Кулисный колебательный механизм с кареткой высокомоментного вариатора нефрикционного типа
Владельцы патента RU 2731830:
Кантемиров Владимир Олегович (RU)
Пылаев Борис Васильевич (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к колебательным механизмам. Кулисный колебательный механизм с кареткой высокомоментного вариатора нефрикционного типа содержит корпус, входной вал, колебательный вал, кулачок, колебатель с кулисой, рукоятку управления и устройство преобразования. Устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала выполнено с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления. Механизм снабжен установленным в закрепленных на корпусе направляющих ползуном. Колебатель снабжен контактирующей с кулачком и установленной в направляющих корпуса кареткой. Кулиса и цапфа смонтированы соответственно на подшипниках ползуна и корпуса. В каретке выполнен паз. Рукоятка управления кинематически связана с ползуном, например, винтовой передачей, с возможностью перемещения ползуна параллельно пазу. Обеспечивается упрощение конструкции и повышение эффективности. 13 ил.
Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для преобразования однонаправленного вращения входного вала в колебательное вращение колебательного вала с плавно изменяемым размахом его колебаний, что может быть использовано в нефрикционных высокомоментных вариаторах, объемных регулируемых гидромашинах и других устройствах при большой передаваемой мощности.
Известны некулачковые и кулачковые колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний колебательного вала. Некулачковые колебательные механизмы не обеспечивают равномерность вращения выходного вала высокомоментного вариатора [1…5], колебательные механизмы с непространственным профилем кулачка обеспечивают равномерность только в узком диапазоне варьирования [6, 7], а кулачковые колебательные механизмы с пространственными кулачками обеспечивают равномерность во всем диапазоне варьирования [8…12], но они конструктивно сложные и материалоемкие. Высокомоментные вариаторы, использующие известные колебательные механизмы, имеют не большой диапазон варьирования скорости выходного вала вариатора из-за малого размаха колебаний колебательного вала, что требует использование многоступенчатых коробок передач, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию.
Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату кулисный колебательный механизм нефрикционного высокомоментного вариатора [13], содержащий корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок и контактирующий с кулачком колебатель в виде кулисы, а также снабженный рукояткой управления и устройством преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя установленный в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления поворотник, контактирующий вращательно-поступательно с кулисой сферическим концевиком и снабженный цапфой рычаг, при этом цапфа смонтирована на поворотнике с возможностью вращения и перемещения рычага в плоскости вращения кулисы, и она кинематически связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения.
Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок, а также содержит контактирующий с кулачком колебатель с кулисой, рукоятку управления и устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя рычаг с цапфой и контактирующим вращательно-поступательно с кулисой сферическим концевиком, при этом цапфа смонтирована с возможностью вращения в плоскости вращения кулисы и кинематически связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения.
У известного механизма сложное и громоздкое устройство изменения размаха колебания колебательного вала.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции колебательного механизма.
Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок, снабжен установленным в закрепленных на корпусе направляющих ползуном и контактирующим с кулачком колебателем, содержащим кулису и установленную в направляющих корпуса контактирующую с кулачком каретку, со связанным вращательно-поступательно с кулисой пазом, а также снабжен рукояткой управления и устройством преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающим в себя контактирующий вращательно-поступательно с кулисой сферическим концевиком рычаг с цапфой, при этом цапфа установлена в подшипниках корпуса с возможностью вращения в плоскости вращения кулисы и кинематически связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения, а кулиса смонтирована на подшипниках ползуна, который кинематически связан с рукояткой управления, например, винтовой передачей, с возможностью перемещения ползуна параллельно пазу.
Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый колебательный механизм снабжен установленным в закрепленных на корпусе направляющих ползуном, а колебатель снабжен контактирующей с кулачком и установленной в направляющих корпуса кареткой, с выполненном в каретке и взаимодействующим вращательно-поступательно с кулисой пазом, при этом кулиса и цапфа смонтированы соответственно на подшипниках ползуна и корпуса, а рукоятка управления кинематически связана с ползуном, например, винтовой передачей, с возможностью перемещения ползуна параллельно пазу.
