Автоматическая бесступенчатая механическая передача

 

Изобретение относится к машиностроению, транспортному машиностроению, станкостроению. Передача содержит входной (1) и выходной (2) валы, водило (5) с радиальными осями (6), на которых соосно размещены внутренние (7) и внешние (8) сблокированные колеса основных сателлитов, вспомогательные сателлиты (9) и дополнительные сателлиты (18), которые находятся в зацеплении соответственно с ведущим (3) и ведомым (4) центральными колесами, размещенными по одну сторону от водила (5), закрепленным в корпусе (10) передачи неподвижным опорным колесом (11) и подвижным опорным колесом (17), последнее из которых при помощи полого промежуточного вала (16), установленного коаксиально с входным валом (1), и трех зубчатых колес (15, 13, 14) связано с входным валом (1) с возможностью вращения по отношению к нему в противоположном направлении. Колесо (13) закреплено на установленном в корпусе (10) передачи параллельно оси О-О передачи опорном валу (12). Передача и преобразование вращающего момента в широких пределах, при любых режимах работы и с высокими показателями КПД осуществляется путем торможения вращения водила (5) с его радиальными осями (6) в связи с изменением направлений векторов моментов количества движения всех сателлитов и связанных с ними маховиков (19) при их вращении одновременно вокруг оси О-О передачи и геометрических осей ₁-О₁ радиальных осей (6) водила, что равнозначно и вращению относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей. Расширен диапазон автоматического бесступенчатого изменения передаточного отношения между входным и выходным валами в прямой зависимости от нагрузки на выходном валу. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в автомобилестроении, и станкостроении.

Известна инерционная передача, содержащая водило с радиальными осями, установленные на них и сблокированные по два сателлиты, выполненные из конических колес, и несущие маховики, расположенные по одну сторону от радиальных осей центральные конические колеса, каждое из которых взаимодействует с соответствующим сателлитом с образованием с последними конических пар с разными передаточными отношениями. У этой передачи ведомый и ведущий валы связаны механизмом свободного хода, ведущий элемент которого установлен на ведомом валу, а ведомый элемент - на ведущем валу. При этом функции маховиков выполняют также блоки сателлитов, для чего они выполнены массивными (патент РФ N 2072717, МПК 6 F 16 H 33/10, 3/74, 27.01.97, Бюл. N 3).

У этой инерционной передачи, способной изменять частоту вращения выходного вала в зависимости от приложенной к нему нагрузки, отсутствует внешняя опора (опора на корпус) при передаче вращающего момента, что ограничивает возможности автоматического изменения величины вращающего момента, передаваемого от ведущего вала на ведомый вал.

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленной передаче является инерционная передача, содержащая корпус, соосные ведущий и ведомый валы, закрепленные на последних ведущее и ведомое центральные конические зубчатые колеса, установленное с возможностью вращения вокруг оси передачи водило с радиальными осями, на которых с возможностью вращения установлены сателлиты с маховиками. Передача снабжена жестко соединенным с корпусом опорным зубчатым колесом, введенным в зацепление с сателлитами, несущими маховики, и сблокированными по два сателлитами, внутренними и внешними относительно оси передачи, для зацепления с разными центральными коническими зубчатыми колесами и составляющими с ними пары конических колес, имеющих разные по величине передаточные отношения. Ведущие и ведомые конические зубчатые колеса размещены по одну сторону от радиальных осей водила, а блоки сателлитов и сателлиты с маховиками размещены на радиальных осях водила с возможностью независимого друг от друга вращения.

Ведущие и ведомые валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого связана с ведомым валом, а ведомая - с ведущим валом (патент РФ N 2072716, МПК 6 F 16 H 33/10, 3/74, 27.01.97, Бюл. N 3).

У этой инерционной передачи понижается КПД и эффективность использования мощности двигателя при уменьшении частоты вращения водила вокруг оси передачи, поскольку при этом уменьшается частота вращения маховика относительно центральной точки пересечения осей передачи и водила.

