ДИСКОВЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2011 года по МПК F16H15/52 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, как в промышленности, так и в транспорте, в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств.

Из уровня техники известна конструкция дискового планетарного вариатора с нажимным устройством, включающим тела качения шарики, катящиеся но профилированным поверхностям и осуществляющие принудительный поджим фрикционных тел дисков (пат. GB 1384679, F16H, 15/50, 19.02.1975). Однако вариаторы с такими нажимными устройствами, принятые за аналог, не обладают свойством автоматичного поджима фрикционных тел и осуществляют лишь принудительный поджим, что является недостатком конструкции-аналога.

Известны также дисковые вариаторы с автоматическими нажимными устройствами с телами качения, катящимися но профилированным дорожкам качения и прижимающими все центральные фрикционные диски ко всем промежуточным дискам, причем нажим осуществляется отдельно для внешних центральных и промежуточных и для внутренних центральных и промежуточных дисков пропорционально передаваемому крутящему моменту (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы. - М.: Машиностроение, с.263, рис.154). Параллельно с автоматическими нажимными устройствами прижим фрикционных дисков осуществляется пружинами с усилием 0,25…0,33 от максимального усилия (см. с.273 упомянутой выше книги). Недостатком описанного устройства, принятого также за аналог, является невозможность использования промежуточных фрикционных дисков, находящихся одновременно между центральными внешними и внутренними фрикционными дисками (так как в этой конструкции такое расположение фрикционных дисков невозможно), что повышает осевой габарит устройства, снижает точность нажима и не рационален для планетарных вариаторов.

Известна также конструкция планетарного дискового вариатора с нажимными устройствами, включающими тела качения, в котором в корпусе установлены внешние центральные фрикционные диски, а на ведущем валу - внутренние центральные фрикционные диски, причем центральные фрикционные диски охватывают с торцов фрикционные сателлиты, закрепленные на осях поворотных рычагов с возможностью их радиального перемещения на водиле, при этом на ведущем валу и на корпусе выполнены упоры в виде дисков, контактирующих, соответственно, с внутренними и внешними центральными фрикционными дисками через тела качения, установленные в наклонных канавках, выполненных в торцевых сторонах внутренних и внешних фрикционных дисков и в соответствующих упорах с ответными канавками, в которые входят тела качения. Недостатком этой конструкции (см. статью Гулиа Н.В., Воробьев Д.В., Юрков С.Л. «О выборе основных параметров нажимного устройства планетарного дискового вариатора», Известия МГИУ, №2, 2008 г., стр.2-5), принятой за прототип, являются малые углы наклона участков захода и выхода тел качения в канавки, что снижает точность нажима при продвижении фрикционных сателлитов между центральными фрикционными дисками.

Задачей изобретения является создание дискового планетарного вариатора, преимущественно с принудительным управлением передаточным отношением и с нажимными устройствами, включающими отдельные обоймы с телами качения и центральными фрикционными дисками в них, позволяющего существенно увеличить углы наклона участков захода и выхода тел качения в канавки.

Указанная задача решается тем, что предложен дисковый планетарный вариатор с нажимными устройствами, включающими тела качения, в котором в корпусе установлены как минимум две пары внешних центральных фрикционных дисков, а на ведущем валу - как минимум две пары внутренних центральных фрикционных дисков, причем каждая пара центральных фрикционных дисков охватывает с торцов один ряд фрикционных сателлитов, расположенных на осях поворотных рычагов с возможностью их радиального перемещения на водиле, при этом на ведущем валу и на корпусе выполнены упоры в виде дисков, контактирующих, соответственно, с внутренними и внешними центральными фрикционными дисками через тела качения, установленные в наклонных канавках, выполненных в торцевых сторонах внутренних и внешних фрикционных дисков и в соответствующих упорах с ответными канавками, в которые входят тела качения, характеризующийся тем, что как минимум одна пара одной группы центральных фрикционных дисков внешних или внутренних связана друг с другом соединением, допускающим осевое перемещение с передачей крутящего момента, при этом эти соединенные друг с другом центральные фрикционные диски помещены в обойму, замкнутую с двух торцов и расположенную на фрикционных дисках в радиальном направлении на стороне, противоположной расположенным на них дорожкам качения по ним фрикционных сателлитов, и эта обойма закреплена с возможностью передачи крутящего момента, соответственно, для центральных внешних фрикционных дисков на корпусе, а для внутренних - на ведущем валу, при этом один торец обоймы взаимодействует с примыкающим к нему центральным фрикционным диском, помещенным в обойму, с помощью тел качения, размещенных в канавках с наклонными заходом и выходом на примыкающих торцах обоймы и центрального фрикционного диска, а другой центральный фрикционный диск, помещенный в обойму на противоположной его стороне, контактирует своим торцом с примыкающим торцом обоймы с односторонней фиксацией в осевом направлении, но с возможностью свободного поворота без передачи крутящего момента.

