Імпульсний варіатор

Винахід відноситься до машинобудування, а більш конкретно до імпульсних безступінчатих передач (варіаторів), в яких руховий момент передається у вигляді періодичних імпульсів. Винахід може бути використаний в приводах і трансмісіях різних машин і механізмів для регулювання швидкості веденої ланки. Відомі варіатори, в основу роботи яких закладені механічні імпульсні передачі. В таких передачах енергія (рух) ведучої ланки передається на ведену ланку в імпульсному режимі. Детально механічні імпульсні передачі і приклади їх використання у варіаторах описані, наприклад, в [монографії В. Ф. Мальцева «Механические импульсные передачи», издание третье, Москва, «Машиностроение», 1978]. Такі механічні варіатори, як правило, називають імпульсні варіатори. Імпульсні варіатори характеризуються широкими функціональними можливостями, вільні від недоліків, властивих фрикційним варіаторам, проте імпульсний режим передачі руху викликає інші проблеми. При імпульсній передачі руху кінематичні ланки механізму працюють в несприятливих динамічних умовах. Це пояснюється тим, що в імпульсному режимі роботи на кінематичні ланки механізму діють значні прискорення, у тому числі знакозмінні прискорення, які приводять до збільшення динамічних і статичних навантажень на кінематичні ланки, вимагають їх зміцнення, що у свою чергу викликає збільшення маси і габаритів ланок, а значить і динамічних навантажень. Особливо ця проблема виявляється в потужних і високошвидкісних механізмах. Зниження динамічних і статичних навантажень на кінематичні ланки являється важливішою задачею при розробці імпульсних варіаторів. Широко відомі важільні імпульсні варіатори. їх конструктивні особливості розкриті в наступних прикладах. Відомий важільний варіатор фірми GUSSA (Германія), який дозволяє регулювати частоту обертання веденого валу в межах 0-300 обертів на хвилину [В.Ф. Мальцев, «Ме ханические импульсные передачи», издание третье, Москва, «Машиностроение», 1978, с.12, рис.8]. Варіатор містить ведучу ланку - ведучий колінчастий вал з декількома колінами - кривошипами, шатуни, що встановлені на кривошипах на рухомій посадці, порожнисті куліси з отворами уздовж подовжньої осі, які вільно встановлені в шарнірних опорах, ведений вал з механізмом вільного ходу. Кожний шатун виконаний з повзуном, який встановлений в отворі відповідної порожнистої куліси. Кожна порожниста куліса шарнірно з'єднана з відповідною ведучою обоймою механізму вільного ходу. Шарнірні опори встановлені в повзуні, який виконаний з можливістю переміщення уздовж корпусу, що забезпечує можливість переміщення шарнірних опор уздовж куліс, вільно встановлених в шарнірних опорах. Варіатор працює таким чином. Ведучий вал разом з кривошипами приводиться в обертання. Обертальний рух ведучого валу перетворюється в плоскопаралельний рух шатунів, які у свою чергу викликають хитний рух куліс навколо осей шарнірних опор. Хитний рух куліс за допомогою механізму вільного ходу перетворюється в однонапрямлений обертальний рух веденого валу. Регулювання частоти обертання веденого валу здійснюють переміщенням шарнірних опор уздовж куліс. Взаємне розташування куліс і шарнірних опор, в яких куліси встановлені, визначає кут хитання куліс і ведучи х обойм механізму вільного ходу, а отже, і частоту обертання веденого валу. Відомі і інші конструктивні рішення важільних імпульсних варіаторів, які, при спільності принципової схеми, відрізняються один від одного особливостями виконання і взаємозв'язків окремих кінематичних ланок механізму - кривошипного механізму ведучого валу, шатуна, механізму вільного ходу. Так, відомий важільний варіатор, в якому кривошипний механізм ведучого валу виконаний у вигляді кулачкового механізму [авторське свідоцтво CPCP SU712577, МПК F16H29/00, дата подачі заявки 1977.02.02], кулачковий варіатор КЛТ-2 [В.