ФРИКЦИОННЫЙ ТОРОВЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ВАРИАТОР Российский патент 2008 года по МПК F16H15/38 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к фрикционным передачам с непрерывным изменением передаточного отношения, и более конкретно к передачам, в которых усилие передается за счет качения роликов по дорожкам с тороидальной поверхностью.

Вариаторы такого типа в общем случае содержат входной и выходной диски, поверхности которых, обращенные друг к другу, выполнены в виде части тора, и фрикционные диски, касающиеся этих поверхностей, а также механизм изменения положения фрикционных дисков. В вариаторах, описанных в RU 2087777, GB 1395319, ЕР 0078125, ЕР 0133330, положение дисков изменяется с помощью гидроцилиндров. Понятно, что такие механизмы имеют большое количество деталей, сложны конструктивно, требуют подвода гидравлической жидкости, формирования каналов внутри отливки корпуса, применения уплотнений высокого давления.

Известен вариатор US 3276279, выбранный нами за прототип, в котором изменяют положение фрикционного диска, изменяя угол плоскости его вращения. Вариатор содержит входной и выходной диски с тороидальными дорожками качения. Между тороидальными поверхностями расположены фрикционные ролики. Каждый фрикционный ролик через подшипники свободно посажен на одной из осей крестовины, которая является осью вращения фрикционного ролика. Эта ось представляет собой внутреннее кольцо подшипника. Вторую ось крестовины определяет цилиндр, посаженный боковой поверхностью в держателе, связанном с корпусом. Этот цилиндр выполнен с поршнем двухстороннего действия, соединенным с держателем ролика. Цилиндр соединен с входным и выходным гидравлическими выводами. Изменение разности давлений, действующей на поршень текучей среды, изменяет угол плоскости вращения ролика, а соответственно, передаточное отношение. Давление меняется гидравлическим серводвигателем. Вариатор снабжен устройством контроля передаточного отношения по положению серводвигателя. Основными недостатками прототипа являются сложность механизма контроля передаточного отношения, включающего гидравлическую систему (насос, датчики давления и расхода жидкости, сложную систему трубок подвода жидкости), обуславливающую высокие потери, а также сравнительно небольшой диапазон изменения передаточного отношения, определяемый углом отклонения фрикционного диска (около 50 градусов).

Таким образом, задачей изобретения является создание простого и надежного вариатора с контролируемой установкой передаточного отношения при одновременном расширении диапазона его изменения. Кроме того, задачей изобретения является увеличение КПД.

Техническим результатом возможного изобретения является упрощение контроля и управления передаточным отношением с плавным, точным, а при необходимости ускоренным - в одном из вариантов изменением режимов работы вариатора.

Фрикционный торовый вариатор, содержащий ведущий и ведомый диски с тороидальными поверхностями и, по меньшей мере, одним фрикционным посредником между ними, взаимодействующим с их тороидальными поверхностями, механизм управления и контроля передаточного отношения для изменения наклона вращения фрикционного посредника относительно ведущего и ведомого дисков, отличающийся тем, что ведущий и ведомый диски выполнены набором колец, образующих вместе тороидальную изнутри поверхность и соединенных с ведущим и ведомым валами штангами с подпружиненным зазором снаружи штанг, кольца относительно друг друга и ведущего и ведомого валов имеют возможность перемещения на шлицах параллельно главной оси вариатора, фрикционным посредником является шар, передающий вращение от колец ведущего кольцам ведомого диска и вращающийся в держателе в задаваемом кольцами направлении и вокруг главной оси вариатора, при этом каждое кольцо подпружинено от шаров изнутри наружу так, что имеется постоянный зазор между кольцами и шарами, а исполнительный механизм последовательно прижимает противостоящие кольца ведущего и ведомого дисков для фрикционного контакта, механизм контроля и управления включает управляющую шестерню, работающую в паре с кольцевидной шестерней, прикрепленной к держателю, плоскую витую пружину, одним концом соединенную с корпусом, а другим - с держателем или с управляющей шестерней, а также вариант, в котором исполнительный механизм изменения передаточного отношения включает в себя отклоняемые штанги колец (образующих диски), также каждая штанга подпружинена с усилием в сторону фрикционных шаров, держатель фрикционных шаров может фронтально передвигаться на общей оси ведущего и ведомого валов независимо от своего вращения; а также две управляющих шестерни - одна из них редукционно соединена с внешней шестерней держателя, другая с резьбой наружного кольца держателя; а также вариант, в котором механизм изменения передаточного отношения включает в себя полукольцевые штанги с дисками прижатия колец к фрикционным шарам в направляющих, имеющие на себе зубчатый нарез редукционного соединения с управляющей шестерней, а управляющая шестерня соединена также с шестерней держателя; а также вариант, в котором механизм изменения передаточного отношения включает в себя редуктор прикрепленный к держателю фрикционных шаров, приводящийся от закрепленной в корпусе шестерни при вращении относительно нее держателя, который приводит зубчатую (не резьбовую) круглого сечения рейку с возможностью передвижения вдоль оси, цепи с зубьями для соединения с зубчатой рейкой, находящиеся внутри штанг колец и ведущем, ведомом валах и соединенные через прорези в штангах с прижимными роликами; а также вариант, в котором механизм изменения передаточного отношения включает в себя кольцо, огибающее фрикционный шар на держателе фрикционных шаров и заменяющее редуктор.

