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Die
anmeldungsgemäße Erfindung
betrifft den Maschinenbau und ist für die Wandlung der Einseitendrehung
des Antriebsglieds in die Schwingungsdrehung des Abtriebsgliedes
mit stufenloser Änderung
seiner Schwingbreite bestimmt, was in stufenlosen Nicht-Friktions-Getrieben
von großem
Drehmoment, regulierten hydrostatischen Maschinen und in anderen
Vorrichtungen bei einer großen übertragenen
Leistung eingesetzt werden kann.
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Bekannt
sind Schwingungsmechanismen mit stufenloser Änderung von Schwingungen des
Abtriebsgliedes, z. B. der nicht-nockengesteuerte Mechanismus [1],
der keine Rotationsgleichmäßigkeit
der Abtriebswelle des stufenlosen Getriebes vom Nicht-Friktions-Typ
von großem
Drehmoment zulässt,
und die Gleichmäßigkeit
gewährleistenden
nockengesteuerten Mechanismen, wie z. B. [2–4], sind baulich kompliziert
und materialintensiv.
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Nehmen
wir als Prototyp den von technischem Wesen und herbeigeführtem Resultat
her am nächsten stehenden
Schwingungsmechanismus des stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes
von großem
Drehmoment [5], der ein Gehäuse
aufweist, einen innerhalb des Gehäuses installierten Nocken mit
der Möglichkeit
einer Einseitenrotation – das
Antriebsglied, ein Abtriebsglied, einen Steuerungsgriff sowie die
Vorrichtung zur Wandlung der Einseitenrotation des Nockens in Schwingungsrotation
des Abtriebsgliedes mit der Möglichkeit
der stufenlosen Änderung
dessen Schwingbreite durch den Steuerungsgriff, die einen im Gehäuse installierten Doppelarm-Kipphebel
aufweist, dabei ist der Nocken mit zwei Profilen ausgebildet, die
durch den Steuerungsgriff entlang der Drehachse auseinandergerückt werden
können
und mit dem Doppelarm-Kipphebel
kontaktieren, der das Abtriebsglied darstellt.
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Die
Kennzeichen des bekannten Mechanismus (des Prototyps), die mit der
anmeldungsgemäßen Erfindung übereinstimmen,
sind die folgenden. Der bekannte Mechanismus weist ein Gehäuse, einen
mit der Möglichkeit
der Einseitenrotationsbewegung Nocken – das Antriebsglied, das Abtriebsglied,
einen Steuerungsgriff sowie die Vorrichtung zur Wandlung der Einseitenrotation
des Nockens in Schwingungsrotation des Abtriebsgliedes mit der Möglichkeit
der stufenlosen Änderung
dessen Schwingbreite durch den Steuerungsgriff auf, die einen im
Gehäuse
installierten Doppelarm-Kipphebel aufweist, der mit dem Abtriebsglied
kinematisch verbunden ist und mit dem Nocken kontaktiert.
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Der
bekannte Mechanismus verfügt über ein
kompliziertes und sperriges Änderungssystem
der Schwingbreite des Abtriebsgliedes. Der Nocken weist ein technologisch
schwer ausführbares
räumliches
Profilpaar, das wegen des Punktkontaktes mit dem Kipphebel stark
belastet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Konstruktion mit gleichzeitiger Erhöhung deren
Betriebscharakteristika zu vereinfachen und zu verbilligen.
