RO132365B1 - Cutie de viteze reconfigurabilă - Google Patents

Description

Invenția se referă la o cutie de viteze concepută sub forma unui chit care poate fi reconfigurată în mai multe variante și care este destinată dezvoltării abilităților studenților din domeniul ingineriei mecanice.

Pentru reglarea parametrilor axelor cinematice ale mașinilor unelte se utilizează două metode: reglarea în trepte și reglarea continuă. Prima metodă este folosită la mașinile unelte clasice și utilizează cutii de viteze. Cea de-a doua este specifică axelor cinematice NC de la mașinile cu comandă numerică și la roboți și utilizează motoare de turație variabilă.

Reglarea în trepte se realizează prin utilizarea și comutarea mai multor mecanisme de transmisie care oferă o gamă de rapoarte de transfer. În acest sens s-au dezvoltat cutiile de viteze, mecanismele cu roți de schimb, conul NORTON, fuliile de curele în trepte etc. Înainte de dezvoltarea electronicii de mare putere, reglarea continuă a turației se realiza mecanic, folosind variatori mecanici cu fricțiune sau hidraulici, prin reglarea rezistivă a debitului. După dezvoltarea electronicii de putere s-au dezvoltat variatoare electronice, care permit controlul turației motoarelor de antrenare, de orice tip (DC, AC, pas cu pas).

Optimizarea structurii unei cutii de viteze a fost abordată de Lozin, Vădim V., care propun o soluție de realizarea a unei rețele structurale pentru un număr dat de turații de ieșire și minimizarea numărului total de noduri, implicit reducerea numărului de roți dințate. [4].

Se cunoaște din stadiul tehnicii documentul JP 2009192951 A, care prezintă un kit de cutii de viteze utilizat ca material didactic, în care o multitudine de cutii de viteze pot fi conectate opțional și ușor în lung și în sens transversal, în direcție ortogonală sau alte asemenea variante.

Se mai cunoaște și documentul KR 20130005761 U care prezintă un set de cutii de viteze de învățare pentru studenți care pot cunoaște tipul și configurația angrenajelor care sunt un element mecanic de bază al unei cutii de viteze.

Mai mult decât atât cutiile de viteze au început să fie folosite cu succes și în alte domenii, diferite de cel al prelucrărilor mecanice, cum ar fi cel energetic, cu rolul de a crește viteza de rotație a palelor turbinelor eoliene, pentru a le face mai eficiente [5, 6].

Deoarece cutiile de viteze având la bază angrenajele cu roți dințate sunt cele mai utilizate mecanisme de transmitere și reglare a mișcării, autorii consideră că înțelegerea modului în care se face schimbarea turației și transmiterea puterii, reprezintă o problemă importantă în procesul de educare a studenților.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția propusă este de a oferi studenților posibilitatea de a proiecta și realiza diferite variante de cutii de viteze, utilizând elementele tipizate și o metodă proprie de reconfigurare.

Cutia de viteze reconfigurabilă este concepută sub forma unui chit format dintr-o carcasă, un arbore de intrare și unul sau mai mulți arbori intermediari prevăzuți cu lagăre identice, un arbore principal (de ieșire), carcasa fiind prevăzută cu o serie de alezaje identice ale căror axe de simetrie sunt plasate în același plan, la distanțe axiale egale, utilizate pentru montarea arborilor, pe arbori se montează roți dințate care se aleg dintr-un set optimizat de roți de schimb, fiecare roată având același modul, lățime și alezaj.

Se dă în continuare un exemplu de aplicare a invenției în legătură cu fig. 1...13 care reprezintă:

- fig. 1, schema de principiu a unei cutii de viteze;

- fig. 2, schema cinematică a cutiei în varianta de realizare cu 12 trepte;

- fig. 3, diagrama de turații cu rapoartele de transfer aferente setului optimizat de roți de schimb;

- fig. 4, arhitectura cutiei de viteze, vedere în perspectivă;

- fig. 5, arhitectura cutiei de viteze, vedere în perspectivă dintr-un alt unghi; 1 - fig. 6, arhitectura cutiei de viteze, vedere de sus;

- fig. 7, secțiune longitudinală prin arborii cutiei de viteze din fig. 6;3

- fig. 8, secțiune transversală prin arborii cutiei de viteze, reprezentare în perspectivă;

- fig. 9, secțiune transversală prin arborii cutiei de viteze, vedere frontală;5

- fig. 10, formarea blocurilor baladoare;

- fig. 11, schimbarea turațiilor;7

- fig. 12, o altă diagramă de turații pentru structura din fig. 3;

- fig. 13, diagrama de turații pentru o cutie cu 6 trepte, realizată cu rapoartele de 9 transfer aferente setului optimizat de roți de schimb.

