ВАРИАТОР НА ОСНОВЕ ШЕСТЕРНИ ИЗМЕНЯЕМОГО ДИАМЕТРА
VARIATOR BASED ON GEAR OF VARIABLE DIAMETER

Область техники
Все области машиностроения.
Уровень техники.
Существующие на текущий момент времени разработки вариаторов включают в себя следующие технологии:
Фрикционные вариаторы: лобовые, конусные, шаровые, многодисковые, торовые, волновые, дискошариковые, клиноременные, описанные в «Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы)» Б.А. Пронин, П.А. Ревков. Москва, Машиностроение, 1980 г.
Известны гидравлические вариаторы, состоящие из гидравлических насоса и мотора и системы регулировки потока. Например «гидравлический вариатор» (патент РФ №2404386, кл. F16H 39/42, 2009 г.).
Электрические вариаторы, состоящие из электрического генератора и мотора (иногда объединенных), системы регулировки тока, напряжения, частоты или фазы, а также аккумуляторов, описанных в «Электрические машины», часть 2, Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Москва, 1987 г., глава 8.14.
Фрикционные вариаторы, состоящие из ведущего и ведомого дисков (шкивов) с поверхностями, обеспечивающими передачу крутящего момента фрикционным способом через ролики, шарики или клиновый ремень, взаимодействующие с ними по регулируемым радиусам во всем диапазоне регулировки передаточного числа.
Вариаторы существующих типов, основанные в основном на фрикционных передачах, имеют высокие потери на трение качения и скольжения, ограничение передаваемого крутящего момента и громоздкие системы прижима, включающие перегибаемые элементы, имеют малые ресурс, надежность и высокие потери на деформацию. В гидравлических высокие потери из-за вязкости, существует эффект срыва и другие эксплуатационные ограничения. Электрические вариаторы громоздки и дорогостоящи.
Раскрытие изобретения.
Сущностью изобретения является возможность плавного регулирования передаточного числа и, как следствие, выходных скорости и крутящего момента в машинах, агрегатах и механизмах в широком диапазоне крутящих моментов, при высоких КПД и надежности.
Вариатор на основе шестерни изменяемого диаметра решает следующие технические задачи: устройство заменяет узел с переключаемыми дискретными передаточными числами (в частности, коробка переключения передач). За счет плавности регулирования достигаются более выгодные режимы сопряженных устройств, а также посредством снижения передаточного числа достигаются эффекты рекуперации или торможения двигателем, что упраздняет необходимость в тормозных механизмах. Достигается повышение максимального допустимого крутящего момента, КПД, срока службы и надежности по отношению к аналогичным устройствам.
По конструкции это устройство - аналог механической коробки переключения передач (МКПП). Отличие заключается только в том, что в МКПП имеется группы постоянно вращающихся шестеренок и переключение передаточного числа происходит при замыкании одной группы и размыкании остальных при разъединении устройства (дисков) сцепления на первичном валу, а в вариаторе на основе шестерни изменяемого диаметра имеется группа постоянно вращающихся шестеренок, изменяющих свое положение в пространстве. Устройства сцепления установлены на каждой шестерне всей группы шестеренок, находящихся в постоянном зацеплении в ведомой шестерней, и передача крутящего момента происходит при включении сцепления с одной шестерней, находящейся в нужном положении.
Признаками вариатора на основе шестерни изменяемого диаметра являются: применение составной ведущей зубчатой шестерни, состоящей из нескольких маленьких сателлитов.
Независимо от того, какой диаметр имеет ведущая шестерня, передача крутящего момента от ведущей шестерни к ведомой происходит только с помощью тех зубьев ведущей шестерни, которые находятся в секторе (3), остальные зубья ведущей шестерни в передаче крутящего момента не участвуют фиг. 12. Заменим ведущую шестерню колесом с маленькими шестеренками (сателлитами) оси которых закреплены на прямоугольных направляющих, которые могут перемещаться внутри ведущего колеса по своим каналам фиг.13. Для того чтобы крутящий момент от ведущей шестерни передавался к ведомой, необходимо выполнить 2 условия:
Необходимо, чтобы сателлиты при попадании в область сектора (3) жестко фиксировались и не могли вращаться вокруг своей оси, а вне сектора (3) свободно вращались вокруг своей оси.
Необходимо, чтобы при приближении к сектору (3) зубья сателлитов совпадали с зубьями ведомой шестерни независимо от положения привода изменения передаточного числа.
