Кулисный колебательный механизм высокомоментного вариатора нефрикционного типа - RU2788238C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

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 кулачковые колебательные механизмы с плавно изменяемым размахом колебаний колебательного вала. Кулачковые колебательные механизмы с пространственным профилем кулачка, позволяют плавно изменять характера колебаний по двум параметрам [1…4], что обеспечивает отсутствие неравномерности при работе высокомоментного вариатора во всем диапазоне варьирования, но конструктивно сложные и имеют размах колебаний колебательного вала не более 60°. Небольшой диапазон варьирования скорости выходного вала вариатора из-за малого размаха колебаний колебательного вала требует использование многоступенчатых коробок передач, существенно усложняющих и удорожающих конструкцию вариатора.

В указанных кулачковых колебательных механизмах используются коромысла с контактирующими с профилем кулачка роликами, а в [1] ролик от рукоятки управления перемещается вдоль коромысла.

Значительное увеличение размаха колебаний колебательного вала, более чем в два раза, достигается в колебательных механизмах, использующих кулисные механизмы [5…7]. В этих механизмах применены однопараметрические кулачки, что не позволяет обеспечить равномерность вращения выходного вала вариатора во всем диапазоне варьирования.

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату коромысло-кулисный колебательный механизм нефрикционного высокомоментного вариатора [7]. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок трубчатого типа - ведущее звено, ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, и соосно оси кулачка поворотник, на котором выполнены перпендикулярно оси кулачка цапфы, содержит также рукоятку управления с возможностью поворота от нее поворотника, посаженное на цапфы поворотника двухплечевое коромысло с парой контактирующих с кулачком роликов и с образующей с коромыслом вращательную пару кулису, с перпендикулярной оси цапф осью вращения, при этом кулиса установлена с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением следующие. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок - ведущее звено и ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, содержит также с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом кулису, пару контактирующих с кулачком роликов и кинематически связанное с кулисой рукоятку управления.

У известного колебательного механизма сложное и громоздкое устройство изменения размаха колебания ведомого звена, а использование в нем однопараметрического кулачка не обеспечивает равномерность вращения выходного вала высокомоментного вариатора с таким механизмом на всем диапазоне варьирования.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение и удешевление конструкции с повышением его технических характеристик.

Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок - ведущее звено и ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, содержит также пару контактирующих с кулачком роликов, рукоятку управления, установленную на цапфы корпуса с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом кулису, при этом ролики посажены на кулису с возможностью перемещения от рукоятки управления, например, от смонтированных на кулисе действующих от рукоятки управления гидроцилиндров.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. В предлагаемом колебательном механизме ролики посажены на кулису с возможностью перемещения, например, с использованием смонтированных на кулисе действующих от рукоятки управления гидроцилиндров, при этом кулиса установлена на цапфах корпуса.

На фиг. 1, 8, 11…13 представлены варианты конструкции предлагаемого механизма, на фиг. 2…5, - звенья механизма, на фиг. 6 и 10 - графики, на фиг. 7 - кинематическая схема высокомоментного вариатора, на фиг. 9 - выпрямитель колебаний.

На конструктивной схеме заявленного механизма, показанного на фиг. 1, на подшипниках корпуса 1 установлены: входной вал 2, с конической шестерней 3, кулачок 4, с пространственным профилем 5, кулиса 6 с цапфами кулисы 7, рычаг 8, с колебательным валом 9 и роликом рычага 10, m-m - ось вращения рычага. Рукоятка управления 11 смонтирована на корпусе с возможностью осевого перемещения и выполнена с зубчатой рейкой 12. На валу кулачка 13 зафиксирована сцепленная с конической шестерней 3 коническое зубчатое колесо 14. Связанная с корпусом механизма декартова система координат OXYZ, ориентирована так, что ось X совпадает ось цапф кулисы, а ось Z - с осью вала кулачка. На кулисе 6 выполнены (фиг. 2): образующий с роликом рычага вращательно-поступательную пару контактор 15, противовес 16 и направляющие 77. В направляющих установлена пара кареток 18 с зубчатыми рейками 19., сцепленными со смонтированной на кулисе шестерней привода кареток 20. На каретках установлены с возможностью вращения сферические ролики 21 радиуса r, контактирующие с пространственным профилем 5 кулачка. S - центры роликов, k-k - ось вращения сферических роликов, проходящая через центр системы OXYZ и лежащая в плоскости OYZ, угол γ между осями Y и k-k - угол поворота кулисы. В выполненном в вале кулачка 13 сквозном цилиндрическом отверстии 22 с возможностью вращения установлен вал привода кареток 23 (фиг. 3 и 4), на котором выполнен сцепленный с зубчатой рейкой 12 рукоятки управления зубчатое колесо привода 24 и зафиксирована вилка 25. Вал привода кареток 23 связан с шестерней привода кареток 20 шарниром Гука, включающим соединяющую вилку 25 с шестерней привода кареток 20 крестовину 26, что обеспечивает передачу вращения шестерни привода кареток от вала привода кареток при изменении угла γ поворота кулисы. Кинематическая связь рукоятки управления с каретками обеспечивает перемещение кареток вдоль кулисы и профиля кулачка, ρ=OS - варьируемое расстояние (плечо кулисы). У показанного на фиг. 5 рычага 8, ось вращения m-m расположена на расстоянии Н=ОС от оси X в плоскости OXY, ω - угол поворота рычага с колебательным валом, R=СА - радиус рычага, L=OA - изменяемое при повороте рычага расстояние.

