СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ МАШИНА C ПРИВОДОМ С КАРДАННЫМ ВАЛОМ
AGRICULTURAL MACHINE WITH CARDAN SHAFT DRIVE

Данное изобретение касается навесной сельскохозяйственной машины в соответствии с ограничительной частью пункта формулы изобретения 1.
Энергия вращения, необходимая для работы сельскохозяйственной машины, может подаваться к ней от трактора посредством вала с цапфой. Предпочтительно, чтобы энергия вращения передавалась телескопическим карданным валом с карданным шарниром на соответствующем конце. Если вал с цапфой трактора и входной вал сельскохозяйственной машины соосны, движение вала с цапфой передается равномерно.
Известно, что при одном обороте карданного вала на 360° вокруг центральной оси из-за расположения карданов при увеличении отклонения от заданного угла соответствующих карданных шарниров возникает асимметрия и, следовательно, вибрации в трансмиссии, что может привести к преждевременному износу и разрушению компонентов привода. Асимметрия выражается в различных угловых скоростях на входе и выходе карданного шарнира в виде синусоидальных колебаний, что приводит к колебаниям крутящего момента.
Если, как обычно, на карданном вале имеются два карданных шарнира, внутренние вилки которых выровнены относительно друг друга, при одинаковом отклонении от заданного угла обоих карданов возникают неравномерные вращательные колебания. В этом случае вход и выход карданного вала вращаются синхронно. Если оба кардана отклоняются от определенного угла в одном направлении, это называется W-образным изгибом карданного вала. Если оба кардана отклоняются от определенного угла в противоположном направлении, то есть соседние входной и выходной вал параллельны, это называется Z-образным изгибом. В этом случае движение вращения или угловая скорость на входе и выходе карданного вала равномерны.
Если при этом удлинения центральных осей вала с цапфой трактора и входного вала сельскохозяйственной машины, расположенные под определенным углом относительно друг друга, стыкуются примерно на высоте центральной точки карданного вала, неравномерности взаимно компенсируются при одном обороте карданного вала. Это особое расположение карданного вала, при котором карданы отклоняются от определенного угла в одном направлении, называется W-образным изгибом. Если центральные оси вала с цапфой трактора и входного вала сельскохозяйственной машины смещены относительно друг друга, но располагаются параллельно, карданные шарниры промежуточного карданного вала отклоняются на одинаковый угол, но в противоположном направлении. В этом случае неравномерности движения соответствующих карданов также компенсируются при одном обороте карданного вала. Этот вид расположения карданных шарниров называется Z-образным изгибом.
В сельскохозяйственных машинах используются карданные валы, у которых один или оба карданных шарнира карданного вала заменяются карданами с большими углами отклонения валов. Такие валы состоят из сдвоенного кардана с крестовиной, обеспечивающего отклонение на максимально 80°, однако при длительной эксплуатации с сильными отклонениями, возникающими при резких поворотах, его компоненты быстро изнашиваются.
Европейский патент EP 2172092 B1 относится к машине для обработки почвы, подвешенной на тракторе с помощью соединительного устройства и приводимой в движение валом с цапфой трактора. Эта машина приводится в движение посредством карданного вала и вала с цапфой трактора. При этом передача, состоящая из двух отдельных карданных валов, примерно посередине делится подвижной промежуточной опорой с вращающимся промежуточным валом. Эта подвижная опора находится примерна на высоте вертикальной поворотной оси соединительного устройства между машиной и трактором; вокруг этой оси машина поворачивается, когда трактор проходит поворот, и отклоняется от соединительного устройства вбок. Вертикальная ось поворота соединительного устройства находится примерно на уровне половины расстояния между валом с цапфой трактора и входным приводным валом машины для обработки почвы. При этом подвижная промежуточная опора расположена на передней и задней части соединительного устройства так, что соседние с ней карданные шарниры карданных валов трансмиссии отклоняются только примерно на половины угла поворота соединительного устройства, обеспечивая примерно синхронное движение без существенных вращательных колебаний всей карданной передачи между трактором и машиной при резком повороте. Это позволяет увеличить срок службы карданной передачи. Если промежуточный вал невозможно установить под одинаковым, примерно половинным, углом между валом с цапфой трактора и входным валом машины для обработки почвы, в карданной передаче возникают различные углы изгиба, которые приводят к неравномерности и, как следствие, к усилению вращательных колебаний карданной передачи.
Задачей данного изобретения является создание конструкции привода для приводной сельскохозяйственной машины, которая при любых расстояниях точки изгиба или поворота соединительного устройства между трактором и машиной обеспечивает приблизительно равномерное приведение машины в движение посредством вала с цапфой трактора.
