РАЗДВИЖНОЙ ШКИВ
EXPANDING PULLEY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к раздвижному шкиву и более конкретно - к раздвижному сегментному шкиву, имеющему эффективный диаметр, который задается переменно в соответствии с приложенным внешне крутящим моментом.
Уровень техники, к которому относится изобретение
Известно, что ременной привод вспомогательного устройства для гибридных электрических транспортных средств может включать в себя стартер/генератор с ременным приводом. Для такой системы обеспечено специальное натяжение ремня для соответствия обоим режимам работы: пусковому и генераторному. В системах предшествующего уровня техники могут использоваться два натяжных устройства, например гидравлическое натяжное устройство установлено на ведомой ветви ремня генератора переменного тока, и механическое натяжное устройство пружины кручения установлено на ведущей ветви ремня генератора переменного тока.
Представителем уровня техники является патент США № 3935751 (1976 г.), который раскрывает устройство бесступенчатого изменения скорости и более конкретно - конструкции автоматического устройства изменения скорости, подходящего для транспортного средства или подобного, центробежная сила изменяющего устройства производится высокоскоростным вращением средства вращения, которое позволяет множеству кулачковых блоков, установленных шарнирно на вращающемся диске, раздвигаться наружу, чтобы увеличить его наружный диаметр, и который после отдачи двигательной силы может производить автоматически неодинаковые передаточные числа, различные по величине, вследствие изменения упомянутых рабочих наружных диаметров.
Требуется раздвижной сегментный шкив, имеющий эффективный диаметр, который задается переменно в соответствии с приложенным внешне крутящим моментом. Настоящее изобретение отвечает этому требованию.
Сущность изобретения
Основным аспектом изобретения является обеспечение раздвижного сегментного шкива, имеющего эффективный диаметр, который задается переменно в соответствии с приложенным внешне крутящим моментом.
Другие аспекты изобретения будут указаны или пояснены следующим описанием изобретения и сопровождающими чертежами.
Изобретение содержит раздвижной шкив, содержащий множество смежных сегментов, причем каждый сегмент выполнен с возможностью радиального перемещения, каждый сегмент скользяще зацеплен со штифтовым элементом, причем каждый штифтовой элемент имеет зацепление с каждым сегментом, так что каждый сегмент выполнен с возможностью перемещения в направлении по существу под углом (α) к радиальному направлению вдоль каждого штифтового элемента, направляющий элемент, выполненный с возможностью перемещения и зацепленный с каждым сегментом для пространственного расположения каждого сегмента относительно другого сегмента, противовес, соединенный с возможностью взаимодействия с каждым сегментом и выполненный с возможностью взаимодействующего зацепления с каждым штифтовым элементом, причем каждый противовес прикладывает силу, противодействующую центростремительной силе сегмента, и каждый штифтовой элемент соединен со ступицей.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены в и составляют часть описания, демонстрируют предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения и совместно с описанием служат для пояснения принципов изобретения.
Фиг.1 изображает раздвижной шкив в разобранном виде.
Фиг.2 - элемент ступицы.
Фиг.3 - элемент штифтового элемента сегмента.
Фиг.4 - элемент направляющей сегмента.
Фиг.5 - элемент сегмента.
Фиг.6 - элемент стопора сегмента.
Фиг.7 - элемент противовеса.
Фиг.8 - элемент сжимаемого элемента.
Фиг.9 - элемент торцевой крышки.
Фиг.10 - частичный элемент ступицы раздвижного шкива.
Фиг.11 - частичный элемент раздвижного шкива.
Фиг.12 - элемент сегмента раздвижного шкива.
Фиг.13 - элемент сегмента раздвижного шкива и противовес.
Фиг.14 - вид в перспективе раздвижного шкива.
Фиг.15 - вид в перспективе раздвижного шкива в закрытом положении.
Фиг.16 - вид в перспективе раздвижного шкива в частично открытом положении.
Фиг.17 - вид в перспективе раздвижного шкива в полностью открытом положении.
Фиг.18 - вид в сечении раздвижного шкива.
Фиг.19 - схематичный вид системы ременного привода, использующей раздвижной шкив.
Фиг.20 - схематичный вид силовой схемы свободного тела сегментной системы.
Фиг.21 - график зависимости силы от угла паза.
