Механическая автоматическая бесступенчатая коробка передач

 

Изобретение относится к самонастраивающимся механизмам трансмиссий самоходных машин, приводов технологических машин и станков и может быть использовано в автомобиле-, тракторо-, станкостроении. Сущность изобретения в том, что подвижный эпицикл второго ряда снабжен вторым зубчатым венцом, два выхода дифференциального ряда: центральное солнечное колесо и подвижный эпицикл взаимосвязаны замыкающим звеном, выполненным в виде блоков сателлитов, установленных подвижно на осях сателлитов первых двух рядов, одни сателлиты блока зацеплены со вторым венцом эпицикла и с центральным солнечным колесом дополнительного третьего ряда, закрепленным на выходном валу, вторые сателлиты блока - с центральным солнечным колесом генератора, установленным соосно и подвижно на выходном валу и размещенным между вторым и третьим рядами, центральные солнечные колеса второго дифференциального ряда снабжены на торцах параллельными эксцентричными шипами, установленными подвижно диаметрально противоположно в эксцентричных отверстиях центральных солнечных колес первого планетарного и второго дифференциального рядов, на цилиндрические гладкие обращенные друг к другу участки центральных солнечных колес первого планетарного, второго дифференциального рядов и генератора надеты цилиндрические пружины кручения. 2 ил.

Изобретение относится к самонастраивающимся механизмам трансмиссий самоходных машин, приводов технологических машин и станков и может быть использовано в автомобилестроении, в тракторостроении, в различных приводах машин и станков в качестве автоматических вариантов.

Известны различные зубчатые передачи для ступенчатого изменения частоты вращения выходного вала, выполненные в виде коробок скоростей и применяющиеся в приводах металлорежущих станков, текстильных машин, в трансмиссиях в автомобильном, тракторном, сельскохозяйственном машиностроении (А.С. Антонов и др. Армейские автомобили. Конструкция и расчет. с. 173, 1970).

В таких передачах изменение частоты вращения выходного вала в зависимости от величины преодолеваемой полезной нагрузки осуществляется оператором переключением рукоятки, что является существенным их недостатком. Однако такие механические передачи имеют более высокий КПД, сравнительно низкую стоимость изготовления, они более удобны для технического обслуживания, чем автоматические гидродинамические гидрообъемные трансмиссии или бесступенчатые передачи со сложными электрическими преобразователями (В.А. Сотников. Новые тракторы и автомобили. М. Колос, 1983, с. 108-109).

Применение для автоматического регулирования частоты вращения выходного вала саморегулируемых бесступенчатых механических передач нефрикционного типа является эффективным средством повышения производительности технологического обслуживания и улучшения основных эксплуатационных качеств самоходных машин.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к техническому решению является саморегулируемая бесступенчатая дифференциально-планетарная зубчатая передача нефрикционного типа, содержащая генератор колебаний и выпрямители, в которой ведущее водило дифференциального ряда совершает колебательное движение. Генератором колебаний водила может служить любой шарнирный рычажный четырехзвенник, в котором регулируется длина кривошипа, а коромысло выполнено за одно целое с водилом. Выпрямителем, обеспечивающим динамическую несимметричность системы при колебании в целях передачи крутящего момента в одном необходимом направлении, служит необратимая самотормозящаяся однозаходная червячная пара. Цепь обратной связи составлена из центрального солнечного зубчатого колеса, закрепленного на ведомом валу, зацепленных с ним сателлитов, упругого вала и конической зубчатой пары, одно из колес которой закреплено на валу червяка выпрямителя (А.А. Благонравов. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М. "Маш", 1974, с. 33, рис. 5).

Основным недостатком передачи является то, что она содержит несколько червячных выпрямителей и цепей обратной связи, расположенных, например, по звездной схеме равномерно по окружности, для обеспечения непрерывности и в достаточной степени равномерности крутящего момента на ведомом валу. Поэтому передача громоздка и неудобна в эксплуатации, она представляет собой лишь теоретический пример осуществления кинематических и динамических условий существования бесступенчатой передачи с голономными связями без фрикционных пар. Кроме того, в такой передаче лишь частично удовлетворяется условие, заключающееся в том, что система должна иметь силовую функцию, частные производные которой по обобщенным координатам малы по сравнению с передаваемыми моментами, т.е. в такой передаче не удовлетворяется условие возможно меньшей мощности, циркулирующей в регулируемой ветви передачи. Упругий элемент, выполняющий в ней силовую функцию, должен быть довольно жестким и прочным, а потому крупногабаритным и массивным, т.к. он участвует в передаче всего крутящего момента по цепи обратной связи. Вследствие вышеуказанных причин передача сложна по конструкции, неудобна в эксплуатации и ненадежна в работе.

