EA014253B1 - Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения - Google Patents

Abstract

Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, содержащий ведущий элемент, тела качения и ведомый элемент, причем ведущий элемент сопряжен с ведомым элементом посредством тел качения, а движение элементов ограничено движением с одной степенью свободы, при этом указанные элементы содержат соответствующие направляющие канавки для тел качения, входящие в контакт с телами качения по кривым качения; направляющие канавки для тел качения начинаются и заканчиваются на соответствующих парах граничных поверхностей; а ведущий и ведомый элементы выполнены с возможностью обмена ролями, при этом расстояния между точками кривой качения на ведущем элементе и кривой качения на ведомом элементе являются различными; перемещение тел качения представляет собой чистое качение; для всех пар точек контакта кривых качения, находящихся в контакте с телами качения, соответствующие касательные плоскости являются параллельными друг другу; скорости пар точек контакта равны друг другу по величине, но противоположны по знаку; в точках контакта линии действия сил пересекают центральные оси тел качения; длины кривых качения на ведущем элементе и ведомом элементе равны, а касательные плоскости к кривым качения до и после точек контакта наклонены под углом друг относительно друга.

Description

Настоящее изобретение относится к передаточному механизму с трансмиссией посредством тел качения, содержащему ведущий элемент, тела качения, имеющие соответствующие центры или центральные оси, и ведомый элемент, причем ведущий элемент сопрягается с ведомым элементом посредством тел качения, а движение ведущего и ведомого элементов ограничено движением с одной степенью свободы, при этом как ведущий элемент, так и ведомый элемент содержат соответствующие направляющие канавки для тел качения, так что канавки входят в контакт с телами качения и определяют движение указанных тел по отношению к соответствующему элементу, причем контакт тел качения с направляющими канавками для тел качения происходит по соответствующим кривым качения; направляющие канавки для тел качения начинаются и заканчиваются на ведущем и ведомом элементах на соответствующих парах граничных поверхностей; при этом тела качения перемещаются вдоль соответствующих направляющих канавок, а ведущий и ведомый элементы выполнены с возможностью обмена ролями.

Предшествующий уровень техники

Силовые передачи и трансмиссионные системы играют фундаментальную роль в машиностроении, и промышленность предлагает широкий спектр таких механизмов. Большинство из них, помимо других параметров, могут характеризоваться передаточным отношением, максимальной передаваемой мощностью, конструкцией и размерами, и в частности, относительным расположением и размерами ведущего и ведомого элементов, возможностью изменения направления вращения ведомого элемента по отношению к ведущему элементу, а также (что играет не последнюю роль) коэффициентом полезного действия (КПД) передачи мощности.

Червячные передачи, например, известны с плохой стороны, в частности, своим низким КПД при передаче мощности. В них рассеивается значительное количество энергии из-за больших потерь на трение по причине интенсивного взаимного скольжения соприкасающихся поверхностей. Делались различные предложения, как снизить уровень скольжения за счет введения катящихся шариков в промежуток между соприкасающимися поверхностями канавок червяка и зубьями червячного колеса. Таким образом, предотвращался непосредственный контакт между червяком и червячным колесом, а сопряжение между ними устанавливалось через набор катящихся шариков. Шарики, будучи в положении сопряжения, двигались по каналу между червяком и червячным колесом. Когда шарики доходили до конца канала, они выходили из него и выходили из сопряжения. Затем через внешнее устройство их подводили обратно к началу канала, где шарики снова устанавливали сопряжение.

Такие предложения можно найти, например, в патентах США 3365974, 2664760, 4656884 и 4283329. Однако в этих конструкциях не удалось использовать все преимущества, которые можно было бы ожидать от применения катящихся шаров, поскольку не были выполнены условия для их чистого качения. При отсутствии таких условий шарики были вынуждены интенсивно скользить по своим направляющим, что из-за значительных потерь на трение давало КПД передачи меньше оптимального.

В случае классических шариковинтовых передач, которые используются для получения линейных перемещений, например для перемещения столов обрабатывающих станков, условия для чистого качения тел качения выполняются автоматически. Такая конструкция представлена, например, на фиг. 3 патента США 6092434. Указанные условия выполняются благодаря тому, что ведущий и ведомый элементы имеют коллинеарные или общие оси вращения, и направляющие канавки для тел качения являются концентрическими. В отношении чистого качения тел качения данный случай является единственным известным примером системы зубчатой передачи с использованием тел качения, которая имеет широкое применение, благодаря небольшим потерям на трение и другим преимуществам чистого качения. При движении такого типа и ведущий, и ведомый элементы оснащаются соответствующими направляющими канавками для тел качения, а шарики катятся по указанным канавкам, соприкасаясь с последними вдоль соответствующих кривых качения. В каждый момент времени каждый шарик находится в контакте с одной точкой контакта кривой качения ведущего элемента и одной точкой ведомого элемента. Поскольку кривые качения представляют собой соосные винтовые линии (спирали), расстояние между ними постоянно. Расстояние между любой точкой кривой качения на ведущем элементе и кривой качения на ведомом элементе можно определить используя геометрические построения, т.е. если соединять указанную точку с различными точками кривой качения на ведомом элементе, то по определению кратчайший из этих соединяющих отрезков и будет искомым расстоянием. Для соосных кривых качения указанное расстояние будет одинаковым для всех точек обеих кривых качения. Данные условия не выполняются в случае, когда кривые качения несоосны, и имеют форму, отличную от правильных винтовых линий.

Однако тот факт, что шариковинтовые передачи упомянутого соосного типа могут быть применены только для преобразования вращательного движения в поступательное вдоль траектории, параллельной оси вращения, делает их непригодными для получения перемещений с большим числом степеней свободы, например, в направлениях с двумя или тремя измерениями; и в силу таких ограничений данный конкретный механизм трансмиссии не получил более широкого распространения и применения.

Тривиальный факт, что самым распространенным передаточным механизмом является механизм, в котором используются зубчатые колеса. Он обладает многими преимуществами при малом числе недостатков. Одним из недостатков является коэффициент перекрытия, т.е. число зубьев, одновременно нахо

- 1 014253 дящихся в контакте в любой данный момент времени, сравнительно мало, и не может быть увеличено существенным образом. Это означает, что механическая нагрузка сосредоточена на малом числе зубьев, находящихся в зацеплении, и соответственно максимальная передаваемая мощность относительно мала по сравнению с размерами и занимаемым пространством; при этом ее трудно увеличить существенным образом. Помимо ограничения максимальной передаваемой мощности, нет пространства для маневра, чтобы можно было варьировать расстояние и угол между ведущим и ведомым валами. Другое ограничение конструкции состоит в том, что для данной конфигурации соединяющих колес, относительное направление вращения для колес является предопределенным. Чтобы изменить относительное направление вращения, между колесами нужно ставить дополнительное колесо. Это, с одной стороны, увеличивает габариты системы, а, с другой стороны, вносит дополнительные потери на трение. Одним из наиболее важных недостатков зубчатых колес являются потери на трение, возникающие в силу того факта, что сопряженные зубья колес скользят друг по другу на протяжении большей части времени своего зацепления. Это вызывает существенное снижение КПД передачи мощности, даже если применяется надлежащая смазка.

Сущность изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является создание нового передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, который свободен от большинства вышеупомянутых недостатков и ограничений существующих передаточных систем, имеет более высокий КПД передачи мощности, требует меньше места и способен передавать большие крутящие моменты.

Было обнаружено, что для решения задачи настоящего изобретения должен быть предложен новый передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, где реализуется чистое качение между ведущим элементом, телами качения и ведомым элементом.

Соответственно, предлагается передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, который содержит ведущий элемент, тела качения, имеющие соответствующие центры или центральные оси, и ведомый элемент, причем ведущий элемент сопряжен с ведомым элементом посредством тел качения, а движение ведущего и ведомого элементов ограничено движением с одной степенью свободы, при этом как ведущий элемент, так и ведомый элемент содержат соответствующие направляющие канавки для тел качения, входящие в контакт с телами качения и определяющие относительное движение указанных тел по отношению к соответствующему элементу, причем контакт тел качения с направляющими канавками для тел качения происходит по соответствующим кривым качения; направляющие канавки для тел качения начинаются и заканчиваются на ведущем и ведомом элементах на соответствующих парах граничных поверхностей; перемещение тел качения происходит вдоль соответствующих направляющих канавок, а ведущий и ведомый элементы выполнены с возможностью обмена ролями, при этом согласно изобретению расстояния между соответствующими точками кривой качения на ведущем элементе и кривой качения на ведомом элементе являются различными; перемещение тел качения по направляющим канавкам для тел качения после входа в указанные канавки и до выхода из указанных канавок представляет собой чистое качение; для всех пар точек кривых качения, находящихся в контакте с телами качения, соответствующие касательные плоскости в указанных парах точек, по существу, являются параллельными друг другу; скорости пар точек контакта, определенные в системе координат тел качения, по существу, являются равными друг другу по величине, но противоположными по знаку; в точках контакта соответствующие линии действия сил, действующих на тела качения, проходят через центры или центральные оси тел качения или пересекают их; длины кривых качения на ведущем элементе, по существу, равны длинам кривых качения на ведомом элементе, а касательные плоскости к кривым качения до и после точек контакта наклонены под углом друг относительно друга.

В данной формулировке понятие одна степень свободы не ограничено движением вдоль прямой линии, но подразумевает любые пространственные перемещения, которые происходят вдоль некоторой линии вообще.

Выражение по существу, использованное несколько раз, означает, что задаваемые условия не обязательно должны выполняться с математически идеальной точностью, напротив, допускаются небольшие отклонения от идеальных условий, в той степени в какой преимущества конструкции допускают такие отклонения.

В нескольких предпочтительных вариантах осуществления изобретения тела качения представляют собой сферические катящиеся шары, или же тела с вращательной симметрией, подобные цилиндрическим роликам или бочкообразным роликам.

Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения может предпочтительно содержать соответствующие каналы возврата тел качения, служащие для перемещения тел качения после их выхода из направляющих канавок для тел качения с целью возврата и повторного входа через соответствующие входные отверстия направляющих канавок для тел качения.

Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента и ведомого элемента обладал вращательной симметрией и имел соответствующие оси вращения.

В предыдущем случае более предпочтительно, чтобы и ведущий элемент, и ведомый элемент обла

- 2 014253 дали вращательной симметрией и имели соответствующие непараллельные оси вращения.

Для некоторых задач желательно, чтобы по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента и ведомого элемента имел фронтальную поверхность с вращательной симметрией, при этом направляющие канавки для тел качения были бы выполнены на фронтальной поверхности, а граничные поверхности представляли бы собой кольца.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента и ведомого элемента представляет собой зубчатую рейку, установленную с возможностью перемещения вдоль заданной линии, при этом направляющие канавки для тел качения выполнены на плоских поверхностях зубчатой рейки.

Согласно еще одному предпочтительному варианту на по меньшей мере одном элементе среди ведущего элемента и ведомого элемента выполнен набор направляющих канавок для тел качения.

В этом случае предпочтительно, чтобы направляющие канавки для тел качения на одном и том же элементе были идентичны по форме и кривизне и смещены друг относительно друга по углу на соответствующие угловые интервалы вокруг оси вращения соответствующего элемента.

Равномерное угловое распределение получается, если угол смещения составляет 360°/п, где η - число равномерно расположенных направляющих канавок для тел качения на указанном элементе.

В другом предпочтительном варианте осуществления направляющие канавки для тел качения выполнены на плоской поверхности соответствующего элемента, являются идентичными по форме и кривизне и расположены с интервалом друг относительно друга в предварительно определенном направлении.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения любой среди ведущего элемента или ведомого элемента содержит гребни с соответствующими боковыми поверхностями, а другой элемент содержит желоба, повторяющие форму указанных гребней, так что между каждой из указанных боковых поверхностей гребней и боковыми поверхностями желобов образованы соответствующие промежутки, при этом тела качения размещены по меньшей мере в одном из указанных промежутков, а направляющие канавки для тел качения, в которые помещены тела качения, выполнены на противолежащих боковых поверхностях гребней и желобов.

