Вариатор
VARIATOR

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для непрерывного и неразрывного изменения передаточного отношения между двигателем и приводом нагрузочного агрегата,  в частности – автомобиля.
Известен зубчатый вариатор, содержащий корпус, входной и выходной валы, регулирующее устройство, закреплённый на входном валу конусный барабан, имеющий винтовые гребни с нарезанными на них зубьями равного шага, взаимодействующее с ними подвижное в осевом направлении зубчатое колесо, связанное с регулирующим устройством, и трёхзвенный дифференциал, одно звено которого кинематически связано с подвижным зубчатым колесом, а другое – с выходным валом, а также – передаточный механизм, включающий ведущее и ведомое звенья с отрицательным передаточным механизмом, включающим ведущее и ведомое звенья с отрицательным передаточным отношением между ними,  причём ведущее звено кинематически связано со входным валом, а ведомое – с третьим звеном дифференциала -  SU 1040249 A.
Недостаток известного вариатора в том, что регулирование скорости вращения выходного вала  при осевом перемещении подвижного звена  вдоль образующей конусного барабана  не реализуется, т.к. зубья подвижного звена  и зубья винтовых гребней  находятся в зацеплении не постоянно: винтовые гребни соединяются и разъединяются при каждом обороте конусных барабанов.
Кроме того, контакт зубьев подвижного звена  с зубьями винтовых гребней конусных барабанов  сопровождается ударными нагрузками, возникающими из-за несоответствия линейных скоростей этих зубчатых пар, что приводит к преждевременному износу зубьев и к их поломке.
Известно устройство для изменения передаточного отношения коробки передач без разрыва потока мощности, содержащее ведущий вал с шестернями разного диаметра, соединёнными зубчатыми винтовыми дорожками разной заходности,  ведомый вал с шестернями разного диаметра, соединёнными зубчатыми винтовыми дорожками разной заходности, промежуточную шестерню, косую направляющую, расположенную между ведущим и ведомым валами параллельно образующим зубчатых винтовых дорожек,  на которой размещена, с возможностью продольного перемещения, промежуточная шестерня,  находящаяся в зацеплении с шестернями ведущего и ведомого валов, при этом косая направляющая  на концах имеет изломы, размещённые в корпусе с возможностью перемещения параллельно осям ведущего и ведомого валов -  SU 1495550 A1.
Недостаток известного устройства - наличие сложного механизма переключения передач,  невозможность переключения с одной передачи на другую при любом положении ведущего и ведомого валов.
Известно устройство бесступенчатой трансмиссии с переменным передаточным числом, содержащее  первую и вторую конические шестерни,  которые могут вращаться вокруг разнесенных параллельных валов, причем шестерни имеют противоположно направленные вершины. Промежуточная шестерня  на промежуточном валу  может вращаться вокруг оси холостого хода, поперечной валам  и перемещаться вдоль оси поступательного движения, наклонённой под углом  к валам, причем угол составляет половину углов шестерней – WO 9533146 A1.
Известная бесступенчатая трансмиссия является устройством с червячным зацеплением, т.е. имеет установленные недостатки:  сравнительно низкий КПД (0,7-0,92) вследствие скольжения витков червяка по зубьям колеса;  значительное выделение тепла в зоне зацепления червяка с колесом;  необходимость применения для венцов червячных колёс  дефицитных антифрикционных материалов;  повышенное изнашивание и склонность к заеданию;  необходимость регулирования зацепления.
Известно устройство трансмиссии на шестернях со спиральными зубчатыми переходами, содержащее корпус  с вращающимся первым валом, с расположением зубчатых элементов по конусу, второй вращающийся вал  с продольными средствами зацепления, расположенный параллельно поверхности первого вала и отстоящий от него, содержащий шестерню, находящуюся в зацеплении с зубьями первого вала, вращающуюся вместе со вторым валом, но имеющую возможность перемещаться вдоль него при помощи линейного исполнительного механизма, позволяющего позиционировать шестерню в любом месте по длине второго вала, при этом, первый вал имеет в начале и в конце шестерни,  диаметр и число зубьев которых пропорциональны диаметру первого вала в месте их расположения, соединенные двумя встречно навитыми спиральными зубчатыми переходами, в местах пересечения которых также могут располагаться шестерни, а соединение частей этих зубчатых элементов может выступать замкнутым самостоятельным зубчатым элементом - конусной шестернёй переменного радиуса - патент RU 2595721 C2.
Известное устройство достаточно сложно из-за наличия системы управления, отслеживающей линейное положение шестерни вторичного вала, угловое положение начала и конца спиральных переходов и другие параметры, без которых устройство неработоспособно, наличия цифровой вычислительной машины, системы датчиков, необходимых для работы системы управления, а также - устройства системы прижатия вторичного вала к первичному, которое увеличивает моменты трения при передаче крутящего момента, уменьшая КПД устройства.
