АВТОМОБИЛЬНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 1999 года по МПК F16H15/52 

Изобретение относится к машиностроению, предназначается для использования в транспортных средствах, в основном в автомобилях, в качестве механизма согласования мощности мотора с крутящим моментом ведущих колес и регулирования скорости.

Известны транспортные, в том числе и автомобильные, вариаторы разнообразных конструкций. Например, известен фрикционный вариатор - патент США N 3793910, кл. F 16 H 15/50, 1974 г. -, представляющий собой планетарный механизм, выходным звеном которого являются параллельно расположенные сателлиты с встречными коническими поверхностями с двух сторон замкнутые кольцевыми шайбами. Шайбы имеют самостоятельное встречное вращение и в процессе настройки перемещаясь вдоль конусов сателлитов выдают на ведомый вал изменяемую частоту оборотов. Этот вариант сложен в исполнении и не обладает способностью прямого соединения ведущего и ведомого валов.

Известен транспортный вариатор- "Трансунвартор Черняева" - патент России N 2052689, кл. F 16 H 15/52, 1996 г. - содержащий конусообразные сателлиты, расположенные параллельными блоками, снабженный подпружиненными подвесками, обеспечивающими холостой ход, и планетарным механизмом, передающим на зубчатый венец ведомого вала разницу частот оборотов обкатки сателлитами центральных колес, которые имеют возможность перемещаться вдоль корпуса для изменения частоты оборотов выходного, ведомого вала. Этот вариатор обладает расширенными функциональными возможностями, однако в нем также отсутствует плавный переход на прямое соединение ведущего им ведомого валов, что является немаловажным недостатком поло применения его в качестве автомобильного вариатора.

Наиболее близким к изобретению является рычажно-планетарный вариатор И. И.Кайдановского - В.Ф.Мальцев, "Механические импульсные передачи", М., Машиностроение 1978 г., рис. 34. Этот вариатор содержит ускоряющий разделитель частоты, в виде цилиндрических обойм, в пазы которых помещены фрикционные пары роликов, и барабанных ободов, один из которых соединен с зубчатым колесом внутреннего зацепления с сателлитами водила, которые зацепляются с зубчатым венцом ведомого вала. При смещении осей роликонесущих обойм в отношении соосных барабанных ободов ролики, заклиниваясь, передают вращение с ведущей обоймы на барабанный обод и со смежного барабанного обода на ведомую обойму и далее на планетарный механизм. При этом из-за разницы угловых скоростей изменяется окружная скорость и частота оборотов зубчатого венца ведомого вала за счет изменяемой частоты обкатки его сателлитами. Малая разница разделенных частот и отказы функционирования фрикционных сочленений при отклонениях формы и размеров делают этот вариатор малонадежным. В качестве разделителя частоты можно было бы использовать в прототипе вариатор по а.с. 881435, кл. F 16 H 15/40, 1984 г. с храповым механизмом передачи усилий, однако, он ограничен по нагрузке, шумен из-за проскальзывания собачек и имеет повышенный износ.

Целью настоящего изобретения является создание конструктивно простого, надежного и удобного в эксплуатации устройства для замены в автомобилях коробок скоростей и решающего задачу согласования оптимальных частот мотора и трансмиссии.

Для достижения поставленной цели ускоряющий разделитель частоты автомобильного вариатора содержит радиальные скользящие упоры, соединенные между собой пружинящими кольцами, которые обеспечивают контактирование рабочих поверхностей упоров и зубьев обоймы ободов только в рабочих зонах. Равномерность вращения и увеличенные нагрузки достигаются за счет многорядной установки упоров со смещением и приданием рабочим поверхностям наконечников упоров и зубьями цилиндрической формы.

Уменьшение максимальной величины смещения обойм и ободов компенсируется применением сателлитных блоков, что позволяет автомобильному вариатору расширить диапазон регулирования от прямого соединения ведущего и ведомого валов плавно через "нулевую" скорость до глубокого реверса.

Автомобильный вариатор снабжен устройством автоматического согласования момента сопротивления и потребляемой мощности. Торсионный участок вала устройства выполнен в виде винтовой многозаходной спирали, что значительно повышает чувствительность.