Cutia de viteze reconfigurabilă se compune dintr-o serie de grupe cinematice 1, 2, 11 3. Fiecare grupă cinematică poate avea k = 2, 3, 4 comutări, adică k rapoarte de transfer. Aplicând la intrare o turație n se obțin la ieșire z trepte de turație z = a1-a₂-a₃. 13

În exemplul din fig.1 rezultă z = a₁-a₂-a₃=2-3-2=12.

În mod evident atât numărul grupelor cinematice (1-3), cât și numărul comutărilor k 15 poate fi diferit, rezultând la ieșire număr z dorit de trepte de turație.

În fig. 2 se prezintă schema cinematică a cutiei de viteze realizată pe baza schemei 17 structurale din fig. 1. Cutia se compune dintr-o carcasă 4 în care sunt montați arbori și roți dințate care asigură transmisia mișcării de la motorul 5 la arborele principal 6. 19

De la motorul 5 mișcarea se transmite la arborele (I) de intrare 8 printr-o transmisie cu curele 7, cu raport u_c1. De la arborele de intrare 8 mișcarea se transmite la un arbore 9 21 (II) prin intermediul angrenajelor din grupa cinematică 1 (a₂=2; z₁/z₂, z₃/z₄). Pe arborele 9 se obțin 2 trepte de turație. 23

De la arborele 9 mișcarea se transmite la un arbore 10 (III) prin intermediul angrenajelor din grupa cinematică 2 (a₂=3; z₅/z₆; z₇/z₈; z₉/z₁₀). Pe arborele 10 se obțin a1-a₂ 25 trepte de turație (2-3=6 trepte).

De la arborele 10 mișcarea este transmisă la arborele 11 (IV) cu ajutorul angrenajelor 27 din grupa cinematică 3 (a₃=2). Rapoartele de transfer ale angrenajelor din grupa 3 sunt z11/z₁₂; z₁₃/z₁₄. Pe arborele 11 se obțin a1-a₂-a₃ trepte de turație, iar în cazul din figură 29 z=2-3-2=12 trepte.

De la arborele 11 mișcarea ajunge la arborele principal 6 prin angrenajul zis/zig, cu 31 raport u_c2.

Schema structurală din fig. 1 și schema cinematică din fig. 2 sunt specifice cutiilor de 33 viteze clasice.

Reconfigurabilitatea cutiei este asigurată prin proiectarea unui set de roți de schimb 35 mărit față de numărul roților dințate din fig. 2, astfel încât să ofere mai multe posibilități de alegere de angrenaje cu rapoarte de transfer diferite. 37

În fig. 3 se prezintă diagrama de turații a cutiei de viteze din fig. 2. Rapoartele de transfer 12, marcate cu linie continuă, reprezintă o soluție pentru realizarea cutiei de viteze 39 cu 12 trepte. Pentru a oferi mai multe variante (reconfigurabilitatea), pentru fiecare grupă cinematică s-au proiectat angrenaje suplimentare având rapoartele de transfer 13, marcate 41 cu linie întreruptă.

Setul roților de schimb s-a determinat pentru rația seriei geometrice φ=1,25, folosind 43 rapoartele u^, u_2j, u_3k din fig.3.

