Высокомоментный вариатор

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения трансмиссии машин при большой передаваемой мощности, включая останов ведомого вала под нагрузкой и реверс. Он содержит корпус, входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал. Вал водила составляет единое звено с выходным валом. На двух других валах посажены колеса дифференциала с установленными с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами. Каждый приводной механизм включает в себя смонтированный на входном валу кулачок, две обгонные муфты, установленный в направляющих на корпусе ползун с пазом, каретку с установленной в пазу ползуна цилиндрической цапфой. Направляющие каретки выполнены перпендикулярно оси входного вала с возможностью поворота относительно корпуса от рукоятки изменения передаточного отношения. Технический результат - упрощение и удешевление конструкции. 10 ил.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для плавного изменения передаточного отношения трансмиссии машин при большой передаваемой мощности, включая останов ведомого вала под нагрузкой и реверс.

Известны высокомоментные вариаторы, в которых момент от входного к выходному валу передается посредством кулачков, кареток, коромысел, обгонных муфт и трехвального дифференциала, а плавное изменение передаточного отношения достигается изменением плеч рычагов [1] или относительным перемещением коромысел и кулачка [1,2] . В известных вариаторах имеет место достаточно сложная, дорогая и громоздкая конструкция.

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату высокомоментный вариатор [3], содержащий установленные на подшипниках в корпусе входной с кулачками и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный дифференциал, вал водила которого с сателлитом составляет единое звено с выходным валом, а на двух других валах посажены сцепленные с сателлитом колеса дифференциала, снабженные с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя смонтированный на входном валу кулачок, две обгонные муфты с кинематически жестко связанными с колесом дифференциала ведомыми полумуфтами, установленную в перпендикулярных оси входного вала направляющих на корпусе и взаимодействующую с кулачком каретку, одним концом соединенный кулисой с кареткой двуплечий рычаг, связанный другим концом посредством реечного механизма, с возможностью передачи колебательного движения, с ведущими полумуфтами обгонных муфт, при этом средняя опора двуплечего рычага выполнена перемещаемой относительно корпуса рукояткой изменения передаточного отношения.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный высокомоментный вариатор содержит установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный дифференциал, вал водила которого с сателлитом составляет единое звено с выходным валом, а на двух других валах посажены сцепленные с сателлитом колеса дифференциала, снабженные с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя смонтированный на входном валу кулачок, две обгонные муфты с кинематически жестко связанными с колесом дифференциала ведомыми полумуфтами, установленную в перпендикулярных оси входного вала направляющих взаимодействующую с кулачком каретку с возможностью передачи колебательного движения ведущим полумуфтам обгонных муфт с варьируемым от рукоятки изменения передаточного отношения размахом колебаний.

В известном вариаторе кинематическая связь ведущих полумуфт с кареткой конструктивно сложная, дорогая и громоздкая, что связано с выбранным способом изменения размаха колебаний ведущих полумуфт обгонных муфт.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции.

Предлагаемый высокомоментный вариатор имеет следующие существенные признаки. Он содержит установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный зубчатый дифференциал, вал водила которого с сателлитом составляет единое звено с выходным валом, а на двух других валах посажены сцепленные с сателлитом колеса дифференциала, снабженные с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя смонтированный на входном валу кулачок, две обгонные муфты с кинематически жестко соединенными с колесом дифференциала ведомыми полумуфтами, установленный в перпендикулярных входному валу направляющих на корпусе и кинематически жестко соединенный с ведущими полумуфтами обгонных муфт ползун с перпендикулярным его направляющим пазом, смонтированную на направляющих каретку с установленной в пазу ползуна цилиндрической цапфой, при этом направляющие каретки выполнены перпендикулярно оси входного вала с возможностью поворота относительно корпуса от рукоятки изменения передаточного отношения.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. В предлагаемом высокомоментном вариаторе приводной механизм снабжен установленным в перпендикулярных входному валу направляющих на корпусе и кинематически жестко соединенным с ведущими полумуфтами обгонных муфт ползуном с перпендикулярным его направляющим пазом, а на каретке выполнена установленная в пазу ползуна цилиндрическая цапфа, при этом направляющие каретки смонтированы с возможностью поворота относительно корпуса от рукоятки изменения передаточного отношения.

