Изобретение относится к машиностроению. Вариатор содержит входной 2 и выходной 3 валы, трехвальный зубчатый дифференциал и приводные механизмы. Приводные валы 8а и 8б приводных механизмов установлены со сдвигом по фазе на 90o. Приводной вал каждого из приводных механизмов посредством зубчатой пары 9-10 связан с входным валом 2. В приводном валу установлен с возможностью осевого перемещения от рукоятки 27 изменения передаточного отношения шток 28, связанный серьгой 29 с косынками 12, смонтированными на валике 11 в проушинах приводного вала. Между косынками 12 закреплен подшипник 13, образующий с наклонным кривошипом 14 вращательную и подвижную в осевом направлении пару. Через наклонный кривошип 14 приводной вал связан с колебательным валом 17. Колебалельный вал 17 каждого из приводных механизмов через обгонные муфты 18, 19 и зубчатую передачу связан со ступицей колеса дифференциала. Водило дифференциала составляет единое звено с выходным валом. Технический результат - упрощение конструкции и повышение эксплутационных характеристик вариатора. 4 з. п. ф-лы, 7 ил. , 1 табл.
Изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточною отношения трансмиссии машин при большой передаваемой мощности, включая останов ведомого вала под нагрузкой и реверс.
Известны высокомоментные импульсные вариаторы разнообразного конструктивного исполнения [1] , содержащие кинематически связанный с входным валом и через обгонные муфты соединенный с выходным валом колебательный вал, амплитуду колебания которого можно изменять. Известен также импульсный вариатор [2] , в котором на цапфах колебательного вала смонтирован наклонный кривошип, связанный с выходным валом посредством подшипника, с которым кривошип образует вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а механизм изменения наклона кривошипа, влияющий на амплитуду колебания, конструктивно сложен. Общим недостатком импульсных вариаторов является значительная неравномерность скорости вращения выходного вала. Известен механизм с качающейся шайбой [3, стр. 544, рис. 9.22 г] , в котором изменение угла наклона кривошипа осуществляется с помощью соосного с валом штока, связанного с кривошипом серьгой, а расчет кинематических параметров механизма с качающейся шайбой изложен в [4] . Известно, что для обеспечения переменного передаточного отношения зубчатой пары шестерню и колесо выполняют с центроидами, имеющими переменное расстояние от центра вращения, например эллиптическими [3, стр. 158, рис. 3.27] . Уравнения центроид зубчатой пары с заданным законом изменения передаточного отношения от угла поворота шестерни можно получить, используя приведенные в [5, стр. 127-131] соотношения. Известны также высокомоментные вариаторы, у которых неравномерность выходного вала равна пулю [6, 7, 8] , что достигается использованием по крайней мере двух колебательных валов, соединенных через зубчатый дифференциал с выходным валом, и кулачковых механизмов, связывающих входной вал с колебательными. К недостаткам этих устройств следует отнести конструктивную сложность и динамическую неуравновешенность.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату зубчато-рычажный вариатор [8] , содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90
o кулачковыми приводными механизмами, каждый из которых включает в себя установленные на входном вале кулачок и взаимодействующий посредством рычага с кулачком колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом рычаг с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения плеча рычага.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым высокомоментным вариатором, следующие. Он содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90
o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя кинематически связанный с входным валом колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом колебательный вал с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения амплитуды колебания.
В известном вариаторе конструкция привода колеса дифференциала достаточно сложная, а из-за наличия рычагов, перемещаемых кулачками в разных плоскостях со сдвигом по фазе, отсутствует динамическое уравновешивание механизма.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции и повышение эксплутационных характеристик вариатора.
Предлагаемый высокомоментный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90
o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя связанный с входным валом посредством зубчатой пары приводной вал с размешенным в нем с возможностью осевого перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения штоком, смонтированные на валике в проушинах приводного вала две косынки, между которыми шарнирно закреплен подшипник, установленный между косынками на цапфах колебательного вала наклонный кривошип, образующий с подшипником вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а косынки посредством серьги и соединены с штоком.
Указанные признаки дополняются следующими. С целью повышения компактности высокомоментный вариатор снабжен установленным и фиксированным от вращения на ступице колеса дифференциала приводным зубчатым колесом, при этом ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые - на конических шестернях, сцепленных с приводным зубчатым колесом.
Для обеспечения реверса высокомоментный вариатор снабжен рукояткой реверса, смонтированной на ступице колеса дифференциала с возможностью осевою перемещения от рукоятки реверса втулкой и вторым приводным зубчатым колесом, закрепленным вместе с первым на втулке, с возможностью поочередного сцепления с коническими шестернями при крайних положениях втулки.
С целью уменьшения неравномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора в зубчатой паре шестерня и колесо выполнены с переменным расстоянием от центра вращения центроидами.
Для динамического уравновешивания высокомоментного вариатора на проушинах приводного вила смонтированы противовесы, кинематически связанные с валиком косынок, например, посредством зубчатых секторов.
На фиг. 1 и 2 представлен общий вид варианта конструкции высокомоментного вариатора, на фиг. 3 - крайнее положение наклонною кривошипа, на фиг. 4 центроиды зубчатой пары, на фиг. 5 - графики