Pentru reducerea numărului de angrenaje din setul roților de schimb s-a adoptat 45 aceeași distanță axială A, între arborii 8-9, 9-10, 10-11, iar suma numerelor de dinți a unui fiecărui angrenaj s-a ales 120. 47

Cu restricțiile de mai sus au rezultat 18 angrenaje pentru roțile de schimb din tabelul 1. Cu cele 18 angrenaje (36 de roți) care constituie setul roților de schimb prezentate tabelul 1 si determinate pe baza rapoartelor de transfer din fig. 3 se pot realiza 16 variante de structuri de cutii de viteze, de la 2 la 18 trepte de turație pentru rația φ=1,25. La cele 16 variante structurale pentru rația 1,25 se mai pot realiza 9 variante pentru rația φ=1,6 și 5 variante pentru φ=2. Variantele structurale posibile fără a fi necesară reducerea saltului sunt marcate cu DA în tabelul 2. Numărul variantelor structurale crește în situația în care se adoptă reducerea de salt, modalitate cunoscută în calculul cutiilor de viteze. Numărul total al variantelor posibile este mult mai mare având în vedere faptul că pentru fiecare variantă structurală există mai multe posibilități de realizare, în funcție de alegerea rapoartelor de transfer din fig. 3.

Tabelul 1

Ez	Rația φ	Um = a/b.	Nr. de dinți	Nr. de perechi
zai + zai	φ = 1,25	φ = 1,6	φ = 2	a	bi	zai	zai	N
120	φ0	φ0	φ0	1	1	60	60	3
120	1/φ1			4	5	53	67	3
120	1/φ2	φ1		5	8	46	74	3
120	1/φ3		φ1	1	2	40	80	3
120	1/φ4	φ2		2	5	34	86	2
120	1/φ5			1	3,5	29	91	2
120	1/φ6	φ3	φ2	1	4	24	96	2

Tabelul 2

Nr. crt.	Nr. trepte	Structura cinematică	Rația seriei geometrice φ
	z	z=a1-a2-a3	φ=1,25	φ=1,6	φ=2
1	2	2x1	DA	DA	DA
2	3	3x1	DA	DA	DA
3	4	2x2	DA	DA	DA
4	4	4x1	DA	DA	DA
5	5	5x1	DA	DA	NU
6	6	3x2	DA	DA	DA
7	6	2x3	DA	DA	NU
8	8	2x2x2	DA	DA	NU
9	8	4x2	DA	DA	NU
10	8	2x4	DA	NU	NU

Tabelul 2 (continuare)

Nr. crt.	Nr. trepte	Structura cinematică	Rația seriei geometrice n
	z	z=a1-a2-as	n=1,25	n=1,6	n=2
11	9	3x3	DA	NU	NU
12	12	2x3x2	DA	NU	NU
13	12	3x2x2	DA	NU	NU
14	16	4x2x2	DA	NU	NU
15	16	2x4x2	DA	NU	NU
16	18	3x3x2	DA	NU	NU

Pentru exemplificarea acestui lucru, în fig.12 s-a realizat o altă diagramă de turații pentru cutia de vite cu 12 trepte. Cutiile de viteze construite pe baza rețelelor structurale din fig. 3, respectiv din fig. 12 vor avea aceeași structură cinematică, același număr de comutări (trepte), dar pe arborele de ieșire vor rezulta turații diferite.

O altă structură cinematică se obține prin alegerea potrivită a grupelor cinematice din tabelul 2. Pentru exemplificare, în fig. 13 se prezintă diagrama de turații a unei cutii de viteze cu 6 trepte, urmărind exemplul 6 din tabelul 2 (z=3x2).

Pentru a putea realiza oricare dintre variantele de cutii de viteze din tabelul 2, cutia de viteze reconfigurabilă este montată pe o placă 14, care se montează pe o masă de lucru.

Pe placa 14 se montează cu șuruburi doi pereți laterali 15 și 16, prevăzuți cu alezaje pentru arbori.

Pentru montarea și demontarea ușoară a arborilor, în scopul realizării oricărei variante, pereții laterali 15 și 16 sunt realizați dintr-o parte inferioară 15a, respectiv 16a și dintr-o parte superioară 15b, respectiv 16b. Părțile superioare 15b și 16b sunt fixate de părțile inferioare cu șuruburile 17.

Fiecare grupă cinematică (1, 2 sau 3) se formează dintr-un număr de k roți fixe 18 și același număr k de roți glisante 19, care formează un bloc balador 20. Explicarea modului de formare a grupelor cinematice și de schimbare a turațiilor se va face pe baza fig.10 și 11.

