ВАРИАТОР СО СМЕЩЕННЫМИ ОСЯМИ ВРАЩЕНИЯ
VARIABLE-SPEED GEAR WITH SHIFTED AXES OF ROTATION

Вариатор со смещенными осями вращения по своему назначению является аналогом традиционных коробок передач как механических, так и автоматических, используемых в качестве узла автомашин, имеющих двигатель внутреннего сгорания.
Описание ступенчатой механической коробки передач приведено в технической литературе «Автослесарь», 2003 года издания, авторы Чумаченко Ю.Т., Герасименко А.И. и Рассанов Б.Б., а автоматической коробки передач в пособии для автомобилистов «Устройство автоматических коробок передач и трансмиссий», 2003 года издания, автор Косенков А.А.
В отличие от традиционных коробок передач, вариатор позволит плавно изменять передаточное отношение при передаче вращения от вала двигателя к ведущим колесам автомашины.
Вариатор включает в себя планетарный механизм, состоящий из водила 1, фиг.1, фиг.2, жестко закрепленного на валу 2 и соединенного через этот вал 2 с двигателем автомашины. На водиле 1 размешены зубчатые сателлиты 3, кинематически соединенные с внешним колесом 4 планетарного механизма и центральным колесом 5. Сателлиты 3 имеют возможность вращаться как вокруг собственной оси 6, так и вместе с водилом 1, вокруг оси 7. Внешнее колесо 4 и центральное колесо 5 размещены на валу 2 и могут вращаться на этом валу 2. Кроме этого, внешнее колесо 4 имеет кинематическое соединение с зубчатым колесом 8. Ось вращения 7 водила 1 и ось вращения 9 колеса 8, кинематически соединенного с внешним колесом 4 планетарного механизма, смещены относительно друг друга. Каждый зубчатый сателлит 3 жестко соединен, посредством вала 10, еще с одним водилом 11, фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4а). Зубчатые сателлиты 3 и водила 11 имеют возможность вращаться как вокруг оси 7, вместе с водилом 1, жестко закрепленном на валу 2, так и вокруг собственной оси 6. На водилах 11, жестко соединенных с зубчатыми сателлитами 3, расположено еще несколько конусных не зубчатых сателлитов 12, соединенных между собой кинематически не зубчатым колесом 13. Конусные не зубчатые сателлиты 12 могут вращаться как вокруг оси 6, вместе с водилами 11, на которых они расположены, так и вокруг собственной оси 14. Не зубчатое колесо 13 может вращаться на валу 10, на котором оно расположено. Конусные не зубчатые сателлиты 12 имеют возможность входить в контакт и выходить из такого контакта с направляющими 15, фиг.1, фиг.5, расположенными на зубчатом колесе 8, кинематически соединенном с внешним колесом 4 планетарного механизма. Во время контакта, конусные не зубчатые сателлиты 12 имеют возможность прокатываться по направляющим 15. Направляющие 15 могут вращаться, как вместе с зубчатым колесом 8, на котором они расположены, вокруг оси 9, так и катиться на зубчатых колесах 16 по зубчатой рейке 17, с возможностью фиксации в заданном положении. Направляющие 15 жестко соединены с зубчатыми колесами 16 валом 18, и при качении зубчатых колес 16 по рейке 17, могут катиться и вращаться вместе с этими колесами 16. Валы 18 направляющих 15, с помощью держателей 19, соединены с дисковым не зубчатым колесом 20, расположенным на валу 21. Этот вал 21 соединен с ведущими колесами автомашины и имеет жесткое соединение с колесом 8, которое кинематически связано с внешним колесом 4 планетарного механизма, фиг.1. Дисковое не зубчатое колесо 20 может вращаться вместе с колесом 8, имеющим кинематическое соединение с внешним колесом 4 планетарного механизма, и смещаться вдоль оси вращения 9 вала 21, на котором это колесо 20 расположено. Дисковое не зубчатое колесо 20 находится в контакте с не зубчатыми колесами 22, закрепленными на приводном штоке 23, фиг.1, фиг.4б). Не зубчатые колеса 22 на приводном штоке 23 имеют возможность катиться по поверхности дискового не зубчатого колеса 20, и вместе с этим колесом 20 и приводным штоком 23 смещаться вдоль оси вращения 9 указанного вала 21. Приводной шток 23 соединен с приводным механизмом 24.
Принцип действия приводного механизма 24, фиг.1, аналогичен принципу действия соленоида, используемого в автоматической коробке передач для регулирования давления жидкости в магистрали и управления переключением передач.
Конструкция приводного механизма 24 с фиг.1 изображена на фиг.6.