Поставленная задача решается тем, что фрикционный торовый вариатор, как и прототип, содержит соосные входной и выходной диски с тороидальными поверхностями и, по меньшей мере, один фрикционный посредник между ними, взаимодействующий с их поверхностями, держатель фрикционных шаров и механизмы для контроля, управления и исполнительный передаточного отношения путем изменения угла отклонения линии 2-х пятен фрикционного контакта для каждого фрикционного посредника, последовательно прижимая противостоящие кольца ведущего и ведомого дисков, и вследствие этого изменения угла вращения фрикционного шара относительного оси входного и выходного дисков.

В отличие от прототипа входной и выходной диски образуемы кольцами, держатель имеет возможность вращения вокруг главной оси вариатора. Функционально механизмы для контроля, управления - шестерни 7, 8, пружина 14. Исполнительный - механизм, обеспечивающий прижатие противостоящих колец к фрикционным шарам и изменение его расположения (прижатия).

Исполнительный механизм выполнен в 4-х вариантах:

1-й - держатель шара (шаров), вращаясь, перемещается на шлицах оси, на которой вращается, фронтально, перемещая пятна контакта шара с углом его вращения от колец, постоянно прижатых штангами к шарам, исполнительный - шестерня 9, кольцо 6, пружина 11, штанги 12, 16.

2-й - штанги 18, направляющие 19, диски 20 вместе с неподвижными в корпусе направляющими 19 для штанг 18, которые меняют посредством дисков 20 противостоящие кольца фрикционного контакта. При одновременном вращении от колец диски 20, двигаясь в плоскости или параллельно оси OO₁,_{нажимают в скольжении следующее «отжатое» от шара 10, своей пружиной зазора, кольцо.}

3-й - редуктор 21-26, цепи 30, 31, рейка 27.

4-й - роль редуктора из шестерен 21-26 третьего варианта исполняет кольцо 32 (фигура 7), которое вращается, при вращении держателя 5, вокруг оси, параллельной OO₁, подобно шайбе или на подшипнике, приводится от неподвижно закрепленной в корпусе шестерни 33 и приводит рейку 27, которая приводит цепи 30, 31.

2-й, 3-й и 4-й - держатель, посаженный на оси центра, соединен редукцией с корпусом управляющей шестерней, редуктор или шестерня соединены с исполнительным механизмом, прижимающим противостоящие кольца ведущего и ведомого дисков к шару. Изменение передаточного отношения происходит при вращения держателя - через редукцию приводятся ролики или диски, прижимающие последовательно кольца.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фигуре 1 - вид в продольном разрезе первого варианта, на фигуре 2 - вид в продольном разрезе второго варианта, на фигуре 3 - поперечный вид держателя шаров с кольцевидной шестерней 2-го варианта, на фигуре 4 - поперечный разрез второго варианта, на фигуре 5 - вид в продольном разрезе 3-го варианта, на фигуре 6 - поперечный вид держателя с закрепленным на нем редуктором и неподвижной кольцевидной шестерней за ним, на фигуре 7 - вид в продольном оси OO₁ разрезе держателя с заменяющим редуктор кольцом на нем.

Для всех четырех вариантов вариатор состоит из ведущего 1 и ведомого 4 валов с закрепленными на них штангами 12 и 16, не менее трех на каждом из валов, колец 2 вала 1 и 3 вала 4, образующих вместе тороидальную (2, 3, 4 варианты) изнутри поверхность и держащихся на штангах 12, 16 с подпружиненным зазором снаружи штанг. Валы с кольцами вращаются вокруг главной оси OO₁. По меньшей мере, один фрикционный шар 10 расположен между колец 2 и 3, образующих диски. Держатель 5 фрикционных шаров 10 может вращаться в оси OO₁, к держателю прикреплена кольцевидная внешняя шестерня 7, работающая в контакте с управляющей шестерней 8 на валу в корпусе 15. На шестерне 8 (и/ или на держателе 5) внутренним концом закреплена плоская витая пружина 14 - фигура 1-7, вторым концом пружина закреплена в корпусе вариатора 15.

