РЕГУЛИРУЕМАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА
ADJUSTABLE DIFFERENTIAL GEAR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дифференциальным механизмам, и может быть использовано в приводах различных машин, например, для регулирования подачи насосов в нефтяной промышленности.
Известно устройство для регулирования асинхронного двигателя биротативного типа, вал статора которого соединен с нагрузкой, а вал ротора - с механическим регулятором скорости, выполненным в виде магнитоиндукционного тормоза, представляющего собой диск из металла с высокой электропроводностью, помещенный в зазор между полюсами постоянного магнита [свидетельство на полезную модель RU №11418, кл. Н02Р 7/747, 1999 г.].
Недостатком известного устройства является низкий КПД, связанный с рассеянием энергии магнитоиндукционным тормозом.
Известен редуктор с бесступенчатым изменением передаточного отношения, содержащий дифференциальный механизм с червячным колесом, с которым функционально связаны два червячных вала, расположенных по обе стороны червячного колеса. Ось каждого червячного вала связана с шестеренчатым гидравлическим насосом. Регулирование скорости вращения выходного вала осуществляется путем создания переменного гидросопротивления дросселированием потока жидкости на выходе каждого из насосов [патент РФ №2253061, кл. F16Н 47/04. 2005].
Недостатком этого устройства является его конструктивная сложность, обусловленная наличием двух червячных передач, двух шестеренчатых насосов, регулируемых дросселей и пр., а также низкий КПД, связанный с потерями энергии в гидросистеме.
Наиболее близким к заявляемому по конструкции и достигаемому результату является реверсивный бесступенчатый редуктор - регулируемая дифференциальная передача - содержащий входной и выходной дифференциальные механизмы, вал одного из которых соединен с электродвигателем, второй - с нагрузкой, устройство для регулирования передаточного отношения, и соединяющую их передачу, устройство регулирования передаточного отношения. Входной и выходной механизмы выполнены в виде дифференциальных механизмов, а устройство регулирования передаточного отношения выполнены в виде гидравлических насосов, соединенных с водилом дифференциальных механизмов, и снабженных регулируемыми дросселями [пат. RU №2188351, кл. F16Н 47/04. 2002].
Недостатками известного устройства, выбранного в качестве прототипа, являются его конструктивная сложность и низкая эффективность, обусловленная применением гидронасосов в качестве тормозных механизмов, что снижает КПД и надежность его работы.
Задача - упрощение конструкции, повышение надежности и КПД. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения:
- упрощение конструкции за счет использования фрикционных эффектов с целью снижения усилий регулирования;
- снижение потерь энергии в передачах редуктора за счет отказа от использования дросселирования потоков жидкости;
- расширение диапазона регулирования скорости выходного вала за счет применения фрикционного вариатора;
- повышение КПД за счет использования равенства угла подъема червячной передачи углу трения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в регулируемой дифференциальной передаче, содержащей дифференциальный механизм, входной вал которого соединен с электродвигателем, второй - с нагрузкой, устройство для регулирования передаточного отношения, соединенное с водилом сателлитов дифференциального механизма, в отличие от прототипа, устройство для регулирования передаточного отношения выполнено в виде фрикционного вариатора, при этом водило сателлитов через червячное колесо, зацепленное с червячным валом, соединено с диском фрикционного вариатора, входной вал дифференциального механизма через зубчатую передачу соединен со вторым диском фрикционного вариатора, диски соединены между собой роликовой фрикционной передачей, корпус которой соединен с винтовым приводом линейного перемещения, кроме того, червячное колесо и червячный вал выполнены с углом подъема винтовой линии, равным углу трения между ними. Зубчатая передача, соединяющая входной вал дифференциального механизма со вторым диском фрикционного вариатора, выполнена в виде косозубой цилиндрической передачи с пересекающимися под прямым углом осями, а ее передаточное отношение и передаточное отношение червячной передачи равны между собой.