Предлагаемое изобретение обеспечивает расширение диапазона автоматического бесступенчатого изменения силового передаточного отношения между входным и выходным валами в прямой зависимости от нагрузки на выходном валу и в обратной зависимости от частоты вращения выходного вала. Предложенная передача позволяет передавать вращающий момент с высокими показателями КПД при любых режимах работы, в том числе при неподвижном водиле или при минимальной частоте его вращения.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая бесступенчатая механическая передача содержит соосные входной и выходной валы, закрепленные на этих валах ведущее и ведомое центральные конические зубчатые колеса, установленное с возможностью вращения вокруг оси передачи водило с радиальными осями, на которых с возможностью вращения установлены симметрично оси передачи сателлиты - основные и вспомогательные, основные сателлиты выполнены в виде сблокированных по два конических зубчатых колес - внутренних и внешних относительно оси передачи, введенных в зацепление с разными центральными коническими зубчатыми колесами и составляющих с ними пары конических колес, имеющих разные по величине передаточные отношения, с корпусом передачи жестко соединено зубчатое коническое центральное неподвижное опорное колесо, введенное в зацепление со вспомогательными сателлитами, ведущее и ведомое центральные конические зубчатые колеса размещены по одну сторону от радиальных осей водила, а блоки основных сателлитов и вспомогательные сателлиты размещены на радиальных осях водила с возможностью независимого друг от друга вращения. Согласно изобретению в корпусе передачи в плоскости, совмещенной с осью передачи, размещен опорный вал, на котором закреплено зубчатое колесо, введенное в зацепление с двумя зубчатыми колесами, одно из которых закреплено на входном валу, а другое колесо закреплено на полом промежуточном валу, который установлен коаксиально с входным валом и на нем закреплено зубчатое коническое центральное подвижное опорное колесо, находящееся в зацеплении с размещенными на радиальных осях водила дополнительными сателлитами, при этом обеспечивается вращение входного и промежуточного валов в противоположных направлениях.

Сателлиты выполнены с массивными ободами и одновременно с передачей вращающих моментов и вращательных движений выполняют также функции маховиков.

Как частный случай выполнения, сателлиты жестко соосно связаны с размещенными на радиальных осях водила маховиками.

Как частный случай выполнения, передача содержит две размещенные на одной диаметральной линии радиальные оси водила, на каждой из которых с возможностью независимого друг от друга вращения размещены основные, дополнительные и вспомогательные сателлиты.

Как частный случай выполнения, водило содержит две пары перпендикулярных между собой радиальных осей и на каждой из этих пар радиальных осей размещены с возможностью независимого друг от друга вращения соответственно основные или дополнительные, или вспомогательные сателлиты.

Геометрические оси радиальных осей водила и геометрическая ось передачи пересекаются в центральной точке, совмещенной с этими осями.

Входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущий элемент которого связан с выходным валом, а ведомый элемент - с входным валом.

Как частный случай выполнения, опорный вал размещен параллельно оси передачи, на нем закреплено цилиндрическое зубчатое колесо, введенное в зацепление с зубчатыми колесами, одно из которых имеет внутреннее зацепление, а другое колесо - внешнее зацепление.

Как частный случай выполнения, опорный вал размещен под углом к оси передачи, например под прямым углом, и на нем закреплено коническое зубчатое колесо, введенное в зацепление с зубчатыми коническими колесами, одно из которых закреплено на входном валу, а другое колесо закреплено на полом промежуточном валу.

На фиг. 1 дан общий вид автоматической бесступенчатой механической передачи (далее - "передача") с показом ее элементов и отличительных признаков, характеризующих изобретение. На фиг. 2 показано устройство передачи в частном случае ее выполнения с изображением только тех ее элементов, которые попадают в плоскость сечения, перпендикулярную геометрической оси передачи и совмещенную с радиальными осями водила. При этом приведен вариант устройства без применения маховиков.

Передача содержит соосные входной 1 и выходной 2 валы, закрепленные на них ведущее 3 и ведомое 4 центральные конические зубчатые колеса и установленное с возможностью вращения вокруг оси O-O передачи водило 5 с радиальными осями 6, на которых с возможностью вращения установлены симметрично оси O-O передачи сателлиты - основные 7, 8 и вспомогательные 9. Основные сателлиты выполнены в виде сблокированных по два конических зубчатых колес - внутренних 7 и внешних 8 относительно оси O-O передачи. Внутренние колеса 7 основных сателлитов введены в зацепление с ведущим центральным колесом 3, а внешние колеса 8 основных сателлитов находятся в зацеплении с ведомым центральным колесом 4, и эти пары конических колес имеют разные по величине передаточные отношения. С корпусом 10 передачи жестко соединено зубчатое коническое центральное неподвижное опорное колесо 11, введенное в зацепление со вспомогательными сателлитами 9. Ведущее 3 и ведомое 4 центральные колеса размещены по одну сторону от радиальных осей 6 водила 5, обращенную к выходному валу 2. Блоки основных сателлитов 7, 8 и вспомогательные сателлиты 9 размещены на радиальных осях 6 водила с возможностью независимого друг от друга вращения.