Фиг.22 - элемент шкива, показанный на Фиг.17.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения
Фиг.1 изображает раздвижной шкив в разобранном виде. Шкив 100 содержит ступицу 10, стопор 20 сегмента, штифтовые элементы 30 сегмента, направляющую 40 сегмента, сегменты 50, противовесы 60, сжимаемый элемент 70 и торцевую крышку 80. Узел удерживается вместе крепежами 90, которые могут содержать винты или болты. Крепежи 90 выступают из торцевой крышки 80 к ступице 10.
Фиг.2 изображает элемент ступицы. Ступица 10 содержит упор 11 для принятия каждого штифтового элемента 30 сегмента. Упоры 11 расположены по кольцу на ступице 10. Ступица 10 также содержит обод 12, причем обод 12 выступает в осевом направлении из ступицы 10. Для прикрепления к вспомогательному устройству или другой установочной поверхности установочный вал проходит через отверстие 13, например, см. Фиг.18. Крепежи 90 зацепляют отверстия в ступице 10.
2
Фиг.3 изображает элемент штифтового элемента сегмента. Каждый штифтовой элемент 30 сегмента зацепляет ступицу 10. Каждый сегмент 50 скользяще зацепляет штифтовой элемент 30 сегмента. Каждый штифт 30 сегмента содержит наружную поверхность 31, которая зацепляет каждый сегмент 50 скользящим зацеплением с каждым пазом 53. Каждый штифтовой элемент 30 сегмента содержит слегка изогнутую форму (см. Фиг.15), имеющую радиус r, который облегчает перемещение сегмента 50, как описано где-либо в этом описании. Каждый штифтовой элемент 30 сегмента является средством, посредством которого каждый сегмент 50 и противовес 60 удерживаются в шкиве 100 во время вращения шкива.
Фиг.4 изображает элемент направляющей сегмента. Направляющая 40 сегмента содержит клиновидные элементы 41, которые проходят радиально наружу, причем вершина направлена радиально внутрь. Зазор 42 расположен между каждым элементом 41. Элемент 52 сегмента расположен в каждом зазоре 42. Направляющая 40 дополнительно содержит кольца 43, 44. Назначением колец 43, 44 является надлежащее пространственное расположение каждой направляющей 40 сегмента.
Направляющая 40 сегмента не жестко соединена со ступицей 10, или торцевой крышкой 80, или с любым сегментом 50. То есть направляющая 40 сегмента «плавает» между каждым сегментом 50 и ступицей 10, см. Фиг.18. Это, в свою очередь, позволяет направляющей 40 сегмента частично вращаться внутри шкива, что необходимо для обеспечения каждому сегменту 50 свободы перемещения радиально и по окружности, в то же время оставаясь правильно выровненным со штифтовым элементом 30 сегмента и с каждым смежным сегментом 50.
В этом предпочтительном варианте выполнения элемент 30 описан как штифтовой элемент сегмента. Однако функция штифтового элемента 30 сегмента выполняется поверхностью 31 штифтового элемента 30 сегмента. Поверхность 31 может быть также выполнена посредством продолжения консольного участка или другого радиального выступа из ступицы 10 или торцевой крышки 80 в положении, в котором имеется контакт с пазом 53, таким образом, чтобы контролировать положение сегмента 50.
Фиг.5 изображает элемент сегмента. Шкив 100 содержит множество сегментов 50, расположенных по наружному периметру. Сегмент 50 содержит изогнутый участок 51. Участок 51 содержит поверхность 54, которая зацепляет ремень (не показан). Поверхность 54 показана имеющей многореберный профиль, хотя профили плоского ремня и одиночного v-образного ребра также являются подходящими.
Элемент 52 проходит из участка 51 радиально наружу к центру шкива. Элемент 52 обычно расположен по нормали к участку 51. Элемент 52 содержит паз 53 и отверстие 55. Противовес 60 зацепляет каждый сегмент 50 посредством отверстия 55, см. Фиг.7. Например, каждый сегмент может иметь массу порядка приблизительно 8 г.
Фиг.6 изображает элемент стопора сегмента. Стопор 20 сегмента имеет форму кольца и может содержать эластомерный или другой эластичный материал, который может включать в себя пластик, натуральный каучук, или синтетический каучук, или их эквиваленты или комбинации. Стопор 20 сегмента служит в качестве самого радиально внутреннего ограничителя перемещения каждого сегмента 50.