В другой версии последнего варианта осуществления в промежутках выполнен набор направляющих канавок для тел качения, при этом перемещение соответствующих тел качения происходит вдоль каждой из указанных канавок.

Для двунаправленных нагрузок желательно, чтобы соответствующие тела качения были размещены в обеих указанных промежутках.

Также желательно, чтобы на каждом из элементов было выполнено несколько пар гребней и желобов, соответствующих друг другу по форме.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления тела качения представляют собой миниатюрные шарики, по существу, заполняющие указанные промежутки. В предпочтительном альтернативном варианте миниатюрные шарики взвешены в смазочной жидкости.

В определенных конструкциях тела качения могут уходить в боковых направлениях относительно соответствующих направляющих канавок для тел качения. Этому можно воспрепятствовать, если механизм содержит перегородки, ограничивающие любое перемещение тел качения в направлениях отличных от пути, который определен направляющими канавками для тел качения. Перегородки выполнены на соответствующих сторонах указанных канавок.

Желательно также, чтобы механизм содержал разделители между соседними телами качения для выдерживания между телами предварительно определенного расстояния.

Чтобы обеспечить плавную и бесшумную циркуляцию тел качения, направление движения тел качения при их выходе из направляющих канавок для тел качения и направление движения тел качения при входе в канал возврата должны образовывать угол, косинус которого равен отношению скорости тел качения в канале возврата к скорости тел качения при их выходе из направляющих канавок для тел качения, кроме того, такой же угол должен быть образован между направлением канала возврата на другом конце указанного канала и направлением движения тел качения при их входе в направляющие канавки для тел качения.

Другое решение, обеспечивающее оптимальную работу канала возврата, заключается в том, чтобы предусмотреть постепенное уменьшение расстояния между соседними направляющими канавками для тел качения ближе к окончанию указанных канавок на граничных поверхностях, и постепенное увеличение расстояния между соседними направляющими канавками для тел качения ближе к началу указанных канавок на граничных поверхностях.

Еще один способ обеспечения плавности перехода тел качения из направляющих канавок для тел качения в канал возврата и из канала возврата в направляющие канавки для тел качения состоит в постепенном увеличении указанных канавок на их начальных и конечных участках при подходе к граничным поверхностям, тем самым уменьшая силы, действующие на тела качения и облегчая вход тел качения в указанные канавки и выход тел качения из указанных канавок.

Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изо

- 3 014253 бретением решают все поставленные в изобретении задачи и дают новое решение задач построения передаточных механизмов, когда может быть осуществлена прямая передача в пределах небольшого пространства от ведущих элементов к ведомым элементам, занимающим любое положение друг относительно друга. Силу и крутящий момент, которые могут быть переданы, можно увеличить за счет увеличения коэффициента перекрытия между ведущим и ведомым элементами. Устранение скольжения снижает потери энергии на трение и увеличивает КПД передачи мощности. Упомянутые преимущества представляют далеко не полный их возможный перечень.

Перечень фигур

Далее в качестве примеров предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи будет рассмотрен соответствующий настоящему изобретению передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения.

Фиг. 1 представляет собой схематический чертеж одной из базовых конструкций передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению.

Фиг. 2 схематически изображает ту же конструкцию, что и фиг. 1, но без отображения первого колеса 10. С двух сторон канала сопряжения для тел качения полностью видна пара перегородок; также видна и вся цепочка тел качения, включая те тела, которые находятся в позиции сопряжения внутри канала сопряжения, и те, которые находятся в канале циклической передачи.

Фиг. 3 схематически изображает ту же конструкцию, что и фиг. 1, но без показа циркуляции тел качения.

Фиг. 4 - вид сверху конструкции по фиг. 3.

Фиг. 5 схематически изображает ту же конструкцию, что и фиг. 1, но только с одной направляющей канавкой для тел качения на каждом элементе и одним телом качения в положении сопряжения.

Фиг. 6 схематически изображает ту же конструкцию, что и фиг. 1, но без показа первого колеса 10. Показано только одно тело качения в положении сопряжения внутри канала сопряжения.

Фиг. 7 - другой пример базовой конструкции, подобной фиг. 1, в которой первое колесо 10 показано прозрачным. Тела качения показаны только в положении сопряжения в канале сопряжения; циркуляция тел качения не показана.

Фиг. 8 схематически изображает конструкцию, в которой один из элементов является кольцом, на внутренней поверхности которого выполнены направляющие канавки для тел качения.

Фиг. 9 схематически изображает конструкцию, подобную конструкции фиг. 8.

Фиг. 10 схематически изображает конструкцию, в которой оси вращения элементов параллельны, при этом направляющие канавки выполнены на фронтальных поверхностях элементов.

Фиг. 11 схематически изображает конструкцию, подобную конструкции фиг. 10.

Фиг. 12 схематически изображает конструкцию, в которой один из элементов является телом с вращательной симметрией, а другой представляет собой зубчатую рейку. Циркуляция тел качения не показана.

Фиг. 13 схематически изображает конструкцию, в которой один из элементов представляет собой зубчатую рейку, а другой - кольцо, причем его ось вращения перпендикулярна плоскости зубчатой рейки. Направляющие канавки выполнены на фронтальной поверхности кольца и на обращенной к ней стороне зубчатой рейки. Циркуляция тел качения не показана.

Фиг. 14 схематически изображает ту же конструкцию, что и фиг. 13, при этом кольцо 10 не показано. Целиком показаны тела качения в положении сопряжения, расположенные вдоль пути сопряжения. Рециркуляция тел качения не показана.

Фиг. 15 схематически изображает конструкцию, в которой два элемента представляют собой части сфер, и вращаются вокруг пересекающихся осей вращения.

Фиг. 16 схематически изображает конструкцию, подобную конструкции фиг. 15.

Фиг. 17 схематически изображает конструкцию, в которой по одной направляющей канавке выполнено на обеих сторонах сопряженных желобов и гребней на ведущем колесе и ведомом колесе.

Фиг. 18 представляет собой схематический чертеж, соответствующий конструкции, изображенной на фиг. 17, и демонстрирующий профиль поперечного сечения желоба и гребня, с обеих сторон которых выполнено по одной направляющей канавке для тел качения. Также показаны и тела качения.

Фиг. 19 схематически изображает конструкцию, в которой две пары направляющих канавок выполнены на обеих сторонах сопряженных желобов и гребней, на ведущем колесе и ведомом колесе.

Фиг. 20 представляет собой схематический чертеж, соответствующий конструкции, изображенной на фиг. 19, и демонстрирующий профиль поперечного сечения желоба и гребня, с обеих сторон которых выполнено по паре направляющих канавок для тел качения. Также показаны и тела качения.

Фиг. 21 представляет собой схематический чертеж конструкции, в которой использовано большое число микроскопически малых тел качения, при этом соответствующие кривые качения определены поверхностями обеих сторон сопряженных желобов и гребней на ведущем колесе и ведомом колесе.

Фиг. 22 представляет собой схематический чертеж, соответствующий конструкции, изображенной на фиг. 21, и демонстрирующий профиль поперечного сечения двух желобов и двух гребней. Тела качения слишком малы, чтобы быть показанными на чертеже, при этом направляющие канавки для тел каче

- 4 014253 ния выродились в кривые качения, которые имеют вид отдельных линий и определяют полный профиль желобов и гребней.

Фиг. 23 схематически изображает конструкцию, в которой используются цилиндрические ролики.

Фиг. 24 представляет собой схематический чертеж, соответствующий конструкции, изображенной на фиг. 23, и демонстрирующий профиль поперечного сечения направляющих канавок на двух колесах. Также показаны цилиндрические ролики в направляющих канавках.

Фиг. 25 представляет собой первый схематический чертеж, иллюстрирующий принцип передачи крутящего момента в передаточном механизме с трансмиссией посредством тел качения соответствующем настоящему изобретению. В примере изображены два элемента ζ1 и ζ2, обладающие вращательной симметрией, с осями вращения, расположенными под произвольным углом.

Фиг. 26 представляет собой второй схематический чертеж для иллюстрации примера фиг. 25.

Фиг. 27 представляет собой третий схематический чертеж для иллюстрации примера фиг. 25.

Фиг. 28 представляет собой четвертый схематический чертеж для иллюстрации примера фиг. 25.

Фиг. 29 представляет собой пятый схематический чертеж для иллюстрации примера фиг. 25. Представлены виды в трех основных направлениях.

Фиг. 30 схематически изображает кинематику передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изобретением. Показано одно тело качения, соответствующая ему линия сопряжения и две кривые качения, а также различные скорости и угловые скорости, характеризующие систему.

Фиг. 31 схематически изображает разделители между телами качения.

Фиг. 32 схематически изображает цепочку тел качения и иллюстрирует угол, заданный между каналом сопряжения и каналом циклической передачи тел качения.

Фиг. 33 схематически изображает колесо, в котором осуществлено изменение формы направляющих канавок и расстояний между ними с целью устранения/увеличения пространства между телами качения, и устранения/увеличения сил, действующих между телами качения и направляющими канавками, когда тела качения входят в канал сопряжения и покидают указанный канал.

Фиг. 34 схематически изображает конструкцию, где показан один из элементов и вся цепочка тел качения. Сечение А данной фигуры в увеличенном виде показано на фиг. 33.

Фиг. 35 схематически изображает пример частного случая применения изобретения: передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения для велосипедов.

Фиг. 36 схематически изображает пример частного случая применения изобретения: зубчатый передаточный механизм с телами качения для дифференциальных передач.

Фиг. 37 схематически изображает пример частного случая применения изобретения: передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, одновременно приводящий две дифференциальные передачи в транспортных средствах с двумя осями.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Чтобы продемонстрировать основные составляющие части и основные особенности передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изобретением, сначала будет рассмотрен пример базовой конструкции, в которой два элемента представляют собой конструкцию из двух колес с вращательной симметрией, причем их оси вращения образуют скрещивающиеся прямые под определенным углом. На фиг. 1 приведено схематическое изображение конструкции, включающей в себя первое колесо 10, второе колесо 20 и их соответствующие оси 11 и 21 вращения. В данном описании понятие колеса обозначает элементы с вращательной симметрией, которые могут вращаться вокруг своих осей симметрии, но не могут перемещаться в осевом направлении. Каждый элемент имеет либо внутреннюю, либо наружную поверхность, обладающую вращательной симметрией, с центром на оси вращения элемента, причем на указанных поверхностях выполнены направляющие канавки для тел качения. Далее указанные поверхности будут именоваться направляющими поверхностями. Направляющие поверхности ограничены двумя отдельными граничными поверхностями, которые в типичном случае (но не всегда) представляют собой плоскости, нормальные по отношению к оси вращения. В приведенном на фиг. 1 примере оба колеса 10 и 20 имеют наружные направляющие поверхности с вращательной симметрией, на которых выполнены направляющие канавки 12 и 22, при этом все граничные поверхности 14 и 15 для колеса 10, а также 24 и 25 для колеса 20 представляют собой плоскости, нормальные к оси вращения. Направляющая поверхность с вращательной симметрией первого колеса 10 рассматривается только между двух граничных поверхностей 14 и 15. Эти две граничные поверхности 14 и 15 образуют два торца, т.е. две фронтальные поверхности первого колеса 10. Аналогично, у второго колеса 20 имеются граничные поверхности 24 и 25.

В примере по фиг. 1 расстояние между двумя направляющими поверхностями с вращательной симметрией первого колеса 10 и второго колеса 20 обычно очень мало, но при этом два рассматриваемых элемента никогда не вступают в прямое соприкосновение друг с другом. Вместо этого первое колесо 10 и второе колесо 20 сопрягаются через ряд тел 30 качения. В данном примере тела качения фактически представляют собой сферические шарики. Относительное положение двух элементов 10 и 20 с вращательной симметрией, а также положение тел 30 качения хорошо видно на схематическом чертеже по фиг.