Другой особенностью предложенного вариатора является то, что свободно проворачивающийся торец центрального фрикционного диска в обойме выполнен взаимодействующим с торцом обоймы через тела качения между ними и дорожки качения без окружных уклонов на соответствующих торцах, образующих упорный подшипник качения.

Еще одной особенностью предложенного устройства является то, что, как минимум, одна из обойм - внешняя или внутренняя - устанавливается, соответственно, на корпусе или ведущем валу с возможностью осевого перемещения.

Еще одной особенностью предложенного устройства является то, что фрикционные сателлиты выполнены с возможностью осевого перемещения относительно поворотных рычагов и относительно водила.

Еще одной особенностью предложенного устройства является то, что нажимное устройство выполнено подпружиненным со сдавливанием тел качения в нем предварительным прижимным усилием.

Еще одной особенностью предложенного устройства является то, что тела качения в нажимных устройствах выполнены в виде шариков.

Еще одной особенностью предложенного устройства является то, что заходы и выходы в наклонных канавках выполнены в торцевых сторонах центральных фрикционных дисков и примыкающих к ним упорах выполнены криволинейными, в частности вогнутыми.

Благодаря вышеперечисленным особенностям достигается технический результат, заключающийся в увеличении углов наклона участков захода и выхода тел качения в канавки, что повышает точность нажима центральных фрикционных дисков на фрикционные сателлиты.

Конструкция представлена на чертежах, где на фиг.1 изображен разрез А-А по фиг.2, на фиг.2 разрез Б-Б по фиг.1 вариатора с одним рядом сателлитов, включающий концевые элементы вариатора входной и выходной валы, сервопривод изменения передаточного отношения, а также торцевые крышки вариатора. На фиг.3 представлена развертка канавки с наклонными заходом и выходом с телом качения. На фиг.4 представлен разрез Б-Б по фиг.1 вариатора с двумя рядами сателлитов.

Вариатор с одним рядом сателлитов (см. фиг.1, 2) включает корпус 1, ведущий вал 2, на котором на шлицах 3 закреплена внутренняя обойма 4, внутренние центральные фрикционные диски 5, посаженные в обойму 4, внешние центральные фрикционные диски 6, посаженные во внешнюю обойму 7, закрепленную на корпусе 1. Между внешними и внутренними центральными фрикционными дисками, соответственно 6 и 5, зажаты фрикционные сателлиты 8 (обычно их три и более), свободно сидящие на осях 9, зафиксированных в подшипниках 10), посаженных в поворотных рычагах 11, в свою очередь сидящих с возможностью поворота на осях 12, посаженных с натягом в водиле 13.

Устройство обойм 4 и 7, а также функциональных частей, размещенных в них, идентично, поэтому ниже описано устройство только внешней обоймы 7. Обойма 7 включает два торцевых упора - упор 14 с канавкой с наклонными заходом и выходом, на нем и упор 15, выполненный в данном случае коническим, с которым контактирует дисковая пружина 16, прижимаемая торцевой опорой 17, в которой выполнена дорожка качения, как и в примыкающем к опоре 17 центральном внешнем фрикционном диске 6, и между этими дорожками качения размещены тела качения, например шарики 18. Пара центральных внешних фрикционных дисков 6 (как и внутренних 5 в обойме 4) связаны между собой с возможностью осевого перемещения, например, торцевыми кулачками 19. С упором 14 через канавки с наклонными заходами и выходами 20 (см. фиг.3) и тела качения, например шарики 21, связан центральный внешний фрикционный диск 6, примыкающий к упору 14. Заходы и выходы 20 могут быть как прямолинейной, так и криволинейной формы, например вогнутыми, как это изображено на фиг.3. Упоры 14 и 15 закреплены на цилиндрической части обоймы 7 произвольным образом, например упор 14 выполнен с ней заодно, а упор 15 посажен на резьбе (на чертеже не конкретизирован тип крепления).