Задача изобретения заключается в упрощении конструкции и в повышении надежности работы механической автоматической бесступенчатой коробки передач.

Это достигается тем, что механическая автоматическая бесступенчатая коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, первый планетарный и второй дифференциальный ряды зубчатых передач, генератор переменного момента, выпрямитель и элемент силовой функции, согласно изобретению, подвижный эпицикл второго ряда снабжен вторым зубчатым венцом, два выхода дифференциального ряда: центральное солнечное колесо и подвижный эпицикл взаимосвязаны замыкающей цепочкой, составленной из блока сателлитов, установленных подвижно на осях сатиллитов первых двух рядов, одни сателлиты блока зацеплены со вторым венцом эпицикла и с центральным солнечным колесом дополнительного третьего ряда, закрепленным на выходном валу, вторые сателлиты блока с центральным солнечным колесом генератора, установленным соосно и подвижно на выходном валу и размещенным между вторым и третьим рядами, центральные солнечные колеса генератора и второго дифференциального ряда снабжены на торцах параллельными эксцентричными шипами, установленными подвижно диаметрально противоположно в эксцентричных отверстиях центральных солнечных колес первого планетарного и второго дифференциального рядов, на цилиндрические гладкие обращенные друг к другу участки центральных солнечных колес первого планетарного, второго дифференциального рядов и генератора надеты цилиндрические пружины кручения.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема механической автоматической бесступенчатой коробки передач; на фиг. 2 план скоростей подвижных элементов коробки.

Механическая автоматическая бесступенчатая коробка передач содержит корпус 1, входной 2 и выходной 3 валы, первый планетарный ряд, включающий в себя центральное солнечное зубчатое колесо 4, закрепленное на входном валу 2, водило 5, сателлиты 6 и центральное колесо 7 с внутренним зацеплением, закрепленное неподвижно в корпусе 1, второй дифференциальный ряд, включающий в себя центральное солнечное зубчатое колесо 8, сателлиты 9 и подвижный эпицикл 10; генератор переменного момента, которым служит замыкающая второй дифференциальный ряд цепь обратной связи, составленная из блока сателлитов 11 и 12, установленных подвижно на осях 13 сателлитов 6 и 9 первых двух рядов, и из центрального солнечного колеса 14, установленного соосно и подвижно на продолжении выходного вала 3; выпрямитель, которым служит колесо 7, воспринимающее опорный или реактивный момент и обеспечивающее тем самым динамическую несимметричность подвижной системы, передачу момента лишь в сторону водила 5 с его осями 13, и элементы силовой функции, представляющие собой цилиндрические пружины кручения 15. Подвижный эпицикл 10 второго ряда снабжен вторым зубчатым венцом 16. Два выхода дифференциального ряда: центральное солнечное колесо 8 и эпицикл 10 взаимосвязаны замыкающей цепью, для чего сателлиты 12 блока зацеплены со вторым венцом 16 эпицикла 10 и с центральным солнечным колесом 17, закрепленным на выходном валу 3, а вторые сателлиты 11 блока с центральным колесом 14. Центральные колеса 8 и 14 снабжены на торцах параллельными оси всей подвижной системы, но эксцентрично к ней расположенными шипами 18 и 19, установленными подвижно диаметрально противоположно в эксцентричных отверстиях центральных солнечных колес 4 и 8 первого планетарного и второго дифференциального рядов. На цилиндрические гладкие обращенные друг к другу участки центральных колес 4, 8 и 14 надеты цилиндрические пружины кручения 15. Эксцентриситеты шипов 18 и 19 колес 8 и 14 и отверстий в колесах 4 и 8 равны по модулю. Эксцентричные пары устанавливаются при сборке эксцентриситетами диаметрально противоположно. Центральные колеса 4, 8, 14 и 17 между собой, эпицикл 10, его второй венец 16 и центральное неподвижное колесо 7 между собой, а также сателлиты 6, 9, 11 и 12 между собой выполнены с одинаковыми параметрами (модуль, числа зубьев).

Коробка передач работает следующим образом.