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Der
anmeldungsgemäße Schwingungsmechanismus
weist folgende wesentliche Kennzeichen auf. Er besteht aus einem
Gehäuse,
einem innerhalb des Gehäuses
installierten Nocken mit der Möglichkeit
einer Einseitenrotation – das
Antriebsglied, dem Abtriebsglied, einem Steuerungsgriff sowie aus
der Vorrichtung zur Wandlung der Einseitenrotation des Nockens in
Schwingungsrotation des Abtriebsgliedes mit der Möglichkeit der
stufenlosen Änderung
dessen Schwingbreite durch den Steuerungsgriff, diese Vorrichtung
weist einen im Gehäuse
installierten Doppelarm-Kipphebel auf, der mit dem Abtriebsglied
kinematisch verbunden ist und mit dem Nocken kontaktiert, einem
kegelförmigen
Zahnrad, einem Hebel, einem am Hebel ausgebildeten kegelförmigen Zahnsegment
und einer im Gehäuse
mit der Möglichkeit
deren Drehung durch den Steuerungsgriff installierten Schwenkvorrichtung
mit den der Drehachse rechtwinkelig angeordneten Zapfen, auf die
der Hebel aufgesetzt wird, dabei wird im Doppelarm-Kipphebel eine
mit dem Hebel kontaktierende ringförmige Nut ausgebildet, das
kegelförmige
Zahnsegment ist koaxial den Zapfen angeordnet und der kegelförmige Zahnrad
ist koaxial der Drehachse der Schwenkvorrichtung angeordnet, mit
dem kegelförmigen
Zahnsegment gekoppelt und stellt das Abtriebglied des Mechanismus
dar.
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Die
vom Prototyp unterscheidenden Kennzeichen der vorliegenden Erfindung
sind die folgenden. Der anmeldungsgemäße Schwingungsmechanismus des
stufenlosen Getriebes von großem
Drehmoment ist mit einem kegelförmigen
Zahnrad ausgestattet,
einem Hebel, einem am Hebel ausgebildeten
kegelförmigen
Zahnsegment und einer im Gehäuse
mit der Möglichkeit
deren Drehung durch den Steuerungsgriff installierten Schwenkvorrichtung
mit den der Drehachse rechtwinkelig angeordneten Zapfen, auf die
der Hebel aufgesetzt wird, dabei wird im Doppelarm-Kipphebel eine mit
dem Hebel kontaktierende ringförmige
Nut gemacht, das kegelförmige
Zahnsegment ist koaxial den Zapfen angeordnet und der kegelförmige Zahnrad
ist koaxial der Drehachse der Schwenkvorrichtung angeordnet, mit
dem kegelförmigen
Zahnsegment gekoppelt und stellt das Abtriebglied des Mechanismus
dar.
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Im
Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 3 ist
eine Konstruktionsvariante des anmeldungsgemäßen Mechanismus dargestellt;
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4 sein
kinematisches Schema;
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5 und 6 ein
Einsatzbeispiel des Schwingungsmechanismus im stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebe
von großem
Drehmoment;
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7–9 die
Parameter des Getriebes;
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10 bis 14 die
Konstruktionsvarianten des Mechanismus; und
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15 das
Schema einer Rotationshydropumpe mit stufenloser Förderung.
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Der
vorgestellte Mechanismus (1–3)
weist ein Gehäuse 1,
die im Gehäuse
montierte drehbare Schwenkvorrichtung 2 mit einem Zapfenpaar 3 auf.
An der Schwenkvorrichtung ist ein Schneckenrad 4 befestigt,
welches an eine im Gehäuse
mit der Möglichkeit
einer Rotation durch einen Steuerungsgriff 6 montierte
Schnecke 5 gekoppelt ist. An die Zapfen der Schwenkvorrichtung 2 ist
ein Hebel 7 mit einem sphärischen Nachspannenpaar 8 aufgesetzt
und auf dem Hebel ist koaxial zu den Zapfen ein kegelförmiges Zahnsegment 9 angeordnet.
An der Schwenkvorrichtung wird koaxial zu ihr mit der Möglichkeit
einer freien Rotation eine Schwingungsscheibe 10 angeordnet,
gemeinsam mit einem an ihr befestigten Zahnrad 11, welches
mit dem kegelförmigen
Zahnsegment 9 gekoppelt ist. An der Schwenkvorrichtung
wird koaxial zu ihr mit der Möglichkeit einer
freien Rotation eine Antriebsscheibe 12 mit einem an ihr
befestigten Nocken 13 vom Rohrtyp mit einem Nockenprofil 14 angeordnet.
