SU970019A1

SU970019A1 - Variable speed gearing

Info

Publication number: SU970019A1
Application number: SU813280800A
Authority: SU
Inventors: Юрий Викторович Королев; Виталий Александрович Макаров
Original assignee: Иркутский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1982-10-30

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для уменьшения колебаний угловой скорости вращающихся частей механизмов и машин и может быть использовано в качестве вариатора скорости и предохранительной ⁵муфты в общем и специальном машиностроении.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to devices for reducing fluctuations in the angular velocity of the rotating parts of mechanisms and machines, and can be used as a speed variator and safety clutch ⁵ in general and special mechanical engineering.

Известна бесступенчатая передача, в которой гироскопические эффекты не- Ю пользуются для изменения скорости, содержащая обойму с быстровращающимся маховиком, которая приводится в качательное движение с помощью шатуна или кулачкового механизма, шарового шар- 15 нира, кардана, муфт свободного хода и ведомого вала. Качательное движение обоймы вызывает процессию оси маховака, т. е. ее повороты’ вместе с обоймой вокруг оси, перпендикулярной оси вращения маховика и проходящей через точку крепления шатуна к обойме. Повороты обоймы, связанной через шаровой шарнир с карданом, вызывают знакопеременные вращательные движения последнего, которые далее с помощью муфт свободного хода преобразуются в однонаправленное вращение ведомого sana£lj Недостатком известной передачи является сложность ее конструкции и неудобство эксплуатации при использовании ее в устройствах регулирования скорости. Это обусловлено тем, что в устройстве имеет место двойное преобразование движений: исходного вращательного в качательное движение шатуна и затем с помощью муфт свободного хода опять в однонаправленное движение ведомого вала.A stepless transmission is known in which gyroscopic effects are not used to change speed, containing a cage with a rapidly rotating flywheel, which is driven by a connecting rod or cam mechanism, ball nir 15, a universal joint, freewheels and a driven shaft. The swinging movement of the cage causes a procession of the flywheel axis, that is, its rotation ’together with the cage around an axis perpendicular to the axis of rotation of the flywheel and passing through the connecting point of the connecting rod to the cage. Rotations of the cage, connected through a ball joint with a cardan, cause alternating rotational movements of the latter, which are then converted with the help of free-wheel clutches into unidirectional rotation of the slave sana £ lj A disadvantage of the known transmission is the complexity of its design and the inconvenience of operation when used in speed control devices. This is due to the fact that in the device there is a double conversion of movements: the initial rotational to the swinging motion of the connecting rod and then, using freewheels, again into the unidirectional movement of the driven shaft.

Ближайшим к изобретению по технической сущности является бесступенчатая передача, содержащая ведущий и ведомый валы, внешнюю рамку, жестко связанную с одним из них, зубчатое колесо, жестко соединенное с другим валом, и внутреннюю рамку с ротором, установленным на промежуточном валу, и шестерней, жестко связанной с этой рамкой и взаимодействующей с зубчатым колесом. В этом устройстве зубчатая передача имеет передаточное отношение ₅равное 1. Устройство снабжено импульсатором, связанным с зубчатой передачей с внутренней рамкой, двойной карданной передачей, связывающей ротор с импульсатором, который расположен ю на внешней рамке гироскопа [2].Closest to the invention, the technical essence is a continuously variable transmission comprising drive and driven shafts, an external frame rigidly connected to one of them, a gear wheel rigidly connected to the other shaft, and an internal frame with a rotor mounted on the intermediate shaft, and a gear, rigidly associated with this frame and interacting with the gear. In this device, the gear transmission has a gear ratio ₅ equal to 1. The device is equipped with a pulsator associated with the gear with the inner frame, a double cardan gear connecting the rotor with the pulser, which is located on the outer frame of the gyroscope [2].