В корпусе 10 передачи в плоскости, совмещенной с осью O-O передачи, размещен опорный вал 12, на котором закреплено зубчатое колесо 13, введенное в зацепление с двумя зубчатыми колесами 14 и 15, одно из которых 14 закреплено на входном валу 1, а другое колесо 15 закреплено на полом промежуточном валу 16, который установлен коаксиально с входным валом 1. На другом конце промежуточного вала 16, обращенном в сторону водила 5, закреплено зубчатое коническое центральное подвижное опорное колесо 17, находящееся в зацеплении с размещенными на радиальных осях 6 водила дополнительными сателлитами 18. При этом обеспечивается вращение входного вала 1 и промежуточного вала 16 в противоположных направлениях.

Сателлиты 7, 8, 9 и 18 выполнены с массивными ободами и одновременно с передачей вращающих моментов и вращательных движений выполняют также функции маховиков.

Как частный случай выполнения, сателлиты 9 и 18 жестко соосно связаны с размещенными на радиальных осях 6 водила маховиками 19.

Как частный случай выполнения, передача содержит две размещенные на одной диаметральной осевой линии O₁-O₁ радиальные оси 6 водила, на каждой из которых с возможностью независимого друг от друга вращения размещены основные 7, 8, дополнительные 18 и вспомогательные 9 сателлиты.

Как частный случай выполнения, приведенный на фиг. 2, водило 5 содержит две пары перпендикулярных между собой радиальных осей 6 и на каждой из этих пар радиальных осей размещены с возможностью независимого друг от друга вращения соответственно основные 7, 8 или дополнительные 18, или вспомогательные 9 сателлиты.

Геометрические радиальные оси O₁-O₁ радиальных осей 6 водила и геометрическая ось O-O передачи пересекаются в центральной точке O¹, совмещенной с этими осями.

Входной 1 и выходной 2 валы связаны механизмом свободного хода 20, ведущий элемент которого связан с выходным 2, а ведомый элемент - с входным валом 1.

Как частный случай выполнения, приведенный на фиг. 1, опорный вал 12 размещен параллельно оси O-O передачи и на нем закреплено цилиндрическое зубчатое колесо 13, введенное в зацепление с зубчатыми колесами 14, 15, одно из которых 14, закрепленное на входном валу 1, имеет внутреннее зацепление, а другое колесо 15, закрепленное на промежуточном валу 16 - внешнее зацепление.

Как частный случай выполнения, опорный вал размещен под углом, например под прямым углом, к оси O-O передачи, и на нем закреплено коническое зубчатое колесо, введенное в зацепление с зубчатыми коническими колесами, одно из которых закреплено на входном валу 1, а другое колесо закреплено на полом промежуточном валу 16.

Автоматическая бесступенчатая механическая передача работает следующим образом.

За исходное положение принимается, что входной вал 1 вращается с постоянной частотой и передает неизменный по величине вращающий момент. Находящиеся в зацеплении три зубчатых колеса 13, 14, 15 обеспечивают вращение входного вала 1 и промежуточного вала 16 в противоположных направлениях.

При вращении входного вала 1 вместе с установленным на нем ведущим центральным колесом 3 и неподвижном выходном вале 2 с установленным на нем ведомым центральным колесом 4 в связи с приложенной к этому валу нагрузкой или началом вращения из неподвижного положения, каждое внешнее колесо 8 основного сателлита, соосно связанное с вращающимся вокруг радиальной геометрической оси O₁-O₁ соответствующим внутренним колесом 7 основного сателлита, обкатывается по неподвижному ведомому центральному колесу 4 и весь блок каждого основного сателлита 7, 8 приводит во вращение водило 5 с его радиальными осями 6 вокруг оси O-O передачи. Водило 5 при этом вращается с максимальной частотой в противоположном направлении по отношению к вращению входного вала 1.

Вместе с водилом 5 и его радиальными осями 6 вокруг оси O-O передачи вращаются вспомогательные 9 и дополнительные 18 сателлиты и соосно с ними сблокированные маховики 19.

Вспомогательные сателлиты 9 обкатываются по закрепленному в корпусе 10 передачи неподвижному опорному колесу 11 и вращаются вместе с маховиками 19 одновременно вокруг оси O-O передачи и оси O₁-O₁ радиальных осей 6 водила, что равнозначно их вращению относительно центральной точки O¹ пересечения этих осей. При этом частота вращения вспомогательных сателлитов 9 вокруг осей O-O и O₁-O₁ и относительно центральной точки O¹ является максимальной.