Ускоряющий разделитель частоты и планетарный механизм автомобильного вариатора закрыты гидроуспокаивающими кожухами, что уменьшает нагрев масла и повышает КПД.

Автомобильный вариатор в продольном разрезе изображен на фиг. 1. На фиг. 2 показан разрез "А-А" на фиг.1. Стрелка указывает направление вращения ведущего вала. На фиг. 3 изображено в разрезе "Б-Б" на фиг. 1 устройство автоматического согласования момента сопротивления и потребляемой мощности. На фиг. 4 - местный разрез "В-В" на фиг. 1. В увеличенном виде изображено положение упоров 9 обоймы 8 относительно зубьев 12 обода. На фиг. 5 - разрез по "Г-Г" на фиг. 1. Изображена ведомая обойма 22 с выходом на планетарный механизм и ведущий вал. Здесь же приведены обозначения всех элементов, используемых далее в расчетных формулах. Стрелка указывает направление вращения ведущего обода 14, ведомой обоймы 22 и ее зубчатого венца 23.

Автомобильный вариатор состоит из корпуса 1, ведущего вала 2 с водилом 3, по окружности которого равномерно распределены подшипниковые узлы 4 с валиками 5, несущими сателлиты 6 и 7. На ведущем валу закреплена ведущая обойма 8 ускоряющего разделителя частоты. В кольце ведущей обоймы равномерно по окружности со смещением в два / или более/ ряда выполнены радиальные сквозные отверстия, в которых размещены скользящие упоры 9. Концы скользящих упоров имеют отверстия, через которые упоры соединены пружинящими, например, из сталистого тросика, кольцами 10. Для уменьшения удельной нагрузки рабочим поверхностям наконечников 11 скользящих упоров придана цилиндрическая форма, соответствующая форме рабочих поверхностей зубьев 12 ведомого обода 13 и ведущего обода 14. Ведомый обод соединяется с ведущим ободом ступицей 15, на которой установлен узел подшипников 16 управляющего рычага 17. Управляющий рычаг установлен горизонтально на оси 18. С одной стороны он опирается на пружину 19, с другой стороны от тросиком 20 боудена соединен с управляющей педалью /не показана/. Для временной фиксации положения "нуль-скорости" управляющий рычаг имеет шариковый фиксатор 21. По отношению к зубьям ведомого обода зубья ведущего обода направлены в противоположную сторону и контактируют с наконечниками скользящих упоров ведомой обоймы 22, которая снабжена зубчатым венцом 23 и через сателлитные блоки соединена с зубчатым венцом 24 ведомого вала 25. Для уменьшения гидравлических потерь в масле разделитель частоты и сателлитные блоки закрыты гидроуспокаивающими кожухами 26, 27.

Автомобильный вариатор снабжен устройством автоматического согласования момента сопротивления и потребляемой мощности. Ведущий вал имеет винтовой участок 28 переходящий в двухвитковую торсион-спираль 29, которая закреплена в торце гнезда 30 вала. Гнездо имеет шлицевой участок, отвечающий шлицам винтовой втулки 31, на которой установлены подшипники 32. Между кольцами подшипников помещена вилка 33 двуплечего рычага 34, установленного на оси 35 в проушинах крышки-проставки 36. Второе плечо двуплечего рычага соединено с тросом 37 боудена управления заслонкой карбюратора. Для улучшения теплообмена корпус снабжен ребрами 28. Ведомый вал установлен в подшипниковом узле 39 торцевой крышки 40.

Автомобильный вариатор работает следующим образом :
В нейтральном положении управляющего рычага 17 0 положении "нуль-скорости" - соосно соединенные ободы 13 и 14 установлены со смещением Δ_o в отношении оси обойм и валов. Такое состояние ускоряющего разделителя частоты обеспечивает неподвижность ведомого вала 25 при любой скорости ведущего вала 2. Таким образом, в нейтральном положении управляющего рычага может быть осуществлен пуск двигателя соединенного напрямую с ведущим валом 2 без использования механизма сцепления. Вышеизложенное поясняется ниже с использованием обозначений, приведенных на фиг. 5.

