Базовый вариатор бесступенчатой трансмиссии Российский патент 2023 года по МПК F16H15/04 F16H3/42 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трансмиссиям с плавным отнулевым управлением скоростью вращения выходных валов приводов транспортных средств и промышленных установок.

Известен широкодиапазонный клиноременный вариатор, включающий входной и выходной валы, базовый вариатор, дифференциал и прямозубую передачу (см. патент РФ на изобретение №2071577, МПК F16H 9/00 (1995.01), опубл. 10.01.1997 г.). Базовый вариатор выполнен с раздвижными коническими шкивами, дифференциал конический, между входным и выходным валами установлен промежуточный вал, а зубчатая передача состоит из двух цилиндрических шестерен и паразитной шестерни между ними. Одна пара шкивов вариатора установлена на входном валу, а другая связана с корпусом (водилом) дифференциала. У дифференциала одно центральное колесо связано с выходным валом, другое - с промежуточным. Благодаря оконечному дифференциалу изменение передаточного отношения базового вариатора от 1 до 2 и далее до 3 плавно меняет скорость вращения выходного вала от +1 до 0 и далее до -1/3 скорости вращения входного вала.

Недостатками аналога являются сложность конструкции и управления, связанные, во-первых, с необходимостью использования для работоспособности устройства дополнительного оборудования, а именно, актуатора, выполняющего функцию механизма, сдвигающего и раздвигающего шкивы. Такой механизм оснащен сложной гидравликой, компьютерной системой её управления, соответствующими датчиками и габаритами получается не меньше самого вариатора, что делает трансмиссию громоздкой. Во-вторых, базовый вариатор устройства фрикционный, что ведёт к неизбежным потерям скольжения. Кроме того, его входной и промежуточный валы расположены на широко разнесённых в пространстве осях, обуславливая необходимость в паразитной шестерне, что также ведёт к дополнительным потерям в трансмиссии и увеличивает размеры устройства.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является вариаторная зубчатая передача, включающая корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, находящиеся между собой в зацеплении, установленные на перпендикулярных валах так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка (см. патент РФ на изобретение №2389922, МПК (2006.01) F16H 3/42, опубл. 20.05.2010 г.). В данной зубчатой передаче конические червяки имеют возможность свободного скольжения по собственным валам без проворачивания, а изменение передаточного отношения, то есть смещение одного из червяков вдоль вала, осуществляется при помощи внешнего механизма.

Недостатками прототипа являются сложность изготовления и управления. Такое червячное зацепление позволяет плавно менять передаточное число только потому, что каждый из червяков имеет две степени свободы, но при этом реальный диапазон изменения передаточного числа оказывается недостаточным для прямого использования передачи, например, как трансмиссии автомобиля. Большой продольный ход на всю высоту конусов вращающихся червяков, увеличивает массу и размеры устройства, а также усложняет конструкцию. Наличие двух таких червяков ухудшает энергетику управления из-за удвоения эффекта «волчка» и необходимости подпора червяков пружинами для гарантии зацепления.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении управления трансмиссией, повышении КПД, надежности и компактности устройства.

Технический результат достигается тем, что базовый вариатор бесступенчатой трансмиссии, включающий корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, находящиеся между собой в зацеплении, установленные на скрещенных перпендикулярных валах так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено цилиндрическим вал-червяком, расположенным параллельно ведущему валу, и подвижным картриджем, установленным с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса, внутри картриджа расположен вал со спиннером и ведомым зубчатым коническим червяком, установленным с возможностью продольного скольжения по валу без проворачивания, при этом ведущий конический червяк выполнен как единое целое с входным валом трансмиссии и соединен зубчатой передачей через ведомый зубчатый конический червяк и спиннер с цилиндрическим вал-червяком, на конце которого жестко закреплена шестерня, связанная с водилом дифференциала трансмиссии.

Данный базовый вариатор позволит упростить управление трансмиссией, повысить ее КПД, надежность и компактность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен базовый вариатор в составе бесступенчатой трансмиссии, на фиг. 2 - его фронтальный разрез в сечении I (исходное положение), на фиг. 3 - его фронтальный разрез в сечении II.

Устройство включает корпус 1, входной 2 и выходной 3 валы, ведущий 4 и ведомый 5 зубчатые конические червяки, цилиндрический вал-червяк 6, расположенный параллельно ведущему валу 2, и подвижный картридж 7, установленный с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса 1. Внутри картриджа расположен вал 8 со спиннером 9 и ведомым зубчатым коническим червяком 5, установленным с возможностью продольного скольжения по валу 8 без проворачивания. При этом ведущий конический червяк 4 выполнен как единое целое с входным валом 2 трансмиссии и соединен передачей через ведомый зубчатый конический червяк 5 и спиннер 9 с цилиндрическим вал-червяком 6, на конце которого жестко закреплена шестерня 10, связанная с водилом 11 дифференциала трансмиссии. При этом дифференциал трансмиссии может быть, например, коническим или цилиндрическим с центральными колесами 12 и 13, а его водило может представлять собой парное к шестерне 10 цилиндрическое зубчатое колесо 11, в диске которого установлены оси 14 сателлитов.

Ведущий 4 и ведомый 5 зубчатые конические червяки выполнены с произвольным поперечным профилем и зацеплением между собой, установлены на скрещенных перпендикулярных валах 2 и 8 так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка.

