Устройство динамического соединения для передачи вращательного движения между двумя валами

 

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: устройство содержит приводную ступицу, соосно соединенную с одним валом 20 и находящуюся в колебательном зацеплении с множеством элементов 25 планетарной передачи, равномерно распределенных вокруг оси ступицы. Элементы 25 планетарной передачи расположены между ведомым тарельчатым колесом 21, которое соосно прикреплено к второму валу 23, и промежуточным тарельчатым колесом 24, колебательно связанным с ведомым тарельчатым колесом 21, и взаимодействуют с ними. Элементы 25 планетарной передачи, приводимые во вращение ступицей 18, направляются ведомым тарельчатым колесом 21 и промежуточным тарельчатым колесом 24 по эллиптическому пути, вовлекающему их в циклическое возвратно-поступательное движение относительно оси приводной ступицы 18. Приводной механизм 25 стремится заставить ведомое тарельчатое колесо 21 и промежуточное тарельчатое колесо 24 вращаться в противоположных направлениях для передачи к элементам 25 планетарной передачи результирующих сил, уравновешивающих усилие, передаваемое на них ступицей 18. 15 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройству динамического соединения для передачи вращательного движения между двумя валами.

Такое устройство может найти широкое применение во многих областях. Так, например, его можно использовать вместо традиционных фрикционных муфт для соединения приводного вала с транмиссионным валом в автомобиле или в любых других случаях, когда необходимо соединить концы двух валов для передачи крутящего момента от одного вала к другому с возможностью разрыва и восстановления соединения в любой момент в зависимости от ситуации.

Известно, что наиболее используемые устройства для динамического соединения двух вращающихся валов можно подразделить на следующие категории: кулачковые муфты, фрикционные муфты, электромагнитные муфты, гидравлические муфты или соединения.

Кулачковые муфты состоят из элементов, установленных соответственно на двух валах, которые надо соединить, и снабженных сопряженными выступами или кулачками, которые могут входить в зацепление друг с другом для передачи вращения.

Имея малые габариты, кулачковые муфты могут передавать большие крутящие моменты, однако, с другой стороны, они могут входить в зацепление только при условии незначительной относительной скорости между двумя валами или когда одна из частей, подлежащих соединению, имеет незначительный момент инерции относительно оси вращения.

Фрикционные муфты передают крутящий момент между двумя валами за счет трения, возникающего между поверхностями двух или более элементов, которые прижаты друг к другу и неподвижно соединены с соответствующими валами. В отличие от кулачковых муфт фрикционные муфты позволяют также соединять валы, вращающиеся с разными скоростями, и поэтому их широко используют для соединения вращающего ведущего вала с другим, первоначально неподвижным валом.

Фрикционные муфты имеют, однако, недостаток, заключающийся в больших потерях энергии на переходных стадиях, когда скорость вращения ведомого вала доводится до скорости ведущего вала. На этих стадиях неизбежно возникает проскальзывание между поверхностями соприкосновения элементов, прижимаемых друг к другу, приводящее энергии в виде теплоты, а также к интенсивному износу этих поверхностей.

Электромагнитные муфты осуществляют передачу движения от одного вала к другому за счет электромагнитной индукции, возникающей между цилиндрической гильзой, прикрепленной к одному из валов, и катушкой, неподвижно соединенной с другим валом и расположенной внутри гильзы, соосно с ней.

Муфты этого типа также позволяют соединять вращающийся вал с валом, который первоначально неподвижен. Кроме того, регулируя силу тока, проходящего через катушку, можно ограничивать в зависимости от требований максимальный крутящий момент, который можно передавать от одного вала к другому.

Данные муфты, однако, также имеют недостаток, а именно большой вес и габариты, которыми они должны обладать, чтобы передавать сравнительно большие крутящие моменты. Кроме того, электромагнитная муфта потребляет много электроэнергии.

В гидравлических муфтах или соединениях движение и крутящий момент между валами передаются за счет гидродинамического взаимодействия, возникающего между лопастями, неподвижно соединенными с соответствующими двумя валами, и жидкостью, заключенной в коробке, вмещающей лопасти.

Гидравлические муфты также позволяют соединить вращающийся ведущий вал со вторым валом, который первоначально неподвижен.

Главный недостаток муфт этого типа заключается в значительной потере энергии, переходящей в теплоту, прежде всего при больших относительных скоростях между двумя валами, вследствие трения, возникающего за счет межмолярной связи в жидкости.

Кроме того, гидравлические муфты имеют сложную конструкцию, а следовательно, и большую стоимость и также должны иметь значительные габариты и вес для передачи сравнительно больших крутящих моментов.

Таким образом, каждый из вышеописанных типов муфт обладает некоторыми особыми качествами, которые в зависимости от ситуации обуславливают применение того или иного типа муфт.

Следует также отметить, что ни одно из описанных устройств не может обеспечить экономное расходование энергии в случае, когда относительная скорость между валами высока.

Задачей изобретения является устранение негативных моментов, которые при существующем уровне техники неизбежно связаны с использованием любого типа муфт, и обеспечение устройства, в котором совмещены следующие достоинства: малый вес и габариты; возможность передачи больших крутящих моментов; возможность ограничения крутящего момента, передаваемого между валами, заданной максимальной величиной; возможности соединения вращающегося ведущего вала с первоначально неподвижным валом или, во всяком случае, соединения двух валов, имеющих высокую относительную скорость; возможность точной передачи вращательного движения между двумя валами; незначительные потери энергии, даже если относительная скорость между валами сравнительно высока.

