Устройство передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением

(51) 16 3/74 (2010.01) 16 59/14 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН 58 / 51 , солнечное и эпициклическое зубчатые колеса во входном ряду планетарной передачи выполнены с упругими зубьями и имеют связь моментов инерции колес и жесткостей зубьев по формуле(4 /34 / 3 ), а тормоз выполнен в виде подпружиненного тормозного диска, размещенного в неподвижном корпусе с возможностью осевого перемещения вместе с маховиком, соединенным со свободно вращающейся на выходном водиле косозубой шестерней, взаимодействующей с косозубой шестерней выходного сателлита. Здесь имеют место следующие обозначения 5 - радиус цапфы в шарнире сателлита 5,8 - радиус водила 8, - коэффициент трения сателлита 5 на водиле 8,51 - передаточное отношение планетарного механизма при неподвижном выходном водиле 8,выражаемое через числа зубьев колес, - максимальное силовое передаточное отношение,с 4, с 3 - средние изгибные жесткости зубьев колес 4 и 3,4, 3 - моменты инерции блоков колес 4-7 и 3-6. Технический результат устройства заключается в повышении эффективности,повышении нагрузочной способности и надежности и в автоматизации работы.(76) Иванов Константин СамсоновичЯрославцева Елена КонстантиновнаШугаев Геннадий Алексеевич(54) УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ С НЕПРЕРЫВНО ПЕРЕМЕННЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ(57) Изобретение относится к машиностроению,преимущественно к автомобилестроению, и может быть использовано в качестве устройства передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением. Устройство передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением выполнено в виде планетарного механизма с двумя степенями свободы, содержащего входной и выходной ряд планетарных передач с входным и выходным водилами, входным и выходным сателлитами, с блоком солнечных колес, с блоком эпициклических колес,пусковое звено и тормоз,взаимодействующий с блоком эпициклических колес. В этом устройстве планетарный механизм выполнен с геометрическими параметрами, 24625 Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве трансмиссии с автоматическим бесступенчатым изменением скорости в зависимости от нагрузки на выходном валу. Известна бесступенчатая регулируемая передача,содержащая зубчатый дифференциал и замыкающий механизм (Патент США 3,699,826, Кл. 16 5/46,57/10. 1972). Замыкающий механизм передачи выполнен в виде фрикционной муфты с двумя дисками, один из которых жестко размещен на выходном валу, связанном с центральным колесом,а другой - на скользящей посадке и связан с другим центральным колесом через центробежный регулятор. В этой передаче имеют место потери на трение в фрикционной муфте, а наличие центробежного регулятора существенно усложняет конструкцию. Известна передача с регулируемой скоростью,содержащая зубчатый дифференциал и замыкающий механизм (Авторское свидетельство СССР 844861, Кл. 16 Н 5/46, 1979). Замыкающий механизм выполнен в виде бесступенчатой регулируемой передачи,включающий центробежный регулятор, соединенный с одним из центральных колес дифференциала, и фрикционный лобовой вариатор, соединенный с центробежным регулятором и с другим центральным колесом дифференциала. Фрикционный лобовой вариатор в сочетании с центробежным регулятором представляет собой сложный и ненадежный элемент конструкции, не позволяющий передавать большие крутящие моменты. Известен способ автоматического и непрерывного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала в зависимости от сопротивления движению и Устройство для его осуществления (Патент России 2234626, Кл. 16 Н 47/08. 2004). Это устройство в виде дифференциального механизма содержит механизм подачи мощности с двумя степенями свободы,состоящий из двух входных звеньев (солнечных колес), подвижно связанных гидродинамическим преобразователем, и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью в виде блока центральных колес, получающую движение от двух источников движения механизма подачи мощности. Недостатки этой трансмиссии реализация двух степеней свободы входного механизма подачи мощности, обеспечивающая разные скорости вращения солнечных колес(то есть дифференциальную связь между ними), создается гидродинамическим преобразователем и требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта. Гидродинамический эффект имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5), малый диапазон изменения скорости и низкую надежность при пуске. Это приводит к необходимости использовать дополнительные механизмы свободного хода,усложняющие конструкцию и ухудшающие качество работы передачи (плавность движения). В 2 результате конструкция трансмиссии имеет низкую эффективность, оказывается сложной, ненадежной при пуске и имеет низкое качество работы. Известна не переключаемая непрерывновыравнивающая трансмиссия (Патент США 4,932,928, Кл. 16 47/08, 1. 