RU2263240C2 - Vibratory mechanism for high-torque variable-speed drive - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mechanisms for converting rotation of drive shaft into vibration of driven shaft with steplessly changing amplitude and it can be used in non-friction variable-speed drives, positive displacement adjustable hydraulic machines and other devices. Proposed mechanism contains control handle, driving and driven shafts installed in housing on bearings, and device converting unidirectional rotation of drive shaft into vibratory rotation of driven shaft with possibility of changing swing by control handle, including tilted crank installed on trunnions of driven shaft and mechanically coupled with driving shaft. Mechanism is provided with carrier made on driving shaft and bevel gear wheel mounted in housing for turning by control handle and planet pinion also installed on carrier, hinge coupled with tilted crank and forming internal engagement with bevel gear wheel. Number of teeth of plant pinion is half as much as that of wheel.

EFFECT: improved service characteristics, simplified design, reduced cost.

8 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и предназначено для преобразования вращения ведущего вала в колебательное вращение ведомого вала с плавно измененяемым размахом колебания, что может быть использовано в нефрикционных высокомоментных вариаторах, объемных регулируемых гидравлических машинах и других устройствах.The present invention relates to mechanical engineering and is intended to convert the rotation of the drive shaft into the oscillatory rotation of the driven shaft with a smoothly varying swing, which can be used in non-friction high-torque variators, volumetric adjustable hydraulic machines and other devices.

Известны колебательные механизмы с плавно изменяемой амплитудой ведомого вала, например рычажный механизм [1], который достаточно громоздкий и динамически не уравновешенный. Колебательные механизмы, применяемые в высокомоментных вариаторах, например [3, 4], используют поступательно перемещаемые каретки или кулачки, что усложняет конструкцию.Known oscillatory mechanisms with a continuously variable amplitude of the driven shaft, for example a linkage mechanism [1], which is quite bulky and dynamically unbalanced. Vibration mechanisms used in high-torque variators, for example [3, 4], use translationally moved carriages or cams, which complicates the design.

Примем за прототип наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату колебательный механизм [2], содержащий рукоятку управления, установленные на подшипниках корпуса ведущий и ведомый валы, а также устройство преобразования однонаправленного вращения ведущего вала в колебательное вращение ведомого вала с возможностью изменения от рукоятки управления размаха колебания, включающее в себя смонтированную на ведущем валу с возможностью поворота от рукоятки управления косынку, установленный на цапфах ведомого вала наклонный кривошип, образующую с наклонным кривошипом вращательно-поступательную пару и шарнирно связанную с косынкой кулису.We take for the prototype the closest oscillator mechanism [2], which is closest in technical essence and the achieved result, containing a control handle, drive and driven shafts mounted on the bearings of the housing, as well as a device for converting the unidirectional rotation of the drive shaft into oscillatory rotation of the driven shaft with the possibility of changing from the control handle oscillations, including a kerchief mounted on the drive shaft with the possibility of rotation from the control handle, mounted on the trunnions of the driven shaft ny crank forming with the inclined crank rotational-translational pair and is pivotally connected with the rocker scarf.

Признаки известного механизма (прототипа), совпадающие с заявляемым изобретением, следующие. Известный механизм содержит рукоятку управления, установленные на подшипниках корпуса ведущий и ведомый валы, а также устройство преобразования однонаправленного вращения ведущего вала в колебательное вращение ведомого вала с возможностью изменения от рукоятки управления размаха колебания, включающее в себя установленный на цапфах ведомого вала кинематически связанный с ведущим валом наклонный кривошип.Signs of a known mechanism (prototype), coinciding with the claimed invention, are as follows. The known mechanism comprises a control handle, drive and driven shafts mounted on the bearings of the housing, as well as a device for converting the unidirectional rotation of the drive shaft into oscillatory rotation of the driven shaft with the possibility of changing the swing range from the control handle, including a kinematically connected to the drive shaft mounted on the axles of the driven shaft inclined crank.