Ф. Мальцев, «Механические импульсные передачи», издание третье, Москва, «Машиностроение», 1978, с.20], відомий також важільний варіатор, в якому механізм вільного ходу виконаний у вигляді гідравлічного пластинчатого приводу односторонньої дії [авторське свідоцтво CPCP SU1097851, МПК 3 F16H29/00, дата подачі заявки 1983.03.02] і інші. Загальним недоліком важільних імпульсних варіаторів являються високі динамічні навантаження на силові ланки кінематичного ланцюга, які, відповідно до кінематики таких механізмів, змушені працювати в умовах значних знакозмінних прискорень. В результаті виникають проблеми підвищення міцності силових ланок і кінематичних пар, які передаютьосновний силовий потік. Особливо ця проблема виявляється в потужних і високошвидкісних механізмах. Відомі імпульсні варіатори з зубчато-важільними механізмами, в яких передача руху від ведучої ланки до веденої здійснюється за допомогою важільних механізмів і зубчастих кінематичних пар. Так, відомий співвісний зубчато-важільний варіатор [В.Ф. Мальцев, «Ме ханические импульсные передачи», издание третье, Москва, «Машиностроение», 1978, с.32-33, рис.28, с.80-81, рис.1], який знайшов застосування в приводах металоріжучих верстатів, конвеєрів, дозаторів і в інших механізмах. Зубча то-важільний варіатор включає корпусну деталь (корпус), ведучий, ведений і проміжний вали, які встановлені в корпусній деталі з можливістю обертання. На ведучому валу встановлено регульований ексцентриковий механізм, який виконаний у вигляді послідовно розташованих в радіальному напрямку ексцентрикового кулачка, ексцентрикової втулки, шарикопідшипника і диска з кільцевим пазом. На одному кінці проміжного валу жорстко закріплений важіль з роликом, що обертається. Ролик розташований в кільцевому пазу диска ексцентрикового механізму. Протилежний кінець проміжного валу жорстко з'єднаний з внутрішньою обоймою механізму вільного ходу. Зовнішня обойма механізму вільного ходу виконана у вигляді зубчастого вінця, що знаходиться в постійному зачепленні із зубчастим колесом, яке жорстко закріплене на веденому валу. Обертання ведучого валу передається ексцентриковому механізму. Диск ексцентрикового механізму, в якому виконаний кільцевий паз, при концентричному його розташуванні відносно осі ведучого валу, нерухомий, оскільки моменти тертя між диском і роликом, розташованим в пазу диска, між роликом і віссю його обертання перевищують момент тертя шарикопідшипника. Провертанням ексцентрикової втулки відносно ексцентрикового кулачка забезпечують зміну величини ексцентриситету ексцентрикового механізму. При наявності ексцентриситету диск з кільцевим пазом здійснює складний плоскопаралельний рух, викликаючи хитання зв'язаного з ним важеля, які через проміжний вал і зв'язаний з ним механізм вільного ходу передаються на ведений вал через зубчасте зачеплення зовнішньої обойми механізму вільного ходу із зубчастим колесом, яке жорстко закріплене на веденому валу. Варіатор містить декілька таких механізмів передачі руху ведучого валу на ведений, завдяки чому на ведений вал за кожний оборот ведучого валу послідовно передається декілька переривистих обертальних рухів - декілька обертальних імпульсів. Ці імпульси перекривають один одного, що обумовлює не лише безперервне, але і досить рівномірне обертання веденого валу. Амплітуда коливань важелів, а значить і передаточне число варіатора, однозначно зв'язані з величиною ексцентриситету регульованого ексцентрикового механізму - із збільшенням ексцентриситету передаточне число варіатора зростає. При нульовому ексцентриситеті передаточне число рівне нулю. Загальними ознаками рішення, що заявляється, і вказаного аналога, являються: імпульсний варіатора, що включає корпус, ведучий і ведений вали, встановлені в корпусі з можливістю обертання, регульований ексцентриковий механізм, встановлений на ведучому валу, проміжна ланка з механізмом вільного ходу, яка зв'язана з регульованим ексцентриковим механізмом і з веденим валом. В варіаторі, що розглядається як аналог, механізм вільного ходу, як найслабкіша ланка кінематичного ланцюга, навантажений крутильним моментом веденого валу, який, за умови низьких оборотів веденого валу, у багато разів перевищує крутильний момент ведучого валу; величина крутильного моменту на веденому валу обмежена міцністю механізмів вільного ходу; присутність елементів зубчастих передач ускладнює конструкцію, погіршує її масогабаритні характеристики. Все це знижує навантажувальну здатність варіатора, погіршує його масогабаритні характеристики і експлуатаційні властивості. Як найближчий аналог вибрано планетарний варіатор з ексцентриком, що обертається [В.