Недостатком известного устройства является его низкая надежность и низкая эффективность управления процессом гашения колебаний и передачи энер- 15 гии, что объясняется тем, что это устройство передает на ведомый вал сравнительно небольшой колебательного характера крутящий момент. И так как скорость вращения ротора целиком определяется величиной угловой скорости ведущего вала, то отсутствует возможность изменения величины передаваемого момента без изменения скорости ведущего вала (а при малых скоростях 25 вращения ведущего вала передачи, по сути дела, неработоспособна, так как величина передаваемого момента приближается к нулю). Знакопеременная угловая скорость ротора, а следовательно, _3{}и знакопеременный гироскопический момент ведут также к значительным динамическим нагрузкам в узлах и деталях передачи.A disadvantage of the known device is its low reliability and low efficiency of controlling the process of damping oscillations and energy transfer, which is explained by the fact that this device transmits torque to the driven shaft of a relatively small oscillatory nature. And since the rotor speed is entirely determined by the value of the angular velocity of the drive shaft, there is no possibility of changing the magnitude of the transmitted moment without changing the speed of the drive shaft (and at low speeds of 25 rotation of the drive shaft, the transmission is essentially inoperative, since the value of the transmitted moment approaches zero). The alternating angular velocity of the rotor, and therefore, _{3 {}} and the alternating gyroscopic moment also lead to significant dynamic loads in the nodes and parts of the transmission.

Цель изобретения - повышение надежности устройства за счет устранения ³⁵колебательной составляющей передаваемого момента и, следовательно, устранения знакопеременных нагрузок на узлы и детали и обеспечение возможности управления процессами гашения колеба- ⁴θ ний и передачи энергии.The purpose of the invention is to increase the reliability of the device by eliminating the ³⁵ vibrational component of the transmitted moment and, therefore, eliminating alternating loads on the nodes and parts and providing the ability to control the processes of damping the ⁴ θ oscillations and energy transfer.

Указанная цель достигается тем, что бесступенчатая передача, содержащая ведущий и ведомый валы, внешнюю рамку, жестко связанную с одним из них, ⁴⁵зубчатое колесо, жестко соединенное с другим валом, и внутреннюю рамку с ротором, установленным на промежуточном валу, и шестерней жестко связанной с этой рамкой и взаимодействующей ⁵⁰с зубчатым колесом, снабжена установленным на внутренней рамке электродвигателем, вал которого соосно установлен с валом ротора и жестко с ним связан, и регулятором, электрически свя- 55 занным с электродвигателем.This goal is achieved by the fact that a continuously variable transmission comprising drive and driven shafts, an external frame rigidly connected to one of them, ^{45 a} gear wheel rigidly connected to the other shaft, and an internal frame with a rotor mounted on the intermediate shaft, and a gear rigidly connected with this frame and interacting ⁵⁰ with a gear wheel, it is equipped with an electric motor mounted on the inner frame, the shaft of which is coaxially mounted with the rotor shaft and rigidly connected to it, and a regulator electrically connected to the electric motor.

На чер'Геже схематически изображена бесступенчатая передача, общий вид.Cher'Gezh schematically depicts a continuously variable transmission, general view.

Бесступенчатая передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, внешнюю рамку 3, жестко связанную с валом 1, зубчатое колесо 4, жестко соединенное с валом 2, и внутреннюю рамку 5 с ротором 6, установленным на промежуточном валу 7, и шестерней 8, жестко связанной с этой рамкой 5 и взаимодействующую с зубчатым колесом 4. Передача снабжена установленными на внутренней рамке 5 электродвигателем 9, вал 10 которого соосно установлен с валом 7 ротора 6 и жестко с ним связан, и регулятора 11, электрически связанным с электродвигателем 9 с помощью щеток 12, 13 и контактных колец 14 и 15 соответственно. Электрическая энергия к электродвигателю 9 подается от источника 16 энергии.The continuously variable transmission comprises driving 1 and driven 2 shafts, an external frame 3 rigidly connected to the shaft 1, a gear 4 rigidly connected to the shaft 2, and an internal frame 5 with a rotor 6 mounted on the intermediate shaft 7, and a gear 8 rigidly connected with this frame 5 and interacting with the gear 4. The transmission is equipped with an electric motor 9 mounted on the inner frame 5, a shaft 10 of which is coaxially mounted with the shaft 7 of the rotor 6 and rigidly connected to it, and a regulator 11 electrically connected to the electric motor 9 using brushes 12 , 13 and contact rings 14 and 15, respectively. Electric energy to the electric motor 9 is supplied from a source of energy 16.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Перед началом работы к электродвигателю 9 подается напряжение и связанный с ним ротор 6 раскручивается до большой скорости, вследствие чего приобретает способность сопротивляться изменению положения его оси в пространстве. Раскручивание ротора 6 про· изводится в ту же сторону, куда должен вращаться ведущий вал 1.Before starting work, voltage is applied to the electric motor 9 and the rotor 6 connected with it is untwisted to a high speed, as a result of which it acquires the ability to resist changing the position of its axis in space. The unwinding of the rotor 6 is carried out in the same direction where the drive shaft 1 should rotate.