Фиг.7 изображает элемент противовеса. Противовес 60 содержит штифт 61, который шарнирно зацепляет отверстие 55 в сегменте 50. Противовес 60 имеет заданную массу, которая служит для противодействия центростремительной силе, сообщаемой каждым сегментом посредством вращения шкива во время использования. Вырез 62 зацепляет с возможностью взаимодействия штифтовой элемент 30 сегмента. Большая часть массы противовеса расположена в кулачке 63. Например, каждый противовес может иметь массу порядка приблизительно 8 г.
Фиг.8 изображает элемент сжимаемого элемента. Сжимаемый элемент 70 содержит эластомерный или другой эластичный материал, который может включать в себя пластик, натуральный каучук, или синтетический каучук, или их эквиваленты или комбинации. При работе каждый противовес 60 вращается вокруг штифта 61 и штифтового элемента 30 сегмента таким образом, что вызывает соприкосновение каждого противовеса со сжимаемым элементом 70. Сжимаемый элемент 70 служит в качестве эластичного средства остановки перемещения каждого противовеса в заданном положении. В большинстве случаев положение, в котором каждый противовес 60 зацепляет сжимаемый элемент 70, обычно соответствует наибольшему радиальному положению каждого сегмента 50.
Фиг.9 изображает элемент торцевой крышки. Торцевая крышка 80 обычно имеет плоскую и круглую форму. Каждый упор 81 принимает конец штифтового элемента 30 сегмента. Каждый упор 81 выравнивается с соответствующим упором 11 на ступице 10.
Крепежи 90 соединяют торцевую крышку 80 с отверстиями в ободе 12 ступицы. Крепежи 90 содержат винты или любой другой подходящий крепеж, известный в данной области техники.
Фиг.10 изображает частичный элемент ступицы раздвижного шкива. Штифтовые элементы 30 сегмента изображены зацепленными со ступицей 10 в упорах 11. Стопор 20 сегмента изображен зацепленным вокруг обода 12.
Фиг.11 изображает частичный элемент раздвижного шкива. Направляющая 40 сегмента расположена смежно со ступицей 10. Штифтовые элементы 30 сегмента проходят через кольца 43, 44 направляющей 40. Каждый штифтовой элемент 30 сегмента выступает через каждый зазор 42 между каждым элементом 41. Каждый штифтовой элемент сегмента проходит в осевом направлении по существу параллельно оси вращения A-A. Направляющая 40 сегмента не прикреплена ни к ступице 10, ни к штифтовым элементам 30 сегмента, а взамен свободно удерживается в этом положении посредством взаимодействия различных описанных компонентов. Это обеспечивает направляющей 40 сегмента свободу перемещения в ответ на перемещения сегментов 50.
Фиг.12 изображает элемент сегмента раздвижного шкива. Элемент 52 скользяще зацеплен в зазоре 42 между каждым элементом 41. Зазор 42 достаточно широк, чтобы позволить элементу 52 перемещения со скольжением через паз 53 вдоль штифта 30 сегмента, то есть паз 53 перемещается со скольжением вдоль штифтового элемента 30 сегмента. Паз 53 расположен под углом α относительно радиального направления в диапазоне приблизительно от 30° до 50°, см. Фиг.20.
Фиг.13 изображает элемент сегмента раздвижного шкива и противовес. Противовес 60 шарнирно сцеплен с сегментом 50 штифтом 61, который поворотно вставлен в отверстие 55. Штифтовой элемент 30 сегмента зацепляет вырез 62. Противовес 60 и направляющая 40 сегмента полностью помещаются в ширину сегмента 50. Ширина расположена по вертикальной оси на Фиг.13, параллельно штифтовому элементу 30 сегмента. Поверхность 54 сегмента имеет многореберный профиль для зацепления многореберного ремня (не показан).
Фиг.14 изображает вид в перспективе раздвижного шкива. Элемент 70 расположен вокруг обода 12. Торцевая крышка 80 и крепежи 90 опущены с этого вида в перспективе. Сегменты 50 показаны в частично открытом положении. Штифты 120 выравнивают ступицу 10 с торцевой крышкой 80.
Фиг.15 изображает вид в перспективе раздвижного шкива в закрытом положении. Множество сегментов 50 расположены смежно по окружности шкива 100. Шкив 100 содержит взаимодействующие комбинации сегментов, причем каждая комбинация содержит сегмент 50, штифтовой элемент 30 сегмента и противовес 60. Каждый сегмент 50 надлежащим образом расположен на окружности шкива смежными сегментами 50. Шкив на Фиг.15 показан в «закрытом» положении, то есть каждый сегмент 50 соприкасается с каждым смежным сегментом 50. Каждый противовес 60 слегка опирается на элемент 70.