Эта задача решается путем создания части согласно пункту 1 формулы изобретения.
Благодаря разделению карданной передачи между трактором и сельскохозяйственной машиной на первый и второй карданный вал их можно расположить так, чтобы при повороте соединительного устройства между трактором и сельскохозяйственной машиной первый карданный вал имеет W-образный изгиб, а второй вал – Z-образный изгиб. Неравномерности компенсируются внутри соответствующих карданных валов. Предпочтительно и неожиданно, что в подобной конструкции симметричное разделение первого и второго карданного вала в трансмиссии по длине не требуется, так как соответствующие карданные валы сами движутся синхронно. Благодаря этому центр тяжести соединительного устройства между трактором и сельскохозяйственной машиной можно выбирать практически произвольно.
Предпочтительно, чтобы на соединительном устройстве опора с промежуточным валом располагалась с возможностью движения так, чтобы, когда трактор отклонен от машины, промежуточный вал приводил первый карданный вал в положение W-образного изгиба, а второй карданный вал в положение Z-образного изгиба.
В идеале опора на соединительном устройстве движется вбок от соединительного устройства, если смотреть от машины в направлении привода. В этом случае опора, если смотреть сверху на узел привода и машину, отклоняется дальше в сторону от соединительного устройства, поскольку узел привода и машина наклонены друг к другу.
Особенно благоприятным является, по меньшей мере, в значительной степени параллельное движение опоры или установленного в ней промежуточного вала относительно совмещения соединительного устройства между машиной и приводным узлом. Благодаря параллельному движению входной и выходной угол карданного вала, образующего W-образный изгиб или изгиб карданного шарнира, можно выровнять почти симметрично. В той же степени параллельное движение опоры принудительно обеспечивает Z-образный изгиб, который образует другой карданный вал карданной передачи.
Движение опоры предпочтительно выполняется в направлении, противоположном повороту машины по отношению к приводному рядному блоку. Это означает, что, если привод движется влево относительно машины, то опора движется вправо. Если привод перемещается вправо, опора перемещается, соответственно, влево. При этом возможный угол поворота между приводом и машиной является максимальным, поскольку привод или его внешний контур может поворачиваться вплоть до соединительного устройства, так как промежуточный вал или опора поворачивается от соединительного устройства в противоположном направлении.
Кроме того, предусмотрен исполнительный орган, который соединен с опорой и управляет перемещением опоры относительно соединительного устройства. В результате можно добиться принудительного перемещения опоры.
Принудительное перемещение опоры может управляться в зависимости от угла поворота между машиной и приводом. Благодаря продуманному расположению исполнительного органа движение опоры происходит почти синхронно с поворотным движением машины к приводу, как, например, при поворотах с различной скоростью.
Привод должен быть предпочтительно соединен с исполнительным механизмом управляемых осей сельскохозяйственной машины. Таким образом, положение опоры относительно соединительного устройства и угол поворота управляемых осей машины можно обеспечить одновременно, чтобы добиться точного отслеживания движения машины за приводом. Точное движение по требуемой траектории, также известное как принудительное управление, предотвращает повреждение почвы и сельскохозяйственных культур, а также чрезмерную нагрузку на компоненты шасси, задействованные в машине, как это происходит при обычном движении по полю и по дороге, особенно при высоких нагрузках на ось.
В частности, исполнительный орган также имеет дополнительное соединение с приводом и (или) сельскохозяйственной машиной. Он может быть выполнен в виде механической стойки, толкающей или тянущей штанги или в виде гидравлической комбинации главного и подчиненного цилиндров. Таким образом создается механизм принудительного управления, который без дальнейшего вмешательства водителя обеспечивает оптимальное расположение опоры относительно соединительного устройства для получения максимально равномерного движения трансмиссии.
В особой форме изобретения исполнительный орган выполнен в виде серводвигателя. Это может быть гидравлический или электрический привод, который соединен с гидравлическим или электронным измерительным устройством и (или) блоком управления, который определяет геометрические параметры, например, угловое положение или расстояния между приводом, соединительным устройством, карданным валом, опорой и (или) сельскохозяйственной машиной, и управляет серводвигателем, особенно на поворотах. Усиливающее, ослабляющее или пропорциональное управление серводвигателем может происходить с использованием измерительного устройства в зависимости от определенных геометрических параметров.
