ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ВАРИАТОР НЕФРИКЦИОННОГО ТИПА
HIGH-TORQUE VARIATOR OF NONRYCING TYPE

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для плавного изменения передаточного отношения трансмиссии машин большой мощности, действующих при сложном динамическом режиме, включая останов выходного вала под нагрузкой, позволяет варьировать скорость и момент выходного вала в широком диапазоне.
Известны высокомоментные вариаторы нефрикционного типа, в которых момент от входного вала к выходному передается посредством пары колебательных механизмов с плавно изменяемым размахом колебаний, которые через обгонные муфты передают однонаправленное пульсирующее вращение на валы трехвального дифференциала, водило которого - выходной вал [1].
Известны некулачковые высокомоментные вариаторы, в которых колебательные механизмы некулачкового типа, например механизм с качающейся шайбой [2]. У вариаторов такого типа имеет место коэффициент неравномерности скорости вращения выходного вала около 10%.
Также известны кулачковые высокомоментные вариаторы, у которых колебательные механизмы кулачкового типа, например вариатор с непространственным кулачком, снабженный дополнительным устройством для изменения размаха колебаний колебательного вала [3]. У такого вариатора коэффициент неравномерности скорости вращения выходного вала -0…10%.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату высокомоментный вариатор с пространственными кулачками [4], который имеет нулевой коэффициент неравномерности во всем диапазоне варьирования. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженные на входной вал с возможностью совместного вращения и разнонаправленного осевого перемещения от рукоятки управления два пространственных кулачка, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленный в подшипниках корпуса перпендикулярно входному валу колебательный вал и пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а ведущими полумуфтами кинематически связаны с колебательным валом, на каждом из которых установлены оппозитно контактирующие с разными пространственными кулачками рычаги, при этом оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от входного вала в перпендикулярной оси входного вала плоскости, а также перпендикулярно друг другу.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами с установленными в подшипниках корпуса на одинаковом расстоянии от входного вала колебательными валами, при этом каждый приводной механизм содержит пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а ведущие полумуфты обгонных муфт кинематически связаны с колебательными валами, на которых установлены контактирующие с пространственным кулачком рычаги, с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов.
Известный механизм имеет два пространственных кулачка и достаточно сложные кинематические связи звеньев, что удорожает конструкцию и ухудшает массово-габаритные характеристики.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением эксплуатационных характеристик.
Предлагаемый высокомоментный вариатор нефрикционного типа имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, механизм изменения передаточного отношения с рукояткой управления, посаженный на входной вал с возможностью совместного вращения пространственный кулачок 4, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого является выходным валом, а валы колес дифференциала снабжены с возможностью сообщения однонаправленного вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90° двумя приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленную на подшипниках в корпусе параллельно входному валу пару колебательных валов и пару обгонных муфт, с кинематически связанными с валом колеса дифференциала ведомыми полумуфтами, а каждая ведущая полумуфта кинематически связана с колебательным валом, на колебательных валах установлены карусельно в одной плоскости контактирующее с пространственным кулачком рычаги, с возможностью изменения рукояткой управления относительного положения пространственного кулачка и рычагов, причем оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от оси входного вала, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например цепной передачей.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый вариатор снабжен для каждого приводного механизма парой колебательных валов, установленных параллельно входному валу, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны для разных пар колебательных валов, рычаги установлены карусельно в одной плоскости, при этом колебательные валы в каждой паре кинематически связаны с возможностью поворота с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью, например, цепной передачей.
На фиг. 1…6 дан вариант конструкции предлагаемого вариатора; на фиг. 7 - графики кинематических параметров, на фиг. 8 и 9 - варианты конструктивного исполнения.
