КУЛИСНЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ВЫСОКОМОМЕНТНОГО ВАРИАТОРА НЕФРИКЦИОННОГО ТИПА
ROCKER OSCILLATOR MECHANISM OF NON-FRICTION TYPE HIGH TORQUE CVT

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 кулачковые колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний колебательного вала. Кулачковые колебательные механизмы с пространственным профилем кулачка, позволяют плавно изменять характера колебаний по двум параметрам [1…4], что обеспечивает отсутствие неравномерности при работе высокомоментного вариатора во всем диапазоне варьирования, но конструктивно сложные и имеют размах колебаний колебательного вала не более 60°. Небольшой диапазон варьирования скорости выходного вала вариатора из-за малого размаха колебаний колебательного вала требует использование многоступенчатых коробок передач, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию вариатора.
В указанных кулачковых колебательных механизмах используются коромысла с контактирующими с профилем кулачка роликами, а в [1] ролик от рукоятки управления перемещается вдоль коромысла.
Значительное увеличение размаха колебаний колебательного вала, более чем в два раза, достигается в колебательных механизмах, использующих кулисные механизмы [5…7]. В этих механизмах применены однопараметрические кулачки, что не позволяет обеспечить равномерность вращения выходного вала вариатора во всем диапазоне варьирования.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату коромысло-кулисный колебательный механизм нефрикционного высокомоментного вариатора [7]. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок трубчатого типа - ведущее звено, ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, и соосно оси кулачка поворотник, на котором выполнены перпендикулярно оси кулачка цапфы, содержит также рукоятку управления с возможностью поворота от нее поворотника, посаженное на цапфы поворотника двухплечевое коромысло с парой контактирующих с кулачком роликов и с образующей с коромыслом вращательную пару кулису, с перпендикулярной оси цапф осью вращения, при этом кулиса установлена с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок - ведущее звено и ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, содержит также с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом кулису, пару контактирующих с кулачком роликов и кинематически связанное с кулисой рукоятку управления.
У известного колебательного механизма сложное и громоздкое устройство изменения размаха колебания ведомого звена, а использование в нем однопараметрического кулачка не обеспечивает равномерность вращения выходного вала высокомоментного вариатора с таким механизмом на всем диапазоне варьирования.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением его технических характеристик.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок - ведущее звено и ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, содержит также пару контактирующих с кулачком роликов, рукоятку управления, установленную на цапфы корпуса с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом кулису, при этом ролики посажены на кулису с возможностью перемещения от рукоятки управления, например, от смонтированных на кулисе действующих от рукоятки управления гидроцилиндров.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. В предлагаемом колебательном механизме ролики посажены на кулису с возможностью перемещения, например, с использованием смонтированных на кулисе действующих от рукоятки управления гидроцилиндров, при этом кулиса установлена на цапфах корпуса.
На фиг. 1, 8, 11…13 представлены варианты конструкции предлагаемого механизма, на фиг. 2…5, - звенья механизма, на фиг. 6 и 10 - графики, на фиг. 7 - кинематическая схема высокомоментного вариатора, на фиг. 9 - выпрямитель колебаний.
