RU2457379C1 - Differential variator - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: differential variator comprises several sequential stages of planetary gear sets two of which are closed by common double-wheel ring gears 6 to make closed loop. The number of teeth in stages is selected to make ring gear torque in steady-state conditions exceeds that at output link 9 to ensure invariable torque transmission to said output link. In transient state, moment of inertial force from weight of link made up of double-wheel planetary gear 6 of the first and third stages proportionate to angular acceleration of link 9 and weight of gear 6 promotes smooth variation on torque at output link in preset range to increase or decrease it subject to the sign of acceleration.

EFFECT: variable torque at output shaft with no special braking of one or several links.

2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных механизмах и машинах для бесступенчатого преобразования вращательного движения в заданном диапазоне угловой скорости ведомого звена.The invention relates to mechanical engineering and can be used in various mechanisms and machines for stepless conversion of rotational motion in a given range of angular velocity of the driven link.

Известен вариатор, состоящий из входного вала с солнечной шестерней и содержащий сателлиты, фрикционные диски, промежуточный вал, корону и выходной вал. (А.Ф.Крайнев «Механика машин». Фундаментальный справочник, 2000, стр.71, а)Known variator, consisting of an input shaft with a sun gear and containing satellites, friction discs, an intermediate shaft, a crown and an output shaft. (A.F. Krainev “Mechanics of machines.” Fundamental Handbook, 2000, p. 71, a)

Известный механизм характеризуется относительно низким диапазоном изменения частоты вращения выходного вала, малой нагрузочной способностью, потерями мощности в фрикционном механизме, повышенными тепловыми потерями.The known mechanism is characterized by a relatively low range of variation of the output shaft rotation speed, low load capacity, power losses in the friction mechanism, and increased heat losses.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является зубчатое передаточное устройство с бесступенчатым изменением передаточного отношения, включающее две ступени планетарных механизмов, состоящих из большой и малой центральных шестерен, жестко закрепленных на центральном валу и внешней двухвенцовой шестерни, с возможностью вращения последней вокруг оси центральных колес, при этом внешние зубья центральных шестерен и внутренние зубья двухвенцовой шестерни находятся в зацеплении с планетарными шестернями, радиально расположенными вокруг центральных колес и одновременно установленными на осях двух водил, с возможностью вращения последних вокруг центральных колес и передачи мощности, при этом первая ступень является ведущей, а вторая - ведомой. (GB Патент N_s 2238 090, 1991 г.)The closest in technical essence to the claimed one is a gear transmission device with a stepless change in gear ratio, including two stages of planetary gears, consisting of large and small central gears, rigidly mounted on the central shaft and an external two-gear gear, with the possibility of rotation of the latter around the axis of the central wheels, while the outer teeth of the central gears and the inner teeth of the two-gear gear are meshed with planetary gears, radially distributed Proposition around the central wheel and simultaneously mounted on the axes of the two driven rotatably latter around the central wheels and transmit power, the first step is the leading and the second - the slave. (GB Patent N _s 2238 090, 1991)

Это передаточное устройство не обеспечивает передачу крутящего момента без дополнительного управляющего устройства, а использование последнего усложняет конструкцию, снижает КПД и надежность работы устройства, устройство не работает в оптимальном режиме в зависимости от изменения нагрузки на ведущем и ведомом валах допускается динамическая нагрузка на управляющий механизм, что снижает надежность и увеличивает износ устройства.This transmission device does not provide torque transmission without an additional control device, and the use of the latter complicates the design, reduces the efficiency and reliability of the device, the device does not work in optimal mode, depending on changes in the load on the drive and driven shafts, a dynamic load on the control mechanism is allowed, which reduces reliability and increases device wear.