Ф. Мальцев, «Механические импульсные передачи», издание третье, Москва, «Машиностроение», 1978, с.20, рис.12]. Кінематична схема вказаного варіатора являється типовою для більшості механізмів зубчато-важільних планетарних варіаторів. Зазначений варіатор включає корпусну деталь (корпус), ведучий і ведений вали, встановлені в корпусній деталі з можливістю обертання, регульований кривошип (регульований ексцентриковий механізм), встановлений на ведучому валу, центральне зубчате колесо, з'єднане нерухомо з корпусною деталлю і встановлене співвісно з ведучим валом, єдине водило, встановлене з можливістю обертання навколо осі ведучого валу. На єдиному водилі змонтовані шестерні-сателіти з можливістю обертання і зачеплення з центральним зубчастим колесом. Механізм містить декілька проміжних ланок, встановлених на кривошипі з можливістю обертання навколо осі кривошипа, а також коромисла, кожне з яких з'єднане з відповідною проміжною ланкою шарнірно і з відповідною шестернею-сателітом через механізм вільного ходу з можливістю одностороннього провертання шестерні-сателіта. Ведений вал з'єднаний з водилом. Ме ханізм працює таким чином. Ведучий вал з регульованим кривошипом приводиться в обертання. Рух кривошипа через проміжні ланки перетворюється в хитний рух коромисел. Коромисла через механізми вільного ходу передають рух шестерням-сателітам, провертаючи к в односторонньому напрямку. Шестернісателіти обкочуються по центральному зубчастому колесу, приводять в обертальний рух водило, яке передає обертальний рух на з'єднаний з ним ведений вал. На ведений вал за кожний оборот ведучого валу послідовно передається декілька переривистих обертальних рухів - декілька обертальних імпульсів. Ці імпульси перекривають один одного, забезпечуючи безперервне і досить рівномірне обертання веденого валу. Варіатор працює в режимі редуктора. Передаточне число визначається величиною ексцентриситету кривошипа, довжиною коромисел і параметрами зубчастого зачеплення шестерень-сателітів з центральним зубчастим колесом. На практиці безступінчате регулювання передаточного числа варіатора здійснюють безступінчатою зміною величини ексцентриситету кривошипа. Загальними ознаками прототипу і рішення, що заявляється, являються: імпульсний варіатор, що включає корпус, ведучий і ведений вали, встановлені в корпусі з можливістю обертання, ексцентриковий механізм, встановлений на ведучому валу, проміжну ланку, з'єднану з ексцентриковим механізмом з можливістю обертання навколо осі ексцентриситету і зв'язану через механізм вільного ходу з нерухомою корпусною деталлю. Кінематика варіатора, що розглядається як прототип, характеризується наступними особливостями: - механізми вільного ходу, як найслабкіші ланки кінематичного ланцюга, навантажені крутильним моментом веденого валу, який, за умови низьких оборотів веденого валу, у бага то разів перевищує крутильний момент ведучого валу; величина крутильного моменту на веденому валу обмежена міцністю механізмів вільного ходу; - присутність елементів зубчасти х передач, що ускладнює конструкцію, погіршує її масогабаритні характеристики. Все, що вище перераховане, знижує навантажувальну здатність варіатора, погіршує його масогабаритні характеристики і експлуатаційні властивості. В основу винаходу поставлена задача удосконалення імпульсного варіатора, в якому за рахунок конструктивних особливостей виконання забезпечується збільшення навантажувальної здатності імпульсного варіатора без погіршення масогабаритних показників пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в імпульсному варіатор, що включає корпус, ведучий і ведений вали, встановлені в корпусі з можливістю обертання, ексцентриковий механізм, встановлений на ведучому валу, проміжну ланку, з'єднану з ексцентриковим механізмом з можливістю обертання навколо осі ексцентриситету