При приложении крутящего момента к ведущему валу 'ι происходит его поворот вместе с внешней рамкой 3 вокруг оси вала и обкатывание шестерни 8 по зубчатому колесу 4 ведомого вала 2 , к которому приложен момент сопротивления нагрузки Мцагр) что приводит к повороту внутренней рамки 5 и отклонению оси ротора 6 от своего начального положения, определяемого совпадением оси ротора 6 и осей валов 1 и 2. При отклоненном положении оси ротора 6 вращение его вместе с внешней 3 и внутренней 5 рамками вокруг оси передачи (ось валов 1 и 2) будет прецессионным движением, вследствие которого возникает гироскопический момент М_гис>, стремящийся совместить ось ротора 6 с осью валов 1 и 2 таким образом, чтобы направления их угловых скоростей совпадали, т. е. появляются силы сопротивления, противодействующие отклонению оси ротора 6 от ее начального положения. Действие этих гироскопических сил аналогично действию сил упругости обычных механических упругих элементов - пружин, большее отклонение (деформация) вызывает большие силы сопротивления отклонению.When torque is applied to the drive shaft 'ι, it rotates together with the outer frame 3 around the axis of the shaft and the gear 8 is driven around the gear wheel 4 of the driven shaft 2, to which the load resistance moment Mtsagr is applied), which leads to the rotation of the inner frame 5 and the axis rotor 6 from its initial position, determined by the coincidence of the axis of the rotor 6 and the axes of the shafts 1 and 2. When the axis of the rotor 6 is deviated, its rotation together with the external 3 and internal 5 frames around the transmission axis (shaft axis 1 and 2) will be a precession movement by the result of which the gyroscopic moment M _{g> arises} , striving to combine the axis of the rotor 6 with the axis of the shafts 1 and 2 so that the directions of their angular velocities coincide, i.e., resistance forces appear that counteract the deviation of the axis of the rotor 6 from its initial position. The action of these gyroscopic forces is similar to the action of the elastic forces of ordinary mechanical elastic elements - springs, a greater deviation (deformation) causes large forces of resistance to deflection.

При некотором угле [Ъ между осью ротора 6 и осью передачи (ось валов 1 и 2) наступает равенство гироскопического момента и момента сопротивления, приложенного к зубчатому колесу 4, обкатывание шестерни 8 по зубчатому колесу 4 прекращается, т. е. прекращается прокручивание ведущего вала 1 относительно ведомого вала 2 и в дальнейшем они вращаются с одинаковой угловой скоростью.At a certain angle [b between the axis of the rotor 6 and the transmission axis (axis of the shafts 1 and 2), the gyroscopic moment and the moment of resistance applied to the gear wheel 4 are equal, rolling the gear 8 along the gear 4 stops, i.e., the drive shaft stops rolling 1 relative to the driven shaft 2 and further they rotate with the same angular velocity.