Вместе с тем, подвижное опорное колесо 17 посредством связанных с входным валом 1 зубчатых колес 13, 14, 15 и промежуточного вала 16 приводится во вращение в противоположном направлении по отношению к вращению входного вала 1. Совокупные передаточные отношения зубчатых колес 14, 13, 15 обеспечивают вращение промежуточного вала 16 и подвижного опорного колеса 17 с большей частотой по сравнению с частотой вращения водила 5 с его радиальными осями 6 вокруг оси O-O передачи в данных условиях, т.е. при неподвижных ведомом колесе 4 и выходном вале 2. При этом дополнительные сателлиты 18 и связанные с ними маховики 19 вращаются вокруг радиальных осей 6 водила, а следовательно, относительно центральной точки O¹, с минимальной частотой, поскольку водило 5 с его радиальными осями 6 вращается с максимальной частотой в одном направлении с подвижным опорным колесом 17.

Из сказанного выше следует, что при неподвижном выходном вале 2 и максимальной частоте вращения водила 5 блок колес 7, 8 основных сателлитов и вспомогательные сателлиты 9 со своими маховиками 19 вращаются относительно центральной точки O¹ с максимальной частотой. В то же время, при указанных условиях дополнительные сателлиты 18 со своими маховиками 19 вращаются относительно центральной точки O¹ с минимальной частотой.

Известно, что вращающееся тело имеет определенный момент количества движения, который проявляется с соблюдением фундаментального всеобщего физического закона сохранения, согласно которому момент количества движения может быть изменен только под действием внешних сил. Известно также, что момент количества движения при вращении тела относительно точки является векторной величиной и направление вектора совпадает с направлением оси вращения непосредственно тела, в данном случае с направлением оси O₁-O₁ водила, перпендикулярной оси O-O передачи. Но поскольку ось O₁-O₁ водила совершает вращение вокруг оси O-O передачи и относительно центральной точки O¹ пересечения этих осей, направление векторов моментов количества движения сателлитов и маховиков постоянно изменяется.

Известно, что действия над векторами являются отражением соответствующих действий над векторными величинами, а векторные величины являются равными, если совпадают их числовые значения и направления. Исходя из этого, при указанных выше условиях вращения сателлитов и маховиков относительно двух осей одновременно их моменты количества движения принудительно изменяются под воздействием в конечном итоге от вращающего момента, передаваемого входным валом 1, и момента сопротивления, приложенного к выходному валу 2. Проявление при этом закона сохранения противодействует вращению осей 6 водила 5 вокруг оси O-O передачи, которые стремятся сохранить свое стабильное неподвижное положение. В связи с этим оси 6 водила являются опорами для передачи вращающего момента от ведущего центрального колеса 3 на ведомое центральное колесо 4 и далее на выходной вал 2. Величина передаваемого при этом вращающего момента зависит от величины тормозящего момента силы, приложенного к водилу 5, а также от передаточных отношений двух пар зацепляющихся колес - ведущего центрального колеса 3 - внутреннего колеса 7 основного сателлита и внешнего колеса 8 основного сателлита - ведомого центрального колеса 4.

Исходя из приведенного выше характера механического взаимодействия элементов передачи следует, что с началом вращения выходного вала 2 и по мере увеличения частоты его вращения замедляется вращение основных сателлитов 7, 8 и вспомогательных сателлитов 9 с их маховиками 19 относительно центральной точки O¹ с соответствующим уменьшением создаваемого ими тормозящего момента силы, приложенного к водилу 5. Одновременно с этим возрастает частота вращения дополнительных сателлитов 18 с их маховиками относительно центральной точки O¹ с соответствующим увеличением создаваемого ими тормозящего момента, приложенного к водилу 5.

При неподвижном водиле 5 с его радиальными осями 6 ведомое центральное колесо 4 будет вращаться с максимальной частотой, зависящей от передаточных отношений зацепляющихся пар колес 3, 7 и 8, 4. Сблокированные колеса 7, 8 основных сателлитов и вспомогательные сателлиты 9 с их маховиками 19 будут при этом создавать минимальный по величине тормозящий момент силы, а дополнительные сателлиты 18 с их маховиками 19 - максимальный по величине тормозящий момент силы, приложенный к водилу 5 с его радиальными осями 6.

Следовательно, описываемая передача будет надежно передавать вращающий момент при любых соотношениях в частотах вращения входного 1 и выходного 2 валов. При этом осуществляется автоматическое преобразование передаваемого вращающего момента и изменение частоты вращения выходного вала 2 в зависимости от приложенной к нему нагрузки в связи с тем, что частоты вращения водила 5 с его радиальными осями 6 вокруг оси O-O передачи находятся в обратной зависимости от частоты вращения выходного вала 2.