В основу изобретения положена задача создания такой дифференциальной передачи, в которой без внешнего управляющего воздействия можно бесступенчато изменять вращательные движения выходного звена в заданном диапазоне угловой скорости.The basis of the invention is the creation of such a differential gear, in which without external control action, it is possible to steplessly change the rotational motion of the output link in a given range of angular velocity.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальной передаче, содержащей планетарную передачу первой ступени, состоящей из центральной шестерни Z₁ сателлита g₁ и водила h₁, планетарную передачу второй ступени, состоящей из центрального колеса Z₂ сателлита g₂ и водила h₂, и планетарную передачу третьей ступени, состоящей из колес Z₃ сателлита g₃ и водила h₂, первая и третья планетарные передачи замкнуты двухвенцовой короной B определенной массы m с числами зубьев b₁ и b₂, а числа зубьев Z₂, g₂ и Z₃ g₃, b₂ подобраны таким образом, что в устоявшемся режиме выполняется условие T_B=-(7/15)T_Z1, а в переходных режимах - T_B=-(7/15)T_Z1±M_и, где T_B - крутящий момент на короне, T_Z1 - крутящий момент на ведущем звене, M=9_E - момент инерционных сил от массы звена B, обеспечивает передачу силового потока по звеньям Z₁, g₁, Z₂, g₂, Z₃ и g₃ при угловой скорости звена, равной нулю.The problem is achieved in that in a differential gear comprising a planetary gear of a first stage consisting of a central gear Z _{1 of a} satellite g ₁ and a carrier h ₁ , a planetary gear of a second stage consisting of a central gear Z _{2 of a} satellite g ₂ and a carrier h ₂ , and planetary gear of the third stage, consisting of wheels Z _{3 of the} satellite g ₃ and carrier h ₂ , the first and third planetary gears are closed by a two-crowned crown B of a certain mass m with the number of teeth b ₁ and b ₂ , and the number of teeth Z ₂ , g ₂ and Z ₃ g _3, b ₂ are selected in such a way that usto vshemsya mode condition _{T B = - (7/15) T} Z1, and in transient regimes _{- T B = - (7/15)} T Z1 ± M _and where T _B - the torque on the crown, T _Z1 - torque on the leading link, M = 9 _E - the moment of inertial forces from the mass of link B, provides the transmission of the power flow along links Z ₁ , g ₁ , Z ₂ , g ₂ , Z ₃ and g ₃ at an angular velocity of the link equal to zero.

На фиг.1 показана функциональная схема дифференциального вариатора,Figure 1 shows a functional diagram of a differential variator,

на фиг.2 - кинематическая схема вариатора.figure 2 - kinematic diagram of the variator.

Дифференциальный вариатор (фиг.1) состоит из ведущего звена Z₁ сателлита g₁ и водила h₁, на выходном валу которого установлено ведущее звено планетарной передачи второй ступени Z₂, зацепляющееся с сателлитом g₂, установленном на водиле h₂. Сателлит g₃, имея общую ось с сателлитом g₂, зацепляется с выходным звеном Z₃. Двухвенцовое звено B, с внутренним зацеплением, образует замкнутый контур с планетарными передачами первой и третьей ступеней и имеет определенную массу m. Как любая дифференциальная передача, заявляемая может иметь ведущим звеном Z₁, B или Z₃, однако рассматривается здесь передача, в которой ω_z1>ω_z3.The differential variator (Fig. 1) consists of the leading link Z _{1 of the} satellite g ₁ and the carrier h ₁ , on the output shaft of which the leading link of the planetary gear of the second stage Z _{2 is} installed, engaged with the satellite g ₂ mounted on the carrier h ₂ . The satellite g ₃ , having a common axis with the satellite g ₂ , engages with the output link Z ₃ . The two-crown link B, with internal gearing, forms a closed loop with planetary gears of the first and third stages and has a certain mass m. Like any differential gear, the claimed gear may have a leading link Z ₁ , B or Z ₃ , however, here we consider a gear in which ω _z1 > ω _z3 .

Дифференциальный вариатор фиг.2 включает центральную шестерню 1, сателлит первой ступени 2, сателлит второй ступени 3, центральное колесо первой ступени 4, центральную шестерню второй ступени 5, центральное колесо второй ступени 6, водило 7, сателлит второй ступени 8 и центральное колесо 9.The differential variator of figure 2 includes a central gear 1, a satellite of the first stage 2, a satellite of the second stage 3, a central wheel of the first stage 4, a central gear of the second stage 5, a central wheel of the second stage 6, carrier 7, a satellite of the second stage 8 and a central wheel 9.

Работает передача следующим образом. За счет двухвенцовой короны B звенья передачи образуют замкнутый контур. В зависимости от направления вращения звеньев в замкнутом контуре возможна циркуляция мощности при значительном снижении КПД передачи.The transmission works as follows. Due to the two-crown crown B, the transmission links form a closed loop. Depending on the direction of rotation of the links in a closed loop, power circulation is possible with a significant reduction in transmission efficiency.