Im Gehäuse
ist auf Kugellagern 15 ein Doppelarm-Kipphebel 16 mit
Rollen 17 gebettet, die mit dem Nockenprofil 14 kontaktieren,
die Drehachse des Kipphebels ist der der Schwenkvorrichtung rechtwinklig
angeordnet. Am Doppelarm-Kipphebel ist eine mit den Hebel-Nachspannen 8 kontaktierende ringförmige Nut 18 ausgebildet.
Der Nocken 13 mit der Antriebsscheibe 12 stellt
das Antriebsglied, das kegelförmige
Zahnrad 11 mit der Schwingscheibe 10 – das Abtriebsglied
dar.
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Der
Mechanismus funktioniert wie folgt. Der zusammen mit der Scheibe
12 mit
Winkelgeschwindigkeit ω rotierende
Nocken
13 (Antriebsglied) verleiht Schwingungsrotation
mit Geschwindigkeit ω
16 dem Doppelarm-Kipphebel
16, der
mittels der ringförmigen
Nut
18 die Schwingungsrotation mit Geschwindigkeit ω
7 auf den Hebel
7 mit kegelförmigem Zahnsektor
9,
und über
dieses auf den kegelförmigem
Zahnrad
11 mit dem Schwingungsscheibe
10 (Abtriebsglied)
mit Geschwindigkeit ω
10 = uω
7 überträgt, wo u – das Übersetzungsverhältnis des
Zahnpaares
9–
11 ist.
Die Hebelgeschwindigkeit ω
7, also auch ω
10,
hängen
von der Nockengeschwindigkeit ω und
den Parametern des Mechanismus ab, in dem der Rotationswinkel β der Schwenkvorrichtung
2,
0 ≤ β ≤ 90° (
4)
verändert
werden kann und durch den Steuerungsgriff
6 eingestellt
wird. Das Nockenprofil
14 gewährleistet das Gesetz der Doppelarm-Kipphebel-Rotation φ = φ(a), wo α – der Rotationswinkel
des Nockens ist, indem er die Geschwindigkeit und Schwingbreite
den Hebel-Rotationswinkel
und seine Schwingbreite gewährleistet γ(φ, β) = arctg(tgφ·cosβ), 0 ≤ λ
7(β) = 2arctg(tgφ
max·cosβ) ≤ λ, und hängen von β ab, wobei
die Schwingbreite des Abtriebsgliedes λ
10 =
uλ
7 ist, es liegt folglich eine stufenlose
Geschwindigkeitsänderung
des Abtriebsgliedes ω
10 vor
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Die
Konstruktion des stufenlosen Nicht-Friktions-Getriebes von großem Drehmoment
wird in
5 dargestellt, in diesem Getriebe
wird das Paar erfindungsgemäßer Schwingungsmechanismen
mit zueinander um 90°-Winkel
gedrehten und an der Antriebsscheibe
12 befestigten Nocken
13a
13b eingesetzt.
Der Antrieb des Getriebes erfolgt durch den Motor
19 mittels
eines Riementriebs
20. Von den Schwingungsscheiben
10 wird
die Schwingungsrotation auf Antriebskupplungshälften
21 und
22 der Überholungskupplungen
23 und
24 mittels
Seile
25 und
26 übertragen, wie es in
6 dargestellt
ist. Die Seile sind an den Schwingungsscheiben und Antriebskupplungshälften befestigt.
Die Abtriebskupplungshälften
27 der Überholungskupplungen
sind an die Wellen
28 aufgesetzt, an denen die Zahnräder
29 befestigt
sind. Die Glieder
10,
21–
29 bilden den Schwingungsgleichrichtermechanismus,
dessen Schwingungsscheibe das Antriebsglied und der Zahnrad
29 das
Abtriebsglied darstellen. Der Gleichrichter setzt Schwingungsrotation
der Schwingungsscheibe
10 in die Einseitenrotation des
Zahnrades
29 um. Das Zahnradpaar
29a und
29b sind
mit den Zahnrädern
30a und
30b gekoppelt,
die gemeinsam mit kegelförmigen
Rädern
31a und
31b des
Drei-Wellen-Differentials mit dem Ausgleichkegelrad
32 und
dem am Ausgangswelle
34 des Getriebes befestigten Käfig
33.
