RU2782871C1

RU2782871C1 - Tooth wide range transmission

Info

Publication number: RU2782871C1
Application number: RU2022110597A
Authority: RU
Inventors: Александр Черменович Хатагов; Заурбек Александрович Хатагов
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2022-11-07

Abstract

FIELD: variable speed transmissions.

SUBSTANCE: invention relates to variable speed transmissions. Gear wide-range transmission includes input, intermediate and output shafts, reverser, basic variator and differential. The reverser is installed at the input of the transmission and includes two bevel gears, which are rigidly fixed one on the input shaft and the other on the intermediate shaft. The basic variator consists of driving and driven helical gears with recesses made in the Archimedes spiral, between which an intermediate toothed element is installed with a movement mechanism and an axis of rotation perpendicular to the plane of the axes of rotation of the helical gears. In this case, the drive helical gear of the base variator is cylindrical and rigidly mounted on the intermediate shaft, and the driven bevel helical gear is mounted for rotation relative to the input and output shafts. The differential is installed in the inner cavity of the driven bevel spiral gear, with which its carrier is rigidly connected, the input central wheel with the input shaft, and the output central wheel with the output shaft.

EFFECT: reduction of dimensions, simplification of manufacture and increase in reliability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к вариаторным трансмиссиям с плавным отнулевым управлением скоростью вращения выходных валов приводов промышленных установок и транспортных средств.The invention relates to mechanical engineering, namely, variable speed transmissions with smooth zero-speed control of the speed of rotation of the output shafts of drives of industrial plants and vehicles.

Известна вариаторная зубчатая передача, включающая конические зубчатые колеса, на поверхностях которых нарезаны криволинейные зубья, установленные с возможностью зубчатого зацепления между собой (см. патент РФ на изобретение №2389922, МПК F16H 3/42 (2006.01), опубл. 20.05.2010). В данном устройстве конические зубчатые колеса установлены перпендикулярно относительно друг друга с возможностью продольного скольжения по собственным валам без относительного вращения, а криволинейные зубья имеют изменяющийся поперечный профиль, такой, что при перемещении колес вдоль валов в любой момент обеспечивается зубчатое сопряжение колес. При этом колеса установлены таким образом, что увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса. Изменение передаточного отношения, то есть перемещение упомянутых колес вдоль валов, осуществляется при помощи внешнего механизма управления.A variable speed gear train is known, including bevel gears, on the surfaces of which curved teeth are cut, mounted with the possibility of gear engagement with each other (see RF patent for invention No. 2389922, IPC F16H 3/42 (2006.01), publ. 20.05.2010). In this device, the bevel gears are installed perpendicular to each other with the possibility of longitudinal sliding along their own shafts without relative rotation, and the curved teeth have a changing transverse profile, such that when the wheels move along the shafts, gear coupling of the wheels is provided at any time. In this case, the wheels are installed in such a way that an increase in the diameter and angle of inclination of the teeth of one wheel corresponds to a decrease in the diameter and angle of inclination of the teeth of the other wheel. Changing the gear ratio, that is, moving the said wheels along the shafts, is carried out using an external control mechanism.

Недостатками аналога являются повышенные габариты, сложность конструкции и управления. Это связано с поперечным расположением входного и выходного валов, что в совокупности с запасом на перемещение конусов требует увеличения размеров устройства в целом. При регулярном управлении необходимо непрерывно передвигать вдоль валов быстровращающиеся массивные конические зубчатые колеса, соблюдая синхронность вращения конусов и их валов, что усложняет еще и конструкцию, а также способствует проявлению эффекта «волчка», ухудшающего энергетику управления. Кроме того, данная передача имеет низкий диапазон изменения передаточного отношения, что не позволяет использовать ее в качестве полноценной трансмиссии, например, в автомобилях.The disadvantages of analogue are increased dimensions, complexity of design and management. This is due to the transverse arrangement of the input and output shafts, which, together with the margin for the movement of the cones, requires an increase in the size of the device as a whole. With regular control, it is necessary to continuously move fast-rotating massive bevel gears along the shafts, observing the synchronism of the rotation of the cones and their shafts, which also complicates the design, and also contributes to the “top” effect, which worsens the control energy. In addition, this transmission has a low gear ratio range, which does not allow it to be used as a full-fledged transmission, for example, in cars.

