Шестеренный вариатор

Изобретение применимо в машиностроении и предназначено для плавного регулирования линейных или вращательных скоростей, усилий или моментов. Шестеренный вариатор содержит ведущее зубчатое колесо (1) с параллельно выполненными зубьями на торцевой поверхности, ведомое зубчатое колесо (2) в форме кольца с выполненными параллельно оси по внешнему радиусу и торцам зубьями, кассету (3) или поворотный подвес с подсоединенными тягами для размещения кольца, промежуточную шестерню (5). Кассета (3) или поворотный подвес с ведомым зубчатым колесом посредством тяг имеют возможность фиксации и радиального по отношению к оси ведущего зубчатого колеса перемещения. Ведущее (1) и ведомое (2) зубчатые колеса могут быть выполнены в виде дисков. Отбор вращения от ведомого колеса (2) производится промежуточной шестерней (5), которая имеет ширину, обеспечивающую захват зубьев ведомого колеса во всем диапазоне его перемещения и вращения. Применением зубчатого зацепления достигается повышение максимально допустимого крутящего момента, КПД, срока службы и надежности вариатора. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Все области машиностроения.

Уровень техники

Существующие на текущий момент времени разработки вариаторов включают в себя следующие технологии:

вариаторы с переменным диаметром шкивов (ВДП), обычно состоящие из двух пар взаимно смещаемых между собой для изменения эффективного радиуса взаимодействия с клиновым ремнем или комбинированной цепью конических половин шкивов, что обеспечивает изменение передаточного числа.

Гидравлические вариаторы, состоящие из гидравлических насоса и мотора и системы регулировки потока.

Электрические вариаторы, состоящие из электрического генератора и мотора (иногда объединенных), системы регулировки тока, напряжения, частоты или фазы, а также аккумуляторов.

Вариатор Андерсон А+ЦВТ представляет собой разновидность ВДП с зубчатой цепью и конусами подвода и отбора вращения с плавающими зубьями.

Йонге ЦВТ и аналогичные - цепные вариаторы с регулируемым условным диаметром звездочки.

Роликовые вариаторы (Трэкшн ЦВТ, Екстроид ЦВТ, Нувинци ЦВП, Торотрек ИВТ, ИВТ), состоящие из ведущего и ведомого дисков с поверхностями, обеспечивающими передачу крутящего момента фрикционным способом через ролики или шарики, взаимодействующие с ними по регулируемым радиусам во всем диапазоне регулировки передаточного числа.

Вариаторы существующих типов, основанные в основном на фрикционных передачах, имеют высокие потери на трение качения и скольжения, ограничение передаваемого крутящего момента и громоздкие системы прижима; включающие перегибаемые элементы имеют малые ресурс, надежность и высокие потери на деформацию. Цепные вариаторы имеют слабые массогабаритные показатели. В гидравлических высокие потери из-за вязкости, существует эффект срыва и другие эксплуатационные ограничения. Электрические вариаторы громоздки и дорогостоящи.

Раскрытие изобретения

1.1. Сущностью изобретения является возможность плавного регулирования передаточного числа и, как следствие, выходных скорости, направления вращения и крутящего момента (или поступательной скорости и тягового усилия) в машинах, агрегатах и механизмах в широком диапазоне крутящих моментов, при высоких КПД и надежности.

1.2. Шестеренный вариатор решает следующие технические задачи: устройство заменяет узел с переключаемыми дискретными передаточными числами (в частности, коробка переключения передач) и исключает необходимость в разъединительном устройстве; за счет плавности регулирования достигаются более выгодные режимы сопряженных устройств; при нулевом передаточном числе достигается стопорение по выходу, а также посредством снижения передаточного числа достигаются эффекты рекуперации или торможения двигателем, что упраздняет необходимость в тормозных механизмах. При улучшении массогабаритных показателей достигается повышение максимального допустимого крутящего момента, КПД, срока службы и надежности по отношению к аналогичным устройствам.