475/51 475/47. 1990). Эта трансмиссия в виде дифференциального механизма содержит механизм подачи мощности с двумя степенями свободы, состоящий из двух входных звеньев (солнечного колеса и водила),подвижно связанных гидродинамическим преобразователем, и выходную кинематическую цепь с нулевой подвижностью, получающую движение от двух источников движения механизма подачи мощности. Недостатки этой трансмиссии реализация двух степеней свободы входного механизма подачи мощности, обеспечивающая разные скорости вращения водила и сателлита(то есть дифференциальную связь между ними) создается гидродинамическим преобразователем и требует затрат мощности на создание гидродинамического эффекта. Гидродинамический эффект имеет чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (около 0.5), малый диапазон изменения скорости и низкую надежность при пуске, что приводит к необходимости использовать дополнительные механизмы свободного хода,усложняющие конструкцию и ухудшающие качество работы передачи (плавность движения). В результате конструкция трансмиссии имеет низкую эффективность, оказывается сложной, ненадежной при пуске и имеет низкое качество работы. Недостатком является также отсутствие возможности реверса. Следует отметить, что увеличение передаточного отношения в присоединяемой кинематической цепи путем введения дополнительных звеньев приводит лишь к уменьшению уровня величины регулируемой выходной угловой скорости, а не к увеличению диапазона регулирования. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство(система) передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением (патент Великобритании 2238090 (А) 1991-05-22). Это устройство выполнено в виде планетарного механизма с двумя степенями свободы,содержащего входной и выходной ряды планетарных передач с входным и выходным водилами, входным и выходным сателлитами, с блоком солнечных колес, с блоком эпициклических колес, и тормоз, взаимодействующий с блоком эпициклических колес. Достоинства этого устройства идеальная тяговая характеристика (плавность хода) из-за отсутствия переключения передач, простота конструкции (из-за устранения гидромуфты, зубчатых ступеней и механизма переключения передач), простота эксплуатации (из-за отсутствия гидро системы и ее регулировок). 24625 Недостатки устройства передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением- устройство имеет низкую эффективность изза увеличения сил трения при возрастании нагрузки,- устройство имеет низкую нагрузочную способность и надежность,- устройство не является автоматическим из-за использования тормоза с внешним управлением для пуска и для преодоления максимальной нагрузки. Задачей изобретения является повышение эффективности,повышение нагрузочной способности и надежности, автоматизация работы. Задача изобретения решается тем, что планетарный механизм выполнен с геометрическими параметрами, связанными по формуле 58 / 51 ,солнечное и эпициклическое зубчатые колеса во входном ряду планетарной передачи выполнены с упругими зубьями и имеют связь моментов инерции колес и жесткостей зубьев по формуле (4 /34 / 3 ), а тормоз выполнен в виде подпружиненного тормозного диска, размещенного в неподвижном корпусе с возможностью осевого перемещения вместе с маховиком, соединенным со свободно вращающейся на выходном водиле косозубой шестерней, взаимодействующей с косозубой шестерней выходного сателлита. На фиг.1 изображено устройство передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением. Описание устройства. Устройство содержит входное водило 1, входной сателлит 2, блок центральных эпициклических колес 3-6, блок центральных солнечных колес 4-7,выходное водило 8, выходной сателлит 5 с косозубым колесом 9, косозубое колесо 10 с маховиком 11, тормозной диск 