- 5 014253

5. Для обеих элементов с вращательной симметрией существует линия точек на их направляющих поверхностях, такая, что расстояние между плоскостями, касательными к направляющим поверхностям в этих точках, равно минимальному расстоянию между направляющими поверхностями самих двух рассматриваемых элементов. Эти две особые касательные плоскости пересекают тела 30 качения. Часть каждого тела 30 качения располагается на той стороне касательной плоскости первого колеса 10, которая обращена к основной части первого колеса 10, и, выступая в этом направлении, сидит в направляющей канавке 12 первого колеса 10. Другая часть того же самого тела 30 качения располагается на той стороне касательной плоскости второго колеса 20, которая обращена к основной части второго колеса 20, и, выступая в этом направлении, сидит в направляющей канавке 22 второго колеса 20. Между двумя касательными поверхностями, которые, как указано выше, разделены очень небольшим расстоянием, находится очень узкий участок тел 30 качения, который располагается снаружи обеих направляющих канавок 12 и 22 соответствующих колес 10 и 20.

Из фиг. 1 видно, что направляющие канавки 12 и 22 для тел качения выполнены вдоль винтовой линии на направляющих поверхностях с вращательной симметрией соответствующих колес 10 и 20. Направляющие канавки 12 и 22 для тел качения фактически напоминают традиционную винтовую резьбу, при которой отношение числа отдельных витков резьбы направляющих поверхностей первого колеса 10 и второго колеса 20 соответствует передаточному отношению.

Далее будет показано более подробно, что число, форма и размер тел качения, а также число, форма, кривизна и профиль поперечного сечения направляющих канавок 12 и 22 соответствующих колес 10 и 20 определяются в результате детального проектирования с количественным расчетом и определением размеров.

Тела 30 качения, размещаясь в соответствующих направляющих канавках первого колеса 10 и второго колеса 20, устанавливают жесткое сопряжение между двумя колесами. Таким образом, тела качения не позволяют двум колесам вращаться независимо друг от друга.

В случае основной конструкции, представленной на фиг. 1, два колеса 10 и 20 представляют собой элементы с вращательной симметрией, причем в свободном пространстве между направляющими поверхностями двух элементов размещена пара перегородок 31, 32 так, что указанные перегородки располагаются с двух сторон канала для тел качения, осуществляющих сопряжение колес (в дальнейшем, канал сопряжения), и непосредственно рядом с указанным каналом. Перегородки 31, 32 препятствуют движению тел 30 качения в боковом направлении, вовне из канала. Следует отметить, что применение перегородок не всегда необходимо во всех различных конструкциях передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующих настоящему изобретению, поскольку во многих случаях тела качения сами удерживаются в своих каналах сопряжения естественным образом без помощи со стороны внешних устройств. Например, это касается случая большинства конструкций с двумя параллельными осями вращения, в которых направляющие канавки для тел качения выполнены на фронтальных поверхностях, как показано на фиг. 10-11, а также большинства конструкций с канавками и гребнями на направляющих поверхностях, как показано на фиг. 17-22.

Из примера по фиг. 1 видно, что, если привести в движение (вращение), например, первое колесо 10 с определенной угловой скоростью, тела 30 качения будут катиться вдоль направляющих канавок 12 и 22, и в то же самое время передавать крутящий момент от первого ведущего колеса 10 ко второму ведомому колесу 20. Длины направляющих канавок 12 и 22 равны между собой и конечны. Когда тела 30 качения достигают конца направляющих канавок на граничных поверхностях колес, они покидают канал сопряжения и выходят из сопряжения между колесами 10 и 20. Чтобы поддерживать непрерывное сопряжение между колесами 10 и 20 и гарантировать, что канал сопряжения ни в какой из моментов времени не окажется пустым, нужно, чтобы на других граничных поверхностях колес в направляющие канавки 12 и 22 поступали новые тела 30 качения и катились до конца канавок в новом цикле сопряжения. Новые тела качения поступают в направляющие канавки на граничных поверхностях колес, когда направляющие канавки на одном колесе и соответствующие направляющие канавки на другом колесе вместе открывают вход в канал сопряжения для тел качения. Чтобы непрерывно питать канал сопряжения телами качения, для последних организуется непрерывный и замкнутый контур, который циклически передает тела качения, выходящие из канала сопряжения, обратно в начало канала. Чтобы подчеркнуть непрерывную природу циклического движения тел 30 качения, на фиг. 1 показана непрерывная линия, состоящая из тел качения. Эта линия из тел качения определяет канал 33 циклической передачи для тел качения (канал возврата). Положение канала 33 циклической передачи тел качения должно быть таким, чтобы он обходил колеса 10 и 20. Простейшее решение канала 33 циклической передачи тел качения заключается в использовании правильно расположенной трубки или конусной трубчатой направляющей, внутри которой тела качения образуют непрерывную очередь, толкая друг друга, по мере того как они передвигаются по пути циклической передачи.

На фиг. 2 первое колесо 10 не представлено, а показано только второе колесо 20. На втором колесе 20 можно видеть направляющие канавки 22, которые расположены рядом друг с другом и под углом относительно оси вращения колеса 21. На этой же фигуре можно видеть восемь тел 30 качения, которые сидят одно за другим в соседних направляющих канавках 22, при этом центры тел качения выстроены

- 6 014253 вдоль линии, по которой тела качения осуществляют сопряжение колес (линия сопряжения). Видно, что расстояние между соседними канавками 22 (и также 12) превышает диаметр тел качения. Из фиг. 2 также видно, что с двух сторон линии сопряжения расположены перегородки 31 и 32, которые помогают удерживать тела качения на линии сопряжения и в их направляющих канавках 12 и 22. Перегородки 31, 32 расположены непосредственно рядом с каналом сопряжения, при этом их кромки, ближайшие к каналу, выполнены острыми, и по форме повторяют линию канала сопряжения. Из фигуры также видно, что одно тело качения, обозначенное 30а, только входит в канал сопряжения и в соответствующие направляющие канавки 12 и 22 на граничных поверхностях двух колес 10 и 20. Другое тело качения, обозначенное 30Ь, только что вышло из имеющегося канала сопряжения и двух соответствующих направляющих канавок 12 и 22 на других граничных поверхностях двух колес 10 и 20. После прохождения всего пути по каналу 33 циклической передачи тел качения, тело 30Ь снова войдет в канал сопряжения в точке входа в указанный канал, где в данный момент на фиг 2 можно видеть тело 30а качения, и снова установит сопряжение между двумя колесами 10 и 20.

На фиг. 3 и 4 показана та же конструкция, что и на фиг. 1, но соответственно при виде спереди и виде сверху. На виде сверху фиг. 4 видно, что в случае данной конструкции имеется множество направляющих канавок 12 и 22, выполненных как на первом колесе 10, так и на втором колесе 20, а именно шесть канавок 12 на первом колесе 10 и двенадцать канавок 22 на втором колесе 20. На фронтальных поверхностях обеих колес видно множество просветов направляющих канавок, равномерно распределенных по периметру, за счет чего фронтальные поверхности выглядят, как многоугольники. В местах просветов направляющих канавок на торцевых поверхностях видны поперечные сечения профилей направляющих канавок, образованные плоскостями фронтальных поверхностей колес, а между просветами поперечные сечения стенок направляющих канавок, также образованные теми же плоскостями. На фиг. 4 видны обе перегородки 31, 32, в то время как на фиг. 3 видна только перегородка 31, так как первое колесо 10 закрывает другую перегородку 32. Тела 30 качения не прикладывают никакой существенной силы или давления к перегородкам 31 и 32, потому что пластины используются только для удержания тел качения в их направляющих канавках. Поскольку взаимодействие между телами качения и перегородками незначительно, потери на трение между указанными элементами пренебрежимо малы.

На фиг. 5 представлен упрощенный схематический чертеж первого колеса 10 и второго колеса 20, сопряженных единственным телом 30 качения, с целью иллюстрации формы и особенностей направляющих канавок 12 и 22, выполненных соответственно на двух колесах 10 и 20. Это такая же конструкция, что и показанная на фиг. 1. В сопряженном положении направляющие канавки 12 и 22 повернуты друг к другу и вместе образуют канал сопряжения, который содержит одно тело 30 качения, показанное на фиг. 5. Центральная линия канала сопряжения, которая определена траекторией движения центров тел качения (в данном примере - центром тела 30) называется линией сопряжения, и обозначена как 34. Две кривые, одна на первом колесе 10, а другая на втором колесе 20, вдоль которых тело 30 качения соприкасается с двумя соответствующими направляющими канавками 12 и 22, называются кривыми качения и обозначены, соответственно, как 13 и 23 на фиг. 5. Очевидно, что кривые 13 и 23 качения являются частью соответствующих направляющих канавок 12 и 22. На каждом колесе направляющие канавки начинаются и заканчиваются на двух противоположных фронтальных поверхностях, и, таким образом, эти фронтальные поверхности ограничивают поверхности, содержащие канавки. Тела качения входят в направляющие канавки у первой граничной поверхности, где канавки начинаются, затем катятся по кривым качения в направляющих канавках, и, наконец, выходят из направляющих канавок у другой граничной поверхности, где канавки заканчиваются. Можно определить так называемый коэффициент перекрытия, который равен числу тел 30 качения, которые одновременно находятся в положении сопряжения колес по линии 34 сопряжения. В случае фиг. 2 коэффициент перекрытия равен восьми, в то время как в аналогичной конструкции по фиг. 7 этот коэффициент равен восемнадцати, но в принципе данное число может быть больше, и в некоторых приложениях гораздо больше.

Фиг. 6 аналогична фиг. 1 и 2, но для наглядности на ней показано только одно колесо 20 и одно тело 30 качения. На данной фигуре просматривается линия 34 сопряжения, вдоль которой перемещается центр тела 30 качения, сохраняя свое положение сопряжения между колесами.

Далее на основе фиг. 1-6 будет приведено описание работы и условий работы передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению. При функционировании одно из двух колес является ведущим колесом, которое обеспечивает входной крутящий момент, а другое является ведомым колесом, которое принимает передаваемый момент. Либо первое колесо 10 является ведущим, а второе колесо 20 ведомым, либо наоборот. Когда ведущее колесо вращается вокруг своей оси вращения, то в результате действия входного крутящего момента направляющие канавки ведущего колеса прикладывают силу к телам 30 качения. Тела качения передают это усилие на направляющие канавки ведомого колеса, и, таким образом, создают крутящий момент, который вращает ведомое колесо вокруг его оси вращения. Когда ведущее и ведомое колеса вращаются, тела 30 качения находятся в положении сопряжения и катятся вдоль двух соответствующих направляющих канавок 12 и 22 соответствующих колес 10 и 20. Тела 30 качения находятся в контакте с двумя направляющими канавками в отдельных точках, и тем самым определяют две кривые 13 и 23 качения. Когда тела 30 каче

- 7 014253 ния катятся по кривым 13 и 23 качения, центры тел 30 качения перемещаются вдоль линии 34 сопряжения. Тела 30 качения катятся до конца направляющих канавок, и в процессе своего движения они осуществляют передачу силы от ведущего колеса к ведомому колесу. Когда тела качения достигают конца направляющих канавок на граничной поверхности, они выходят из сопряжения и покидают канавки. После этого в большинстве случаев производится перенос тел качения обратно к началу линии 34 сопряжения на другую граничную поверхность колес через канал 33 циклической передачи тел качения. Здесь тела 30 качения вновь входят в направляющие канавки и снова устанавливают сопряжение между ведущим колесом и ведомым колесом. Тела качения начинают новый цикл сопряжения, при котором они передают усилие от ведущего колеса к ведомому колесу. Указанные циклы постоянно повторяются.

Исходя из фиг. 1-6, следует отметить, что в случае передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изобретением направление вращения ведущего колеса относительно ведомого колеса определяется просто конкретной формой и кривизной направляющих канавок на поверхностях колес. То есть при тех же самых двух осях вращения ведущего и ведомого колес путем применения различных конфигураций направляющих канавок на поверхности колес, различных по форме и кривизне, можно изменять направление вращения ведущего колеса по отношению к направлению вращения ведомого колеса. Такая свобода изменять направление вращения отсутствует в случае традиционных передач с зубчатыми колесами, поскольку там относительное направление вращения ведущего и ведомого колес для заданной конструкции набора колес фиксировано. Его можно изменить только путем введения нового промежуточного колеса между ведущим и ведомым колесами, что приводит к потенциальным проблемам, таким как увеличение размера системы и увеличение потерь энергии на трение.

