Автоматическая бесступенчатая передача
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции бесступенчатых передач, и может найти применение в мотор-вариаторах, где требуется регулирование передаточного отношения в зависимости от нагрузки на выходе передачи. Автоматическая бесступенчатая передача содержит планетарный фрикционный вариатор и механизм изменения передаточного отношения и нажима, выполненный в виде поворотных рычагов (17) с толкателями (23), установленными с возможностью перемещения в направляющих вырезах (24) диска (25), связанного с тихоходным ведомым валом (26). Направляющие вырезы (24) выполнены в виде двух вырезов в диске (25), имеющих форму отрезков спиралей и расположенных по обе стороны от их максимального радиуса удаления от оси вариатора. Вырезы выполнены сходящимися друг с другом в точке их максимального радиуса удаления от оси вариатора. Изобретение обеспечивает реверсирование вращения выходного тихоходного вала при сохранении автоматичности передачи и надежности ее работы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям бесступенчатых передач, и может быть использовано в различных областях техники, в случае необходимости бесступенчатой передачи крутящего момента и регулирования при этом передаточного отношения в зависимости от нагрузки на выходе передачи, в частности, для мотор-вариаторов.
В настоящее время широкое распространение получили бесступенчатые передачи, выполненные на базе фрикционных вариаторов. Известна бесступенчатая передача, содержащая планетарный вариатор, состоящий из внутренних и внешних центральных фрикционных дисков, охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски, механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненный в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски и установленных на водиле планетарного вариатора с возможностью изменения положения поворотных рычагов (патент РФ 2091638, МПК6 F16Н 15/52, 1997 (аналог)). В известном решении механизмы совместного изменения передаточного отношения и нажима прижимают центральные фрикционные диски к промежуточным дискам силами, пропорциональными передаваемым крутящим моментам, с предварительным поджимом пружинами.
Этой передаче присущи следующие недостатки:
- нажимные части механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима сложны, а главное - они не решают задачи оптимального поджима дисков друг к другу из-за того, что коэффициент трения в точках фрикционного масляного контакта сильно меняется; по данным испытаний, проведенных автором, для центральных внутренних фрикционных дисков значение этого коэффициента меняется в интервале 0,015...0,03, а для внешних 0,02...0,08, поэтому нажим, пропорциональный только моменту, для планетарных систем не достигает требуемого результата;
- также не достигают результата конструкции нажимных частей упомянутых механизмов, включающие автоподжим с предварительным поджимом пружиной с усилием, обычно соответствующим 25...35% от максимального усилия; при этом начальный рабочий поджим для внешнего центрального фрикционного диска должен составлять около 5...7% от максимального, и даже эта самая сложная комбинированная схема дает нажим, в 5 раз превосходящий необходимый, и резкое снижение КПД, а для автомобильной трансмиссии этот режим работы является самым распространенным, особенно при движении по шоссе (высшая передача);
- коэффициент трения сильно зависит от частоты вращения валов вариатора, а упомянутые схемы нажимных частей не позволяют осуществлять его коррекцию.
Известна также бесступенчатая передача, содержащая планетарный фрикционный вариатор, состоящий из внутренних и внешних центральных фрикционных дисков, охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски, механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненного в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски и установленных на водиле планетарного вариатора с возможностью изменения положения поворотных рычагов при помощи толкателей, перемещаемых по направляющим (патент РФ 2091637, МПК6 F16Н 15/50, 1997 (аналог)).
Особенностью этого изобретения является то, что толкатели подгружены к направляющим центробежными силами, вызванными неуравновешенностью поворотных рычагов относительно оси их вращения. Такое выполнение вызывает весьма неудобные условия нагружения толкателей, что влечет за собой неточность и ненадежность регулирования. Например, при изменении частоты вращения тихоходного вала в 10 раз (это реальный диапазон изменения передаточного числа вариатора), центробежная сила меняется в 100 раз, при этом крутящий момент, «противодействующий» в системе регулирования этой силе, меняется примерно в 10 раз, и минимальной центробежной силе будет соответствовать как раз максимальный крутящий момент, который на тихоходном валу соответствует минимальной частоте вращения. Практические исследования показали, что подобная система не обеспечивает необходимой точности регулирования передаточного отношения.