12, пружину 13 и корпус 14. Косозубое колесо 10 установлено на выходном водиле 8 с возможностью свободного вращения и осевого перемещения. Тормозной диск 11 зафиксирован от вращения с помощью шлицевого соединения с корпусом 14. Солнечное колесо 4 и эпициклическое колесо 3 во входном ряду планетарной передачи выполнены с упругими зубьями Устройство работает следующим образом. При старте (трогании с места) пружина 13 прижимает тормозной диск 12 к блоку колес 3-6 и обеспечивает остановку этого блока колес. Механизм передачи при этом находится в состоянии с одной степенью свободы. Трогание с места происходит путем передачи движения от двигателя на входное водило 1, входной сателлит 2,подвижный блок солнечных колес 4-7, выходной сателлит 5 и выходное водило 8. При увеличении мощности двигателя начинается ускоренное движение механизма передачи. После трогания с места сопротивление движению уменьшается, и начинается ускоренное движение механизма передачи. Косозубое колесо 9 сообщает ускоренное движение косозубому колесу 10 с маховиком 11. При этом маховик 11 оказывает инерционное сопротивление движению колеса 10. Под действием этого сопротивления наклон зубьев косозубых колес 9, 10 обеспечивает перемещение колеса 10, расположенного на выходном водиле 8 с возможностью свободного вращения и осевого перемещения, вправо. Колесо 10 перемещает маховик 11 и тормозной диск 12, размещенный в прорези маховика. Тормозной диск 11,зафиксирован от вращения с помощью шлицевого соединения с корпусом 14. Тормозной диск, сжимая пружину 13, отодвигается вправо от блока колес 3-6 и отключает торможение этого блока колес. Механизм переходит автоматически в состояние с двумя степенями свободы. В этом состоянии осуществляется эксплуатационный режим движения механизма с автоматической адаптацией к сопротивлению движения. В эксплуатационном режиме движения с двумя степенями свободы движение от входного водила 1 передается на входной сателлит 2, подвижный блок солнечных колес 4-7,подвижный блок эпициклических колес 3-6, выходной сателлит 5 и выходное водило 8. Косозубое колесо 9 приводит во вращение косозубое колесо 10, которое при свободном вращении на выходном водиле 8 преодолевает момент трения. Под действием этого сопротивления наклон зубьев косозубых колес 9, 10 создает осевое усилие направленное вправо и препятствующее пружине 13 сдвинуть тормозной диск влево и остановить блок эпициклических колес 3-6. Механизм находится в состоянии с двумя степенями свободы. Без учета трения входная мощность двигателя равна выходной мощности на выходном водиле. Силовые и геометрические параметры связаны между собой соотношением по принципу возможных работ Здесь М 1 - входной вращающий момент на входном водиле 1,М 8- выходной вращающий момент на выходном водиле 8 (требуемый момент сопротивления),5 - приведенный к звену 5 момент трения механизма,1 - входная угловая скорость водила 1,8- выходная угловая скорость водила 8,5 - угловая скорость звена 5. Выразим из уравнения (1) выходную угловую скорость При постоянных параметрах М 1., 1 входной мощности скорость 8 вращения выходного водила 8 находится в обратной пропорциональной зависимости от момента сопротивления 8 на нем,что определяет идеальную тяговую характеристику,обеспечиваемую передачей. 3 24625 При увеличении момента сопротивления М 8 выходная угловая скорость 8 будет уменьшаться, а угловая скорость звена 5 будет увеличиваться. Когда выходной момент сопротивления достигнет максимальной величины М 2 ах, выходной вал остановится (80), а угловая скорость 5 звена 5 будет максимальной. Максимальная угловая скорость звена 5 может быть определена через передаточное отношение планетарного механизма 51 при неподвижном выходном водиле 8,выражаемое через числа зубьев колес. Тогда из уравнения (2) получим Отсюда можно найти значение приведенного момента трения, при котором произойдет остановка механизма, если на него действует максимальный момент сопротивления М 8 ах. Из (4) следует Представим приведенный момент трения в виде стороны выходного водила в момент остановки выходного водила (8 - радиус водила 8),коэффициент трения сателлита 5 на водиле 8, 5 радиус цапфы в шарнире сателлита 5. Тогда(7 ) Обозначим 8/1- максимальное силовое передаточное отношение, тогда Таким образом, формула (8) позволяет подобрать геометрические параметры механизма, которые