Перед описанием условий функционирования без какого-либо трения скольжения передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изобретением, на нескольких примерах будет представлено широкое разнообразие возможных конструкторских решений.

На фиг. 7 показан вариант осуществления передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению, в котором оси двух колес образуют скрещивающиеся прямые. Первое колесо 10 изображено линией контура направляющих канавок 12, в остальном оно показано прозрачным. Второе колесо 20 можно видеть позади прозрачного первого колеса 10, так же как и тела 30 качения, которые находятся в положении сопряжения. Центры тел 30 качения образуют линию 34 сопряжения. Линия 34 сопряжения определена только между граничными поверхностями 24 и 25, а также 14 и 15. Канал 33 циклической передачи тел 30 качения не показан. Из фиг. 7 видно, что сопряжение между первым колесом 10 и вторым колесом 20 установлено через большое число тел 30 качения, а именно, восемнадцать тел. Число и размер тел 30 качения не определяется напрямую диаметром или соотношением диаметров двух колес 10 и 20 (как в случае чисел зубьев традиционных шестеренчатых приводов), но может задаваться сравнительно гибким образом. Другими словами, для одних и тех же двух колес 10 и 20 может быть выбрано различное число тел 30 качения различного размера в пределах сравнительно широкого диапазона значений и могут быть рассчитаны соответствующая линия сопряжения и набор направляющих канавок. Следует обратить внимание на то, что чем больше число тел 30 качения (т.е. чем больше коэффициент перекрытия), тем больше передаваемый крутящий момент. Отношение диаметров колес напрямую не определяет передаточное отношение. Другими словами, две конструкции с различными отношениями диаметров колес могут обеспечивать одинаковое передаточное отношение. На самом деле форма и размер колес, а также форма, размер и число тел качения вместе с формой, кривизной и числом направляющих канавок в совокупности определяют систему. Эти параметры можно гибко варьировать, если брать их в качестве переменных, в сравнительно широком интервале значений, и получать наиболее оптимальные конструктивные комбинации, которые удовлетворяют техническим требованиям к системе.

На фиг. 8 и 9 показаны еще два примера передаточных механизмов с трансмиссией посредством тел качения, соответствующих настоящему изобретению, в которых направляющие канавки 22 на втором колесе 20 выполнены на внутренней поверхности колеса 20, обладающей вращательной симметрией, и в данном случае колесо 20 фактически представляет из себя кольцо. У первого колеса 10 имеются свои направляющие канавки 12, выполненные на его наружной поверхности, аналогично предыдущим вариантам осуществления изобретения, и первое колесо располагается внутри второго кольцеобразного колеса 20. На фиг. 8 и 9 второе колесо 20 (подобно фиг. 7) изображено в виде контура его направляющих канавок 22 и наружного контура, но в остальном оно изображено прозрачным. Тела 30 качения в положениях сопряжения и линия 34 сопряжения также показаны на данных фигурах. В двух примерах, изображенных на фиг. 8 и 9, присутствует различное число тел 30 качения, и длины линий сопряжения также отличаются. В результате, эти два устройства отличаются передаваемым крутящим моментом и передаточным отношением.

На фиг. 10 и 11 представлены два примера передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения в соответствии с настоящим изобретением, в которых оси вращения двух колес 10 и 20 параллельны. Второе колесо 20 изображено в виде контурной линии его направляющих канавок 22 и в виде наружного контура, а в остальном изображено прозрачным. Таким образом, тела 30 качения и линия 34

- 8 014253 сопряжения становятся видимыми сквозь второе колесо 20. В данных двух примерах направляющие канавки выполнены на соответствующих фронтальных поверхностях колес 10 и 20. Эти поверхности, обращенные друг к другу, представляют собой плоскости, нормальные к соответствующим осям вращения колес, и ограниченны граничными поверхностями 14 и 15, а также 24 и 25. Эти граничные поверхности представляют собой концентрические поверхности, обладающие вращательной симметрией, с осями, коллинеарными с осями вращения.

Благодаря особой кривизне соответствующие направляющие канавки на двух колесах 10 и 20 надежно удерживают тела 30 качения в соответствующих каналах сопряжения. Это означает отсутствие риска того, что тела 30 качения будут уходить в боковом направлении из соответствующего канала сопряжения, и, следовательно, нет необходимости в применении перегородок или других внешних устройств для удержания тел качения в их каналах сопряжения. Основное различие между двумя примерами, показанными на фиг. 10 и 11, заключается в том, что в указанных вариантах ведомые колеса 20 вращаются в различных направлениях по отношению к направлению вращения ведущих колес 10. Другими словами, в одном из примеров направление вращения ведомого колеса 20 совпадает с направлением вращения ведущего колеса 10, в то время как в другом варианте оно имеет противоположное направление вращения. Это достигается за счет применения различных систем направляющих канавок, различных по форме и кривизне.

На фиг. 12-14 показаны два другие варианта осуществления изобретения - один вариант на фиг. 12, а другой на фиг. 13 и 14, в которых заданное вращательное движение преобразуется в движение вдоль заданной линии и наоборот. На фиг. 12, аналогично большинству представленных выше случаев, у первого колеса 10 имеются направляющие канавки 12, выполненные на наружной поверхности, обладающей вращательной симметрией, (не на фронтальной поверхности). Колесо 10 вращается вокруг своей оси 11 вращательной симметрии, при этом положение колеса 10 в продольном направлении фиксировано по отношению к его оси вращения. По направлению плоскости, касательной к колесу 10, на небольшом расстоянии от колеса 10 располагается зубчатая рейка 40. Зубчатая рейка 40 установлена так, что может перемещаться вдоль заданной линии, параллельной касательной плоскости колеса 10. На поверхности зубчатой рейки 40, обращенной к колесу 10, выполнены направляющие канавки 42 для тел качения. Из фиг. 12 видно, что колесо 10 и зубчатая рейка 40 сопрягаются друг с другом через тела 30 качения, поскольку тела качения одновременно находятся в контакте с направляющими канавками 12 колеса 10 и направляющими канавками 42 зубчатой рейки 40. Принимая во внимание тот факт, что поверхность колеса 10 искривлена в направлении от поверхности зубчатой рейки 40, и, таким образом, между двумя поверхностями открывается свободное пространство, становится возможным применение перегородок для удержания тел 30 качения в их направляющих канавках и на линии сопряжения. Перегородки на фиг. 12 не показаны, но они были бы подобны перегородкам, которые обсуждались выше. Канал циклической передачи тел качения, который приводит тела 30 качения от конца линии сопряжения обратно к ее началу, на фиг. 12 также не показан. При вращении колеса 10 направляющие канавки 12 на колесе прикладывают силу к телам 30 качения, которые, в свою очередь, прикладывают силу к направляющим канавкам 42 зубчатой рейки 40. В конечном счете это заставляет зубчатую рейку 40 перемещаться вдоль заданной линии, которая определяется установкой зубчатой рейки. Направление перемещения ведомой зубчатой рейки 40 зависит, очевидно, с одной стороны, от направления вращения ведущего колеса 10, а с другой стороны также от конкретной формы и кривизны направляющих канавок 12 на колесе 10 и направляющих канавок 42 на зубчатой рейке 40. Естественно, что ролик колеса 10 и зубчатой рейки 40, как ведущего элемента и ведомого элемента, взаимозаменяемы.

На фиг. 13 и 14 представлен еще один пример передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению, в котором заданное вращательное движение преобразуется в движение вдоль заданной линии. Однако в данном случае ось вращения колеса 10 расположена по нормали к плоской поверхности зубчатой рейки 40, а направляющие канавки колеса расположены на его фронтальной поверхности. Фиг. 14 идентична фиг. 13 за исключением того, что колесо 10 убрано, чтобы тела 30 качения были видны непосредственно, как они выстроены вдоль линии 34 сопряжения. Ведущее колесо 10 в данном устройстве аналогично колесам, показанным на фиг. 10 и 11, это кольцо с концентрическими граничными поверхностями 14 и 15, обладающими осевой симметрией, а направляющие канавки (не видны) выполнены на его фронтальной поверхности, подобно канавкам с фиг. 10 и 11. Направляющие канавки кольца 10 и направляющие канавки зубчатой рейки 40 сопрягаются (как и в вышеописанных случаях) посредством набора тел 30 качения. Тела 30 качения показаны непосредственно на фиг. 14. При вращении кольца 10 вокруг его вертикальной оси, тела 30 качения заставляют зубчатую рейку 40 перемещаться вдоль заданной линии, которая определяется конкретным выполнением зубчатой рейки 40. Направление перемещения ведомой зубчатой рейки 40 зависит, с одной стороны, очевидно от направления вращения ведущего колеса 10, а с другой стороны также от конкретной формы и кривизны направляющих канавок на колесе 10 и на зубчатой рейке 40.

На фиг. 15 и 16 представлена другая разновидность конструкции, в которой оси вращения ведущего колеса 10 и ведомого колеса 20 пересекаются друг с другом. Получающаяся форма направляющих поверхностей ведущего колеса 10 и ведомого колеса 20 представляет собой части сфер, центры которых

- 9 014253 для обеих колес располагаются в точке пересечения осей вращения ведущего колеса 10 и ведомого колеса 20. В двух вариантах осуществления изобретения, показанных соответственно на фиг. 15 и 16, две данные трансмиссии демонстрируют одни и те же рабочие характеристики, такие как передаточное отношение, максимальная передаваемая мощность и относительные направления вращения, даже несмотря на то, что их конструкции отличаются в отношении относительного расположения ведущих колес 10 по отношению к ведомым колесам 20. Данный пример подчеркивает гибкость передаточного механизма, соответствующего настоящему изобретению, поскольку для получения одних и тех же рабочих характеристик может быть использован целый ряд различных конструктивных решений.

На фиг. 17 и 18 представлен пример новой разновидности конструкции передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению, в котором и ведущий элемент 10, и ведомый элемент 20 содержат на своих направляющих поверхностях спиральные желоба и гребни, подобно стандартной винтовой резьбе, причем гребни одного элемента, свободно входят во впадины желобов другого элемента и наоборот. Направляющие канавки сформированы на двух сторонах желобов и гребней на обеих колесах, как показано на поперечном сечении с фиг. 18. На фиг. 17 и 18 оба колеса обозначены, соответственно, как 10 и 20, при этом на первом колесе 10 выполнен желоб 16, а на двух сторонах желоба 16 выполнены направляющие канавки 17 и 18. Аналогично, от второго колеса 20 выступает гребень 26, который имеет комплементарный профиль соотносительно желоба 16. Соответственно на двух сторонах гребня 26 второго колеса 20 выполнены направляющие канавки 27 и 28. С двух противоположных сторон желоба 16 и гребня 26 расположена пара тел 30а и 30Ь качения, которые должны двигаться вдоль направляющих канавок 17 и 18. Направляющая канавка 17 в желобе 16 первого колеса 10 и направляющая канавка 27 на соответствующем ответном гребне 26 второго колеса 20 предназначены для тела 30а качения на одной стороне желоба и гребня, и, аналогично, направляющая канавка 18 на желобе 16 и направляющая канавка 28 на гребне 26 предназначены для тела 30Ь качения на другой стороне желоба и гребня. Следует отметить, что для любого заданного направления передачи рабочей нагрузки, тела качения только с одной стороны желобов и гребней, например, 30а, но не 30Ь, участвуют в передаче силы от ведущего колеса 10 к ведомому колесу 20, в то время как тела качения на другой стороне желобов и гребней (в данном примере, 30Ь) неактивны и не подвергаются нагрузке. С другой стороны, когда направление рабочей нагрузки изменится, тела качения также поменяются ролями, и ранее неактивные тела качения (то есть 30Ь) начнут активно передавать силу от ведущего колеса 10 к ведомому колесу 20, а тела 30а качения, которые до этого были активными, станут неактивными, и на них не будет действовать сила. Таким образом, если направление рабочей нагрузки всегда одно и то же, как, например, в случае подъемников или кранов, достаточно использовать один набор тел качения, только тот, который активен при сопряжении колес, например тела 30а, а другие тела качения, которые неактивны, т.е. тела 30Ь, можно в принципе опустить. С другой стороны, при создании системы с различными направлениями передачи рабочей нагрузки должны быть использованы оба комплекта тел качения, то есть 30а и 30Ь, даже если в любой данный момент времени один из комплектов оказывается лишним. Такая же перемена ролей тел качения имеет место, когда ролями меняются колеса 10 и 20, то есть ранее ведущее колесо 10 становится ведомым и наоборот.

