МНОГОДИСКОВЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 1999 года по МПК F16H15/50 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, для бесступенчатой трансмиссии автомобиля.

Для определения аналогов был проведен поиск по следующим странам:
Англия - F2D (старая), F 16 H 15/28 по 15/54 до мая 1998 г.

ФРГ (патенты и заявки) - F 16 H 15/04 по 15/54 с 1975 г. до мая 1998 г. Франция - F 16 H 15/04 по 15/54 с 1965 г. до мая 1998 г.

СССР, Россия - F 16 H 15/04 по 15/54 - весь фонд до мая 1998 г.

США - 74-721, 74-207, 74-208, 74-755, 74-772, 74-798, 74-190, 74-202, 74-204, 74-205 - весь фонд до мая 1998г.

В результате поиска был обнаружен аналог, обладающий достаточным набором признаков, общих с предложенным устройством, а именно - планетарный фрикционный вариатор с отбуртованными центральными и промежуточными коническими дисками, а также нажимными устройствами (Патент Великобритании N 1384679 от 19.02.75 г., кл. F 16 H 15/50 (F20D)).

Однако максимальной совокупностью общих признаков и идентичностью назначения обладает устройство "Многодисковый вариатор" по пат. России N 2091638, F 16 H 15/52, 15/14, 27.09.97, (автор - Н.В.Гулиа), принятое за прототип. Это устройство, как и предлагаемое - многодисковый вариатор, выполненный по планетарной схеме, с двумя степенями свободы, при этом любое звено из трех этого устройства может быть ведущим, ведомым и реативным (заторможенным); отбуртованные диски соединены с центральными колесами и прижаты к промежуточным с обеих сторон нажимными устройствами, включающими пружины, взаимодействующие с основаниями отбуртованных дисков на каждом центральном колесе, т.е. расталкивающие отбуртованные диски друг от друга.

Устройство - прототип обладает рядом недостатков, основные из которых следующие:
1. Механизмы автоматических нажимных устройств сложны, многочисленны, а главное - они не решают задачи оптимального поджима из-за того, что коэффициент трения в точках фрикционного масляного контакта сильно меняется; по данным испытаний, проведенных автором, для центральных (внутренних) отбуртованных дисков значение этого коэффициента меняется в интервале 0,015... 0,03, а для периферийных (внешних) 0,02...0,08; поэтому нажим пропорциональный только моменту для планетарных схем малообоснован.

2. Также необоснованны конструкции поджимов, включающие автоподжим с предварительным поджимом пружиной, обычно соответствующим 25...35% от максимального; при этом начальный рабочий поджим для внешнего отбуртованного диска должен составлять около 5...7% от максимального, и таким образом даже эта самая сложная комбинированная схема поджима дает пережим почти в 5 раз и резкое снижение КПД, причем для автомобильной трансмиссии это имеет место как раз для самого распространенного типа движения на шоссе (высшая передача).

3. Коэффициент трения сильно зависит от частоты вращения валов вариатора, а упомянутые схемы поджима не позволяют коррекции его.

Предлагаемое устройство устраняет отмеченные выше недостатки главным образом для применения вариатора в автомобильных трансмиссиях. Это достигается тем, что многодисковый планетарный вариатор, включающий внутренние и внешние отбуртованные диски, соединенные с центральными колесами, и охватывающие с обеих торцов промежуточные диски, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, прижатые к ним нажимными устройствами, включающими упругие элементы осевого действия, контактирующие с соответствующими связями, упругие элементы всех отбуртованных дисков расположены с обеих торцевых сторон всех промежуточных дисков и находятся в контакте с торцами всех отбуртованных дисков в кольцевых зонах, тыльных по отношению к соответствующим зонам с дорожками качения, причем средняя осевая жесткость упругих элементов внешних отбуртованных дисков выполнена по абсолютному значению выше средней жесткости упругих элементов внутренних отбуртованных дисков, причем упругие элементы как минимум одной группы отбуртованных дисков выполнены с возможностью изменения осевой жесткости как по величине так и по знаку как минимум на части рабочего хода с возможностью контактов как минимум одним торцом как минимум с одной группой связей, при этом упругие элементы как минимум одной группы отбуртованных дисков выполнены заодно с отбуртованными дисками в виде упругих дисков с дорожками качения и зонами контакта со связями на их поверхностях, и нажимные устройства как минимум внутренних отбуртованных дисков содержат грузы между отбуртованными дисками и соответствующими связями, расположенные в клиновых кольцевых зазорах с одной или с двух торцевых строн упругих элементов, а также нажимные устройства, как минимум внешних отбуртованных дисков, содержат кольцевые герметизированные камеры между отбуртованными дисками и соответствующими связями, соединенные с источником текучей среды под давлением.