Наиболее близкой по совокупности существующих признаков к предлагаемой передаче является автоматическая бесступенчатая передача, содержащая планетарный фрикционный вариатор, состоящий из центральных внутренних и внешних фрикционных дисков, установленных, соответственно, на быстроходном ведущем центральном валу и корпусе и охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненного в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски, и установленного на водиле планетарного вариатора, связанном с тихоходным выходным валом, с возможностью изменения положения поворотных рычагов, причем механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима выполнен с толкателями на поворотных рычагах, установленными с возможностью перемещения по направляющим вырезам на диске, связанном с тихоходным валом, и снабжен элементами нагружения поворотных рычагов, а также силовыми элементами осевого действия, прижимающими центральные фрикционные диски к промежуточным дискам, а элементы нагружения связаны с поворотными рычагами с возможностью поворота указанных рычагов в сторону, соответствующую уменьшению передаточного отношения вариатора от входного центрального вала к выходному тихоходному валу (см. патент Белоруссии BY 7168 от 2005.06.30, F16H 15/05).
Недостатком известной передачи, принятой за прототип, является то, что она не обеспечивает реверсирования вращения выходного тихоходного вала при сохранении ее автоматичности и надежности работы.
Задача изобретения состояла в обеспечении реверсирования вращения выходного тихоходного вала при сохранении автоматичности передачи и надежности ее работы.
Указанная задача решается тем, что предложена автоматическая бесступенчатая передача, содержащая планетарный фрикционный вариатор, состоящий из центральных внутренних и внешних фрикционных дисков, установленных, соответственно, на ведущем центральном валу и корпусе и охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски, механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненного в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски, и установленного на водиле планетарного вариатора, связанном с тихоходным валом, с возможностью изменения положения поворотных рычагов, причем механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима выполнен с толкателями на поворотных рычагах, установленными с возможностью перемещения по направляющим вырезам на диске, связанном с тихоходным валом, и снабжен элементами нагружения поворотных рычагов, а также силовыми элементами осевого действия, прижимающими центральные фрикционные диски к промежуточным дискам, а элементы нагружения связаны с поворотными рычагами с возможностью обеспечения поворота указанных рычагов в сторону, соответствующую уменьшению передаточного отношения вариатора от входного центрального вала к выходному тихоходному валу, в которой, согласно изобретению, направляющие вырезы на диске, связанном с тихоходным валом, выполнены в виде двух вырезов в диске, имеющих форму отрезков спиралей и расположенных по обе стороны от их максимального радиуса удаления от оси вариатора, причем эти вырезы выполнены сходящимися друг с другом в точке их максимального радиуса удаления от оси вариатора.
Другим отличием передачи является то, что поворотные рычаги, несущие промежуточные фрикционные диски, выполнены с противовесами, несущими толкатели в виде роликов, установленных на осях, закрепленных в противовесах, причем ролики установлены в направляющих вырезах в диске, связанном с тихоходным валом.
Еще одним отличием передачи является то, что поворотные рычаги выполнены неуравновешенными, причем масса противовесов на них выбрана больше той массы, при которой поворотные рычаги уравновешены относительно их поворота.
В числе отличий передачи следует отметить то, что элементы нагружения поворотных рычагов выполнены в виде пружин растяжения, связывающих водило с поворотными рычагами и стягивающих промежуточные фрикционные диски на этих рычагах к оси вращения валов вариатора, а также прижимающих толкатели рычагов к направляющим вырезам.
Технический результат изобретения состоит в том, что благодаря особой форме направляющих вырезов для толкателей поворотных рычагов и другим особенностям выполнения в данной передаче обеспечивается возможность реверсирования вращения выходного тихоходного вала при сохранении автоматичности и надежности ее работы.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена общая конструктивная схема бесступенчатой передачи (продольный разрез);
На фиг.2 - вид по А-А фиг.1;
На фиг.3 - вид по Б-Б фиг.1.