На фиг. 1 и 2 даны кинематическая схема и вариант конструкции, на фиг. 3 - детали, на фиг. 4…6 показаны основные геометрические параметры, на фиг. 7 - конструкция механизма с двумя колебательными валами, на фиг. 8…10 - пример использования колебательного механизма в высокомоментном вариаторе, на фиг. 11…13 - характеристики высокомоментного вариатора.
Механизм содержит (фиг. 1, 2) корпус 1, установленные на подшипниках корпуса входной вал 2 с кулачком 3, смонтированную на направляющих корпуса 4 каретку 5 с контактирующими с кулачком роликами 6, посаженный в закрепленные н корпусе направляющие 7 ползун 8, рукоятку управления 9, установленную в подшипниках ползуна кулису 10, контактирующую вращательно-поступательно пальцем 11 с выполненном в каретке пазом 12. На подшипниках корпуса установлена цапфа 13 рычага 14 со сферическим концевиком 15, контактирующим вращательно-поступательно с выполненной в кулисе цилиндрической проточкой 16. Колебательный вал 17 смонтирован на подшипниках корпуса, при этом цапфа кинематически связана с возможностью передачи вращения колебательному валу посредством цепной передачи: 18 - посаженная на цапфу звездочка, 19 - выполненный на колебательном валу зубчатый венец, 20 - втулочно-роликовая цепь. На ползуне закреплена гайка 21, образующая винтовую передачу с винтом 22, на котором закреплена рукоятка управления.
Параметры механизма: D - расстояние между роликами; L = Ва - длина кулисы; λ - размах колебания кулисы; r - радиус ролика; R = CA - плечо рычага; Н=В0В1 - максимальное перемещение ползуна.
Колебательный механизм действует следующим образом (фиг. 1, 2). Вращающийся от двигателя (не показан) с угловой скоростью со входной вал с кулачком задает возвратно-поступательное перемещение каретке, которая посредством паза 12 поворачивает кулису на угол γ=γ(α) (α - угол поворота кулачка),
максимальное перемещение каретки
Рукояткой управления посредством винтовой пары перемещает ползун с подшипниками кулисы, h(K) = В0 В - положение центра вращения кулисы В, где K = (В0 В) / R - регулировочный параметр, Kmax=Н/R.
Связанный вращательно-поступательно с кулисой посредством цилиндрической проточки рычаг с цапфой поворачивается на угол ϕ=ϕ(α, K) с размахом колебания рычага λR=λR (K), который плавно изменяется рукояткой управления от λR0=λR(0)=0 до λR,max=λR (Kmax).
На фиг. 4 показано положение кулисы при K=0, при этом вращение рычагу не передается и λR(0)=0; λR<λ, при h<R (фиг. 5), a λR>λ при h>R (фиг. 6).
В предложенной конструкции колебательного механизма λR,max существенно превосходит λ. Размах колебаний рычага (цапфы)
В частных случаях, когда h=R и h=2R (K=1 и K=2) имеем соответственно
следовательно, учитывая оптимальные характеристики высокомоментного вариатора [17], принимаем угол поворота кулисы
где для профилировки кулачка используется характеристическая функция
в которой угол, приведенный к полуоткрытому интервалу [0, 2π),
Координаты ET(XT, YT) теоретического профиля кулачка ПТ в фиксированной системе координат OXY (фиг. 1)
а в связанной с кулачком системе координат Оху координаты Е(х, у) рабочего профиля кулачка ПР определяются по методике в [15, 16].
Угловые скорости кулисы и рычага (цапфы) равны соответственно
Угловая скорость колебательного вала
где Z18 и Z19 - число зубьев звездочки и зубчатого венца.
