ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ВАРИАТОР
DIFFERENTIAL VARIATOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных механизмах и машинах для бесступенчатого преобразования вращательного движения в заданном диапазоне угловой скорости ведомого звена.
Известен вариатор, состоящий из входного вала с солнечной шестерней и содержащий сателлиты, фрикционные диски, промежуточный вал, корону и выходной вал. (А.Ф.Крайнев «Механика машин». Фундаментальный справочник, 2000, стр.71, а)
Известный механизм характеризуется относительно низким диапазоном изменения частоты вращения выходного вала, малой нагрузочной способностью, потерями мощности в фрикционном механизме, повышенными тепловыми потерями.
s
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является зубчатое передаточное устройство с бесступенчатым изменением передаточного отношения, включающее две ступени планетарных механизмов, состоящих из большой и малой центральных шестерен, жестко закрепленных на центральном валу и внешней двухвенцовой шестерни, с возможностью вращения последней вокруг оси центральных колес, при этом внешние зубья центральных шестерен и внутренние зубья двухвенцовой шестерни находятся в зацеплении с планетарными шестернями, радиально расположенными вокруг центральных колес и одновременно установленными на осях двух водил, с возможностью вращения последних вокруг центральных колес и передачи мощности, при этом первая ступень является ведущей, а вторая - ведомой. (GB Патент N 2238 090, 1991 г.)
Это передаточное устройство не обеспечивает передачу крутящего момента без дополнительного управляющего устройства, а использование последнего усложняет конструкцию, снижает КПД и надежность работы устройства, устройство не работает в оптимальном режиме в зависимости от изменения нагрузки на ведущем и ведомом валах допускается динамическая нагрузка на управляющий механизм, что снижает надежность и увеличивает износ устройства.
В основу изобретения положена задача создания такой дифференциальной передачи, в которой без внешнего управляющего воздействия можно бесступенчато изменять вращательные движения выходного звена в заданном диапазоне угловой скорости.
1
1
1
2
2
2
3
3
2
1
2
2
2
3
3
2
B
Z1
B
Z1
и
B
Z1
E
1
1
2
2
3
3
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальной передаче, содержащей планетарную передачу первой ступени, состоящей из центральной шестерни Z сателлита g и водила h, планетарную передачу второй ступени, состоящей из центрального колеса Z сателлита g и водила h, и планетарную передачу третьей ступени, состоящей из колес Z сателлита g и водила h, первая и третья планетарные передачи замкнуты двухвенцовой короной B определенной массы m с числами зубьев b и b, а числа зубьев Z, g и Z g, b подобраны таким образом, что в устоявшемся режиме выполняется условие T=-(7/15)T, а в переходных режимах - T=-(7/15)T±M, где T - крутящий момент на короне, T - крутящий момент на ведущем звене, M=9 - момент инерционных сил от массы звена B, обеспечивает передачу силового потока по звеньям Z, g, Z, g, Z и g при угловой скорости звена, равной нулю.
На фиг.1 показана функциональная схема дифференциального вариатора,
на фиг.2 - кинематическая схема вариатора.
1
1
1
2
2
2
3
2
3
1
3
z1
z3
Дифференциальный вариатор (фиг.1) состоит из ведущего звена Z сателлита g и водила h, на выходном валу которого установлено ведущее звено планетарной передачи второй ступени Z, зацепляющееся с сателлитом g, установленном на водиле h. Сателлит g, имея общую ось с сателлитом g, зацепляется с выходным звеном Z. Двухвенцовое звено B, с внутренним зацеплением, образует замкнутый контур с планетарными передачами первой и третьей ступеней и имеет определенную массу m. Как любая дифференциальная передача, заявляемая может иметь ведущим звеном Z, B или Z, однако рассматривается здесь передача, в которой ω>ω.
Дифференциальный вариатор фиг.2 включает центральную шестерню 1, сателлит первой ступени 2, сателлит второй ступени 3, центральное колесо первой ступени 4, центральную шестерню второй ступени 5, центральное колесо второй ступени 6, водило 7, сателлит второй ступени 8 и центральное колесо 9.