Для того, чтобы сателлиты при попадании в область сектора (3) жестко фиксировались и не могли вращаться вокруг своей оси в качестве быстродействующего фиксатора сателлитов (на рисунке не показан) применен конический тормоз, хотя возможно применение и любого другого типа тормоза (дискового, барабанного, ленточного).
Также возможно вместо тормоза использовать механизм свободного хода (обгонную муфту) реверсивного действия.
Так как прямоугольные направляющие могут свободно перемещаться внутри ведущей шестерни по своим каналам, а сателлиты вне сектора (3) могут свободно вращаться вокруг своей оси, сателлиты должны всегда быть в зацеплении с ведомой шестерней. Этим будет достигаться постоянное совпадение зубьев сателлитов с зубьями ведомой шестерни независимо от положения привода изменения передаточного числа фиг.4, фиг.5.
Краткое описание чертежей
Цифрами на чертежах показаны:
1. Ведущее колесо.
2. Ведомая шестерня.
3. Часть корпуса с выступом в виде сектора.
4. Рамка крепления ведомой шестерни и изменения крутящего момента.
5. Привод изменения крутящего момента.
6. Входной (первичный) вал.
7. Промежуточная шестерня, жестко связанная с промежуточным валом.
8. Коронная шестерня (эпицикл).
9. Выходной (вторичный) вал.
10. Винт изменения крутящего момента.
11. Часть корпуса.
12. Двигатель.
13. Сателлит.
14. Конический фиксатор.
15. Ось сателлита.
16. Направляющая оси сателлита.
17. Нажимная лапка.
18. Планетарные шестерни (сателлиты) выходного дифференциала.
19. Упорная шайба.
20. Вытягивающее кольцо.
21. Корпус компенсатора.
22. Возвратная пружина.
23. Силовая пружина.
24. Нажимная гайка.
25. Торцевая гайка.
26. «Палец».
27. Разрезное упругое кольцо.
Осуществление изобретения.
Во внутренней части ведущего колеса (1) изготавливаются прямоугольные канавки от центра к периферии, по которым свободно перемещаются направляющие оси сателлита (16) фиг.2. По бокам канавки сужены упорными бортиками, которые предотвращают движение направляющих по оси, параллельной оси вращения ведущего колеса. Внутрь направляющих (16) встроен компенсатор механического износа и температурных колебаний, к которому с одной стороны крепится вытягивающее кольцо (20) с нажимной лапкой (17) фиг.9, а с другой ось сателлита (15) в сборе с сателлитом (13) и коническими фиксаторами (14) фиг.8. Компенсатор механического износа и температурных колебаний в сборе с сателлитом показан на фиг.11 (правый конический фиксатор показан в разрезе). При вращении ведущего колеса (1), независимо от того, в каком положении находятся направляющие (16), нажимная лапка (17) неизбежно проходит ту часть корпуса (3), на которой находится выступ в виде сектора фиг.3. При проходе этого выступа происходит нажатие на нажимную лапку (17), которая, упираясь в направляющую (16), вытягивает вытягивающее кольцо (20), которое через компенсатор тянет за собой ось сателлита (15). При перемещении оси сателлита (15) в сторону направляющей (16) происходит прижимание сателлита (13) и конических фиксаторов (14) к ведущему колесу (1), блокируя свободное вращение сателлита (13) вокруг своей оси (15). После прохождения направляющей (16) выступа на корпусе в виде сектора нажатия на нажимную лапку (17) не происходит и возвратная пружина (22), внутри компенсатора, разжимает сателлит (13) и конические фиксаторы (14) благодаря чему сателлит (13) свободно вращается вокруг своей оси. Крутящий момент от ведущего колеса (1) передается ведомой шестерне (2) только с помощью тех сателлитов (13), которые зажаты коническими фиксаторами (14) фиг.4, а те сателлиты (13), которые не зажаты коническими фиксаторами (14), свободно вращаются вокруг своей оси (15) и в передаче крутящего момента не участвуют. Для того чтобы зубья сателлитов (13) всегда находились в зацеплении с зубьями ведомой шестерни (2), внутри ведомой шестерни расположено кольцо, по которому скользят конические фиксаторы (14) с выступами немного вогнутой формы, находящиеся на одной оси с сателлитами (13) и предотвращают расцепление зубьев сателлитов с зубьями ведомой шестерни.
