ДИСКОВЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР
DISK PLANETARY VARIATOR

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.
ш
a
ш
1
2
1
2
2
2
1
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 центров шариков 21 совпадает с радиусом дорожек качения R сателлитов 8 но диску 6 и учитывая, что момент на одном диске равен T=F·f·r, 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: γ=1,3f, а для внутренних: γ=3,25f. С учетом реальных значений f для внешних 6 и внутренних 5 дисков соответственно 0,05 и 0,045, углы γ и γ примерно равны γ1≈4°, γ≈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 γ≈8° соответствует коэффициенту трения 0,15, а самые высокие значения этого коэффициента для упорных шарикоподшипников - 0,002, то есть в 75 раз меньше. Угол γ 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.
1
Для увеличения угла γ 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).
1
1
2
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 γ захода и выхода 20 канавок (см. фиг.3) в устройстве но фиг.4 вдвое больше, чем по фиг.2. То есть угол γ при тех же прочих условиях, что и для устройства по фиг.2, составит около 8°, то есть становится равным углу γ. 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.