Это достигается тем, что устройство динамического соединения для передачи вращательного движения между двумя валами содержит приводную ступицу, соосно и неподвижно присоединенную к одному валу; ведомое тарельчатое колесо, неподвижно присоединенное ко второму валу; промежуточное тарельчатое колесо, присоединенное к ведомому тарельчатому колесу и способное вращаться вокруг заданной оси; множество элементов планетарной передачи, равномерно распределенных вокруг оси вращения приводной ступицы, приводимых во вращение самой ступицей и направляемых между промежуточным тарельчатым колесом и ведомым тарельчатым колесом по пути, вовлекающему их в циклическое возвратно-поступательное движение относительно оси вращения ступицы и оси взаимного вращения между промежуточным и ведомым тарельчатым колесами; приводное средство для сообщения промежуточному и ведомому тарельчатым колесам пар сил, стремящихся заставить их вращаться в противоположных направлениях вокруг оси их взаимного качания, и, таким образом, передачи к элементам планетарной передачи результирующих сил, управновешивающих усилие, передаваемое на них упомянутой ступицей.

На фиг.1 представлен диаметральный разрез, на котором показаны основные элементы предлагаемого соединительного устройства, соответствующего одному варианту его выполнения; на фиг.2 то же, вид спереди; на фиг.3 частичный диаметральный разрез, иллюстрирующий второй вариант соединительного устройства, соответствующего изобретению; на фиг.4 предлагаемое устройство, разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.6 графическое изображение сил, возникающих между промежуточным тарельчатым колесом, одним из элементов планетарной передачи и ведомым тарельчатым колесом при активации приводного средства; на фиг.7 графическое изображение взаимодействия между результирующими силами на фиг.6 и движущей силой, прилагаемой к элементу планетарной передачи приводной ступицей; на фиг.8 путь, по которому перемещается элемент планетарной передачи устройства с фиг.1 и 2 при другом отношении диаметров зубчатого колеса, несущего элемент планетарной передачи, и зубчатого кольца, с которым зацеплено колесо, вид спереди; на фиг.9 вариант выполнения основных элементов устройства с фиг.1 и 2, в котором зубчатое колесо находится в наружном зацеплении с зубчатым кольцом, вид спереди; на фиг. 10 вариант изобретения, в котором зубчатое колесо находится в наружном зацеплении с зубчатым кольцом того же диаметра.

Устройство 1 размещено между первым, например, ведущим валом 2 и вторым валом 3, которые расположены соосно друг другу для того, чтобы их можно было соединить между собой для передачи вращения и/или крутящего момента с одного вала на другой с возможностью разрыва и восстановления соединения между валами в любой момент в зависимости от ситуации.

Устройство 1 содержит приводную ступицу 4, установленную с возможностью вращения в неподвижной опорной конструкции 5 и соосно соединенную с ведущим валом 2. Второй вал 3 соосно соединен с ведомым тарельчатым колесом 6, которое установлено с возможностью вращения в опорной конструкции 5 и к которому прикреплено промежуточное тарельчатое колесо 7. Ведомое 6 и промежуточное 7 тарельчатые колеса могут качаться относительно друг друга вокруг заданной оси, которая, предпочтительно, совпадает с осью вращения приводной ступицы 4.

Устройство 1 содержит также элементы 8 планетарной передачи, равномерно распределенные вокруг оси вращения приводной ступицы 4 и находящиеся в колебательном зацеплении со ступицей, приводящей их во вращение.

Каждый элемент 8 планетарной передачи прикреплен к ведомому тарельчатому колесу 6 и промежуточному тарельчатому колесу 7 так, что когда он приводится во вращение вокруг оси ступицы 4, он вынужден следовать по пути, вовлекающему его в возвратно-поступательное циклическое движение относительно оси вращения самой ступицы и оси взаимного качания тарельчатых колес 6 и 7.

С этой целью на фиг.1 и 2, элемент планетарной передачи установлен с возможностью вращения в смещенном от центра положении на зубчатом колесе 9, соединенном с возможностью вращения со ступицей 4 и зацепляющимися при работе своими зубьями 9а с зубчатым кольцом 10, выполненным внутри промежуточного тарельчатого колеса 7. Ведомое тарельчатое колесо 7 входит на элементе планетарной передачи в контакт с направляющей поверхностью 6а, проходящей параллельно пути 11, описываемому осью самого элемента планетарной передачи, когда зубчатое колесо катится в зубчатом кольцо 10.

Таким образом, конфигурация направляющей поверхности 6а тесно связана с отношением радиуса зубчатого колеса 9 к радиусу зубчатого кольца 10, обозначенных R и R¹, соответственно, а фиг.1, а также с расстоянием, на которое смещена ось элемента 8 планетарной передачи относительно оси зубчатого колеса 9 и которое обозначено е на фиг.1.

В примере, показанном на фиг.1 и 2, отношение радиуса R зубчатого колеса 9 к радиусу R¹ зубчатого кольца 10 равно 1:2. В результате, путь 11, описываемый осью элемента 8 планетарной передачи, представляет собой воображаемый эллипс (фиг.2), у которого разность длин большой и малой осей, обозначенных, соответственно а и b на фиг.2, равна четырем расстояниям е между осью элемента 8 планетарной передачи и осью зубчатого колеса 9.