=

(

), на фиг. 6 и 7 - примеры конструктивных решений.
Высокомоментный вариатор содержит (фиг. 1 и 2) установленные в подшипниках корпуса 1 входной 2 и выходной 3 валы, содержит конический зубчатый дифференциал с двумя степенями свободы, который включает в себя закрепленное на выходном валу водило 4, несущее сателлит 5, и колеса дифференциала 6а и 6b со ступицами 7а и 7b, установленных на выходном валу с возможностью вращения относительно него, содержит два одинаковых привода колес дифференциала, включающих в себя следующее. Приводной вал 8, связанный с входным валом посредством зубчатой пары, состоящей из закрепленных на входном и приводном валах шестерни 9 и зубчатого колеса 10, а в проушинах приводного вала на валике 11 смонтированы две косынки 12 с шарнирно установленным подшипником 13, между косынками размещен образующий вращательную и поступательную пару с подшипником 13 наклонный кривошип 14, вилка 15 которого соединена цапфами 16 с установленным на подшипниках корпуса колебательным валом 17, связанным посредство обгонных муфт 18 и 19 с одинаковыми коническими шестернями 20 и 21, смонтированными на подшипниках колебательного вала и сцепленных с одной из двух приводных зубчатых колес 22 или 23, закрепленных на посаженной на ступицу 7 колеса дифференциала втулке 24, с возможностью передачи вращения ступице посредством шпонок 25 и осевого перемещения от рукоятки реверса 26. В приводном валу 8 установлен с возможностью осевого перемещения от рукоятки изменения передаточного отношения 27 шток 28, связанный серьгой 29 с косынками 12. В проушинах приводного вала 8 смонтированы два противовеса 30 с зубчатыми секторами 31, сцепленными с закрепленными на валике 11 зубчатыми секторами 32, 33 и 34 - центроиды шестерни и колеса зубчатой пары. Два приводных вала 8а и 8b установлены со сдвигом но фазе на 90
o.
Высокомоментный вариатор работает следующим образом. Входной вал 2, нагруженный внешним моментом М
2, вращаясь с угловой скоростью
2, передает вращение приводным валам 8a и 8b. Приводной вал 8а через наклонный кривошип 14 поворачивает колебательный вал 17 на угол
a = Sign(cos
a)Arccos(1/e), где e = (l+tg
2
cos
2
a)
0.5 (см. [8] ),
a =
a(

)- угол поворота приводного вала, функционально связанный с углом поворота

входного вала и зависящий от вида центроид 33 и 34, а

- угол положения наклонного кривошипа 14, который можно варьировать рукояткой изменения передаточного отношения 27, на фиг. 3 показано положение наклонного кривошипа при

= 0

. Угловая скорость колебательного вала составит
17a = (d
a/d
a)(d
a/d

)
2, который посредством обгонных муфт вращает колесо дифференциала 6а с угловой скоростью
6a(

) = |
17a|(z
20/z
22), где z
20 и z
22 - число зубьев шестерен 20, 21 и зубчатых колес 22, 23. Так как приводные валы установлены со сдвигом по фазе, то угловая скорость колеса дифференциала 6b равна
6b =
6a(

+90

), а угловая скорость водила, равная скорости выходного вала, составит
3(

) = 0.5(
6a+
6b),
и будет уменьшаться с уменьшением

, при этом передаваемый выходным валом момент М
3 будет возрастать, при

= 0 выходной вал останавливается.
При фиксированном

3(

) будет зависить oт положения входного вала, то есть не будет постоянной при
2 = const. Неравномерность вращения выходного вала будем оценивать коэффициентом неравномерности

= 2(
max-
min)/(
max+
min),
где
max и
min- максимальное и минимальное значения
3. На величину

влияют как конструктивные особенности механизма, так и вид центроид зубчатой пары. Свяжем с шестерней и колесом координатные оси 0
шxy и 0
к

, L= 0
к0
ш - межцентровое расстояние. Рассмотрим качение шестерни по колесу как показано на фиг. 4. Параметрические уравнения центроид имеют следующий вид (см. [5] , стр. 127-131):
для шестерни
x
p(

) = -[L(d

/d

)cos

]/(1+d

/d

);
y
p(

) = [L(d

/d

)sin

]/(1+d

/d

),
для колеса
p(

) = -(Lcos

)/(1+d

/d

);
p(

) = (Lsin

)/(1+d

/d

).
Рассмотрим три функции

=

(

), обеспечивающие при повороте шестерни нa 180
o поворот колеса на 90
o:
а)

= 0.5

(центроиды-окружности);
б)

= 0.5

+A

(

-

);
в)

= K
3
3+K
2
2+B

, K
3 = (B+C-1)/
2; K
2 = (1.5-2B-C)/

,
где C = (d

/d

) при

=

.
На фиг. 5 представлены графики коэффициентов неравномерности

=

(

) для рассматриваемых функций при А= 0.02122, В= 0.512, С= 0.564, коэффициенты определялись варьированием при минимизации