При вращении входного 2, связанного через сцепление с валом двигателя, крутящий момент передается водилу 5 и его осям 13, как входным звеньям первого планетарного ряда. Этот момент основной, передаваемый через оси 13 сателлитам 9 второго дифференциального ряда и связывающий тем самым одну степень подвижности их. Колесо 4 через эксцентричный шип 18 сообщает колесу 8 дополнительный крутящий момент, определяемый окружной силой в два раза меньшей, чем сила, действующая на водиле 5 и на его осях 13.

Этот дополнительный момент связывает вторую степень подвижности сателлитов 9 дифференциального ряда. Эти два момента, складываясь, передаются на выход дифференциального ряда, а именно на эпицикл 10.

В первом случае, когда, например, самоходная машина страгивается с места, выходной вал 3 с колесом 17 в начальный момент неподвижны. Поэтому, согласно картине скоростей на фиг. 2, эпицикл 10 на сателлитах 12 стремится быстро обкатываться вокруг колеса 17 (показано на картине штрихпунктирными линиями) вплоть до замыкания дифференциального ряда цепью обратной связи и образования тем самым дифференциального замкнутого механизма с одной определенной частотой вращения выхода, а именно эпицикла 10, следовательно, выходного колеса 17. Как известно, замыкающее звено должно иметь неподвижную ось вращения, эту функцию в замыкающей цепи осуществляет центральное солнечное колесо 14, установленное на продолжении выходного вала 3. Необходимость замыкания дифференциального ряда заключается в размыкающей роли эпицикла 10 при его вращении, т.к. он при этом все время через сателлиты 9 стремится остановить колесо 8. Этому же способствует то, что колесо 14 фактически копирует вращение колеса 17 из-за равенства передаточного отношения между ними единице (одинаковые числа зубьев сателлитов 11 и 12 между собой, колес 14 и 17 между собой). Следовательно, в начальный момент колесо 14 также стремится оставаться неподвижным и своим эксцентричным шипом 19 притормаживает вращение колеса 8 дифференциального ряда. Таким образом, колесо 8 под действием момента сопротивления на выходном валу 3 и на колесе 17 вынуждено отставать во вращении от колеса 4, полная его остановка возможна лишь в том случае, когда отсутствует воздействие на его шип 18 со стороны колеса 4, т.е. когда колесо 8 вращается с той же частотой, что и колесо 4, но в противоположном направлении. А этого нет, т.к. колесо 8, как указывалось выше, может быть в крайнем рассматриваемом случае лишь неподвижным при постоянном вращении колеса 4 в одном направлении. Таким образом, колесо 8, стремится отстать во вращении от колеса 4, но находясь все время под его воздействием через шип 18, закручивает пружины 15 до тех пор, пока не установится динамическое равновесие; равенство максимального момента сопротивления на выходном валу колеса 17 в период страгивания самоходной машины сумме приводных моментов: постоянного на осях 13 водила 5 и переменного, обусловленного действием шипа 18 и закрученных пружин на колесе 8. Чем больше момент сопротивления на колесе 17, тем больше угол закручивания пружин 15, тем больше время отставания и возврата в исходное положение колеса 8, т.е. тем больше амплитуда его колебаний от среднего положения между постоянно вращающимся колесом 4 и колесом 14, копирующим вращение колеса 17. Во втором предельном случае отсутствия сопротивления на выходном валу 3, например, при движении самоходной машины по ровной дороге с некоторым уклоном вниз, при вращении колеса 17 с максимальной частотой колесо 14, копирующее колесо 17, и эпицикл 10, вращающийся с наименьшей частотой, не оказывают тормозящего воздействия на колесо 8, кинематическая цепь не размыкается, все центральные солнечные колеса 8, 14 и 17 вращаются с одинаковой максимальной частотой, равной частоте вращения колеса 4, пружины 15 не подвергаются закручиванию, отсутствуют колебания колеса 8, только один крутящий момент на осях 13 водила 5 при минимальном моменте на колесе 8 достаточен для преодоления сопротивлении на колесе 17. Так осуществляется прямая 4-я передача с максимальной скоростью передвижения самоходной машины. Этот предельный случай изображен на фиг. 2 сплошными линиями. Все остальные передачи (2-я и 3-я по аналогии с четырехскоростной коробкой) осуществляются при вращении эпицикла 10, центральных колес 14 и 17 с промежуточной между предельными значениями частотой при средних по амплитуде колебаниях колеса 8, при средних углах закручивания пружин 15 (этот случай изображен на фиг. 2 двойными сплошными линиями).