обеспечивают требуемое силовое передаточное отношение ах. Для заданной схемы механизма можно определить радиус цапфы р 5 по формуле При остановке механизма пружина 13 прижимает тормозной диск к блоку колес 3-6 и останавливает его, переводя механизм в состояние с одной степенью свободы, которое является исходным для начала движения. Таким образом, автоматически управляемый тормозной диск обеспечивает автоматический переход механизма в состояние с одной и с двумя степенями свободы при старте и при остановке, что обеспечивает повышение надежности преодоления требуемого момента сопротивления при пуске и при максимальной нагрузке за счет размеров звеньев. Зубчатые колеса 4 и 3 во входном ряду планетарной передачи выполнены с упругими зубьями. При передаче усилия от входного водила 1 через сателлит 2 на зубчатые колеса 4 и 3 это вызывает появление динамических импульсов. Динамический импульс включает фазу зарядки,приводящую к изгибу зуба с накоплением 4 потенциальной энергии, и фазу разрядки,приводящую к выпрямлению зуба с переходом потенциальной энергии в кинетическую. Величина передаваемого усилия определяется как произведение усилия одного импульса на число импульсов в единицу времени. Число импульсов,передаваемых от входного звена к выходному звену,увеличивается при замедлении движения выходного звена. Соответственно увеличивается передаваемое на выходное звено усилие. Вместе с тем реакция в кинематической паре, вызывающая силу трения,(3) определяется усилием одного импульса. Эта реакция меньше передаваемой силы враз( - число импульсов в единицу времени). Таким образом, передача крутящего момента в виде динамических импульсов во много раз снижает величины реакций в кинематических парах и потери на трение, что увеличивает эффективность механизма. Кроме того, передача крутящего(5) момента динамическими импульсами обеспечивает вибрационное воздействие на выходное звено механизма (рабочий орган). Это предотвращает возможность заклинивания выходного рабочего органа и увеличивает надежность старта. Движение зубчатых колес 4 и 3 с упругими зубьями происходит по закону гармонических колебаний где 4, 3 - углы поворота колес 4 и 3,04, 03 статические угловые отклонения колес 4 и 3 под действием моментов сил вследствие изгиба зубьев,4, 3- частоты угловых колебаний колес 1 и 3. Здесь с 4, с 3- средние изгибные жесткости зубьев колес 4 и 3,4, 3- моменты инерции колес 4 и 3 (блоков колес 4-7 и 3-6). Для согласованной работы колес 4 и 3 в колебательном процессе необходимо выполнение условия 43. Отсюда следует условие подбора моментов инерции колес Таким образом, формула (14) позволяет подобрать динамические параметры механизма,которые обеспечивают передачу крутящих моментов динамическими импульсами (в виде вибраций) при согласованной работе колес 4 и 3. Это создает повышение эффективности путем уменьшения сил трения и повышение надежности путем преодоления пускового заклинивания с помощью вибраций. 24625 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство передачи энергии с непрерывно переменным передаточным отношением в виде планетарного механизма с двумя степенями свободы, содержащего входной и выходной ряд планетарных передач с входным и выходным водилами, входным и выходным сателлитами, с блоком солнечных колес, с блоком эпициклических колес,пусковое звено и тормоз,взаимодействующий с блоком эпициклических колес, отличающийся тем, что планетарный механизм выполнен с геометрическими параметрами, связанными по формуле 58/51,солнечное и эпициклическое зубчатые колеса во входном ряду планетарной передачи выполнены с упругими зубьями и имеют связь моментов инерции колес и жесткостей зубьев по формуле (4/34/3), а тормоз выполнен в виде подпружиненного тормозного диска, размещенного в неподвижном корпусе с возможностью осевого перемещения вместе с маховиком, соединенным со свободно вращающейся на выходном водиле косозубой шестерней, взаимодействующей с косозубой шестерней выходного сателлита,где 5 - радиус цапфы в шарнире сателлита 5,8 - радиус водила 8, - коэффициент трения сателлита 5 на водиле 8,51 - передаточное отношение планетарного механизма при неподвижном выходном водиле 8,выражаемое через числа зубьев колес, - максимальное силовое передаточное отношение,4, 3 - средние изгибные жесткости зубьев колес 4 и 3,4, 3 - моменты инерции блоков колес 4-7 и 3-6.