Известно, что величина момента количества движения вращающегося тела находится в зависимости от его массы, расстояния этой массы от оси или точки вращения и скорости вращения. Это определяет возможность создавать передачи с различными заданными параметрами путем применения отличающихся по размерам и массе сателлитов 7, 8, 9, 18 и маховиков 19 и использованием различных передаточных отношений применяемых в передаче пар зубчатых колес.

При частном случае выполнения передачи, приведенном на фиг. 2, когда водило 5 содержит две пары перпендикулярных между собой радиальных осей 6, взаимодействие входящих в состав передачи сателлитов 7, 8, 9, 18 с другими элементами передачи не имеет отличий от приведенного выше описания, поскольку все силовые и кинематические связи элементов передачи остаются без изменений.

При выполнении передачи с массивными сателлитами и без использования маховиков характер ее работы не изменяется по сравнению с приведенным выше, поскольку сателлиты выполняют функции маховиков.

Приведенные в описании и формуле изобретения другие частные случаи ее выполнения позволяют конкретизировать устройство с учетом заданных конструктивных особенностей. Вместе с тем, изложенный выше характер работы передачи при этом не изменяется.

При необходимости передачи вращающего момента и вращения от выходного вала 2 на входной вал 1 с целью торможения рабочей машины работа двигателя прекращается. При этом под воздействием вращающего момента, передаваемого от выходного вала на входной вал, происходит замыкание механизма свободного хода 20, который обеспечивает передачу потока мощности от выходного вала 2 на входной вал 1 и далее на двигатель, принудительное вращение вала которого приводит к торможению рабочей машины. Таким же образом производится запуск двигателя путем буксировки транспортной машины.

Формула изобретения

1. Автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, закрепленные на этих валах ведущее и ведомое центральные конические зубчатые колеса, установленное с возможностью вращения вокруг оси передачи водило с радиальными осями, на которых с возможностью вращения установлены симметрично оси передачи сателлиты, основные и вспомогательные, основные сателлиты выполнены в виде сблокированных по два конических зубчатых колес, внутренних и внешних, относительно оси передачи, введенных в зацепление с разными центральными коническими колесами и составляющими с ними пары конических зубчатых колес, имеющих разные по величине передаточные отношения, с корпусом передачи жестко соединено зубчатое коническое центральное неподвижное опорное колесо, введенное в зацепление с вспомогательными сателлитами, ведущее и ведомое центральные конические зубчатые колеса размещены по одну сторону от радиальных осей водила, а блоки основных сателлитов и вспомогательные сателлиты размещены на радиальных осях водила с возможностью независимого друг от друга вращения, отличающаяся тем, что в корпусе передачи в плоскости, совмещенной с осью передачи, размещен опорный вал, на котором закреплено зубчатое колесо, введенное в зацепление с двумя зубчатыми колесами, одно из которых закреплено на входном валу, а другое - на полом промежуточном валу, который установлен коаксиально с входным валом и на нем закреплено зубчатое коническое центральное подвижное опорное колесо, находящееся в зацеплении с размещенными на радиальных осях водила дополнительными сателлитами, при этом обеспечивается вращение входного и промежуточного валов в противоположных направлениях.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что сателлиты выполнены с массивными ободами и одновременно с передачей вращающих моментов и вращательных движений выполняют также функции маховиков.

3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, сателлиты жестко соосно связаны с размещенными на радиальных осях водила маховиками.

4. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, она содержит две размещенные на одной диаметральной линии радиальные оси водила, на каждой из которых с возможностью независимого друг от друга вращения размещены основные, дополнительные и вспомогательные сателлиты.

5. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, водило содержит две пары перпендикулярных между собой радиальных осей и на каждой из этих пар радиальных осей размещены с возможностью независимого друг от друга вращения соответственно основные, или дополнительные, или вспомогательные сателлиты.

6. Передача по п.1, отличающаяся тем, что геометрические оси радиальных осей водила и геометрическая ось передачи пересекаются в центральной точке, совмещенной с этими осями.

7. Передача по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущий элемент которого связан с выходным валом, а ведомый элемент - с входным валом.

8. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, опорный вал размещен параллельно оси передачи, на нем закреплено цилиндрическое зубчатое колесо, введенное в зацепление с зубчатыми колесами, одно из которых имеет внутреннее зацепление, а другое колесо - внешнее зацепление.

9. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, опорный вал размещен под углом к оси передачи, например под прямым углом, и на нем закреплено коническое зубчатое колесо, введенное в зацепление с зубчатыми коническими колесами, одно из которых закреплено на входном валу, а другое - на полом промежуточном валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2