На фиг.8, 9 и 10 показаны пути 11, которые проходят ось элемента планетарной передачи, когда отношение радиусов и взаимное расположение зубчатого колеса 9 и зубчатого кольца 10 отличаются от показанных на фиг.1 и 2. Так, на фиг. 8 показан путь, проходимый осью элемента планетарной передачи, расположенного на окружности зубчатого колеса 9, катящегося внутри зубчатого кольца 10, имеющего радиус, равный трем радиусам самого зубчатого колеса. Описываемый путь имеет треугольную конфигурацию с дугообразными сторонами.

На фиг. 9 показан путь, описываемый осью элемента планетарной передачи, установленного на окружности зубчатого колеса 9, катящегося с наружной стороны по окружности зубчатого кольца 10, радиус которого равен двум радиусам самого зубчатого колеса. Описываемый путь имеет двойную конфигурацию в виде двойной эпициклоиды, расположенной симметрично относительно зубчатого кольца 10.

Путь, показанный на фиг.10 описывается элементом планетарной передачи, установленным на окружности зубчатого колеса 9, катящегося с наружной стороны по окружности зубчатого кольца 10 того же радиуса, что и само зубчатое колесо. Описываемый путь имеет конфигурацию кардиоиды.

Предпочтительно, чтобы диаметр зубчатого колеса 9 укладывался целое число раз в диаметр зубчатого кольца, при этом путь, проходимый элементом планетарной передачи, будет состоять из участков укороченной или удлиненной нормальной циклоиды, число которых будет равно отношению диаметров зубчатого кольца и зубчатого колеса.

Устройство содержит также приводное средство 12 (фиг.1), которое прилагает к ведомому тарельчатому колесу 6 и промежуточному тарельчатому колесу 7 пары сил, стремящихся повернуть их в противоположных направлениях вокруг оси их взаимного качения с тем, чтобы в итоге передать к элементам 8 планетарной передачи результирующие силы, уравновешивающие усилие, передаваемое на них ступицей 4.

С этой целью приводное средство 12 содержит кольцо 13, соосно присоединенное к ведомому тарельчатому колесу 6 и способное аксиально перемещаться относительно последнего. Внутри кольца 13 предусмотрены первые винтовые зубья 13а, зацепляющиеся при работе со вторыми винтовыми зубьями 14а, выполненными на кольцевом блоке 14, неподвижно соединенном с промежуточным тарельчатым колесом и зацепленным с возможностью вращения относительно ведомого тарельчатого колеса. Благодаря зацеплению между кольцом 13 и кольцевым блоком 14 при перемещении упомянутого кольца в осевом направлении ведомое 6 и промежуточное 7 тарельчатые колеса вынуждаются поворачиваться в противоположных направлениях относительно друг друга, например, с помощью рычажной передачи 15, смонтированной на опорной конструкции 5.

Устройство динамического соединения для передачи вращательного движения между двумя валами работает следующим образом.

Соединение между зубчатым колесом 9 и зубчатым кольцом 10 действует аналогично обычному соединению эпициклического типа, широко применяемому, например, в дифференциалах: зубчатое колесо 9, приводимое во вращение вокруг оси ступицы 4 за счет вращательного движения, сообщаемого самой ступице валом 2 и находящееся в зацеплении с зубчатым кольцом 10, принуждается также вращаться вокруг своей собственной геометрической оси в противоположную сторону по отношению к приводной ступице 4.

Элемент планетарной передачи, который приводится во вращение вокруг оси зубчатого колеса 9, перемещается вокруг оси приводной ступицы 4, проходя, таким образом, по эллиптическому пути и постоянно находясь в контакте с направляющей поверхностью ведомого тарельчатого колеса 6.

С точки зрения кинематики и принципа работы соединение между элементом 8 планетарной передачи и эллиптической направляющей поверхностью 6а точно соответствует соединению между зубчатым колесом 9 и зубчатым кольцом 10.

Пока приводное средство 12 находится в неактивном состоянии ведущий вал 2 и ведомый вал 3 разъединены. Действительно, в этом случае вращение зубчатого колеса внутри зубчатого кольца 10 и одновременное перемещение элемента 8 планетарной передачи внутри ведомого тарельчатого колеса 6 осуществляется свободно, без передачи сколько-нибудь заметного усилия на сами тарельчатые колеса и, соответственно, на ведомый вал 3. При активации приводного средства 12, напротив, происходит передача вращения и/или крутящего момента от ведущего вала 2 к ведомому валу 3.

При перемещении кольца 13 к тарельчатым колесам 6 и 7 или от них последние стремятся вращаться в противоположных направлениях, при этом, однако, исключается какое-либо смещение их относительно друг друга. Действительно, если, например, промежуточное тарельчатое колесо 7 стремится вращаться против часовой стрелки, оно передает крутящий момент против часовой стрелки на зубчатое колесо 9, при этом крутящий момент уравновешивается действием ведомого тарельчатого колеса 6 на элемент 8 планетарной передачи. Тарельчатое колесо 6 стремится вращаться по часовой стрелке и противодействует элементу 8 планетарной передачи, которому сообщается вращение против часовой стрелки от зубчатого колеса 9. Пары сил, создаваемые тарельчатыми колесами 6 и 7 и действующие на элемент 8 планетарной передачи и зубчатое колесо 9, соответственно, возникают как реакция одной пары на другую, и поэтому они уравновешены.

