Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для плавного изменения передаточного отношения между входным и выходным звеньями механизма. Вариатор содержит по меньшей мере одно зубчатое зацепление для передачи вращения с ведущего вала (616) на ведомый вал (610), первое зубчатое колесо (601), расположенное на ведущем валу и выполненное в виде в целом конического тела вращения с криволинейной образующей, не имеющей точек перегиба, второе зубчатое колесо (602, 622), связанное с ведомым валом и составленное из по меньшей мере трех одинаковых передаточных элементов в виде тел вращения, оси которых лежат в одной плоскости и вместе образуют замкнутое кольцо. Все передаточные элементы второго зубчатого колеса (602, 622) установлены на ступице для синхронного вращения вокруг своих осей. Ширина каждого зуба передаточного элемента и ширина промежутка между зубьями изменяются ответно ширине промежутка между зубьями и ширине каждого зуба упомянутого первого зубчатого колеса при перекатывании передаточного элемента вдоль образующей первого зубчатого колеса. Изобретение позволяет расширить арсенал технических средств. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

Область изобретения

Уровень техники

Так, в патенте США №5984820 (опубл. 16.11.1999) описан вариатор, в котором изменение передаточного отношения осуществляется путем перемещения контактного кольца по поверхностям конусов, установленных внутри этого кольца так, что их образующие, наиболее удаленные от оси кольца, расположены параллельно этой оси.

Недостатком обоих этих вариаторов является то, что изменение передаточного отношения производится в них с помощью трения, поэтому такие вариаторы нельзя использовать для передачи больших мощностей.

В этом устройстве приходится применять специальное приспособление типа карданова подвеса для того, чтобы снимать переменный вращающий момент с вала выходного тороидального колеса, поскольку оно меняет положение своей оси вращения при изменении передаточного отношения.

Патент США №5597056 (опубл. 28.01.1997) раскрывает вариатор, в котором для изменения передаточного отношения использованы несколько расположенных воронкообразно элементов с коническими частями, по поверхностям которых скользят направляющие, связанные с валами.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка такого способа адаптивного изменения передаточного числа механической передачи и такого реализующего этот способ адаптивного вариатора, которые были бы свободны от указанных недостатков, а кроме того, обеспечивали бы технический результат в виде расширения арсенала технических средств.

В первом объекте настоящего изобретения поставленная задача решается с достижением указанного технического результата путем обеспечения способа адаптивного изменения передаточного числа механической передачи, заключающегося в том, что: передают вращение с ведущего вала на ведомый вал посредством по меньшей мере одного зубчатого зацепления; выполняют первое зубчатое колесо в виде в целом конического тела вращения с криволинейной образующей, не имеющей точек перегиба; выполняют второе зубчатое колесо составленным из по меньшей мере трех одинаковых передаточных элементов в виде тел вращения, оси которых лежат в одной плоскости, таким образом, что упомянутые передаточные элементы вместе образуют замкнутое кольцо; выполняют на поверхности каждого из упомянутых передаточных элементов зубья, ширина каждого из которых и ширина промежутка между которыми изменяются ответно, соответственно ширине промежутка между зубьями и ширине каждого зуба упомянутого первого зубчатого колеса при перекатывании упомянутого передаточного элемента вдоль упомянутой образующей первого зубчатого колеса; обеспечивают возможность синхронного вращения упомянутых передаточных элементов вокруг своих осей в упомянутом втором зубчатом колесе; при передаче вращения перемещают точку зацепления упомянутых зубчатых колес в упомянутом зубчатом зацеплении вдоль упомянутой образующей первого зубчатого колеса в зависимости от приложенной к ведомому валу нагрузки.

