дифференциала равные максимальной скорости выходного вала вариатора
v
д
ϕ
max
23
24
д
д
2
2
ω=ω(λ, /π)(R/R)=ω 0,67×1,55=1,6ω.
д
д
v
st
На фиг. 13 показана скоростная характеристика вариатора, у которого входной вал колебательного механизма соединен с валов двигателя, где, при ω=const, N - мощность двигателя, M - момент на выходном валу вариатора, ограниченный предохранительной муфтой момент , M - стоповый момент, обеспечивающий момент на заторможенном выходном валу, что важно для работы машин в сложных динамических режимах, например, для внедорожного транспорта.
v
v
v
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 ω возрастает, а при увеличении - уменьшается [15].
Обгонные муфты вариатора работают при высокой частоте срабатывания и большой нагрузке, поэтому известные фрикционные обгонные муфты, например, роликовые, непригодны. Следует использовать зубчатые обгонные муфты [16…18].
Предложенный колебательный механизм применим в устройствах, параметры которых необходимо плавно изменять, а высокомоментный вариатор с предложенным кулисным колебательным механизмом может эффективно применен в трансмиссиях мобильных машин с двигателем внутреннего сгорания, в плавно регулируемом приводе технологического оборудования с асинхронным электродвигателем и пр., с более высоким КПД, чем у гидравлических или электрически приводов.
Источники информации
1. RU 2179673 C1, F 16 Н 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 2204749 C1, F16H 29/08, 05.11.2001 (Б.В. Пылаев).
7. RU 2409779 C1, F16H 29/08, 06.07.2009 (Б.В. Пылаев).
8. RU 2169870 С2, F16H 29/08, 14.05.1999 (Б.В. Пылаев).
9. RU 2212574 С2, F16H 29/08, 19.11.2001 (Б.В. Пылаев).
10. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
11. RU 2304734 С2, F16H 29/08, 14.03.2005 (Б.В. Пылаев).
12. RU 2622178 C1, F16H 29/02, 27.01.2016 (Б.В. Пылаев).
13. А.Ф. Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь. М.: Машиностроение. 2001, стр. 175, рис. «б».
14. Б.В. Пылаев. Методика профилирования плоских кулачков. Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина», Выпуск 1(40). М: МГАУ, 2010,. С. 78-81.
15. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке// Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 16-22.
16. Б.В. Пылаев, А.А. Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора// Вестник машиностроения. 2008. №6. С. 3-6.
17. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
18. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).