Известный механизм имеет сложную и сильно нагруженную кинематическую связь рукоятки управления с косынкой. Необходимое для изменения угла наклона косынки усилие сопоставимо рабочему моменту на выходном валу, максимальный размах колебаний λ_max колебательного вала этого вариатора ограничен углом давления кулисы на наклонный кривошип, поэтому λ_max≤60°, что уменьшает диапазон передаточных отношений вариатора.The known mechanism has a complex and heavily loaded kinematic connection of the control handle with the scarf. The force required to change the angle of inclination of the kerchief is comparable to the working moment on the output shaft, the maximum oscillation range λ _{max of the} oscillatory shaft of this variator is limited by the angle of the pressure of the link on the inclined crank, therefore λ _max ≤60 °, which reduces the range of gear ratios of the variator.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплутационных характеристик, упрощение и удешевление конструкции.The purpose of the invention is to increase operational characteristics, simplify and reduce the cost of construction.

Предлагаемый колебательный механизм имеет следующие существенные признаки. Он содержит рукоятку управления, установленные на подшипниках корпуса ведущий и ведомый валы, а также устройство преобразования однонаправленного вращения ведущего вала в колебательное вращение ведомого вала с возможностью изменения от рукоятки управления размаха колебания, включающее в себя смонтированное в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления коническое зубчатое колесо, установленный в цапфах ведомого вала наклонный кривошип, выполненное на ведущем валу водило, а также посаженный на водило, шарнирно связанный с наклонным кривошипом и образующий с коническим зубчатым колесом внутреннее зацепление сателлит, с числом зубьев в два раза меньшим, чем на колесе.The proposed oscillatory mechanism has the following essential features. It contains a control handle, drive and driven shafts mounted on the bearings of the housing, as well as a device for converting the unidirectional rotation of the drive shaft into oscillatory rotation of the driven shaft with the possibility of changing the swing range from the control handle, including a bevel gear mounted in the housing with the possibility of rotation from the control handle a wheel mounted in the trunnions of the driven shaft; an inclined crank made on the drive shaft of the carrier, and also mounted on the carrier, articulated to Pull the crank and forming a conical internal gear satellite, with the number of teeth two times lower than on a wheel.

Отличительными от прототипа признаками изобретения являются следующие. Предлагаемый механизм для высокомоментного вариатора снабжен выполненным на ведущем валу водилом и смонтированным в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления коническим зубчатым колесом, а также установленным на водило, шарнирно связанным с наклонным кривошипом и образующим с зубчатым коническим колесом внутреннее зацепление сателлитом с числом зубьев в два раза меньшим, чем на колесе.Distinctive features of the prototype features of the invention are the following. The proposed mechanism for a high-torque variator is equipped with a carrier made on the drive shaft and mounted in the housing with the possibility of turning from the control handle to the bevel gear, and also mounted on the carrier, pivotally connected to the inclined crank and forming an internal gearing with two gears of the bevel gear times smaller than on the wheel.

На фиг.1 и 2 дана конструкция предлагаемого механизма при крайних положениях рукоятки управления, на фиг.3 и 4 - расчетные кинематические схемы механизма, на фиг.5-7 - конструкция васокомоментного вариатора, на фиг.8 - скорости звеньев вариатора.Figures 1 and 2 show the design of the proposed mechanism at the extreme positions of the control handle, Figures 3 and 4 show the calculated kinematic diagrams of the mechanism, Figures 5-7 show the design of a high-speed variator, and Fig. 8 show the speeds of the variator links.