В высокомоментном вариаторе действуют с фазовым сдвигом 90° два колебательных вала [17]. На фиг. 7 показан колебательный механизм, в котором на входном валу 2 установлены повернутые относительно друг друга на 90° два кулачка 3а и 3b с оппозитно смонтированными звеньями механизма, а колебательные валы 17а и 17b связаны с цапфами 13а и 13b глухими муфтами 23.
Углы поворота кулис 10а и 10b
Скорости колебательных валов 17а и 17b
Вариант применение предложенного колебательного механизма в высокомоментном вариаторе показан на фиг. 8…10, где, действующие с фазовом сдвигом на 90° два колебательных вала 17а и 17b, посредством смонтированных на них шкивов 24а и 24b передают вращения колесам дифференциала 25а и 25b сцепленных с парой цилиндрических сателлитов 26 водила 27 [14]. Передача вращения осуществляется через две пары обгонных муфт (фиг. 10). Ведомыми полумуфтами являются колеса дифференциала с роликами 28, а ведущими полумуфтами - шкивы 29, на которых зафиксированы фиксаторами 30 тросы: для прямой передачи - трос 31, для реверсивной - трос 32. На шпонке 33 водила посажена предохранительная муфта 34 с выходным валом вариатора 35. R24 и R29 - радиусы шкивов 24 и 29.
Высокомоментный вариатор, нагруженный внешним моментом MV, действует следующим образом (фиг. 8). Колебательные валы 17а и 17b от колебательного механизма передают знакопеременные скорости ωкв и моменты Мкв посредством тросов 31 и 32 ведущим полумуфтам 29 обгонных муфт, которые выпрямляют колебания и передают однонаправленное вращение со скоростями ωa и ωb колесам дифференциала, а через сателлиты - водилу и предохранительную муфту выходному валу вариатора, варьируемая скорость которого
На фиг. 11 показан характер скоростей валов, связанных с поворотом кулис от кулачка колебательного механизма.
Предохранительная муфта предназначена для ограничения момента, что необходимо для воизбежания поломок, так как колебательный механизм при близких к стоповому режимах (при малых значениях K) способен давать достаточно большие моменты.
Важной характеристикой колебательного механизма высокомоментного вариатора является равномерность вращения выходного вала при фиксированном положении рукоятки управления, что отражает коэффициент неравномерности
где 
- средняя скорость выходного вала, а Δωv - изменение его скорости за оборот входного вала.
Ниже приведены основные характеристики вариатора с предлагаемым механизмом при параметрах:
λ=60°; L=68 мм; r=15 мм; R=50 мм; Kmax=2,2; R24/R29=2.
а) Максимальные углы давления:
- ролика на кулачок ε3=38°;
- пальца кулисы на паз каретки ε11=30°;
- сферического концевика на цилиндрическую проточку кулисы ε15=37°.
б) Максимальный размах колебаний рычага (цапфы)
в) Относительные средние угловые скорости:
- колебательных валов 
- колес и выходного вала дифференциала 
г) Диапазон варьирования ων=0…1,48 ω.
д) Коэффициент неравномерности показан графически на фиг. 12.
На фиг. 13 показана скоростная характеристика вариатора, у которого входной вал колебательного механизма соединен с валом двигателя, где, при ω=const, Nд - мощность двигателя, Mν - момент на выходном валу вариатора, ограниченный предохранительной муфтой момент 
, Mst - стоповый момент, действующий на заторможенном выходном валу, что важно для работы машин в сложных динамических режимах, например, для внедорожного транспорта.
Следует отметить, что при высоких скоростях ων из-за обгонного свойства обгонных муфт, имеет место автоматическое изменение передаточного отношения вариатора при изменении момента сопротивления Mν при фиксированном положении рукоятки управления: при уменьшении момента скорость ων возрастает, а при увеличении - уменьшается [17].