Внутри приводного механизма находится подвижный золотниковый клапан 25. Его положение определяется магнитным полем обмотки 26, возникающим при подаче тока в обмотку 26. Если через обмотку 26 не течет ток, то под действием пружины 27 клапан 25 полностью сдвигается влево. При этом давление жидкости, перекачиваемой насосом через трубопровод 28 в трубопровод 29, не передается. При подаче тока в обмотку 26, клапан 25 смещается вправо, что приводит к появлению давления жидкости в трубопроводе 29. Чем больший ток проходит через обмотку 26, тем больше клапан 25 смещается, с помощью якоря 30, вправо и тем больше оказывается давление жидкости на выходе в трубопроводе 29.
Жидкость из трубопровода 29 может перемещать поршень 31 в цилиндре 32. Поршень 31 соединен с приводным штоком 23, фиг.6 и фиг.1. Под действием поршня 31, фиг.6, и пружины 33, фиг.1, дисковое не зубчатое колесо 20, фиг.1, может находиться как в фиксированном положении, так и смещаться вдоль оси 9.
Принцип действия вариатора заключается в следующем.
Вращение от двигателя передается валу 2, фиг.1. Вместе с валом 2 вращается водило 1. Зубчатые сателлиты 3 катятся по внешнему колесу 4 планетарного механизма и вращают колесо 5. Одновременно с этим, конусные не зубчатые сателлиты 12 входят в контакт с направляющими 15, прокатываясь по направляющим 15, и выходят из контакта, фиг.5.
Конусные не зубчатые сателлиты 12 движутся по дугам 34. Дуги 34 движения сателлитов 12 совпадают с профилем направляющих 15, фиг.5, фиг.7а).
При таком положении направляющих 15 вращение колесу 4 и колесу 8 не передается фиг.1, фиг.5, и они остаются неподвижными.
Данный режим работы вариатора соответствует нейтральной передаче.
Такой режим работы осуществляется благодаря тому, что в обмотке 26, фиг.6, приводного механизма 24, фиг.1, отсутствует ток.
При подаче тока в обмотку 26, фиг.6, клапан 25 смещается вправо. Что приводит к появлению давления в трубопроводе 29 и перемещению поршня 31 в цилиндре 32. Поршень 31, через приводной шток 23 и не зубчатые колеса 22, фиг.1, смещает вправо дисковое не зубчатое колесо 20. Под действием колеса 20 и держателей 19 направляющие 15 перекатываются по зубчатой рейке 17 и принимают новое фиксированное положение. При этом профиль направляющих 15, фиг.5, в месте контакта с не зубчатыми конусными сателлитами 12, изменяется и начинает пересекать дугу 34 движения не зубчатых конусных сателлитов 12, фиг.7б). В результате этого, между сателлитами 12 и направляющими 15 возникает упор, что вызывает вращение колес 8 и 4, фиг.1, и через вал 21 вращение начинает передаваться ведущим колесам автомашины.
При прочих равных условиях, в традиционном планетарном механизме, возникновение указанного упора привело бы к вращению колеса 8 вместе с водилом 1, а относительная угловая скорость колеса 8 водила 1 равнялась бы нулю.
В вариаторе, смещение оси вращения 7 водила 1 и оси вращения 9 вала 21 позволяет, при создании указанного выше упора, добиться относительного вращения колеса 8 и водила 1, фиг.1.
По мере вращения водила 1 и зубчатых сателлитов 3, фиг.1, фиг.5, перед тем как одни не зубчатые сателлиты 12 выходят из контакта с направляющими 15, другие сателлиты 12 входят в контакт с направляющими 15. Таким образом, достигается непрерывность передачи вращения.
Для изменения передаточного отношения, в обмотке 26, фиг.6, увеличивается сила тока, что приводит к увеличению давления в трубопроводе 29 и смещению поршня 31. Это в конечном итоге вызывает перекатывание направляющих 15 по зубчатым рейкам 17, фиг.1. При новом положении направляющих 15, их профиль в большей степени начинает пересекать дугу 34 движения сателлитов 12, фиг.5, фиг.7б).
Это приводит к увеличению угла поворота колеса 8 относительно водила 1, фиг.1, а следовательно, к изменению передаточного отношения. Величина передаточного отношения зависит от профиля направляющих 15, в месте контакта с незубчатыми сателлитами 12.
Так как колеса 4 и 8 имеют зубчатое зацепление, то передаточное отношение между этими колесами остается постоянным. А изменение передаточного отношения происходит между водилом 1, с одной стороны, и колесами 8 и 4, с другой стороны.
Смещение оси вращения 7 водила 1 и оси вращения 9 вала 21, фиг.1, вызывает, во время работы вариатора, изменение расстояний 35 и 36, фиг.8, от места контакта 37 сателлита 12 и направляющей 15 до осей вращения 7 и 9. Поэтому равномерность вращения движущихся деталей в вариаторе достигается путем подбора степени кривизны профиля направляющих 15.