На конструктивной схеме заявленного механизма, показанного на фиг. 1, на подшипниках корпуса 1 установлены: входной вал 2, с конической шестерней 3, кулачок 4, с пространственным профилем 5, кулиса 6 с цапфами кулисы 7, рычаг 8, с колебательным валом 9 и роликом рычага 10, m-m - ось вращения рычага. Рукоятка управления 11 смонтирована на корпусе с возможностью осевого перемещения и выполнена с зубчатой рейкой 12. На валу кулачка 13 зафиксирована сцепленная с конической шестерней 3 коническое зубчатое колесо 14. Связанная с корпусом механизма декартова система координат OXYZ, ориентирована так, что ось X совпадает ось цапф кулисы, а ось Z - с осью вала кулачка. На кулисе 6 выполнены (фиг. 2): образующий с роликом рычага вращательно-поступательную пару контактор 15, противовес 16 и направляющие 77. В направляющих установлена пара кареток 18 с зубчатыми рейками 19., сцепленными со смонтированной на кулисе шестерней привода кареток 20. На каретках установлены с возможностью вращения сферические ролики 21 радиуса r, контактирующие с пространственным профилем 5 кулачка. S - центры роликов, k-k - ось вращения сферических роликов, проходящая через центр системы OXYZ и лежащая в плоскости OYZ, угол γ между осями Y и k-k - угол поворота кулисы. В выполненном в вале кулачка 13 сквозном цилиндрическом отверстии 22 с возможностью вращения установлен вал привода кареток 23 (фиг. 3 и 4), на котором выполнен сцепленный с зубчатой рейкой 12 рукоятки управления зубчатое колесо привода 24 и зафиксирована вилка 25. Вал привода кареток 23 связан с шестерней привода кареток 20 шарниром Гука, включающим соединяющую вилку 25 с шестерней привода кареток 20 крестовину 26, что обеспечивает передачу вращения шестерни привода кареток от вала привода кареток при изменении угла γ поворота кулисы. Кинематическая связь рукоятки управления с каретками обеспечивает перемещение кареток вдоль кулисы и профиля кулачка, ρ=OS - варьируемое расстояние (плечо кулисы). У показанного на фиг. 5 рычага 8, ось вращения m-m расположена на расстоянии Н=ОС от оси X в плоскости OXY, ω - угол поворота рычага с колебательным валом, R=СА - радиус рычага, L=OA - изменяемое при повороте рычага расстояние.
2
0
w
ϕ
ϕ
0
ϕ
w
w
ϕ
ϕ
Кулисный колебательный механизм действует следующим образом. Рассмотрим положение механизма при неподвижной рукоятке управления, в этом случае зафиксировано плечо кулисы ρ. При повороте на угол α входного вала 2 через зубчатую пару 3-14 поворачивается вал кулачка 13 с кулачком 4 на угол α. Контактирующий со сферическими роликами 21 профиль кулачка 5 поворачивает на угол γ кулису 6, которая поворачивает на угол ϕ рычаг 8. Таким образом кинематические параметры колебательного вала зависят от профиля кулачка и плавно изменяются перемещением кареток вдоль профиля кулачка в радиальном направлении на всем диапазоне варьирования плеча кулисы ρ=ρ…ρ. При этом имеет место возможность профилированием кулачка обеспечить плавное изменение размаха колебаний колебательного вала λ(ρ)=λ(ρ)=0…λ(ρ)=λϕ. При перемещении рукоятки управления по стрелке «max» - λ увеличивается, по стрелке «min» - λ уменьшается (фиг. 1).
Основные геометрические параметры колебательного механизма:
w
max
λ=2γ - максимальный размах колебаний кулисы;
ϕw
max
λ=2ϕ - максимальный размах колебаний рычага с KB;
Н=ОС - расстояние между осями Z и m-m;
R=АС - плечо рычага, расстояние между осью m-m и осью ролика 10;
е=Н/R - конструктивный параметр;
r - радиус ролика;
0
w
ρ=ρ…ρ - плечо кулисы (параметр варьирования).
Используя фиг. 5, имеем следующие соотношения:
из теоремы синусов
откуда угол поворота рычага
длина
Размах колебания кулисы
w
При максимальном размахе колебаний рычага λϕ, максимальный размах колебаний кулисы
Для отсутствия неравномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора с предлагаемыми колебательными механизмами на всем диапазоне варьирования, для профилировки кулачка используется характеристическая функция [14] (фиг. 6):
в которой угол, приведенный к полуоткрытому интервалу [0, 2π),
-13
где Q(α)=sign[sin(α+10)].
ϕw
Угол поворота колебательного вала в диапазоне размахов колебаний рычага от 0 до λ:
ϕ
где, принимая прямо пропорциональную зависимость размаха колебаний λ от параметра варьирования ρ, имеем
при этом закон колебания кулисы из (1)
что можно обеспечить применением сферического ролика и перемещением его от рукоятки управления в радиальном направлении по профилю кулачка.