При изменении момента нагрузки на ведомом валу 2 или крутящего момента на ведущем валу 1 происходит изменение угла р между осью ротора 6 и осью передачи (осью валов 1 и 2), т. е. устанавливается новое положение внутренней рамки 5 относительно внешней рамки 3, которое определяется равенством ^Мнаг^^М гмрПри наличии колебательной составляющей крутящего момента или момента нагрузки М_НС)гр происходят процессы аналогичные процессам в системах с обычными упругими элементами, при которых энергия колебаний тратится на преодоление гироскопических сил упругости (гироскопического момента)и сообщение движения шестерне 8. За счет этого и происходит гашение колебаний.When the load moment on the driven shaft 2 or the torque on the drive shaft 1 changes, the angle p changes between the axis of the rotor 6 and the transmission axis (axis of the shafts 1 and 2), i.e., a new position of the inner frame 5 relative to the outer frame 3 is established, which defined by the equation ^M ^ ^M naked gmrPri presence oscillatory component of torque or moment load M _{HC) g} p are processes similar to conventional processes in elastic elements of the system in which the oscillation energy is expended in overcoming a gyroscopic l elasticity (gyroscopic moment) and message traffic gear 8. In this occurs and vibration damping.

Появление на ведомом валу большого момента сопротивления М _кр) , например, заклинивании ведомого вала 2, вследствие ограниченности величины гироскопического момента при любых yi— лах будет выполняться соотношение ^Мнац?^гир^{и угол} буд^ет монотонно увеличиваться. При этом шестерня 8 будет обкатываться по зубчатому колесу 4, т. е. ведущий вал 1 будет прокручиваться относительно ведомого. Поломки механизма не произойдет, устройство в данном случае выполнит роль предохоанительной муфты.The appearance on the driven shaft of a large moment of resistance M _to p), such as jamming of the driven shaft 2, due to the limited magnitude of the gyroscopic torque at any ratio ^M yi- crystals nat be executed? ^ Gir bud ^{and the angle} ^is monotonically increased. In this case, the gear 8 will be run on the gear wheel 4, i.e., the drive shaft 1 will scroll relative to the driven one. Failure of the mechanism will not occur, the device in this case will fulfill the role of a pre-security clutch.

Величина гироскопического момента Μ^,ρзависит от скорости вращения ротора 6 вокруг собственной оси и поэтому, изменяя с помощью регулятора 11 угловую скорость вала 10 электродвигателя 9 и соответственно скорость вращения ротора 6, можно управлять величиной гироскопического момента (гироскопической жесткостью), а следовательно, управлять процессами гашения колебаний и передачи энергии.The magnitude of the gyroscopic moment Μ ^, ρ depends on the speed of rotation of the rotor 6 around its own axis and therefore, by changing the angular speed of the shaft 10 of the motor 9 and, accordingly, the speed of rotation of the rotor 6 with the help of the regulator 11, it is possible to control the magnitude of the gyroscopic moment (gyroscopic rigidity), and therefore damping processes and energy transfer.

Как уже было сказано, при работе устройства угловая скорость ротора может изменяться только с помощью регулятора 11, причем эти изменения будут 5 плавными, без больших знакопеременных ускорений. Следовательно, и гироскопический момент не будет содержать, знакопеременной составляющей и ьа детали и узлы устройства не будут дейю ствовать знакопеременные нагрузки (по сравнению с прототипом), что повышает надежность устройства.As already mentioned, during operation of the device, the angular velocity of the rotor can only be changed with the help of the regulator 11, and these changes will be 5 smooth, without large alternating accelerations. Therefore, the gyroscopic moment will not contain either the alternating component and the ba parts and components of the device will not be affected by alternating loads (compared with the prototype), which increases the reliability of the device.

Предлагаемая бесступенчатая передача улучшает качество работы машин 15 и механизмов за счет управления процессами гашения колебаний и передачи энергий, так как позволяет перенастраиваться на требуемый режим работы, повышает их надежность в результате 20 более эффективной защиты от динамических воздействий. Кроме того, предлагаемая передача выполняет функции двух применяемых в настоящее время элементов привода - гасителя колебаний и предохранительной муфты.The proposed stepless transmission improves the quality of work of machines 15 and mechanisms by controlling the processes of damping oscillations and energy transfer, as it allows you to reconfigure to the desired mode of operation, increases their reliability as a result of 20 more effective protection against dynamic effects. In addition, the proposed transmission performs the functions of two currently used drive elements - vibration damper and safety clutch.