Предлагаемый механизм (фиг.1 и 2) содержит корпус 1, установленные на подшипниках корпуса ведущий 2 и ведомый 3 валы. На ведомом валу 3 на цапфы 4 посажен наклонный кривошип 5. Ведущий вал 2 выполнен с водилом 6, на котором установлен сателлит 7, снабженный шарниром 8, образующим вращательно-поступательную пару с цилиндрическим пальцем 9 наклонного кривошипа. В корпусе с возможностью поворота смонтировано коническое зубчатое колесо 10, образующее с сателлитом внутреннее зацепление. Число зубьев сателлита в два раза меньше, чем у колеса. Коническое зубчатое колесо 10 выполнено с зубчатым венцом 11, сцепленным с шестерней 12, связанной валом 13 с рукояткой управления 14. Ведущий вал снабжен противовесом 15.The proposed mechanism (figures 1 and 2) comprises a housing 1 mounted on bearings of the housing leading 2 and driven 3 shafts. An inclined crank 5 is mounted on the driven shaft 3 on the pins 4. The drive shaft 2 is made with a carrier 6, on which a satellite 7 is mounted, equipped with a hinge 8, forming a rotational-translational pair with a cylindrical pin 9 of the inclined crank. A bevel gear 10 is mounted rotatably in the housing, which forms internal gearing with the satellite. The number of teeth of a satellite is two times less than that of a wheel. The bevel gear 10 is made with a gear ring 11, coupled to the gear 12, connected by a shaft 13 with a control handle 14. The drive shaft is equipped with a counterweight 15.

Свяжем с коническим зубчатым колесом 10 систему декартовых координат 0ξηζ, а с сателлитом 7 - Axz, z - ось вращения сателлита относительно водила 6, ось х проходит через центр В шарнира 8. Рукоятка управления 14 обеспечивает поворот зубчатого конического колеса вокруг оси ζ на угол ψ, образованный осью η с осью ведомого вала w, на фиг.1 - ψ=0, а на фиг.2 - ψ=90°, что соответствует двум крайним положениям рукоятки управления.We connect with the bevel gear 10 the Cartesian coordinate system 0ξηζ, and with satellite 7 - Axz, z - the axis of rotation of the satellite relative to carrier 6, the x axis passes through the center B of hinge 8. The control handle 14 rotates the bevel gear around the ζ axis by the angle ψ formed by the axis η with the axis of the driven shaft w, in figure 1 - ψ = 0, and in figure 2 - ψ = 90 °, which corresponds to the two extreme positions of the control handle.

Конструктивные параметры механизма: θ - угол наклона оси z (угол нутации); Н - расстояние центра А от оси ζ; R=АВ.The design parameters of the mechanism: θ is the angle of inclination of the z axis (nutation angle); H is the distance of the center A from the ζ axis; R = AB.

Механизм действует следующим образом (фиг.1-4). От вращающегося ведущего вала 2 посредством водила 6 перемещается ось z сателлита 7, который совершает качение по зубчатому коническому колесу 10. Вместе с сателлитом перемещается шарнир 8, от которого посредством наклонного кривошипа 5, воздействующего на цапфы 4, поворачивается ведомый вал 3. На фиг.3 и 4 П₄ - плоскость, в которой поворачиваются оси цапф.The mechanism operates as follows (Fig.1-4). From the rotating drive shaft 2, through the carrier 6, the z axis of the satellite 7 moves, which performs rolling on the bevel gear 10. Together with the satellite, the hinge 8 is moved, from which the driven shaft 3 is rotated by means of an inclined crank 5 acting on the axles 4. FIG. 3 and 4 P ₄ - the plane in which the axis of the pins are rotated.

Размах колебаний ведомого вала равен λ, зависит от ψ и может плавно изменяться (варьироваться) рукояткой управления 14 от λ_min при ψ=0 (фиг.1) до λ_max=2μ₀ при ψ=90° (фиг.2), где амплитуда колебания наклонного кривошипаThe oscillation amplitude of the driven shaft is equal to λ, depends on ψ and can smoothly change (vary) by the control handle 14 from λ _min at ψ = 0 (Fig. 1) to λ _max = 2μ ₀ at ψ = 90 ° (Fig. 2), where oscillation amplitude of the inclined crank