Чтобы ведомый вал 25 оставался неподвижным при работе механизма нужно, чтобы его зубчатый венец 24 обкатывался без сопротивления сателлитами 7. Направление вращения водила 3 и зубчатого венца 23 направляется зубьями обода 14 против часовой стрелки. Зубчатый венец 23 вращается быстрее водила 3 - работа ускоряющего разделителя частоты будет разобрана отдельно- и в процессе обгона вращает сателлиты 6 и 7 также против часовой стрелки. При определенном соотношении скорости обгона и элементов планетарного механизма, сателлиты 7 за один оборот водила против часовой стрелки поворачивают зубчатый венец 24 и ведомый вал на один оборот по часовой стрелке в отношении водила. То есть в этом состоянии механизма, которое в дальнейшем называется состоянием "нуль-скорости", в неподвижных координатах ведомый вал неподвижен.

Другим крайним состоянием механизма является соосное положение обойм и ободов ускоряющего разделителя частоты. В этом случае однонаправленное вращение водила 3 и зубчатого венца 23 происходит с одной скоростью, то есть планетарный механизм вращается как единый ротор, и ведущий и ведомый валы соединены напрямую.

Наконец, любая другая промежуточная скорость обгона водила 3 зубчатым венцом 23 ведет соответственно к любой промежуточной частоте оборотов ведомого вала 25.

Изменение скорости обгона водила 3 зубчатым венцом 23 обеспечивается ускоряющим разделителем частоты.

При наличии эксцентриситета Δ окружная скорость в месте контактирования наконечника 1 упора 9 ведущей обоймы с зубом 12 ведомого обода 13 равна:
v₁ = 2π(R+Δ)n.
Элементарно выводится, что частота оборотов ведомого обода 13 равна:

Из формулы следует, что при отсутствии эксцентриситета, частота оборотов ведомого обода равняется частоте оборотов ведущего вала, то есть блоки сателлитных шестерен не вращаются в отношении водила, и ведущий и ведомый валы соединены напрямую.

Чем на большую величину увеличивается эксцентриситет Δ, тем больше разница угловых скоростей ведущей обоймы 8 и ведомого обода 13. На фиг. 4 видно, что за единицу времени ведущая обойма поворачивается на угол α₁, в то время как ведомый обод поворачивается на угол α₂. Так как α₂ больше α₁, ведомый обод вращается с увеличенной частотой оборотов n₁, и эту частоту оборотов он передает на ведущий обод 14.

В втором каскаде ускоренная обойма 22 приводится во вращение зубьями обода 14. Теперь угловая скорость обоймы будет больше угловой скорости обода 14, и частота оборотов ведомой обоймы 22 и, соответственно, зубчатого венца 23 будет равна:

Итак, в процессе обгонного вращения зубчатого венца 23 сателлиты 6 вращаются в том же направлении, что и зубчатый венец. Если рассматривать вращение сателлитов в отношении водила, то можно условно считать водило неподвижным. Тогда частота вращения сателлитных блоков в отношении водила равна:

Введем понятие: прирост поворота δ зубчатого венца d₁ за один оборот водила "H".

Прирост поворота δ - безразмерная величина, показывающая, какую часть оборота по отношению к водилу сделает зубчатый венец d₁ за один условный оборот водила. Зная диаметр зубчатого венца можно определить длину дуги прироста поворота:

Очевидно, что величина поворота сателлитного блока по отношению к водилу определяется длиной дуги прироста поворота развернутой по длине окружности сателлита d₂:

При этом длина дуги сателлита "d₃", обкатывающего зубчатый венец d₄ выходного вала, равна:

Для обеспечения "нуль-скорости", т.е. полной обкатки неподвижного зубчатого венца d₄, нужно, чтобы было выдержано условие равенства дуги поворота полному, противоположно направленному повороту зубчатого венца d₄ - длине его развернутой окружности:
πd₄ = πd₃d₁(n₂-n)/d₂n.
Таким образом, основное условие "нуль-скорости" определяется выражением:
d₂d₄(R-Δ_o) = 2d₁d₃Δ_o
В общем случае формула ля определения передаточного числа i автомобильного вариатора выглядит так:

При этом должно быть выдержано нижеследующее условие зацепления:
d₁ = d₂ + d₃ +d₄.

