СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩЕНИЯ И ВАРИАТОРНАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
METHOD OF TORQUE TRANSFER AND VARIATOR TOOTH GEAR

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве зубчатой передачи со свойством перераспределения усилий на зубьях колес, а также в качестве дифференциала.
Уровень техники
В настоящее время известны различные схемы зубчатых передач.
Из уровня техники известны гипоидная, цепная, планетарная и другие зубчатые передачи (см. Гузенков П.Г. Детали машин: Учебник для вузов. - 4-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1986. - 359 с.).
Гипоидная зубчатая передача включает в себя два конических колеса с косыми или криволинейными зубьями, расположенные на скрещивающихся осях, причем ось одного из колес смещена относительно оси другого зубчатого колеса.
Недостатком гипоидной передачи являются повышенная опасность заедания, а также отсутствие возможности изменения режима работы передачи.
Цепная передача включает в себя два зубчатых колеса (звездочки), расположенные на некотором расстоянии друг от друга, соединенные между собой охватывающей их цепью.
Недостатками этой передачи является растяжение цепи в процессе эксплуатации, возникновение значительных динамических нагрузках при высоких скоростях и шумность.
Планетарная зубчатая передача включает в себя сателлиты, соединенные между собой и двигающиеся относительно двух центральных колес посредством водила.
Недостатками такой передачи являются повышенные точность и сложность изготовления.
Наиболее близкой по конструкции является известная из уровня техники червячная зубчатая передача (см. Гузенков П.Г. Детали машин: Учебник для вузов. - 4-е изд., испр. М.: Высш. шк., 1986. - 359 с.), состоящая из шестерни («червяка») и червячного колеса, которые имеют криволинейные зубья и закреплены на перекрещивающихся валах.
Недостатком этой передачи является то, что она не имеет возможности изменения режима работы, а также неспособна перераспределять нагрузку между входным и выходным валом.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка таких способа передачи вращения и реализующей этот способ зубчатой передачи, которые были бы свободными от указанных недостатков, а кроме того, обеспечивали бы технический результат в виде расширения арсенала технических средств.
Сущность изобретения
В первом объекте настоящего изобретения поставленная задача решается с достижением указанного технического результата путем обеспечения способа передачи вращения, заключающегося в том, что: передают вращение с ведущего вала на ведомый вал посредством по меньшей мере одного зубчатого зацепления; располагают упомянутые зубчатые колеса таким образом, чтобы они в любой момент передачи вращения находились в зубчатом сопряжении; при передаче вращения перемещают точку зацепления колес вдоль их образующих, в зависимости от приложенной к ведомому валу нагрузки, при этом изменяют углы наклона зубьев и диаметры колес, так что в точке сопряжения колес увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса.
В варианте первого объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что при передаче вращения одно из колес, помимо вращения вокруг собственной геометрической оси, обладает возможностью вращения вокруг геометрической оси второго колеса.
Во втором объекте настоящего изобретения поставленная задача решается с достижением указанного технического результата путем обеспечения вариаторной зубчатой передачи, содержащей: по меньшей мере одно зубчатое зацепление; зубчатые колеса упомянутого зацепления, установленные с возможностью свободного скольжения по собственным валам без относительного вращения, выполненные в виде тел вращения, на поверхностях которых нарезаны криволинейные зубья с произвольным поперечным профилем таким образом, что при перемещении колес по валам в любой момент передачи вращения обеспечивается зубчатое сопряжение в месте сопряжения колес, а увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса.
В варианте второго объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что одно из колес подпружинено в сторону, противоположную упомянутому перемещению, при увеличении нагрузки на выходном валу.
В другом варианте второго объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что перемещение упомянутых колес по валам осуществляется при помощи внешнего механизма.
В третьем объекте настоящего изобретения поставленная задача решается с достижением указанного технического результата путем обеспечения вариаторной зубчатой передачи, содержащей: по меньшей мере одно зубчатое зацепление; зубчатые колеса упомянутого зацепления, выполненные в виде тел вращения, на поверхностях которых нарезаны криволинейные зубья с произвольным поперечным профилем, установленные с возможностью свободного скольжения по собственным валам без относительного вращения, при этом одно из колес, помимо вращения вокруг собственной оси, имеет возможность вращения вокруг геометрической оси второго зубчатого колеса передачи таким образом, что при перемещении колес по валам в любой момент передачи вращения обеспечивается зубчатое сопряжение в месте сопряжения колес, а увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса.
В варианте третьего объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что упомянутое колесо установлено на рамку без относительного вращения.
В другом варианте третьего объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что колесо, установленное с возможностью свободного скольжения по валу без относительного вращения, подпружинено в сторону, противоположную упомянутому перемещению, при увеличении нагрузки на выходном валу.