Для обоих указанных объектов могут иметь место несколько вариантов. В первом и втором варианте используется только одно первое зубчатое колесо в виде в целом конического тела вращения, которое находится внутри второго зубчатого колеса, составленного из нескольких зубчатых элементов. В других вариантах несколько (к примеру, два) первых зубчатых колес в виде в целом конического тела вращения окружают одно второе составное зубчатое колесо. Или наоборот, несколько вторых зубчатых колес окружают одно первое зубчатое колесо. При этом во всех вариантах первое зубчатое колесо может быть выполнено чисто коническим (с прямой образующей) либо иметь выпуклую (в виде перевернутой чаши) или вогнутую (в виде подставки для глобуса) форму. В зависимости от конкретного вида этого первого зубчатого колеса меняется вид подвижного соединения первого зубчатого колеса со своим валом. В первом варианте второе составное зубчатое колесо может быть составлено из зубчатых элементов, представляющих из себя: цилиндрические, бочонко- и катушкообразные (в виде яблочного огрызка) тела вращения с круглым или эллиптическим поперечным сечением.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, иллюстрирующими его возможные варианты осуществления. На всех чертежах две последних цифры любых ссылочных позиций, относящихся к одинаковым или сходным элементам, совпадают.

На фиг.2 представлен вариант осуществления адаптивного зубчатого вариатора по настоящему изобретению с одним первым и одним вторым зубчатыми колесами, когда зубчатые элементы второго зубчатого колеса в своем поперечном сечении имеют круглую форму.

На фиг.4 показан вариант исполнения второго зубчатого колеса, когда зубчатые элементы имеют цилиндрическую форму.

На фиг.6 представлен вариант осуществления адаптивного зубчатого вариатора по настоящему изобретению с одним коническим первым зубчатым колесом и двумя тороидальными вторыми зубчатыми колесами.

На фиг.8 представлен вариант осуществления адаптивного зубчатого вариатора по настоящему изобретению с первыми зубчатыми колесами выпуклой формы.

Перечень используемых терминов

«Передаточное отношение» - отношение угловой скорости вращения выходного вала к угловой скорости вращения входного вала.

«В целом коническое тело вращения» - тело вращения, площадь одного основания которого меньше площади другого основания, а площадь любого сечения перпендикулярно оси вращения лежит между этими площадями оснований.

«Монотонное уменьшение» размера - плавное и постоянное, т.е. без скачков или остановок, уменьшение соответствующего размера при перемещении вдоль соответствующей линии.

«Окружность наибольшего радиуса тора» - окружность, перпендикулярная оси вращения тора и проходящая через точки тороидальной поверхности, наиболее удаленные от этой оси вращения.

«Перекатывание передаточного элемента вдоль образующей первого зубчатого колеса» - перемещение передаточного элемента второго зубчатого колеса вдоль (по) образующей первого зубчатого колеса, при котором зубья передаточного элемента попадают в промежутки между зубьями первого зубчатого колеса и наоборот, а сам передаточный элемент вращается вокруг своей оси, расположенной перпендикулярно касательной к упомянутой образующей в точке касания этого передаточного элемента с первым зубчатым колесом.

Показанный на фиг.1 вариант осуществления адаптивного зубчатого вариатора по настоящему изобретению соответствует первому из упомянутых выше вариантов совместного расположения зубчатых колес.

На боковой (конической) поверхности первого зубчатого колеса 101 выполнены чередующиеся зубья 118 и промежутки 117. Ширина каждого зуба 118 и ширина каждого промежутка 117 монотонно уменьшается по мере уменьшения диаметра усеченного конуса, т.е. по мере смещения от большего основания усеченного конуса к меньшему. При этом высота каждого зуба 118 и глубина каждого промежутка 117 может изменяться точно таким же образом, хотя это изменение и не обязательно.

Первое зубчатое колесо 101 образует на фиг.1 зубчатое зацепление со вторыми зубчатым колесом 102.

Каждый передаточный элемент 103 несет на себе зубья 108 и промежутки 107 между ними. Ширина каждого зуба 108 и ширина промежутков 107 между зубьями изменяются монотонно и ответно соответственно ширине промежутков 107 между зубьями и ширине каждого зуба 108 первого зубчатого колеса 101 при перекатывании передаточного элемента 103 вдоль образующей первого зубчатого колеса 101. Иными словами, передаточный элемент 103 несет на себе зубья 108 и промежутки 107, развертка которых ответна промежуткам 118 и зубьям 117 первого зубчатого колеса 101. Таким образом, каждый передаточный элемент 103 второго зубчатого колеса 102 может войти в зацепление с первым зубчатым колесом 101 в любом месте вдоль образующей первого зубчатого колеса 101.