Принимая далее во внимание вращательное движение, передаваемое приводной ступицей 4 на зубчатое колесо 9, можно заметить, что элемент 8 планетарной передачи принуждается перемещаться по направляющей поверхности 6а и проходить через зоны, в которых, как это происходит в ситуации, показанной на фиг. 2, направляющая поверхность набегает на элемент планетарной передачи вследствие вращения, сообщаемого ведомому тарельчатому колесу 6. Эти зоны, обозначенные квадрантами А и С на фиг.2, чередуются с другими зонами, обозначенными В и D, в которых направляющая поверхность 6а стремится убежать от элемента 8 планетарной передачи.

Когда элемент 8 планетарной передачи проходит через одну из зон А и С усилие, которое сообщает ему направляющая поверхность 6а, создает крутящий момент на зубчатом колесе 9, который уравновешивает его вращение против часовой стрелки, что необходимо для того, чтобы вовлечь его во вращательное движение приводной ступицы 4. Другими словами, на элементе 8 планетарной передачи создается результирующее усилие, которое уравновешивает крутящий момент, передаваемый на него ступицей 4. Поэтому на ведомом тарельчатом колесе 6 создается уравновешивающий крутящий момент, который заставляет его вращаться вместе с промежуточным тарельчатым колесом 7 и ведомым валом 3, т. е. в направлении вращения ведущего вала 2.

Очевидно, что при использовании единственного элементе 8 планетарной передачи, как схематически показано на фиг.1 и 2, передача вращательного движения и крутящего момента с ведущего вала 2 на ведомый вал 3 не могла бы осуществляться непрерывно и равномерно. Это связано с чередованием упаомянутых зон направляющей поверхности 6а, контактирующих с элементом 8 планетарной передачи и обозначенных квадрантами А, В, С и D. Данная проблема решается за счет использования множества элементов 8 планетарной передачи, равномерно распределенных вокруг оси приводной ступицы 4.

На фиг.3, 4 и 5 показан другой вариант устройства, соответствующего изобретению, обозначенный в целом номером 16. Этот вариант представляет собой развитие принципа работы вышеописанного устройства, основанное на том, что соединение между зубчатыми колесами 9 и 10 может быть заменено на динамическое соединение, эквивалентное с точки зрения работы и обеспечиваемое тем же путем, что и соединение между элементом 8 планетарной передачи и направляющей поверхности 6а. А именно, в показанном примере соединение зубчатое колесо 9 зубчатое кольцо 10 заменено по существу эллиптической второй направляющей поверхностью, созданной промежуточным тарельчатым колесом, проходящим параллельно направляющей поверхности ведомого тарельчатого колеса и воздействующей на элементы планетарной передачи со стороны, противоположной той, которая обращена к тарельчатому колесу.

Устройство 16 содержит опорную и поддерживающую конструкцию 17, которая, предпочтительно, состоит из двух полукорпусов 17а, 17в, которые могут быть неподвижно соединены с любой неподвижной конструкцией и которые вмещают приводную ступицу 18, установленную в них с возможностью вращения и соосно соединенную через первые соединительные фланцы 19 с первым валом 20, который, в качестве примера, будем считать ведущим валом.

В поддерживающей конструкции 17 соосно с приводной ступицей 18 установлено с возможностью вращения ведомое тарельчатое колесо 21, которое соосно соединено через вторые фланцы 22 с вторым валом 23. Промежуточное тарельчатое колесо 24 прикрелено к ведомому тарельчатому колесу 21 таким образом, что оно может качаться вокруг заданной оси, которая, предпочтительно, совпадает с осью вращения приводной cтупицы 18.

Кроме того, устройство 16 содержит элементы 25 планетарной передачи, которые равномерно распределены вокруг оси вращения, приводной ступицы 18 и приводятся во вращение последней. Упомянутые элементы 25 планетарной передачи также направляются между промежуточным тарельчатым колесом 24 и ведомым тарельчатым колесом 21 по пути, вовлекающему их в циклическое возвратно-поступательное движение относительно оси вращения приводной ступицы 18 и оси взаимного качения между упомянутыми промежуточным и ведомым тарельчатыми колесами.

Элементы 25 планетарной передачи направляются по дорожке 26 скольжения (фиг.4), имеющей эллиптическую форму и лежащей в плоскости, перпендикулярной оси приводной ступицы 18. Дорожка 26 скольжения образована между эллиптическим направляющим кольцом 21в, принадлежащим ведомому тарельчатому колесу 21, и эллиптической направляющей полостью 24а, принадлежащей промежуточному тарельчатому колесу 24. Направляющее кольцо 21а и направляющая полость 24а проходят параллельно и на одинаковом удалении от воображаемого эллипса 26а, образованного центральной линией эллиптической дорожки 26.

Чтобы устранить трение скольжения между элементами 25 планетарной передачи и ведомым и промежуточным тарельчатыми колесами 21 и 24 (фиг.3) предусмотрены два ролика 27, которые при работе находятся в контакте с направляющим кольцом 21а и направляющей полостью 24а, соответственно, и укреплены с возможностью вращения на осевом стержне 28, колебательно соединеным с привдной ступицей 18 и проходящим вдоль оси, параллельной оси упомянутой приводной ступицы.