С водилом 13 связан выходной вал 22 вариатора, а с поворотными рычагами 11 через поводок 23 - сервопривод 24, например шаговый электродвигатель, питаемый от токосъемника 25. Сервопривод 24 через поводок 23 поворачивает па определенный угол (обычно до 20°) поворотный рычаг 11 и через него, сообщая радиальное перемещение сателлитам 8, изменяет передаточное отношение вариатора. Сервопривод 24 кренится на выходном валу 22, вращается вместе с ним и сообщает поводку 23 относительное между валом 22 и водилом 13 перемещение. В общем случае из вариатора выходят два вала - ведомый 22 и ведущий 2, что необходимо в ряде случаев. Подсоединять внешние механизмы (двигатели, потребители и пр.) можно к любому из этих валов. С одного из торцов вариатор закрывается крышкой 26, на которой закреплены подшипники 27 и 28, в данном случае с уплотнениями, в которых зафиксированы валы 2 и 22. С другого торца вариатор закрыт крышкой 29 с уплотненным подшипником 30 в ней, в которой зафиксирован вал 2, выходящий из вариатора, в данном случае с обоих торцов, с возможностью подачи вращения с любого из концов вала 2.

Работа устройства происходит следующим образом. Вал 2 получает вращение от двигателя любого типа и через шлицы 3 приводит во вращение внутренние центральные фрикционные диски 5, которые, вращая фрикционные сателлиты 8, контактирующие также с неподвижными внешними центральными фрикционными дисками 6, приводят во вращение через оси 9 фрикционных сателлитов 8 подшипники 10, поворотные рычаги 11 и оси 12, вращают водило 13. Водило 13 через оси 12 соединено с выходным валом 22 и таким образом является выходным звеном вариатора. В верхнем положении фрикционных сателлитов 8 (фиг.2, сплошная линия) передаточное отношение вариатора максимальное, а в нижнем (штриховая линия) минимальное. Перемещение сателлитов в радиальном направлении производится поворотными рычагами 11 с помощью поводка 23, связанного с сервоприводом 24, закрепленного на выходном валу 22 и вращающегося вместе с ним. Поводок 23 с помощью сервопривода 24, например шагового электродвигателя, питающийся от токосъемника 25, поворачивается на определенный угол, поворачивая поворотные рычаги 11, а с ним перемещает в радиальном направлении фрикционные сателлиты 8 (см. фиг.1, фиг.2). Прижим центральных фрикционных дисков, как минимум одной их группы внешних 6 или внутренних 5, к фрикционным сателлитам 8 производится с помощью обойм соответственно 7 и 4 с шариковыми нажимными устройствами. Действие нажимных устройств, рассматриваемое на примере внешней обоймы 7, идентично внутренней обойме 4. Пара дисков 6, соединенная друг с другом шлицевым соединением 19, предварительно прижата к сателлитам 8 с двух сторон телами качения 21 и 18 (шариками) с помощью дисковой пружины 16 между упором 15 и опорой 17. При возникновении крутящего момента на выходном валу 22 он частично передается на диски 6, которые проворачиваются относительно обоймы 7. И если левый (фиг.2) диск 6 просто проворачивается на обойме 7 без перемещения, опираясь на тела качения 18, то правый диск 6, при провороте его относительно обоймы 7, воздействует на тела качения 21 (шарики), находящиеся в канавках, выполненных как в правом диске 6, так и в упоре 14, и имеющих наклонные заходы и выходы 20, продвигается влево, прижимая фрикционные сателлиты 8 к левому диску 6 (фиг.3). Ввиду того, что крутящий момент, действующий на правый диск 6, соединенный с левым шлицами 19, равен полному реактивному крутящему моменту, воспринимаемому корпусом 1 от сателлитов 8 через два диска 6, а осевое усилие, действующее на тела качения 21 на наклонные заходы и выходы 20 канавок, равно единичному усилию, действующему на один диск 6. Тогда, согласно цитированной выше книге (Пронин Б.Л., Ревков Г.А., стр.198, ф.197), осевая сила ; считая, что радиус r_ш центров шариков 21 совпадает с радиусом дорожек качения R сателлитов 8 но диску 6 и учитывая, что момент на одном диске равен T=F_a·f·r_ш, угол γ≈tgγ=f, где f - коэффициент трения сателлитов 8 по диску 6. Но в рассматриваемом случае суммарный момент равен удвоенному моменту Т и, стало быть, в этом случае γ=2f, то есть средний угол захода и выхода 20 канавок удваивается. С учетом того, что радиус центра шариков 21 и радиус дорожки качения на дисках 6 не совпадают, то угол γ умножается на соотношение , угол γ на канавках внешних дисков 6 может оказаться несколько ниже 2f, а на внутренних выше 2f. Для реальных конструкций вариаторов углы γ для канавок внешних дисков 6: γ₁=1,3f, а для внутренних: γ₂=3,25f. С учетом реальных значений f для внешних 6 и внутренних 5 дисков соответственно 0,05 и 0,045, углы γ₁ и γ₂ примерно равны γ1≈4°, γ₂≈8°. Это достаточно большие углы, несоизмеримые с углами трения качения шариков, например, в упорных шарикоподшипниках, близких но принципу работы к рассматриваемым нажимным устройствам. Например, угол γ₂≈8° соответствует коэффициенту трения 0,15, а самые высокие значения этого коэффициента для упорных шарикоподшипников - 0,002, то есть в 75 раз меньше. Угол γ₁ вдвое меньше, что несколько снижает точность нажима, но для однорядных вариаторов большего угла достигнуть невозможно. Но все равно этот угол вдвое больше, чем он был для обычных шариковых нажимных устройств в этом случае, Следует отметить, что слегка вогнутая форма заходов и выходов 20 канавок устраняет влияние возможного проскальзывания шариков 18, возвращая шарики 21 в их устойчивое положение в наиболее заглубленном положении в канавках. Таким образом, выбранные углы захода и выхода канавок обеспечивают достаточную точность прижима сателлитов 8 к фрикционным дискам 5 и 6.