Как видно из формулы передаточного числа при "d₂d₄n = d₁d₃(n₂-n)" i = ∞, при n₂=n i=1.

Так как передаточное число механизма не зависит от частоты оборотов, формулу передаточного числа автомобильного вариатора следует выразить, используя понятие "прирост поворота" - δ:

Можно выразить формулу передаточного числа автомобильного вариатора, используя элементы механизма ускоряющего разделителя частоты:

Из вышеприведенной формулы можно определить значение эксцентриситета Δ_o, соответствующего нейтральному положению рычага 17 - положение "нуль-скорости":

На конкретном примере можно показать, что автомобильный вариатор компактнее существующих коробок скоростей. Например, у существующих легковых автомобилей коробка скоростей имеет усредненные габаритные размеры в мм.: 250 х 280 х 500.

Определим ориентировочные габариты автомобильного вариатора для легкового автомобиля мощностью 100 л.с.

1. Крутящий момент на ведущем валу: М - 716 N/n = 20 кГм.

2. Модуль зубчатого зацепления на выходе существующих коробок скоростей такой мощности равен трем. Так как зубчатый венец выходного вала автомобильного вариатора снимает мощность одновременно с 4-х сателлитов равнопрочным для него является m=2.

3. Сохраняем диаметр выходного вала равным 35...40 мм. и конструктивно принимает диаметр его зубчатого венца "d₄" равным 50 мм.

4. Максимальная нагрузка на скользящий упор 9 разделителя частоты:
P = M/R = 20/ 0,1 = 200 кГс.

5. Диаметр штанги упора при его вылете Δ′ ≃ 2 см.

6. Допустимое десятипроцентное смещение ободов в отношении обойм:
Δ_o = 0,1 R = 1,0 см.

7. Определим конструктивно из условия d₁=d₂+d₃+d₄ диаметры элементов планетарной передачи: d₁ = 150 мм, "d₂" = 40 мм, d₃ = 60 мм.

8. Проверим основное условие "нуль-скорости":
d₂d₄(R-Δ_o) = 2d₁d₃Δ_o; 4х5х/10-1/=2х15х6х1; 180 = 180.

9. Продольный габарит автомобильного вариатора определим по его составляющим /фиг. 1/: длина насадки с механизмом согласования мощности 100 мм, длина механизма разделителя частоты 140 мм, длина планетарного механизма 90 мм, длина подшипникового узла выходного вала 70 мм. Итого: 100 + 140 + 90 + 70 = 400 мм.

10. Таким образом, с учетом зазоров и элементов корпуса габаритны этого автомобильного вариатора определяются размерами в мм: 240 х 240 х 450, т.е. они меньше габаритов коробок скоростей существующих легковых автомобилей.

Рассмотрим подробнее работу ускоряющего разделителя частоты. При вращении ведущей обоймы 8 с частотой оборотов ведущего вала, скользящие упоры 9 подвергаются действию центробежных сил. В исходном положении под действием силы тяжести нижние скользящие упоры - фиг. 2 - находятся в выдвинутом положении и поэтому испытают влияние центробежных сил в большей степени. Это приведет к оттяжке скользящих упоров в противоположном секторе пружинящим кольцом 10 от зубьев 12, что снимет шум проскальзывания упоров по зубьям и повысит КПД передачи.

Во втором ускоряющем каскаде - фиг. 5 - скользящие упоры обоймы 22 контактируют с зубьями ведущего обода 14 в верхней зоне. Поэтому отверстия в скользящих упорах под пружинящие кольца 10 выполнены здесь таким образом, что пружинящие кольца препятствуют действию центробежных сил на упоры и контактированию скользящих упоров и зубьев в нерабочих зонах. В то же время в рабочей верхней зоне пружинящие кольца прижимают упоры к зубьям обода 14, и обод передает ускоренное вращение ведомой обойме 22.

Скользящие упоры для технологичности могут быть выполнены цилиндрическими, так как они в любом случае ориентируются пружинящими кольцами по рабочим поверхностям зубьев 12. Скользящие упоры установлены в гнездах свободно, однако, угрозы заклинивания их от перекосов не возникает, так как скользящие упоры выдвигаются в рабочее положение в ненагруженном состоянии под действием центробежных сил. Цилиндрическая форма контактируемых, рабочих поверхностей скользящих упоров и зубьев способствует уменьшению удельной нагрузки.