An den Wellen
28 des Gleichrichters sind Schwungräder
35 aufgesetzt.
Die Nockenprofile in beiden Schwingungsmechanismen gewährleisten
das Gesetz
der Doppelarm-Kipphebel-Rotation
wo
γ0(α) = λ[U(α) – 0,5]cosβ0,
- β0
- – der fixierte Standwinkel
der Schwenkvorrichtung, s(α) = 2Φ[sin(α)] – 1 (Φ(x ≥ 0) = 1; Φ(x < 0) = –1 – Heaviside-Funktion) darstellen.
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Das
Getriebe funktioniert auf folgende Weise. Von dem mit der Geschwindigkeit ω rotierenden
Nocken
13a schwingt die Schwingungsscheibe
10a mit
Geschwindigkeit
wo U
1(α)
= (2/π)s(α)sin
2α ist,
und die Geschwindigkeit der Schwingungsscheibe
10b
ω
10b(α, β) = ω
10a(α +
0,5π, β) beträgt.
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Die
Geschwindigkeit der Differential-Räder 31a und 31b betragen
jeweils
ωa(α, β) = |ω10a(α, β)| u10,30; ωb(α, β) = ωa(α +
0,5π, β),
wo
u,10,30 – das Übersetzungsverhältnis zwischen
den Gliedern 10 und 30 ist. Die Geschwindigkeit
der Ausgangswelle des Getriebes beträgt Ω = 0,5(ωa + ωb). Bei 0 ≤ β ≤ 90° ist ωu·u10,30λ/π ≤ Ω ≤ 0. In 7 wird
bei ω =
const der Charakter kinematischer Parameter des Getriebes dargestellt.
In 8 wird der Charakter der Geschwindigkeit Ω und des
Widerstandsmoments MΩ an der Ausgangswelle
des Getriebes (Volllinien bei der Arbeit der Überholungskupplungen ohne Überholung,
schraffierte Bereiche – mit Überholung)
dargestellt. Bei der Verringerung von Ω wächst das Moment MΩ theoretisch
bis ins Unendliche und in der Praxis ist bei β → 90° der MΩ-Wert
in einige hundert Male größer als
das Moment an den Nocken Mω.
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Die
Ungleichförmigkeit
der Rotation der Getriebeausgangswelle
wird grafisch
in
9 dargestellt, sie ist ohne Berücksichtigung
des Überholungseinflusses
der Überholungskupplungen
des Gleichrichters errechnet und hängt von ß
0 – dem beim
Nockenprofilieren gegebenen Winkel, wo ein für die Praxis recht annehmbarer
Wert δ zu
sehen ist. Es muss angemerkt werden, dass bei hohen Geschwindigkeiten Ω eine Überholung
vorliegt und δ ≈ 0, und bei
geringen Geschwindigkeiten Ω die
Ungleichmäßigkeit
nicht wesentlich ist. Dank der Überholung
(
8) liegt bei der Veränderung des Widerstandsmoments M
Ω ohne
Betätigung
des Steuerungsgriffes eine automatische Veränderung des Getriebeübersetzungsverhältnisses
im Bereich 0 ≤ β < β
K vor,
und der Wert β
K hängt
von der Trägheit
der Getriebeglieder ab, wozu die Schwungräder
35 beitragen (siehe
[6, 7]).
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Das
Verfahren der senkrechten Schwingungsrotationsübertragung vom Hebel auf das
Abtriebsglied ist nicht von grundsätzlicher Bedeutung. In 10 und 11 wird
die Verbindung des Hebels mit dem Abtriebglied dargestellt (Schwingungsscheibe 10)
mittels eines Kardangelenks dargestellt. Am Hebel und an der Schwingungsscheibe
sind durch Kardanstern 38 verbundene Gabeln 36 und 37 ausgebildet,
das Übersetzungsverhältnis beträgt u = 1.