Координаты точек S в параметрическом виде теоретического профиля кулачка в неподвижной системе координат OXYZ, связанной с корпусом:
Методика профилирования пространственных кулачков дана в [8, 9].
кα
кb
кα
1
2
На фиг. 7 представлена кинематическая схема высокомоментного вариатора, а на фиг. 8 - конструктивная схема заявленного колебательного механизма с двумя действующими с фазовым сдвигом на 90° колебательными валами 9а и 9b, ω - скорость кулачкового вала. Колебательные скорости колебательных валов валов ω(α, ρ) и ω=ω(α+90°, ρ) выпрямляются выпрямителями (Вып). Одна из возможных конструктивных схем выпрямителя дана на фиг. 9, который действует так. Закрепленный на колебательном валу (КВ) шкив соединен тросами (Тр) с ведущими полумуфтами пары обгонных муфт OM и ОМ. Выпрямленные скорости выходных валов выпрямителя (В) равны
эти валы посредством шестерен (ШВ) передают вращение зубчатым колесам (КД) соединенным с солнечными колесами (СК) трехвального дифференциала (Д). Скорости входных валов дифференциала
в
д
вмв
где Z и Z - число зубьев в зубчатых парах. Через связанный с солнечными колесами сателлит (С) вращение передается на выходной вал вариатора (В) со скоростью
Следовательно, обеспечена равномерность скорости выходного вала вариатора во всем диапазоне варьирования (фиг. 10). Передаточное отношение высокомоментного вариатора
На фиг. 11 и 12а,б показана конструктивная схема варианта исполнения заявляемого кулисного колебательного механизма, в котором применен кулачковый вал 4 с двумя профилями 5А и 5Б, повернутыми относительно друг друга на 180° и контактирующие с роликами 21А и 21Б кулисы. Угол θ определяет положение оси вращения m-m колебательного вала 9.
Координаты точек S в параметрическом виде теоретического профиля 5А кулачка в неподвижной системе координат OXYZ, связанной с корпусом:
Устройство перемещения роликов от рукоятки управления рассматриваемого механизма показано на фиг. 13, где на кулисе смонтированы гидроцилиндры 27 с поршнями 28, связанные штоками 29 с каретками 78. Управление гидроцилиндрами осуществляется золотником 30 от рукоятки управления 11,31 - гидронасос.
Для перемещения роликов может быть также использован реечный механизм, примененный в высокомоментном вариаторе [1].
Заявленный кулисный колебательный механизм при его применении в высокомоментном вариаторе позволяет повысить технические характеристики вариатора. Он обеспечивает равномерность вращения выходного вала в широком диапазоне варьирования с редуцированием и мультиплицированием скорости и момента без использования коробки передач.
Источники информации
1. RU 2169370 С2, F16H 29/08, 14.05.1999 (Б.В. Пылаев).
2. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
3. RU 2304734 С2, F16H 29/08, 14.03.2005 (Б.В. Пылаев).
4. RU 2622178 C1, F16H 29/02, 27.01.2016 (Б.В. Пылаев).
5. RU 2706630 C1, F16H 29/08, 13.11.2018 (Б.В. Пылаев).
6. RU 2731830 C1, F16H 29/08, 23.01.2020 (Б.В. Пылаев).
7. RU 2757327 C1, F16H 29/02, 04.03.2021 (Б.В. Пылаев).
8. Б.В. Пылаев. Профилирование пространственного кулачка высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2019. №5. С. 40-43.
9. 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.
10. RU 2353835 C2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, A.A. Шамин).
11. RU 2353836 C2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, A.A. Шамин).
12. RU 2757326 C1, F16D 41/00, 04.03.2021 (Б.В. Пылаев).
13. RU 2782057 C1, F16D 41/00, 13.01.2022 (Б.В. Пылаев).
14. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 12-16.