Известен также зубчатый реверсный вариатор, включающий две конические спиральные шестерни, установленные на параллельных валах и обращенные вершинами в противоположные стороны, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения (см. патент РФ на изобретение №2546047, МПК(2006.01) F16H 3/42, опубл. 10.04.2015). Конические спиральные шестерни выполнены в виде многозаходных равнонаправленных винтов, а промежуточный элемент выполнен цилиндрическим, ось перемещения которого неизменна в пространстве и установлена соосно боковым поверхностям конусных шестерен посредине между ними. При этом промежуточный зубчатый элемент должен иметь косые зубья с углом наклона, идентичным углу наклона логарифмической винтовой линии шестерен. В данном вариаторе для перемещения промежуточного зубчатого элемента вдоль конусных шестерен используется механизм перемещения в виде винтовой пары, состоящей из ступицы и ходового винта.Also known is a toothed reverse variator, which includes two bevel spiral gears mounted on parallel shafts and facing the tops in opposite directions, between which an intermediate toothed element with a movement mechanism is installed (see RF patent for invention No. 2546047, IPC (2006.01) F16H 3/42 , published 04/10/2015). The bevel helical gears are made in the form of multi-start equally directed screws, and the intermediate element is made cylindrical, the axis of movement of which is unchanged in space and is installed coaxially with the side surfaces of the bevel gears in the middle between them. In this case, the intermediate gear element must have oblique teeth with an angle of inclination identical to the angle of inclination of the logarithmic helix of the gears. In this variator, to move the intermediate gear element along the bevel gears, a movement mechanism is used in the form of a screw pair, consisting of a hub and a lead screw.

Недостатками аналога являются повышенные габариты, низкие мощность, быстродействие и КПД устройства, сложность конструкции и управления. Это связано с тем, что для изменения передаточного отношения хотя бы в пределах от 0,5 до 2 требуется большая длина конусов спиральных шестерен, поэтому и ходовой винт, являющийся осью перемещения промежуточного зубчатого элемента, удлинен - это ухудшает быстродействие и увеличивает габариты устройства. Равнонаправленность винтов означает их развертку на конические шестерни по логарифмической винтовой линии, угол наклона которой к образующей конуса строго постоянен, но торцовый шаг непрерывно и равномерно нарастает. Поэтому, во избежание заклинивания, промежуточный зубчатый элемент неизбежно должен иметь тонкие зубья с уширенными впадинами между ними, что снижает передаваемый момент, способствует низкочастотным вибрациям и ударам в передаче. При этом диапазон плавного варьирования передаточного отношения и передаваемый момент для полноценной трансмиссии недостаточны.The disadvantages of analogue are increased dimensions, low power, speed and efficiency of the device, the complexity of design and control. This is due to the fact that in order to change the gear ratio at least within the range from 0.5 to 2, a large length of the helical gear cones is required, therefore the lead screw, which is the axis of movement of the intermediate gear element, is elongated - this worsens the speed and increases the dimensions of the device. The equidirectionality of the screws means their development on bevel gears along a logarithmic helical line, the angle of inclination of which to the generatrix of the cone is strictly constant, but the end pitch continuously and evenly increases. Therefore, in order to avoid jamming, the intermediate gear element must inevitably have thin teeth with broadened cavities between them, which reduces the transmitted moment, contributes to low-frequency vibrations and shocks in the transmission. At the same time, the range of smooth variation of the gear ratio and the transmitted torque for a full-fledged transmission are insufficient.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии, включающей входной, промежуточный и выходной валы, реверсор, дифференциал и базовый вариатор, состоящий из ведущей и ведомой шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен, (см. патент РФ на изобретение №2763619, МПК(2006.01) F16H 3/42, опубл. 30.12.2021). В данной конструкции трансмиссии базовый вариатор включает две конические спиральные шестерни, обращенные вершинами в противоположные стороны и установленные на параллельных валах, вращение от которых передается на реверсор, а затем на дифференциал.The closest to the claimed technical solution is the basic variator of a wide-range transmission, including the input, intermediate and output shafts, a reverser, a differential and a basic variator, consisting of a driving and driven gears with recesses made in the Archimedes spiral, between which an intermediate gear element with a movement mechanism is installed and an axis of rotation perpendicular to the plane of the axes of rotation of the helical gears (see RF patent for invention No. 2763619, IPC (2006.01) F16H 3/42, publ. 12/30/2021). In this transmission design, the base variator includes two bevel helical gears, facing the tops in opposite directions and mounted on parallel shafts, the rotation from which is transmitted to the reverser, and then to the differential.