Передаточные элементы 103 второго зубчатого колеса 102 установлены в ступице 109 с возможностью синхронного вращения вокруг своих осей. Для этого на торцах передаточных элементов 103 могут быть выполнены зубья 153 конической передачи, а сами передаточные элементы 103 установлены в ступице 109 с помощью любых подходящих средств. На фиг.3 условно показаны два таких средства: обойма 351 для удержания шарикового или конического шарнира 352, на который опираются соседние передаточные элементы 303, и кронштейны 354 с вращающимися зубчатыми роликами 355 для подвески передаточных элементов 303. Возможны, разумеется, и иные средства для установки передаточных элементов 103 с возможностью их вращения вокруг своих осей. Конструкция обоймы, удерживающей передаточные элементы 103 второго зубчатого колеса 102 по фиг.1, позволяет поместить внутрь образованного ими кольца первое зубчатое колесо 101. Вариант такой конструкции обоймы показан на фиг.5.

Следует отметить, что подшипники могут быть любого подходящего типа. Вид корпуса 112 также приведен на фиг.1 в чисто иллюстративных целях.

Крутящий момент со входного вала 104 передается посредством первого зубчатого колеса 101 на передаточные элементы 103 второго зубчатого колеса 102. Передаточные элементы 103 через ступицу 109 второго зубчатого колеса передают крутящий момент на выходной вал 110.

В том случае, когда нагрузка на выходном валу 110 уменьшается, уменьшается и усилие в точке контакта выступа в осевом отверстии первого зубчатого колеса 101 со стенкой направляющего винтообразного канала входного вала 104, и пружина 111 заставляет второе зубчатое колесо 102 сместиться в сторону увеличения диаметра конического тела вращения первого зубчатого колеса 101. При этом в новом состоянии равновесия передача крутящего момента от первого зубчатого колеса 101 ко второму зубчатому колесу 102 будет происходить при большей угловой скорости, а следовательно, при меньшем усилии.

На фиг.2 изображен вариант с одним зубчатым зацеплением, когда вал первого зубчатого колеса установлен с возможностью его углового отклонения относительно оси вала второго зубчатого колеса. Для реализации упомянутого отклонения вал 210 выполнен составным. Со стороны меньшего основания в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса 201 имеется расширение 260 с полостью, открытой со стороны, противоположной месту крепления, и имеющей канавку (показана пунктиром). По этой канавке могут перемещаться концы вкладыша 261, жестко закрепленного на конце одной из частей составного вала 210. В целом расширение 260 и вкладыш 261 вала 210 образуют передаточный механизм типа карданного, обеспечивающий угловое отклонение оси одной из частей составного вала 210 первого зубчатого колеса 201 относительно оси вала 204 второго зубчатого колеса 202. Этот механизм дополняет пружина 211 с роликом, ограничивающая отклонение вала 210 и второго зубчатого колеса 201.

Таким образом, по фиг.2 первое зубчатое колесо 201 лишь меняет свой угол наклона относительно вала второго зубчатого колеса, в то время как второе зубчатое колесо 202 может навинчиваться на вал 204 и перемещаться вдоль образующей первого зубчатого колеса 201.

При увеличении нагрузки на выходном валу 210 тот начинает тормозиться и через карданный механизм тормозить первое зубчатое колесо 201. Первое зубчатое колесо 201 тормозит второе зубчатое колесо 202, выступ в осевом отверстии ступицы которого воздействует на винтообразный канал входного вала 204. Осевая составляющая силы, возникающей в точке контакта выступа в осевом отверстии ступицы 209 второго зубчатого колеса 202 со стенкой направляющего винтообразного канала входного вала 202, стремится переместить (навинтить) второе зубчатое колесо 202 в направлении уменьшения диаметра в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса 201. Это перемещение сопровождается некоторым отклонением оси вращения первого зубчатого колеса 201 относительно оси входного вала 204. Пружина 211 с роликом поджимает первое зубчатое колесо 201 к передаточным элементам 203 второго зубчатого колеса 202, обеспечивая их постоянное зацепление.