Варианты исполнения

1. Фигура 1 - держатель 5 при вращении перемещается фронтально на шлицах вала 13 благодаря наличию кольца 6 на себе с резьбой, работающей в паре с, по меньшей мере, одной шестерней 9, неподвижной или управляемо «вращающейся». Штанги 12 и 16 шарнирно отклоняемы параллельно оси OO₁. Пружины или торсионы 11 от валов 1,4 к штангам 12, 16, стоящим на шарнирах 17, поджимают к фрикционным шарам 10 наборы колец 2 и 3, образующих «диски» со спрямленной рабочей поверхностью.

2. Фигуры 2, 3, 4 - управляющая двойная шестерня 8 работает в паре с шестерней 7 держателя 5 и полукольцевидной штангой 18 с зубчатым нарезом, могущей двигаться в направляющей 19. Штанга 18 на концах имеет нажимные вращающиеся диски 20.

3. Фигуры 5, 6 - держатель 5, вращаясь, приводит прикрепленный к нему редуктор, шестерня 21 которого приводится от неподвижно закрепленной в корпусе 15 шестерни 33 и приводит шестерню 22; 22-я приводит 23-ю с валом 24 и шестерней 25; 25-я приводит 26-ю. 26-я шестерня эвольвентную (зубчатую) круглого сечения рейку 27 (не резьбовую), передвигаемую на пальцах 28, 29 валов 1 и 4. Рейка 27 приводит цепи 30, 31 с закрепленными в них зубьями, работающими в паре с рейкой 27, передвигающихся внутри полых штанг 12, 16 и валах 1 и 4 через прорези в штангах, соединенные с прижимными роликами.

4. Фигура 7 - роль редуктора из шестерен 21, 22, 23, 25, 26 выполняет кольцо 32, огибающее шар 10 на держателе 5.

Оптимальное количество штанг 12, 16 с каждой стороны три. Кольца 2 и 3 относительно друг друга перемещаются параллельно, например на шлицах. Каждое кольцо подпружинено с усилием пружин от шаров 10 изнутри наружу так, что во 2, 3 и 4 вариантах имеется постоянный зазор между кольцами 2, 3 и шарами 10, кроме прижатых исполнительным механизмом для фрикционного контакта. Шар 10 в держателе 5 может вращаться в любом задаваемом кольцами направлении при помощи магнитных, электромагнитных сил, антифрикционных прокладок в держателе 5 и масла, а также подшипников и их элементов.

Ориентирование при описании работы вариатора: со стороны ведущего вала 1, вращение ведущего вала 1 вправо, кроме второго варианта. Исходное положение держателя 5 и колец всех вариантов - это «А» (фигуры 1, 2, 5), при котором фрикционный шар 10 зажат между кольцом диска 3 наименьшего диаметра и кольцом диска 2 наибольшего «А» вм/вд=1/z, «Б»=1/1, «B»=z/1, где вм - ведомый вал, z - число изменения передаточного отношения в одну сторону. Для данных кинематических схем z≥4.

При отсутствии штатной нагрузки и торможения на валах 1 и 4 в любом положении, кроме «А», держатель 5 вращается против часовой стрелки (влево) под действием пружины 14 (показана на фигуре 7). Шар 10 в результате набегания занимает положение «А» между кольцами. В варианте 2 к положению «А» держатель 5 вращается по часовой стрелке.

В положении «А» сопротивление пружины 14 минимально, в положении «В» - максимально.

14 - плоская витая пружина (в данном случае) сопротивления вращению держателя 5 к положению «В», для дискретного уравновешивания держателя 5; при увеличивающейся нагрузке на валу 4 - на большем соотношении, при уменьшающейся - на меньшем.

Для всех четырех вариантов исполнения данный вариатор работает следующим образом. Исходное положение «А» - так как при высвобождении от нагрузки ведомого диска 3 и/ или ведущего 2 (если противостоящие кольца не были в этом положении до этого) пружина 14, связанная с держателем 5 непосредственно или редукцией шестерни 8, раскручивается (высвобождается от напряжения), вместе с держателем 5, который, вращаясь, приводит исполнительный механизм, последовательно меняющий прижатые к шару 10 противостоящие кольца (в дисках 2, 3), при этом точка фрикционного контакта на диске 2 передвигается от наименьшего радиуса к наибольшему, а на диске 3 наоборот - к положению «А».