Предпочтительно, чтобы каждый осевой стержень 28 был эксцентрически прикреплен к опорному телу 29, которое зацеплено с приводной ступицей 18. Опорное тело 29 проходит вдоль оси, отстоящей от оси приводной ступицы 18 на расстояние, равное одной четверти суммы длин большой оси а и малой оси b (фиг.6 и 7) воображаемого эллипса 26а, образованного центральной линией дорожки 26 скольжения. Осевой стержень 28 смещен по отношению к опорному телу 29 на расстояние, равное одной четверти разности длин большой оси а и малой оси b воображаемого эллипса 26а. Эти геометрические параметры обеспечивают для каждого элемента 25 планетарной передачи возможность свободного перемещения по дорожке 26 скольжения при вращении вокруг оси приводной ступицы 4 и одновременно вокруг оси соответствующего опорного тела 29 так, чтобы его смещение от оси вращения приводной ступицы непрерывно изменялось. В показанном примере, где дорожка 26 скольжения имеет эллиптическую форму, каждый ролик 25 принуждается совершать ровно один оборот вокруг оси опорного тела 29 во время кажого оборота вокруг оси приводной ступицы 4.

Очевидно, что соединение между элементами 26 планетарной передачи и приводной ступицей 4 может также осуществляться за счет скользящего зацепления каждого из упомянутых осевых стержней 28 с радиальной выемкой, выполненной в приводной ступице 4. В этом случае элементы планетарной передачи имели бы возможность изменять свое смещение от центра приводной ступицы при перемещении по дорожке 26 скольжения, однако возможны нежелательные эффекты вследствие сил инерции, создаваемых возвратно-поступа- тельным движением элементов планетарной передачи относительно оси приводной ступицы 18.

Для оптимального уравновешивания центробежных сил и передачи движения с первого вала 20 на второй вал 23 предпочтительно, чтобы число элементов 25 планетарной передачи было четно и было кратно нечетному числу. В показанном примере число элементов 25 планетарной передачи равно десяти.

Кроме того, для обеспечения заданного направления вращения каждого элемента 25 планетарной передачи вокруг оси соответствующего опорного тела 29, т. е. противоположно направлению вращения приводной ступицы 18, опорные тела 29 каждого элемента 25 планетарной передачи должны быть неподвижно и соосно соединены с соответствующими звездочками 29а, зацепляющимися при работе с регулировочным кольцом 30, которое соосно и с возможностью вращения соединено с приводной ступицей 18.

Устройство 16 содержит также приводное средство 31, предусмотренное для сообщения ведомому тарельчатому колесу 21 и промежуточному тарельчатому колесу 24 пар сил, стремящихся повернуть их в противоположных направлениях вокруг оси их взаимного качения с тем, чтобы передать в итоге на элемент 25 планетарной передачи результирующие силы, уравновешивающие усилие, сообщаемое ему ступицей 18.

Приводное средство 31 содержит рабочее кольцо 32, соосно установленноее между соедимнительной деталью 33, соосно выступающей из ведомого тарельчатого колеса 21, и соединительной втулкой 34, соосно выступающей из промежуточного тарельчатого колеса 24. Рабочее кольцо 32 снабжено внутри рядом винтовых зубьев 32а, зацепляющихся при работе с винтовыми зубьями 33а, выполненными на соединительной детали 33 ведомого тарельчатого колеса 21.

Кроме того, рабочее кольцо 32 снабжено снаружи рядом радиальных выступов 32в, находящихся в скользящем зацеплении с соответствующими осевыми канавками 34а, выполненными в соединительной втулке 34. Рабочее кольцо 32 может перемещаться в осевом направлении относительно соединительной детали 33 и соединительной втулки 34 под управлением гидравлического приводного механизма 35, содержащего первый кольцевой элемент 36, неподвижно соединенный с рабочим кольцом 32 штифтами 37, и второй кольцевой элемент 38, зацепленный с возможностью вращения с первым кольцевым элементом 36.

Второй кольцевой элемент 38 находится в герметичном зацеплении с возможностью скольжения с поддерживающей конструкцией 17 и снабжен снаружи по меньшей мере диаметральным рельефом 38а, находящимся в самой поддерживающей конструкции. В кольцевую камеру 39 выходят два питающих сопла 40, расположенных с противоположных сторон относительно диаметрального рельефа 38а. Через питающие сопла в кольцевую камеру 39 избирательно подается рабочая жидкость, например масло под давлением.

Устройство 16 (фиг.3-7) работает следующим образом.

Когда гидравлический приводной механизм 35 выключен, валы 20 и 23 разъединены. Действительно, предположим, что в такой ситуации приводная ступица 18 приводится во вращение по часовой стрелке первым валом 20. Тогда элементы 25 планетарной передачи, несомые упомянутой ступицей, будут свободно перемещаться вдоль дорожки 26 скольжения, вращаясь против часовой стрелки вокруг осей соответствующих опорных тел 29. В этом случае ни на ведомое тарельчатое колесо 21, ни на промежуточное тарельчатое колесо 24 не будет передаваться сколько-нибудь заметное усилие.

