ВАРИАТОР Российский патент 1999 года по МПК F16H15/20 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к передаточным механизмам машин.

Известно большое количество конструкций фрикционных вариаторов с жесткими кинематическими звеньями. Эти вариаторы имеют геометрическое скольжение в пятнах контакта, что требует смазки рабочих поверхностей. Смазанные поверхности на порядок уменьшают коэффициент трения и, следовательно, уменьшают передаваемую мощность.

Наиболее близким по устройству и достигаемым результатам работы является вариатор с упругофрикционной передачей, описанный в журнале "Трение и износ", 1990, N 2, с. 246 - 252, рис. 3.

Этот вариатор имеет многопоточную конусную упругофрикционную передачу. В первой ступени момент передается через два ведущих катка с упругофрикционной передачей к конусам. Обод ведущего катка состоит из пакета плоских тонких стальных колец, разрезанных в одном месте, и с равномерным распределением разрезов по окружности обода. На наружной стороне каждого кольца выполнены поперечные канавки, число которых на каждом кольце кратно числу контактирующих конусов.

На внутренней стороне каждого кольца имеются наклонные срезы, а у ступицы - срезы в виде плоскостей, наклоненных под расчетным углом к радиусу, проведенному в середину прямоугольника. Между срезами колец и ступицы установлены упругие элементы, которые обеспечивают создание сил прижатия на каждом кольце и совместно с канавками обеспечивают компенсацию геометрического и других видов скольжений в пятнах контакта с конусами за счет упругой деформации элементов.

Во второй ступени передачи вращающий момент от конусов через конусные пояски передается к наружному барабану, соединенному с выходным валом. Конусные пояски барабана и конусов имеют общую вершину, что обеспечивает чистое качение без скольжения. Поэтому вариатор не требует смазки рабочих поверхностей.

Механизм автоматического регулирования передаточного отношения состоит из винтовых пар с правой и левой навивкой, выполненных на ведущем валу и ступицах ведущих катков, работающих совместно с распорной пружиной, установленной между катками.

Основными недостатками этого вариатора являются:
- малый диапазон автоматического регулирования передаточного отношения;
- прерывистое действие касательной силы на каждом кольце обода;
- вибрация колец в ободе;
- сложность изготовления механизма автоматического регулирования передаточного отношения и ведущих катков.

Задачей изобретения является:
- увеличение диапазона регулирования передаточного отношения без осевого перемещения кинематических звеньев;
- устранение вибраций в ободе;
- полное непрерывное использование касательных сил;
- упрощение конструкции и изготовления вариатора.

Поставленная задача достигается применением в конструкции упругофрикционных ободьев из упругих материалов /например, резины/. В многопоточном конусном вариаторе на осях, закрепленных в корпусе в виде консолей, под углом, равным половине угла при вершине конуса, к оси входного вала установлены на подшипниках спаренные конусы. При такой установке крайние внутренние образующие одной группы конусов и крайние наружные образующие другой группы конусов становятся параллельными оси входного вала. С внутренними образующими контактирует ведущий каток, а с наружными - охватывающий обод, соединенный с выходным валом.

Ведущий каток закреплен на конце входного вала, установленного на подшипнике в корпусе. Ступица ведущего катка на наружной стороне имеет тупоугольные пазы, в которые входят аналогичные выступы резинового обода катка. Взаимодействие стенок пазов и выступов при передаче момента создают силы прижатия, пропорциональные передаваемому вращающему моменту.

Резиновый обод имеет переменное по ширине упругое скольжение, уменьшающееся к полюсу качения т.е. к основаниям конусов. Такие ободья можно изготовить по специальной технологии или склеиванием из колец с различной твердостью резины. Твердость резины в пятне контакта обратно пропорциональна геометрическому скольжению в каждом сечении. В этом случае геометрическое скольжение полностью компенсируется упругой деформацией /упругим скольжением резины/. Это требует применение резины с малыми гистерезисными потерями энергии.

Рабочая поверхность резинового обода ведущего катка имеет коническую форму с минимальным диаметром, обращенным к основаниям конусов.

При цилиндрической рабочей поверхности обода и вращающем моменте меньше расчетного полюс качения находится внутри пятна контакта, а с той и другой стороны от полюса качения возникают противоположные силы трения скольжения. Эти силы создают потери энергии, нагрев и износ поверхностей в пятнах контакта. Полюс качения, в этом случае, максимально перемещается на величину не более чем половина ширины обода. При холостом ходе полюс находится вблизи середины пятна контакта.

