зубчатая передача с непрерывно изменяемым передаточным числом

Формула изобретения

1. Зубчатая передача с изменяемым передаточным числом, содержащая опору (10), первый вал (16), установленный на опоре (10) с возможностью вращения вокруг первой оси, спиральную зубчатую рейку (18), поддерживаемую первым валом (16) и имеющую ряд зубчатых витков (18а), отстоящих друг от друга вдоль первого вала, причем диаметры указанных витков выбраны из условия совместного образования витками мнимой конической огибающей поверхности (20), окружающей первый вал, второй вал (26), установленный на опоре (10) с возможностью вращения таким образом, что второй вал (26) проходит параллельно огибающей поверхности (20) и отстоит от указанной поверхности, и зубчатое устройство (32), установленное на втором валу (26) с возможностью вращения вместе со вторым валом, содержащее две аналогичные шестерни (64а, 64b), снабженные зубьями для зацепления с зубьями зубчатой рейки (18), причем зубчатое устройство (32) установлено с возможностью скольжения вдоль второго вала (26) для позиционирования в любом месте вдоль зубчатой рейки, отличающаяся тем, что шестерни (64а, 64b) выполнены с возможностью поворота на малый угол относительно второго вала (26) и по отношению друг к другу, причем предусмотрены первые упругие средства (74) для смещения одной из шестерен в исходное угловое положение на втором валу (26) и вторые упругие средства (78) для смещения шестерен (64а, 64b) относительно друг друга в направлении исходного положения, при котором зубья указанных шестерен выровнены.

2. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что шестерни (64а, 64b) выполнены с сопряженными между собой поверхностями, снабженными противоположными вырезами (68, 72), и предусмотрена шпонка (66), закрепленная с возможностью вращения вместе со вторым валом (26), выступающая в вырезы (68, 72) для ограничения поворота шестерен (64а, 64b) относительно второго вала (26), при этом первые упругие средства (74) выполнены с возможностью смещения шпонки (66) в направлении исходного положения в вырезе одной из шестерен (64а, 64b).

3. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что сопряженная поверхность первой шестерни (64b) выполнена с канавкой (82), имеющей наклонную нижнюю стенку (82а), а вторые упругие средства содержат подпружиненный шарик (78), установленный в сопряженной поверхности второй шестерни (64а) с возможностью вхождения в упругий контакт с нижней стенкой (82а), причем зубья первой и второй шестерен (64а, 64b) выровнены при нахождении шарика (78) в контакте с наиболее углубленной частью нижней стенки (82а).

4. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что зубчатая рейка (18) соединена с первым валом (16) при помощи ряда жестких спиц (22), проходящих от первого вала (16) к виткам (18а) зубчатой рейки (18) с интервалами по длине зубчатой рейки (18).

5. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что зубчатая рейка (18) соединена с первым валом (16) посредством конической стенки, установленной на первом валу.

6. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена средствами (52, 56, 58) для перемещения зубчатого устройства (32) вдоль второго вала (26).

7. Зубчатая передача по п.6, отличающаяся тем, что средства перемещения содержат приводной исполнительный механизм (56, 58), установленный на опоре (10) и эффективно связанный с зубчатым устройством (32).

8. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что витки (18а) обращены наружу от первого вала (16).

9. Зубчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что витки (18а) обращены к первому валу (16).

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к зубчатым передачам или трансмиссиям, в особенности к зубчатым передачам или трансмиссиям с непрерывно изменяемым передаточным числом между входом и выходом.

Уровень техники

Зубчатая передача или трансмиссия часто устанавливается между двигателем и приводным устройством, таким как ротор, вал, колесо. При этом устройство вращается с меньшей скоростью и более высоким крутящим моментом, чем вал двигателя, или наоборот. Зубчатая передача с изменяемым передаточным числом содержит множество зубчатых колес или зубчатых пар, которые могут избирательно включаться в кинематическую передачу между входным и выходным валами зубчатой передачи для изменения ее передаточного числа.

Из уровня техники известны трансмиссии с непрерывно изменяемым передаточным числом между входом и выходом. Обычно они содержат первый конический вращающийся элемент и цилиндрический вращающийся элемент, кинематически соединенные огибающим их бесконечным ремнем. Крутящий момент, прилагаемый к одному элементу, передается ремнем другому элементу. Передаточное число может быть изменено посредством смещения ремня по длине конического элемента. Другими словами, если конический элемент вращается с выбранной скоростью, а ремень находится на конце конического элемента, имеющего больший диаметр, другой элемент будет вращаться с относительно высокой скоростью. С другой стороны, если ремень находится на конце конического элемента, имеющего меньший диаметр, другой элемент будет вращаться с более низкой скоростью, при этом передаточное число зависит от угла конуса конического элемента.