Путем включения гидравлического приводного механизма 35 можно установить динамическое соединение между валами 20 и 23 для передачи между ними вращательного движения и/или крутящего момента. Приводной механизм 35 начинает действовать, когда через одно из питающих сопл 40 подается масло под давлением или другая рабочая жидкость, в результате чего промежуточное тарельчатое колесо 24 принуждается поворачиваться в направлении, противоположном направлению вращения приводной ступицы 18, за счет аксиального смещения рабочего кольца 32 и кольцевых элементов 36 и 38.

В примере, показанном на фиг.6 и 7, где приводная ступица 18 вращается по часовой стрелке, как показано стрелкой х на фиг.7, рабочая жидкость подается через питающее сопло 40, расположенное слева от кольцевого пояска 38а, если рассматривать фиг. 3, вследствие чего рабочее кольцо 32 будет стремиться переместиться от ведомого 21 и промежуточного 24 тарельчатых колес. Как результат, ведомое тарельчатое колесо 21 будет стремиться повернуться по часовой стрелке, как показано стрелкой z на фиг.4 и 5, в то время как промежуточное тарельчатое колесо 24 в ответ будет стремиться повернуться против часовой стрелки, как показано стрелкой y.

Аналогично тому, что указывалось в отношении варианта, показанного на фиг. 1 и 2, в такой ситуации дорожка 26 скольжения может быть фактически разделена на четыре квадранта А, В, C и D, имеющих одинаковую ширину (фиг.6 и 7) и образованных осями симметрии самой дорожки скольжения. В двух из упомянутых квадрантов, расположенных напротив друг друга, т.е. квадрантах А и С, поверхности направляющего кольца 21а и направляющей полости 24а стремятся приблизиться друг к другу. В двух других квадрантах В и D, напротив, упомянутые поверхности стремятся удалиться друг от друга.

В результате, каждый из элементов 25 планетарной передачи при перемещении его вдоль дорожки 26 скольжения попеременно пересекает зоны, соответствующие квадрантам А и С, в которых каждый элемент планетарной передачи должен противодействовать стремлению вплотную приблизиться к поверхностям направляющего кольца 21а и направляющей полости 24. Эта ситуация хорошо видна на фиг.6, где графически представлены силы, действующие межэду ведомым тарельчатым колесом 21, одним из элементов 25 планетарной передачи и промежуточным тарельчатым колесом 24.

На чертеже видно, что при вышеописанной ситуации элемент 25 планетарной передачи испытывает действие направленной против часовой стрелки силы F, приложенной к его тангенциальной точке F направляющей полостью 24а, а также направленной по часовой стрелке силы F', приложенной к тангенциальной точке F', направляющим кольцом 21а. Следует заметить, что точки F и F' диаметральнео противоположны, поскольку представляют собой точки пересечения круга с двумя параллельными касательными линиями. В связи с тем, что силы F и F' возникают как реакция одной силы на другую, для уравновешивания друг друга они создают одинаковые крутящие моменты по отношению к оси вращения системы, показанной точкой 0 на фиг.4. Поскольку точки F и F' находятся на разных расстояниях L и L' от точки 0, силы F и F' будут иметь разную величину, в соответствии с уравнением F ˙ M F' ˙ L'.

Таким образом, используя указанное уравненеие, можно рассчитать величину каждой отдельной силы F и F', путем деления на расстояния L и L' крутящего момента, приложенного через приводной механизм 35, который должен быть по меньшей мере вдвое больше крутящего момента, передаваемого ведущим валом 20.

Каждая из сил F и F' раскладывается в направлении к точке 0 и направлении, нормальном к поверхности элемента 25 планетарной передачи в точке F и F' контакта. Таким образом, каждая сила F, F' порождает радиальную компоненту Fr, F'r направленную к точке 0, которая не показывает влияния на вращение, и результирующую силу FR, FR', направленную через точки F, F' и центр 0' элемента 25 планетарной передачи.

Как легко видеть на фиг.4, результирующие силы FR, FR' имеют одинаковую величину и ориентацию, однако направлены в противположные стороны.

В результате крутящие моменты, которые они порождают относительно точки 0 и равные по величине, но противоположные по направлению, взаимно уничтожаются. Таким образом, доказано, что в отсутствии движущей силы, передаваемой через приводную ступицу 18, система сил, порождаемых включением гидравлического приводного механизма 35, уравновешена.

На фиг.7 графически показан эффект, который возникает, когда к элементу 25 планетарной передачи, помимо вышеописанных результирующих сил FR, FR' приложена движущая сила Fm от приводной ступицы 18. Считается, что движущая сила Fm приложена к центру вращения 0' элемента 25 планетарной передачи и ориентирована тангенциально к окружности, имеющей центр в 0 и радиус r, равный расстоянию между точками 0 и 0'. Поэтому сила Fm создает крутящий момент, равный Fm'r относительно точки 0.

Каждая результирующая сила FR и FR' взаимодействует с половиной движущей силы Fm, а точнее, с двумя силами K, K', приложенными к элементу 25 планетарной передачи за счет действия упомянутой силы Fm. Эти силы реакции, приложенные к точкам F и F', соответственно, имеют параллельную ориентацию и противоположное направление относительно движущей силы Fm, и равны по величине Fm/2.