Автоматическая бесступенчатая передача содержит ведущий (быстроходный) центральный вал 1 (фиг.1), в данном случае являющийся валом электромотора, объединенного с вариатором в один блок - мотор-вариатор. На валу 1 посажена с возможностью ограниченного осевого перемещения и передачи крутящего момента (на шпонке) втулка 2, на которой с помощью упоров 3 и гайки 4, а также фасонной шпонки 5 посажены центральные внутренние фрикционные диски 6, прижатые к промежуточным фрикционным дискам 7 с помощью тарельчатых пружин 8, упирающихся в борта упоров 3, причем диски 6 посажены на втулке 2 с возможностью их осевого перемещения в пределах, допустимых осевой упругостью пружин 8. Внешние центральные фрикционные диски 9, играющие одновременно роль силовых элементов осевого действия - дисковых пружин, контактирующие с промежуточными фрикционными дисками 7, посажены в корпусе 10 с помощью втулок 11 и 12 с упорами 13 на них, а между дисками 9 может находиться замкнутое или незамкнутое кольцо 14, определяющее осевое расстояние между основаниями дисков 9, однако наличие кольца 14 возможно, но не обязательно. Левая часть (фиг.1) втулки 12 контактирует с торцевой крышкой 15 корпуса 10, и таким образом, основания дисков 9 зажаты между упорами 13 втулок 11 и 12, в свою очередь зажатыми между правым торцом корпуса 10 и крышкой 15, прижимаемой к корпусу 10 болтами 16.
Диски 7 сидят на осях с возможностью некоторого перемещения осей 15 в подшипниках 16, закрепленных на поворотных рычагах 17, в свою очередь жестко закрепленных (например, с помощью штифтов 18) на оси 19, или выполненных с ней заодно (см. фиг.1 и 2). Ось посажена с возможностью поворота в водиле 20, и, таким образом, механизм вариатора образует собой фрикционную планетарную передачу, где внешние центральные фрикционные диски 9 выполняют роль эпицикла, внутренние 6 - солнечного колеса, промежуточные диски 7 на осях 15 в подшипниках 16 поворотных рычагов 22 - сателлитов, а водило 20 - водила планетарной передачи.
Поворотные рычаги 17 выполняются с противовесами 21 повышенной или пониженной массы для увеличения или уменьшения неуравновешенности поворотных рычагов 17 (фиг.2). На поворотных рычагах 17, например, на их противовесах 21, закреплены оси 22, на которых с возможностью вращения посажены ролики 23, играющие роль толкателей кулачковой передачи, взаимодействующие с направляющими 24 (фиг.3), выполненными в виде вырезов в диске 25, соединенном с тихоходным валом 26 (фиг.1) вариатора, на котором посажен с возможностью поворота один конец водила 20, а другой конец водила 20 зафиксирован с возможностью ограниченного осевого перемещения на подшипнике 27 на одном конце втулки 2, а второй конец втулки 2 снабжен подшипником 28, посаженным с возможностью ограниченного осевого перемещения по тихоходному валу 26. Таким образом, втулка 2 имеет возможность ограниченного буртами на валах 1 и 26 осевого перемещения относительно водила 20 и тихоходного вала 26, не имеющими возможности непосредственного осевого перемещения друг относительно друга, а благодаря подшипнику 29, и относительно корпуса 10 с закрепленными в нем дисками 9. Таким образом, по осевому положению дисков 9 выставляются диски 7 с их осями 16, свободно перемещаясь в осевом направлении, относительно водила 20, а также диски 6, закрепленные в пружинах 8 на втулке 2.
Направляющие 24 для роликов 23 в диске 25 (фиг.3), равные по числу поворотным рычагам 17, а стало быть, и роликам 23, выполнены в виде двух вырезов 24 в диске 25, имеющих форму отрезков спиралей, расположенных по обе стороны от их максимального радиуса, отсчитываемого от центральной оси вариатора (где на фиг.3 находятся ролики 23), причем эти вырезы выполнены сходящимися друг к другу на этом радиусе (у роликов 23 на фиг.3) и расходящимися по мере уменьшения радиуса, а между соседними вырезами для направляющих остаются перемычки 30 для сохранения целостности диска 25 и его прочности (фиг.3).
