цепной вариатор

Формула изобретения

ЦЕПНОЙ ВАРИАТОР, содержащий основание, охваченные цепью ведущую и ведомую звездочки, по крайней мере одна из которых выполнена в виде корпуса, размещенных в нем с возможностью радиального перемещения кареток, установленных на них осей с малыми звездочками для взаимодействия с цепью, закрепленных в корпусе зубчатых реек и установленных на части осей зубчатых колес для взаимодействия с последними, и натяжное устройство, отличающийся тем, что, с целью расширения кинематических возможностей и повышения нагрузочной способности за счет регулирования передаточного отношения в автоматическом режиме без разрыва потока мощности и равномерного распределения нагрузки на элементы зацепления, вариатор снабжен кулачком, установленным на корпусе, толкателем, подпружиненным к последнему в осевом направлении, конусом, размещенным в корпусе с возможностью осевого перемещения и соединенным с толкателем с возможностью вращения относительно него, рычагом, шарнирно закрепленным на основании и подпружиненным к кулачку, двумя фиксаторами для взаимодействия с толкателем, один из которых установлен на рычаге, каретки подпружинены к конусу, две из малых звездочек, расположенные диаметрально относительно конуса, зафиксированы от поворота, зубчатые колеса установлены на осях остальных малых звездочек, общее число последних выбрано четным, а диаметр делительных окружностей зубчатых колес равен



где i [2,..., n];

i целое число;

d делительный диаметр малой звездочки;

2n количество малых звездочек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в качестве регулируемого привода для различных машин и механизмов, в том числе и трансмиссий транспортных средств.

Известен цепной вариатор, содержащий две звездочки регулируемого диаметра, состоящие из раздвижных зубчатых сегментов, охваченные одной цепью [1]

Этот вариатор имеет следующий недостаток, который делает его практически неработоспособным. В силу того что при изменении рабочего диаметра звездочки соответственно изменяется длина отрезка цепи между зубчатыми сегментами, зацепление между звездочкой и цепью нарушается. Это приводит к сбросу цепи или поломке механизма. Таким образом, этот механизм способен менять свое передаточное отношение только после остановки и снятия цепи, что не позволяет назвать его не только вариатором, но и полноценной коробкой передач.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является цепной вариатор, содержащий две регулируемые звездочки, расположенные на основании и охваченные замкнутой тяговой цепью, состоящие каждая из трех полных малых звездочек и трех вспомогательных роликов, установленных с возможностью радиального перемещения под воздействием винтового управляющего механизма, причем одна из малых звездочек установлена без возможности вращения, а две оставшиеся, находясь в зацеплении с зубчатыми рейками на корпусе регулируемой звездочки, при радиальном перемещении проворачиваются в противоположные стороны [2]

Этот вариатор имеет тот же недостаток, что и предыдущий. Описанным способом возможно регулирование диаметра далеко не в любом положении малых звездочек относительно зоны их контакта с цепью. Например, если при увеличении диаметра регулируемой звездочки малые звездочки, связанные с зубчатыми рейками, вращаются в направлении к невращающейся звездочке, находящейся в этот момент в зацеплении с цепью, регулирование диаметров составных звездочек возможно без снятия цепи. Если же невращающаяся малая звездочка не находится в зацеплении с цепью, ни увеличение, ни уменьшение диаметра соответствующей звездочки невозможно без нарушения зацепления между ней и цепью, причем подкручивание звездочек при помощи зубчатых реек в этом случае только усугубляет положение. Кроме того, применение вспомогательных роликов уменьшает количество зубьев, одновременно находящихся в зацеплении с цепью, и тем самым снижает нагрузочную способность, а расположение малых звездочек в одной плоскости не позволяет сделать конструкцию компактной без сокращения кинематического диапазона.

Указанные недостатки существенно ограничивают область применения этого цепного вариатора в приводах машин и делают невозможным его применение на транспорте.

Целью изобретения является расширение кинематических возможностей и повышение нагрузочной способности за счет регулирования передаточного отношения в автоматическом режиме без разрыва потока мощности и равномерного распределения нагрузки на элементы зацепления.

Цель достигается тем, что в цепной вариатор согласно изобретению введены кулачек, установленный на корпусе звездочки, конус, размещенный в корпусе с возможностью осевого перемещения, толкатель, подпружиненный к корпусу и соединенный с конусом с возможностью вращения, рычаг, шарнирно закрепленный на основании, подпружиненный к кулачку и содержащий фиксатор для взаимодействия с толкателем, фиксатор на основании для взаимодействия с толкателем, подпружиненные к конусу каретки, две зафиксированные от проворота малые звездочки, расположенные диаметрально противоположно относительно оси конуса, зубчатые колеса, установленные на осях остальных малых звездочек, делительные диаметры которых равны

D⁽ⁱ⁾_(2n+2-i) где i [2, n]

i целое число;

d делительный диаметр малой звездочки;

2n количество малых звездочек.