Таким образом обеспечивается оптимальный по КПД поджим отбуртованных дисков к промежуточным, обусловленный тем, что крутящий момент автомобильных двигателей на режиме полной подачи топлива без обогащения (наиболее экономичный режим) близок к постоянной величине, а момент на водиле вариатора (момент выхода) зависит от передаточного числа вариатора, весьма точно связанного с радиальным перемещением оси промежуточных дисков, а стало быть и с рабочим ходом упругой системы поджима (пружины). Таким образом, каждому перемещению упругой системы (пружины) соответствует вполне определенное оптимальное усилие поджима, несколько нарушаемое изменением частоты вращения. Это изменение, приводящее к некоторому незначительному изменению коэффициента трения может быть скорректировано центробежными грузами или давлением, создающими дополнительный нажим.

Работа двигателя на частичных характеристиках при неполной подаче топлива по современным методикам автоматического управления силовым агрегатом автомобиля с бесступенчатой трансмиссией предусматривается только при трогании с места и невысоких скоростях движения. В этих режимах из-за неоптимального нажима (пережима), КПД вариатора, согласно расчетам и опытам, упадет максимум на 1. . .3%, что вряд ли будет замечено на фоне гораздо более сильного падения КПД двигателя на частичных характеристиках. КПД планетарного вариатора с предлагаемой детерминированной системой упругого поджима максимально применим для вариаторов данной схемы и достигает 0,96...0,97 при высших передаточных числах порядка 1,2... 1,3.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема многодискового планетарного вариатора, где изображен продольный разрез устройства. Для простоты число промежуточных дисков в каждом пакете - по одному; при больших числах дисков используется тот же принцип и та же схема. С той же целью не показано устройство изменения радиального положения промежуточных дисков, меняющее передаточное число; оно может быть выполнено любым, в том числе, как и в прототипе.

На фиг. 2 представлен график изменения нажимов пружин в зависимости от их осевых перемещений (деформаций).

Первичный вал 1, приводимый от двигателя, несет на себе упоры 2, зафиксированные на валу 1, как в осевом так и в угловом направлении; выступы 3 на упорах 2, играющие роль связей данной группы, например, первой, контактируют с тарельчатыми пружинами 4, обеспечивающими в зависимости от перемещения жесткость как положительную, так и отрицательную, причем окружность контакта выступов 3 с пружинами 4 может быть выполнена различного радиуса в зависимости от требуемых величины усилия и деформации пружины. Пружины 4 в свою очередь контактируют с отбуртованными дисками первой группы - внутренними 5 на радиусе, близком к радиусу контакта дисков 5 с промежуточными дисками 6, сидящими на осях 7, и в свою очередь закрепленных в подшипниках 8 на водиле 9, соединенном со вторичным валом 10, приводящим рабочий орган машины, например ведущие колеса.

Аналогичным образом отбуртованные диски второй группы, т.е. внешние 11 прижаты к промежуточным дискам 6 пружинами 12, (например, дисковыми, с утолщением у оснований, закрепленными посадкой внутренней цилиндрической поверхности эпицикла 15, весьма жесткими в осевом направлении), соединенными у оснований, например, предварительно деформированными элементами 13 в периферийной части с упорами 14, зафиксированными в осевом и угловом направлении на эпицикле 15 (в данном случае условно неподвижными), и контактирующими с кольцевыми выступами 16 на упорах 14. В данном случае роль связей для пружин 12 играют: внутренняя цилиндрическая поверхность эпицикла 15 - одна группа, упругие элементы 13 - другая группа, выступы 16 с упорами 14 - третья группа, разумеется для данных пружин.

В частности, пружины 4 и 12 могут быть выполнены заодно с отбуртованными дисками и непосредственно выполнять роль самих отбуртованных дисков, соответственно, 5 и 11, тогда на этих пружинах выполняются дорожки качения с тех же сторон, что и на соответствующих отбуртованных дисках и зоны контактов с соответствующими связями.