Кроме того, исполнительный орган может быть выполнен как серводвигатель с использованием блока управления в сочетании с измерительным устройством для обнаружения одного или нескольких параметров неравномерности в трансмиссии в зависимости от измеренных параметров. Неравномерность вращения валов и шарниров трансмиссии может быть определена путем измерения одного или нескольких параметров, таких как действующий крутящий момент, угол поворота или угловая скорость одного или нескольких компонентов трансмиссии. Все рабочее соединение между валом с цапфой привода и одним или несколькими приводными рабочими или вспомогательными устройствами сельскохозяйственной машины считается трансмиссией. В частности, циклически изменяющиеся измеренные значения указывают на неравномерность. На основании этого значения серводвигатель можно регулировать таким образом, чтобы колебания измеренных значений уменьшились. Измерительные устройства предпочтительно располагать в области опоры или встраивать в нее.
Изобретение, в частности, отличается тем, что за счет разделения карданной передачи между приводом и сельскохозяйственной машиной, по меньшей мере, на первый и второй карданные валы, которые в отклоненном состоянии приблизительно образуют Z-образный и W-образный изгиб, и, таким образом, также движутся синхронно и обеспечивают равномерный механический привод сельскохозяйственной машины с помощью привода. Такая конструкция – необычная на первый взгляд – обеспечивает чрезвычайную прочность трансмиссии, которая обеспечивает очень высокий крутящий момент и передачу мощности, а также максимальную защиту всех задействованных компонентов трансмиссии за счет оптимизированной синхронизации карданного вала.
Дополнительные детали и преимущества предмета изобретения вытекают из следующего описания и соответствующих чертежей, на которых показан примерный вариант осуществления с деталями и отдельными частями. На иллюстрациях изображены:
Фиг. 1: трактор с навешенной сельскохозяйственной машиной в перспективе.
Фиг. 2: трактор с навешенной сельскохозяйственной машиной, вид сверху.
Фиг. 3: трактор с навешенной сельскохозяйственной машиной сбоку, вид сбоку.
Фиг. 4 увеличенный вид, аналогичный фиг. 2.
На фиг. 1 показана сельскохозяйственная машина 1, в данном случае складной роторный культиватор с вращающимися инструментами для обработки почвы, соединенная с приводящим устройством 3, например, трактором с помощью соединительного устройства 2 (дышла) и сцепной головки 15 с возможностью поворота.
Сцепная головка 15 может быть выполнена, например, в виде буксирной проушины или шаровой головки, чтобы соответствовать сцепному устройству приводящего устройства и представлять собой разъемное соединение. Сцепная муфта приводного устройства может быть, например, пальцевой муфтой, буксирным крюком, шаровой головкой, прицепной скобой или трехточечным навесным устройством. Сцепная головка 15 обеспечивает дополнительные степени свободы за счет бокового поворота машины 1 к приводу 3, что обычно происходит при поворотах, для компенсации неровностей почвы, подъемов машины 1 и т. д. Машина 1 опирается на жесткое или подъемное шасси 13 с указанными здесь прикрепленными к нему колесами 14. Если приводное устройство 3, в данном случае трактор, изменяет направление движения или следует по криволинейной траектории, машина следует за ним в соответствии с расстоянием между приводным устройством 3 и шасси 13. Угол между приводным устройством 3 и соединительным устройством 2 или машиной 1 изменяется в соответствии с иллюстрацией. Машина оснащена передачей 12, в которой приводная мощность приводного устройства 3 передается на рабочие инструменты машины 1. В предпочтительном варианте роторного культиватора мощность привода передается от трансмиссии 12 через коробку передач 21 на ряд вращающихся зубцов 22, которые входят в зацепление с почвой и перемешивают 20 или измельчают ее.