При коническом ободе и холостом ходе работает кромка обода с максимальным диаметром и мягкой резиной. Полюс качения находится вблизи этой кромки, а остальная часть обода не контактирует с конусами, что исключает обратное трение скольжения. По мере увеличения вращающего момента увеличивается сила прижатия, деформируется резина, удлиняется пятно контакта, а с этим перемещается полюс качения к основаниям конусов. При полной расчетной нагрузке пятно контакта занимает всю ширину обода, а полюс качения выходит за пятно контакта. Упругое скольжение резины полностью компенсирует геометрическое скольжение. В этом случае обод реализует максимальное тяговое усилие. При коническом ободе перемещение полюса качения обеспечивает значительный диапазон автоматического регулирования передаточного отношения в зависимости от момента на выходном валу.

Во второй ступени передачи вариатора ведущими являются конусы, а ведомым - охватывающий обод, соединенный с выходным валом.

Охватывающий обод состоит из резинового кольца с переменной твердостью резины по ширине обода и конической внутренней рабочей поверхностью. Наименьший диаметр конической поверхности обращен к основаниям конусов. Конический обод работает аналогично ободу ведущего катка и обеспечивает те же функции, что и у ведущего катка, т.е. устраняет противоположные трения скольжения, увеличивает перемещение полюса качения по образующим конусов, а, следовательно, увеличивает диапазон автоматического регулирования передаточного отношения. Кольцо обода имеет резину переменной твердости по ширине обода, как у обода ведущего катка. Твердость резины увеличивается в направлении к полюсу качения. Изменение твердости обратно пропорционально геометрическому скольжению, что полностью компенсирует геометрическое скольжение за счет упругого скольжения резины при расчетном режиме работы. Здесь, как и в контакте с ободом ведущего катка, при увеличении передаваемого момента происходит удлинение пятна контакта за счет сжатия резины и уменьшения конусности. При этом полюс качения перемещается к вершинам спаренных конусов.

На наружной стороне резинового кольца имеются равномерно расположенные тупоугольные выступы, которые входят в такие же пазы большого кольца, соединенного с выходным валом вариатора. Взаимодействие стенок пазов и выступов создает силы прижатия обода к конусам, пропорциональные передаваемому моменту.

При взаимодействии резиновой стенки выступа и металлической стенки паза возникает сила трения, которая уменьшает силу прижатия. Для увеличения силы прижатия эти стенки смазывают графитом или маслом для уменьшения коэффициента трения. Чтобы исключить попадание смазки в пятна контакта обода с конусами, надо сочленения пазов и выступов плотно закрыть пленками из резины.

Из описания работы вариатора видно, что автоматическое регулирование передаточного отношения достигается за счет значительного перемещения полюсов качения в первой и второй ступенях передачи без осевого перемещения кинематических звеньев.

Передаточное отношение такого вариатора составит:

где d₂ - диаметр на конус у полюса качения в контакте с катком;
d₄ - внутренний диаметр охватывающего обода;
d₁ - диаметр ведущего катка;
d₃ - диаметр на конусе у полюса качения в контакте с ободом.

При изменении момента диаметры d₂ и d₃ изменяются в противоположных направлениях, т.е. при увеличении одного диаметра уменьшается другой.

Устройство вариатора показано на чертежах. На фиг. 1 изображена кинематическая схема вариатора, спаренные конусы которого имеют угол при вершине 90^o, что обеспечивает минимальный осевой габарит. На фиг. 2 - ведущий каток с резиновым ободом. На фиг. 3 - охватывающий обод с внутренним резиновым кольцом.

На фиг. 1 кинематические звенья пронумерованы в порядке передачи вращения. Ведущий каток 1 контактирует с группой конусов 2 с внутренними образующими, параллельными оси входного вала, а другая группа конусов 3 с наружными образующими, параллельными оси входного вала, контактирует с охватывающим ободом 4, соединенным с выходным валом 5. Входной вал 6 установлен в корпусе 7 на подшипнике 8. На конце входного вала закреплен ведущий каток 1, контактирующий со спаренными конусами 2, установленными на подшипниках и осях 9, закрепленных в корпусе вокруг входного вала под углом к оси входного вала, равным половине угла при вершинах конусов. Угол при вершине конуса может быть от 0^o до 180^o, а здесь предложен 90^o. Такой угол обеспечивает компактность вариатора, большой диапазон регулирования передаточного отношения и разгрузку подшипников и осей конусов от сил прижатия, т.к. ободья ведущего катка и охватывающего обода находятся в одной плоскости, и силы прижатия уравновешиваются. Корпус 7 крепится лапами 10 к корпусу 11 машины орудия. Выходной вал 5 установлен на подшипнике 12, расположенным в крышке 13.

