ВОЛНОВАЯ ПЕРЕДАЧА, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ РЕДУКТОР

Изобретение относится к области машиностроения, а именно - к трансмиссиям.
Известна трансмиссия, содержащая корпус, жесткое колесо, гибкое колесо, генератор волн, входной и выходной валы - так называемая волновая передача (О.А.Ряховский, А.В.Клыпин «Детали машин», М., «Дрофа», 2002 г., с.98). Недостатками данного устройства являются низкие обороты выходного вала, постоянное передаточное число.
Существует бесступенчатая передача, содержащая входной и выходной валы, ведущий и ведомый разрезные шкивы, передаточный ремень, привод управления (там же, с.36). Недостатки: большие габариты и вес, внешнее управление.
Известна центробежная двухскоростная муфта по патенту RU 2068509, содержащая ведущую и две ведомые полумуфты, установленные с возможностью взаимодействия посредством фрикционных элементов, и установленные на ведущей полумуфте центробежные механизмы включения малой и большой скоростей. Недостатком ее является дискретное изменение скорости вращения ведомого вала при изменении скорости вращения ведущего вала и вследствие этого ограниченные возможности по передаче крутящего момента.
Целью изобретения является упрощение конструкции трансмиссии и расширение ее возможностей по передаче крутящего момента в слабонагруженных передачах.
Поставленная цель достигается тем, что жесткое колесо волновой передачи выполнено с возможностью вращения, два элемента волновой передачи связаны с двумя звеньями планетарного редуктора, а третий элемент волновой передачи связан с выходным валом, одно или два
звена планетарного редуктора соединены с ведущим валом, причем два звена планетарного редуктора имеют возможность поочередного блокирования с изменением передаточного числа редуктора, а также тем, что жесткое либо гибкое колесо выполнено в виде усеченного конуса либо полусферы, а парный элемент - гибкое либо жесткое колесо - имеет образующую поверхность, отличную от поверхности контрэлемента, генератор волн выполнен с возможностью перемещения под воздействием привода управления вдоль линии, образующей поверхность жесткого колеса, при этом рабочий диаметр гибкого колеса плавно изменяется, изменяя передаточное число редуктора.
На фиг.1 изображена схема двухступенчатой волновой передачи (вход со стороны планетарного редуктора).
На фиг.2 - то же, вход со стороны волновой передачи.
На фиг.3, 4, 5 - то же, варианты.
На фиг.6 - схема бесступенчатого редуктора с жестким колесом, имеющим сферическую внутреннюю поверхность, и центробежным регулятором.
На фиг.7 - то же, с терморегулятором.
На фиг.8 - то же, с подвижным опорным элементом и раздельным приводом элементов волновой передачи.
На фиг.9, 10 - варианты бесступенчатого редуктора с конусным гибким колесом и подвижным опорным элементом.
На фиг.11 - рукав конусного гибкого колеса, вид спереди (пунктиром обозначена форма колеса в одном из крайних положений).
На фиг.12 - то же, вид сбоку.
На фиг.13 - рабочий элемент генератора волн (вид спереди).
На фиг.14 - то же, вид сбоку.
На фиг.15 - то же, вариант.
Двухступенчатая ВОЛНОВАЯ ПЕРЕДАЧА содержит (фиг.1) корпус 1, в котором с возможностью вращения установлено жесткое колесо 2 (в данном случае опорное), связанное с приводным шкивом (валом) 3, гибкое колесо 4, соединенное с выходным валом 5, генератор волн 6, соединенный с выходным водилом 7 двухрядного несимметричного планетарного редуктора 8 (далее 2 ПР), входное водило 9 которого соединено со ступицей приводного шкива 3, центральные колеса 10 2 ПР 8 связаны жестко друг с другом и имеющие возможность блокирования попеременно с одной из двух центральных шестерней 11 или 12 посредством муфты 13 с приводом от дискретного переключателя 14, фрикционные муфты 15, 16, блокирующие какую-либо из свободных шестерен 11 или 12, и с приводом от переключателя 14.
Как вариант волновая передача содержит (фиг.2) корпус 1, в котором с возможностью вращения установлен выходной вал 5, соединенный с выходным водилом 7 2 ПР 8, входное водило 9 которого соединено с жестким колесом 2 волновой передачи, центральные колеса 10, связанные друг с другом и имеющие возможность блокирования и остановки посредством фрикционной муфты 17 с дискретным переключателем 18, центральные шестерни 11, 12, связанные друг с другом и имеющие возможность блокирования и остановки посредством фрикционной муфты 19 с дискретным переключателем 20, гибкое колесо 4 (в данном случае опорное), соединенное со ступицей приводного шкива (входного вала) 3, генератор волн 6, электрическую цепь управления 21.