Поворотные рычаги 17 выполнены с элементами крепления 31 для подсоединения одного конца пружин растяжения 32, другой конец которых крепится к элементам крепления 33 на водиле 20; таким образом, пружины 32 стягивают к центру концы поворотных рычагов 17, несущих диски 7, а также прижимают ролики 23 (толкатели) к направляющим вырезам 24.
В корпусе 10 вариатора находится смазка, предпочтительнее специальная вариаторная, повышающая коэффициент трения между фрикционными дисками. Устройства для заливки, контроля и слива масла не показаны.
Для легкого попадания смазки в щель между внешними дисками 9 кольцо 14 и втулка 12 могут выполняться с радиальными отверстиями, а в корпусе 10 на его внутренней цилиндрической поверхности выполняются продольные канавки 34, проходящие под втулкой 12, кольцом 14 и дисками 9.
Работа устройства начинается с минимального передаточного отношения, которое обычно составляет 1,2...1,3, то есть частота вращения вала 26 в это число раз меньше частоты вращения вала 1, в данном случае вала электродвигателя, объединенного с вариатором в один блок - мотор-вариатор. При этом крутящий момент от вала 1 через шпонку, или иное соединение для передачи крутящего момента, передается на втулку 2, сидящую на валу 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения, а с втулки 2 - на упоры 3 и внутренние центральные фрикционные диски 6, соединенные шпонкой 5 с втулкой 2 с возможностью осевого перемещения на ней при работе устройства в пределах упругости пружин 8 с передачей крутящего момента. Диски 6 прижаты с промежуточными фрикционными дисками 7 с двух сторон тарельчатыми пружинами 8, упирающимися своими основаниями в борта на упорах 3, поджатых друг к другу гайкой 4 на втулке 2, и при вращении передают крутящий момент на диски 7, посаженные на оси 2, закрепленные с возможностью осевого перемещения в подшипниках 16, сидящих на поворотных рычагах 17, в свою очередь закрепленных на оси 19, посаженной с возможностью поворота на водиле 20. При вдвигании и выдвигании дисков 7, зажатых между дисками 6, что необходимо для изменения передаточного отношения вариатора, диски 6 перемещаются в осевом направлении по втулке 2 с передачей крутящего момента. Диски 7 находятся также во фрикционном контакте с дисками 9, одновременно играющими роль внешних фрикционных дисков и силовых элементов осевого действия - дисковых пружин. Диски 9 зажаты между упорами 13 втулок 11 и 12 через кольцо 14 и передают крутящий момент (реактивный) на корпус 10 за счет трения. Благодаря тому, что осевой размер кольца 14 меньше осевого расстояния между основаниями дисков 9, свободно касающихся дисков 7 на их периферии, где толщина минимальна, диски 9 всегда прижаты к дискам 7 через упругую деформацию первых, и, таким образом, передают усилие, образующее крутящий момент. Прижим дисков 9 к дискам 7 увеличивается по мере вдвигания дисков 7 конической формы между дисками 9 с увеличением упругой деформации последних как дисковых пружин.
Изменение передаточного отношения вариатора происходит автоматически при изменении крутящего момента на выходном тихоходном валу 26, и, таким образом, вариатор самостоятельно приспосабливается к нагрузке, являясь адаптивным, что весьма ценно для приводов. Происходит это следующим образом. При крутящем моменте на валу 26 меньше определенного значения, пружины 32 стягивают между собой элементы крепления 31 и 33, и, поворачивая поворотные рычаги 17 так, чтобы диски 7, закрепленные на их концах, занимали максимально близкое к оси вращения вариатора положение (фиг.1, фиг.2). Передаточное отношение вариатора при этом минимальное. Этому при вращении водила 20 способствует также неуравновешенность поворотных рычагов 17 при выполнении противовесов 21 повышенной массы по отношению к той, при которой поворотные рычаги 17 уравновешены. Увеличение сопротивления вращения вала 26 вызывает увеличение крутящего момента на диске 25, соединенного с ним, что вызывает поворот этого диска и перемещение роликов 23 (толкателей) в направляющих вырезах 24 в сторону от их максимального радиального удаления от оси вращения валов вариатора (фиг.3). В зависимости от направления вращения вала 1, это перемещение может быть и в одну и в другую сторону от упомянутого положения роликов 23, и, таким образом, вариатор может работать в режиме реверсирования благодаря особой форме направляющих вырезов 24, расположенных по обе стороны вышеупомянутого положения роликов 23 в зоне максимального удаления от оси вращения валов вариатора.