В другом варианте третьего объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что перемещение упомянутых колес по валам осуществляется при помощи внешнего механизма.
В последнем варианте третьего объекта изобретения поставленная задача решается посредством того, что в зацеплении участвуют три зубчатых колеса, геометрические оси двух из которых установлены в рамке, по обе стороны от центрального колеса, напротив друг-друга, так что колеса, помимо вращения вокруг собственных геометрических осей, имеют возможность вращения вокруг геометрической оси центрального колеса передачи.
Для всех указанных объектов могут иметь место несколько вариантов. Зубчатые колеса могут быть выполнены в виде тел вращения, образующие которых могут представлять собой прямые или изогнутые линии.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется чертежами, иллюстрирующими его возможные варианты осуществления. На всех чертежах цифры ссылочных позиций, относящихся к одинаковым или сходным элементам, совпадают.
На фиг.1 представлен вариант осуществления зубчатой передачи по настоящему изобретению, когда зубчатые колеса представляют собой конические тела вращения.
На фиг.2 представлен вариант осуществления зубчатой передачи по настоящему изобретению, когда зубчатые колеса представляют собой конические тела вращения с образующими в виде кривых.
На фиг.3 представлен вариант осуществления зубчатой передачи по настоящему изобретению, когда одно из колес, помимо вращения вокруг собственной оси, имеет возможность вращения вокруг геометрической оси второго зубчатого колеса передачи.
На фиг.4 представлен вариант осуществления зубчатой передачи по настоящему изобретению, когда в зацеплении участвуют три зубчатых колеса, два из которых, помимо вращения вокруг собственных осей, имеют возможность вращения вокруг оси вращения центрального колеса передачи.
Перечень используемых терминов
В данном описании и в формуле изобретения используются следующие термины и выражения.
«Зубчатое зацепление» и «зубчатое сопряжение» - два зубчатых колеса, находящиеся в зацеплении одно с другим.
«Зубья… выполненные с переменными углами наклона, от одного основания к другому тел вращения колес» - зубья, углы подъема витков которых, от одного основания к другому тел вращения колес, изменяются.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показано одно зубчатое зацепление. Зубчатые колеса 1 и 2 установлены на валах 3 и 4 соответственно. Колеса 1 и 2 представляют собой винты (червяки) конической формы, на боковых (конических) поверхностях которых выполнены криволинейные зубья 5. Зубья 5, а также промежутки между зубьями по всей длине зубчатых колес 1 и 2 имеют одинаковую величину, вследствие чего углы наклона зубьев от меньшего основания к большему конусов колес плавно увеличиваются. Валы 3 и 4 через подшипники установлены в корпусе 7. Валы 3 и 4, как и осевые отверстия ступиц колес 1 и 2, в своих поперечных сечениях имеют квадратную или любую иную форму, обеспечивающую свободное скольжение колес по валам без относительного вращения.
Зубчатое колесо 1 через упорный подшипник подпружинено пружиной 6 со стороны основания собственного конуса. Валы 3, 4 и помещенные на них колеса 1, 2 по фиг.1 установлены таким образом, что в месте зацепления зубчатых колес большой диаметр поперечного сечения и малый угол наклона зубьев одного колеса соответствует малому диаметру поперечного сечения и большому углу наклона зубьев другого колеса или наоборот. Следует также отметить, что будет иметь место положение колес, когда их диаметры и углы наклона зубьев в месте сопряжения будут одинаковыми.
Передача по фиг.1 работает следующим образом.
Крутящий момент со входного вала 3 посредством зубчатого колеса 1 передается на зубчатое колесо 2. От зубчатого колеса 2 крутящий момент передается на выходной вал 4.
При увеличении нагрузки на выходном валу 4 силы, возникающие в зубчатом зацеплении колес 1 и 2, стремятся раздвинуть колеса вдоль их осей вращения. Этим перемещениям противодействует пружина 6, так что после некоторого перемещения колес по собственным валам устанавливается новое положение равновесия сил, расклинивающих колеса, и силы отжатия пружины. Увеличению диаметра и угла наклона зубьев конического колеса 1 в месте сопряжения при его перемещении по валу 3 отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев конического колеса 2 при его перемещении по валу 4. И наоборот, уменьшению диаметра и угла наклона зубьев колеса 1 при его перемещении отвечает увеличение диаметра и угла наклона зубьев колеса 2.
При уменьшении нагрузки на выходном валу 4 пружина 6 отодвигает колеса 1 и 2 в новое положение равновесия.
Таким образом, при любом положении колес 1 и 2 углы наклона зубьев и диаметры зубчатых колес достаточны для обеспечения взаимного зацепления колес и передачи нагрузки.
