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

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для преобразования однонаправленного вращения ведущего звена в колебательное вращение ведомого звена 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 колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний ведомого звена, например некулачковый механизм [1], который не позволяет обеспечивать равномерность вращения выходного вала высокомоментного вариатора нефрикционного типа, а обеспечивающие равномерность кулачковые механизмы, например [2-4], конструктивно сложные и материалоемкие.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату колебательный механизм высокомоментного вариатора [5], содержащий корпус, установленный в корпусе с возможностью однонаправленного вращения кулачок - ведущее звено, ведомое звено, рукоятку управления и устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение ведомого звена с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающее в себя установленное в корпусе двухплечевое коромысло, при этом кулачок выполнен с двумя раздвижными от рукоятки управления вдоль оси вращении профилями, контактирующими с двухплечевым коромыслом, являющимся ведомым звеном.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный механизм содержит корпус, установленный в корпусе с возможностью однонаправленного вращения кулачок - ведущее звено, ведомое звено, рукоятку управления и устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение ведомого звена с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающее в себя установленное в корпусе контактирующее с кулачком кинематически связанное с ведомым звеном двухплечевое коромысло.
У известного механизма сложная и громоздкая система изменения размаха колебания ведомого звена. Кулачок имеет пару технологически сложно выполнимых пространственных профилей, которые сильно нагружены из-за точечного пятна контакта с коромыслом.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением эксплуатационных характеристик.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленный в корпусе с возможностью однонаправленного вращения кулачок - ведущее звено, ведомое звено, рукоятку управления и устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение ведомого звена с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающее в себя установленный в корпусе контактирующее с кулачком кинематически связанное с ведомым звеном двухплечевое коромысло, коническое зубчатое колесо, рычаг, выполненный на рычаге конический зубчатый сектор и установленное в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления поворотник с перпендикулярными оси поворота цапфами, на которые посажен рычаг, при этом в двухплечевом коромысле выполнен контактирующий с рычагом кольцеобразный паз, конический зубчатый сектор соосен цапфам, а коническое зубчатое колесо соосно оси поворота поворотника, сцеплено с коническим зубчатым сектором и является ведомым звеном механизма.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый колебательный механизм высокомоментного вариатора снабжен коническим зубчатым колесом, рычагом, выполненным на рычаге коническим зубчатым сектором и установленным в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления поворотником с перпендикулярными оси поворота цапфами, на которые посажен рычаг, при этом в двухплечевом коромысле выполнен контактирующий с рычагом кольцеобразный паз, конический зубчатый сектор соосен цапфам, а коническое зубчатое колесо соосно оси поворота поворотника, сцеплено с коническим зубчатым сектором и является ведомым звеном механизма.
На фиг.1-3 дан вариант конструкции предлагаемого механизма; на фиг.4 - кинематическая схема; на фиг.5 и 6 - пример использования колебательного механизма в нефрикционном высокомоментном вариаторе; на фиг.7-9 - характеристики вариатора; на фиг.10-14 - варианты конструкции механизма; на фиг.15 - схема роторного гидронасоса с плавно изменяемой подачей.
Предлагаемый механизм (фиг.1-3) содержит корпус 1, смонтированный в корпусе с возможностью вращения поворотник 2 с парой цапф 3. На поворотнике закреплено червячное колесо 4, сцепленное с червяком 5, установленным в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления 6. На цапфы поворотника 3 посажен рычаг 7 с парой сферических концевиков 8, а на рычаге выполнен конический зубчатый сектор 9 соосно цапфам. На поворотнике установлен соосно ему с возможностью свободного вращения колебательный шкив 10 совместно с закрепленным на нем коническим зубчатым колесом 11, которое сцеплено с коническим зубчатым сектором 9. На поворотнике соосно ему установлен с возможностью свободного вращения шкив привода 12 с закрепленным на нем кулачком 13 трубчатого типа с профилем кулачка 14. В корпусе на подшипниках 15 установлено двухплечевое коромысло 16 с роликами 17, контактирующими с профилем кулачка 14, ось вращения коромысла перпендикулярна оси поворотника. В двухплечевом коромысле выполнен кольцеобразный паз 18, контактирующий с концевиками 8 рычага. Кулачок 13 со шкивом привода 12 - ведущее звено, коническое зубчатое колесо 11 с колебательным шкивом 10 - ведомое звено.