Композиция результирующих сил FR, FR' и соответствующих реакций К и K', приложенных к F и F', дает две окончательные силы N, N', направленные в противоположные стороны и ориентированные под углом друг к другу. А именно, как можно видеть на фиг.7, сила N, приложенная в точке F, создает относительно точки 0 крутящий момент, противодействующий вращению элемента 25 планетарной передачи и равный N.G, где G расстояние между направлением N и точкой 0.

Сила N' создает, по-прежнему относительно точки 0, крутящий момент, совпадающий с направлением вращения элемента 25 планетарной передачи и равный N'.G', где G' расстояние между направлением N' и точкой 0.

Как графически показано на фиг.5, крутящий момент, порожденный силой N, больше, чем момент, порожденный силой N'. Разность крутящих моментов, порожденных окончательными силами N и N', создает крутящий момент, равный по величине крутящему моменту, создаваемому движущей силой Fm, но направленный противоположно последнему. Таким образом, на элемент 25 планетарной передачи действует сила, а точнее крутящий момент относительно точки 0, уравновешивающий усилие, передаваемое на него приводной ступицей 18.

Очевидно, что, как реакция, создается крутящий момент, соответствующий указанному крутящему моменту, который стремится повернуть ведомое тарельчатое колесо 21 и промежуточное тарельчатое колесо 24, в направлении, совпадающем с направлением вращения приводной ступицы 18. В итоге, между первым валом 20 и вторым валом 23 передаются движение и крутящий момент.

Величина крутящего момента, который может быть передан таким путем между двумя валами 20 и 23, равна половине величины крутящего момента, создаваемого силами F и F' (фиг.4) после включения приводного механизма 35 и увеличивается прямо пропорционально давлению жидкости в приводном механизме.

Таким образом, изобретение обеспечивает достижение поставленных задач.

Предлагаемое устройство способно передавать большие крутящие моменты, имея при этом очень небольшой вес и габариты, и позволяет динамически соединять валы, вращающиеся с очень большими относительными скоростями без больших потерь энергии. В предлагаемом устройстве нет частей или элементов, работа которых однозначно связана с потерями энергии, таких, как элементы муфт сцепления или масляные диски в гидравлических соединениях. Потери энергии связаны только с трением качения между различными элементами, осуществляющими относительное движение, и поэтому очень незначительны.

Кроме тиого, данное устройство дает не только возможность точной передачи крутящего момента и вращательного движения между двумя валами, но и возможность установления максимальной величины крутящего момента, передаваемого между валами, за которой возникает относительное вращение между валами.

Очевидно, что путем надлежащего управления приводным средством можно передавать движение на ведомый вал с более или менее выраженными ускорениями, в зависимости от требований.

Важно также то, что устройство можно использовать при распределении крутящего момента между двумя валами, соединенными с ним. Это частное применение весьма подходит для автомобилестроения, потому что путем связывания подходящего электронного датчика с предлагаемым устройством можно непрерывно и оптимальным образом распределять крутящий момент между передней и задней осями автомобилей, имеющих четыре ведущих колеса.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДИНАМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ ВАЛАМИ (2,3,20,23), отличающееся тем, что оно содержит: - приводную ступицу (4,18), соосно с неподвижно соединенную с одним валом (2,20), - ведомое тарельчатое колесо (6,21), неподвижно соединенное с вторым валом (3,23), - промежуточное тарельчатое колесо (7,24), соединенное с ведомым тарельчатым колесом (6,21) и имеющее возможность качения вокруг заданной оси; - множество элементов (8,25) планетарной передачи, равномерно распределенных вокруг оси вращения приводной ступицы (4,18), приводимых во вращение самой ступицей и направляемых между промежуточным тарельчатым колесом (7,24) и ведомым тарельчатым колесом (6,21) по пути, вовлекающему их в циклическое возвратно-поступательное движение относительно оси вращения приводной ступицы (4,18) и оси взаимного качения между промежутками (7,24) и ведомым (6,21) тарельчатыми колесами; - приводное средство (12,31) для приложения к промежуточному (4,18) и ведомому (6,21) тарельчатым колесам пар сил, стремящихся повернуть их в противоположных направлениях вокруг оси их взаимного качения и таким образом передачи к элементам (8,25) планетарной передачи результирующих сил, уравновешивающих усилие, сообщаемое им ступицей (4,18).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент (25) планетарной передачи содержит осевой стержень (28), направляемый между ведомым тарельчатым колесом (21) и промежуточным тарельчатым колесом (24) и эксцентрически прикрепленный к опорному телу (29), зацепленному с возможностью вращения с приводной ступицей (24), при этом элемент (25) планетарной передачи размещен с возможностью вращения вокруг оси опорного тела (28) для изменения его собственного положения относительно оси приводной ступицы (21), когда он приведен во вращение последней.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы (25) планетарной передачи направляются по дорожке (26) скольжения, имеющей по существу эллиптическую форму и лежащей в плоскости, перпендикулярной оси приводной ступицы (18) и образованной между по существу эллиптическим направляющим кольцом (21а), принадлежащим ведомому тарельчатому колесу (21), и по существу эллиптической направляющей полостью (24а), принадлежащей промежуточному тарельчатому колесу (24), при этом тарельчатые колеса (21,24) соединены с возможностью колебаний относительно друг друга по оси, которая совпадает с осью вращения ступицы (18).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый элемент (25) планетарной передачи содержит осевой стержень (28), направляемый по эллиптической дорожке (26) и эксцентрически прикрепленный к опорному телу (29), который зацеплен с возможностью вращения с приводной ступицей (18) по оси, отстоящей от оси вращения ступицы (18) на расстояние, равное одной четверти суммы длин большой и малой осей (a,b) воображаемого эллипса (26а), образованного центральной линией эллиптической дорожки (26), при этом осевой стержень (28) смещен по отношению к опорному телу (29) на расстояние, равное одной четверти разности длин большой и малой осей (a,b) воображаемого эллипса (26а).