2. Признаками шестеренного вариатора являются: применение ведущего зубчатого колеса с параллельными зубьями на торцевой поверхности, совмещенного с ним по зубьям ведомого колеса с осью, лежащей в плоскости, параллельной ведущему и размещенному в кассете, обеспечивающей его собственное осевое и совместное по совмещению зубьев с ведущим колесом вращение, а также перемещение относительно оси ведущего колеса с целью регулировки передаточного числа. Также в устройстве имеется подвижная промежуточная шестерня, отбирающая вращение от ведомого колеса во всех его диапазонах вращения и перемещения. В устройстве могут использоваться различные комбинации ведущих и ведомых колес и промежуточных шестерен. При этом вращение промежуточных шестерен суммируется при помощи планетарных шестеренных механизмов, связанных с промежуточной шестерней механизмом передачи вращения с переменной базой. Привод ведущего колеса может осуществляться шестерней сложной формы, обеспечивающей равномерность выходного вращения и необходимую нагрузочно-инерционную характеристику по входу от угла ее поворота.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вид на вариатор со стороны ведомого колеса в случае применения поворотного подвеса ведомого колеса, а также пример согласования формы и размера ведущего колеса и шестерни сложной формы по делительному радиусу при k₀=0,3183 (4 оборота приводной шестерни на один оборот ведущего колеса) и неподвижных осях.

На фиг.2 показан вид со стороны тяг управления передаточным числом на вариатор с ведомым колесом, установленным в кассете.

На фиг.3 показаны примеры компоновки вариаторов, без указания механизмов передачи вращения с переменной базой, сумматоров вращения, кассет и тяг.

Цифрами на чертежах показаны:

1. Ведущее колесо.

2. Ведомое колесо.

3. Кассета ведомого колеса.

4. Тяги управления передаточным числом.

5. Промежуточная шестерня.

6. Механизм передачи вращения с переменной базой.

7. Согласующие шестерни.

8. Сумматор вращения.

9. Приводная шестерня сложной формы.

10. Шестерня, с которой снимается вращение.

Осуществление изобретения

Ведущее зубчатое колесо (1) изготавливается как диск, на торцевой поверхности которого выполнены параллельно размещенные зубья. Ведомое колесо (2) представляет собой кольцо с выполненными в плоскости оси по внешнему радиусу и торцам зубьями (по принципу цилиндрического и конических зубчатых колес), входящими в канавки ведущего, и размещенное перпендикулярно ему. Ведомое колесо установлено в кассете (3) (или на поворотном подвесе), обеспечивающей свободный поворот его относительно собственной оси и оси, параллельной оси ведущего диска. Для изменения передаточного числа вариатора и направления вращения на его выходе кассета при помощи тяг (4) обеспечивает перемещение ведомого колеса относительно ведущего, так что расстояние от центра зоны их зацепления до оси ведущего колеса меняется от нуля до радиуса диска за вычетом половины размера зоны зацепления в обе стороны относительно оси.

Перемещение кассеты может быть дополнительно ограничено для задания необходимого диапазона регулировки передаточного числа или ввиду конструктивных особенностей (размещение осей, шестерен, тяг и т.д.).

Поворот ведущего колеса за счет зацепления зубьев приводит к повороту ведомого колеса в кассете вокруг оси, параллельной оси ведущего колеса, с той же угловой скоростью. При этом собственная знакопеременная угловая скорость ведомого колеса меняется по закону:

где ω₁ - частота вращения ведущего диска, а - расстояние между осью ведущего колеса и параллельной ей осью вращения ведомого колеса в кассете, R₂ - делительный радиус ведомого колеса, α - угол между кромкой зуба ведущего колеса и прямой в плоскости ведущего колеса: ось ведущего колеса - параллельная ей ось вращения ведомого колеса в кассете. Также возникает эффект переменного взаимного скольжения зубьев колес.

Отбор вращения от ведомого колеса производится промежуточной шестерней (5), ось которой параллельна прямой: ось ведущего колеса - параллельная ей ось вращения ведомого колеса в кассете, лежащей в плоскости ведущего диска, и расположена на высоте оси ведомого колеса по крайней мере в момент перпендикулярности ее оси оси ведомого колеса при прямозубом его исполнении (при применении винтовых зубьев может быть смещена по вертикали). Промежуточная шестерня имеет ширину, обеспечивающую захват зубьев ведомого колеса во всем диапазоне его перемещения и вращения. Другой вариант - ее ширина обеспечивает захват зубьев ведомого колеса на обеих его сторонах при перпендикулярности осей, при этом она перемещается связно с промежуточной шестерней по собственной оси при изменении передаточного числа. Такая реализация позволяет выполнить ее с переменным по длине поперечным профилем зуба, чем улучшает динамику зацепления с ведомым колесом. Эта шестерня имеет возможность перемещения согласованно с вращением ведомого колеса для обеспечения непрерывности передачи вращения при изменении угла между осями. При углах, близких к 90°, происходит остановка собственного вращения ведомого колеса и переход зацепления промежуточной шестерни и ведомого колеса на другую сторону ведомого колеса. При этом возможное рассогласование текущего подъема зубьев ведомого колеса на обеих сторонах в зоне зацепления компенсируется проворотом промежуточной шестерни скольжением зубьев, при этом происходит незначительный динамический рывок, зависящий от формы профиля зубьев, их шага и глубины. При выполнении промежуточной шестерни из двух сходящихся и расходящихся при помощи связанных с ведомым колесом водил половин со смещаемой при перемещении вдоль оси фазой зуба.

