Бесступенчатый вариатор
CONTINUOUSLY VARIATOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве бесступенчатой трансмиссии транспортных средств.
Известен клиноременный вариатор, где два равных круглых конических шкива вращаются вокруг неподвижной оси, и могут сближаться или удаляться друг от друга вдоль оси. Такие же равные конические шкивы вращаются и скользят вокруг и вдоль другой неподвижной оси. Гибкое звено в форме жестко-упругого клиноременного звена охватывает шкивы. Раздвижению шкивов должно соответствовать определенное сближение конусов и наоборот. Передаточное отношение переменное и зависит от положения шкивов. Таким образом, механизм может осуществлять бесступенчатое изменение передаточного отношения. [Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. В 7 томах. – Том 4. - Кулачковые и фрикционные механизмы. Механизмы с гибкими звеньями. – М.: Издательство «Наука» главная редакция физико-математической литературы, 1975. – с. 447.]
Известен способ преобразования крутящего момента, предусматривающий его передачу посредством ремня от ведущего шкива ведомому шкиву, по меньшей мере один из которых образован подвижными элементами, установленными с возможностью изменения радиуса охватываемой ремнем поверхности, отличающийся тем, что подвижные элементы выполнены прямолинейными, образующими поверхность однополостного гиперболоида вращения, а изменение радиуса охватываемой ремнем поверхности осуществляют путем изменения угла наклона подвижных элементов к плоскости расположения ремня. [патент РФ № 2124155, кл. F16Н9/16, опубл. 27.12.1998, Бюл. №18-2004].
Общим для данных и аналогичных им устройств являются то, что передача крутящего момента происходит за счет сил трения, которые возникают между шкивами и ремнем. Поэтому они имеют и общие недостатки, а именно:
1. Ограниченная передаваемая мощность.
2. Значительные силы, действующие на валы и опоры.
3. Повышенный износ ремня.
4. Нарушение передаточного отношения вследствие проскальзывания ремня относительно шкивов при повышенной нагрузке.
5. Практически невозможность менять передаточное отношение в том случае, если шкивы не вращаются, или вращаются с очень небольшой скоростью. Это связано с тем, что при увеличении или уменьшении диаметра шкива меняется величина пятна контакта шкива с ремнем, при этом ремень вынужден проскальзывать относительно шкива, т.е. преодолевать силу трения, за счет которой передается крутящий момент.
Известен также, выбранный в качестве ближайшего аналога (прототип), ремень для вариатора с приводными кольцами, включающий негибкое первое приводное кольцо, негибкое второе приводное кольцо, замкнутый гибкий приводной элемент, натянутый между первым приводным кольцом и вторым приводным кольцом на внешней поверхности первого приводного кольца и внешней поверхности второго приводного кольца, первую втулку, установленную вокруг внешней поверхности первого приводного кольца, причем первая втулка имеет скользящее зацепление с первым приводным кольцом и нескользящее зацепление со вторым приводным кольцом, вторую втулку, установленную вокруг внешней поверхности второго приводного кольца, причем вторая втулка имеет скользящее зацепление со вторым приводным кольцом и нескользящее зацепление с первым приводным кольцом, при этом первое приводное кольцо выполнено с возможностью взаимодействия с первым шкивом переменного диаметра, имеющим щеки, причем щеки названного первого шкива переменного диаметра подвижны в осевом направлении относительно друг друга и второе приводное кольцо выполнено с возможностью взаимодействия со вторым шкивом переменного диаметра, имеющим щеки, причем щеки названного второго шкива переменного диаметра подвижны в осевом направлении относительно друг друга [патент РФ № 2247272, кл. F16Н9/00, F16Н9/12, F16Н55/56, опубл. 27.02.2005, Бюл. № 6].
Основное техническое решение описанного устройства заключается в том, что передача мощности происходит в месте контакта приводного кольца со щеками шкивов, а не между гибким ремнем и щеками. Отказы ремня, вызванные перегревом и трением, значительно снижены. Достоинством является так же и то, что, когда ремень и приводные кольца имеют зубчатый профиль, они не проскальзывают относительно друг друга.
Заявляемое изобретение и прототип имеют следующие общие технические признаки: Ремень (цепь) предающий крутящий момент между ведущим и ведомым шкивами имеет зубчатый профиль исключающий проскальзывание между ним и  приводными кольцами  (у прототипа) и между ним и кулачками (у заявляемого изобретения). Конструкция заявляемого изобретения и прототипа, так же позволяет увеличить срок службы ремня (цепи), так как при работе вариатора в том и другом случае отсутствуют  поперечные или сжимающие усилия. У заявляемого изобретения в них нет необходимости, а у прототипа эти усилия воспринимаются приводными кольцами.
Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что у него отсутствуют приводные кольца, которые являются переходными элементами между ремнем (цепью) и шкивами. Основное отличие, так же в том, что передача крутящего момента между шкивами происходит не за счет сил трения, а за счет контактирующих между собой элементов шкивов и ремня (цепи), представляющих собой храповое зацепление.
Недостатком  прототипа  является то, что передача крутящего момента происходит за счет сил трения и есть вероятность проскальзывания приводных колец относительно шкивов. Это ограничивает величину передаваемого крутящего момента. Отличие от других аналогов в том, что силы трения возникают не между шкивами и ремнем, а между шкивами и приводными кольцами.
Задача, заявленного технического решения, заключается в разработке   вариатора для бесступенчатого изменения передаточного отношения между ведущим и ведомым шкивами с высокой передаваемой мощностью, без нарушения передаточного отношения вследствие проскальзывания ремня (цепи) относительно шкивов, с возможностью менять передаточное отношение, как при вращающихся шкивах, так и в том случае если они не вращаются.
Данная задача достигается за счет того, что ведущий и ведомый валы имеют шкивы с изменяющимся диаметром, охваченные ремнем (цепью), при этом контактирующие между собой элементы шкивов и ремня (цепи), представляют собой храповое зацепление, которое не допускает проскальзывание ремня (цепи) относительно шкивов, и позволяет изменять диаметр шкивов, как при их вращении, так и в том случае если они не вращаются.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного конструктивного исполнения.
Вариатор состоит из ведущего и ведомого шкивов, охваченных ремнем (цепью) 9.  Шкивы состоят из наклонных стержней 1, которые придают им форму конусов, направленных противоположно (фиг.). Стержни 1 являются направляющими для перемещения кулачков 2 вдоль осей 8 шкивов. Кулачки 2 имеют наклонное отверстие 3 для стержней 1 и ролики 4, для взаимодействия с радиальными пазами 5 дисков 6, 7. Пазы 5 дисков 6, 7 являются направляющими для радиального перемещения кулачков 2. Стержни 1 проходят через пазы 5, поэтому диски 6, 7 вращаются вместе с соответствующими шкивами. Диски 6, 7 могут, так же синхронно перемещаться вдоль соответствующих осей вращения 8 шкивов, передвигая при этом кулачки в сторону большего радиуса на одном из шкивов и в сторону меньшего радиуса на другом. Устройства управления дисками шкивов известны в технике, поэтому в данном примере рассматриваться не будут.
Место контакта кулачков с ремнем (цепью) представляет собой храповое зацепление, состоящее из расположенных на кулачках 2 собачек 10 и зубчатого ремня (цепи) 9 с соответствующим (в данном примере прямоугольном) профилем зубьев. При этом собачки на кулачках ведомого шкива, установлены противоположно по отношению к собачкам на ведущем шкиве. Собачки прижимаются к ремню (цепи) с помощью пружин 12.
На фиг. изображен общий вид бесступенчатого вариатора.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
2
1
Крутящий момент с ведущего шкива на ведомый передается с помощью храповых зацеплений между кулачками соответствующих шкивов и ремнем (цепью). На ведущем шкиве собачка кулачка упирается в зуб ремня (цепи) и передает усилие ремню (цепи) в направлении вращения ведущего шкива, а на ведомом шкиве зуб ремня упирается в собачку кулачка и передает усилие на ведомый шкив. При изменении радиусов шкивов изменяется и расстояние L между кулачками. При увеличении радиуса оно становится больше (L), а при уменьшении, меньше (L). В этом случае собачки скользят по ремню (цепи) 9 в направлении противоположном передаче усилия, так как храповое зацепление осуществляет передачу усилия только в одном направлении. При этом передача крутящего момента между шкивами не прерывается.
Таким образом, происходит изменение диаметров шкивов, даже если они не вращаются.
При реализации заявляемого технического решения могут быть получены следующие технические результаты:
1. Реализация бесступенчатой передачи крутящего момента без использования сил трения.
2. Высокая передаваемая мощность.
3. При работе вариатора передаточное отношение не нарушается, так как ремень (цепь) не проскальзывает относительно шкивов.
4. Возможность изменения передаточного отношения, как при вращающихся шкивах, так и в том случае если они не вращаются.