Если знаки угловых скоростей звеньев B и Z₁ совпадают, то произведение T_Z1∗ω_Z1>0 (вал ведущий), звено B оказывается ведомым и T_B∗ω_B<0, а так как угловая скорость ω_Z3>0, то и колесо Z₃ является ведомым, a T_Z3∗ω_Z3<0. Так как произведение T_b1∗ω_Z3=T_b1∗ω_B<0, то поток мощности, подводимый к колесу Z₁, разделяется в планетарном ряду 1 и поступает на ведомые звенья B и Z₃ с минимальными потерями. Так как поток мощности, проходящий через планетарный ряд 3, имеет относительно высокие потери, момент на колесе b₂ оказывается меньше значения T_b1=-15T_Z1, поэтому реальный момент на звене B может быть равным нулю и передача момента на колесо Z₃ оказывается возможной без торможения звена B.If the signs of the angular velocities of the links B and Z ₁ coincide, then the product T _Z1 ∗ ω _Z1 > 0 (drive shaft), the link B turns out to be driven and T _B ∗ ω _B <0, and since the angular velocity ω _Z3 > 0, then Z ₃ is a driven wheel, and T _Z3 ∗ ω _Z3 <0. Since the product T _b1 ∗ ω _Z3 = T _b1 ∗ ω _B <0, the power flow supplied to the wheel Z ₁ is divided in the planetary gear set 1 and arrives at the driven links B and Z ₃ with minimal losses. Since the power flow passing through planetary gear set 3 has relatively high losses, the moment on the wheel b ₂ turns out to be less than the value T _b1 = -15T _Z1 , therefore, the real moment on the link B can be equal to zero and the transmission of the moment to the wheel Z ₃ is possible without braking link B.

Если знаки угловых скоростей звеньев B и Z₁ не совпадают, то произведение T_Z1∗ω_Z1>0 (вал является ведущим), и звено B тоже будет ведущим, т.е. T_B∗ω_B>0. Так как угловая скорость ω_Z3>0, то колесо Z₃ остается ведомым T_Z3∗ω_Z3<0. Разные знаки угловых скоростей звеньев B и Z₁ приводят к тому, что угловая скорость ведомого звена уменьшается, а передаточное число увеличивается. Произведение T_b2∗ω_b2=T_b2∗ω_B<0, поэтому поток мощности, подводимый к колесу Z₁, складывается с циркулирующей мощностью и поступает на ведомые звенья B и Z₃ с максимальными потерями. За счет этих потерь величина передаваемого момента увеличивается, даже если пренебречь торможением звена B.If the signs of the angular velocities of the links B and Z ₁ do not coincide, then the product T _Z1 ∗ ω _Z1 > 0 (the shaft is leading), and the link B will also be leading, i.e. T _B ∗ ω _B > 0. Since the angular velocity ω _Z3 > 0, the wheel Z ₃ remains driven T _Z3 ∗ ω _Z3 <0. Different signs of the angular velocities of the links B and Z ₁ lead to the fact that the angular velocity of the driven link decreases, and the gear ratio increases. The product is T _b2 ∗ ω _b2 = T _b2 ∗ ω _B <0, therefore, the power flow supplied to the wheel Z ₁ is added with the circulating power and fed to the driven links B and Z ₃ with maximum losses. Due to these losses, the magnitude of the transmitted moment increases, even if we neglect the braking of link B.

Если момент нагрузки на выходном валу равен нулю, то за счет сил трения в зацеплении и в опорах сателлитов вращение звеньев Z₁ и B осуществляется с одинаковой скоростью и тогда ω_Z3=ω_B=ω_Z1. При торможении выходного вала угловая скорость звена B уменьшается за счет действия инерционного момента M_и=J∗E, являющегося тормозным, и соответственно уменьшается угловая скорость выходного звена и увеличивается момент T_Z2. При этом силовой поток в быстроходной ступени разветвляется и суммируется в тихоходной ступени. Если угловая скорость звена B, уменьшаясь, становится равной нулю, силовой поток протекает только по звеньям Z₁, h₁, Z₂, g₂, Z₃, g₃. Если скорость звена B не равна нулю, часть потока протекает по цепи Z₁, g₁, b₁, b₂, g₃, Z₃. Колебания скорости звена B и определяют величину силового потока во внешнем или внутреннем контуре. Регулирующим элементом и является момент инерции M_и, величина которого зависит от массы m звена B и его углового ускорения. При дальнейшем увеличении момента на выходном звене Z₃ возникает циркуляция мощности в замкнутом контуре, а угловая скорость его становится равной нулю.If the load moment on the output shaft is zero, then due to the friction forces in the gearing and in the supports of the satellites, the rotation of the links Z ₁ and B is carried out at the same speed and then ω _Z3 = ω _B = ω _Z1 . When the output shaft brakes, the angular velocity of the link B decreases due to the inertial moment M _and = J ∗ E, which is the braking effect, and accordingly, the angular velocity of the output link decreases and the moment T _Z2 increases. In this case, the power flow in the high-speed stage branches and summarizes in the low-speed stage. If the angular velocity of the link B, decreasing, becomes equal to zero, the power flow flows only along the links Z ₁ , h ₁ , Z ₂ , g ₂ , Z ₃ , g ₃ . If the speed of link B is not equal to zero, part of the flow flows along the chain Z ₁ , g ₁ , b ₁ , b ₂ , g ₃ , Z ₃ . Fluctuations in the speed of link B and determine the magnitude of the power flow in the external or internal circuit. The regulatory element is the moment of inertia M _and , the magnitude of which depends on the mass m of the link B and its angular acceleration. With a further increase in torque at the output link Z ₃ , power circulation occurs in a closed circuit, and its angular velocity becomes equal to zero.