Вал 1 с диском 2 вращается от двигателя, вал 4 с диском 3 вращается в противоположную сторону и вращает трансмиссию, движитель транспорта и т.д. Для примера нижеследует описание действия вариатора для мото, автотранспорта и пр.

При начале вращения вала 1 и наличии штатной нагрузки на валу 4, трогании транспорта с места, из положения «А» вм/вд=1/z диск 2 кольцом на фрикционном контакте вращает шар 10, т.к. вал 4 испытывает сопротивление вращению от шара 10, а сопротивление пружины 14 в положении «А» минимально, увлекается во вращение шаром 10 держатель 5, диск 3 стоит..., по мере вращения от двигателя вала 1 с диском 2 шара 10 и от него держателя 5 сопротивление закручивающейся пружины 14 увеличивается, исполнительный механизм, связанный редукцией, как правило (варианты 2, 3, 4), с держателем 5, при его вращении приводится в действие, последовательно меняя противостоящие кольца фрикционного контакта от положения «А» к «В» - N⇒z/1, в момент, когда возрастающее сопротивление пружины 14 попутному вращению держателя 5 и изменившееся соотношение уравновешивают и превышают сопротивление на валу 4, меняется соотношение сил, приостанавливается вращение держателя 5, начинается ращение диска 3, дискретно устанавливается новое соотношение вращения валов.

Максимальное сопротивление пружины в наибольшем соотношении z/1 соответствует максимальному моменту двигателя - положение «В». При уменьшении сопротивления вращению вала 4 (транспорт тронулся и разогнался) держатель 5 под действием пружины 14 вращается обратно N⇒А.

Действие пружины 14 при работе вариатора - это противодействие вращению держателя 5 в направлении вращению двигателя, при заданных соотношениях редукции, червячной пары... его сопротивление определенное в каждом соотношении соответственно заложенным характеристикам.

Управляющая шестерня 8 служит для коррекции и блокировки вращения держателя 5 - изменения передаточного числа и может работать от специального двигателя с контроллером, например. Основную нагрузку адекватного на каждом соотношении сопротивления несет пружина 14.

Для варианта 1:

Во время работы при замедлении - из-за повышения сопротивления вращению вала 4 увлекается во вращение вправо держатель 5, сообразно левой резьбе кольца 6 в контакте с управляющей шестерней 9 держатель 5, вращаясь, движется на шлицах вала 13 к валу 1, при этом положение пятен контакта на шарах 10: N⇒z/1 «В». При начале адекватного увеличивающемуся соотношению вращения вала 4 приостанавливается вращение держателя 5 - при большем сопротивлении пружины дискретно установилось новое передаточное число. При замедлении или остановке ведущего вала 1 противостоящий ведомый диск 3, вращающийся влево, увлекает через фрикционный шар 10 в левое вращение держатель 5, при котором он движется к валу 4, при этом N⇒1/z, а пружина 14 снижает сопротивление. Для ускорения изменения соотношения N «вращается» шестерня или сектор 9.

Для варианта 2:

Вал 1 - вращение влево. При замедлении (невращении) вала 4 вправо держатель 5 вращается влево, его шестерня 7 вращает управляющие сдвоенные шестерни 8 (как правило, 2), которые приводят штанги с «зубчатым нарезом» 18, двигающиеся в направляющих 19. Двигаясь вокруг геометрического центра фрикционного шара, штанги нажатием дисков 20 на кольца изменяют N⇒z/1=вм/вд. При замедлении или невращении (влево) вала 1: N⇒1/z.

Для варианта 3, 4:

При замедлении или невращении вала 4 влево относительно вала 1 вал 1 через фрикционный шар 10 увлекает во вращение вправо держатель 5 с закрепленным на нем редуктором или кольцом 32 с внешней резьбой и зубьями, шестерня 26 редуктора приводит зубчатую круглого сечения рейку 27, имеющую «ход» на пальцах 28, 29 валов 1, 4, приводящую цепи 30, 31 с закрепленными на них роликами N⇒z/1 - положение «В».

Редуктор 21-й шестерней приводится от закрепленной в корпусе 15 неподвижно шестерни 33 при вращении держателя 5. Цепи 30, 31 могут двигаться внутри «тоннеля» - в неподвижных (относительно своих валов) штангах 12, 16, переходящего в валы 1, 4. Нажимные ролики цепей 30, 31 прикреплены к одному из звеньев, для хода ролика прорезь в штангах 12, 16.