На фиг.6 показан вариант с двумя зубчатыми зацеплениями. Первое зубчатое колесо 601 жестко посажено на вал 616 и помещено между двумя вторыми зубчатыми колесами 602 и 622, валы которых сходятся и передают вращение на общий ведомый вал 610.

Каждый передаточный элемент 603 вторых зубчатых колес 602 и 622 (по фиг.6) приближенно напоминает бочонок. Оси всех передаточных элементов 603 лежат в одной плоскости так, что огибающие всех этих передаточных элементов 603 в этой общей плоскости совпадают с окружностью наибольшего диаметра тора. Это хорошо видно на фиг.3, где шесть бочонкообразных передаточных элементов 303 установлены друг за другом по окружности так, что их образующие являются частями охватывающей окружности 350. Однако последнее условие является опциональным, и допустимо, чтобы передаточные элементы 303 имели форму цилиндров или иную форму тел вращения, при которой их образующие не выходят за окружность 350 наибольшего диаметра тора.

Два вторых зубчатых колеса показаны на фиг.6 только с точки зрения простоты изображения. На деле вторых зубчатых колес (т.е. зубчатых зацеплений с первым зубчатым колесом 601) может быть и больше, например, три, четыре и т.д.

В варианте осуществления по фиг.6 валы 604 и 605 вторых зубчатых колес 602 и 622 соединены с помощью вспомогательной зубчатой передачи 615 с входным валом 610, который через подшипник закреплен в корпусе 612. Вал 616 первого зубчатого колеса 601 в этом варианте осуществления является выходным валом.

Функционирование адаптивного вариатора по фиг.6 осуществляется следующим образом.

При увеличении нагрузки на выходном валу 616 он начинает тормозиться, и добавочное усилие через выступы в осевых отверстиях ступиц 609, 639 вторых зубчатых колес 602, 622 воздействует на винтообразные каналы валов 604, 605. Осевая составляющая силы, возникающей в точке контакта выступа в осевом отверстии ступицы каждого из вторых зубчатых колес 602, 622, со стенкой направляющего винтообразного канала соответствующего вала 604, 605 стремится переместить (навинтить) второе зубчатое колесо 602, 622 в направлении уменьшения диаметра конического тела вращения первого зубчатого колеса 601. Этому перемещению препятствует пружина 611, так что после некоторого перемещения второго зубчатого колеса 602, 622 в сторону меньшего основания в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса 601 устанавливается состояние равновесия, при котором передача крутящего момента к нагрузке происходит с меньшей угловой скоростью, а следовательно, с большим усилием.

На фиг.7 показан другой вариант осуществления адаптивного зубчатого вариатора по настоящему изобретению. В этом варианте используется только одно второе зубчатое колесо 702, вал 704 которого является входным валом устройства. При этом конструкция второго зубчатого колеса 702 ничем не отличается от конструкции любого из вторых зубчатых колес 602 или 622 по фиг.6. Вал 704 второго зубчатого колеса 702 также имеет винтовую канавку 706, а ступица 709 второго зубчатого колеса 702 имеет ответный этой канавке выступ. При этом второе зубчатое колесо 702 подпружинено пружиной 711 аналогично каждому из вторых зубчатых колес 602 и 622 варианта осуществления по фиг.6.

В отличие от варианта осуществления по фиг.6 в варианте по фиг.7 имеется два первых зубчатых колеса 701 и 721 и только одно второе зубчатое колесо 702. Первые зубчатые колеса 701 и 721 размещаются вокруг единственного второго зубчатого колеса 702 так, что в любой момент зубья хотя бы одного из первых зубчатых колес 701 или 721 находятся в зацеплении с зубьями какого-либо передаточного элемента 703 второго зубчатого колеса 702.