В данной конструкции с желобами и гребнями сравнительно легко организовать множество квазипараллельных направляющих канавок на поверхностях ведущего элемента и ведомого элемента, а именно вдоль поверхностей желобов и гребней. Направляющие канавки в данном случае ведут тела качения по нескольким различным линиям сопряжения и каналам сопряжения. Например, в случае, представленном на фиг. 19 и 20, соответствующие пары направляющих канавок 17а и 17с, а также 18Ь и 186 выполнены вдоль каждой из сторон желобов 16 ведущего элемента 10, а соответствующие направляющие канавки 27а и 27с, а также 28Ь и 286 выполнены вдоль каждой из сторон гребней 26 ведомого элемента 20. Указанные направляющие канавки приводят четыре набора тел качения. Направляющие канавки 17а и 27а ведут тела 30а качения, канавки 17с и 27с ведут тела 30с качения, канавки 18Ь и 28Ь ведут тела 30Ь качения, а канавки 186 и 286 ведут тела 306 качения, как показано на поперечном сечении с фиг. 20. Из фиг. 19 и 20 также видно, что в данном случае направляющие канавки для тел качения на каждом желобе и гребне не являются точными копиями друг друга, полученными путем поворота и параллельного сдвига, но являются результатом отдельных, независимых решений соответствующих кинематических уравнений.

Данный тип конструкции передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения с желобами и гребнями на поверхностях ведущего элемента и ведомого элемента имеет несколько особых отличительных качеств и преимуществ по сравнению с другими конструкциями, приведенными в настоящем изобретении. Например, сила, действующая перпендикулярно осям колес и стремящееся раздвинуть колеса, в данном случае сравнительно мала. Также, поскольку кривизна направляющих канавок ведущего колеса в типичном случае противоположна по знаку кривизне канавок ведомого колеса, отсутствует опасность ухода тел качения в боковых направлениях и поэтому нет необходимости в применении перегородок или других внешних устройств для удержания тел качения в соответствующих каналах сопряжения. В данной конструкции можно сравнительно легко уменьшать ширину направляющих канавок на одном из элементов, пока она не станет такой узкой как одна линия, так чтобы образовать соответст

- 10 014253 вующую кривую качения. Обычно это очень трудно либо невозможно делать в большинстве других конструкций, которые не имеют желобов и гребней на направляющих поверхностях. Также в данной конструкции сравнительно легко можно использовать тела качения малого размера, диаметром порядка одного миллиметра и даже меньше, и выполнить сравнительно большое число направляющих канавок, 5-10 или более, на поверхностях желобов и гребней. Если рассмотреть случай использования тел качения малого размера в крайнем случае, то данная конструкция, в отличие от других, также может быть выполнена для использования микроскопически малых тел качения и микроскопически узких направляющих канавок, что более подробно будет обсуждаться ниже. Кроме того, данная конструкция отличается сравнительно высоким значением коэффициента перекрытия.

Особый случай вышеописанных конструкций с желобами и гребнями показан на фиг. 21 и 22, где используется очень большое число микроскопически малых тел качения, причем каждое тело качения имеет диаметр всего несколько микрон.

Фактически здесь используется резервуар тел качения, который обладает макроскопическим объемом, например литр тел качения, то есть число тел качения в резервуаре составляет порядок тысяч миллиардов или более. Отдельные тела качения, естественно, на фигурах не видны, так как они слишком малы для этого, но весь объем тел качения можно представить себе, как некоторую разновидность смазочной жидкости, в которую погружена область сопряжения колес, а именно объем каналов сопряжения. Направляющие канавки, соответствующие телам качения, микроскопически узкие и практически вырождены в одиночные линии кривых качения. Они также очень велики числом, плотно расположены и сплошным образом покрывают всю поверхность обеих сторон желобов и гребней. Другими словами, тот полный профиль, который виден на поперечном сечении фиг. 22, а также форма и кривизна желобов и гребней ведущего элемента 10 и ведомого элемента 20, показанных на фиг. 21, определяются ансамблем микроскопически узких направляющих канавок для тел качения. Можно использовать сложную смесь сферических объектов, взвешенных в смазочной жидкости, как описано, например, в патенте США 5549743. На фиг. 22, в частности, поверхности 17 и 18 желоба 16 ведущего колеса 10, а также соответствующие поверхности 27 и 28 гребня 26 ведомого колеса 20 определяют очень большое число плотно расположенных, микроскопически узких направляющих канавок, при этом поперечные профили указанных канавок столь узки, что они фактически почти сливаются в отдельные точки кривых качения. Такие кривые, образованные линиями из отдельных точек кривых качения, на поперечном сечении фиг. 22 складываются вместе и составляют профили желобов и гребней. Следует отметить, что желоба и гребни никогда не вступают в непосредственный контакт друг с другом (что могло бы показаться из фиг. 22), напротив, они разделены очень тонкой пленкой из тел качения, которая, опять-таки в силу своей толщины, на фиг. 22 не видна. Также следует отметить, что условия работы, которые отличают передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, соответствующий настоящему изобретению (который будет описан и подробно определен в последней части данного описания изобретения, где недопустимо наличие скольжения между противоположными поверхностями), в данном варианте осуществления также присутствуют и гарантируют, что тела качения совершают качение в чистом виде, когда находятся в положении сопряжения между ведущим элементом 10 и ведомым элементом 20, приводя к исключительно малым потерям на трение. В данном конкретном случае отсутствует необходимость в устройстве циклической передачи тел качения, о котором говорилось ранее, так как ведущий элемент и ведомый элемент контактируют друг с другом, будучи погруженными в резервуар с телами качения. Все, что необходимо - это обеспечить, чтобы было постоянно доступно достаточное количество жидкости с телами качения для смазывания системы.

Возвращаясь снова к телам качения нормального размера, следует отметить, что в предыдущих вариантах осуществления передач на телах качения и механизмов трансмиссии, соответствующих настоящему изобретению, в качестве тел качения выступали сферические шарики. Однако на самом деле в качестве тел качения могут быть использованы и другие тела, обладающие вращательной симметрией, такие как цилиндрические ролики и бочкообразные ролики. Цилиндрические и бочкообразные ролики обычно могут быть полезны в случае исключительно высоких рабочих нагрузок. Такой вариант осуществления представлен на фиг. 23 и 24, в котором тела 30 качения, осуществляющие сопряжение направляющих канавок 12 и 22, являются цилиндрическими роликами с торцами сферической формы. На фиг. 24 показано, что тела 30 качения можно подразделить на две группы, т.е ролики 30а и 30Ь, имеющие оси, соответственно 31а и 31Ь. Их цилиндрические поверхности 32а и 32Ь ограничены сферическими головками 33а и 33Ь. Первое ведущее колесо 10 и второе ведомое колесо 20 имеют параллельные оси вращения, как показано на фиг. 23. На фиг. 24 показано, что профили двух направляющих канавок 12 и 22 на обеих колесах 10 и 20 в поперечном сечении содержат две прямые линии 12а и 12Ь для направляющей канавки 12, а также 22а и 22Ь для направляющей канавки 22. Одна половина роликов, таких как ролики 30а, по своим цилиндрическим поверхностям 32а находится в контакте с одной из прямых сторон 12а направляющей канавки 12 колеса 10 и со стороной 22а на направляющей канавке 22 колеса 20. Угол между осями 31а роликов 30а и осью вращения колеса одинаков для всех роликов 30а. Другая половина роликов 30Ь по своим цилиндрическим поверхностям 32Ь находится в контакте с другой прямой сторо

- 11 014253 ной 12Ь направляющей канавки 12 колеса 10 и со стороной 22Ь на направляющей канавке 22 колеса 20. Угол между осями 31Ь роликов 30Ь и осью вращения колеса одинаков для всех роликов 30Ь, но отличается от угла для первой половины роликов 30а. Для данного направления рабочей нагрузки только одна половина роликов (например, ролики 30а) активна при обеспечении сопряжения и передаче силы между двумя колесами, а другая половина (ролики 30Ь) неактивна, и никакие силы на эти ролики не действуют. Для рабочей нагрузки противоположного направления вторая половина роликов 30Ь является активной, а первая половина 30а - неактивной. В случае конструкции, в которой направление действия рабочей нагрузки никогда не меняется, достаточно использовать только один комплект роликов - только те ролики, которые активны при сопряжении колес, например ролики 30а, при этом только одна соответствующая прямая линия в профиле направляющих канавок, например 12а на колесе 10 и 22а на колесе 20, будет контактировать с роликами 30а. В этом случае все ролики имеют контакт с колесами по одной данной прямой стороне профиля, и в любой момент времени все ролики вносят свой вклад в сопряжение колес одинаковым образом. Фронтальные поверхности роликов, такие как 33а роликов 30а и 33Ь роликов 30Ь, обычно никогда не находятся в прямом соприкосновении с колесами, и даже если они случайно или временно входят в такой контакт точками вершин своих сферических поверхностей, то передаваемое усилие и сила такого сопряжения будут оставаться пренебрежимо малыми. Линии 12а и 22а или 12Ь и 22Ь профилей направляющих канавок, где происходит основной контакт с роликами, не обязательно должны быть прямыми в каждом варианте осуществления, и в некоторых особых случаях применения они могут иметь небольшую кривизну, зависящую от прикладываемой нагрузки и от фактических требований к прочности конструкции. Механизм устроен аналогичным образом и в случаях бочкообразных роликов.

Далее в соответствии с фиг. 25-29 будут рассмотрены определенные основные особенности изобретения, и схематически показана структура характерных сил, действующих между направляющими канавками и телами качения, когда происходит передача крутящего момента от ведущего элемента к ведомому элементу. На фиг. 25 показано, что ведущий элемент ζ1 вращается с угловой скоростью ω1. Частью ведущего элемента ζ1 является направляющая канавка, которая находится в контакте с телом С качения. Тело качения представлено сферическим шариком. Направляющая канавка и тело С качения соприкасаются друг с другом в единственной точке, которая составляет часть кривой качения, определенной на ведущем элементе ζ1. В этой точке плоскость, касательная к поверхности направляющей канавки, совпадает с плоскостью, касательной к поверхности тела С качения. Указанная касательная плоскость обозначена как Е1 и представлена на чертеже небольшим четырехугольником.

Аналогично, ведомый элемент ζ2 на фиг. 25 вращается с угловой скоростью ω2. В самом общем случае, ось вращения ведомого элемента ζ2 и ось вращения ведущего элемента ζ1 являются скрещивающимися прямыми. Направляющая канавка ведомого тела ζ2 находится в контакте с телом С качения в одной единственной точке. Это точка находится на кривой качения ведомого тела ζ2, и в этой точке плоскость, касательная к поверхности направляющей канавки, совпадает с плоскостью, касательной к поверхности тела С качения. Эта касательная плоскость, общая для тела качения и направляющей канавки, представлена на фиг. 25 небольшим четырехугольником и обозначена как Е2. Фиг. 26 соответствует фиг. 25, но для наглядности касательные плоскости Е1 и Е2 отодвинуты параллельно от точек контакта. В случае чистого качения без скольжения и потерь энергии на трение силы, действующие на тело С качения, должны быть направлены точно к центру тела С качения. В этом случае ведущий элемент ζ1 может быть представлен единственным вектором Е силы, которая действует на тело С качения в точке контакта тела С качения и направляющей канавки, и который направлен к центру тела С качения, как показано на фиг. 27. Отсюда следует, что вектор Е указанной силы направлен нормально к касательной плоскости Е1. Если исходить из таких же предположений об отсутствии скольжения и потерь энергии на трение, то очевидно, что сила, действующая на ведомый элемент ζ2, должна быть тем же самым вектором Е силы, как показано на фиг. 28. Вектор Е силы действует на ведомый элемент ζ2 в точке контакта тела С качения и направляющей канавки на ведомом элементе ζ2. Отсюда также следует, что вектор Е силы должен быть также направлен нормально к касательной плоскости Е2.