2
2
Каждый сегмент в элементе 30 содержит радиус r. Радиус r позволяет каждому пазу 53 перемещаться по дуге, по мере того как каждый сегмент 50 перемещается в радиальном направлении, как показано на Фиг.16.
Фиг.16 изображает вид в перспективе раздвижного шкива в частично открытом положении. Эта фигура 16 изображает шкив частично раздвинутым, что будет иметь место, когда шкив вращается. Каждый сегмент 50 переместился радиально наружу на заданное расстояние, и при этом паз 53 переместился частично вдоль штифта 30 сегмента. Каждый противовес 60 частично повернулся вокруг штифта 61. Это происходит вследствие того, что каждый противовес 60 также опирается на каждый штифтовой элемент 30 сегмента в каждом вырезе 62.
Например, по мере того как каждый сегмент 50 перемещается радиально наружу, он также имеет компоненту перемещения в направлении «D». По мере того как сегмент 50 перемещается в направлении «D», также перемещается отверстие 55 и, следовательно, противовес 60. Небольшое перемещение каждого противовеса 60 в направлении «D» вызывает опирание каждого выреза 62 на штифт 30 сегмента. Фактически, контакт между вырезом 62 и штифтом 30 сегмента вызывает поворот каждого противовеса 60 вокруг штифта 30 сегмента в вырезе 62 и вокруг штифта 61. Зацепление со штифтом 30 и, следовательно, с поверхностью 31 штифтового элемента сегмента, в свою очередь, удерживает каждый сегмент 50 и противовес 60 в надлежащем положении внутри шкива 100. Являясь следующей частью этого перемещения, направляющий элемент 40 также частично поворачивается, для того, чтобы поддерживать надлежащее выравнивание каждого сегмента относительно других сегментов.
Фиг.17 изображает вид в перспективе раздвижного шкива в полностью открытом положении. По мере того как каждый сегмент 50 перемещается радиально наружу под действием центростремительной силы, эффективный диаметр шкива увеличивается, и зазор 57 между каждым сегментом расширяется. Предел радиального перемещения наружу каждого сегмента 50 определен зацеплением каждого противовеса с элементом 70. В конце концов, контакт с элементом 70 останавливает любое дальнейшее перемещение противовеса 60 внутрь, что, в свою очередь, останавливает любое дальнейшее перемещение каждого сегмента 50 наружу.
Фиг.18 изображает вид в сечении раздвижного шкива. Раздвижной шкив 100 обычно устанавливается на вращающемся валу «S». Вал «S» может продолжаться от вспомогательного устройства, такого, которое может использоваться в моторе или двигателе (не показаны). Вспомогательное устройство может содержать генератор переменного тока или мотор-генератор, или водяной насос, или насос управления силовой установкой, или другое вспомогательное устройство вращения. Шкив 100 прикреплен к концу вала «S» с резьбой, используя гайку «N».
Действующее передаточное число системы, показанное на Фиг.19, может быть изменено посредством изменения эффективного диаметра раздвижного шкива, которое вызывается перемещением наружу сегментов 50.
Например, раздвижной шкив, имеющий «закрытый» диаметр приблизительно 60 мм, может раздвинуться до диаметра приблизительно 65 мм, при частоте вращения приблизительно 4000 об/мин. Увеличение диаметра шкива вызовет падение угловой скорости шкива и, следовательно, вспомогательного вала (см. «S», Фиг.18) в отношении:
1
1
2
2
Скорость×Диаметр=Скорость×Диаметр
Решение:
2
Скорость=[(4000 об/мин)×60 мм]/65 мм
2
Скорость=3692 об/мин
Это показывает падение угловой скорости вспомогательного устройства, которое пропорционально увеличению в диаметре. По мере того как угловая скорость системы возрастает, пропорциональное падение скорости вспомогательного устройства может иметь место. Раздвижной шкив подходит для широкого спектра частот вращения, например, до приблизительно 14000 об/мин.
Этот пример предложен только для цели иллюстрации и не предполагает ограничения размеров, вариантов выполнения или применения шкива по изобретению.
Фиг.19 изображает схематичный вид системы ременного привода, использующей раздвижной шкив. В этом примере шкив по изобретению соединен с мотором/генератором. Система также содержит ремень B, направляющий ролик, натяжное устройство и шкив, прикрепленный к коленчатому валу. Этот пример системы может использоваться в обычных гибридных двигателях внутреннего сгорания. В режиме генератора коленчатый вал приводится в движение ремнем B. В режиме пуска мотор/генератор используется, чтобы приводить в движение ремень B и, следовательно, чтобы вращать коленчатый вал и, следовательно, запустить двигатель, к которому прикреплена система ременного привода.