Мгновенные оси вращения сателлита образуют конические аксоиды: подвижный на сателлите и неподвижный на зубчатом коническом колесе. Р - полюс зацепления на торце сателлита, а геометрические места точек Р являются центроидами: подвижной Ц₇ и неподвижной Ц₁₀ (фиг.3). Радиусы центроид колеса r_к и сателлита r_с связаны соотношениемThe instantaneous axes of rotation of the satellite form conical axoids: movable on the satellite and motionless on the bevel gear. P is the gearing pole at the end of the satellite, and the geometrical places of the points P are centroids: movable C ₇ and fixed C ₁₀ (Fig.3). Centroid wheel radii r _k and the satellite are related by r _with

Траектория T_в перемещения центра В шарнира 8 зависит от параметров механизма, а также от вида конических аксоид, используемых для нарезания зубьев, т.е. от углов δ_с и δ_к между образующими конусов (мгновенные оси вращения) и осями ζ и z соответственно. Координаты B в системе 0ξηζ:The trajectory T _{in the} movement of the center B of the joint 8 depends on the parameters of the mechanism, as well as on the type of conical axoids used to cut the teeth, i.e. from the angles δ _c and δ _k between the generators of the cones (instantaneous axis of rotation) and the axes ζ and z, respectively. The coordinates of B in the system 0ξηζ:

где α и β - углы поворота ведущего вала (водила) и сателлита (относительно оси z), связанные условием каченияwhere α and β are the angles of rotation of the drive shaft (carrier) and satellite (relative to the z axis) associated with the rolling condition

Рассмотрим вариант конструкции механизма, обеспечивающего λ_min=0.Let us consider a variant of the design of the mechanism providing λ _min = 0.

В этом случае необходимым условием является перемещение центра шарнира B в плоскости 0ηζ (П_в на фиг.3 и 4), т.е. в системе уравнений (3)In this case, a necessary condition is to move the center of the hinge B in the plane 0ηζ (P _in Figs. 3 and 4), i.e. in the system of equations (3)

где R=H/cosθ.where R = H / cosθ.

Из (5) следуетFrom (5) it follows

а из условия (2) и (4)and from conditions (2) and (4)

при этом, обозначив число зубьев сателлита и зубчатого конического колеса Z_c и Z_k, из (6) имеем Z_k=2Z_c.at the same time, denoting the number of teeth of the satellite and the bevel gear Z _c and Z _k , from (6) we have Z _k = 2Z _c .

Угол отклонения оси цилиндрического пальца 9 наклонного кривошипа μ(α) от оси 0ζ (фиг.4)The deviation angle of the axis of the cylindrical pin 9 of the inclined crank μ (α) from the axis 0ζ (figure 4)

а угол поворота ведомого вала γ(а) зависит от ψ и, как следует из фиг.4, связан с μ соотношениемand the angle of rotation of the driven shaft γ (a) depends on ψ and, as follows from figure 4, is associated with μ by the ratio

Такая конструкция обеспечивает λ_min=0 при ψ=0 и при ψ=90°This design provides λ _min = 0 at ψ = 0 and at ψ = 90 °

Скорость ведомого вала равнаThe speed of the driven shaft is

где ω₂ - скорость ведущего вала.where ω ₂ is the speed of the drive shaft.