Исходя из фиг. 28, на фиг. 29 показан ведомый элемент ζ2 на видах спереди, сверху и сбоку с целью иллюстрации крутящего момента, возникающего в ведомом элементе ζ2 в результате воздействия на него вектора Е силы. В самом общем случае вектор Е силы действует вдоль линии, которая скрещивается с осью вращения ведомого элемента ζ2. Составляющая вектора Е силы, которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения ведомого элемента ζ2, при умножении на расстояние от указанной составляющей до оси вращения ведомого элемента ζ2, дает значение крутящего момента, возникающего на ведомом элементе ζ2. В самом общем случае вектор Е силы может также иметь составляющую, параллельную оси вращения ведомого элемента ζ2. Однако эта составляющая вектора силы не играет никакой роли в отношении основ работы передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению, поскольку не создает момента вращения. Эта составляющая вектора силы создает только дополнительную нагрузку и напряжение в ведомом элементе ζ2, которые уравновешиваются силами, действующими в подшипниках ведомого элемента ζ2.

Выше были описаны силы и крутящий момент, действующие на ведомый элемент ζ2, при этом рас

- 12 014253 сматривалось одиночное тело С качения в заданном положении сопряжения на линии сопряжения. На фиг. 30 проиллюстрирована кинематика механизма, при этом рассматривается то же самое тело С качения в том же самом положении. Ведущий элемент ζ1 имеет вектор ω1 угловой скорости. Точка Р1 контакта тела С качения и направляющей канавки на ведущем элементе ζ1 имеет вектор ν1 скорости. Точка Р1 контакта принадлежит кривой качения на направляющей канавке ведущего элемента ζ1, и, следовательно, ее вектор ν1 скорости расположен касательно к кривой качения. Аналогично, ведомый элемент ζ2 имеет вектор ω2 угловой скорости. Точка Р2 контакта тела С качения и направляющей канавки на ведомом элементе ζ2 имеет вектор ν2 скорости. Точка Р2 контакта принадлежит кривой качения на направляющей канавке ведомого элемента ζ2, и, следовательно, ее вектор ν2 скорости расположен касательно к кривой качения. Центр тела С качения имеет вектор ν скорости, который в случае чистого качения без потерь энергии на трение равен среднему арифметическому из векторов ν1 и ν2 скоростей, то есть ν=1/2 · (ν1+ν2). Можно также рассмотреть кинематику механизма с точки зрения системы координат, закрепленной в центре тела С качения. В этом случае вектор и1 скорости является вектором скорости точки Р1 контакта, а вектор и2 скорости является вектором скорости точки Р2 контакта. Поскольку тело С качения в своей собственной системе координат совершает простое круговое движение, векторы и1 и и2 скоростей равны по модулю и перпендикулярны радиус-векторам, направленным, соответственно, в точки Р1 и Р2 контакта. Также, поскольку точки Р1 и Р2 контакта расположены диаметрально напротив друг друга на поверхности тела С качения, векторы и1 и и2 скоростей параллельны и противоположно направлены, то есть и1 = -и2.

На фиг. 30 также показана одна из кривых д1 качения, образованная непрерывным ансамблем точек Р1 контакта между телом С качения и одной из направляющих канавок ведущего элемента ζ1 Очевидно, что кривая д1 качения следует соответствующей направляющей канавке ведущего элемента ζ1, и тело С качения, будучи в контакте с ведущим элементом ζ1, катится по указанной кривой. Аналогично, на фиг. 30 также показана кривая качения д2, образованная непрерывным ансамблем точек Р2 контакта между телом С качения и одной из направляющих канавок ведомого элемента ζ2. Естественно, что кривая д2 качения следует соответствующей направляющей канавке ведомого элемента ζ2, и тело С качения, будучи в контакте с ведомым элементом ζ2, катится по указанной кривой. Следует отметить, что тело С качения катится одновременно вдоль двух кривых д1 и д2 качения, расположенных, соответственно, на ведущем элементе ζ1 и ведомом элементе ζ2. В то время как точки Р1 и Р2 контакта перемещаются вдоль соответствующих кривых д1 и д2 качения, центр тела С качения перемещается вдоль другой кривой, которая называется линией сопряжения, и обозначена на фиг. 30 как др. Линия др сопряжения, так же как и кривые д1 и д2 качения, расположенные на соответствующих направляющих канавках ведущего элемента ζ1 и ведомого элемента ζ2, имеет конечную длину. Точки начала и конца указанных кривых и канавок находятся на двух граничных поверхностях ведущего и ведомого элементов, и эти точки определяют, соответственно, места входа и выхода тел С качения в направляющие канавки ведущего и ведомого элементов ζ1 и ζ2. Указанные точки являются начальными и конечными для тел С качения, где тела, соответственно, устанавливают и завершают сопряжение ведущего и ведомого элементов ζ1 и ζ2. Следует отметить, что точки Р1 и Р2 контакта движутся вдоль соответствующих кривых д1 и д2 качения синхронно, и, в частности, они движутся без какого-либо скольжения.

Из фиг. 30 видно, насколько отличаются по форме и положению две кривые д1 и д2 качения. В то же самое время из вышеприведенного анализа следует, что к обеим кривым применимы одни и те же кинематические условия движения без скольжения и трения, а следовательно, плоскости (Е1 и Е2), касательные к двум указанным кривым в точках Р1 и Р2 одновременного контакта, всегда параллельны. Векторы и1 и и2 скоростей направлены к двум касательным плоскостям Е1 и Е2, и, следовательно, сами параллельны; более того, они равны по модулю и противоположно направлены. Кроме того, поскольку тело С качения входит в две направляющие канавки ведущего и ведомого элементов ζ1 и ζ2 одновременно и выходит из них одновременно, тело С качения затрачивает на прохождение кривых д1 и д2 качения в точности одно и то же время. Из равенства модулей векторов и1 и и2 скоростей, с которыми две точки контакта тела С качения проходят по кривым качения, и равенства интервалов времени, которые тело С качения затрачивает на прохождение кривых качения, следует, что даже несмотря на то, что кривые д1 и д2 качения, очевидно, имеют совершенно разные форму и расположение, их длины должны быть в точности одинаковыми.

Опираясь на кинематические условия движения без трения, а также на особые требования к конструкции, включающие, в частности, направление осей вращения ведущего и ведомого элементов ζ1 и ζ2, а также число и размер тел С качения, можно рассчитать форму и размер ведущего и ведомого элементов ζ1 и ζ2, линию др сопряжения, кривые д1 и д2 качения, а также соответствующие направляющие канавки на ведущем и ведомом элементах ζ1 и ζ2. Это означает, что передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, соответствующий настоящему изобретению, может быть детально спроектирован, и его размеры рассчитаны.

На фиг. 31 и 32 показан способ, каким тела качения возвращаются после того, как они выходят из сопряжения. Из фиг. 1, 2 и 6 видно, что после того как тела 30 качения достигнут конца линии 34 сопря

- 13 014253 жения в канале сопряжения и выйдут из сопряжения, покинув канал, их направляют обратно к началу канала сопряжения через канал 33 циклической передачи тел качения. В канале сопряжения тела 30 качения приводятся в движение направляющими канавками 12 и 22 и следуют друг за другом на конечном ненулевом расстоянии. Основная причина сохранения ненулевого промежутка между телами 30 качения заключается в том, что направление направляющих канавок 12 и 22, а также направление линии 34 сопряжения в точках, где находятся тела качения, включает некоторый угол, который не является прямым. Скорость каждого тела 30 качения в канале сопряжения определяется направляющими канавками 12 и 22, которые, соответственно, поворачиваются вместе с колесами 10 и 20. Очевидно, что когда угловые скорости двух колес 10 и 20 изменяются, скорости тел 30 качения также изменяются. С другой стороны, для заданной постоянной угловой скорости колес, скорости тел 30 качения в положении сопряжения внутри канала сопряжения близки к постоянной величине во всех каналах сопряжения и также почти одинаковы для каждого тела качения. Однако, как показано на фиг. 1 и 2, внутри канала 33 циклической передачи тел качения, движением тел 30 качения не управляет никакое внешнее устройство, и тела качения движутся, потому что толкают друг друга вдоль канала 33 циклической передачи. В результате, промежутки между телами 30 качения исчезают, и тела качения образуют в канале 33 циклической передачи сплошную линию. Также, как только образуется сплошная линия, тела 30 качения будут вынуждены двигаться в канале 33 циклической передачи в точности с одной и той же скоростью, поскольку они непосредственно соприкасаются друг с другом. Тем не менее, поскольку никакие внешние устройства движением тел качения не управляют, между телами качения могут временно возникать промежутки и столкновения, которые могут потенциально вносить в движение тел качения случайную, неконтролируемую составляющую и создавать шум в системе. Это может происходить, в частности, в зоне, где тела качения совершают переход из канала сопряжения в канал циклической передачи (или, наоборот, из канала циклической передачи в канал сопряжения), где внешнее управление и промежутки между телами качения внезапно исчезают (или возникают). В нижеприведенных примерах предлагается несколько вариантов решения данной проблемы, которые гарантируют сохранение плавного контролируемого движения тел качения, как в канале сопряжения, так и в канале циклической передачи, и, тем самым, обеспечивается постоянство подачи тел качения в канал сопряжения.

Одна идея, как показано на фиг. 31, заключается в введении разделителей 35 между соседними телами 30с и 306 качения для поддержания постоянной дистанции между телами. Длина разделителей 35 равна расстоянию между телами качения, измеренному, когда тела находятся в положении сопряжения внутри канала сопряжения. Разделители 35 помещены между телами 30с и 306 качения и следуют вместе с телами вдоль всего их пути в системе.

Альтернативная идея представлена на фиг. 32. Здесь расстояние между центрами следующих друг за другом тел 30с и 306 качения в канале циклической передачи равно диаметру тел 30с и 306 качения, когда тела качения соприкасаются друг с другом, а в канале сопряжения расстояние 11 между телами качения равно диаметру Ό тел качения плюс зазор между телами качения в указанном канале. Таким образом, скорость тел качения в канале сопряжения должна быть выше, чем скорость тел качения в канале циклической передачи. Чтобы привести более высокую скорость к уровню более низкой, введен угол между начальным участком канала циклической передачи тел качения и конечным участком канала сопряжения, что схематически показано на фиг. 32, такой, что косинус указанного угла равен отношению скоростей тел качения на соответствующих участках каналов. Таким образом обеспечивается плавный переход тел качения из канала сопряжения в канал циклической передачи. Аналогично, должен быть предусмотрен и угол между конечным участком канала циклической передачи тел качения и начальным участком канала сопряжения, при этом косинус данного угла должен быть равен отношению скоростей тел качения на соответствующих участках указанных каналов.