Недостаток таких ременных передач состоит в том, что между бесконечным ремнем, ведущим и приводным элементами имеет место проскальзывание. Кроме того, бесконечный ремень может растягиваться под нагрузкой. Вследствие этого между ведущим и приводным элементами не создается жесткой принудительной передачи мощности.

Для решения указанных проблем были сделаны попытки создать трансмиссии или зубчатые передачи, ведущий и приводной элементы которых содержат зацепляющиеся зубчатые колеса для передачи мощности от ведущего элемента приводному. Как показано, например, в патентах США 5608390, 5653143 и 6321613, трансмиссия может содержать вращающийся конический зубчатый элемент, состоящий из ряда отдельных конических секций, установленных на вращающемся валу, и второй элемент в виде шестерни, который установлен с возможностью скольжения на втором вращающемся валу, который расположен вдоль конического зубчатого элемента. Прямозубое цилиндрическое зубчатое колесо соединено со вторым валом таким образом, что вращается вместе с ним и способно скользить вдоль вала, так что шестерня может быть установлена напротив любой из конических секций для изменения передаточного числа трансмиссии.

В таких зубчатых передачах с номинально непрерывно изменяемым передаточным числом проблема состоит в том, что, когда шестерня перемещается вдоль своего вала для изменения передаточного числа трансмиссии, она занимает мгновенное положение сразу напротив двух секций конического зубчатого элемента. Поскольку эти секции имеют различные диаметры, число зубьев у них также различно. Поэтому требуются довольно сложные этапы, чтобы обеспечить правильное зацепление шестерни с коническим зубчатым колесом во всех положениях шестерни. Обычно это требует обеспечение определенной свободы вращательного движения между различными коническими секциями, образующими конический зубчатый элемент, и присоединение этих секций к общему валу с помощью муфт. В других передачах указанного типа конические зубчатые секции, образующие конический зубчатый элемент, выполнены ступенчатыми по своему диаметру и снабжены зубьями специальной формы. В результате реализации этих решений, направленных на обеспечение возможности изменения передаточного числа трансмиссий, передаточные механизмы получаются слишком сложными и дорогими. Кроме того, такие трансмиссии фактически не имеют непрерывно изменяемого передаточного числа, так как шестерня не может быть оставлена слишком долго в положении между двумя коническими секциями конического зубчатого элемента, иначе износ зубьев будет слишком велик и значительно повышается риск замыкания или заклинивания трансмиссии.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании усовершенствованной зубчатой передачи или трансмиссии с изменяемым передаточным числом для передачи крутящего момента между входным и выходным валами.

Другой задачей изобретения является создание трансмиссии указанного типа, в которой передаточное число является действительно непрерывно изменяемым во всем рабочем диапазоне трансмиссии.

Еще одной задачей изобретения является создание зубчатой передачи, менее сложной по сравнению с известными передачами указанного типа, имеющими изменяемое передаточное число.

Другие задачи изобретения будут ясны из последующего описания.

В соответствии с изобретением зубчатая передача обладает особенностями конструкции, комбинацией элементов и расположением частей, которые будут описаны на примере осуществления, а объем охраны изобретения определен в формуле.

В общих чертах, зубчатая передача согласно изобретению содержит первый вращающийся вал, который несет непрерывную коаксиальную спиральную зубчатую рейку, диаметр которой постепенно увеличивается вдоль вала. Параллельно зубчатой поверхности рейки установлен второй вращающийся вал, несущий шестерню, зубья которой зацепляются с зубьями зубчатой рейки. Шестерня соединена с валом с возможностью вращения вместе с ним, а также с возможностью скольжения вдоль вала таким образом, что ее зубья могут зацепляться с зубьями зубчатой рейки в любом месте по длине рейки.

Передаточное число трансмиссии может быть изменено посредством скользящего перемещения шестерни вдоль ее вала либо вручную, либо при помощи других средств, таких как линейный исполнительный механизм, винтовой привод, поршень. Каждый из двух валов может функционировать как ведущий или входной элемент, при этом другой вал является приводным или выходным элементом. В любом случае, поскольку скользящая шестерня может оставаться в приводном взаимодействии с зубчатой рейкой в любой точке по длине рейки, трансмиссия имеет передаточное число, которое является, действительно, непрерывно изменяемым во всем рабочем диапазоне трансмиссии.

Ввиду того, что спиральная зубчатая рейка представляет собой единый непрерывный элемент, она может быть прикреплена непосредственно к валу без муфт и других подобных устройств, используемых в известных зубчатых передачах, конические зубчатые элементы которых состоят из ряда отдельных конических зубчатых секций.