Итак, в нейтральном положении управляющего рычага 17 сателлиты 7 обкатывают зубчатый венец 24 ведомого вала, не передавая ему вращения. При перемещении управляющего рычага 17 вверх (фиг. 2), вручную или педалью через тросик 20 эксцентриситет смещения обоймы ободов 13, 14 в отношении оси валов начнет уменьшаться, что приведет к плавному увеличению частоты оборотов ведомого вала, которая, при соосной установке обойм и ободов разделителя частоты, станет максимальной и равной частоте ведущего вала.

При перемещении управляющего рычага вниз из положения "нуль-скорости", эксцентриситет ободов и обойм увеличится еще больше, что приведет к ресиверу. В этом случае в формуле передаточного числа знаменатель становится отрицательной величиной, что и соответствует изменению направления вращения. Так как при этом сжимается пружина 19, освобождение управляющего рычага ведет к восстановлению положения "нуль-скорости".

Центробежная сила распределяет смазочное масло на периферии гидроуспокаивающих кожухов 26, 27. Вращаясь вместе с кожухами, оно становится как-бы неподвижным по отношению к элементам разделителя частот и сателлитам планетарного механизма, что уменьшает гидравлические потери.

Автомобильный вариатор оборудован устройством согласования потребляемой мощности с моментом сопротивления движению. При увеличении момента сопротивления торсион-спираль 29 закручивается. При этом винтовой участок 28 ведущего вала поворачивается в резьбе винтовой втулки 31, которая вследствие этого перемещается на шлицах вдоль оси вала и через подшипник 32 перемещает вилку 33 двуплечего рычага 34. Рычаг поворачивается на оси 35 и вторым плечом вытягивает трос 37, который управляет заслонкой карбюратора. Таким образом, чем больше момент сопротивления движению, тем больше момент сопротивления на ведущем валу, тем больше автоматически устанавливаемая поставляемая мощность.

Возвращение управляющего рычага в нейтральное положение может происходить с любой скоростью, что обеспечивает экстренное или плавное торможение автомобиля. Повышается безопасность движения, так как исключаются дополнительные манипуляции и возможность аварии.

Изобретение предназначено преимущественно для использования в автомобилях. Ускоряющий разделитель частоты оборотов автомобильного вариатора выполнен в виде двух соосно расположенных обойм и двух соосно соединенных ободов, имеющих возможность эксцентричного смещения относительно обойм. В обоймах радиально установлены скользящие упоры, соединенные между собой пружинящими кольцами. Одна из обойм имеет зубчатый венец и планетарный механизм с сателлитами. Сателлиты установлены на водиле ведущего вала и находятся в зацеплении с зубчатым венцом обоймы и зубчатым венцом ведомого вала. Такое выполнение позволяет создать конструктивно простой, надежный и удобный в эксплуатации вариатор для замены в автомобилях коробок скоростей и решающий задачу согласования оптимальных частот мотора и трансмиссии. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Автомобильный вариатор, содержащий корпус, ведущий и ведомый валы, ускоряющий разделитель частоты оборотов в виде двух соосно расположенных обойм и двух соосно соединенных ободов, имеющий возможность эксцентричного смещения относительно обойм, одна из которых имеет зубчатый венец и планетарный механизм с сателлитами, установленными на водиле ведущего вала и находящимися в зацеплении с зубчатым венцом обоймы и зубчатым венцом ведомого вала, отличающийся тем, что он снабжен радиально установленными в обоймах скользящими упорами, соединенными между собой пружинящими кольцами. 2. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что скользящие упоры размещены многорядно и со смещением, а рабочим поверхностям зубьев венцов соосно соединенных ободов и наконечникам скользящих упоров придана цилиндрическая форма. 3. Вариатор по п. 1, отличающийся тем, что сателлиты выполнены в виде блоков зубчатых колес. 4. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что ведущий вал имеет торсионный участок, выполненный в виде винтовой спирали. 5. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен гидроуспокаивающими кожухами, закрывающими ускоряющий распределитель частоты оборотов и планетарный механизм.