На фиг.1 и 2 представлен вариант конструкции высокомоментного вариатора: на фиг.1 - поперечное сечение; на фиг.2 - продольное сечение; на фиг.3, 4 и 5 - положения звеньев вариатора при разных комбинациях рукоятки изменения передаточного отношения; на фиг. 6 - кулачок; на фиг.7 - графики угловых скоростей звеньев зубчатого дифференциала; на фиг.8, 9 и 10 - фрагменты вариантов конструкции.

Высокомоментный вариатор (фиг.1-5) содержит установленные в подшипниках корпуса 1 входной 2 и выходной 3 валы; рукоятку изменения передаточного отношения 4; трехвальный дифференциал, у которого вал водила 5, несущий сателлит 6, составляет единое звено с выходным валом, два других вала 7а и 7b с колесами дифференциала 8а и 8b свободно посажены на выходном валу; а также два механизма привода колес дифференциала. Каждый механизм привода включает в себя смонтированные на валу 7 две обгонные муфты 9₁ и 9₂, ведущие полумуфты которых 10₁ и 10₂, снабжены зубчатыми секторами 11₁ и 11₂ с эвольвентным профилем зубьев; смонтированный на входном валу кулачок 12 (два кулачка 12а и 12b повернуты относительно друг друга на 90^o); установленный в направляющих 13 на корпусе ползун 14, с перпендикулярным его направляющим 13 пазом 15 и двумя взаимодействующими с зубчатыми секторами 11 зубчатыми рейками 16; каретку 17, установленную в направляющих 18 и контактирующую с кулачком 12 цилиндрическими выступами 19, а с пазом 15 ползуна - цапфой 20. Направляющие кареток 18 смонтированы на соосном входному валу подшипнике 21 в корпусе и снабжены червячным венцом 22, сцепленным с червяком 23, на котором закреплена рукоятка изменения передаточного отношения 4 штифтом 24.

Высокомоментный вариатор работает следующим образом (фиг.1 - 5). При вращении входного вала со скоростью ω₂ кулачок 12 сообщает возвратно-поступательное движение каретке 17 вдоль оси z, угол наклона β которой можно изменять рукояткой изменения передаточного отношения 4, Н - расстояние между крайними положениями каретки. Каретка своей цапфой 20 передает возвратно-поступательное движение ползуну 14 вдоль прямой ОА, соединяющей центры входного и выходного валов, h_max = Hcosβ - расстояние между крайними положениями ползуна (фиг.4). Ползун посредством зубчатой передачи сообщает колебательные движения ведущим полумуфтам 10 двух обгонных муфт 9. На фиг.3 и 4 направление передачи вращения на колесо дифференциала показано сплошной стрелкой, пунктирной - холостой ход, т.е. при движении вправо ползун вращает колесо дифференциала обгонной муфтой 9₁, при движении влево - обгонной муфтой 9₂. Зубчатая передача с эвольвентным зацеплением обеспечивает пропорциональную связь перемещения ползуна h_п с углом поворота γ полумуфты 10, т.е.

γ = h_п/r, (1) следовательно, размах колебания полумуфты λ(β) = h_max/r = Hcosβ/r, (2) где r - радиус центроиды зубчатого сектора.

На фиг. 3-5 даны три положения кареток. При β=0 имеем h_mах=H, и размах колебаний максимальный: λ(0) = λ_max = H/r; при β = 90° имеем h_max=0, следовательно, λ(90°) = 0, передачи вращения на выходной вал нет.

На фиг.6 показан теоретический П_т и рабочий П_р профили кулачка, α - угол поворота оси симметрии х кулачка. Расстояние до точки теоретического профиля от оси О равно R = R₀+h(α), где h(α) - ход каретки. Ход ползуна связан с углами α и β соотношением h_п(α, β) = h(α)cosβ. (3) Теоретический профиль П_т - геометрическое место точек в плоскости кулачка центров В цилиндрических выступов 19 с радиусами r_р. Рабочим профилем П_р является огибающая окружностей с радиусами r_р в плоскости кулачка.