Недостатками прототипа являются повышенные габариты и затраты на изготовление. Повышенные габариты связаны с особенностями конструкции, а именно, с последовательностью расстановки основных элементов трансмиссии: базовый вариатор, реверсор и дифференциал. Ведомое зубчатое колесо реверсора объединено с водилом дифференциала, которое и определяет размер этого колеса и не позволяет варьировать размеры устройства в этом узле в сторону уменьшения. Поэтому реверсор должен быть понижающей передачей, а вариатор - повышающей. При этом величина скорости вращения промежуточного вала при регулировании меняется от скорости входного вала до ее удвоенного значения. Т.к. приводной двигатель имеет обычно частоту вращения в несколько тысяч об/мин, то промежуточный вал и сидящие на нем подшипники, ведомая конусная спиральная шестерня вариатора и шестерня реверсора работают с повышенной интенсивностью, что требует усиления конструкции, а следовательно увеличения габаритов. Кроме того, самой сложной в изготовлении является спиральная конусная шестерня вариатора, а их в данной конструкции таких шестерен две, что повышает затраты на изготовление.The disadvantages of the prototype are increased dimensions and manufacturing costs. Increased dimensions are associated with design features, namely, with the sequence of arrangement of the main transmission elements: basic variator, reverser and differential. The driven gear wheel of the reverser is combined with the differential carrier, which determines the size of this wheel and does not allow to vary the dimensions of the device in this node in the direction of reduction. Therefore, the reverser must be a downshift, and the variator must be an upshift. In this case, the value of the speed of rotation of the intermediate shaft during regulation changes from the speed of the input shaft to its doubled value. Because the drive motor usually has a speed of several thousand rpm, then the intermediate shaft and the bearings sitting on it, the driven bevel gear of the variator and the reverser gear work with increased intensity, which requires strengthening the structure, and therefore increasing the dimensions. In addition, the helical bevel gear of the variator is the most difficult to manufacture, and there are two such gears in this design, which increases manufacturing costs.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении габаритов, упрощении изготовления и повышении надежности.The technical result of the invention is to reduce the size, simplify manufacturing and improve reliability.

Технический результат достигается тем, что зубчатая широкодиапазонная трансмиссия, включающая входной, промежуточный и выходной валы, реверсор, дифференциал и базовый вариатор, состоящий из ведущей и ведомой шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен, согласно изобретению, реверсор установлен на входе трансмиссии и включает две конические шестерни, которые жестко закреплены одна на входном валу, а вторая на промежуточном валу, при этом еще на промежуточном валу жестко установлена ведущая спиральная шестерня базового вариатора цилиндрической формы, а ведомая коническая спиральная шестерня установлена с возможностью вращения относительно и входного и выходного валов, причем дифференциал установлен в ее внутренней полости и его водило жестко связано с конической спиральной шестерней.The technical result is achieved by the fact that the toothed wide-range transmission, including the input, intermediate and output shafts, a reverser, a differential and a basic variator, consisting of a driving and driven gears with recesses made in the Archimedes spiral, between which an intermediate gear element with a movement mechanism and an axle is installed. of rotation, perpendicular to the plane of the axes of rotation of the helical gears, according to the invention , the reverser is installed at the input of the transmission and includes two bevel gears, which are rigidly fixed one on the input shaft, and the second on the intermediate shaft, while the main helical gear of the base variator is also rigidly mounted on the intermediate shaft cylindrical shape, and the driven bevel spiral gear is installed with the possibility of rotation relative to both the input and output shafts, and the differential is installed in its internal cavity and its carrier is rigidly connected to the bevel spiral gear.