Для увеличения угла γ₁ число рядов сателлитов 8, а стало быть и пар внешних центральных фрикционных дисков 6, объединенных в одной обойме 7, может быть увеличено, в частности вдвое, что представлено на фиг.4, где обозначение элементов конструкции идентично фиг.1 и 2. Как и на фиг.2, штриховой линией представлено положение фрикционной части вариатора при его минимальном передаточном отношении и соответствующем ему центральном (нижнем) положении сателлитов 8, их осей 9 и подшипников 10, а также осевое перемещение при этом центральных фрикционных дисков 5 и 6, обойм 4 и 7.

В вариаторе с двумя рядами сателлитов 8 внешняя и внутренняя обоймы, соответственно 7 и 4, в отличие от конструкции по фиг.2 с одним рядом сателлитов 8, устроены различно. Внутренняя обойма 4 по фиг.4 имеет устройство, полностью идентичное ей же по фиг.2. Внешняя же обойма 7 в устройстве по фиг.4 отличается от таковой по фиг.2 тем, что количество рядов сателлитов 8 здесь равно двум, причем между ними расположены два внешних центральных фрикционных диска 6, кинематически связанных друг с другом и имеющих одни и те же осевые и угловые перемещения. На фиг.4, например, два диска 6 объединены в одну деталь, взаимодействующую одновременно с двумя рядами сателлитов 8, выполняя роль одного внешнего диска 6, только увеличенного в осевом направлении. Остальное устройство вариатора по фиг.4 одинаково с устройством по фиг.2. Как и в устройстве по фиг.2, сателлиты 8 в устройстве по фиг.4 сидят на осях 9 подвижно (свободно).