Это перемещение роликов 23 вызывает угловое перемещение поворотных рычагов 17, растяжение пружин 32 и удаление дисков 7 от оси вращения валов вариатора на периферию, что влечет за собой увеличение передаточного отношения вариатора, реально доходящего до значений 8...9. Таким образом, описанная бесступенчатая передача не нуждается в принудительном регулировании, являясь автоматической (адаптивной), что является ценным свойством для большого количества ее применений. В частности, описанная передача в одном блоке с асинхронным электродвигателем образует мотор-вариатор с «мягкой» характеристикой, позволяющей изменять частоту вращения и крутящий момент автоматически в широких пределах, практически сохраняя мощность и частоту вращения электромотора постоянными. Смазка зон контакта дисков 8 и 9 с промежуточными дисками 7 осуществляется путем проникновения масла через отверстие во втулке 12 и кольце 14, а также канавки 34, в кольцевую щель между дисками 9 и разбрызгивания его промежуточными дисками 7 при вращении водила 20.
Реверсирование вращения выходного вала 26 вариатора осуществляется реверсированием входного вала 1 электродвигателя, что, например, в асинхронном электродвигателе осуществляется переключением фаз питающего тока. При этом водило 20 и связанные с ним поворотные рычаги 22 начинают вращаться в другую сторону, и ролики 23 переходят из одного спирального направляющего выреза 24 в другой, расположенный по другую сторону от их максимального радиуса от оси вариатора. При этом диск 25 начинает вращаться в сторону, противоположную первоначальной, приводя во вращение в соответствующую сторону вал 26.
1. Автоматическая бесступенчатая передача, содержащая планетарный дисковый фрикционный вариатор, состоящий из центральных внутренних и внешних фрикционных дисков, установленных соответственно на ведущем центральном валу и корпусе и охватывающих с боковых сторон промежуточные фрикционные диски, механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненного в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски, и установленного на водиле планетарного вариатора, связанном с тихоходным выходным валом с возможностью изменения положения поворотных рычагов, причем механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима выполнен с толкателями на поворотных рычагах, установленными с возможностью перемещения по направляющим вырезам на диске, связанном с тихоходным валом, и снабжен элементами нагружения поворотных рычагов, а также силовыми элементами осевого действия, прижимающими центральные фрикционные диски к промежуточным дискам, а элементы нагружения связаны с поворотными рычагами с возможностью обеспечения поворота указанных рычагов в сторону, соответствующую уменьшению передаточного отношения вариатора от входного центрального вала к выходному тихоходному валу, отличающаяся тем, что направляющие на диске, связанном с тихоходным валом, выполнены в виде двух вырезов в диске, имеющих форму отрезков спиралей и расположенных по обе стороны от их максимального радиуса удаления от оси вариатора, причем эти вырезы выполнены сходящимися друг с другом в точке их максимального радиуса удаления от оси вариатора.
2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что поворотные рычаги, несущие промежуточные фрикционные диски, выполнены с противовесами, несущими толкатели в виде роликов, установленных на осях, закрепленных в противовесах, причем ролики установлены в направляющих вырезах в диске, связанном с тихоходным валом.
3. Передача по п.2, отличающаяся тем, что поворотные рычаги выполнены неуравновешенными, причем масса противовесов на них выбрана больше той массы, при которой поворотные рычаги уравновешены относительно оси их поворота.
4. Передача по пп.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что элементы нагружения поворотных рычагов выполнены в виде пружин растяжения, связывающих водило с поворотными рычагами и стягивающих промежуточные фрикционные диски на этих рычагах к оси вращения валов вариатора, а также прижимающих толкатели рычагов к направляющим вырезам.