Краткое описание чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будет подробно описан пример осуществления изобретения. На чертежах:

фиг.1 изображает в продольном разрезе трансмиссию с изменяемым передаточным числом, при этом некоторые детали показаны в вертикальной проекции,

фиг.2 схематично изображает трансмиссию по фиг.1, иллюстрируя ее работу,

фиг.3 изображает в увеличенном масштабе в разрезе на виде сбоку часть трансмиссии по фиг.1,

фиг.4А и 4В изображают часть трансмиссии по фиг.3 в разрезе по линиям 4А-4А и 4В-4В.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1, трансмиссия содержит корпус или опору 10 с противоположными стенками 10а и 10b, в которых имеются опорные блоки 12 и 14 для установки противоположных концов вала 16 с возможностью его вращения. На валу 16 установлена непрерывная зубчатая рейка 18, которая огибает вал таким образом, что образует множество витков 18а, отстоящих друг от друга. Зубчатая рейка 18 имеет конический профиль в том смысле, что диаметр витков 18а последовательно увеличивается по длине вала 16, как будто зубчатая рейка 18 навита по спирали вокруг конической огибающей поверхности 20, как показано штрих-пунктиром на фиг.2. Коническая огибающая поверхность 20 может быть материальной, то есть образованной коническим участком вала 16, как показано на фиг.1, или мнимой. В последнем случае витки 18а могут быть прикреплены к валу 16 посредством ряда спиц 22 различной длины, проходящих от вала 16 к виткам 18а на расстоянии друг от друга по длине зубчатой рейки. В обоих случаях зубья витков 18а зубчатой рейки обращены наружу от вала 16 и, по существу, параллельны оси вала. В другом примере выполнения зубья могут быть обращены в сторону вала.

Трансмиссия по фиг.1 содержит также второй вал 26, расположенный параллельно конической огибающей поверхности 20 на расстоянии от нее. Противоположные концы вала 26 установлены в опорных блоках 28 и 30 в стенках 10а и 10b корпуса или опоры 10. Вал 26 снабжен одним или несколькими шлицами 26а, и на нем установлено зубчатое устройство 32 таким образом, что оно вращается вместе с валом 26, но может скользить вдоль него, так что зубья зубчатого устройства 32 могут зацепляться с зубьями витков 18а зубчатой рейки в любом месте вдоль рейки.

Каждый из валов 16, 26 может быть входом или выходом трансмиссии, то есть либо ведущим, либо приводным валом. Хотя соосность входного и выходного валов трансмиссии не является необходимым условием, на одном конце вала 26 может быть предусмотрено коническое зубчатое колесо 36, зацепляющееся со вторым зубчатым колесом 38 на конце третьего вала 42, установленного с помощью опорного блока 44 в стенке 10с корпуса или опоры с возможностью вращения вокруг той же оси, что и ось вращения вала 16. Таким образом, трансмиссия является полностью обратимой, то есть либо вал 16, либо вал 42 может быть ведущим элементом, а другой вал - приводным элементом трансмиссии.

Как показано на фиг.1, зубчатое устройство 32 может перемещаться со скольжением вдоль вала 26 с помощью ползуна 52. В показанном примере выполнения трансмиссии ползун 52 содержит каретку 54, которая соединена с зубчатым устройством 32 ручкой 54а и перемещается вдоль направляющего винта 56. Один конец винта 56 установлен с возможностью вращения в опорном блоке 58 в стенке 10а корпуса или опоры, а другой конец винта соединен с валом 58а реверсивного шагового электродвигателя 58, установленного на стенке 10с корпуса или опоры. Когда вал 58а вращается в одном или другом направлении, зубчатое устройство 32 перемещается в одном или другом направлении вдоль вала 26 и при этом зацепляется с различными витками зубчатой рейки 18 для изменения передаточного числа трансмиссии. Поскольку зубчатая рейка 18 представляет собой единый непрерывный элемент, зубчатое устройство 32 может быть позиционировано в любом месте вдоль зубчатой рейки, так что передаточное число трансмиссии является действительно непрерывно изменяемым по мере перемещения зубчатого устройства 32 между концом зубчатой рейки 18 большего диаметра и ее концом меньшего диаметра. Само собой разумеется, что любой другой известный механизм может использоваться для перемещения зубчатого устройства вдоль его вала.

Зубчатое устройство 32 показано более подробно на фиг.3. Оно содержит втулку 62, на внутренней поверхности которой выполнен паз или пазы для приема шлица или шлицев 26а вала 26. Таким образом, втулка укреплена на валу 26 для совместного вращения с ним, но с возможностью скольжения вдоль вала. На втулке относительно свободно посажена по меньшей мере одна шестерня 64а. Эта по меньшей мере одна шестерня 64а удерживается на втулке 62 ее буртиками 62а. Как лучше всего видно на фиг.2, зубья шестерни 64а зацепляются с зубьями зубчатой рейки 18. В зависимости от шага Х витков 18а зубчатое устройство 32 может содержать единственную шестерню 64а, установленную с возможностью вращения на втулке 62, а следовательно, и на валу 26, или зубчатое устройство 32 может содержать дополнительную шестерню 64b, установленную на втулке 62 рядом с шестерней 64а.