Для коррекции нажимного усилия упоры 2, например, содержат в периферийной зоне фасонные кольцевые выступы 17, фиксирующие грузы 18 в клиновом зазоре выступами 17 и пружинами 4 с одной или двух торцевых сторон упругих элементов, с возможностью их радиального перемещения при вращении. С той же целью корректировки усилия нажима, упоры 14 содержат каналы 19 для подачи среды (воздуха, масла) под давлением и уплотняющие элементы, например, сильфоны 20 для образования кольцевой герметизированной камеры между упорами 14 и пружинами 12.

Работает устройство следующим образом.

При минимальном передаточном числе вариатора, наиболее часто используемом в рабочем цикле автомобиля (реально 1,2...1,3) промежуточные диски 6, с осями 7 находятся в нижнем положении, когда деформация пружин 4 максимальна из-за максимального осевого расхождения отбуртованных дисков 5 под распирающим действием промежуточных дисков 6, контактирующих в этом положении с отбуртованными 11 на своей максимальной толщине, и контакта пружин 4 со связями - выступами 3 на упорах 2. Известно, что тарельчатые пружины 4 при небольшой их толщине и высоких значениях деформации имеют отрицательную жесткость, и этот параметр зависит от размеров пружины 4 и положения выступов 3 (Зависимость жесткости пружин от их размеров и осевых деформаций изложена, например, в книге: Биргер И.А. и др., Расчет на прочность деталей машин, М, Машиностроение. 1979, с. 171 -172). Требуемый нажим пружин 4 в этом положении из-за высокого значения коэффициента трения, обусловленного большими давлениями и малой толщиной пленки масла при почти постоянном крутящем моменте, невысокий, что обеспечивается характеристикой пружин. На внешних отбуртованных дисках 11, где их раздвигание невелико из-за малой толщины дисков 6 в этом положении, деформация пружины 12 невелика, выступы 16 еще не касаются пружин 12 и усилие нажима в этом контакте при минимальных передаточных числах, минимально, несмотря на низкое значение коэффициента трения.

Эта картина отображена на графике фиг. 2, левая часть. (На оси абсцисс осевое перемещение в направлении стрелки для внешних пружин возрастает, а для внутренних - убывает).

При перемещении осей 7 и дисков 6 вверх передаточное число растет, деформация пружин 4 уменьшается, пружин 12 растет, коэффициент трения на отбуртованных дисках 5 из-за снижения контактных напряжений и увеличения толщины масляной пленки, уменьшается, что требует увеличения нажатия пружин 4, что и обеспечивается их характеристикой. Из-за увеличения деформации пружин 12, они входят в соприкосновение с группой связей - выступами 16, и контактируя с их поверхностью, увеличивают свою жесткость, что прогрессивно увеличивает нажим их на отбуртованные диски 11. Такой нажим и требуется в устройстве из-за повышения передаточного числа и связанного с этим увеличения момента на эпицикле 15, т. е. и на отбуртованных дисках 11, хотя коэффициент трения в этом контакте и растет. Требуемый нажим обеспечивается параметрами пружин 12 и выступов 16 (см. цитированный выше источник с. 462-473); эта картина отображена на графике фиг. 2, средняя часть.

И наконец, при максимальном передаточном числе, т.е. в верхнем положении дисков 6 и осей 7, коэффициент трения на отбуртованных дисках 11 максимален, а потребный момент на валу 10 обычно ограничен, например, пробуксовкой ведущих колес. Поэтому требуемое усилие нажима пружин 12 ограничено, что и обеспечивается еще одной группой связей - предварительно деформированными упругими элементами 13 (например, резиновыми элементами или малыми тарельчатыми пружинами сжатия, жесткими пружинами растяжения и пр.), которые не позволяют подняться усилию нажатия выше определенного, из-за отрыва оснований пружин 12 от упоров 14, ранее прижатых друг к другу связью данной группы - пружинами.

В контакте отбуртованных дисков 5 с дисками 6 из-за дальнейшего снижения коэффициента трения, а главным образом из-за снижения потребного крутящего момента (например, при пробуксовывании ведущих колес), снижается потребность в высоком нажиме, что и обеспечивается пружинами 4 при их невысокой деформации в зоне положительной жесткости.

Эта картина представлена на графике фиг. 2, правая часть. Таким образом, параметрами пружин и связей обеспечивается необходимый нажим в контактах.

При этом с увеличением частоты вращения коэффициенты трения во всех зонах контакта при всех положениях снижаются. Это вызывает потребность увеличения нажима, который при невысоких частотах вращения вызывает некоторый "пережим" и незначительное снижение КПД.