При этом возможно полное устранение динамического удара. В другой реализации эти половины могут быть упруго связаны в части вращения с их осью. На время зацепления промежуточной шестерней обеих сторон ведомого колеса необходимо исключить перемещение кассеты ведомого диска, во избежание выкрашивания зубьев. Согласованное с поперечным вращением ведомого колеса движение промежуточной шестерни по траектории прижима может обеспечиваться пружинно, водилом на ведущем диске, кулачково-эксцентриковой передачей, рычажно или как комбинация этих методов. Таким образом динамика вращения промежуточной шестерни без учета динамического рывка является импульсной знакопостоянной и выглядит как:

где R₃ - делительный радиус промежуточной шестерни.

Для реализации постоянного коэффициента передачи на втором торце диска (или на другом диске для достижения других габаритных пропорций) также выполняются канавки, но под углом 90° к канавкам на первой стороне. Аналогичным образом и связно в части перемещения для достижения необходимого передаточного числа устанавливается кассета с ведомым колесом и промежуточная шестерня. Промежуточные шестерни через механизмы передачи вращения с переменной базой (6) (при не критичности к биениям частоты вращения в частных реализациях не является необходимым и для его исключения применяются подпружиненные качающиеся подвесы промежуточной шестерни и шарниры равных угловых скоростей или шестерни по центру радиуса качания) и согласующие шестерни (7) передают вращение на сумматор вращения (8), выполненный как планетарный механизм. При равных передаточных числах для обеих половин конструкции снимаемая с сумматора частота вращения определяется формулой:

где k - коэффициент передачи от промежуточной шестерни до выхода сумматора по одному плечу. Таким образом, выходной коэффициент передачи оказывается зависимым от угла поворота ведущего диска, но не достигающим нуля. Для выравнивания передаточной характеристики вращение ведущего диска осуществляется не цилиндрическим зубчатым колесом, а приводной шестерней сложной формы (9) для обеспечения переменного компенсирующего передаточного числа (при не критичности назначения по биениям частоты можно исключить)

где k₀ - коэффициент передачи от шестерни сложного профиля к ведущему колесу в момент параллельности кромки зуба ведущего колеса и прямой в плоскости ведущего колеса: ось ведущего колеса - параллельная ей ось вращения ведомого диска в кассете.

Поперечные профили зубьев и канавок ведущего и ведомого колес рассчитываются по методам расчета зубьев цилиндрических и зубчатых колес, исходя из бесконечного радиуса для ведущего колеса. Продольный профиль зуба ведомого колеса обеспечивает необходимую прочность зуба во всех зонах зацепления при обеспечении плавного перехода зоны зацепления с промежуточной шестерней и в частности может быть сегментом кольца или двумя полусегментами кольца, соединенными прямоугольником в зоне зацепления с ведущим диском. Зубья ведомого колеса по отношению к его оси размещены радиально, поэтому фактический шаг зубьев в зоне зацепления с промежуточной шестерней варьируется, но в малой степени (зависит от отношения радиуса колеса к радиусу центра фактической зоны зацепления), для учета этого шаг зубьев колес и шестерен выбирается немного больше, чем для цилиндрических зубчатых колес, и на боковой плоскости ведомого колеса поперечный профиль необходимым образом корректируется (по аналогии с коническими зубчатыми колесами). Кроме того, необходимо ограничить размер зоны зацепления промежуточной шестерни с ведомым колесом для исключения встречного удара кромок зубьев.

Ввиду переменной скорости вращения ведущего диска для уменьшения вибрации целесообразно скомбинировать два устройства зеркально, с компенсацией возникающих крутящих моментов. Промежуточный вариант - два ведущих колеса в одной плоскости со сдвигом фазы 90°, вращающихся в противоположных направлениях, и два ведомых колеса по одну и ту же сторону от них.

Для исключения физически реализованной оси с целью обеспечения возможности достижения нулевого коэффициента передачи основной диск может быть подвешен на конических шестернях.