Pe arborele de intrare 8 s-au montat roțile fixe 18a și 18b (z1, respectiv z3). Distanța dintre roțile fixe și poziționarea axială a acestora pe arborele 8 se face cu ajutorul unor distanțiere 21.

În fig.10 se prezintă un bloc balador 20, format din roțile glisante 19a și 19b.

Gruparea roților care formează blocul un balador 20 se face cu ajutorul două inele distanțiere 21 și a două furci 22.

Cele două furci 22 care definesc poziția axială a roților 19a și 19b ale blocului balador 20 sunt fixate pe un culisor 23 cu ajutorul unor șuruburi 24.

Culisorul 23 glisează împreună cu blocul balador într-un locaș 25 practicat la partea inferioară a pereților 15 și 16.

Culisorul 23 are în secțiune transversală forma de T, fapt ce asigură ghidarea furcilor 22 și ghidarea în locașul 25. Pe laturile profilului T al culisorului sunt prevăzute un șir de găuri filetate 23a care permit poziționarea axială a blocului balador.

Pentru eliminarea jocului dintre roțile 19a și 19b ale blocului balador 20, furcile 22 sunt prevăzute cu niște găuri alungite în care intră șuruburile 24.

Distanțierele 21 au lungimea 1 > 2b, b fiind lățimea roții. La mijloc distanțierele sunt prevăzute cu un canal 21a care permite cuplarea furcilor.

Blocarea distanțierelor se face cu ajutorul unor știfturi filetate 26 care intră în găurile filetate 21b, practicate în distanțierele 21.

Fiecare roată dințată a unui bloc balador angrenează succesiv cu o roată dințată fixă, din punct de vedere al deplasării axiale, de pe un arbore învecinat. Schimbarea roților prin care se transmite mișcarea și implicit schimbarea turației se face prin deplasarea axială a culisorului 23. Poziționarea culisorului în poziția corespunzătoare turației reglate se face cu un știft, nereprezentat în figuri.

Pentru a se putea realiza structurile cinematice din tabelul 2 în dreptul arborilor intermediari 9, 10 și 11 s-au prevăzut câte două culisoare 23. În acest fel pe un arbore se pot monta cate două grupe baladoare, fiecare grupă având culisorul său. In cazul în care structura cinematică a cutiei de viteze necesită un număr redus de blocuri baladoare 20 și, implicit de culisoare 23, o parte dintre acestea nu se vor folosi.

Metoda de lucru a studenților pentru realizarea cutiei de viteze este următoarea:

- se alege una dintre structurile și rația φ din tabelul 2;

- se aleg turațiile de ieșire dorite, conform sarcinii de lucru a mașinii;

- se construiește diagrama de turații utilizând rapoarte dintre cele prezentate în fig. 3 și tabelul 1;

- se aleg din tabelul 3 rotile dințate conform rapoartelor din diagrama de turații;

- se montează pe arbori rotile dințate fixe;

- se formează blocurile baladoare și se montează pe arbori;

- se introduc rulmenții pe arbori și se așează pe plăcile laterale 15 și 16;

- se așează blocurile de roti baladoare in furcile 22 montate pe culisoarele 23, apoi se ajustează poziția furcilor și se blochează cu șuruburile 24;

- se fixează plăcile superioare 15b și 16b cu șuruburile 17;

- se verifica schimbarea turației fără a porni motorul de acționare;

- se pornește motorul la o turație mică și se verifică schimbarea turațiilor;

- se crește turația motorului până la turația calculată și se măsoară turațiile pentru fiecare treaptă;

- se verifică abaterile turațiilor de ieșire față de turațiile stabilite conform sarcinii de lucru a mașinii.

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- simplitate constructivă și tehnologică;

- montare ușoară și reconfigurare rapidă;

- facilități de învățare prin experimentare practică.