B
C
B
CW
C
CW
Фиг.20 изображает схематичный вид силовой схемы свободного тела сегментной системы. В первом режиме работы сегменты 50 раздвижного шкива располагаются в самом радиально внутреннем положении, как на Фиг.15. В этом режиме шкив имеет наименьший диаметр. Паз 53 для каждого сегмента 50 по существу выровнен по центру штифтового элемента 30. Хотя шкив вращается, нет момента, прикладываемого к шкиву ремнем, следовательно, отсутствует «крутящая» сила T, действующая по нормали к центростремительной силе F, чтобы поджимать сегмент 50 в направлении, перпендикулярном радиальному направлению. Другими словами, сила T действует по существу по касательной к поверхности 54 каждого сегмента по отношению к окружности шкива. Каждый противовес 60 прикладывает силу (F), которая по существу уравновешивает силу F, таким образом, ни один сегмент 50 не перемещается радиально наружу. Более того, сила, прикладываемая противовесом (F), оказывает действие по втягиванию каждого сегмента, как только крутящий момент ремня удаляется.
B
C
B
C
CW
Когда крутящий момент ремня приложен к каждому сегменту, прикладывается сила T по существу по нормали к центростремительной силе F. Боковая сила T заставляет паз 53 для каждого сегмента 50 перемещаться вдоль каждого штифта 30. Такое боковое перемещение в сочетании с радиально наружной центростремительной силой F превосходит силу, прикладываемую противовесом (F), что вызывает перемещение каждого сегмента 50 радиально наружу, чье перемещение, в свою очередь, увеличивает эффективный диаметр шкива. Хотя ремень только зацепляет и передает крутящий момент не всем сегментам 50 единовременно, любое перемещение одного сегмента равным образом передается всем другим сегментам посредством направляющего элемента 40. Следовательно, перемещение одного сегмента повторяется всеми сегментами.
B
Шкив чувствителен к крутящему моменту, то есть эффективный диаметр шкива изменяется в зависимости от крутящего усилия (T), прикладываемого ремнем к каждому сегменту шкива.
В этом примере угол (α), составляющий приблизительно 45°, является достаточным для обеспечения надлежащего натяжения ремня во время режима пуска. В режиме генератора сегменты складываются радиально внутрь, и в результате шкив имеет наименьший эффективный диаметр. В каждом случае раздвижной шкив соединен с мотором/генератором.
C
Величина силы F, необходимая, чтобы вызвать перемещение наружу каждого сегмента 50 (и, следовательно, всех сегментов 50), есть функция угла (α), а также сил трения, вызываемых перемещением со скольжением каждого из описанных компонентов, например, см. Фиг.21. Фиг.21 изображает график зависимости центростремительной силы от угла паза.
«Режим пуска» относится к использованию мотора/генератора в качестве стартера для пуска двигателя внутреннего сгорания посредством приведения в движение ремня B и, следовательно, вращения коленчатого вала двигателя. «Режим генератора» относится к использованию мотора/генератора в качестве генератора для перезарядки системы аккумулятора транспортного средства (не показана). В режиме генератора мотор/генератор приводится в движение коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания посредством ремня B.
Фиг.22 изображает элемент шкива, показанный на Фиг.17. Фигура в целом демонстрирует комбинацию сегмента 50, противовеса 60, штифтового элемента 30 сегмента и направляющего элемента 41. Фиг.22 изображает сегмент 50 в открытом положении, поскольку штифтовой элемент 30 сегмента изображен на одном конце паза 53. Штифтовой элемент 30 сегмента также изображен зацепленным с вырезом 62. Зазор 42 между элементами служит для удерживания каждого сегмента радиально выровненным, так как каждый сегмент перемещается радиально наружу. Это объясняется тем, что по мере того как шкив «открывается», каждый сегмент 50 перемещается от каждого из его соседей. Следовательно, направляющий сегмент 40 обеспечивает надлежащее расположение и выравнивание, по мере того как сегмент перемещается наружу и, следовательно, из контакта со смежными сегментами.
Хотя здесь был описан вариант изобретения, специалистам в данной области техники понятно, что изменения могут быть сделаны в конструкции и положении частей, не отклоняясь от сущности и объема изобретения, описанного здесь.