Работает передача следующим образом. За счет двухвенцовой короны B звенья передачи образуют замкнутый контур. В зависимости от направления вращения звеньев в замкнутом контуре возможна циркуляция мощности при значительном снижении КПД передачи.
1
Z1
Z1
B
B
Z3
3
Z3
Z3
b1
Z3
b1
B
1
3
2
b1
Z1
3
Если знаки угловых скоростей звеньев B и Z совпадают, то произведение T∗ω>0 (вал ведущий), звено B оказывается ведомым и T∗ω<0, а так как угловая скорость ω>0, то и колесо Z является ведомым, a T∗ω<0. Так как произведение T∗ω=T∗ω<0, то поток мощности, подводимый к колесу Z, разделяется в планетарном ряду 1 и поступает на ведомые звенья B и Z с минимальными потерями. Так как поток мощности, проходящий через планетарный ряд 3, имеет относительно высокие потери, момент на колесе b оказывается меньше значения T=-15T, поэтому реальный момент на звене B может быть равным нулю и передача момента на колесо Z оказывается возможной без торможения звена B.
1
Z1
Z1
B
B
Z3
3
Z3
Z3
1
b2
b2
b2
B
1
3
Если знаки угловых скоростей звеньев B и Z не совпадают, то произведение T∗ω>0 (вал является ведущим), и звено B тоже будет ведущим, т.е. T∗ω>0. Так как угловая скорость ω>0, то колесо Z остается ведомым T∗ω<0. Разные знаки угловых скоростей звеньев B и Z приводят к тому, что угловая скорость ведомого звена уменьшается, а передаточное число увеличивается. Произведение T∗ω=T∗ω<0, поэтому поток мощности, подводимый к колесу Z, складывается с циркулирующей мощностью и поступает на ведомые звенья B и Z с максимальными потерями. За счет этих потерь величина передаваемого момента увеличивается, даже если пренебречь торможением звена B.
1
Z3
B
Z1
и
Z2
1
1
2
2
3
3
1
1
1
2
3
3
и
3
Если момент нагрузки на выходном валу равен нулю, то за счет сил трения в зацеплении и в опорах сателлитов вращение звеньев Z и B осуществляется с одинаковой скоростью и тогда ω=ω=ω. При торможении выходного вала угловая скорость звена B уменьшается за счет действия инерционного момента M=J∗E, являющегося тормозным, и соответственно уменьшается угловая скорость выходного звена и увеличивается момент T. При этом силовой поток в быстроходной ступени разветвляется и суммируется в тихоходной ступени. Если угловая скорость звена B, уменьшаясь, становится равной нулю, силовой поток протекает только по звеньям Z, h, Z, g, Z, g. Если скорость звена B не равна нулю, часть потока протекает по цепи Z, g, b, b, g, Z. Колебания скорости звена B и определяют величину силового потока во внешнем или внутреннем контуре. Регулирующим элементом и является момент инерции M, величина которого зависит от массы m звена B и его углового ускорения. При дальнейшем увеличении момента на выходном звене Z возникает циркуляция мощности в замкнутом контуре, а угловая скорость его становится равной нулю.
B
Z1
Z1b1
Z1b1
1
1
(h1)
(h1)
Звено B в режиме максимальной циркуляции мощности вращается в направлении, противоположном направлению вращения входного звена с угловой скоростью, равной ω=-ω/U , где U  - передаточное число от звена b к Z.
Как показали испытания макета (Фиг.2), дифференциальный вариатор является промышленно применимым и может быть использован в трансмиссиях автомобилей, приводах конвейеров и транспортеров и других устройствах, требующих плавного изменения угловых скоростей.
На фиг.2: звенья 1, 5, 9 - центральные шестерни, 7 - водило, звенья 2, 3, 8 - сателлиты, звенья 4, 6 - коронные центральные шестерни.
Таким образом, разработанный дифференциальный вариатор позволяет изменять вращение выходного звена без вывода шестерней из зацепления. Описанная схема вращения звеньев объясняет, как можно получить переменный момент на выходном валу без специального торможения звена B в стационарном и переходном режимах.