Так автоматически в зависимости от величины сопротивления на ходовых колесах самоходной машины устанавливается то или иное динамическое равновесие подвижной системы, достигается та или иная частота вращения выходного вала 3, автоматически бесступенчатого саморегулируется передаточное число в коробке.

Как известно, для преобразования дифференциального (в нашем случае второго) ряда в саморегулируемую бесступенчатую передачу необходимо осуществить такие связи, при которых на установившемся режиме по крайней мере одна из обобщенных скоростей была бы периодической функцией времени и имела бы постоянную составляющую, пропорциональную угловой частоте ω_з вращения выходного вала, и переменную составляющую, пропорциональную угловой частоте вращения ω_н приводного для этого ряда звена водила 5. Движение дифференциального ряда с тремя степенями свободы описывается уравнением u₁·ω₈+u₂·ω₁₀+u₃·ω_н= 0, где u₁; u₂ и u₃ передаточные отношения, удовлетворяющие условию u₁+u₂+u₃=0; ω₈;ω₁₀,ω_н мгновенные угловые частоты вращения колеблющегося звена колеса 8, свободного звена эпицикла 10 и ведущего вращающегося в одном направлении звена водила 5.

Под действием шипов 18 и 19 по закону эксцентриков колеблющийся элемент совершает гармонические колебания с угловой частотой ω₈= ω₄·cosϕ где ω₄ угловая частота вращения центрального солнечного колеса 4 планетарного ряда; ϕ угол отставания колеса 8 от колеса 4, отклонения колеса 8 от среднего положения между колесами 4 и 14, закручивания пружин 15.

Тогда угловая скорость, частота вращения свободного элемента эпицикла будет равна Постоянную составляющую в уравнении (4) обеспечивает водило 5 при условии вращения вала двигателя с постоянной скоростью, переменную составляющую генератор переменного момента цепь обратной связи и путем копирования вращения или неподвижного положения (при страгивании) колеса 17 колесом 14, воздействующим через шип 19 и пружину 15 на колесо 8.

Передаточные отношения u₁, u₂, u₃ определяются числами зубьев подвижных элементов с помощью уравнения Виллиса, имеющего вид ω₁₀= u⁸₁₀·ω_н+u^н_10;8·ω₈, (5)
где u^н_10;8 передаточное отношение от эпицикла 10 до центрального колеса 8 при неподвижном водиле 5;
u⁸_10;н передаточное отношение от эпицикла 10 до водила 5 при неподвижном колесе 8.

Сравнивая уравнения (4) и (5), находим, что

где Z₈ и Z₁₀ число зубьев колеса 8 и эпицикла 10.

Уравнение (4) преобразуется в вид

Аналогично для выходного дифференциального ряда складыванием
ω_н и ω₁₀ получаем ω₁₇= ω_н·u¹⁶₁₇+ω₁₆·U^н_17,16
где

При из планетарного ряда Z₇=Z₁₀; Z₄=Z₁₇
ω₁₇= ω₄·cosϕ
ω₁₆= ω_10/
Z₆=Z₁₀; Z₈=Z₁₇
(9)
Уравнение (8) показывает, что угловая частота вращения выходного вала 3 с колесом 17 ω₃= ω₁₇ при постоянной угловой частоте вращения водила 5 ω_н в общем виде, промежуточном между предельными случае, зависит от величины угловой частоты вращения эпицикла ω₁₀ или ω₁₆ Чем больше ω₁₀, тем меньше ω₃ и наоборот. А угловая частота вращения согласно уравнению (6) зависит от амплитуды колебаний колеса 8, от угла отклонения ϕ колеса 8 от среднего положения между колесами 4 и 14. Любое такое отклонение приводит к увеличению суммарного эксцентриситета в радиальном направлении шипов 18 и 19 за одну половину относительного поворота колеса 8 по сравнению с колесами 4 и 14, к деформации пружин 15 в этом направлении. Суммарный эксцентриситет шипов 18 и 19 из-за совпадения осей зубчатых венцов и заплечиков для пружин 15 колес 4 и 14 с общей осью коробки передач и из-за сопротивления пружин 15 всегда стремится быть равным нулю, отклонения от этого могут быть лишь в пределах зазоров в зацеплениях и в посадках подшипников. Экспериментальные исследования опытного образца коробки показывают, что в силу такого конструктивного выполнения заклинивания в зацеплениях и в подшипниках не имеют места. Как известно, воздействие кругового эксцентрика распространяется на угол, равный 180^o, однако при наличии двух диаметров противоположно расположенных эксцентриков (в нашем случае, двух шипов 18 и 19), действующих на одно звено (колесо), их воздействие становится более интенсивным, но с удвоенной частотой, т.е. при угле равной 90^o. Следовательно, максимальный угол v в уравнениях (6) и (9) составляет 90^o. При угле v=0; cosϕ=1 и ω₈= ω₁₇= ω₄ осуществляется прямая передача (4-я скорость по аналогии с четырехколесной ступенчатой коробкой) с максимальной угловой частотой выходного вала 3. При угле ϕ=90°, cosϕ=0 ω₈= ω₁₇= 0 самоходная машина страгивается с места, коробка позволяет регулировать частоту вращения выходного вала 3 от 0 до ω₄ диапазон изменения передаточных отношений достаточно велик, что вполне приемлемо для всех классов самоходных машин и станков.

