Автоматический центробежно-инерционный вариатор

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на различных видах транспорта, а также в механизмах, где необходима плавная регулировка скорости вращения валов. Автоматический центробежно-инерционный вариатор содержит ведущий вал, на ступице которого установлены подвесы с профилированной поверхностью с роликами, опорные ролики и обойму, также выполненную с профилированной поверхностью. Ролики имеют возможность взаимодействовать с внутренней профилированной поверхностью обоймы, выполняющей роль ведомого звена. Опорные ролики, установленные на обойме, имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов. Участки внутренней профилированной поверхности обоймы, соответствующие увеличению радиуса вращения роликов, и начальные участки профилированной поверхности подвесов, соответствующие уменьшению радиуса вращения роликов, могут быть выполнены из эластичного материала. Решение направлено на повышение КПД вариатора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на различных видах транспорта, а также в механизмах, где необходима плавная регулировка скорости вращения валов.

Известна инерционная передача (А.С. №1317211 F16H 25/00, 33/06, 1985), более сложная конструкция, чем предлагаемая.

Известна бесступенчатая передача Хоббса (Леонов А.И., Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента, М.: Машиностроение, 1978, стр.11, рис 2), которая содержит в конструкции механизм свободного хода, малая долговечность которого является недостатком.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является центробежный вариатор (журнал «Техника молодежи» №12, 1977, стр.39), содержащий ведущий вал, который несет на себе ступицу с подвижными в радиальном направлении роликами. Они обкатываются по внутренней поверхности обоймы, имеющей профиль, близкий к эллипсному. Эта обойма играет роль ведомого звена. При вращении ведущего вала ролики движутся в радиальном направлении от оси вала и, обкатываясь по внутренней поверхности обоймы, создают момент, прокручивающий обойму в сторону вращения вала. Недостатком данной конструкции является то, что с увеличением скорости вращения обоймы возникает противодействующей момент и падает КПД вариатора.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении КПД вариатора.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматический центробежно-инерционный вариатор содержит ведущий вал, на ступице которого установлены подвесы с профилированной поверхностью с роликами, которые имеют возможность взаимодействовать с внутренней профилированной поверхностью обоймы, выполняющей роль ведомого звена, а опорные ролики, установленные на обойме, на линии минимального радиуса профилированной поверхности, имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов. Участки внутренней профилированной поверхности обоймы, соответствующие увеличению радиуса вращения роликов, и начальные участки профилированной поверхности подвесов, соответствующие уменьшению радиуса вращения роликов, выполнены из эластичного материала.

На фиг.1 представлен автоматический центробежно-инерционный вариатор с подвесами, совершающими колебательные движения вокруг осей крепления их к ступице; на фиг.2 - то же, но подвесы перемещаются в радиальном направлении.

Автоматический центробежно-инерционный вариатор содержит ведущий вал 1, на ступице 2 которого установлены подвесы с профилированной поверхностью 3 с роликами 4, которые имеют возможность взаимодействовать с профилированной поверхностью 5 обоймы 6, а опорные ролики 7 имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов 3. По конструктивным соображениям на каждом подвесе 3 установлено по два ролика 4.

Автоматический центробежно-инерционный вариатор работает следующим образом. Ведущий вал 1 начинает вращаться. Ролики 4 под действием центробежных сил отклоняются на подвесах 3 от центра вариатора и начинают обкатывать участки профилированной поверхности 5, уменьшающие радиус вращения роликов 4, и создают, на обойме 6 движущий момент М_д.

М_д=F_ц×r×sinά, где

F_ц - центробежная сила от массы роликов 4 и подвесов 3;

ά - значение угла наклона траектории движения центра массы роликов 4 к окружностям, проходящим через центры масс роликов 4;

r - значение радиуса движения центра масс роликов 4.

При движении роликов 4 по участкам профилированной поверхности 5, увеличивающих радиус вращения роликов, линейная скорость роликов 4 возрастает от V_{p min} до V_{p max} и от ведущего вала 1 отнимается работа, равная изменению кинематической энергии роликов 4 на этих участках. При движении роликов 4 по участкам, где радиус вращения роликов 4 уменьшается, одновременно уменьшается линейная скорость движения роликов от V_{p max} до V_{p min}, т.е. скорость движения тормозится профильной поверхностью 5 обоймы 6 и ведущим валом 1.

Таким образом, при неподвижной обойме 6 кинетическая энергия, полученная роликами 4 на участках разгона, возвращается ведущему валу 1, кроме потерь на трение в подшипниках роликов и подвесов и трения роликов 4 при качении. Во время торможения роликов 4 обойме 6 передается импульс силы

F_и×Δt=м×ΔV, где

F_и- сила инерции роликов 4;

Δt - время изменения скорости роликов 4 от V_{p max} до V_{p min};

м - масса роликов 4 (включает в себя массу подвеса, приведенную к центру ролика);

ΔV - разность V_{p max} - V_{p min}.

Под действием силы инерции F_и на обойме 6 развивается движущий момент инерции М_и

М_и=F_и×r_cр, где

r_cр - среднее значение радиуса движения центра масс роликов 4 на участке уменьшения радиуса вращения роликов 4.