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый элемент планетарной передачи содержит по меньшей мере два ролика (27), которые при работе находятся в контакте с направляющим кольцом (21а) и направляющей полостью (24а) соответственно и которые поддерживаются с возможностью вращения осевым стержнем (28), колебательно зацепленным с приводной ступицей (18).

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что к опорному телу (29) каждого элемента (25) планетарной передачи прикреплена звездочка (29а), зацепляющаяся при работе с регулировочным кольцом (30), установленным соосно с приводной ступицей (18) и зацепленным с ней с возможностью вращения.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число элементов (25) планетарной передачи четно и кратно нечетному числу.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приводное средство (31) содержит рабочее кольцо (32), перемещающееся в осевом направлении под управлением гидравлического приводного механизма (35) и соосно зацепленное между соединительной деталью (33), выступающей из ведомого тарельчатого колеса (21), и соединительной втулкой (34), выступающей из промежуточного тарельчатого колеса (24), при этом рабочее кольцо (32) снабжено внутри винтовыми зубьями (32ь), зацепляющимися при работе с винтовыми зубьями (33а), выполненными на соединительной детали (33), а также радиальными выступами (32в), находящимися в скользящем зацеплении с соответствующми осевыми канавками (34а), выполненными в соединительной втулке (34).

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что гидравлический приводной механизм (35) содержит внутренний кольцевой элемент (36), неподвижно прикрепленный к рабочему кольцу (32), и внешний кольцевой элемент (38), зацепленный с возможностью вращения с внутренним кольцевым элементом (36) и находящийся в герметичном и скользящем зацеплении с поддерживающей конструкцией (17), при этом внешний кольцевой элемент (38) снабжен по меньшей мере диаметральным пояском (38а), герметично и скользяще зацепленным в кольцевой камере (39), выполненной в поддерживающей конструкции (17), в которую выходят два питающих сопла (40), расположенных на противоположных сторонах по отношению к диаметральному пояску (38а), при этом через питающие сопла (40) в кольцевую камеру (39) избирательно подается рабочая жидкость под давлением.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый элемент (8) планетарной передачи эксцентрически установлен на зубчатом колесе (9), соединенном с возможностью вращения с приводом ступицей (4) и зацепляющемся при работе с зубчатым кольцом (10), выполненным в промежуточном тарельчатом колесе (7), при этом элемент (8) планетарной передачи расположен на оси, смещенной параллельно оси вращения зубчатого колеса (9), и работает в контакте с направляющей поверхностью (6а), образованной ведомым тарельчатым колесом (6) и проходящей параллельно пути, описываемому осью элемента (8) планетарной передачи, когда зубчатое колесо (9) катится по зубчатому кольцу (10).

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что зубчатое колесо (9) при работе находится во внутреннем зацеплении с зубчатым кольцом (10), которое проходит по окружности, концентрической с осью приводной ступицы (4), и имеет диаметр, равный двум диаметрам зубчатого колеса (9), при этом направляющая поверхность (6а) имеет по существу эллиптическую конфигурацию.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что зубчатое колесо (9) при работе находится в наружном зацеплении с зубчатым кольцом (10), которое концентрично с осью приводной ступицы (4) и имеет диаметр, равный двум диаметрам зубчатого колеса (9), при этом направляющая поверхность (11) имеет форму двойной эпициклоиды, расположенной симметрично относительно зубчатого кольца (10).

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что зубчатое колесо (9) при работе находится во внутреннем зацеплении с зубчатым кольцом (10), которое концентрично с осью приводной ступицы (4) и имеет диаметр, равный трем диаметрам зубчатого колеса (9), при этом направляющая поверхность (11) имеет по существу форму треугольника с дугообразными сторонами.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что зубчатое колесо (9) при работе находится в наружном зацеплении с зубчатым кольцом (10), которое концентрично с осью приводной ступицы (4) и имеет диаметр, равный диаметру зубчатого колеса (9), при этом направляющая поверхность имеет по существу форму кардиоиды.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что диаметр зубчатого колеса (9) укладывается целое число раз в диаметр зубчатого кольца (10), при этом направляющая поверхность (11) имеет по существу форму множества участков циклоиды, число которых равно отношению диаметров зубчатого кольца (10) и зубчатого колеса (9).

16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приводное средство (12) содержит кольцо (13), не имеющее вращения относительно ведомого тарельчатого колеса (6) и подвижное относительно него в осевом направлении, при этом кольцо (13) снабжено винтовыми зубьями (13а), зацепляющимися при работе с винтовыми зубьями (14а), выполненными на блоке (14), неподвижно соединенном с промежуточным тарельчатым колесом (7).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10