При относительном замедлении или остановке ведущего вала 1 вращение держателя 5 влево N⇒1/z «A».

Окончание и начало работы вариатора во всех выше описанных вариантах в положении «А» или близком к нему обеспечит плавное начало и окончание работы вариатора, а так как изменение N происходит только при относительном набегании фрикционных шаров - вращении держателя 5 - то и продолжение.

Изобретение относится к машиностроению, а конкретнее - к вариаторам с непрерывным изменением соотношения вращения ведомого и ведущего валов. Фрикционный торовый вариатор содержит ведущий и ведомый диски, которые выполнены набором колец (2, 3), образующих вместе тороидальную поверхность и соединенных с ведущим и ведомым валами (1, 4) штангами (12, 16) с подпружиненным зазором снаружи штанг. Кольца (2, 3) относительно друг друга и ведущего и ведомого валов имеют возможность перемещения на шлицах параллельно главной оси вариатора. Фрикционным посредником между ними является шар (10), который передает вращение от колец ведущего кольцам ведомого диска и вращается в держателе (5) в задаваемом кольцами направлении и вокруг главной оси вариатора. Каждое кольцо подпружинено так, что имеется постоянный зазор между кольцами и шарами. Исполнительный механизм последовательно прижимает противостоящие кольца ведущего и ведомого дисков для фрикционного контакта. Механизм контроля и управления включает управляющую шестерню (8), работающую в паре с кольцевидной шестерней (7), прикрепленной к держателю (5), плоскую витую пружину, одним концом соединенную с корпусом, а другим - с держателем (5) или с управляющей шестерней (8). Такое выполнение вариатора упрощает контроль и управление передаточным отношением. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Фрикционный торовый вариатор, содержащий ведущий и ведомый диски с тороидальными поверхностями и, по меньшей мере, одним фрикционным посредником между ними, взаимодействующим с их тороидальными поверхностями, механизм управления и контроля передаточного отношения для изменения наклона вращения фрикционного посредника относительно ведущего и ведомого дисков, отличающийся тем, что ведущий и ведомый диски выполнены набором колец, образующих вместе тороидальную изнутри поверхность и соединенных с ведущим и ведомым валами штангами с подпружиненным зазором снаружи штанг, кольца относительно друг друга и ведущего и ведомого валов имеют возможность перемещения на шлицах параллельно главной оси вариатора, фрикционным посредником является шар, передающий вращение от колец ведущего кольцам ведомого диска и вращающийся в держателе в задаваемом кольцами направлении и вокруг главной оси вариатора, при этом каждое кольцо подпружинено от шаров изнутри наружу так, что имеется постоянный зазор между кольцами и шарами, а исполнительный механизм последовательно прижимает противостоящие кольца ведущего и ведомого дисков для фрикционного контакта, механизм контроля и управления включает управляющую шестерню, работающую в паре с кольцевидной шестерней, прикрепленной к держателю, плоскую витую пружину, одним концом соединенную с корпусом, а другим - с держателем или с управляющей шестерней.2. Фрикционный торовый вариатор по п.1, отличающийся тем, что исполнительный механизм изменения передаточного отношения включает в себя отклоняемые штанги колец, образующих диски, также каждая штанга подпружинена с усилием в сторону фрикционных шаров, держатель фрикционных шаров может фронтально передвигаться на общей оси ведущего и ведомого валов независимо от своего вращения, а также две управляющие шестерни, одна из них редукционно соединена с внешней шестерней держателя, другая - с резьбой наружного кольца держателя.3. Фрикционный торовый вариатор по п.1, отличающийся тем, что механизм изменения передаточного отношения включает в себя полукольцевидные штанги с дисками прижатия колец к фрикционным шарам в направляющих, имеющие на себе зубчатый нарез для редукционного соединения с управляющей шестерней, а управляющая шестерня соединена также с шестерней держателя.4. Фрикционный торовый вариатор по п.1, отличающийся тем, что механизм изменения передаточного отношения включает в себя редуктор, прикрепленный к держателю фрикционных шаров, приводящийся от закрепленной в корпусе шестерни при вращении относительно нее держателя, который приводит зубчатую круглого сечения рейку с возможностью передвижения вдоль оси, цепи с зубьями для соединения с зубчатой рейкой, находящиеся внутри штанг колец и ведущего, ведомого валов и соединенные через прорези в штангах с прижимными роликами.5. Фрикционный торовый вариатор по п.1, отличающийся тем, что механизм изменения передаточного отношения включает в себя кольцо, огибающее фрикционный шар на держателе фрикционных шаров.