Следует отметить, что регулирование передачи, то есть перемещение зубчатых колес по собственным валам, также возможно при помощи какого-либо внешнего механизма.
На фиг.2 показан вариант зубчатой передачи, когда зубчатые колеса имеют образующие в виде кривых, при этом одно из зубчатых колес представляет собой в коническое тело вращения с образующими, вогнутость которых направлена к оси вращения колеса, а другое колесо - коническое тело вращения с образующими, вогнутость которых направлена от оси вращения колеса. По фиг.2 выпуклости одного колеса отвечает вогнутость другого и наоборот. Зубья и промежутки между зубьями колес 1 и 2 так же, как и по фиг.1, по всей длине колес выполнены одинакового размера.
Работа передачи по фиг.2 полностью подобна работе передачи по фиг.1.
На фиг.3 показан вариант конструкции зубчатой передачи, когда одно из колес имеет две оси вращения.
По фиг.3 зубчатые колеса 1, 2 установлены на валах 3, 4, причем вал 3 установлен в корпусе 7, а вал 4 установлен на рамке 8. Рамка 8 подвижно закреплена на валу 3, так что ось вращения рамки 8 совпадает с осью вращения колеса 1. Зубчатое колесо 1 подпружинено пружиной 6 со стороны основания собственного конуса. Выходным является вал рамки 8. Конструкция и взаимное расположение зубчатых колес аналогичны фиг.1 и фиг.2.
Передача по фиг.3 работает следующим образом.
Крутящий момент со входного вала 3 посредством зубчатого колеса 1 передается на зубчатое колесо 2. От зубчатого колеса 2 через вал 4 крутящий момент передается на рамку 8 и выходной вал.
При малой нагрузке на выходном валу по фиг.3 осевые силы в зубчатом зацеплении незначительные, и колеса 1, 2 находятся на валах в крайнем верхнем и левом положениях соответственно. Относительное движение рамки 8 отсутствует.
При увеличении нагрузки на выходном валу 4 по фиг.3 силы, возникающие в зубчатом зацеплении колес 1 и 2, стремятся раздвинуть колеса вдоль их осей вращения. Этим перемещениям противодействует пружина 6, так что после некоторого перемещения колес по собственным валам устанавливается новое положение равновесия, при котором зубья колес испытывают большие осевые усилия. В то же время, по причине изменения углов наклона зубьев в точке сопряжения, рамка 8 приходит во вращение, компенсируя тем самым недостаток или полное отсутствие вращения колеса 2 вокруг собственной геометрической оси. Скорость вращения рамки 8 будет тем ниже, чем будет выше скорость вращения колеса 2, и наоборот.
Следует отметить, что в случае, когда помещенное на вал 4 зубчатое колесо 2 установлено на рамку 8 без относительного вращения, при изменении нагрузки на выходном валу будет иметь место вращение рамки 8 и полное отсутствие вращения колеса 2 вокруг собственной геометрической оси.
Таким образом, зубчатая передача по фиг.3, помимо перераспределения осевых усилий на зубьях колес, может использоваться в качестве дифференциала.
На фиг.4 показано два вида конструкции зубчатой передачи, когда в зацеплении участвуют три зубчатых колеса.
Конструктивно механизм по фиг.4 подобен передаче по фиг 3 с той разницей, что на рамке 8 установлено два зубчатых колеса 2 и 9. Колеса 2 и 9 помещены по обе стороны от колеса 1, напротив друг друга, так что колеса 2 и 9, кроме вращения вокруг собственных геометрических осей, имеют возможность вращения вокруг геометрической оси колеса 1. Выходным является вал рамки 8.
Работа передачи по фиг.4 аналогична работе передачи по фиг.3. Вместе с тем передача по фиг.4 имеет ряд преимуществ перед передачей по фиг.3. Наличие третьего колеса в передаче позволяет повысить нагрузочную способность передачи, а также уравновесить силы, возникающие в результате взаимодействия 1 и 2 зубчатых колес.
Зубчатая передача по фиг.4, как и передача по фиг.3, помимо перераспределения осевых усилий на зубьях колес, может использоваться в качестве дифференциала.
Представленные примеры вариантов осуществления настоящего изобретения иллюстрируют работу предложенных: способа передачи вращения и вариаторной зубчатой передачи.
Все эти примеры, приведенные в подробном описании, предназначены исключительно для иллюстративных целей, а не для ограничения объема данного изобретения. В приведенных примерах могут быть сделаны различные модификации, не выходящие за рамки сущности настоящего изобретения. Поэтому объем данного изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения с учетом возможных эквивалентных признаков.