а
а
а
а
а
а
а
1
2
1
2
1
2
1
2
Предлагаемый механизм (фиг. 1…6) содержит корпус 1, установленные на подшипниках в корпусе входной вал 2 и выходной вал 3, посаженный на шлицах входного вала с возможностью осевого перемещения пространственный кулачок 4. OXYZ - зафиксированная на корпусе, а оху - связанная с кулачком системы координат. На подшипниках в корпусе параллельно входному валу смонтированы две пары колебательных валов: 5, 5 и 5b, 5b, причем оси колебательных валов установлены на одинаковом расстоянии от оси OZ входного вала, а оси каждой пары колебательных валов смонтированы в проходящей через ось входного вала плоскости, и эти плоскости перпендикулярны. Каждый колебательный вал снабжен контактирующим с кулачком рычагом 6 посредством ролика 7, при этом рычаги расположены карусельно в одной плоскости. На колебательных валах зафиксированы ведущие полумуфты 8 обгонных муфт 9, с ведомыми полумуфтами в виде шестерен 10, 10, 10b, 10b. В кулачке установлен на подшипниках стакан 11, зафиксированный от вращения ползуном 12 и пазом 13 в корпусе. С возможностью вращения в корпусе установлен связанный резьбой со стаканом 11 винт 14, с коническим зубчатым венцом 15, сцепленным с конической шестерней 16, которая закреплена на рукоятке управления 17. На колебательных валах (фиг. 5) закреплены двухвенцовые звездочки 18, на каждую из которых надета пара цепей 19, с закрепленными штифтами 20 крайними звеньями на диаметрально расположенных звездочках, а на подшипниках корпуса установлена пара опорных роликов 21. Цепи смонтированы с возможностью поворота диаметрально противоположных колебательных валов с одинаковой по модулю разнонаправленной угловой скоростью. На выходном валу 3, являющемся водилом цилиндрического трехвального дифференциала [5], выполнена пара щек 22 с парой сцепленных сателлитов 23 и 23b, валы колес дифференциала 24 и 24b установлены на подшипниках выходного вала и сцеплены с сателлитами. На валах колес дифференциала выполнены зубчатые венцы 25 и 25b, сцепленные с соответствующими шестернями 10 обгонных муфт.
max
max
1
а
Механизм действует следующим образом. От рукоятки управления 17 кулачок 4 из исходного положения (фиг. 2) перемещается на расстояние h, Н=h - максимальное перемещение (фиг. 3). Поворачивающийся на угол α входной вал 2 отклоняет кулачком рычаги 5 колебательных валов на углы γ(α, h), зависящие от профиля пространственного кулачка и положения рукоятки управления (фиг. 4), λ=2γ - максимальный размах колебаний колебательных валов. При α=0…π/2 колебательный вал 5 поворачивается кулачком посредством рычага на угол [1]
,
а его угловая скорость ,
а
1
10
а
К
а
1
2
где ω - скорость входного вала, t - время. Через обгонную муфту колебательный вал вращает шестерню 10 с угловой скоростью ω=ω. Одновременно диаметрально противоположный колебательный вал 5а цепной передачей поворачивается на угол
,
а
а
а
а
2
2
2
10
а
К
а
1
1
при этом обгонная муфта колебательного вала 5 действует в режиме обгона, на фиг. 5 стрелками показаны натянутые ветви цепей 19. При α=π/2…2π колебательный вал 5 передает вращение на шестерню 10 с угловой скоростью ω=ω, а обгонная муфта колебательного вала 5 совершает обгон. При полном обороте входного вала (α=0…2 л)
,
a
а
а
а
1
2
при этом шестерни 10 и 10 через зубчатый венец 25 при любом α передают вращение на вал колеса дифференциала 24 с угловой скоростью
,
10
25
где z и z - число зубьев в шестерне 10 и зубчатом венце 25.
1
2
Колебательные валы 5b и 5b действуют аналогично на вал колеса дифференциала 24b, но со сдвигом по фазе на π/2, следовательно, его угловая скорость
.
Водило дифференциала, которое является выходным валом вариатора, вращается с угловой скоростью
,
следовательно, имеет место идеальная равномерность вращения выходного вала при ω=const, и обеспечивается варьирование скорости выходного вала рукояткой управления 17, перемещением кулачка относительно рычагов, в широком диапазоне:.
На фиг. 7 показаны графики угловых скоростей звеньев вариатора.
Кинематическая связь диаметрально противоположных колебательных валов может быть конструктивно различной: например (фиг. 8), с помощью тросов 26, закрепленных на диаметрально противоположных блоках 27, установленных на колебательных валах, 28 - опорные шкивы.
Изменение передаточного отношения вариатора зависит от относительного положения рычагов 6 и пространственного кулачка 4, поэтому перемещение кулачка относительно входного вала непринципиально: при фиксированном на выходном валу кулачке можно установить рычаги на колебательных валах перемещаемыми от рукоятки управления, как показано на фиг. 9, где колебательные валы выполнены глянцевыми, а для перемещения рычагов используются поводковые механизмы 29.
Следует применять в вариаторе нефрикционные обгонные муфты, позволяющие передавать без потерь энергии большие моменты, например зубчатые обгонные муфты [6…8].
Информация о высокомоментных вариаторах нефрикционного типа дана на сайте [9].
Источники информации
1. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке// Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 12-16.
2. RU 2475663 C1, F16Н 29/08, 22.09.2011 (Б.В. Пылаев).
3. RU 2409779 C1, F16Н 29/08, 06.07.2009 (Б.В. Пылаев).
4. RU 2242654 С2, F16Н 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
5. Крайнев А.Ф. Механика машин. Фундаментальный словарь. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 2001 (стр. 175. Схема б).
6. Б.В. Пылаев, А.А. Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора// Вестник машиностроения. 2008. №6. С. 3-6.
7. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
8. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
9. www.vmvp.ru.