При работе вариатора в режиме трансформации момента общий движущий момент (М₂) равен сумме моментов

М₂=М_д+М_и

Когда момент сопротивления нагрузки М_н на ведомой обойме 6 становится меньше общего движущего момента М₂(М₂>М_н), создаваемого роликами 4 на профилированной поверхности 5, ведомая обойма 6 начинает вращаться под действием разности этих моментов.

По мере увеличения частоты вращения ведомой обоймы 6 (ώ₂) уменьшается частота колебаний роликов 4, пропорциональная разности частот вращения ведущего вала 1 (ώ₁) и ведомой обоймы 6 (ώ₂).

Δώ=ώ₁-ώ₂,

а часть кинетической энергии роликов 4 передается ведомой обойме 6 и момент сопротивления на ведущем валу 1 возрастает, что вызывает уменьшение общего движущего момента М₂ (ώ₂). Когда момент сопротивления нагрузки на ведомой обойме 6 М_н достигает значения М_д или станет меньше его

М_н≤М_д

происходит синхронизация вращения ведомой обоймы 6 с ведущим валом 1 (ώ₁=ώ₂, Δώ=0). Теперь вариатор работает как упругоцентробежная муфта. В этом положении ролики 4 располагаются на профилированной поверхности 5 так, что создают максимальный движущий момент.

Таким образом, скорость вращения обоймы 6 может меняться от нулевой до скорости ведущего вала 1 в зависимости от ее нагрузки, т.е. изменение угловой скорости ведомого вала автоматически приводит к изменению передаваемого крутящего момента.

При переходе роликов 4 на участки обоймы увеличивающие радиус вращения роликов, происходит контакт и начинается обкатывание профилированных поверхностей подвесов 3 опорными роликами 7 и усилие от центробежных сил передается в радиальном направлении через опорные ролики 7 на обойму 6, а ролики 4 обкатывают профилированную поверхность 5, выполненную из эластичного материала, практически не оказывая на нее давления, а только регулируя скорость вращения роликов 4.

Противодействующего момента на обойме 6 не создается, механизма свободного хода не требуется, а КПД вариатора повышается.

Форма профилированной поверхности подвесов 3 обеспечивает необходимое перемещение роликов 4 по участкам профилированной поверхности 5, соответствующим увеличению их радиуса вращения, а также обеспечивает равные скорости вращения опорных роликов 7 в начале и конце контакта их с подвесами 3.

Для получения мягкого контакта профилированных поверхностей подвесов 3 с опорными роликами 7 и регулирования их скорости вращения начальные участки профилированных поверхностей подвесов 3, соответствующие уменьшению радиуса вращения роликов 4, выполнены из эластичного материала.

Участки профилированной поверхности 5, увеличивающие и уменьшающие радиус вращения роликов 4, могут быть одной длины, а может быть одинаковым время прохождения этих участков роликами 4.

При увеличении радиуса вращения роликов 4 для обеспечения постоянного контакта профилированной поверхности подвесов 3 с опорными роликами 7 время отклонения роликов 4 от минимального до максимального расстояния от центра вариатора при максимальной разности оборотов ведущего вала 1 и ведомой обоймы 6 не должно быть больше времени перемещения роликов 4 в окружном направлении по участкам профилированной поверхности 5, увеличивающим радиус вращения роликов 4. Установкой на общей обойме нескольких вариаторов, сдвинутых по фазе в окружном направлении, уменьшаем величину пульсации суммарного вращающего момента.

Для обеспечения равномерного вращения ведомого вала устанавливается маховик, функцию которого частично выполняет обойма.

Для обеспечения заднего хода автомобиля на ведомом валу обоймы 6 устанавливают реверсивное устройство, выполненное по классической схеме (не являющееся объектом изобретения, поэтому описание его опускается).

1. Автоматический центробежно-инерционный вариатор, содержащий ведущий вал, на ступице которого установлены подвижные в радиальном направлении ролики, которые имеют возможность взаимодействовать с внутренней профилированной поверхностью обоймы, выполняющей роль ведомого звена, отличающийся тем, что на обойме установлены опорные ролики, а ролики, взаимодействующие с внутренней профилированной поверхностью обоймы, установлены на подвесах с профилированной поверхностью, смонтированных на ступице ведущего вала, а опорные ролики имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов.

2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что подвесы с профилированной поверхностью с установленными на них роликами, взаимодействующими с внутренней профилированной поверхностью обоймы, смонтированы на ступице ведущего вала с возможностью совершать колебательные движения вокруг осей крепления их к ступице.

3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что подвесы с профилированной поверхностью с установленными на них роликами, взаимодействующими с внутренней профилированной поверхностью обоймы, смонтированы на ступице с возможностью перемещения в радиальном направлении.

4. Вариатор по пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что участки внутренней профилированной поверхности обоймы, соответствующие увеличению радиусов вращения роликов, выполнены из эластичного материала.

5. Вариатор по пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что начальные участки профилированных поверхностей подвесов, соответствующие уменьшению радиусов вращения роликов, выполнены из эластичного материала.