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In 12 wird
eine Ausführungsvariante
des Hebelnachspanns dargestellt, der mit dem Schuh 39 ausgestattet
ist, der mit Möglichkeit
der Drehung um die Hebelachse und des Zusammenwirkens mit der ringförmigen Nut
aufgesetzt wurde. Die Nockenform ist nicht von grundsätzlicher
Bedeutung. In 13 ist der Nocken kugelförmig und
das Nockenprofil 14 – in
Form einer mit kugelförmiger
Rolle kontaktierenden Nut ausgebildet, wodurch die Kontaktspannungen
gesenkt werden, ebenfalls wird infolge der Verringerung der Länge des
Doppelarm-Kipphebels sein Trägheitsmoment
minimiert.
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Der
mit zwei zylinderförmigen
Profilen ausgebildete Nocken, wobei die beiden Profile aufeinander
bezogen um 180° gedreht
sind, ist in 14 dargestellt.
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Die Überholungskupplungen
der Getriebegleichrichter sind unter einer hohen Ansprechfrequenz
und starken Belastung im Betrieb, daher sind die bekannten Friktions-Überholungskupplungen,
z. B. Rollen-Überholungskupplungen,
nicht geeignet. Es sollen Zahnrad-Überholungskupplungen eingesetzt
werden [8–11]. Eine
reversible Zahnrad-Überholungskupplung
[11] gewährleistet
die Getriebereversierung ohne Einsatz des Umkehrmechanismus.
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Der
anmeldungsgemäße Schwingungsmechanismus
ist in den Vorrichtungen einsetzbar, deren Parameter stufenlos zu
verändern
sind. In 15 ist das Schema einer Rotor-Hydropumpe
mit der stufenlos regulierten Förderung
dargestellt. Im Pumpengehäuse 40 ist
mit dem Abtriebsglied des Schwingungsmechanismus verbundener Rotor 41 untergebracht,
der zusammen mit dem Abtriebsglied Schwingungsrotation vollzieht.
Die Stutzen 42 und 43 sind mittels Ventile 44 mit
dem Tank 45 und Pumpenhohlräumen verbunden. Der Schwingungsmechanismus
gestattet es, die Pumpenförderung
von Null bis auf den Maximalwert stufenlos zu ändern.
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Das
Nicht-Friktions-Getriebe von großem Drehmoment mit dem anmeldungsgemäßen Schwingungsmechanismus
ist hergestellt worden und hat seine Arbeitsfähigkeit demonstriert.
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Die
Erfindung gehört
zum Bereich Maschinenbau, insbesondere zu den Mechanismen für die Wandlung
der Antriebsrotation in die Schwingungsrotation des Abtriebgliedes
mit dessen sich stufenlos ändernder Schwungbreite,
was in Nicht-Friktions-Getrieben von großem Drehmoment, regulierten
hydrostatischen Maschinen und anderen Vorrichtungen bei einer großen übertragenen
Leistung zum Einsatz kommen kann. Der Mechanismus weist einen innerhalb
des Gehäuses
installierten Nocken mit der Möglichkeit
einer Einseitenrotation – das
Antriebsglied auf, das Abtriebsglied, den Steuerungsgriff sowie
eine Vorrichtung zur Wandlung der Einseitenrotation des Nockens
in Schwingungsrotation des Abtriebsgliedes mit der Möglichkeit
der stufenlosen Änderung
dessen Schwingbreite durch den Steuerungsgriff, die einen im Gehäuse installierten
Doppelarm-Kipphebel aufweist, der mit dem Abtriebsglied kinematisch