Пример применения изобретения в высокомоментном вариаторе показан на фиг.5-7, где применены два колебательных механизма "а" и "b", действующие с относительным фазовым сдвигом 90°, аналогично [3, 4]. Ведущий вал 2а колебательного механизма "а" является входным валом вариатора, а вал 17 - выходным. Валы 2а и 2b связаны зубчатыми колесами 18а и 18b. Колебательные механизмы снабжены выпрямителями. Каждый выпрямитель содержит пару конических колес 19, являющихся ведомыми полумуфтами обгонных муфт 20, ведущие полумуфты которых смонтированы на ведомых валах 3. Пара колес 19 через коничку 21 и шестерню 22 связана с колесом 23 ступицы 24 конического дифференциала. Ведомый вал 3 является входным звеном выпрямителя, а шестерня 22 - выходным. Конический дифференциал содержит выполненные на ступицах 24 конические колеса 25, сцепленные с сателлитом дифференциала 26, водило 27 которого закреплено на выходном валу 17 вариатора.An example of the application of the invention in a high-torque variator is shown in FIGS. 5-7, where two oscillatory mechanisms “a” and “b” are applied, operating with a relative phase shift of 90 °, similarly [3, 4]. The drive shaft 2a of the oscillating mechanism "a" is the input shaft of the variator, and the shaft 17 is the output. Shafts 2a and 2b are connected by gears 18a and 18b. Vibration mechanisms equipped with rectifiers. Each rectifier contains a pair of bevel wheels 19, which are driven half-couplings of overrunning clutches 20, the leading half-couplings of which are mounted on the driven shafts 3. A pair of wheels 19 is connected through a conic 21 and gear 22 to the wheel 23 of the hub 24 of the conical differential. The driven shaft 3 is the input link of the rectifier, and the gear 22 is the output. The conical differential comprises conical wheels 25 made on the hubs 24, coupled to the differential gear 26, the carrier 27 of which is mounted on the output shaft 17 of the variator.

Высокомоментный вариатор работает следующим образом. От вращающегося ведущего вала 2а колебательное движение передается на ведомые валы 3, скорости которых сдвинуты по фазе на 90°. Далее посредством выпрямителей ступицам 24 конического дифференциала сообщается однонаправленное вращение с угловыми скоростями ω_а(α) и ω_b(α)=ω_a(α+90°),High torque variator works as follows. From the rotating drive shaft 2a, the oscillatory movement is transmitted to the driven shafts 3, the speeds of which are 90 ° out of phase. Then, through rectifiers, the hubs of the 24 conic differential are provided with unidirectional rotation with angular velocities ω _a (α) and ω _b (α) = ω _a (α + 90 °),

где, обозначая Z_i число зубьев i-го колеса, u=(Z₁₉/Z₂₁)(Z₂₂/Z₂₃). Следовательно, скорость выходного вала вариатора составит без учета обгонного действия обгонных муфтwhere, denoting Z _{i the} number of teeth of the i-th wheel, u = (Z ₁₉ / Z ₂₁ ) (Z ₂₂ / Z ₂₃ ). Therefore, the speed of the output shaft of the variator will be without taking into account the overtaking action of the overrunning clutches

На фиг.8 показаны относительные скорости звеньев вариатора при θ=42°, Н=1, ψ=90° и u=1, где видно, что скорость вращения Ω выходного вала имеет достаточно высокую равномерность, следовательно, данный тип вариатора по этой характеристике сопоставим с кулачковыми вариаторами [3, 4], но при этом конструктивно проще.Fig. 8 shows the relative speeds of the variator links at θ = 42 °, Н = 1, ψ = 90 ° and u = 1, where it can be seen that the rotation speed Ω of the output shaft has a fairly high uniformity, therefore, this type of variator according to this characteristic comparable with cam variators [3, 4], but structurally simpler.

Рассмотрим вариант конструкции предлагаемого колебательного механизма с круглыми центроидами, т.е. с δ_с=const и δ_к=const, при этом β=2α, и, как следствие, ξ_в≠0, следовательно, λ_min≠0.Consider the design option of the proposed oscillatory mechanism with circular centroids, i.e. with δ _с = const and δ _к = const, with β = 2α, and, as a consequence, ξ _{in в} 0, therefore, λ _min ≠ 0.

Например, при θ=30° и R=0,76 Н, имеемFor example, at θ = 30 ° and R = 0.76 N, we have

а из (1)and from (1)

Рассмотренный вариант колебательного механизма конструктивно проще конструкции, рассмотренной выше, его применение в высокомоментном вариаторе возможно, но при этом не обеспечивается работа вариатора при "стоп-режиме".The considered variant of the oscillatory mechanism is structurally simpler than the design discussed above, its use in a high-torque variator is possible, but the variator does not work under the "stop mode".