Claims

The invention relates to mechanical engineering, namely, devices for reducing oscillations of the angular velocity of rotating parts of mechanisms and machines, and can be used as a speed variator and a safety clutch in general and special engineering. An infinitely variable transmission is known in which gyro-optic effects are used to change the speed, containing a clip with a rapidly rotating flywheel, which is rocking by means of a connecting rod or cam mechanism, ball joint, cardan shaft, freewheel and output shaft. The swinging movement of the cage causes a procession of the flywheel axis, i.e. its turns, together with the yoke around an axis, perpendicular to the axis of rotation of the flywheel and passing through the connecting point of the connecting rod to the yoke. The turns of the yoke connected through the ball joint to the cardan cause alternating rotational movements of the latter, which are then converted by means of freewheels into unidirectional rotation of the driven shaft. A disadvantage of the known gear is the complexity of its design and the inconvenience of operation when used in speed control devices. This is due to the fact that in the device there is a double conversion of the movements: the initial rotational movement into the oscillating movement of the connecting rod and then again with the help of freewheels again into the unidirectional movement of the driven shaft. The closest to the invention of the technical nature is a continuous transmission comprising a drive and driven shaft, an outer frame rigidly connected to one of them, a gear wheel rigidly connected to another shaft, and an inner frame to the rotor. 397 mounted on an intermediate shaft, and a gear wheel rigidly connected to this frame and cooperating with a gear wheel. In this device, the gear train has a gear ratio of 1. The device is equipped with a pulsator connected to a tooth-gear with an internal frame, a double cardan gear connecting the rotor with the pulser, which is located on the outer frame of the gyroscope 2. A disadvantage of the known device is low reliability and low efficiency of oscillation damping and energy transfer control, which is explained by the fact that this device transmits a relatively small oscillatory nature to the output shaft torque And since the speed of rotation of the rotor is entirely determined by the angular velocity of the drive shaft, there is no possibility of changing the value of the transmitted moment without changing the speed of the leading shaft (and at low speeds of rotation of the transmission drive shaft, it is essentially inoperative, since the value of the transmitted moment goes to zero). The alternating angular velocity of the rotor, and hence the alternating gyroscopic moment, also lead to significant dynamic loads at the nodes and transmission details. The purpose of the invention is to increase the reliability of the device by eliminating the oscillatory component of the transmitted torque and, consequently, eliminating alternating loads on the components and parts and enabling control of the processes of damping vibrations and energy transfer. This goal is achieved by the fact that the transmission is open-ended, containing a drive and driven shaft, an outer frame rigidly connected to one of them, a gear wheel rigidly connected to another shaft, and an inner frame with a rotor mounted on the intermediate shaft and gears rigidly connected. connected to this frame and interacting with a gear wheel, equipped with an electric motor mounted on the inner frame, the shaft of which is coaxially mounted with the rotor shaft and rigidly connected with it, and a regulator electrically connected with the electric motor. The drawing schematically depicts a fuzzy transmission, a general view. 4 The stepless transmission comprises a driving 1 and driven 2 shafts, an outer frame 3 rigidly connected to the shaft 1, a gear wheel C rigidly connected to the shaft 2, and an inner frame 5 to the rotor 6 mounted on the intermediate shaft 7, and gear 8, is rigidly associated with this frame 5 and interacting with the gear wheel k. The transmission is equipped with an electric motor 9 installed on the inner frame 5, the shaft 10 of which is coaxially mounted with the rotor shaft 7 and rigidly connected with it, and the regulator 11 electrically connected with the electric motor 9 using brushes 12, 13 and contact rings T and 15 respectively. Electric energy to the electric motor 9 is supplied from an energy source 16. The device works as follows. Before starting the operation, a voltage is applied to the electric motor 9 and the rotor 6 connected with it spins up to high speed, as a result of which it acquires the ability to resist a change in the position of its axis in space. The unwinding of the rotor 6 is performed in the same direction where the drive shaft 