,
Наиболее близким аналогом изобретения является  вариатор, содержащий корпус  с установленными в нём  двумя однонаправленными конусными спиральными шестернями, имеющими противоположное направление  навивок зубчатых венцовпервичный вал  и размещённый на нём дифференциальный компенсационный элемент. Имеется ведущая и приёмная шестерни,  при этом приёмная шестерня жёстко соединена с одним концом первичного вала и двумя шестернями передачи,   каждая из которых жёстко соединена  с одной из двух спиральных шестерней,  при этом ширина зубьев ведущей шестерни  меньше шага навивки зубчатых венцов спиральных шестерней  на величину необходимого зазора, вторичный вал,  размещённый соосно  первичному валу и одним концом закреплённый в корпусе –   US 2697365 A.
Известное устройство обладает следующими недостатками.
При вращении однонаправленных конусных спиральных шестерней с зубчатыми венцами, находящимися в зацеплении с дифференциальным компенсационным элементом, происходит зацепление и расцепление зубьев шестерней с зубьями компенсационного элемента, которое сопровождается появлением ударных нагрузок на зубьях шестерней упомянутых элементов. Удары возникают из-за разности линейных скоростей при входе зубьев в зацепление и происходят с частотой вращения конических спиральных шестерней, то есть, один оборот – один удар. Такие нагрузки на зубья недопустимы и приводят к преждевременному  износу  как  зубчатых венцов  спиральных шестерней, так и дифференциального компенсационного элемента.
Кроме того, механизм изменения передаточного числа со множеством деталей сложен в изготовлении, например,  имеются шестерни, необходимые для приведения механизмов в действие, а также - удерживающих дифференциальный компенсационный элемент  в нужном положении относительно конических шестерней, и другие сложные детали, понижающие надёжность устройства.
В связи с этим, техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении надёжности устройства,  его упрощении,  достижении  при этом плавности изменения скорости от первичного до вторичного валов во всём диапазоне передаточного числа вариатора,  т.е. передачи вращения без разрыва потока мощности через первичный вал,  получении  возможности включения механизма изменения передаточного числа в любом положении ведущей шестерни.
,
Эта задача решена устройством вариатора, содержащем корпус  с установленными в нём реверсивным электродвигателем, двумя однонаправленными конусными спиральными шестернями, имеющими противоположное направление навивок зубчатых венцовпервичный вал  и размещённые на нём ведущую и приёмную шестерни,  при этом первичный вал  выполнен с протяжённой шпонкой для возможности продольного перемещения по валу ведущей шестерни, приёмная шестерня соединена с одним концом первичного вала и двумя шестернями передачи,   каждая из которых соединена  с одной из двух спиральных шестерней,  при этом ширина зубьев ведущей шестерни  меньше шага навивки зубчатых венцов спиральных шестерней  на величину необходимого зазора. Вторичный вал  размещён соосно  первичному валу и одним концом закреплён в корпусе,  а ведущая шестерня выполнена с кронштейном, образующим  винтовую пару с дополнительно введённым управляющим винтом, закреплённым одним концом  в корпусе  параллельно первичному валу, а другим концом соединённым с реверсивным электродвигателем.
В частных исполнениях вариатора во всех указанных шестернях используют  эвольвентную прямоугольную, или косозубую, или коническую, или другой вид передачи, в которой  шаг и модуль всех зубьев одинаков, а также все указанные шестерни, вторичный вал и управляющий винт закреплены в корпусе с помощью подшипников.
На фиг. 1 показан эскиз вариатора в плане с двумя однонаправленными конусными ветвями спиральных шестерней, на  фиг. 2 – вид сбоку с управляющим винтом.
Вариатор по фиг. 1 содержит корпус 1 с установленными в нём реверсивным электродвигателем 2 и двумя однонаправленными конусными ветвями спиральных шестерней 3, 4, с противоположным направлением навивок зубчатых венцов. Напервичном валу 5 размещены ведущая шестерня 6 и приёмная шестерня 7.  Ведущая шестерня 6 выполнена с кронштейном 8, образующим  винтовую пару с управляющим винтом 9,  закреплённым одним концом  в корпусе 1 параллельно первичному валу 5, а другим концом соединённым с реверсивным электродвигателем 2.
Первичный вал 5 выполнен с протяжённой шпонкой 10 для возможности продольного перемещения по валу 5 ведущей шестерни 6;  при этом ширина зубьев ведущей шестерни 6  меньше шага навивки зубчатых венцов спиральных шестерней 3, 4  на величину необходимого зазора.
Приёмная шестерня 7 соединена с одним концом первичного вала 5 и двумя шестернями передачи 11, 12,   каждая из которых соединена  с одной из двух спиральных шестерней 3, 4, соответственно.
Во всех указанных шестернях 3, 4, 6, 7, 11, 12 используют  эвольвентную прямоугольную, или косозубую, или коническую, или другую передачу, в которой  шаг и модуль всех зубьев одинаков.
Вторичный вал 13, для соединения с нагрузочным агрегатом и размещённый соосно  первичному валу 5,  одним концом закреплён в корпусе 1.