На фиг. 2 изображен ведущий каток 1. Ступица 14 катка на наружной стороне имеет равномерно расположенные тупоугольные пазы 15, в которые входят такие же выступы 16 резинового обода 17.

При передаче момента на резиновом ободе возникают силы, которые на фиг. 2 показаны векторами: на стенках пазов N и μ_cN, а в контакте с конусами -μQ. Из направления вектором видно, что силы прижатия определяются углом (γ) наклона стенки выступа к радиусу, проведенному в середину стенки. Тогда тупоугольный угол паза или выступа равен ≈ 2γ. Угол γ определяется из равенства моментов сил на конусах и стенках пазов. Это равенство выражается:
μQd_o = (Ncosγ+μ_cNsinγ)d. (2)
Силу прижатия Q выражаем через N•sinγ. Все равенство делим на cosγ и получим:

где d - диаметр расположения середин стенок пазов;
μ - коэффициент трения в пятне контакта резинового обода с конусами;
d₀ - расчетный диаметр рабочей поверхности обода;
μ_c - коэффициент трения в контакте смазанных стенок пазов и выступов.

Формула /3/ применима для расчета углов пазов и выступов для ведущего катка и охватывающего обода.

Сочленения пазов и выступов с той и другой стороны катка и охватывающего обода плотно закрыты резиновыми пленками 18 для предупреждения попадания смазки в пятна контакта ободьев с конусами.

Рабочая поверхность обода ведущего катка имеет резину уменьшающейся твердости по ширине обода к вершинам конусов. В эту же сторону обращен и максимальный диаметр конической поверхности. Величина конусности определяется расчетным моментом и средней твердостью резины.

Рассмотрим работу конусного обода. При передаче малого момента обод работает узким участком мягкой резины. В этом случае полюс качения расположен вблизи этого участка. За полюсом качения обод не контактирует с конусами. При увеличении момента увеличивается сила прижатия, за счет деформации резины удлиняется пятно контакта, и полюс качения выходит за пятно контакта в сторону оснований конусов. При максимальном расчетном моменте пятно контакта с конусом займет всю ширину обода, а полюс качения выйдет за пятно контакта.

Таким образом, каток создает силы прижатия, перемещает полюсы качения, устраняет противоположное трение скольжения и компенсирует геометрическое скольжение в пятнах контакта ободьев с конусами за счет упругого скольжения резины.

Относительное геометрическое скольжение увеличивается от полюса качения по всей длине пятна контакта и выражается формулой:

где ε_г - относительное геометрическое скольжение;
X - расстояние от полюса качения до расчетного сечения;
α - угол при вершине конуса;
d_п - диаметр на конусе у полюса качения.

Для нормальной работы обода /без скольжения/ упругое скольжение резины по всей длине пятна контакта должно быть равно геометрическому скольжению. Упругое скольжение резины обратно пропорционально ее твердости. Во второй ступени передачи функции обода ведущего катка выполняет резиновое кольцо 19 охватывающего обода фиг. 3. Охватывающий обод состоит из резинового кольца 19, большого кольца 20 с тупоугольными пазами 21 на внутренней стороне. В эти пазы на смазке входят такие же выступы 22 кольца 19. Это сочленение с той и другой стороны плотно закрыто резиновой пленкой 23 для исключения попадания смазки в пятна контакта кольца с конусами. Тупоугольные пазы и выступы охватывающего обода создают силы прижатия, пропорциональные передаваемому моменту, что исключает буксование.

Кольцо имеет переменную по ширине твердость резины. Твердость увеличивается к вершинам конусов. Это обеспечивает компенсацию геометрического скольжения упругим скольжением резины, как у ведущего катка.

Внутренняя рабочая поверхность резинового кольца имеет коническую форму с минимальным диаметром у оснований спаренных конусов. Коническая поверхность кольца работает аналогично конусности обода ведущего катка, только при увеличении передаваемого момента полюс качения перемещается в сторону вершин контактирующих конусов. При передаче малых моментов резиновое кольцо работает кромкой с малым диаметром и мягкой резиной. При работе на максимальном расчетном моменте упругое скольжение резины компенсирует геометрическое скольжение на всей длине пятна контакта с конусом. Геометрическое скольжение определяется по формуле /4/.

Максимальный момент на выходном валу определяется тяговыми возможностями резинового кольца и выражается формулой:

где μ - коэффициент трения резины по металлу;
Q - сила прижатия кольца к конусу;
K - число контактирующих конусов;
d₄ - внутренний рабочий диаметр кольца.