Данное устройство позволит снизить габариты, упростить изготовление и повысить надежность конструкции.This device will reduce the size, simplify manufacturing and improve the reliability of the design.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1, изображена заявляемая зубчатая широкодиапазонная трансмиссия.The essence of the invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1, the inventive gear wide-range transmission is shown.

Зубчатая широкодиапазонная трансмиссия включает входной 1, промежуточный 2 и выходной 3 валы, реверсор, базовый вариатор и дифференциал. Реверсор установлен на входе трансмиссии и включает две конические шестерни 4 и 5, которые жестко закреплены одна на входном валу 1, а вторая на промежуточном валу 2. Базовый вариатор состоит из ведущей 6 и ведомой 7 спиральных шестерен с впадинами, выполненными по спирали Архимеда, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент 8 с механизмом перемещения 9 и осью вращения, перпендикулярной плоскости осей вращения спиральных шестерен 6 и 7. При этом ведущая спиральная шестерня 6 базового вариатора выполнена цилиндрической формы и жестко установлена на промежуточном валу 2, а ведомая коническая спиральная шестерня 7 установлена с возможностью вращения относительно входного 1 и выходного 3 валов. Дифференциал установлен во внутренней полости ведомой конической спиральной шестерни 7, с которой жестко связано его водило 10, входное центральное колесо 11 с входным валом 1, а выходное центральное колесо 12 с выходным валом 3.Gear wide-range transmission includes input 1, intermediate 2 and output 3 shafts, a reverser, a basic variator and a differential. The reverser is installed at the input of the transmission and includes two bevel gears 4 and 5, which are rigidly fixed one on the input shaft 1, and the other on the intermediate shaft 2. which the intermediate toothed element 8 with the movement mechanism 9 and the axis of rotation perpendicular to the plane of the axes of rotation of the helical gears 6 and 7 is installed. with the possibility of rotation relative to the input 1 and output 3 shafts. The differential is installed in the inner cavity of the driven bevel spiral gear 7, with which its carrier 10 is rigidly connected, the input central wheel 11 with the input shaft 1, and the output central wheel 12 with the output shaft 3.

Зубчатая широкодиапазонная трансмиссия работает следующим образом.Gear wide-range transmission works as follows.