Угол закручивания пружин определяется решением уравнения вынужденных колебаний
I_пр·ε+Kf = M·sinωt,
где I_пр момент инерции, приведенный к колебательному звену - колесу 8;
ε угловое ускорение звена приведения;
K коэффициент жесткости пружины 15;
M возмущающий крутящий момент, действующий на колесо 8 через шип 18 с периодом, равным и частотой где w угловая частота вращения выходного вала 2.

Угол отклонения v от среднего положения равномерно распределяется между двумя пружинами 15, каждая пружина 15 может закручиваться на максимальный угол что имеет место при страгивании самоходной машины. Поэтому в цепи переменной составляющей в замыкающей цепи циркулирует незначительная мощность, соответствующая четверти общего крутящего момента, передаваемого на колесо 17. Этим достигается выполнение одного из основных требований к саморегулируемым нефрикционным передачам с голономными связями, заключающимся в удовлетворении условий возможно меньшей циркулирующей мощности в регулируемой ветви.

Крайние предельные положения механизма коробки при ϕ = 0° и ϕ = 90° обеспечиваются также кинематической схемой, равенством передаточных отношений от водила 5 до эпицикла 10 бесконечности, а от колеса 17 до колеса 14 единице.

Вследствие этого эпицикл 10 всегда стремится занимать, как и колесо 7, неподвижное положение, а колесо 14 копировать неподвижное положение или вращение колеса 17.

Коробка имеет девять подвижных звеньев, десять вращательных пар V кл. и семь зацеплений высшей пары IV кл. Степень подвижности W коробки
W=3n-2P₅-P₄=3·9-2·10-7=0
в положении поиска динамического равновесия равна нулю, а при установившемся режиме при достижении динамического равновесия равна единице, т.к. в этом случае цепь обратной связи замкнута, она становится жесткой, зацепления колес 14 и 17, копируя друг друга, работают как одно зацепление.

Предлагаемая коробка имеет, кроме большого диапазона изменения передаточных отношений, значительные преимущества перед прототипом, т.к. в ней отсутствуют эксцентрики, пазовый диск, не позволяющий получать оптимальные углы давления, выпрямители и генератор момента отдельных узлов. Все это определяет простоту ее конструкции и надежность работы. Прототип служит лишь теоретическим примером возможности сушествования бесступенчатой механической передачи с голономными связями. В коробке выполняется обязательное условие циркуляции относительно малой мощности в регулируемой ветви.

Формула изобретения

Механическая автоматическая бесступенчатая коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, первый планетарный и второй дифференциальный ряды зубчатых передач, генератор переменного момента, выпрямитель и элементы силовой функции, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения надежности работы, подвижный эпицикл второго ряда снабжен вторым зубчатым венцом, два выхода дифференциального ряда центральное солнечное колесо и подвижный эпицикл взаимосвязаны замыкающей цепочкой, выполненной из блока сателлитов, установленных подвижно на осях сателлитов первых двух рядов, одни сателлиты блока зацеплены с вторым венцом эпицикла и с центральным солнечным колесом дополнительного третьего ряда, закрепленным на выходном валу, вторые сателлиты блока с центральным солнечным колесом генератора, установленным соосно и подвижно на выходном валу и размещенным между вторым и третьим рядами, центральные солнечные колеса генератора и второго дифференциального ряда снабжены на торцах параллельными эксцентричными шипами, установленными подвижно диаметрально противоположно в эксцентричных отверстиях центральных солнечных колес первого планетарного и второго дифференциального рядов, на цилиндрические гладкие обращенные друг к другу участки центральных солнечных колес первого планетарного, второго дифференциального рядов и генератора установлены цилиндрические пружины кручения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2