Поэтому как на внутренних вращающихся нажимных устройствах, так и на внешних, условно неподвижных, могут быть использованы корректоры, увеличивающие усилия нажима.

При вращении с повышенной частотой вала 1, упоров 2 и пружин 4, грузы 18 стремятся на периферию, создавая дополнительный нажим на пружины 4 и на отбуртованные диски 5, причем форма рабочих поверхностей выступов 17 и грузов 18 позволяет достичь необходимых значений нажима в зависимости от частоты вращения и радиального перемещения грузов 18.

Внешние, связанные с эпициклом 15 пружины 12 и упоры 14 неподвижны, поэтому корректировка (увеличение) усилия нажима достигается поддачей в каналы 19 среды (воздуха, масла) под давлением, определяемым, например, датчиками частоты вала 1 и перемещения оси 7 (передаточного числа). Это давление в камере между пружинами 12, упорами 14 и сильфонами 2 создает дополнительный нажим на пружины 12 и отбуртованные диски 11. Следует заметить, что относительные величины дополнительных нажимов невелики - до 50% от основных при максимальной частоте вращения.

Крутящий момент от всех пружин, выступов и т.д. на отбуртованные диски передается, как и у аналогичных устройств, силой трения, так как коэффициенты трения в покое при граничном (полусухом) трении в несколько раз превышают коэффициент трения в пленке масла при качении рабочих поверхностей; силы нажима при этом одинаковы, а радиусы отличаются гораздо меньше, чем коэффициенты трения. К тому же отмеченные контакты трения покоя являются хорошими предохранительными элементами устройства в случае непредвиденного заклинивания вариатора из-за поломки деталей, попадания в устройство расконтрившихся крепежных элементов и пр.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, в частности, для бесступенчатой трансмиссии автомобиля. Многодисковый планетарный вариатор содержит центральные колеса, водило, промежуточные диски, внутренние и внешние отбуртованные диски, нажимные устройства с упругими элементами осевого действия и связи. Упругие элементы всех отбуртованных дисков расположены с обеих торцевых сторон всех промежуточных дисков и контактируют с торцами всех отбуртованных дисков. Средняя осевая жесткость упругих элементов для внешних отбуртованных дисков по абсолютному значению выше, чем для внутренних отбуртованных дисков. Упомянутые упругие элементы имеют возможность изменять осевую жесткость по величине и по знаку. Нажимные устройства для коррекции нажимного усилия могут иметь грузы или герметизированные камеры, соединенные с источником текучей среды под давлением. Достигнуто упрощение вариатора и повышение его КПД. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Многодисковый планетарный вариатор, включающий внутренние и внешние отбуртованные диски, соединенные с центральными колесами, и охватывающие с обоих торцов промежуточные диски, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, прижатые к ним нажимными устройствами, включающими упругие элементы осевого действия, контактирующие с соответствующими связями, отличающийся тем, что упругие элементы всех отбуртованных дисков расположены с обеих торцевых сторон всех промежуточных дисков и находятся в контакте с торцами всех отбуртованных дисков в кольцевых зонах, тыльных по отношению к соответствующим зонам с дорожками качения, причем средняя осевая жесткость упругих элементов внешних отбуртованных дисков выполнена по абсолютному значению выше средней жесткости упругих элементов внутренних отбуртованных дисков. 2. Многодисковый планетарный вариатор по п.1, отличающийся тем, что упругие элементы как минимум одной группы отбуртованных дисков выполнены с возможностью изменения осевой жесткости как по величине, так и по знаку как минимум на части рабочего хода с возможностью контактов как минимум одним торцом как минимум с одной группой связей. 3. Многодисковый планетарный вариатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что упругие элементы как минимум одной группы отбуртованных дисков выполнены заодно с отбуртованными дисками в виде упругих дисков с дорожками качения и зонами контакта со связями на их поверхностях. 4. Многодисковый планетарный вариатор по п.1, отличающийся тем, что нажимные устройства как минимум внутренних отбуртованных дисков содержат грузы между отбуртованными дисками и соответствующими связями, расположенные в клиновых кольцевых зазорах с одной или с двух торцевых сторон упругих элементов. 5. Многодисковый планетарный вариатор по п.1, отличающийся тем, что нажимные устройства как минимум внешних отбуртованных дисков содержат кольцевые герметизированные камеры между отбуртованными дисками и соответствующими связями, соединенные с источником текучей среды под давлением.