Обгонные муфты вариатора работают при высокой частоте срабатывания и большой нагрузке, поэтому известные фрикционные обгонные муфты, например, роликовые и храповые непригодны. Следует использовать зубчатые обгонные муфты [18…20].
Предложенный колебательный механизм применим в устройствах, параметры которых необходимо плавно изменять без прерывания передаваемой мощности, а высокомоментный вариатор с предложенным кулисным колебательным механизмом может эффективно применен в трансмиссиях мобильных машинах с двигателем внутреннего сгорания, в плавно регулируемом приводе технологического оборудования с асинхронным электродвигателем и пр., с высоким КПД, а широкий диапазон варьирования позволяет не использовать многоступенчатых автоматических коробок передач, следовательно, предлагаемое устройство эффективнее, чем гидравлические или электрические приводы.
Источники информации
1. RU 2179673 C1, F16H 29/08, 03.07.2000 (Б.В. Пылаев).
2. 5. RU 2250400 C1, F16H 29/08, 06.10.2003 (Б.В. Пылаев).
3. RU 2263240 С2, F16H 29/08, 25.11.2003 (Б.В. Пылаев).
4. RU 2263840 С2, F16H 29/08, 06.10.2003 (Б.В. Пылаев).
5. RU 2475663 C1, F16H 29/08, 22.09.2011 (Б.В. Пылаев).
6. RU 2204749 C1, F16H 29/08, 05.11.2001 (Б.В. Пылаев).
7. RU 2409779 C1, F16H 29/08, 06.07.2009 (Б.В. Пылаев).
8. RU 2169870 С2, F16H 29/08, 14.05.1999 (Б.В. Пылаев).
9. RU 2212574 С2, F16H 29/08, 19.11.2001 (Б.В. Пылаев).
10. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).
11. RU 2304734 С2, F16H 29/08, 14.03.2005 (Б.В. Пылаев).
12. RU 2622178 C1, F16H 29/02, 27.01.2016 (Б.В. Пылаев).
13. RU 2706630 C1, F16H 29/08, 13.11.2018 (Б.В. Пылаев).
14. А.Ф. Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь. М.: Машиностроение. 2001, стр. 175, рис. «б».
15. Б.В. Пылаев. Методика профилирования плоских кулачков. Вестник ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина», Выпуск 1(40). М: МГАУ, 2010,. С. 78-81.
16. Б.В. Пылаев. Профилирование пространственного кулачка высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2019. №5. С. 40-43.
17. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 16-22.
18. Б.В. Пылаев, А.А. Шамин. Зубчатая обгонная муфта для нефрикционного высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2008. №6. С. 3-6.
19. RU 2353835 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
20. RU 2353836 С2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, А.А. Шамин).
Кулисный колебательный механизм с кареткой высокомоментного вариатора нефрикционного типа, содержащий установленные на подшипниках корпуса входной вал, колебательный вал, с возможностью однонаправленного вращения от входного вала кулачок, а также содержащий контактирующий с кулачком колебатель с кулисой, рукоятку управления и устройство преобразования однонаправленного вращения кулачка в колебательное вращение колебательного вала с возможностью плавного изменения размаха его колебаний от рукоятки управления, включающий в себя рычаг с цапфой и контактирующий вращательно-поступательно с кулисой сферическим концевиком, при этом цапфа смонтирована с возможностью вращения в плоскости вращения кулисы и кинематически связана с колебательным валом с возможностью передачи вращения, отличающийся тем, что снабжен установленным в закрепленных на корпусе направляющих ползуном, а колебатель снабжен контактирующей с кулачком и установленной в направляющих корпуса кареткой, с выполненном в каретке и взаимодействующим вращательно-поступательно с кулисой пазом, при этом кулиса и цапфа смонтированы соответственно на подшипниках ползуна и корпуса, а рукоятка управления кинематически связана с ползуном, например, винтовой передачей, с возможностью перемещения ползуна параллельно пазу.