16
7
10
7
7
10
Механизм действует следующим образом. Вращающийся с угловой скоростью ω совместно со шкивом 12 кулачок 13 (ведущее звено) задает колебательное вращение двухплечевому коромыслу 16 со скоростью ω, которое посредством кольцеобразного паза 18 передает колебательное вращение со скоростью ω рычагу 7 с коническим зубчатым сектором 9, а через него - коническому зубчатому колесу 11 с колебательным шкивом 10 (ведомое звено) со скоростью ω=u ω, где u - передаточное отношение зубчатой пары 9-11. Скорость рычага ω, следовательно, и ω зависят от скорости кулачка ω и параметров механизма, в котором изменяемым является угол поворота β поворотника 2, 0≤β≤90° (фиг.4), который устанавливается рукояткой управления 6. Профиль кулачка 14 обеспечивает закон поворота двухплечевого коромысла φ=φ(α), где α - угол поворота кулачка, обеспечивая скорость и размах колебаний
max
и λ=2φ=const,
угол поворота рычага и размах его колебания
,
,
10
7
10
и зависят от β, при этом размах колебаний ведомого звена λ=uλ, следовательно, имеет место плавное изменение скорости ведомого звена ω
.
Конструкция нефрикционного высокомоментного вариатора показана на фиг.5, в котором использована пара предлагаемых колебательных механизмов с кулачками 13а и 13b, повернутых относительно друг друга на угол 90° и закрепленных на приводном шкиве 12. Привод вариатора осуществляется от двигателя 19 через ременную передачу 20. От колебательных шкивов 10 колебательное вращение передается на ведущие полумуфты 21 и 22 обгонных муфт 23 и 24 посредством тросов 25 и 26, как показано на фиг.6. Тросы закреплены на колебательных шкивах и ведущих полумуфтах. Ведомые полумуфты 27 обгонных муфт посажены на валы 28, на которых закреплены шестерни 29. Звенья 10, 21-29 образуют механизм выпрямителя колебаний, у которого колебательный шкив - ведущее звено, а шестерня 29 - ведомое. Выпрямитель преобразует колебательное вращение колебательного шкива 10 в однонаправленное вращение шестерни 29. Пара шестерен 29а и 29b сцеплена с зубчатыми колесами 30а и 30b, выполненными совместно с коническими колесами 31а и 31b трехвального дифференциала с сателлитом 32 и водилом 33, закрепленным на выходном валу вариатора 34. На валах 28 выпрямителя посажены маховики 35. Профили кулачков в обоих колебательных механизмах обеспечивают закон поворота двухплечевого рычага ,
где ,
0
β - фиксированный угол положения поворотника,
,
s(α)=2Ф[sin(α)]-1 (Ф(x≥0)=1; Ф(x<0)=-1 - функция Хевисайда).
Вариатор работает следующим образом. От вращающихся со скоростью ω кулачка 13а колебательный шкив 10а колеблется со скоростью
1
2
где U(α)=(2/π)s(α)sinα, а скорость колебательного шкива 10b
10b
10a
ω(α,β)=ω(α+0,5π,β).
Скорости колес дифференциала 31а и 31b соответственно равны
a
10a
10,30
b
a
ω(α,β)=|ω(α,β)|·u; ω(α,β)=ω(α+0,5π,β),
10,30
a
b
где u - передаточное отношение между звеньями 10 и 30. Скорость выходного вала вариатора Ω=0,5(ω+ω).