Из свойств дифференциала следует, что угловая скорость выходного вала ω₃ = 0,5(ω_8a+ω_8b), где ω₈ = ω₂|dγ/dα| - угловые скорости колес дифференциала.

Запишем угол поворота ведущей полумуфты в виде γ_a = λU(α), γ_b = λU(α+π/2) = γ_a(α+π/2), где U(α) - функция профиля кулачка (0≤U(α)≤1).
Для обеспечения равномерности вращения входного вала при ω₂ = const необходимо выполнение условия:

например, для |dU(α)/dα| = (2/π)sin²α это условие выполняется, а характер угловых скоростей звеньев дифференциала для этого случая показан на фиг.7.

Перепишем выражения для γ_a, используя (1), (2) и (3), в виде
[h(α)cosβ]/r = [Hcosβ/r]U(α),
откуда перемещение каретки равно h(α) = HU(α).
За один оборот входного вала (ϕ₂ = 2π) угол поворота выходного вала равен
ϕ₃ = 0,5(ϕ_a+ϕ_b) = 0,5(4λ) = 2Hcosβ/r,
следовательно, передаточное отношение вариатора составит

т. е. зависит только от положения рукоятки изменения передаточного отношения, что доказывает эффективность предлагаемого высокомоментного вариатора.

Тип жесткой кинематической связи ползуна с ведущей полумуфтой обгонной муфты не принципиален.

Например, равномерное вращение выходного вала можно обеспечить использованием шарнирных цепей 25₁ и 25₂, шарнирно соединенных с ползуном и ведущей полумуфтой (фиг.8), при этом на ползуне выполнена опорная поверхность 26, а звенья 27 шарнирной цепи выполнены с ломаным контактным профилем 28 (фиг. 9), обеспечивающим необходимую жесткость при передаче движения сжатыми звеньями. При малом шаге S звеньев с достаточной для практики точностью выполняется соотношение (1).

На фиг.10 ползун соединен с полумуфтами посредством серег 29, передающих движение от ползуны ведущим полумуфтам посредством закрепленных на них пальцев 30₁ и 30₂. В этом случае вариатор также работоспособен, но будет иметь некоторую неравномерность вращения выходного вала, из-за невыполнения соотношения (1).

Жесткая кинематическая связь ведомых полумуфт с колесами дифференциала может быть как непосредственной, т.е. закреплением двух полумуфт на колесе дифференциала, так и с использованием промежуточных кинематических звеньев: зубчатых колес, коромысел и пр.

Реверс вариатора обеспечивается реверсированием обгонных муфт.

Источники информации
1. DE 3309044 A1, F 16 Н 29/08, 14.03.83 (B.Rindfleisch).

2. RU 2169870 C2, F 16 Н 29/08, 14.05.99 (Б.В. Пылаев).

3. RU 2147701 C1, F 16 Н 29/08, 25.02.98 (Б.В. Пылаев).

Формула изобретения

Высокомоментный вариатор, содержащий установленные на подшипниках в корпусе входной и выходной валы, рукоятку изменения передаточного отношения, трехвальный дифференциал, вал водила которого с сателлитом составляет единое звено с выходным валом, а на двух других валах посажены сцепленные с сателлитом колеса дифференциала, снабженные с возможностью сообщения вращательного движения с относительным фазовым сдвигом на 90^o приводными механизмами, каждый из которых включает в себя смонтированный на входном валу кулачок, две обгонные муфты с кинематически жестко связанными с колесом дифференциала ведомыми полумуфтами, установленную в перпендикулярных оси входного вала направляющих, взаимодействующую с кулачком каретку с возможностью передачи колебательного движения ведущим полумуфтам обгонных муфт с варьируемым от рукоятки изменения передаточного отношения размахом колебаний, отличающийся тем, что каждый приводной механизм снабжен установленным в перпендикулярных входному валу направляющих на корпусе и кинематически жестко соединенным с ведущими полумуфтами обгонных муфт ползуном с перпендикулярным его направляющим пазом, а на каретке выполнена установленная в пазу ползуна цилиндрическая цапфа, при этом направляющие каретки смонтированы с возможностью поворота относительно корпуса от рукоятки изменения передаточного отношения.

РИСУНКИ

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