Кулисный колебательный механизм действует следующим образом. Рассмотрим положение механизма при неподвижной рукоятке управления, в этом случае зафиксировано плечо кулисы ρ. При повороте на угол α₂ входного вала 2 через зубчатую пару 3-14 поворачивается вал кулачка 13 с кулачком 4 на угол α. Контактирующий со сферическими роликами 21 профиль кулачка 5 поворачивает на угол γ кулису 6, которая поворачивает на угол ϕ рычаг 8. Таким образом кинематические параметры колебательного вала зависят от профиля кулачка и плавно изменяются перемещением кареток вдоль профиля кулачка в радиальном направлении на всем диапазоне варьирования плеча кулисы ρ=ρ₀…ρ_w. При этом имеет место возможность профилированием кулачка обеспечить плавное изменение размаха колебаний колебательного вала λ_ϕ(ρ)=λ_ϕ(ρ₀)=0…λ_ϕ(ρ_w)=λϕ_w. При перемещении рукоятки управления по стрелке «max» - λ_ϕ увеличивается, по стрелке «min» - λ_ϕ уменьшается (фиг. 1).

Основные геометрические параметры колебательного механизма:

λ_w=2γ_max - максимальный размах колебаний кулисы;

λ_ϕw=2ϕ_max - максимальный размах колебаний рычага с KB;

Н=ОС - расстояние между осями Z и m-m;

R=АС - плечо рычага, расстояние между осью m-m и осью ролика 10;

е=Н/R - конструктивный параметр;

r - радиус ролика;

ρ=ρ₀…ρ_w - плечо кулисы (параметр варьирования).

Используя фиг. 5, имеем следующие соотношения:

из теоремы синусов

откуда угол поворота рычага

длина

Размах колебания кулисы

При максимальном размахе колебаний рычага λϕ_w, максимальный размах колебаний кулисы

Для отсутствия неравномерности вращения выходного вала высокомоментного вариатора с предлагаемыми колебательными механизмами на всем диапазоне варьирования, для профилировки кулачка используется характеристическая функция [14] (фиг. 6):

в которой угол, приведенный к полуоткрытому интервалу [0, 2π),

где Q(α)=sign[sin(α+10^-13)].

Угол поворота колебательного вала в диапазоне размахов колебаний рычага от 0 до λ_ϕw:

где, принимая прямо пропорциональную зависимость размаха колебаний λ_ϕ от параметра варьирования ρ, имеем

при этом закон колебания кулисы из (1)

что можно обеспечить применением сферического ролика и перемещением его от рукоятки управления в радиальном направлении по профилю кулачка.

Координаты точек S в параметрическом виде теоретического профиля кулачка в неподвижной системе координат OXYZ, связанной с корпусом:

Методика профилирования пространственных кулачков дана в [8, 9].