1 rotates. When torque is applied M ,, p to the drive shaft 1, it rotates together with the outer frame 3 around the shaft axis and gears 8 are driven around the driven gear k of the slave shaft 2, to which a moment of load resistance Mu is applied, o | gr causes the inner frame 5 to rotate and the rotor 6 axis deviates from its initial position, determined by the coincidence of the rotor axis 6 and the axes of shafts 1 and 2. When the rotor axis 6 is tilted, the rotation him along with outer 3 and inner 5 frames around the transmission axis (axis of shafts 1 and 2) will be a precessional motion, as a result of which the gyroscopic moment appears, Mrr, tending to combine the axis of the rotor 6 with the axis of shafts 1 and 2 so that the directions of their angular velocities coincide i.e. resistance forces appear, which prevent the rotor 6 from deviating from its initial position. The action of these gyroscopic forces is similar to the action of the elastic forces of ordinary mechanical elastic elements — springs; a larger deflection (deformation) causes greater deflection resistance forces. 59 At a certain angle (b between the axis of the rotor 6 and the axis of transmission (axis of shafts 1 and 2), the gyroscopic moment and the moment of resistance applied to the gear wheel are equal, the gear wheel 8 is stopped along the gear wheel, i.e. the drive shaft turns off 1 with respect to the driven shaft 2 and further they rotate at the same angular velocity. When the load moment on the driven shaft 2 or the torque on the drive shaft 1 changes, the angle p changes between the axis of the rotor 6 and the axis of transmission (axis of the shafts 1 and 2) , t that is, a new position of the inner frame 5 with respect to the outer frame 3 is established, which is determined by the equality of ias, para. In the presence of the oscillatory component of the torque M or the load moment, processes similar to processes occur in systems with ordinary elastic elements at which the energy the oscillations are spent on overcoming the gyroscopic forces of elasticity (gyroscopic moment) and the communication of the movement of the gear 8. Due to this, oscillation is damped. The appearance of a large moment of resistance (M p) on the driven shaft, for example, jamming of the driven shaft 2, due to the limited magnitude of the gyroscopic moment at any angles P, the relation M will be fulfilled, .., and the angle y will monotonously coincide with Ic. In this case, the gear wheel will be driven around the gear wheel, i.e., the drive shaft 1 will rotate relative to the follower. The mechanism will not break down, the device in this case will play the role of a precautionary coupling. The magnitude of the gyroscopic moment M depends on the speed of rotation of the rotor 6 around its own axis and therefore, by using the controller 11, the angular velocity of the shaft 10 of the electric motor 9 and, accordingly, the speed of rotation of the rotor 6, can be controlled by the gyroscopic moment (gyro rigidity) and, therefore, control the processes of oscillation damping and energy transfer. 6 As already mentioned, during operation of the device, the angular velocity of the rotor can be changed only by means of the regulator 11, and these changes will be smooth, without large alternating accelerations. Consequently, the gyroscopic moment will not contain an alternating component and alternating loads (compared to the prototype) will not act on the parts and assemblies of the device, which increases the reliability of the device. The proposed infinitely variable transmission improves the quality of the operation of machines and mechanisms by controlling the processes of oscillation damping and energy transfer, as it allows you to reconfigure to the desired mode of operation, increases their reliability as a result of more effective protection against dynamic effects. In addition, the proposed transmission fulfills the functions of two currently used drive elements - an oscillation damper and a safety clutch. Claims of the Invention An inferior transmission comprising a drive and driven shaft, an outer frame rigidly connected to one of them, a gear wheel rigidly connected to another shaft, and an inner frame to a rotor mounted on an intermediate shaft and a gear wheel rigidly connected to this frame and interacting with the gear wheel, which is so that, in order to increase reliability and control the process of damping oscillations and energy transfer, it is equipped with an electric motor mounted on the inner frame, the shaft of which is flax with the rotor shaft and rigidly connected with it, and a regulator electrically connected with the electric motor. Sources of information taken into account in the examination 1. Technique of youth, 1E77. N 12, p. 28

2. USSR author's certificate №, cl. F 16 H 33/10, 19b | (prototype).