При подключении вариатора к 2- или 4-тактному двигателю переменный коэффициент передачи по входу позволяет за счет изменения динамики движения поршневой группы изменить фазы газораспределения, поднять КПД, улучшить характеристики по мощности и крутящему моменту, а также повысить приемистость всего комплекса в целом. Это достигается практическим подбором момента инерции основного маховика, ведущих дисков и углов между фазами газораспределения и передаточной характеристики по входу вариатора (минимум в районе ВМТ - повышение скорости поршня: увеличение скорости потока выхлопных газов, большее разрежение и соответственно скорость потока в начале впуска, в начале рабочего хода снижение отбора мощности при высоком давлении; максимум в районе НМТ - понижение скорости поршня: выравнивание давления на впуске, в конце рабочего хода повышение отбора мощности. В результате лучшее заполнение цилиндра топливной смесью и снижена нагрузка на элементы двигателя в рабочем такте, уменьшен прорыв газов в картер). Суммарные масса маховика и ведущих колес и моменты инерции их могут быть при этом снижены по отношению к базовому маховику.

Переменная скорость вращения ведомых колес и импульсный характер вращения и движения промежуточных шестерен приводят к необходимости минимизации их массы.

Для уменьшения изламывающего усилия на зубья ведомого диска, может осуществляться привод его вращения вокруг оси, параллельной оси ведущего диска, шестеренной передачей или валом, кинематически связанными с ведущим диском.

При не приближении к нулевому коэффициенту передачи вариатор (в версии с сумматором) обратим.

Недостатком конструкции является дополнительное трудно компенсируемое проворачивание выходного вала в процессе регулирования передаточного числа (зависит от угла поворота ведущего колеса), но для многих применений оно не является принципиальным. Для уменьшения этого эффекта возможно независимое электронное управление позиционированием кассет ведомых дисков с вычислением их смещений во времени в зависимости от текущего угла ведущего диска, скорости его вращения, необходимой скорости изменения передаточного числа, а также от массы кассеты с ведомым диском и тягами и мощности привода позиционирования.

При подключении к двигателям непрерывного типа (например, газотурбинному) требуется промежуточный маховик для компенсации переменного отбора момента вращения.

1. Шестеренный вариатор, содержащий ведущее зубчатое колесо с параллельно выполненными зубьями на торцевой поверхности, ведомое зубчатое колесо в форме кольца с выполненными параллельно оси по внешнему радиусу и торцам зубьями, входящими в канавки ведущего, размещенное перпендикулярно ему и установленное в кассете или на поворотном подвесе с подсоединенными тягами, обеспечивающими возможность свободного поворота его относительно собственной оси и оси, параллельной оси ведущего диска, промежуточную шестерню, ось которой параллельна прямой, лежащей в плоскости ось ведущего колеса - параллельная ей ось вращения ведомого колеса в кассете или ось вращения подвеса и лежащей в плоскости ведущего колеса, имеющую ширину, обеспечивающую захват зубьев ведомого колеса во всем диапазоне его перемещения и вращения, отличающийся тем, что кассета или поворотный подвес с ведомым диском посредством тяг имеют возможность фиксации и радиального по отношению к оси ведущего диска перемещения.

2. Шестеренный вариатор по п.1, в котором промежуточная шестерня имеет ширину, достаточную для захвата зубьев ведомого колеса на обеих его сторонах при перпендикулярности осей и возможность перемещения вдоль своей оси связно с перемещением промежуточного колеса.

3. Шестеренный вариатор по п.1, в котором промежуточная шестерня имеет переменный по длине профиль зуба.

4. Шестеренный вариатор по п.1, в котором промежуточная шестерня выполнена из двух половин, имеющих возможность осевого перемещения связно с вращением оси ведомого колеса.

5. Шестеренный вариатор по п.1, в котором промежуточная шестерня упруго связана со своей осью.

6. Шестеренный вариатор по п.1, в котором промежуточная шестерня имеет переменную по длине фазу зуба.

7. Шестеренный вариатор по п.1, совмещенный с таким же вариатором (или большим их количеством), но с разносом фазы вращения на 90° (или другие не равные 0 и 180° углы) посредством сумматора вращения по выходу, выполненного как планетарный механизм (или их набора).

8. Шестеренный вариатор по п.1, совмещенный с таким же вариатором по зеркальному принципу.

9. Шестеренный вариатор по п.1 с ведущим колесом сложной формы, совмещенным с приводной шестерней сложной формы, рассчитанными по компенсации выходного биения частоты вращения.

10. Шестеренный вариатор по п.1 с дополнительным кинематическим приводом вращения ведомого колеса вокруг оси, параллельной оси ведущего колеса.