Для равномерного распределения сил прижатия необходимо иметь выступы и пазы равномерно расположенными по окружности обода. Для этого задаемся числом выступом /n/, определяем величину угла γ и по теореме синусов находим высоту выступа по формуле:

где r - радиус оснований выступов;
h - высота выступа или паза;
β - угол между радиусом и стенкой выступа, равный
Формула /6/ применима и для определения высоты выступов обода ведущего катка.

Основными преимуществами предложенного вариатора являются:
- компенсация скольжений в пятнах контакта с конусами упругой деформацией /упругим скольжением/ резиновых или других упругих ободьев, что исключает смазку и упрощает изготовление упругих ободьев;
- позволяет конструирование многопоточных передач для реализации больших крутящих моментов;
- конические рабочие поверхности ободьев исключают обратное трение скольжения обода о конусы за полюсом качения, что снижает потери энергии, износ ободьев;
- конусные рабочие поверхности ободьев способствуют увеличению перемещений полюсов качения, что обеспечивает автоматическое регулирование передаточного отношения в значительном диапазоне без осевого перемещения кинематических звеньев вариатора;
- переменное упругое скольжение по ширине резиновых ободьев обеспечивает компенсацию скольжений в пятнах контакта с конусами и, следовательно, низкие требования к изготовлению и установке кинематических звеньев;
- простота изготовления и эксплуатации.

Изобретение относится к передаточным механизмам машин. Вариатор содержит двухступенчатую многопоточную упругофрикционную передачу. Спаренные конусы установлены равномерно по окружности на консольно закрепленных в корпусе на подшипниках под углом к оси входного вала осях. Угол наклона упомянутых осей равен половине угла при вершине конусов. Внутренние образующие конусов введены в контакт с резиновым ободом ведущего катка. Наружные образующие конусов введены в контакт с резиновым кольцом охватывающего обода, соединенного с выходным валом. Резиновый обод и резиновое кольцо имеют по ширине переменное упругое скольжение. Такое выполнение вариатора позволяет увеличить диапазон регулирования передаточного отношения без осевого перемещения кинематических звеньев. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Вариатор с двухступенчатой многопоточной упругофрикционной передачей, содержащий корпус, входной и выходной валы, отличающийся тем, что спаренные конусы на подшипниках установлены на осях, закрепленных консольно в корпусе равномерно по окружности и наклоненных под углом, равным половине угла при вершинах конусов, к оси входного вала, что обеспечивает параллельность крайних внутренних образующих одной группы конусов и крайних наружных образующих другой группы конусов оси входного вала, внутренние образующие конусов контактируют с резиновым ободом ведущего катка, закрепленного на входном валу, а наружные образующие конусов контактируют с резиновым кольцом охватывающего обода, соединенного с выходным валом. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что ступица ведущего катка с наружной стороны имеет равномерно расположенные тупоугольные пазы, резиновый обод имеет с таким же углом выступы, которые входят на смазке в тупоугольные пазы ступицы, это сочленение плотно закрыто с обеих сторон катка резиновыми пленками, угол тупоугольного паза примерно равен 2γ, а угол γ между стенкой тупоугольного паза и радиусом, проведенным через ее середину, определяется по формуле

где d - диаметр окружности середин стенок тупоугольных пазов;
μ - коэффициент трения обода с конусами;
d_o - рабочий диаметр обода;
μ_c - коэффициент трения стенок пазов и выступов со смазкой,
по ширине обода резина имеет переменное упругое скольжение, пропорциональное геометрическому скольжению, величина которого увеличивается к вершинам конусов, переменное упругое скольжение резинового обода достигается технологией изготовления или склеиванием колец с различным упругим скольжением; рабочая поверхность резинового обода имеет коническую форму с наибольшим диаметром в стороне вершин контактирующих конусов. 3. Вариатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что охватывающий обод имеет большое кольцо с тупоугольными пазами на внутренней стороне и угол паза определяется по формуле для ведущего катка, резиновое кольцо имеет с таким же углом выступы, которые на смазке установлены в тупоугольные пазы большого кольца, и это сочленение плотно закрыто с обеих сторон резиновыми пленками; резиновое кольцо имеет по ширине переменное упругое скольжение, величина которого увеличивается к основаниям конусов и пропорциональна геометрическому скольжению; внутренняя рабочая поверхность резинового кольца имеет коническую форму с минимальным диаметром у оснований конусов, а определяемый охватывающим ободом максимальный расчетный момент на выходном валу выражается формулой
M = 0,5μ•Q•Kd₄,
где μ - коэффициент трения в пятне контакта резинового кольца с конусом;
Q - максимально допустимая сила прижатия кольца к конусу;
K - число контактирующих конусов;
d₄ - внутренний диаметр резинового кольца.