Базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии
BASE VARIATOR OF WIDE-RANGE TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к базовым вариа-торам трансмиссии с плавно управляемым отнулевым изменением скорости вращения выходных валов в промышленных установках и приводах транс-портных средств.
Известна широкодиапазонная реверсивная трансмиссия, включающая базовый вариатор, реверсор и дифференциал (см. патент РФ на изобретение № 2729847, МПК F16H 15/50 (2006.01), опубл. 12.08.2020). В данном устройстве базовый вариатор выполнен дисковым и включает входной вал с внутренним фрикционом в виде сдвоенного конуса и внешний планетарный фрикцион-эпицикл, между которыми установлен сателлит с устройством перемещения его оси. Внешний фрикцион-эпицикл выполнен с возможностью вращения, а сателлит выполнен в виде двух плоских дисков с осевыми ограничителями и установлен с возможностью противофазного наклона плоскостей дисков при перемещении их точек контакта по поверхностям фрикционов. На боковой поверхности фрикциона-эпицикла закреплено первое зубчатое колесо реверсора.
Недостатком аналога является то, что передача вращения от входного вала к реверсору происходит за счет сил трения между гладкими контактными поверхностями фрикционов и сателлитов со всеми сопутствующими эффектами: проскальзыванием, пониженным КПД и повышенными габаритами.
Известна также вариаторная зубчатая передача, включающая конические зубчатые колеса, на поверхностях которых нарезаны криволинейные зубья, установленные с возможностью зубчатого зацепления между собой (см. патент РФ на изобретение № 2389922, МПК F16H 3/42 (2006.01), опубл. 20.05.2010). В данном устройстве конические зубчатые колеса установлены перпендикулярно относительно друг друга с возможностью свободного скольжения по собственным валам без относительного вращения, а криволинейные зубья имеют изменяющийся поперечный профиль, такой, что при перемещении колес вдоль валов в любой момент обеспечивается зубчатое сопряжение колес. При этом колеса установлены таким образом, что увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса. Изменение передаточного отношения, то есть перемещение упомянутых колес вдоль валов, осуществляется при помощи внешнего механизма управления.
Недостатками аналога являются повышенные габариты, сложность конструкции и управления. Это связано с поперечным расположением входного и выходного валов, что в совокупности с запасом на перемещение конусов требует увеличения размеров устройства в целом. Причем при регулярном управлении необходимо непрерывно передвигать вдоль валов быстровращающиеся массивные конические зубчатые колеса, соблюдая синхронность вращения конусов и валов, что усложняет еще и конструкцию, а также способствует появлению эффекта «волчка», ухудшающего энергетику управления. Кроме того, данная передача имеет низкий диапазон изменения передаточного отношения, что не позволяет использовать ее в качестве полноценной трансмиссии, например, в автомобилях.
Наиболее близким к заявляемому решению является зубчатый реверсный вариатор, включающий две конические спиральные шестерни, установленные на параллельных валах и обращенные вершинами в противоположные стороны, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения  (см. патент РФ на изобретение №2546047, МПК F16H 3/42 (2006.01), опубл. 10.04.2015). В данном устройстве конические спиральные шестерни выполнены в виде многозаходных равнонаправленных винтов, а промежуточный элемент выполнен цилиндрическим, ось перемещения которого установлена параллельно боковым поверхностям конусных шестерен, неизменна и неподвижна в пространстве. Равнонаправленность винтов означает их развертку на конические спиральные шестерни по логарифмической винтовой линии, угол наклона которой строго постоянен, но шаг по конусам непрерывно и равномерно нарастает. При этом промежуточный зубчатый элемент должен иметь косые зубья с углом наклона, идентичным углу наклона логарифмической винтовой линии шестерен. Кроме того, в данном вариаторе для перемещения промежуточного зубчатого элемента вдоль конусных шестерен используется механизм в виде винтовой пары, состоящей из ступицы и ходового винта. Привод винтовой пары осуществляется посредством червячного мотор-редуктора через муфту, а ограничение перемещения промежуточной шестерни вдоль винта осуществляется датчиками концевого положения.
Недостатками прототипа являются повышенные габариты, низкое быстродействие, малая мощность и КПД устройства, сложность конструкции и управления. Это связано с тем, что для необходимого изменения передаточного отношения требуется неизбежно большая высота конусов спиральных шестерен, поэтому и ходовой винт длинный, что не позволяет резкое изменение передаточного отношения и увеличивает габариты устройства. Промежуточный зубчатый элемент должен быть как можно короче, что снижает передаваемый момент, в случае увеличения его длины растет трение и понижается КПД, а диапазон плавного варьирования передаточного отношения и передаваемый момент для полноценной трансмиссии недостаточны. Кроме того, применение в качестве привода винтовой пары червячного мотор-редуктора усложняет конструкцию устройства.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении габаритов, повышении быстродействия, мощности и КПД устройства, упрощении конструкции и управления.