Входной вал 10 передачи 12 соединен с валом с цапфой 4 приводного устройства посредством карданной передачи 5, содержащей первый карданный вал 6, второй карданный вал 7 и опору 8, расположенную между двумя карданными валами, и установленного в ней промежуточного вала 16. Вал с цапфой 4 обычно выровнен в продольном направлении или направлении движения приводного устройства 3 и используется для механически-вращательной передачи мощности двигателя приводного устройства 3 на присоединенную машину 1. Первый карданный вал 6 соединен с возможностью съема на одном конце через карданный шарнир с валом с цапфой 4 приводного устройства, а другим концом – также с помощью карданного шарнира – с промежуточным валом 16, который с возможностью вращения проходит через опору 8. На соответствующем конце опоры 8, который предпочтительно выполнен в виде трубы или полого тела, расположен шариковый, роликовый подшипник или подшипник скольжения, который поступательно фиксирует промежуточный вал 16 с опорой. За опорой 8 промежуточный вал заканчивается втулкой вала, которая соединена с карданными шарнирами соответствующих соседних карданных валов 6, 7 устойчивым к скручиванию и, предпочтительно, с неподвижным в осевом направлении образом посредством шпонки, профиля или пары штифтов. Промежуточный вал 16 закрыт опорой 8 и карданным шарниром, но обозначен своей центральной осью вращения. Еще один карданный вал 7 расположен между опорой 8 и передачей 12; он соединен с одной стороны с карданом на промежуточном валу 16 опоры, а с другой стороны – с карданом 5 на входном валу трансмиссии. Карданные валы имеют телескопические профили, которые соединяют соответствующие карданные шарниры карданных валов 6, 7 между собой с возможностью изменения длины. Опора 8 установлена на соединительном устройстве 2 с возможностью бокового перемещения с помощью дополнительного механизма 20. Этот механизм 20 может, как показано, представлять собой параллелограммное соединение. Также можно использовать скользящее звено или простой поворотный рычаг. При использовании простого поворотного рычага его ось поворота ориентирована приблизительно параллельно основному продольному направлению 17 соединительного устройства 2. В результате это приводит к боковому повороту опоры 8 в воображаемой плоскости поворота, которая перпендикулярна соединительному устройству 2 или его основному продольному направлению 17, например, в виде изогнутого сегмента. Решающим фактором является боковое смещение опоры 8 или его соединительного вала 16 относительно основного продольного направления 17 соединительного устройства 2, причем основное продольное направление 17 обычно соответствует направлению движения, когда приводное устройство 3 и машина 1 (здесь не показаны) движутся прямо.
Механизм 20 бокового перемещения опоры 8 состоит из двух поворотных рычагов 18. Каждый из поворотных рычагов 18, с одной стороны, может поворачиваться к соединительному устройству 2 и предпочтительно установлен с параллелограммным соединением с двумя параллельными осями поворота и опорой 8. Исполнительный орган 9 шарнирно соединен с другой точкой крепления 11 на приводном устройстве кронштейном 19, выступающим вбок от поворотного рычага 18. Если приводное устройство 3 меняет свое положение относительно машины 1 или соединительного устройства 2, положение точки 11 крепления по отношению к сцепной головке 15 изменяется. В результате изменение положения точки 11 передается через орган 9 на кронштейн 19 и поворотный рычаг 18 и, таким образом, на механизм 20 бокового перемещения опоры 8, который затем меняет свое положение относительно соединительного устройства 2 относительно своего промежуточного вала 16.
На фиг. 2 показана конструкция с основными компонентами, показанными на фиг. 1, на виде сверху.
Машина 1 соединена с возможностью поворота в боковом направлении через соединительное устройство 2 и через сцепную головку 15 приводного устройства 3, которая закрыта шарнирным валом 6. Угол поворота машины или ее соединительного устройства относительно приводного устройства 3 представлен углом α на основе средних плоскостей, которые проходят через основное продольное 5 направление 17 соединительного устройства 2 и вала с цапфой 4 приводного устройства 3. Как уже было описано выше, угол α точки крепления 11 изменил свое положение относительно соединительного устройства 2 или сцепной головки 15. Исполнительный орган 9 соответственно передает это движение на регулировочный механизм опоры 8. В результате опора 8 перемещается в сторону от соединительного устройства 2, а именно в направлении, противоположном направлению поворота приводного устройства 3. Направление промежуточного вала 16 и основное продольное направление 17 всегда параллельны или, по меньшей мере, приблизительно параллельны друг другу. Боковое смещение опоры 8 или промежуточного вала 16 относительно соединительного устройства 2 или основного продольного направления 17 представлено расстоянием а. Если приводное устройство 3 поворачивается в направлении своего движения, как показано вправо, расстояние a опоры 8 от соединительного устройства 2 влево увеличивается с увеличением угла поворота α. Если, напротив, приводное устройство 3 поворачивается влево, опора 8, соответственно, смещается вправо от соединительного устройства 2. Когда приводное устройство 3 движется прямо, угол поворота α уменьшается до 0°. Опора 8 или промежуточный вал 16 перемещаются соответственно относительно центра соединительного устройства 2. Боковое расстояние a опоры 8 до соединительного устройства 2, таким образом, изменяется соответственно, но при движении в противоположном направлении в направлении нуля.
На фиг. 3 показано расположение машины и приводного устройства 3 и их основных компонентов в повернутом состоянии приводного устройства 3 на виде сбоку.