Работа устройства по фиг.4 отличается от работы устройства по фиг.2 тем, что крайние внешние центральные фрикционные диски 6 при радиальном перемещении сателлитов 8 сдвигаются в осевом направлении относительно друг друга на вдвое большее расстояние. При этом крутящий момент, действующий на внешние фрикционные диски 6 со стороны сателлитов 8 при одинаковом прижиме сателлитов 8 к дискам 6, в устройстве по фиг.4 вдвое больше, чем в устройстве по фиг.2. Поэтому и углы γ₁ захода и выхода 20 канавок (см. фиг.3) в устройстве но фиг.4 вдвое больше, чем по фиг.2. То есть угол γ₁ при тех же прочих условиях, что и для устройства по фиг.2, составит около 8°, то есть становится равным углу γ₂. Это способствует оптимизации конструкции вариатора, повышая точность прижима фрикционных дисков 6 к сателлитам 8. Помимо этого, вариатор с двумя рядами сателлитов 8, при одних и тех же величинах прижима сателлитов 8 к фрикционным дискам 5 и 6, передает вдвое больший крутящий момент.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств. Дисковый планетарный вариатор содержит корпус (1), ведущий вал (2), на котором закреплены внутренние и внешние центральные фрикционные диски (5, 6), и фрикционные сателлиты (8), закрепленные на осях поворотных рычагов (11) с возможностью их радиального перемещения на водиле (13). Как минимум одна группа центральных фрикционных дисков связана друг с другом соединением, допускающим осевое перемещение с передачей крутящего момента. Соединенные друг с другом центральные фрикционные диски помещены в обоймы (4) и (7). Один торец обоймы (4) или (7) взаимодействует с примыкающим к этому торцу центральным фрикционным диском (5) или (6) с помощью тел качения, например шариков (21), помещенных в канавки с наклонными заходом и выходом, а другой центральный фрикционный диск контактирует своим торцом с примыкающим торцом обоймы с односторонней фиксацией в осевом направлении, но с возможностью свободного поворота без передачи крутящего момента. Вариатор может содержать один или несколько рядов фрикционных сателлитов (8). Изобретение позволяет увеличить углы наклона участков захода и выхода тел качения, что повысит точность нажима центральных фрикционных дисков на фрикционные сателлиты. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дисковый планетарный вариатор с нажимными устройствами, включающими тела качения, в котором в корпусе установлены как минимум две пары внешних центральных фрикционных дисков, а на ведущем валу - как минимум две пары внутренних центральных фрикционных дисков, причем каждая пара центральных фрикционных дисков охватывает с торцов один ряд фрикционных сателлитов, расположенных на осях поворотных рычагов с возможностью их радиального перемещения на водиле, при этом на ведущем валу и на корпусе выполнены упоры в виде дисков, контактирующих соответственно с внутренними и внешними центральными фрикционными дисками через тела качения, установленные в наклонных канавках, выполненных в торцевых сторонах внутренних и внешних фрикционных дисков и в соответствующих упорах с ответными канавками, в которые входят тела качения, отличающийся тем, что как минимум одна пара одной группы центральных фрикционных дисков, внешних или внутренних, связана друг с другом соединением, допускающим осевое перемещение с передачей крутящего момента, при этом эти соединенные друг с другом центральные фрикционные диски помещены в обойму, замкнутую с двух торцов и расположенную на фрикционных дисках в радиальном направлении на стороне, противоположной расположенным на них дорожкам качения по ним фрикционных сателлитов, и эта обойма закреплена с возможностью передачи крутящего момента соответственно для центральных внешних фрикционных дисков на корпусе, а для внутренних - на ведущем валу, при этом один торец обоймы взаимодействует с примыкающим к нему центральным фрикционным диском, помещенным в обойму, с помощью тел качения, размещенных в канавках с наклонными заходом и выходом на примыкающих торцах обоймы и центрального фрикционного диска, а другой центральный фрикционный диск, помещенный в обойму на противоположной его стороне, контактирует своим торцом с примыкающим торцом обоймы с односторонней фиксацией в осевом направлении, но с возможностью свободного поворота без передачи крутящего момента.

2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что свободно проворачивающийся торец центрального фрикционного диска в обойме выполнен взаимодействующим с торцом обоймы через тела качения между ними и дорожки качения без окружных уклонов на соответствующих торцах, образующих упорный подшипник качения.

3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что как минимум одна из обойм, внешняя или внутренняя, устанавливается соответственно на корпусе или ведущем валу с возможностью осевого перемещения.

4. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что фрикционные сателлиты выполнены с возможностью осевого перемещения относительно поворотных рычагов и относительно водила.

5. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что нажимное устройство выполнено подпружиненным со сдавливанием тел качения в нем предварительным прижимным усилием.

6. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что тела качения в нажимных устройствах выполнены в виде шариков.

7. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что заходы и выходы в наклонных канавках, выполненных в торцевых сторонах центральных фрикционных дисков и примыкающих к ним упорах, выполнены криволинейными, в частности вогнутыми.