verbunden ist und mit dem Nocken kontaktiert, einen kegelförmigen Zahnrad,
einen Hebel, einen am Hebel ausgebildeten kegelförmigen Zahnsegment und eine
im Gehäuse
mit der Möglichkeit
deren Drehung durch den Steuerungsgriff installierte Schwenkvorrichtung mit
den der Drehachse rechtwinkelig angeordneten Zapfen, auf die der
Hebel aufgesetzt wird, dabei wird am Doppelarm-Kipphebel eine mit
dem Hebel kontaktierende ringförmige
Nut ausgebildet, das kegelförmige
Zahnsegment ist koaxial den Zapfen angeordnet und der kegelförmige Zahnrad
ist koaxial der Drehachse der Schwenkvorrichtung angeordnet, ist
mit dem kegelförmigen
Zahnsegment gekoppelt und stellt das Abtriebglied des Mechanismus
dar. Das technische Ergebnis besteht in der Vereinfachung und Verbilligung
der Konstruktion mit gleichzeitiger Steigerung der Betriebscharakteristika.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Schwenkvorrichtung
- 3
- Zapfenpaar
- 4
- Schneckenrad
- 5
- Schnecke
- 6
- Steuerungsgriff
- 7
- Hebel
- 8
- Nachspannenpaar
- 9
- Zahnsegment
- 10
- Schwingungsscheibe
- 11
- Zahnrad
- 12
- Antriebsscheibe
- 13
- Nocken
- 14
- Nockenprofil
- 15
- Kugellagern
- 16
- Doppelarm-Kipphebel
- 17
- Rollen
- 18
- Nut
- 19
- Motor
- 20
- Riementrieb
- 21a
- Antriebskupplungshälfte
- 21b
- Antriebskupplungshälfte
- 22a
- Antriebskupplungshälfte
- 22b
- Antriebskupplungshälfte
- 23a
- Überholungskupplungen
- 23b
- Überholungskupplungen
- 24a
- Überholungskupplungen
- 24b
- Überholungskupplungen
- 25a
- Seil
- 25b
- Seil
- 26a
- Seil
- 26b
- Seil
- 27
- Antriebskupplungshälfte
- 28a
- Wellen
- 28b
- Wellen
- 29a
- Zahnradpaar
- 29b
- Zahnradpaar
- 30a
- Zahnrad
- 30b
- Zahnrad
- 31a
- kegelförmiges Rad
- 31b
- kegelförmiges Rad
- 32
- Ausgleichkegelrad
- 33
- Käfig
- 34
- Ausgangswelle
- 35
- Schwungräder
- 36
- Gabel
- 37
- Gabel
- 38
- Kardanstern
- 39
- Schuh
- 40
- Pumpengehäuse
- 41
- Rotor
- 42
- Stutzen
- 43
- Stutzen
- 44
- Ventil
- 45
- Tank
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Literaturverzeichnis:
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- 1. RU
2263240 C2 , F 16 H 29/08, 25.11.2003 (B. W. Pylajew).
- 2. DE 3309044 , F
16 H 29/08, 14.03.83 (Rindfleisch B.).
- 3. RU2204749 C1 ,
F 16 H 29/08, 05.11.2001 (B. W. Pylajew).
- 4. RU 2304734 C2 ,
F 16 H 29/08, 14.03.2005 (B. W. Pylajew).
- 5. RU 2242654 C2 ,
F 16 H 29/08, 20.01.2003 (B. W. Pylajew).
- 6. RU 2313019 C2 ,
F 16 H 29/08, 28.12.2005 (B. W. Pylajew).
- 7. B. W.Pylajew. Anpassungsfähigkeit eines Nicht-Friktions-Getriebes
von großem
Drehmoment an die Außenbelastung//Westnik
mashinostrojenija (Nachrichtenblatt des Maschinenbaus). 2009. Nº 5. C. 16–22.
- 8. B. W. Pylajew, A. A. Schamin. Zahnrad-Überholungskupplung für ein Nicht-Friktions-Getriebe
von großem Drehmoment//Westnik
mashinostrojenija (Nachrichtenblatt des Maschinenbaus). 2008. 6.
C. 3–6.
- 9. RU 2298711 C2 ,
22.07.2005 (B. W. Pylajew, A. A. Schamin).
- 10. RU 2353835
C2 , F 16 D 41/08, 27.03.2007 (B. W. Pylajew, A. A. Schamin).
- 11. RU 2353836
C2 , F 16 D 41/08, 27.03.2007 (B. W. Pylajew, A. A. Schamin)