На фиг.9а) изображен механизм, состоящий из водила 38, не зубчатого сателлита 39 и колеса 40, у которого удалена часть. Водило 38 вращается вокруг оси 41, а колесо 40 - вокруг оси 42. При вращении водила 38, сателлит 39 катится по срезу 43 колеса 40 и вращает колесо 40 по часовой стрелке. При положении водила 38, указанного на фиг.9а), расстояние 44 от места контакта 45 сателлита 39 и колеса 40 до оси вращения 42 колеса 40 равно расстоянию 46 от места контакта 45 сателлита 39 и колеса 40 до оси вращения 41 водила 38.
По мере вращения водила 38 и достижения им положения, указанного на фиг.9б), расстояния 44 и расстояния 46 будут отличаться друг от друга.
То есть, по мере вращения водила 38, расстояние 46 будет уменьшаться по отношению к расстоянию 44. Таким образом, при постоянной угловой скорости водила 38, угловая скорость колеса 40 будет уменьшаться.
Добиться выравнивания угловой скорости колеса 40 можно путем изменения профиля среза 43 колеса 40. Например, чтобы сделать угловые скорости водила 38 и колеса 40, фиг.10а), равными, необходимо выбрать определенный шаг поворота и поворачивать на этот шаг водило 38 и колесо 40, отмечая точками 47 места контакта 45 сателлита 39 и колеса 40. При соединении точек 47 контакта 45 сателлита 39 и колеса 40 получится кривая 48, соответствующая профилю среза 43 колеса 40. Размер шага поворота водила 38 и колеса 40 может быть любым - 1°, 2°, 3° и т.д.
Таким способом можно добиться любого значения передаточного отношения. Например, если водило 38 поворачивать на 2°, а колесо 40 на 1° и отмечать точками 47 места контактов 45 сателлита 39 и колеса 40, то при соединении точек 47 линией получится кривая 48, соответствующая профилю среза 43. При качении по срезу 43, с таким профилем, сателлита 39, передаточное отношение от водила 38 к колесу 40 будет равно 1/2.
Придать равномерность вращению водила 38 и колеса 40, а также установить необходимое передаточное отношение, можно путем подбора кривизны среза 43 колеса 40, как это было рассмотрено выше, но при этом расстояния 44 и 46 все равно будут изменяться, что вызовет неравномерность вращения сателлита 39. Для выравнивания угловой скорости сателлита 39 его радиус 49, фиг.9а) и б), фиг.10а) и б), в месте контакта 45 с колесом 40, также должен изменяться. Этого можно добиться, придав сателлиту 39 форму конуса, фиг.10б). Благодаря тому, что линия среза 43 расположена под углом 55, фиг.10б), к вертикали, поворот водила 38 вызывает смещение места контакта 45 сателлита 39 и колеса 40 вдоль оси 50, фиг.10а) и б). Это приводит к изменению радиуса 49 сателлита 39 в месте контакта 45. Для равномерного вращения сателлита 38, изменение его радиуса 49 должно соответствовать изменению соотношения расстояний 44 и 46. Если при постоянной угловой скорости водила 38, фиг.10а), сателлит 39 вращается с ускорением, то для выравнивания его угловой скорости, радиус 49, фиг.10б), со смещением контакта 45, должен увеличиваться.
При перекатывании направляющей 15 по рейке 17, кривизна профиля 51 направляющей 15, в месте контакта с сателлитом 12, изменяется, фиг.1, фиг.7б). Это вызывает изменение передаточного отношения. Каждому значению кривизны профиля 51, в месте контакта с сателлитом 12, соответствует определенная величина передаточного отношения. Положение направляющих 15 определяется силой тока, подаваемого в обмотку 26, фиг.6, приводного механизма 24, фиг.1. А сила тока подаваемого в обмотку 26, в свою очередь, зависит от частоты вращения ведущих колес автомашины.
Не зубчатые колеса 13 предназначены для выравнивания угловых скоростей не зубчатых конусных колес 12 находящихся в контакте с направляющими 15 и колес 12 вне такого контакта, фиг.5.
Зубчатые детали вариатора позволяют придать сателлитам 12 и направляющим 15, фиг.5, определенное положение, во время их контакта, при любом значении передаточного отношения.
Схема соединения вариатора с двигателем и ведущими колесами автомашины изображена на фиг.11. Где 52 - вариатор, 2 и 21 - валы с фиг.1, 53 - двигатель, 54 - ведущие колеса автомашины.
Вместе с вариатором может применяться сцепление или гидравлический трансформатор, используемый в автоматических коробках передач.
Описание гидравлического трансформатора изложено в пособии для автомобилистов «Устройство автоматических коробок передач и трансмиссий», 2003 года издания, автор Косенков А.А.