Базовый вариатор работает в составе бесступенчатой трансмиссии следующим образом.

Двигатель (на фиг. 1 не показан) вращает с угловой скоростью ω₂ (здесь и далее индексы соответствуют номеру элемента на фиг. 1) входной вал 2 и ведущий зубчатый конический червяк 4, который за счет зацепления передает вращение на ведомый зубчатый конический червяк 5, вал 8, спиннер 9 и цилиндрический вал-червяк 6. Жестко закрепленная на валу-червяке 6 шестерня 10 вращает водило 11 дифференциала трансмиссии. В базовом вариаторе ведущий зубчатый конический червяк 4 имеет одну степень свободы, а ведомый зубчатый конический червяк 5 три степени свободы в отличие от прототипа, у которого каждый червяк имеет две степени свободы, что в два раза снижает потери энергии на управление от эффекта «волчка». Изменение передаточного отношения происходит за счет сдвига картриджа 7 от исходного положения I (фиг.1, 2) вдоль корпуса 1. При этом ведомый зубчатый конический червяк 5 смещается вниз по валу 8 в такое положение, в котором условие сопряженности зацепления зубчатых конических червяков 4 и 5 выполняется автоматически. Оси вращения зубчатых конических червяков 4 и 5 скрещены перпендикулярно, поэтому работе без заклинивания отвечает условие: сумма углов подъёма их витков в точке контакта должна быть равна 90°. Для упрощения изготовления имеет смысл червяки делать одинаковыми по форме и размерам. В этом случае угол подъёма витка на нижнем основании конуса должен быть 54,74°, а на верхнем - 35,26°, а передаточное отношение вариатора будет изменяться в пределах от до .

В исходном положении I картриджа 7 ведомый зубчатый конический червяк 5 находится в верхнем положении (фиг. 1 и 2). Обозначим передаточные числа u зубчатых пар соответственно индексам элементов, то есть, например, у пары «шестерня 10 - водило 11» зубчатые пары соответствуют следующим обозначениям и равны u_10/11 = ω₁₀/ω₁₁ = ). Тогда передаточное число от ведущего зубчатого конического червяка 4 до водила 11 дифференциала будет (u_4/5)×(u_9/6)×(u_10/11) = ×1,0× = 0,5, а ω₁₁= 0,5×ω₂. По правилу сложения скоростей в дифференциале ω₁₁ = 0,5×(ω₁₂+ ω₁₃), следовательно, в исходном положении картриджа 7 ω₁₃ = ω₃ = 0, и выходной вал 3 не вращается. В положении II картриджа 7 зубчатый конический червяк 5 находится в нижней позиции (фиг. 1, 3), при этом передаточное число равно (u_4/5)×(u_9/6)×(u_10/11) = ×1,0× = 1, то есть ω₁₁ = ω₂, и выходной вал 3 вращается со скоростью входного вала 2: ω₃ = ω₂.

В промежуточных положениях картриджа 7 скорость вращения выходного вала 3 плавно меняется от 0 до ω₂. При этом изменяющаяся скорость вращения ведомого зубчатого конического червяка 5, благодаря спиннеру 9 и вал-червяку 6, повторяется водилом 11 дифференциала независимо от местоположения картриджа 7.

В автомобиле такая конструкция позволит исключить из трансмиссии гидротрансформатор с клиноременным вариатором или автоматическую коробку передач со сцеплением, вообще не менять скорость двигателя, стабилизировать её на экономически выгодном уровне, прямо использовать корпус картриджа 7 как педаль акселератора.

Данный базовый вариатор по сравнению с прототипом позволит упростить управление трансмиссией, повысить ее КПД, надежность и компактность.

Изобретение относится к машиностроению. Базовый вариатор бесступенчатой трансмиссии включает корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, установленные на скрещенных перпендикулярных валах так, что за увеличение диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка. Устройство дополнительно снабжено цилиндрическим вал-червяком, расположенным параллельно ведущему валу, и подвижным картриджем, установленным с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса, внутри картриджа расположен вал со спиннером и ведомым зубчатым коническим червяком, установленным с возможностью продольного скольжения по валу без проворачивания. Ведущий конический червяк выполнен как единое целое с входным валом трансмиссии и соединен зубчатой передачей через ведомый зубчатый конический червяк и спиннер с цилиндрическим вал-червяком, на конце которого жестко закреплена шестерня, связанная с водилом дифференциала трансмиссии. Обеспечивается упрощение управления трансмиссией, повышение КПД, надежности и компактности. 3 ил.

Базовый вариатор бесступенчатой трансмиссии, включающий корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, находящиеся между собой в зацеплении, установленные на скрещенных перпендикулярных валах так, что за увеличение диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка, отличающийся тем, что устройство дополнительно снабжено цилиндрическим вал-червяком, расположенным параллельно ведущему валу, и подвижным картриджем, установленным с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса, внутри картриджа расположен вал со спиннером и ведомым зубчатым коническим червяком, установленным с возможностью продольного скольжения по валу без проворачивания, при этом ведущий конический червяк выполнен как единое целое с входным валом трансмиссии и соединен зубчатой передачей через ведомый зубчатый конический червяк и спиннер с цилиндрическим вал-червяком, на конце которого жестко закреплена шестерня, связанная с водилом дифференциала трансмиссии.