Технический результат достигается тем, что базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии, включающий две конические спиральные шестерни, установленные на параллельных валах и обращенные вершинами в противоположные стороны, между которыми установлен промежуточный зубчатый элемент с механизмом перемещения, согласно изобретению, впадины конических шестерен выполнены по спирали Архимеда, промежуточный зубчатый элемент выполнен в виде сателлита с осью вращения, перемещаемой перпендикулярно плоскости осей вращения конических спиральных шестерен, при этом зубья сателлита имеют сопряженный профиль с впадинами конических шестерен.
Механизм перемещения стеллита состоит из каретки с приводом.
Данное устройство позволит снизить габариты, повысить быстродействие, мощность и КПД устройства, упростить конструкцию и управление.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен заявляемый базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии в комплексе с реверсором и дифференциалом.
Базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии включает две конические спиральные шестерни 1 и 2, обращенные вершинами в противоположные стороны и установленные на параллельных валах 3 и 4. Между коническими спиральными шестернями 1 и 2 установлен сателлит 5 с механизмом перемещения 6. Конические спиральные шестерни 1 и 2 выполнены как единое целое с соответствующими валами 3 и 4.  Впадины конических шестерен 1 и 2 нарезаны в виде спирали Архимеда, у которой угол наклона витков плавно растет, но шаг их по конусу остается строго постоянным. Ось вращения салеллита 5, установлена перпендикулярно плоскости осей вращения конических спиральных шестерен 1 и 2, при этом впадины конических шестерен 1, 2 и зубья сателлита 5 имеют сопряженный профиль, например, профиль Новикова. Механизм перемещения 6 сателлита 5 выполнен в виде  каретки с приводом. Базовый вариатор работает в составе широкодиапазонной трансмиссии, включающей еще реверсор 7, дифференциал 8 с выходным валом 9.
Базовый вариатор широкодиапазонной трансмиссии работает следующим образом.
1
Входной вал 3 вращается с угловой скоростью ω вместе с ведущей конической спиральной шестерней 1. Перемещение сателлита 5 осуществляется механизмом перемещения 6, например, механическим, электро- или гидроприводом. При перемещении сателлита 5 вдоль конических спиральных шестерен 1 и 2 изменяется передаточное отношение вариатора в соответствии с формулой
вар
2
1
1
2
/
/
ϕ= (dd)×(tgαtgα),
1
2
1
2
где  d и d - соответственно диаметры контактных окружностей конических спиральных шестерен 1 и 2 в точках их контакта с сателлитом 5; α и α -углы наклона спиралей в этих же точках.
4
3
вар
вар
вар
рев
9
3
варϕрев
9
9
3
вар
рев
вар
рев
/
/
Частота вращения промежуточного вала 4 ω= ωφ. При сечениях элементов зубчатых передач, как показано на фиг. 1, в правом (исходном) положении сателлита 5 передаточное отношение равно ϕ= -1, а в крайнем левом положении ϕ = -0,5. Такой диапазон изменения передаточного отношения достаточен для базового вариатора, так как он работает в составе широкодиапазонной трансмиссии, включающей еще реверсор 7 с передаточным отношением ϕ= -2 и дифференциал 8. Частота вращения выходного вала 9 всей трансмиссии ω= ω[2(ϕ) - 1], поэтому в исходном положении сателлита 5 скорость вращения выходного вала ω= 0, а в крайнем левом положении скорость вращения выходного вала равна скорости вращения входного вала ω= ω. За счет перемещения сателлита 5 передаточное отношение трансмиссии варьируется плавно и быстро от единицы (когда ϕϕ= 1; промежуточный вал 4 вращается вдвое быстрее входного вала 3, а выходной вал 9 - с частотой вращения входного вала 3) до бесконечности (когда ϕϕ= 2; промежуточный вал 4 вращается с частотой входного вала 3, а выходной вал 9 остается неподвижным).
В заявляемом базовом вариаторе расположение оси сателлита 5 перпендикулярно плоскости осей вращения конических спиральных шестерен 1 и 2 повышает КПД, увеличивает передаваемый момент и позволяет изготавливать шестерни значительно меньших размеров по сравнению с прототипом, что повышает компактность устройства в целом. Выполнение профиля зубьев сателлита 5 сопряженным с впадинами конических шестерен 1 и 2 уменьшает шумность и увеличивает передаваемый момент.
В современных автомобильных приводах такая трансмиссия позволяет, например, отказаться от гидротрансформатора с клиноременным вариатором или от автоматической коробки передач и сцепления.
Данное устройство по сравнению с прототипом позволит снизить габариты, повысить быстродействие, мощность и КПД устройства, упростить конструкцию и управление.