10,30
Ω
Ω
Ω
ω
При 0≤β≤90° ω u·uλ/π≤Ω≤0. На фиг.7 показан при ω=const характер кинематических параметров вариатора. На фиг.8 представлен характер скорости Ω и момента сопротивления М на выходном валу вариатора (сплошные линии при работе обгонных муфт без обгона, заштрихованные области - с обгоном). При уменьшении Ω момент М растет теоретически до бесконечности, а практически при β→90° М в сотни раз больше момента на кулачках М.
Неравномерность вращения выходного вала вариатора
,
0
Ω
К
К
графически показана на фиг.9, рассчитана без учета обгонного действия обгонных муфт выпрямителя и зависит от β - назначаемый при профилировке кулачка угол, где видно достаточно приемлемое для практики значение δ. Следует отметить, что при высоких скоростях Ω имеет место обгон и δ≈0, а при малых скоростях Ω неравномерность не существенна. Благодаря обгону (фиг.8) имеет место автоматическое изменение передаточного отношения вариатора при изменении момента сопротивления М без использования рукоятки управления в диапазоне 0≤β≤β, а значение β зависит от инерции звеньев вариатора, чему способствуют маховики 35 (см. [6, 7]).
Способ передачи колебательного вращения от рычага ведомому звену в перпендикулярном направлении не принципиален. На фиг.10 и 11 показана связь рычага с ведомым звеном (колебательный шкив 10) посредством карданного шарнира. На рычаге и колебательном шкиве выполнены вилки 36 и 37, соединенные крестовиной 38, передаточное отношение u=1.
На фиг.12 показан вариант исполнения концевика рычага, который снабжен башмаком 39, посаженным с возможностью вращения относительно оси рычага и взаимодействия с кольцевым пазом.
Вид кулачка не принципиален. На фиг.13 кулачок выполнен сферическим, а профиль кулачка 14 - в виде желоба контактирующего с шаровидным роликом, что понижает контактные напряжения, а также за счет уменьшения длины двухплечевого коромысла минимизируется его момент инерции.
Кулачок, выполненный с двумя повернутыми на 180° относительно друг друга цилиндрическими профилями, показан на фиг.14.
Обгонные муфты выпрямителей вариатора работают при высокой частоте срабатывания и большой нагрузке, поэтому известные фрикционные обгонные муфты, например роликовые, непригодны. Следует использовать зубчатые обгонные муфты [8-11]. Реверсивная зубчатая обгонная муфта [11] обеспечивает реверс вариатора без использования реверсивного механизма.
Предложенный колебательный механизм применим в устройствах, параметры которых необходимо плавно изменять. На фиг.15 дана схема роторного гидронасоса с плавно регулируемой подачей. В корпусе насоса 40 размещен ротор 41, соединенный с ведомым звеном колебательного механизма и совершает вместе с ним колебательное вращение. Патрубки 42 и 43 посредством клапанов 44 соединены с баком 45 и полостями насоса. Колебательный механизм позволяет плавно изменять подачу насоса от нулевой до максимальной.
Нефрикционный высокомоментный вариатор с заявленным колебательным механизмом изготовлен и продемонстрировал свою работоспособность.
Источники информации
1. RU 2263240 С2, F16Н 29/08, 25.11.2003 (Б.В.Пылаев).
2. DE 3309044, F16Н 29/08, 14.03.83 (Rindfleisch В.).
3. RU 2204749 C1, F16Н 29/08, 05.11.2001 (Б.В.Пылаев).
4. RU 2304734 С2, F16Н 29/08, 14.03.2005 (Б.В.Пылаев).
5. RU 2242654 С2, F16Н 29/08, 20.01.2003 (Б.В.Пылаев).
6. RU 2313019 С2, F16Н 29/08, 28.12.2005 (Б.В.Пылаев).
7. Б.В.Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С.16-22.
8. Б.В.Пылаев, А.А.Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2008. №6. С.3-6.
9. RU 2298711 С2, 22.07.2005 (Б.В.Пылаев, А.А.Шамин).
10. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В.Пылаев, А.А.Шамин).
11. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В.Пылаев, А.А.Шамин).