Закрепление в корпусе 1 шестерней 3, 4, 6, 7, 11, 12, управляющего винта 9 и вторичного вала 13  может осуществляться с помощью подшипников 14.
Вариатор представляет собой одноступенчатый редуктор, в котором вращение и крутящий момент передаются двумя ветвями через спиральные шестерни 3 и 4, включаемые во вращение попеременно. На фиг. 1 и 2 показан эскиз вариатора, в котором первичным является вал 5, а вторичным - вал 13.  Работоспособен обратный вариант,  в котором  первичным является вал 13, а вторичным – вал 5.
Устройство работает следующим образом.
При подаче крутящего момента на первичный вал 5,  например, от двигателя внутреннего сгорания (не показан),    передаётся вращение  ведущей шестерне 6, установленной на первичном валу 5. Шестерня 6 вращается,  перемещаясь по первичному валу 5  вдоль шпонки 10,  входит в зацепление с зубчатым венцом спиральной шестерни 3,  поворачивая его на угол от 0 до 180 градусов. Спиральная шестерня 3, соединённая через подшипники 14 с шестерней передачи 11, вращает приёмную шестерню 7 и поворачивает её вместе с сообщающимся с ней вторичным валом 13.
Вслед за  этимзубчатый венецспиральной шестерня 4, получая вращение от ведущей шестерни 6,  завершает один оборот первичного вала 5 на оставшийся угол от 180 до 360 градусов и, через шестерню передачи 12, поворачивает приёмную шестерню 7 с сообщающимся с ней вторичным валом 13.
Таким образом  ведущая шестерня 6 поворачивает по очереди зубчатые венцы спиральных шестерней 3, 4, которые передают вращение вторичному валу 13,  обеспечивая непрерывную передачу крутящего момента от ведущей шестерни 6  к приёмной шестерне 7 от двух спиральных шестерней 3, 4,  вращающихся в одну сторону, которые поочередно, через каждые пол - оборота поворачивают приёмную шестерню 7 вторичного вала 13, осуществляя передачу крутящего момента.
Зубчатые венцы спиральных шестерней 3 и 4 соединяются с ведущей шестернёй 6 в зонах синхронизации,  определённых  конструктивно,  исходя из формы деталей вариатора.
Зоны синхронизации спиральных шестерней 3 и 4 и ведущей шестерни 6 – это зоны, в которых все указанные шестерни при своём вращении зацеплены вместе. Так как зубчатые венцы спиральных шестерней 3 и 4 при своём вращении перемещаются вдоль оси первичного вала 5, то и зоны синхронизации периодически возникают при каждом зацеплении и пропадают при расцеплении ведущей шестерни 6 со спиральными шестернями 3 и 4.
В зонах синхронизации линейная скорость зубьев ведущей шестерни 6 совпадает с линейной скоростью соответствующей спиральной шестерни 8 или 9, и при движении шестерни 6 по валу 5 влево или вправо  происходит изменение передаточного числа.
Условия синхронизации:
─ ширина зубьев ведущей шестерни 6 меньше шага навивки зубчатых венцов спиральных шестерней 3 и 4 на величину необходимого зазора;
─ изменение передаточного числа при включении реверсивного двигателя 2 производится только при вращении всех шестерней 3, 4, 6, 7, 11, 12  вариатора для соблюдения условия перекатывания зубьев ведущей шестерни 6 по зубчатым венцам спиральных шестерней 3 и 4.
При включении реверсивного электродвигателя 2, с помощью винтовой пары кронштейн 8 - управляющий винт 9 и  ведущей шестерни 6 на первичном валу 5, возможно плавно, на ходу изменять передаточное число без потери потока мощности и крутящего момента от первичного вала 5 ко вторичному валу 13.
После изменения передаточного числа вариатора электродвигатель 2 необходимо выключить.
Таким образом,  предлагаемое устройство, в отличие от прототипа, не создаёт в процессе работы ударных нагрузок на зубья шестерней при их зацеплении, т.к. зацепление и расцепление зубьев венцов спиральных шестерней 3 и 4 с ведущей шестернёй 6 происходит только в моменты совпадения линейных скоростей зубьев спиральных шестерней 3 и 4 с ведущей шестернёй 6.
В предлагаемом вариаторе в механизме изменения передаточного числа применяется винтовая пара  кронштейн 8 - управляющий винт 9,  в которых используется  самотормозящаяся резьба. При включении реверсивного электродвигателя 2 происходит изменение передаточного числа, при  его выключении  винтовая пара надёжно фиксирует выбранное передаточное число.
Устройство, обладая  необходимыми свойствами прототипа, конструктивно проще, поскольку в нём отсутствует дифференциальный компенсационный элемент с деталями, его фиксирующими, а также – дополнительные шестерни для приведения механизмов в действие.
Вариатор обладает  свойством плавности изменения скорости от первичного до вторичного валов во всём диапазоне передаточного числа,  т.е. возможно осуществление передачи вращения без разрыва потока мощности через первичный вал; кроме того,   реализуется  возможность включения механизма изменения передаточного числа в любом положении ведущей шестерни.