Крутящий момент со входного вала 704 передается на ступицу 709 и зубчатые передаточные элементы 703 второго зубчатого колеса 702. От передаточных элементов 703 второго зубчатого колеса 702 крутящий момент через первые зубчатые колеса 701, 721 и их валы 713, 714 передается на выходной вал 710.

В том случае, когда нагрузка на выходном валу 711 уменьшается, пружина 711 заставляет второе зубчатое колесо 702 сместиться в сторону большего основания в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса 701 или 721. В новом состоянии равновесия передача крутящего момента от второго зубчатого колеса к первым зубчатым колесам будет происходить при большей угловой скорости, а следовательно, при меньшем усилии.

Если огибающая в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса имеет выпуклость, направленную от оси вращения этого в целом конического тела вращения, настоящее изобретение может быть осуществлено в виде, представленном на фиг.8.

В отличие от вариантов осуществления, показанных на фиг.1, 2, 6 и 7, на валу 804 имеется подвижная шайба 826, имеющая осевое отверстие, такое, чтобы в него мог свободно входить вал 804. Шайба 826 шарнирно соединена тягами 824, 825 с соответствующими ползунами 822, 823, надетыми каждый на соответствующий вал 813, 814 первых зубчатых колес 801. 821. Шайба 826 подпружинена пружиной 811 в направлении, препятствующем перемещению передаточных элементов 803 второго зубчатого колеса 802 вдоль образующих первых зубчатых колес 801, 821 в сторону уменьшения диаметров последних. Ведущий (входной) вал 804 снабжен винтовой канавкой 806, а ступица 809 второго зубчатого колеса 802 имеет в своем осевом отверстии выступ, ответный упомянутой канавке 806 входного вала 804, для обеспечения возможности перемещения (навинчивания) второго зубчатого колеса 802 вдоль вала 804.

Устройство валов 813, 814 подобно валу 210 первого зубчатого колеса 201 по фиг.2 и обеспечивает угловое отклонение первых зубчатых колес 801, 821 относительно оси ведущего вала 804 второго зубчатого колеса 802.

Крутящий момент со входного вала 804, через ступицу и передаточные элементы 803 второго зубчатого колеса 802 передается на первые зубчатые колеса 801 и 821. От них крутящий момент через составные валы 813, 814 передается на выходной вал 810.

При уменьшении нагрузки на выходном валу 810 второе зубчатое колесо 802 и шайба 826 под воздействием пружины переместятся в сторону больших оснований чаш первых зубчатых колес 801, 821, те отклонятся от ведущего вала, и угловая скорость выходного вала 810 возрастет.

На фиг.9 показан адаптивный зубчатый вариатор, содержащий первое зубчатое колесо 901, жестко закрепленное на валу 916, который является входным валом. Вал 916 через подшипники установлен в корпусе 912. Как видно из фиг.9, первое зубчатое колесо 901 выполнено в виде в целом конического тела вращения, напоминающего подставку для глобуса. Как и в вариантах по фиг.1, 2, 6, 7, 8, на первом зубчатом колесе 901 и вторых зубчатых колесах 902, 922 выполнены зубья и промежутки между ними, изменяющиеся так же, как и в первом зубчатом колесе на фиг.1.

Для реализации механизма саморегулирования на ведущем валу 904 установлен подпружиненный подвижный элемент 930, который через шарниры 932 упирается в ступицы 909, 939 вторых зубчатых колес 902, 922. Ведущий (входной) вал 904 снабжен винтовой канавкой 906, а подвижный элемент 930 снабжен в своем осевом отверстии выступом, ответным упомянутой канавке 906 входного вала 904, для обеспечения возможности перемещения (навинчивания) на вал 904.

Функционирование адаптивного вариатора по приведенному на фиг.9 варианту осуществления происходит так.