і зв'язану через механізм вільного ходу з нерухомою корпусною деталлю, відповідно з винаходом, проміжна ланка виконана в вигляді куліси з повзуном, шарнірно з'єднаним з кільцеподібною вхідною ланкою механізму вільного ходу, ви хідна ланка якого виконана в вигляді кільцеподібної нерухомої корпусної деталі, при цьому вхідна і вихідна ланки механізму вільного ходу встановлені співвісно з ведучим валом, а ведений вал з'єднаний з кулісою з можливістю передачі обертального руху куліси навколо осі ексцентриситету до веденого валу. Перераховані ознаки складають сутність винаходу. Ме ханізм вільного ходу може бути виконаний в вигляді обгінної роликової муфти, ролики якої розташовані між вхідною ланкою муфти і нерухомою корпусною деталлю, як вихідною ланкою муфти. Ме ханізм вільного ходу може також бути виконаний в вигляді радіального гальма, активний елемент якого, як вихідна ланка механізму вільного ходу, виконаний з можливістю періодичного гальмування пасивного елементу радіального гальма, як вхідної ланки механізму вільного ходу. Ведений вал може бути з'єднаний з кулісою через карданний механізм. Істотні ознаки винаходу знаходяться в причинно-наслідковому взаємозв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, виконання імпульсного варіатора в вигляді корпуса, ведучого і веденого валів, встановлених в корпусі з можливістю обертання, ексцентрикового механізму, встановленого на ведучому валу, проміжної ланки, з'єднаної з ексцентриковим механізмом з можливістю обертання навколо осі ексцентриситету і зв'язаної через механізм вільного ходу з нерухомою корпусною деталлю, а також виконання проміжної ланки в вигляді куліси з повзуном, шарнірно з'єднаним з кільцеподібною вхідною ланкою механізму вільного ходу, вихідна ланка якого виконана в вигляді кільцеподібної нерухомої корпусної деталі, розташування вхідної і вихідної ланок механізму вільного ходу співвісно з ведучим валом і з'єднання веденого валу з кулісою з можливістю передачі обертального руху куліси навколо осі ексцентриситету до веденого валу, дозволяє збільшити навантажувальну здатність імпульсного варіатора без погіршення масогабаритних показників пристрою. Пояснюється це наступним. Відмітні ознаки запропонованого рішення (проміжна ланка виконана в вигляді куліси з повзуном, шарнірно з'єднаним з кільцеподібною вхідною ланкою механізму вільного ходу, ви хідна ланка якого виконана в вигляді кільцеподібної нерухомої корпусної деталі, при цьому вхідна і вихідна ланки механізму вільного ходу встановлені співвісно з ведучим валом, а ведений вал з'єднаний з кулісою з можливістю передачі обертального руху куліси навколо осі ексцентриситету до веденого валу) в сукупності з істотними ознаками, загальними з прототипом, реалізують кінематику і динаміку механізму, які характеризуються наступним: - в запропонованому варіаторі механізм вільного ходу, як найслабкіша ланка кінематичного ланцюга, навантажений крутильним моментом ведучого валу, який, за умови низьких оборотів веденого валу, у багато разів менше крутильного моменту веденого валу; Це витікає з наступного співвідношення: Мв х = Мв их ´ W в их Wв х де: Мвх - крутильний момент ведучого валу; Мвих - крутильний момент веденого валу; W вх - швидкість обертання ведучого валу; W вих - швидкість обертання веденого валу. - силові елементи механізму вільного ходу, які передають крутильний момент, максимально рознесені відносно осі обертання (розташовані на периферії корпуса), що істотно зменшує контактні навантаження на зазначені елементи, дозволяє розвантажити механізм вільного ходу; - варіатор не має елементів зубчастих передач, які ускладнюють конструкцію, погіршують її масогабаритні характеристики. Отже, запропоноване рішення імпульсного варіатора дозволяє, при інших рівних умовах, підвищи ти навантажувальну здатність варіатора, поліпшити його масогабаритні характеристики і експлуатаційні властивості Нижче приводиться докладний опис імпульсного варіатора, що заявляється, з посиланнями на креслення, які додаються до опису. Перелік фігур креслень. Фіг.1 - Кінематична схема імпульсного варіатора. Фіг.2 - С