Другие варианты исполнения двухступенчатой волновой передачи с однорядным планетарным редуктором изображены на фигурах 3-5.
Во всех вариантах жесткое колесо выполнено с возможностью вращения, два элемента волновой передачи связаны с двумя звеньями планетарного редуктора, а третий элемент волновой передачи связан с выходным валом, одно или два звена планетарного редуктора
соединено с ведущим валом, причем два звена планетарного редуктора имеют возможность поочередного блокирования с изменением передаточного числа редуктора.
БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ВОЛНОВОЙ РЕДУКТОР (далее - ВВ, волновой вариатор) содержит (фиг.6) корпус 22, в котором с возможностью вращения на подшипниках 23 установлен входной вал 24, соединенный с генератором волн 25, выходной вал 27 на подшипниках 28, соединенный с жестким колесом 29 волновой передачи, выполненным в виде усеченного конуса либо полусферы, гибкое колесо 30, имеющее образующую поверхность, отличную от поверхности контрэлемента, фиксирующее кольцо 31, рабочий орган 32 генератора волн на шарнирах 33 с грузиками 34 и возвратной пружиной 35 (как вариант -биметаллическую пластину), шкив 36. Гибкое колесо имеет вид рукава -конусного или цилиндрического. Генератор волн (его рабочий орган) выполнен с возможностью перемещения под воздействием привода управления вдоль линии, образующей поверхность жесткого колеса, при этом рабочий диаметр гибкого колеса плавно изменяется, изменяя передаточное число редуктора.
В варианте на фиг.7 ВВ содержит корпус 22, жестко соединенный с неподвижным жестким колесом 29, входной вал 24 со шкивом, соединенный с генератором волн 25 с рабочим органом 32 и биметаллической пластиной 35 (как вариант - возвратной пружиной), выходной вал 27, соединенный с гибким колесом 30 волновой передачи, жесткое колесо 29, выполненное в виде усеченного конуса либо полусферы, воздушные окна 37 с направляющими лопатками.
В варианте на фиг.8 привод управления выполнен в виде термодатчика, а ВВ содержит корпус 22 с воздушными окнами 38, в котором с возможностью вращения установлена обойма 39 гибкого колеса 30, связанная со ступицей шкива 36, в которой с возможностью
вращения установлен вал 24 со шкивом 40. В корпусе 22 также с возможностью вращения установлен выходной вал 27 с воздушными окнами 41 и направляющими лопатками, соединенный с жестким колесом 29, внутренняя поверхность которого имеет вид усеченного конуса. В теле вала 27 выполнено посадочное место для установки вала 24. Генератор волн 25 соединен с валом 24 посредством шлицов с возможностью осевого перемещения и имеет рабочий орган 32 на шарнирах и биметаллическую термопластину 35, а также прижимную пружину 42. Приводные шкивы 36 и 40 должны обеспечивать разную скорость вращения генератора волн и жесткого колеса.
В варианте на фиг.9 привод управления выполнен в виде центробежного устройства, а ВВ содержит корпус 22, в котором с возможностью вращения установлены жесткое колесо 29, соединенное с одним приводным шкивом 36, выходной вал 27, соединенный с гибким колесом 30, входной вал 24 со вторым приводным шкивом 40, имеющий шарниры 43 крепления раздвижных штанг 44 с грузиками и возвратной пружиной 35 и шлицы в месте соединения с генератором волн 25 с упорами 45, прижимную пружину 42. Гибкое колесо выполнено в виде конусного (усеченного) рукава (фиг.12). Жесткое колесо 29 может иметь как цилиндрическую, так и коническую поверхность.
В варианте на фиг.10 ВВ содержит корпус 22, в котором с возможностью вращения установлен опорный элемент - жесткое колесо 29, соединенное со ступицей приводного шкива 36, выходной вал 27, соединенный с гибким колесом 30, кронштейн 46, привод управления 47 с механизмом 48 осевого перемещения вала 24, имеющего шарниры крепления раздвижных рабочих органов генератора волн 25 и шлицы в месте соединения с подшипниками 49, 36 и центральной шестерней 50 планетарного редуктора, центральное колесо 51 которого связано с жестким колесом 29, а водило 52 жестко связано с неподвижным корпусом устройства 47, прижимную пружину 35.