Приводной двигатель (на фиг. 1 не показан) вращает входной вал 1 с угловой скоростью ω₁ вместе с шестерней 4 реверсора и центральным колесом 11 дифференциала. Промежуточный вал 2 и ведущая спиральная шестерня 6 базового вариатора вращаются с той же частотой, но в противоположную сторону ω₂=-ω₁ за счет реверсора, состоящего из конических шестерен 4 и 5. Ведомая коническая спиральная шестерня 7 базового вариатора и водило 10 дифференциала имеют частоту вращения ω₇=ω₁₀=-ω₂ /ϕ _вар=ω₁ /ϕ _вар. Передаточное отношение вариатора ϕ_вар меняется при перемещении механизмом 9 промежуточного зубчатого элемента 8 в соответствии с формулой ϕ_вар=d₇ /d₆, где d₇ - диаметр делительной окружности конической спиральной шестерни 7 в точке ее текущего контакта с элементом 8; d₆ - диаметр делительной окружности ведущей спиральной шестерни 6 базового вариатора. По правилу сложения скоростей в дифференциале ω₁₀=0,5(ω₁+ω₃), следовательно, частота вращения выходного вала 3 трансмиссии равна ω₃=ω₁(2/ϕ _вар-1). При изменении передаточного отношения ϕ_вар всего лишь в пределах 2:1 частота вращения выходного вала 3 трансмиссии регулируется от 0 до скорости входного вала ω₁. Этого достаточно, чтобы, например, в современных автомобильных приводах с такой трансмиссией отказаться от гидротрансформатора с клиноременным вариатором или от автоматической коробки передач и сцепления, и вообще от регулирования скорости вращения двигателя в функции требуемой скорости движения и поддерживать ее постоянно на экономически наиболее выгодном уровне.The drive motor (not shown in Fig. 1) rotates the input shaft 1 with an angular velocity ω ₁ together with the gear 4 of the reverser and the central wheel 11 of the differential. The intermediate shaft 2 and the drive helical gear 6 of the base variator rotate at the same frequency, but in the opposite direction ω ₂ =-ω ₁ due to the reverser, consisting of bevel gears 4 and 5. The driven bevel gear 7 of the base variator and the carrier 10 of the differential have rotation speed ω ₇ = ω ₁₀ = -ω ₂ / ϕ _var = ω ₁ / ϕ _var . The gear ratio of the variator ϕ _var changes when the mechanism 9 moves the intermediate gear element 8 in accordance with the formula ϕ _var =d ₇ / d ₆ , where d ₇ is the diameter of the pitch circle of the bevel spiral gear 7 at the point of its current contact with the element 8; d ₆ - the diameter of the pitch circle of the leading helical gear 6 of the base variator. According to the speed addition rule in the differential ω ₁₀ =0.5(ω ₁ +ω ₃ ), therefore, the speed of the output shaft 3 of the transmission is ω ₃ =ω ₁ (2 /ϕ _var -1). When changing the gear ratio ϕ _var only within 2:1, the speed of the output shaft 3 of the transmission is adjusted from 0 to the speed of the input shaft ω ₁ . This is enough, for example, in modern automobile drives with such a transmission to abandon the torque converter with a V-belt variator or automatic transmission and clutch, and in general from regulating the engine speed as a function of the required driving speed and maintain it constantly at the most economically advantageous level.

В заявленной конструкции зубчатой широкодиапазонной трансмиссии промежуточный вал 2 вращается всегда со скоростью входного вала 1, а сложных в изготовлении спиральных конусных шестерен в вариаторе, по сравнению с прототипом, требуется только одна. При этом за счет перемещения реверсора на вход трансмиссии повышается его компактность и появляется возможность размещения дифференциала во внутренней полости конической спиральной шестерни 7, что и способствует уменьшению габаритов всего устройства.In the claimed design of a gear wide-range transmission, the intermediate shaft 2 always rotates at the speed of the input shaft 1, and difficult to manufacture helical bevel gears in the variator, in comparison with the prototype, only one is required. At the same time, by moving the reverser to the input of the transmission, its compactness increases and it becomes possible to place the differential in the internal cavity of the bevel helical gear 7, which helps to reduce the dimensions of the entire device.

Данная зубчатая широкодиапазонная трансмиссия по сравнению с прототипом позволит снизить габариты, упростить изготовление и повысить надежность конструкции.This gear wide-range transmission compared with the prototype will reduce the size, simplify manufacturing and improve the reliability of the design.

Claims

Gear wide-range transmission, including input and output shafts, a reverser, a differential and a basic variator, consisting of a driving and driven gears with hollows made in the Archimedes spiral, between which there is an intermediate gear element with a movement mechanism and an axis of rotation perpendicular to the plane of the axes of rotation of the helical gears , characterized in that the reverser is installed at the input of the transmission and includes two bevel gears, which are rigidly fixed one on the input shaft, and the second on the intermediate shaft, while the drive helical gear of the base variator of cylindrical shape is also rigidly mounted on the intermediate shaft, and the driven bevel helical the gear is installed for rotation relative to the input and output shafts, and the differential is installed in its inner cavity and its carrier is rigidly connected to the bevel helical gear.