Указанные отличия являются существенными, так как в сравнении с прототипом позволяют получить работоспособный силовой цепной вариатор, позволяющий беспрепятственно как в ручном, так и в автоматическом режимах изменять свое передаточное отношение более чем в 4 раза в процессе работы без разрыва потока мощности, кроме того, существенно повышена нагрузочная способность конструкции при сохранении габаритов в случае расположения малых звездочек в одной плоскости и применения однорядной цепи и при сокращении габаритов в случае расположения малых звездочек в двух параллельных плоскостях в шахматном порядке и применения двухрядной цепи.

На фиг. 1 показан цепной вариатор (ЦВ); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 профиль кулачка и его расположение относительно составной регулируемой звездочки, разрез В-В на фиг. 2; на фиг. 5 схема для определения угловых размеров кулачка.

ЦВ (фиг. 1) состоит из ведущей 1 и ведомой 2 регулируемых звездочек, расположенных на основании 3 и охваченных цепью 4, и имеет механизм 5 для поддержания постоянного натяжения в провисающей ветви цепи. Обе регулируемые звездочки 1 и 2 (фиг. 2 и 3) состоят из катушкообразного корпуса 6, на каждом внутреннем торце которого имеется 2n направляющих 7, в которых с возможностью радиального перемещения закреплены 2n кареток 8. На каждой каретке закреплено по одной малой звездочке 9 с минимально возможным количеством зубьев, причем 1-я и (n+1)-я звездочки закреплены на каретках неподвижно, а остальные имеют возможность вращаться на своей оси относительно каретки и через зубчатые колеса 10 связаны с зубчатыми рейками 11, закрепленными на корпусе 6 со стороны 1-й малой звездочки 9 таким образом, что любая регулируемая звездочка 1 или 2 имеет единственную плоскость симметрии, проходящую через оси 1-й и (n+1)-й малых звездочек 9 и ось соответствующей составной регулируемой звездочки. Звездочки 9 могут располагаться в двух параллельных плоскостях в шахматном порядке. В этом случае цепь 4 выполнена двухрядной. Все каретки 8 поджаты к конусу 12 пружинами 13. Конус 12, закрепленный в корпусе 6 с возможностью перемещения вдоль своей оси, через подшипник 14 связан с толкателем 15, взаимодействующим с фиксатором 18, закрепленным на основании 3 и фиксатором на рычаге 16, поджатом относительно основания 3 к кулачку 17 на корпусе 6. Толкатель 15 поджат относительно основания 3 пружиной 19.

Профиль кулачка 17 (фиг. 4) очерчен дугами окружностей и расположен относительно корпуса 6 так, что его ось симметрии совпадает с плоскостью симметрии соответствующей регулируемой составной звездочки 1 или 2, проходящей через оси 1-й и (n+1)-й малых звездочек 9, большим радиусом в направлении (n+1)-й звездочки 9.

Угол профиля, описанного большим радиусом (фиг. 4 и 5), определен из условия

-_max--_max- где _max максимальное увеличение угла охвата большей регулируемой звездочки с изменением передаточного отношения

_max= arcsin где R_min, R_max наименьшее и наибольшее расстояния от оси регулируемой звездочки 1 или 2 до осей малых звездочек 9;

a межосевое расстояние;

угол опережения входа малой звездочки 9 в полное зацепление с цепью и задержки выхода из зацепления, связанный с укладкой цепи на регулируемую звездочку по многоугольнику

= /2n где 2n количество малых звездочек 9 на одной составной регулируемой звездочке 1 или 2;

- угол опережения входа малой звездочки 9 в неполное зацепление с цепью и задержки выхода из неполного зацеплении

arctg где h полная высота зуба малой звездочки 9;

- угол участка перехода с одного радиуса профиля кулачка на другой.

ЦВ работает следующим образом.

При работе с постоянным передаточным отношением вращение подается на регулируемую ведущую звездочку 1 через ее корпус 6, вместе с которым относительно оси звездочки 1 вращаются каретки 8 со своими звездочками 9, расположенными относительно этой оси на расстоянии R₁, однозначно заданном конусом 12, осевое положение которого определено связанным с ним через подшипник 14 толкателем 15, стоящем на фиксаторе 18, обеспечивающим длину обвода регулируемой звездочки, кратной целому числу звеньев цепи. Это соответствует вращению составной регулируемой звездочки 1 с приведенным количеством зубьев

Z₁= где 2n количество малых звездочек 9 на одной составной регулируемой звездочке;

R₁ расстояние от оси звездочки 1 до осей малых звездочек 9;

d делительный диаметр малых звездочек 9;

t шаг цепи.