На фиг. 7 представлена кинематическая схема высокомоментного вариатора, а на фиг. 8 - конструктивная схема заявленного колебательного механизма с двумя действующими с фазовым сдвигом на 90° колебательными валами 9а и 9b, ω - скорость кулачкового вала. Колебательные скорости колебательных валов валов ω_кα(α, ρ) и ω_кb=ω_кα(α+90°, ρ) выпрямляются выпрямителями (Вып). Одна из возможных конструктивных схем выпрямителя дана на фиг. 9, который действует так. Закрепленный на колебательном валу (КВ) шкив соединен тросами (Тр) с ведущими полумуфтами пары обгонных муфт OM₁ и ОМ₂. Выпрямленные скорости выходных валов выпрямителя (В) равны

эти валы посредством шестерен (ШВ) передают вращение зубчатым колесам (КД) соединенным с солнечными колесами (СК) трехвального дифференциала (Д). Скорости входных валов дифференциала

где Z_в и Z_д - число зубьев в зубчатых парах. Через связанный с солнечными колесами сателлит (С) вращение передается на выходной вал вариатора (В_вмв) со скоростью

Следовательно, обеспечена равномерность скорости выходного вала вариатора во всем диапазоне варьирования (фиг. 10). Передаточное отношение высокомоментного вариатора

На фиг. 11 и 12а,б показана конструктивная схема варианта исполнения заявляемого кулисного колебательного механизма, в котором применен кулачковый вал 4 с двумя профилями 5А и 5Б, повернутыми относительно друг друга на 180° и контактирующие с роликами 21А и 21Б кулисы. Угол θ определяет положение оси вращения m-m колебательного вала 9.

Координаты точек S в параметрическом виде теоретического профиля 5А кулачка в неподвижной системе координат OXYZ, связанной с корпусом:

Устройство перемещения роликов от рукоятки управления рассматриваемого механизма показано на фиг. 13, где на кулисе смонтированы гидроцилиндры 27 с поршнями 28, связанные штоками 29 с каретками 78. Управление гидроцилиндрами осуществляется золотником 30 от рукоятки управления 11,31 - гидронасос.

Для перемещения роликов может быть также использован реечный механизм, примененный в высокомоментном вариаторе [1].

Заявленный кулисный колебательный механизм при его применении в высокомоментном вариаторе позволяет повысить технические характеристики вариатора. Он обеспечивает равномерность вращения выходного вала в широком диапазоне варьирования с редуцированием и мультиплицированием скорости и момента без использования коробки передач.

Источники информации

1. RU 2169370 С2, F16H 29/08, 14.05.1999 (Б.В. Пылаев).

2. RU 2242654 С2, F16H 29/08, 20.01.2003 (Б.В. Пылаев).

3. RU 2304734 С2, F16H 29/08, 14.03.2005 (Б.В. Пылаев).

4. RU 2622178 C1, F16H 29/02, 27.01.2016 (Б.В. Пылаев).

5. RU 2706630 C1, F16H 29/08, 13.11.2018 (Б.В. Пылаев).

6. RU 2731830 C1, F16H 29/08, 23.01.2020 (Б.В. Пылаев).

7. RU 2757327 C1, F16H 29/02, 04.03.2021 (Б.В. Пылаев).

8. Б.В. Пылаев. Профилирование пространственного кулачка высокомоментного вариатора // Вестник машиностроения. 2019. №5. С. 40-43.

9. ISSN 1060-798Х, Russian Engineering Research, 2019, Vol. 39, No 8, pp. 645-649. Sparing of Cams for High-Torque Variable-Speed Drives. B.V. Pylaev.

10. RU 2353835 C2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, A.A. Шамин).

11. RU 2353836 C2, F16D 41/08, 27.03.2007 (Б.В. Пылаев, A.A. Шамин).

12. RU 2757326 C1, F16D 41/00, 04.03.2021 (Б.В. Пылаев).

13. RU 2782057 C1, F16D 41/00, 13.01.2022 (Б.В. Пылаев).

14. Б.В. Пылаев. Приспособляемость нефрикционного высокомоментного вариатора к внешней нагрузке // Вестник машиностроения. 2009. №5. С. 12-16.

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения. Кулисный колебательный механизм высокомоментного вариатора нефрикционного типа содержит корпус, установленные на подшипниках корпуса кулачок - ведущее звено и ведомое звено в виде рычага с перпендикулярной оси кулачка осью, содержит также с образованием поступательно-вращательной пары с рычагом кулису, пару контактирующих с кулачком роликов, а также кинематически связанную с кулисой рукоятку управления. Ролики посажены на кулису с возможностью перемещения от рукоятки управления, например, с использованием смонтированных на кулисе гидроцилиндров, управляемых рукояткой управления, при этом кулиса установлена на цапфах корпуса. Обеспечивается упрощение конструкции. 14 ил.

Формула