Рабочий орган генератора волн содержит (фиг.13, 14) ролик 53, вилку 54 с осью, стержень 55 с осевым каналом, поджимную пружину 56.
Как вариант рабочий орган может содержать шарик 57, колпачек 58, стержень 55 (фиг.15).
Работает двухступенчатая волновая передача следующим образом (фиг.1). Крутящий момент с приводного шкива (вала) 3 поступает на входное водило 9 2 ПР 8 и далее через сблокированную посредством муфты 13 связку колес 10 с одной из центральных шестерн 11 или 12 при остановленной другой центральной шестерне (посредством муфт 15, 16) поступает на выходное водило 7. Вследствие разности диаметров центральных шестерн 11 и 12 передаточное число редуктора в обоих случаях будет различным и, следовательно, крутящий момент на генераторе волн также будет иметь два значения. Так как жесткое колесо 2 напрямую связано (опорное) со шкивом 3 и вращается с постоянной угловой скоростью (при постоянной у.с. последнего), гибкое колесо 4 и связанный с ним выходной вал 5 имеют две фиксированные ступени. Дискретный переключатель 14 имеет два фиксированных положения и может работать как в автономном режиме, напр., по сигналам термодатчик, так и в управляемом режиме.
Во втором варианте (фиг.2) работа двухрядной волновой передачи отличается тем, что волновая передача имеет постоянное передаточное число, а изменение ступени происходит в двухрядном планетарном редукторе (2 ПР) 8 при попеременном блокировании связки центральных колес 10 или связки центральных шестерен 11, 12. Разница диаметров центральных шестерен 11 и 12 определяет наличие двух ступеней на выходе редуктора. Для синхронного действия фрикционных муфт 17 и 14 используется цепь управления 21 с электромагнитным переключателем 18 по сигналам датчика переключателя 20. В данном
варианте опорным элементом может быть как гибкое, так и жесткое колесо.
Варианты исполнения двухступенчатой волновой передачи с однорядным планетарным редуктором (эпициклическим дифференциалом), представленные на фиг.3-5, предполагают изменение момента вращения как на опорном элементе - жестком колесе, так и на генераторе волн, притом, что гибкое колесо соединено с выходным валом. При блокировании одного из звеньев планетарного редуктора возможно изменение передаточного числа, а также реверсирование выходного вала.
Соединение волновой передачи с планетарным редуктором позволяет иметь две ступени на выходном валу волновой передачи, а соединение планетарного редуктора с волновой передачей дает возможность значительно изменять передаточное число первого для привода тихоходных ненагруженных передач.
Волновой вариатор работает следующим образом, (фиг.6). Крутящий момент со шкива 36 передается на генератор волн 25 и далее через зафиксированное гибкое колесо 30 на подвижное жесткое колесо 29 и выходной вал 27. Жесткое колесо 29 выполнено по сферической поверхности с центром в точке вращения 33 рабочего органа 32. В данном варианте ВВ может выполнять функцию фрикционной безинерционной муфты. Толщиной прижимного кольца 31 и зазором между жестким и гибким колесами можно пренебречь или рукав гибкого колеса изготовить ступенчатой формы. В таком случае диаметры жесткого и гибкого колес в начальной точке максимально приближены и, следовательно, угловые скорости их при любой угловой скорости генератора волн также будут равными. А поскольку один из этих элементов неподвижен (жестко связан с опорой), то и второй также будет неподвижен. Для того, чтобы он начал вращение необходимо
создать разницу во взаимодействующих диаметрах элементов, и чем больше эта разница, тем быстрее будет вращаться ведомая полумуфта. Перемещение рабочего органа 32 генератора волн 25 вдоль сферической поверхности жесткого колеса под воздействием органа управления создает условия для увеличения скорости вращения гибкого колеса при условии, что диаметр его рукава по линии взаимодействия не увеличивается или увеличивается в меньшей степени.