хематичне зображення імпульсного варіатора. Фіг.3 - Вид А на Фіг.2. Фіг.4 - С хематичне зображення імпульсного варіатора при провертанні ведучого вала. Фіг.5 - С хематичне зображення імпульсного варіатора з механізмом вільного ходу в вигляді обгінної муфти. Фіг.6 - С хематичне зображення імпульсного варіатора з механізмом вільного ходу в вигляді радіального гальма, розгальмований стан. Фіг.7 - С хематичне зображення імпульсного варіатора з механізмом вільного ходу в вигляді радіального гальма, загальмований стан. Відомості, що підтверджують можливість здійснення винаходу. Імпульсний варіатор включає корпус 1, ведучий 2 і ведений 3 вали, встановлені в корпусі 1 з можливістю обертання, ексцентриковий механізм 4, встановлений на ведучому валу 1, проміжну ланку, з'єднану з ексцентриковим механізмом 4 з можливістю обертання навколо осі 5 ексцентрикового механізму 4. Проміжна ланка виконана в вигляді куліси 6, яка встановлена на ексцентриковому механізмі 4 з можливістю обертання навколо осі 5, з повзуном 7, який шарнірно з'єднаний з кільцеподібною вхідною ланкою 8 механізму вільного ходу, ви хідна ланка якого виконана в вигляді кільцеподібної нерухомої корпусної деталі 9. Вхідна 8 і вихідна 9 ланки механізму вільного ходу встановлені співвісно з ведучим валом 2. Ведений вал 3 з'єднаний з кулісою 6 з можливістю передачі обертального руху к уліси 6 навколо осі 5 ексцентрикового механізму 4 до веденого валу 3. З'єднання веденого валу 3 з кулісою 6 виконано через карданний механізм 10. Можливе з'єднання веденого валу 3 з кулісою 6 через широко відомий кулісний механізм з кулісою, що обертається (на кресленнях не показано). Ексцентриковий механізм 4 виконаний з регульованим ексцентриситетом. При збільшенні ексцентриситету передаточне число варіатора зростає. При нульовому ексцентриситеті передаточне число варіатора рівняється нулю. Ме ханізм вільного ходу може бути виконаний в вигляді обгінної роликової муфти, ролики 11 якої розташовані між вхідною ланкою 8 муфти і нерухомою корпусною деталлю 9, як вихідною ланкою муфти (Фігура 5). Ме ханізм вільного ходу також може бути виконаний в вигляді радіального гальма, активний елемент якого з пристроєм гальмування 12, як вихідна ланка 9 механізму вільного ходу, виконаний з можливістю періодичного гальмування пасивного елементу радіального гальма, як вхідної ланки 9 механізму вільного ходу (Фігури 6, 7). Імпульсний варіатор працює наступним чином. Обертання ведучого вала 2 передається на зв'язаний з ним ексцентриковий механізм 4 і далі до куліси 6. Куліса 6 при концентричному її розташуванні відносно осі ведучого вала 2 нерухома. При наявності ексцентриситету куліса 6 здійснює складний плоско-паралельний рух внаслідок накладення обертальних рухів навколо осі ведучого вала 2 і навколо осі 5 ексцентрикового механізму 4. Вказаний рух куліси 6 через повзун 7 передається до кільцеподібної вхідної ланки 8 механізму вільного ходу, яка взаємодіє з вихідною ланкою 9, що виконана в вигляді кільцеподібної нерухомої корпусної деталі. Результатом такої взаємодії являється провертання вхідної ланки 8 в односторонньому напрямку в імпульсному режимі, що викликає обертання куліси 6 навколо осі 5 ексцентрикового механізму 4. Обертальний рух куліси 6 передається на ведений вал 3 через карданний механізм 10. Передаточне число варіатора однозначно зв'язане з величиною ексцентриситету ексцентрикового механізму 4 - із збільшенням ексцентриситету передаточне число механізму зростає. При нульовому ексцентриситеті передаточне число рівняється нулю. Слід відмітити, що в реальних конструкціях імпульсних варіаторів доцільно компонувати паралельно декілька описаних механізмів, які почергово включаються в режим передачі обертального руху від ведучого валу 2 до веденого валу 3. Це дозволяє підвищити рівномірність передачі руху на ведений вал 3, а також додатково зменшити динамічні навантаження на деталі механізму. Зрозуміло, що вище описана конструкція являється лише окремим прикладом реалізації пристрою. Можливі і інші варіанти реалізації імпульсного варіатора, що заявляється, в межах сутності винаходу.