На фиг. 33 и 34 представлен другой способ оптимизации перехода тел качения из канала сопряжения в канал циклической передачи, при котором на конечном участке канала сопряжения осуществляется постепенное сокращение промежутка между телами качения за счет постепенного уменьшения расстояния между соседними направляющими канавками для тел качения. Такой концевой участок А колеса 10 показан на фиг. 34, а также проиллюстрирован на фиг. 33 в увеличенном виде. Как видно из фиг. 33, к моменту времени, когда тела качения достигают конца канала сопряжения, зазор между телами качения исчезает, и тела вступают в канал циклической передачи, образуя непрерывную линию. Таким образом, существенно уменьшается вероятность столкновения тел качения друг с другом и их перемещения неконтролируемым образом. Аналогично, на начальном участке канала сопряжения на другом конце колеса 10, где тела качения переходят из канала циклической передачи в канал сопряжения, создаются промежутки между телами качения за счет постепенного увеличения расстояния между направляющими канавками 12. Хотя на выходе из канала циклической передачи тела качения образуют непрерывную линию без промежутков, на начальном участке канала сопряжения они постепенно разделяются, так что промежутки между телами качения достигают идеальной величины, необходимой для условий работы механизма. На фиг. 33 и 34 показано только одно колесо, но очевидно, что аналогичным изменениям подвергаются и направляющие канавки другого колеса, и эти изменения напрямую соответствуют изменениям, представленным на рассматриваемых фигурах. При изменении направления вращения колес,

- 14 014253 рассматриваемый механизм ведет себя точно таким же образом, что и вышеописанные, за исключением того, что тела качения меняют направление своего движения, и начальные и конечные участки колес меняются местами. Корректировка расстояний между направляющими канавками может привести к небольшому отступлению системы от идеальных условий работы, таких, какие требуются для получения чистого качения. Однако обычно это отступление очень невелико, и не должно существенным образом изменять отличительные признаки механизма. Кроме того, для полного исключения такого отступления может также быть использована идея, которая описывается ниже.

На фиг. 33 и 34 показано, что в рассматриваемом примере изменению подвергается не только расстояние между направляющими канавками 12 на начальном и конечном участках канала сопряжения, но одновременно и профиль поперечного сечения направляющих канавок. В частности, на конечном участке канала сопряжения профиль поперечного сечения направляющих канавок постепенно увеличивается таким образом, что соответствующие точки на двух кривых качения двух направляющих канавок, где тела качения одновременно контактируют с двумя колесами, постепенно отходят дальше друг от друга и в конце концов оказываются разделенными расстоянием, большим, чем диаметр тел качения. В результате тела качения постепенно теряют контакт с колесами, и силы взаимодействия между телами качения и колесами постепенно исчезают. Таким образом, тела качения постепенно выходят из сопряжения, оставаясь по-прежнему внутри конечного участка канала сопряжения. Это имеет по меньшей мере два преимущества. С одной стороны, тела качения выходят из сопряжения плавно, сильно при этом не соударяясь. С другой стороны, рассматриваемая процедура снижает и в конечном счете исключает негативные эффекты, возникающие из-за изменения расстояний между направляющими канавками, о чем шла речь выше. Изменение расстояний и изменение профиля поперечного сечения направляющих канавок следует производить одновременно (и постепенно), чтобы получить максимальный эффект: с одной стороны, постепенно сдвигать тела качения ближе друг к другу, и в конечном счете ликвидировать расстояние между ними за счет постепенного сокращения расстояния между направляющими канавками, и, одновременно с этим, постепенно выводить тела качения из сопряжения, и в конечном счете устранить их контакт с колесами за счет постепенного расширения профиля поперечного сечения направляющих канавок. При таком способе тела качения совершают переход из канала сопряжения в канал циклической передачи плавным и упорядоченным образом, что делает столкновения между ними гораздо более редкими, и, как следствие, значительно снижает шум в системе. В то же самое время сохраняются идеальные условия работы для механизма, такие как условия для получения чистого качения. Рассматриваемая процедура работает точно таким же образом, хотя и в обратном порядке, на другом конце колеса, где тела качения покидают канал циклической передачи и входят в канал сопряжения. Осуществляется постепенное разделение тел качения на начальном участке канала сопряжения за счет постепенного увеличения расстояния между направляющими канавками, и, одновременно с этим, осуществляется постепенный ввод тел качения в сопряжение с колесами за счет постепенного сужения профиля поперечного сечения направляющих канавок вокруг тел качения и усиления контакта и взаимодействия между телами качения и колесами. Таким образом, тела качения постепенно снова входят в сопряжение внутри канала сопряжения плавным и упорядоченным образом, что делает столкновения между ними гораздо более редкими, и, как следствие, значительно снижает шум в системе. Точно такие же изменения применимы к обеим сторонам обеих колес в механизме. При изменении направления вращения колес, рассматриваемый механизм ведет себя точно таким же образом, за исключением того, что тела качения меняют направление своего движения, и начальные и конечные участки колес меняются местами.

Как было показано на вышеприведенных примерах, соответствующий настоящему изобретению передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения может дать одно из более альтернативных решений для большинства задач построения трансмиссий и зубчатых передач, которые с очевидностью превосходят существующие технические решения, демонстрируя многочисленные преимущества и выгоды. Отличительной чертой рассматриваемого механизма является то, что для любого из элементов, ведущего или ведомого, либо для обеих указанных элементов, между которыми установлено сопряжение посредством тел качения, организуется вращение вокруг заданной оси, или перемещение вдоль заданной линии, или сочетание указанных движений. Характеристические оси, то есть оси вращения и/или задаваемые линии движения могут быть заданы практически с любым относительным угловым расположением, включая перпендикулярное расположение, параллельное расположение или расположение под другими углами. Характеристические оси могут пересекаться друг с другом в плоскости или могут не иметь общих точек. В типичных случаях применения на практике ведущий и ведомый элементы являются телами или колесами с вращательной симметрией, а в качестве тел качения выступают шары. Однако в некоторых случаях один или оба элемента представляют собой зубчатые рейки, а телами качения иногда могут служить несферические тела, например цилиндрические ролики или бочкообразные ролики. Передаваемый крутящий момент может быть увеличен, если увеличить коэффициент перекрытия, то есть число тел качения, одновременно участвующих в сопряжении. В соответствии с настоящим изобретением типичным отличительным признаком передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения является то, что относительное направление вращения между ведущим и ведомым элементами можно произвольно менять простым применением другой пары элементов с другим набором

- 15 014253 направляющих канавок для тел качения. Нет необходимости вводить дополнительное (третье промежуточное) колесо в систему, как в случае передач с зубчатыми колесами. Одно из основных преимуществ передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, соответствующего настоящему изобретению, заключается в том, что механизм отличается исключительно малыми потерями энергии на трение и высоким КПД передачи мощности, что является результатом чистого качения, совершаемого телами, которые осуществляют сопряжение ведущего и ведомого элементов. Это остается справедливым даже в случае систем с высокими значениями передаваемого крутящего момента и высокими передаточными отношениями. В случае чистого качения бесполезный расход энергии из-за потерь на трение исключительно мал; фактически, он гораздо меньше, чем в случае, когда движущиеся элементы совершают скольжение вдоль поверхностей контакта, что типично для абсолютного большинства существующих передач и механизмов трансмиссий.

Соответствующий настоящему изобретению передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения обеспечивает решение практически всех существующих в настоящее время задач передачи движения и построения трансмиссий. Для иллюстрации возможных применений изобретения, на фиг. 3537 показаны три примера соответствующих случаев такого применения.

На фиг. 35 показан велосипед, в котором в двух местах Н1 и Н2 применен передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению. Передаточное отношение в точке Н1 составляет 2,625:1, а в точке Н2 - 1:1. Коэффициент перекрытия для обеих передач составляет 9. Применение нового механизма в точках Н1 и Н2 делает привод велосипеда простым, компактным и прочным. Никаких звездочек и цепей, какие используются в приводах практически всех велосипедов в настоящее время. В результате привод работает плавно и надежно. Размер каждой из передач Н1 и Н2 меньше, чем у традиционных звездочек, поскольку благодаря высокому коэффициенту перекрытия, момент прикладывается одновременно к 9 катящимся шарикам, в отличие от звездочек, где момент всегда приложен только к одной звездочке. Поскольку цепь отсутствует, размер всей системы также оказывается меньше, и ее можно удобным образом закрыть, чтобы сделать более компактной, защищенной и надежной. Чтобы сделать привод еще более компактным, ось 43, соединяющую передачи Н1 и Н2, можно поместить внутрь рамы велосипеда. Применение нового механизма привода может также быть выгодным для велосипедов со складными рамами, поскольку благодаря простоте и компактности привода велосипед можно легко и быстро складывать, когда необходимо. Это не характерно для традиционных конструкций, так как наличие цепи делает всю процедуру сложной и неприятной.

На фиг. 36 показано, как передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению может быть применен в случае дифференциальных передач. Полуоси кН и к!2 представляют собой оси колес транспортного средства. Ведущий вал к! вращается вокруг своей оси и передает крутящий момент от двигателя к ведущему колесу кк. Ведущее колесо кк приводит во вращение ведомое колесо 1к согласно соответствующему варианту осуществления нового передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению. Ведущее колесо кк соответствует колесам 10, а ведомое колесо 1к - колесам 20, представленным в нескольких предыдущих вариантах осуществления изобретения. Диаметр колеса кк сравнительно невелик, и направляющие канавки для тел качения выполнены на его наружной поверхности, в то время как диаметр колеса 1к сравнительно большой, и направляющие канавки выполнены на его фронтальной поверхности. Ось ведомого колеса 1к перпендикулярна оси ведущего колеса кк, и указанные две оси образуют скрещивающиеся прямые. Данное новое решение для дифференциальных редукторов можно сопоставить с традиционными коническими передачами с зубчатыми колесами, которые типичны для дифференциальных передач в настоящее время. Сцепляющие зубья колес в конических зубчатых передачах в традиционных конструкциях находятся под большой нагрузкой, даже если используются колеса с зубьями дугообразного профиля. Кроме того, проблема конических зубчатых передач с зубьями дугообразного профиля заключается в том, что они демонстрируют КПД при передаче мощности значительно меньший, чем даже КПД передач с обычными прямозубыми колесами. Это происходит из-за того, что их зубья, помимо нормального радиального скольжения по профилю зубьев, также совершают скольжение вдоль дуг зубьев, внося значительные, дополнительные потери на трение. За счет применения нового передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению указанные проблемы могут быть решены естественным образом. С одной стороны, передаваемый момент может быть значительно увеличен за счет увеличения коэффициента перекрытия в системе без приложения значительной дополнительной нагрузки к конструкции, колесам или отдельным телам качения. С другой стороны, КПД передачи мощности остается исключительно высоким, поскольку продолжают действовать условия для получения чистого качения, точно так же, как и в случае конструкций, предназначенных для более низких крутящих моментов.

Конструирование дифференциальных передач представляет собой особенно сложную задачу в случае транспортных средств с двумя ведущими задними осями. Чтобы вращать обе оси одновременно, следует применять шестерни с осями, образующими скрещивающиеся линии. При использовании традиционных зубчатых колес указанные конструкции демонстрируют особенно низкий КПД при передаче мощности. Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобрете

- 16 014253 нию дает очень выгодное техническое решение, что схематически показано на фиг. 37. Первая ось, состоящая из двух полуосей к!1 и к(2. приводится во вращение дифференциальной передачей бт1, а вторая ось, состоящая из двух полуосей кк3 и к!4, приводится во вращение дифференциальной передачей бт2. Обе дифференциальные передачи бт1 и бт2 одновременно приводятся в движение одним и тем же ведущим валом 111. Оси вращения обеих дифференциальных передач, а именно оси вращения двух полуосей кН и к!2, а также полуосей к(3 и к(4 образуют скрещивающиеся линии с осью вращения ведущего вала 111. Ведущий вал к! вначале соединяется с первым ведущим колесом 1к1, а затем со вторым ведущим колесом 11к2. Между двумя ведущими колесами кк1 и кк2 ведущий вал 11 проходит через карданный шарнир кек. Два ведущих колеса 1к1 и 1к2 являются первыми ведущими колесами в двух передачах, выполненных согласно передаточному механизму с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению, при этом указанные колеса приводят в движение, соответственно, колеса 1к1 и !к2. Первые ведущие колеса 1к1 и 1к2 соответствуют первым колесам 10 предыдущих примеров, а вторые ведомые колеса 1к1 и !к2 соответствуют вторым, ведомым колесам 20. Сопряжение между ведущим колесом 1к1 и ведомым колесом !к1, а также колесами 1к2 и !к2 устанавливается в соответствии с одним из нескольких вариантов осуществления передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению. На поверхностях всех колес, включая 1к1 и 1к2, а также 1к1 и !к2 имеются направляющие канавки для тел качения. Ведомые колеса 1к1 и !к2 соединены напрямую с соответствующими дифференциальными передачами бш1 и бт2. При таком построении обе дифференциальные передачи и соединенные с ними полуоси можно одновременно приводить в движение единственным непрерывным ведущим валом 1!, при этом система может выигрывать благодаря достоинствам передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению, включая исключительно высокий КПД передачи мощности, объясняемый чистым качением сопрягающих тел, и потенциально очень высокое передаточное отношение. Фактически идею данной конструкции можно распространить на произвольное число последовательно расположенных дифференциальных передач, где один ведущий вал приводит в движение серию передач, оси которых скрещиваются с осью ведущего вала. Исключительно высокий КПД передачи мощности и другие преимущества, предоставляемые передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению, могут также сохраняться и в крайних случаях использования, подобных описанному.