Можно увидеть соединительное устройство 2, которое вместе со сцепной головкой 15 соединяет машину 1 с приводным устройством 3 вокруг воображаемой вертикальной оси с возможностью поворота в боковом направлении и шарнирного соединения в направлении движения. Исполнительный орган 9 шарнирно соединен между креплением 11 и внешним концом кронштейна 19. Виден вертикально и параллельно расположенная шарнирная опора поворотного рычага 18 относительно соединительного устройства 2 или опоры 8. Карданный шарнир первого карданного вала 6, который соединен с валом с цапфой 4 приводного устройства 3, расположен примерно на уровне сцепной головки 15 или ее воображаемой вертикальной оси. Такое расположение обычно встречается в приводном устройстве 3, в данном случае тракторе с шаровой головкой или пальцевой муфтой. Другой карданный шарнир карданного вала 6 связан с промежуточным валом 16 опоры 8. Другой конец промежуточного вала 16 шарнирно соединен со вторым карданным валом 7, который, в свою очередь, соединен с входным 5 валом 10 трансмиссии 12 с другим универсальным шарниром. В предпочтительной форме роторного культиватора под трансмиссией 12 (устройство 1) можно увидеть коробку передач 21, к которой прикреплены вращающиеся зубцы 22, которые соединены с трансмиссией 12 коробкой передач 21. Вместо трансмиссии можно использовать любые другие типы передаточных механизмов или прямых приводов для рабочего инструмента или других устройств машины.
В идеале вал с цапфой 4, шарнирный вал 6, промежуточный вал 16, шарнирный вал 7 и входной вал 10 проходят приблизительно через воображаемую горизонтальную плоскость, которая проходит параллельно соединительному устройству или его основному продольному направлению 17. Таким образом, зависимости углов изгиба карданных валов на виде сверху (см. фиг. 2) могут быть сведены к чисто двумерной задаче. Однако также возможны различные перепады высоты вала с цапфой 4 и входного вала 10 трансмиссии 12. Однако необходимо, чтобы соответствующие карданные валы располагались под углом W или Z, даже если смотреть сбоку. Хотя это приводит к дополнительному наклону карданного шарнира, синхронизация карданного вала, требуемая согласно формуле изобретения, достигается при условии, что условия согласно формуле изобретения выполняются, по крайней мере, на виде сверху, как описано на фиг. 2.
На фиг. 4 показано увеличенное изображение конструкции карданной передачи 5 с фиг. 2 с соответствующими зависимостями угла изгиба. Карданный вал 6 имеет W-образный изгиб, а карданный вал 7 –Z-образный изгиб. Решающим фактором для синхронизации карданного вала, независимо от того, имеет ли он изгиб W или Z, является то, чтобы углы входа и выхода карданных шарниров по возможности были равны относительно продольной оси карданного вала. Поскольку боковое смещение опоры 8 приводит к соосному смещению промежуточного вала 16 относительно входного вала 10, второй карданный вал 7 всегда имеет Z-образный изгиб, при котором входной угол γ1 между карданным валом 7 и промежуточным валом 16 и выходной угол γ2 между карданным валом 7 и входным валом 10 постоянно увеличивается при увеличении бокового отклонения промежуточного вала 16 или опоры 8 относительно соединительного устройства 2, здесь указанного как расстояние а. Таким образом, синхронность карданного вала 7 всегда обеспечивается Z-образным изгибом.
Благодаря этой зависимости, поперечное расстояние a всегда можно отрегулировать так, чтобы выходной угол β2 между карданным валом 6 и промежуточным валом 16 был примерно того же размера и был наклонен в том же 5 направлении, что и входной угол β1 между карданным валом 4 и карданным валом 6. В результате карданный вал 6 имеет W-образный изгиб с тем же углом входа β1 и углом выхода β2. Таким образом, принимая по своей сути необычную, но преднамеренно регулируемую кинематику Z-образного изгиба второго шарнирного вала 7, достигается оптимизированная кинематика W-изгиба первого шарнирного вала 6, хотя из-за асимметричного расположения сцепной головки относительно направления шарнирного вала 6 можно было бы ожидать неравномерного движения первого карданного вала.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Сельскохозяйственная машина
2 Соединительное устройство
3 Приводное устройство
4 Вал с цапфой
5 Карданная передача
6 Первый карданный вал
7 Второй карданный вал
8 Опора
9 Исполнительный орган
10 Входной вал
11 Крепежный элемент
12 Передача
13 Шасси
14 Колесо
15 Выступ муфты
16 Промежуточный вал, центральная ось вращения
17 Основное продольное направление
18 Поворотный рычаг
19 Кронштейн
20 Механизм
21 Коробка передач
22 Зубья