Claims (5)

1. Cutie de viteze reconfigurabilă alcătuită dintr-o carcasă (4), un arbore de intrare 3 (8), cel puțin un arbore intermediar (9, 10, 11) și cel puțin o grupă cinematică (1,2, 3), fiecare grupă cinematică (1,2, 3) conținând cel puțin două roți dințate fixe (18) și cel puțin două roți 5 dințate glisante (19) care formează un bloc balador (20), generând un număr (k) de cel puțin două rapoarte de transfer, mișcarea fiind transmisă de la un motor (5) la un arbore principal 7 (6) în mai multe trepte, prin comutarea poziției blocurilor baladoare (20), caracterizată prin aceea că pentru realizarea mai multor variante structurale, arborele de intrare (8) și arborii 9 intermediari (9, 10, 11) au lagărele și partea din interiorul carcasei (4) identice, mai sunt prevăzute niște roți dințate de schimb suplimentare cu butucul canelat sau profilat corespun- 11 zător arborilor de intrare (8) și al arborilor intermediari (9, 10, 11), roțile de schimb suplimentare oferind o gamă de optsprezece angrenaje calculate pe baza valorii rației seriei geo-13 metrice φ de 1,25, cu rapoarte de transfer cuprinse între valorile 1/1 și 1/φ6, toate având aceeași distanța axială (A), iar grupele cinematice (1,2, 3) formate din roțile dințate fixe (18)15 sunt poziționate pe arborii de intrare (8) și cei intermediari (9, 10, 11) cu ajutorul unor distanțiere (21) și a unor știfturi filetate (26), blocurile baladoare (20) formate din roțile glisante (19)17 sunt poziționate între două furci (22) fixate pe niște culisoare (23) de schimbare a turației, iar arborii (8, 9, 10, 11) cu roțile dințate sunt montați în carcasă (4) cu un plan de separație19 axial realizat între niște plăci laterale inferioare (15a, 16a) și unele superioare (15b, 16b), fixate cu niște șuruburi (17) care oferă posibilitatea de reconfigurare rapidă a cutiei. 21

2. Cutie de viteze reconfigurabilă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că setul optimizat al roților de schimb conține câte trei angrenaje cu rapoarte de transfer 1/1;23

1/φ1; 1/φ2; 1/φ3 și câte două angrenaje cu rapoarte de transfer 1/φ4; 1/φ5; 1/φ6.

3. Cutie de viteze reconfigurabilă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea 25 că arborele de intrare (8), arborii intermediari (9, 10, 11) și butucul roților dințate sunt prevăzute cu caneluri sau cu profil hexagonal. 27

4. Cutie de viteze reconfigurabilă conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că pentru flexibilitate, culisoarele (23) se montează într-un locaș (25) în formă de „T 29 practicat la partea inferioară a plăcilor laterale inferioare (15a, 16a), iar pe laturile profilului în formă de „T sunt prevăzute un șir de găuri filetate (23a) realizate la un pas (p) egal cu de 31 două ori lățimea (b) a roții dințate, utilizate pentru poziționarea axială a blocului balador (20).

5. Metodă de reconfigurare a cutiei de viteze, caracterizată prin aceea că prezintă33 următoarele etape pentru reconfigurare:

- se alege o variantă structurală pentru cutia de viteze și o valoare a rației seriei 35 geometrice φ;

- se aleg turațiile de ieșire dorite, conform sarcinii de lucru a mașinii;37

- se construiește diagrama de turații utilizând valori prestabilite ale rapoartelor de transfer;39

- se stabilește tipul roților dințate funcție de rapoartele din diagrama de turații;

- se montează pe arbori rotile dințate fixe (18);41

- se formează blocurile baladoare (20) și se montează pe arbori (8, 9, 10, 11);

- se introduc rulmenții pe arbori (8, 9, 10, 11) și se așează pe plăcile laterale (15a, 43 15b, 16a, 16b);

- se așează blocurile de roti baladoare (20) in furcile (22) montate pe culisoare (23),45 apoi se ajustează poziția furcilor (22) și se blochează cu șuruburi (17);

1 - se fixează plăcile superioare (15b, 16b) cu șuruburi (17);

- se verifică schimbarea turației fără a pomi motorul (5) de acționare;

3 - se pornește motorul (5) la o turație mică și se verifică schimbarea turațiilor;

- se crește turația motorului (5) până la turația calculată și se măsoară turațiile pentru

5 fiecare treaptă;

- se verifică abaterile turațiilor de ieșire față de turațiile stabilite conform sarcinii lucru

7 a mașinii.