На фиг.1 представлена схема регулируемой дифференциальной передачи. На фиг.2 показан механизм регулирования передаточного отношения. Электродвигатель 1 своим выходным валом 2 соединен с косозубым зубчатым колесом 3 и входным валом 4 дифференциального механизма 5 (фиг.1). Водило сателлитов дифференциального механизма 5 соединено с червячным колесом 6. С дифференциальным механизмом 5 соединен выходной вал 7. Колесо 6 зацеплено с червячным валом 8, на оси которого закреплен диск 9 фрикционного вариатора. С зубчатым колесом 3 зацеплен зубчатый вал 10, на оси которого закреплен второй диск 11 фрикционного вариатора. К поверхностям дисков 9 и 11 фрикционного вариатора прижимаются ролики 12 и 13, установленные в корпусе 14, который перемещается винтовым механизмом 15. Ролики 12 и 13 жестко соединены между собой валом 16 (фиг.2). Ролики 17 и 18 контактируют с дисками 9 и 11 фрикционного вариатора с нижней стороны. Усилие прижатия роликов 12, 13, и 17, 18 к дискам 9 и 11 осуществляется пружиной 19.
Передача работает следующим образом.
Электродвигатель 1 вращает через вал 2 зубчатое колесо 3 и входной вал 4 дифференциального механизма 5. Колесо 3 вращает с постоянной скоростью зацепленный с ним зубчатый вал 10 и диск 11. Через ролики 12 и 13, соединенные между собой валом 16, вращение передается диску 9 и через него - червячному валу 8, который дает возможность вращаться зацепленному с ним червячному колесу 6. Скорость вращения выходного вала 7 получается как результат вычитания скорости вращения водила сателлитов дифференциального механизма 5 из скорости вращения вала 4, равной скорости вращения электродвигателя 1. Для изменения скорости вращения выходного вала 7 необходимо винтовым механизмом 15 передвинуть корпус 14 вдоль линии, соединяющей центры вращения дисков 9 и 11. Тогда соотношение диаметров окружностей ведущего диска 11 и ведомого 9, с которыми контактируют ролики 12 и 13, изменятся, а вместе с ними изменится скорость вращения червячного вала 8. Это приведет к изменению скорости вращения водила сателлитов дифференциального механизма 5, а вместе с ним - выходного вала 7.
Для того чтобы уменьшить усилия, передаваемые вариатором для вращения червячного вала 8, угол подъема винтовой линии червячной передачи выбирается равным углу трения между колесом 6 и валом 8.
Усилие, передаваемое на червячный вал 8, можно описать формулой
,
где Р - сила, необходимая для вращения червячного вала;
cp
r - средний радиус винтовой линии нарезки червячного вала;
Q - продольная (осевая) сила, возникающая в нарезке червячного вала при его вращении;
α - угол наклона винтовой линии нарезки червячного вала;
ρ - угол трения между червячным колесом и червячным валом;
D - диаметр окружности, описываемой роликом на ведомом диске фрикционного вариатора, соединенном с червячным валом.
Их формулы видно, что при равенстве угла наклона винтовой линии α углу трения ρ сила Р, необходимая для вращения червячного вала 8, равна нулю.
Червячная передача становится «нейтральной», т.е. ни самотормозящейся, ни несамотормозящейся. Тогда для работы червячной пары в режиме «отпускания», когда усилия на зубцах червячного колеса помогают проворачиваться валу 8, достаточно небольшого усилия для преодоления трения в подшипниках. Поэтому момент, передаваемый фрикционным вариатором, близок к нулю.
Для нормальной работы механизма регулирования скорости выходного вала 7 необходимо, чтобы передаточное отношение зубчатого колеса 3 и зубчатого вала 10 было равно передаточному отношению червячного колеса 6 и червячного вала 8, а направления вращения - противоположные.
Пример исполнения. Исходя из известных значений коэффициента трения стали по стали при наличии смазки, которые лежат в интервале µ=0,04…0,05, можно определить угол, при котором может существовать «нейтральная» червячная передача. Поскольку коэффициентом трения традиционно называют тангенс угла трения ρ, т.е. µ=tgρ=0,04…0,05, то нетрудно определить значение угла в градусах: ρ=2°20'…2°50'. Учитывая силы трения в подшипниках, выбираем угол наклона винтовой линии червячной передачи, равной α=3°. Усилие прижатия роликов 12, 13, 17 и 18 к поверхностям дисков 9 и 11 фрикционной передачи, определяемое силой пружины 19, выбирается небольшим, в пределах 5÷8 кгс, что позволяет увеличить надежность фрикционной передачи и срок ее службы. Изменение скорости вращения выходного вала можно осуществить винтовой передачей 15 как вручную, так и с помощью серводвигателя, вращающего винт.
Регулируемая дифференциальная передача находит применение в нефтедобывающей промышленности для регулирования подачи насосных агрегатов.