Длина наклонного кривошипаCrank Length

следовательно, угол давления шарнира на наклонный кривошип равен нулю, что не имеет место в прототипе [2], поэтому потери на трение в предлагаемом механизме меньше и возможен больший угол λ размаха колебания ведомого вала.

therefore, the angle of the hinge pressure on the inclined crank is zero, which does not occur in the prototype [2], therefore, the friction loss in the proposed mechanism is smaller and a larger angle λ of the amplitude of oscillation of the driven shaft is possible.

Выполненная подвижной в осевом направлении связь цилиндрического пальца 9 с шарниром 8 является избыточной в рассмотренном примере конструкции. Однако применение дополнительной подвижности позволит компенсировать деформации механизма при его работе, а также неточности изготовления и сборки.The axially movable coupling of the cylindrical pin 9 with the hinge 8 is redundant in the considered construction example. However, the use of additional mobility will compensate for the deformation of the mechanism during its operation, as well as inaccuracies in manufacturing and assembly.

Источники информацииSources of information

1. А.А.Благонравов. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М.: Машиностроение, 1977, стр.52, рис.18.1. A.A. Blagonravov. Non-friction mechanical stepless gears. M .: Engineering, 1977, p. 52, Fig. 18.

2. Патент РФ №2207463 С2, F 16 Н 23/04. Механизм с качающейся шайбой. / Автор: Пылаев Б.В. Приор. 06.03.2001.2. RF patent No. 2207463 C2, F 16 H 23/04. The mechanism with a swash plate. / Author: Pylaev B.V. Prior. 03/06/2001.

3. Патент ФРГ №3309044, F 16 Н 29/08. Stufenlos regelbares, mechanisches Schaltwerksgetribe / Anmelder Rindfleisch В.- Anmeldetag: 14.03.1983.3. German patent No. 3309044, F 16 H 29/08. Stufenlos regelbares, mechanisches Schaltwerksgetribe / Anmelder Rindfleisch B.- Anmeldetag: 03/14/1983.

4. Патент РФ №2212574 С2, F 16 Н 29/08. Высокомоментный вариатор. / Автор: Пылаев Б.В. Приор. 19.11.2001.4. RF patent No. 2212574 C2, F 16 H 29/08. High torque variator. / Author: Pylaev B.V. Prior. 11/19/2001.

Claims (1)

Колебательный механизм для высокомоментного вариатора, содержащий рукоятку управления, установленные на подшипниках корпуса ведущий и ведомый валы, а также устройство преобразования однонаправленного вращения ведущего вала в колебательное вращение ведомого вала с возможностью изменения от рукоятки управления размаха колебания, включающее в себя установленный в цапфах ведомого вала, кинематически связанный с ведущим валом наклонный кривошип, отличающийся тем, что снабжен выполненным на ведущем валу водилом и смонтированным в корпусе с возможностью поворота от рукоятки управления коническим зубчатым колесом, а также установленным на водиле, шарнирно связанным с наклонным кривошипом и образующим с зубчатым коническим колесом внутреннее зацепление сателлитом с числом зубьев в два раза меньшим, чем на колесе.An oscillating mechanism for a high-torque variator, comprising a control handle, drive and driven shafts mounted on the bearings of the housing, and a device for converting the unidirectional rotation of the drive shaft into oscillatory rotation of the driven shaft with the possibility of changing the swing range from the control handle, including the shaft mounted in the pins kinetically connected with the drive shaft inclined crank, characterized in that it is provided with a carrier made on the drive shaft and mounted in the housing e rotatable by the bevel gear control arm and mounted on a carrier pivotably connected with an inclined crank and forming with the toothed conical internal gear planet wheel with a number of teeth two times lower than on a wheel.

Images