Цепь 4, охватывающая звездочки 9 на регулируемых звездочках 1 и 2, передает вращение на ведомую регулируемую звездочку 2, имеющую приведенное количество зубьев Z₂, определенное аналогично

Z₂= где R₂ расстояние от оси звездочки 2 до осей малых звездочек 9.

Передаточное отношение ЦВ в этом случае составляет i Z₂/Z₁.

При необходимости изменить передаточное отношение ЦВ вручную нужно изменить Z₁ или Z₂ или оба вместе. Изменение приведенного количества зубьев Z₁ достигается следующим образом. К толкателю 15 прикладывается осевое усилие в требуемом направлении (в сторону вершины конуса 12 для увеличения Z₁ и в противоположную для уменьшения Z₁). Одновременно расстопаривается фиксатор 18 и, как только рычаг 16 входит в контактc профилем кулачка 17 большего радиуса, он проворачивается, сжимая свою пружину, и окончательно расстопаривает толкатель 15, который, перемещаясь под приложенным усилием, перемещает конус 12 и изменяет величину R₁. При переходе рычага 16 на профиль малого радиуса кулачка 17 он заходит своим фиксатором в ближайшее отверстие на толкателе 15, так же обеспечивающее величину R, соответствующую целому значению Z₁. Если требуемое изменение значения Z₁ успело произойти за один оборот ведущей звездочки 1, то усилие с толкателя 15 снимается и он становится на фиксатор 18. Если нет, то при следующем обороте цикл повторяется, и так до достижения требуемой величины Z₁. При этом в процессе изменения приведенного количества зубьев Z₁ при регулировании R₁ 1-я и (n+1)-я малые звездочки 9 перемещаются только радиально, а все остальные кроме этого, взаимодействуя через свои зубчатые колеса 10 с зубчатыми рейками 11, еще проворачиваются: 2-я и 2n-я на угол =2R/(D_in) где R изменение расстояния от оси ведущей звездочки 1 до осей малых звездочек 9; D_i делительный диаметр i-го зубчатого колеса 10; 2n количество малых звездочек 9; 3-я и (2n-1)-я на угол 2 и т. д. в направлении к 1-й звездочке, если R₁ и Z₁ увеличиваются и от 1-й звездочки, если R₁ и Z₂ уменьшаются. Тем самым, так как все изменения происходят вне зацепления (n+1)-й звездочки 9 с цепью 4, достигается полное кинематическое согласование в процессе регулирования и сохраняется зацепление ведущей звездочки 1 с цепью 4.

Аналогичным образом проводится изменение Z₂ в ручном режиме.

Поддержание или изменение передаточного числа цепного вариатора в автоматическом режиме происходит только за счет изменения величины Z₁. В этом режиме фиксатор 18 расстопорен, а конус 12 находится в равновесии под воздействием усилия пружины 19 и осевых составляющих, передающихся на конус 12 от малых звездочек 9 через каретки 8. При возрастании нагрузки в приводе и необходимости увеличить передаточное отношение осевое усилие от малых звездочек 9, передающееся на конус 12, превышает усилие пружины 19 и отжимает конус 12 в направлении его основания. При этом уменьшается R₁ и, соответственно, Z₁. В случае падения нагрузки в приводе пружина 19 перемещает конус 12 в направлении его вершины и увеличивает R₁ и Z₁, уменьшая передаточное отношение i Z₂/Z₁. Следует отметить, что все перемещения, связанные с изменением Z₁, происходят дискретно в периоды контакта рычага 16 с профилем кулачка большого радиуса при полностью расстопоренном толкателе 15.

За базовый объект при оценке эффективности можно выбрать регулируемую цепную передачу обычного легкодорожного или спортивного велосипеда, имеющую блок звездочек с разным количеством зубьев и обеспечивающую ручное ступенчатое переключение передач. Такая трансмиссия имеет ряд недостатков: невозможность передачи номинального крутящего момента в процессе переключения передач, затруднительность реализации идеального закона регулирования скорости из-за возрастания количества звездочек в блоке и проблемы с автоматизацией регулирования передаточного отношения от нагрузки.

Предлагаемый цепной вариатор позволяет реализовать практически идеальный закон регулирования передаточного отношения, непрерывно передавать максимальный крутящий момент, просто реализовать автоматизацию регулирования передаточного отношения по усилию а цепи. Все это должно существенно повысить эксплуатационные характеристики любых машин, в приводе которых будет применен предлагаемый цепной вариатор.