Помимо трех вышеприведенных примеров, передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению имеет массу других потенциальных применений практически во всем машиностроении, особенно в средствах транспорта, транспортно-погрузочной техники, станкостроения и точного машиностроения, а также в различных других областях машиностроения. Возможные применения включают в себя разнообразные конструкции и устройства с высокой гибкостью для различных положений и углов, форм и размеров для ведущих и ведомых элементов, а также различных видов тел качения, с большим разнообразием передаточных отношений, направлений вращения, передаваемой мощности и т. п. Можно полагать, что рассматриваемый новый механизм сможет обеспечить решение вероятно всех существующих в настоящее время задач построения устройств передачи и трансмиссий, демонстрируя значительные выгоды и преимущества в сравнении с существующими механизмами и конструкциями. Выгоды и преимущества включают в себя высокий КПД передачи мощности и высокие передаточные отношения, компактные размеры и надежность, высокую точность перемещений и возможность изменения направления вращения. Кроме того можно полагать, что это настолько принципиально новый механизм, что он сможет обеспечить решение проблем в таких сферах, где существующие в настоящее время системы практически неприменимы. Как следствие очевидных выгод и преимуществ, можно полагать, что новый передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению обладает большим потенциалом для внедрения в различные сферы различных отраслей промышленности.

Из-за неизбежных производственных погрешностей, условия, которые определяют работу передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению, в частности, условия получения чистого качения сопрягающих тел, могут быть выполнены только до определенной степени точности, но никогда не могут быть выполнены идеально. Помимо нежелательных, но неизбежных естественных погрешностей, можно представить такие потенциальные случаи применения передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения, когда по разным причинам создаются такие условия работы механизма, которые намеренно отступают от идеальных, т.е. вводятся намеренные погрешности. Однако и в случае ненамеренных, и в случае намеренных неточностей для сравнительно широкого интервала погрешностей отличительные характеристики функционирования передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению могут быть сохранены, хотя бы в частичной или умеренной степени. Поэтому настоящее изобретение не ограничивается передаточным механизмом с трансмиссией посредством тел качения, который математически идеально удовлетворяет условиям работы, но также охватывает указанные механизмы, обладающие определенной степенью неидеальности. Степень неидеальности передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению можно измерить, например, если рассмотреть две плоскости, касатель

- 17 014253 ные к двум кривым качения в двух точках, где тела качения одновременно контактируют с направляющими канавками на ведущем и ведомом элементах, и измерить отклонение этих двух плоскостей от взаимной параллельности. В идеальных условиях они должны быть в точности параллельны. Другой, эквивалентной мерой неидеальности может служить величина, показывающая, насколько различаются длины двух направляющих канавок. В идеальных условиях они должны быть в точности равными. Умеренная степень неидеальности, например отклонение от параллельности вышеупомянутых касательных плоскостей величиной 5-10° или различие на 5-10% между длинами кривых качения, не оказывает существенного влияния на основные характеристики передаточного механизма с трансмиссией посредством тел качения по настоящему изобретению. В частности, условия для чистого качения сопрягающих тел существенно не ухудшаются, и основные полезные качества и преимущества системы сохраняются. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается передаточным механизмом с трансмиссией посредством тел качения, который работает при идеальных условиях с математически идеальной точностью, но также охватывает такие конструкции, условия и ситуации, при которых условия работы, хотя и отклоняются в определенной степени от идеальных условий, определяемых математическими уравнениями, но при которых основные характеристики идеальной системы, включая преимущества, вытекающие из чистого качения сопрягающих тел, могут быть, по меньшей мере, частично и умеренно сохранены.

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Передаточный механизм с трансмиссией посредством тел качения, содержащий ведущий элемент, тела качения, имеющие соответствующие центры или центральные оси, и ведомый элемент, причем ведущий элемент сопряжен с ведомым элементом посредством указанных тел качения, а движение ведущего и ведомого элементов ограничено движением с одной степенью свободы, при этом как ведущий элемент, так и ведомый элемент содержат соответствующие направляющие канавки для тел качения, входящие в контакт с телами качения и определяющие относительное движение указанных тел по отношению к соответствующему элементу, причем контакт тел качения с направляющими канавками для тел качения происходит по соответствующим кривым качения; направляющие канавки для тел качения начинаются и заканчиваются на ведущем и ведомом элементах на соответствующих парах граничных поверхностей; перемещение тел качения происходит вдоль соответствующих направляющих канавок, а ведущий и ведомый элементы выполнены с возможностью обмена ролями, отличающийся тем, что расстояния между соответствующими точками кривых (д1) качения на ведущем элементе (10, ζΐ) и кривых (д2) качения на ведомом элементе (20, ζ2) являются различными; длины кривых (д1) качения на ведущем элементе (10, ζ1), по существу, равны длинам кривых (д2) качения на ведомом элементе (20, ζ2); и для всех пар точек кривых (д1, д2) качения, находящихся в контакте с телами (С) качения, соответствующие касательные плоскости (Е1, Е2) в указанных парах точек, по существу, являются параллельными друг другу; скорости (и1, и2) указанных пар точек контакта, определенные в системе координат тел (С) качения, по существу, являются равными друг другу по величине, но противоположными по знаку; в точках контакта соответствующие линии действия сил (Е), действующих на тела (С) качения, пересекают центры или центральные оси указанных тел (С) качения, при этом перемещение тел (С) качения по направляющим канавкам (12, 22) после захода указанных тел в канавки и до выхода указанных тел из канавок является, по существу, чистым качением.
2. 2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что указанные тела качения представляют собой сферические катящиеся шарики (30, 30а, 306).
3. 3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что указанные тела качения являются телами, обладающими вращательной симметрией.
4. 4. Механизм по п.1, отличающийся тем, что содержит соответствующие каналы возврата тел качения, служащие для перемещения тел качения после их выхода из направляющих канавок для тел качения с целью возврата в указанные направляющие канавки.
5. 5. Механизм по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента (10, ζ1) и ведомого элемента (20, ζ2) обладает вращательной симметрией, задающей соответствующие оси вращения.
6. 6. Механизм по п.5, отличающийся тем, что как ведущий элемент (10, ζ1), так и ведомый элемент (20, ζ2) обладают вращательной симметрией и имеют соответствующие непараллельные оси (11 и 21) вращения.
7. 7. Механизм по п.5, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента (10, ζ1) и ведомого элемента (20, ζ2) имеет фронтальную поверхность с вращательной симметрией, при этом направляющие канавки (12 или 22) выполнены на указанной фронтальной поверхности, а указанные граничные поверхности (14, 15) представляют собой кольца.
8. 8. Механизм по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один элемент среди ведущего элемента (10, ζ1) и ведомого элемента (20, ζ2) представляет собой зубчатую рейку, имеющую плоскую поверхность и установленную с возможностью перемещения вдоль заданной линии, при этом направляющие канавки для тел качения выполнены на плоской поверхности зубчатой рейки.

   - 18 014253
9. 9. Механизм по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном элементе среди ведущего элемента (10, ζ1) и ведомого элемента (20, ζ2) выполнен набор направляющих канавок для тел качения.
10. 10. Механизм по п.9, отличающийся тем, что направляющие канавки для тел качения из указанного набора на одном элементе идентичны по форме и кривизне и смещены относительно друг друга по углу на соответствующие угловые интервалы вокруг оси вращения соответствующего элемента.
11. 11. Механизм по п.10, отличающийся тем, что угол смещения составляет 360°/п, где η - число равномерно расположенных направляющих канавок для тел качения на указанном элементе.
12. 12. Механизм по п.9, отличающийся тем, что направляющие канавки для тел качения, выполненные на плоской поверхности соответствующего элемента (10, ζ1; 20, ζ2), являются идентичными по форме и кривизне и расположены с интервалом относительно друг друга.
13. 13. Механизм по п.1, отличающийся тем, что любой среди ведущего элемента (10, ζ1) и ведомого элемента (20, ζ2) содержит гребни (26) с соответствующими боковыми поверхностями, а другой элемент содержит желоба (16), повторяющие форму указанных гребней (26), так что между каждой из указанных боковых поверхностей гребней (26) и боковыми поверхностями желобов (16) образованы соответствующие промежутки, при этом тела (30а, 30Ь) качения размещены по меньшей мере в одном из указанных промежутков, а направляющие канавки (17, 27, 18, 28) для тел качения, в которые помещены тела качения, выполнены на противолежащих боковых поверхностях гребней и желобов.
14. 14. Механизм по п.13, отличающийся тем, что в указанных промежутках выполнен набор направляющих канавок (17а, 27а, 18Ь, 28Ь, 17с, 27с, 186, 286), при этом перемещение соответствующих тел (30а, 30Ь, 30с, 306) качения происходит вдоль каждой из указанных канавок.
15. 15. Механизм по п.13, отличающийся тем, что в случае двунаправленных нагрузок соответствующие тела (30а, 30Ь) качения размещены в обоих указанных промежутках.
16. 16. Механизм по п.13, отличающийся тем, что на каждом из указанных элементов выполнено несколько пар гребней и желобов, соответствующих друг другу по форме.
17. 17. Механизм по п.13, отличающийся тем, что тела качения представляют собой миниатюрные шарики, по существу, заполняющие указанные промежутки.
18. 18. Механизм по п.17, отличающийся тем, что указанные миниатюрные шарики взвешены в смазочной жидкости.
19. 19. Механизм по п.1, отличающийся тем, что содержит перегородки (31, 32), ограничивающие перемещение тел качения в направлениях, отличных от пути, который определен направляющими канавками для тел качения, причем перегородки (31, 32) выполнены на соответствующих сторонах указанных канавок.
20. 20. Механизм по п.1, отличающийся тем, что содержит разделители (35) между соседними телами качения для выдерживания между телами предварительно определенного расстояния.
21. 21. Механизм по п.4, отличающийся тем, что между направлением движения тел качения при их выходе из направляющих канавок для тел качения и направлением движения тел качения при входе в указанный канал возврата образован угол, косинус которого равен отношению скорости тел качения в канале возврата к скорости тел качения при их выходе из направляющих канавок для тел качения, кроме того, такой же угол образован между направлением канала возврата на другом конце указанного канала и направлением движения тел качения при их входе в направляющие канавки для тел качения.
22. 22. Механизм по п.4, отличающийся тем, что предусмотрено постепенное уменьшение расстояния между соседними направляющими канавками для тел качения ближе к окончанию указанных канавок на граничных поверхностях, и постепенное увеличение расстояния между соседними направляющими канавками для тел качения ближе к началу указанных канавок на граничных поверхностях с целью обеспечения плавности движения тел качения по соответствующим направляющим канавкам и каналам возврата.
23. 23. Механизм по п.1, отличающийся тем, что предусмотрено постепенное увеличение направляющих канавок для тел качения на их начальных и конечных участках при подходе к граничным поверхностям с целью уменьшения сил, действующих на тела качения, и облегчения входа тел качения в указанные канавки и выхода из указанных канавок.