Более конкретно, если шаг Х невелик, а зубчатая рейка 18 имеет относительно небольшой угол конуса, зубья смежных витков 18а смещены по отношению друг к другу незначительно. В этом случае может использоваться единственная шестерня 64а, ширина Y которой по меньшей мере несколько больше шага X, при этом зубья шестерни выполнены таким образом, что входят в зацепление с зубьями зубчатой рейки 18 с некоторым зазором.

С другой стороны, для больших величин шага Х и угла конуса зубчатое устройство может содержать вторую шестерню 64b, как показано на фиг.2 и 3. При этом общая ширина Y+Z двух шестерен должна быть больше шага X, а их зубья должны входить в нормальное зацепление с зубьями зубчатой рейки 18.

В том случае, когда зубчатое устройство 32 содержит две шестерни 64а, 64b, они предпочтительно должны быть выполнены таким образом, чтобы иметь возможность поворота на втулке 62 и по отношению друг к другу в любом направлении на угловое расстояние, сравнимое по меньшей мере с размером одного зуба. Для этого, как показано на фиг.3, 4А и 4В, втулка 62 снабжена проходящей радиально наружу шпонкой 66, которая выступает в дуговой вырез 68 в поверхности шестерни 64а, противоположной шестерне 64b. Эта шпонка 66 выступает также в аналогичный дуговой вырез 72 в шестерне 64b, расположенный непосредственно напротив выреза 68. Предпочтительно в одном из вырезов, например в вырезе 72, предусмотрены пружины 74, предназначенные для смещения соответствующей шестерни 64а в нейтральное угловое положение на втулке 62 (и на валу 26), когда эта шестерня не находится в зацеплении с зубчатой рейкой 18, то есть когда она расположена между витками 18а.

На фиг.4А и 4В лучше всего видно, что одна из шестерен, то есть шестерня 64а, снабжена подпружиненным шариком 78, выступающим в дуговую канавку 82 в сопряженной поверхности другой шестерни 64b. Нижняя стенка 82а канавки 82 имеет такой уклон, что дно углублено в центре канавки по сравнению с ее концами. Таким образом, заклинивающий эффект подпружиненного шарика 78 в канавке 82 оказывает воздействие на шестерню 64b, смещая ее под углом в исходное положение, в котором ее зубья выровнены с зубьями шестерни 64а.

Во время работы трансмиссии, когда один вал 16 или 42 приводится во вращение соответствующими приводными средствами (не показаны), другой вал 42 или 16 будет вращаться со скоростью, определяемой установкой зубчатого устройства 32 по длине зубчатой рейки 18. Обычно для выбранной скорости зубчатое устройство 32 устанавливается таким образом, что оно занимает центральное положение относительно выбранного витка 18а зубчатой рейки. При изменении скорости зубчатое устройство 32 перемещается к смежному витку или проходит над ним. Во время этого изменения одна из шестерен 64а, 64b, то есть ведущая по ходу перемещения шестерня, выходит из зацепления с выбранным витком 18а и входит в зацепление со смежным витком, в то время как другая, задняя шестерня, остается в мгновенном положении зацепления с предыдущим выбранным витком. Небольшое неточное совмещение соответствующих зубьев двух смежных витков зубчатой рейки компенсируется небольшим угловым смещением двух шестерен 64а, 64b, пока задняя шестерня не выйдет из зацепления с предыдущим выбранным витком. После этого две шестерни возвращаются в свое исходное положение на втулке 62 по мере того, как зубчатое устройство занимает центральное положение на смежном витке 18а. Поскольку зубчатая рейка вращается, зубчатое устройство может легко перемещаться с одного витка на следующий, при этом шестерни 64а, 64b одновременно зацепляются с двумя смежными витками 18а, 18а и в то же время смещаются в исходное положение по отношению к валу 26 и друг к другу.

Ввиду того, что зубчатая рейка 18 является непрерывной и навита по винтовой линии или спирали, зубчатое устройство может быть позиционировано в любом месте по длине зубчатой рейки и оставаться там, даже если оно зацепляется сразу с двумя витками 18а, и при этом не происходит износа зубьев или заклинивания трансмиссии. Другими словами, устраняется неопределенное положение зубчатого устройства 32, как это свойственно известным трансмиссиям с использованием конического зубчатого элемента, состоящего из индивидуальных зубчатых секций.

Из описания понятно, что в устройстве по изобретению эффективно решены поставленные задачи. Поскольку при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема охраны, данное описание и решения, показанные на чертежах, являются иллюстративными примерами и не носят ограничивающего характера.

Также понятно, что прилагаемая формула охватывает все общие и конкретные особенности описанного изобретения.