Звено B в режиме максимальной циркуляции мощности вращается в направлении, противоположном направлению вращения входного звена с угловой скоростью, равной ω_B=-ω_Z1/U_Z1b1 ^(h1), где U_Z1b1 ^(h1) - передаточное число от звена b₁ к Z₁.Link B in the maximum power circulation mode rotates in the direction opposite to the direction of rotation of the input link with an angular velocity equal to ω _B = -ω _Z1 / U _Z1b1 ^(h1) , where U _Z1b1 ^(h1) is the gear ratio from link b ₁ to Z ₁ .

Как показали испытания макета (Фиг.2), дифференциальный вариатор является промышленно применимым и может быть использован в трансмиссиях автомобилей, приводах конвейеров и транспортеров и других устройствах, требующих плавного изменения угловых скоростей.As shown by the tests of the layout (Figure 2), the differential variator is industrially applicable and can be used in automobile transmissions, conveyor and conveyor drives, and other devices requiring a smooth change in angular speeds.

На фиг.2: звенья 1, 5, 9 - центральные шестерни, 7 - водило, звенья 2, 3, 8 - сателлиты, звенья 4, 6 - коронные центральные шестерни.In Fig.2: links 1, 5, 9 - central gears, 7 - carrier, links 2, 3, 8 - satellites, links 4, 6 - crown central gears.

Таким образом, разработанный дифференциальный вариатор позволяет изменять вращение выходного звена без вывода шестерней из зацепления. Описанная схема вращения звеньев объясняет, как можно получить переменный момент на выходном валу без специального торможения звена B в стационарном и переходном режимах.Thus, the developed differential variator allows you to change the rotation of the output link without removing gear from the mesh. The described link rotation scheme explains how to obtain a variable moment on the output shaft without special braking of link B in stationary and transient modes.

Claims (1)

Дифференциальный вариатор, содержащий ведущее и ведомое звенья, зубчатые венцы, водила, отличающийся тем, что он имеет несколько последовательных ступеней планетарных передач, из которых две замкнуты общей короной с внутренним зацеплением и определенной массой m, а числа зубьев в ступенях подобраны таким образом, что в установившемся режиме крутящий момент на короне Т_b1 значительно больше момента на входном звене T_Z1, что обеспечивает передачу постоянного вращающего момента на выходное звено, а в переходном режиме момент сил инерции М_и, являющийся моментом инерции сил от массы звена В, пропорциональный угловому ускорению звена Z₃, являющегося выходным звеном, и массе m звена В, являющегося двухвенцовой короной первой и третьей ступеней, способствует плавному изменению крутящего момента на выходном звене в заданном диапазоне, увеличивая или уменьшая его в зависимости от знака ускорения. A differential variator containing leading and driven links, ring gears, a carrier, characterized in that it has several successive stages of planetary gears, two of which are closed by a common crown with internal gearing and a certain mass m, and the number of teeth in the steps is selected so that in the steady state, the torque on the corona T _{b1 is} much greater than the moment at the input link T _Z1 , which ensures the transmission of constant torque to the output link, and in the transition mode, the moment of inertia forces M _and , being the moment of inertia of forces from the mass of the link B, proportional to the angular acceleration of the link Z ₃ , which is the output link, and the mass m of the link B, which is the two-crown crown of the first and third steps, contributes to a smooth change in the torque at the output link in a given range, increasing or decreasing it depending on the sign of acceleration.

Images