Когда изменяется нагрузка на выходном валу 916, этот вал начинает тормозиться и через вторые зубчатые колеса и их валы тормозить подвижный элемент 930. Добавочное усилие через выступ в осевом отверстии подвижного элемента 930 воздействует на винтообразный канал ведущего вала 904. Механизм этого воздействия такой же, как описанный для подобных валов в вариантах по фиг.1, 2, 6, 7 или 8. В результате подвижный элемент 930 переместится в новое положение равновесия и через шарниры 932 надавит на ступицы 909, 939 вторых зубчатых колес 902, 922. Ступицы 902, 922 повернутся на утолщениях 961, 962, не прекращая вращения, т.к. они находятся в зацеплении выступами в своих осевых отверстиях с соответствующими им прорезями в ступицах 909, 939. В результате передаточные элементы 903 начнут зацепляться с теми зубьями первого зубчатого колеса 901, которые имеют меньшую ширину (находящимися ближе в меньшему основанию в целом конического тела вращения первого зубчатого колеса 901). Пружина 911 и пружина 931 воспрепятствуют дальнейшему перемещению ступиц 909, 939. После этого угловая скорость вращения ступиц 909, 939 уменьшится, а следовательно, увеличится передаваемое усилие.

Таким образом, в вариантах осуществления настоящего изобретения, показанных на фиг.8 и 9, также происходит адаптация вариатора к изменению нагрузки на выходном валу.

Все эти примеры, приведенные в подробном описании, предназначены исключительно для иллюстративных целей, а не для ограничения объема данного изобретения. В приведенных примерах могут быть сделаны различные модификации, не выходящие за рамки сущности настоящего изобретения. Поэтому объем данного изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения с учетом возможных эквивалентных признаков.

2. Способ по п.1, в котором уменьшают ширину зубьев и расстояние между зубьями как в первом зубчатом колесе, так и в каждом из передаточных элементов второго зубчатого колеса, по мере уменьшения радиуса упомянутого первого зубчатого колеса.

4. Способ по п.1, в котором размещают упомянутые зубчатые колеса так, чтобы при передаче вращения в любой момент зубья и канавки упомянутых передаточных элементов второго зубчатого колеса находились в зацеплении с ответными канавками и зубьями первого зубчатого колеса.

6. Способ по п.1, в котором одно из упомянутых зубчатых колес упомянутой механической передачи устанавливают жестко на своем валу, вал другого зубчатого колеса снабжают винтовой канавкой, а ступицу установленного на этом валу зубчатого колеса в своем осевом отверстии - выступом, позволяющим ступице навинчиваться на вал, тем самым способствуя перемещению соответствующего зубчатого колеса вдоль вала.

8. Способ по п.1, в котором одно из упомянутых зубчатых колес устанавливают на валу с возможностью его углового отклонения относительно оси вала другого упомянутого зубчатого колеса.

10. Способ по п.1, в котором упомянутым передаточным элементам упомянутого второго зубчатого колеса в поперечном сечении придают овальную форму.

12. Вариатор по п.11, в котором изменение высоты каждого зуба и глубины промежутка между зубьями как в первом зубчатом колесе, так и в каждом из передаточных элементов второго зубчатого колеса соответствует упомянутому изменению ширины каждого зуба и ширины промежутка между зубьями.

14. Вариатор по п.11, в котором упомянутые зубчатые колеса размещены так, чтобы при передаче вращения в любой момент зубья и канавки упомянутых передаточных элементов второго зубчатого колеса находились в зацеплении с ответными канавками и зубьями первого зубчатого колеса.

16. Вариатор по п.15, в котором одно из упомянутых зубчатых колес упомянутой механической передачи жестко укреплено на своем валу, вал другого зубчатого колеса снабжен винтовой канавкой, а ступица установленного на этом валу зубчатого колеса снабжена в своем осевом отверстии выступом, позволяющим ступице навинчиваться на вал, тем самым способствуя перемещению соответствующего зубчатого колеса вдоль вала.

18. Вариатор по п.17, в котором в осевом отверстии ступицы упомянутого второго зубчатого колеса выполнена шариковая винтовая гайка.

20. Вариатор по п.19, в котором одно из упомянутых зубчатых колес установлено на своем валу и снабжено средством углового отклонения относительно оси вала другого упомянутого зубчатого колеса.

22. Вариатор по п.11, в котором упомянутые передаточные элементы упомянутого второго зубчатого колеса в поперечном сечении имеют овальную форму.