=

(

= 30

). На фиг. 1 на центроидах показаны точки контакта q

и Q

центроид, r(

) и R(

) - радиусы центроид, значения которых, а также

(

), приведены в таблице для трех функций при L= 1 и

, равном 0
o, 90
o и 180
o.
Из таблицы и фиг. 5 видно, что незначительное отклонение центроид от окружностей заметно влияет на коэффициент неравномерности, который достигает значений, приемлемых в практике. Следует отметить, что реальный коэффициент неравномерности будет ниже благодаря обгонному характеру работы обгонных муфт и инерции звеньев, связанных с ведомыми полумуфтами.
Противовесы 30 служат для динамического уравновешивания механизма, они отклоняются совместно с наклонным кривошипом, с которым связаны зубчатыми секторами 31 и 32.
Направление вращения выходного вала не зависит от направления вращения входного. Для реверса выходного вала следует рукояткой реверса 26 переместить втулки 24 с приводными зубчатыми колесами 22 и 23 в другое крайнее положение.
Нa фиг. 6 и 7 показаны два варианта конструкций без механизма реверса, отличающихся oт рассмотренной выше кинематической связью наклонного кривошипа с колесом дифференциала. Нa фиг. 6 ведомые полумуфты обгонных муфт установлены на ступице колеса дифференциала, а на колебательном валу смантирована коническая шестерня 35, связанная с другой шестерней 36 посредством паразитки 37, шестерни 35 и 36 установлены на ведущих полумуфтах обгонных муфт. На фиг. 7 ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые на конических шестернях 39 и 38, связанных паразиткой 37, шестерня 39 снабжена дополнительным цилиндрическим зубчатым венцом 40, сцепленным с зубчатам колесом 41, закрепленным на ступице колеса дифференциала.
Используемый в высокомоментном вариаторе зубчатый дифференциал может быть иным, например с цилиндрическими зубчатыми колесами.
Тип обгонных муфт не принципиален, можно использовать фрикционные муфты с заклинивающимися роликами или храповые, у последних передаваемый момент выше, чем у аналогичных по габаритам фрикционных. Следует отметить, что в приводном механизме вращение передает одна обгонная муфта, а переключение муфт происходит при остановке колебательного вала, что уменьшает динамические нагрузки в муфтах.
Источники информации:
1. Мальцев В. Ф. Механические импульсные передачи. - 3-е изд. -М. : Машиностроение, 1978.
2. US 3449972, U. S. С1. 74-119, F 16 H 29/08, 25.01.67 (G. Wicenec).
3. Кожевников С. Н. Механизмы. Справочник. 4-е изд. под ред. С. Н. Кожевникова. -М. : Maшиноcтроение, 1976.
4. Пылаев Б. В. Кинематика и динамика бесшатунного механизма с качающейся шайбой. // Вестник машиностроения. 1996. 4. С. 6-10.
5. Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики, ч. 1. -М. : Наука, 1972.
6. DE 3309044, F 16 H 29/08, 14.03.83 (Rindfleisch В. ).
7. RU 2137966 C1, F 16 H 29/08, 25.02.98 (Б. В. Пылаев).
8. RU 2147701 C1, F 16 H 29/08, 25.02.98 (Б. В. Пылаев).
Формула изобретения
1. Высокомоментный вариатор, содержащий входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого составляет единое звено с выходным валом, а два колеса дифференциала снабжены с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90
o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя кинематически связанный с входным валом колебательный вал, через обгонные муфты и зубчатую передачу соединенный со ступицей колеса дифференциала, при этом колебательный вал с рукояткой изменения передаточного отношения связан с возможностью изменения амплитуды колебания, отличающийся тем, что приводной механизм снабжен связанным с входным валом посредством зубчатой пары приводным валом с размещенным в нем с возможностью осевого перемещения от рукоятки измерения передаточного отношения штоком, смонтированными на валике в проушинах приводного вала двумя косынками, между которыми шарнирно закреплен подшипник, установленным между косынками на цапфах колебательного вала наклонным кривошипом, образующим с подшипником вращательную и подвижную в осевом направлении пару, а косынки посредством серьги соединены с штоком.
2. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что зубчатая передача выполнена в виде установленного и фиксированного от вращения на ступице колеса дифференциала приводного зубатого колеса и сцепленных с ним конических шестерен, при этом ведущие полумуфты обгонных муфт смонтированы на колебательном валу, а ведомые - на конических шестернях.
3. Высокомоментный вариатор по п. 2, отличающийся тем, что снабжен рукояткой реверса, смонтированной на ступице колеса дифференциала с возможностью осевого перемещения от рукоятки реверса втулкой и вторым приводным зубчатым колесом, закрепленным вместе с первым на втулке, с возможностью поочередного сцепления с коническими шестернями при крайних положениях втулки.
4. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что в зубчатой паре шестерня и колесо выполнены с переменным расстоянием от центра вращения центроидами.
5. Высокомоментный вариатор по п. 1, отличающийся тем, что на проушинах приводного вала смонтированы противовесы, кинематически связанные с валиком косынок, например, посредством зубчатых секторов.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2,
Рисунок 3,
Рисунок 4,
Рисунок 5,
Рисунок 6,
Рисунок 7,
Рисунок 8