В вариантах, представленных на ф.ф.6, 7, 8, 10 ВВ может работать и как фрикционная муфта включения. В разомкнутом состоянии при оборотах вала 24 ниже порога включения или при температуре окружающей среды ниже пороговой рабочий орган 32 генератора волн вращается внутри неподвижного гибкого колеса 30. На пороге включения, при радиальном расширении генератора волн происходит зацепление колес ВВ, имеющих практически одинаковый местный диаметр, и дальнейшее увеличение угловой скорости ведомой полумуфты пропорционально изменению передаточного числа ВВ и скорости вращения генератора волн.
Далее устройство работает как бесступенчатый редуктор: изменение диаметра генератора волн влечет за собой изменение функциональных диаметров обоих взаимодействующих элементов - жесткого и гибкого колес и, следовательно, плавное изменение передаточного числа. Отключение муфты происходит при обратном процессе.
В вариантах, показанных на ф.ф.6, 7 ВВ выполнен с неподвижным опорным элементом и может использоваться в качестве тихоходной ненагруженной трансмиссии.
В вариантах, представленных на ф.ф.8, 10, ВВ выполнен с подвижным опорным элементом, что дает возможность использования его в быстроходных передачах, но с уменьшением диапазона регулирования передаточного числа (до 30%). Подвижный опорный элемент, напр. гибкое колесо (фиг.8) может приводиться во вращение от
того же ведущего элемента, что и гибкое колесо, при этом их угловые скорости не должны быть равными, что обеспечивается различными диаметрами их приводных шкивов 36 и 40.
В варианте, изображенном на фиг.9, генератор волн 25 имеет постоянный диаметр и перемещается внутри конического гибкого колеса 30 по шлицам вала 24 под воздействием раздвижных штанг 44, давящих на упоры45. Штанги 44 закреплены одним концом на шайбе вала 24, имеют на другом конце грузики и возвратную пружину 35. При увеличении оборотов вала под действием центробежной силы свободные концы штанг 44 стремятся к внешнему диаметру, при уменьшении оборотов под воздействием пружины 35 возвращаются в исходное положение. Пружина 42 возвращает рабочий орган генератора волн в исходное положение после прекращения действия на него центробежной силы грузиков.
Аналогично работает ВВ, показанная на фиг.10, с той разницей, что перемещение генератора волн осуществляется приводом с внешним управлением 47 через ступицу шкива 36, выполненную в виде планетарного редуктора, водило 52 которого жестко зафиксировано на корпусе, а центральная шестерня 50 с генератором волн и центральное колесо с жестким колесом 29 вращаются во взаимообратных направлениях, и жесткое колесо имеет легкую конусность по всей длине стакана или только в начале, для обеспечения безинерционного включения в работу гибкого колеса и выходного вала, а рабочий орган генератора волн 25 установлен на шарнирах и подпружинен (35), а также имеет упоры для ограничения максимального диаметра.
При перемещении генератора волн в осевом направлении в сочетании с циркулярным движением ось колесика 53 рабочего органа должна быть всегда направлена перпендикулярно суммирующему вектору движения, для обеспечения чего она размещается на вилке 54, свободно установленной в канале стержня 55, при этом проекция оси
колесика 53 должна быть смещена относительно оси вращения вилки 54 - в этом случае колесико будет самоустанавливаться в оптимальное положение. По мере износа колесика в пределах ресурса устройства пружина 56 обеспечивает необходимую прижимную силу гибкого колеса к жесткому (ф.ф.13, 14).
Достоинство предлагаемого устройства состоит в наличии большого числа вариантов изготовления, позволяющего подбирать необходимые параметры в каждом конкретном случае его применения.
ВВ может изготавливаться в любых комбинациях описанных устройств с коническими, сферическими, цилиндрическими поверхностями по крайней мере одного из двух элементов - жесткого или гибкого колес - волновой передачи, с подвижным либо неподвижным опорным элементом, с муфтой включения или без нее, с автономным или внешним управлением, с одним или двумя независимо приводимыми шкивами (валами), с планетарным редуктором (эпициклическим дифференциалом) или без него. Комбинация планетарного редуктора и волнового вариатора позволяет расширить возможности трансмиссии по передаче крутящего момента, а также применять ее в качестве безинерционной муфты включения с бесступенчатым регулированием частоты вращения выходного вала при постоянных оборотах входного.
При использовании в качестве привода биметаллического терморегулятора необходимо предусмотреть возможность доступа воздуха от контролируемого узла к термодатчику, напр., через воздушные окна в корпусе устройства и ступице приводного шкива.
Исполнение планетарного редуктора возможно как с зубчатым зацеплением колес, так и фрикционным.