Для изменения передаточного числа от ведущего колеса (1) к ведомой шестерне (2) необходимо сместить ведомую шестерню в сторону, перпендикулярно, оси вращения ведущей шестерни фиг.5. Так как движение сателлитов (13) в перпендикулярном направлении ограничено внутренними зубьями и внутренним кольцом ведомой шестерни (2), то сателлиты (13) сместятся вместе с ведомой шестерней (2). Так как крутящий момент от ведущего колеса к ведомой шестерне передается только через сателлиты, зафиксированные коническими фиксаторами, то радиусом ведущей шестерни будет считаться расстояние от центра ведущего колеса до внутренних зубьев ведомой шестерни в направлении расположения выступа на корпусе в виде сектора фиг.2 и фиг.5.
Смещение ведомой шестерни для изменения передаточного числа происходит с помощью рамки крепления ведомой шестерни (4) фиг.6. Изменение передаточного числа происходит с помощью подвижно закрепленного на корпусе (11) привода (5), который может быть механический, электромеханический (электромотор), гидравлический, пневматический и т.д. Привод вращает винт изменения крутящего момента (10), по резьбе которого перемещается гайка, закрепленная на рамке крепления ведомой шестерни (4) с помощью втулок.
При среднем положении гайки на винте изменения крутящего момента (10) ось ведомой шестерни (2) совпадает с осью ведущего колеса (1) и расстояние от центра ведущего колеса до внутренних зубьев ведомой шестерни совпадает с радиусом ведомой шестерни и изменение передаточного числа не происходит, частота вращения ведомой шестерни (2) совпадает с частотой вращения ведущего колеса (1).
Перемещение ведомой шестерни (2) в противоположную сторону от выступа на корпусе в виде сектора происходит уменьшение расстояния от центра ведущей шестерни до внутренних зубьев ведомой шестерни в области сектора, то есть фактически происходит уменьшение радиуса ведущей шестерни и передаточное число между ведущей и ведомой шестерней увеличивается, так как диаметр (радиус) ведомой шестерни постоянный.
Перемещение ведомой шестерни (2) в сторону к выступу на корпусе в виде сектора происходит увеличение расстояния от центра ведущего колеса до внутренних зубьев ведомой шестерни в области сектора, то есть фактически происходит увеличение радиуса ведущей шестерни и передаточное число между ведущей и ведомой шестерней уменьшается.
При изменении передаточного числа расстояние между сателлитами изменяется. Чтобы изменение передаточного числа было возможным в любую единицу времени, необходимо, чтобы крутящий момент передавался от ведущей шестерни к ведомой только через один сателлит в единицу времени, поэтому при вращении, как только происходит полная фиксация следующего сателлита, в этот же момент начинается расфиксация ранее зафиксированного соседнего сателлита. Для того чтобы всегда был зафиксирован только один сателлит, выступ на корпусе сделан в виде сектора.
Данная конструкция не позволяет изменять частоту вращения ведомой шестерни до ноля и для работы этого устройства, в качестве полноценного вариатора, применен дифференциал на основе планетарного ряда, позволяющей на выходе устройства изменять частоту вращения выходного вала до ноля.
Переданный, ведомой шестерне (2), крутящий момент далее передается шестерне промежуточного вала (7) фиг.6. Для того чтобы подвижная ведомая шестерня (2) всегда находилась в зацеплении с этой шестерней, ось вращения промежуточного вала совпадает с осью перемещения ведомой шестерни, для этого рамка крепления ведомой шестерни (4) перемещается по промежуточному валу. Далее вращение передается на водило с сателлитами (18) выходного дифференциала, в качестве которого применен планетарный ряд. Солнечная шестерня планетарного ряда жестко соединена с входным валом (6), от которого вращается еще и ведущее колесо (1) фиг.7. Входной вал (6) вращается с помощью двигателя (12). Так как ведущее колесо вращается гораздо медленней входного вала из за большой разницы в их диаметрах и при максимальном увеличении передаточного числа с помощью ведомой шестерни, вращение ведомой шестерни становится еще более медленным и небольшое увеличение числа оборотов промежуточного вала ведущей шестерней приводит к тому, что водило вращается с такой скоростью, что сателлиты (18) фиг.6, вращаясь вместе с солнечной шестерней (6) обкатываются вокруг коронной шестерни (8) и коронная шестерня не вращается фиг.1. При уменьшении передаточного числа скорость вращения ведомой шестерни увеличивается, следовательно, увеличивается и скорость вращения промежуточного вала с водилом, а скорость вращения сателлитов (18) вокруг своей оси уменьшается, что приводит к вращению коронной шестерни (8) и выходного вала (9). При установке минимального передаточного числа скорость вращения ведомой шестерни больше скорости вращения ведущего колеса, следовательно, скорость вращения промежуточного вала равно (или больше) скорости вращения входного вала и сателлиты (18) не вращаются (или вращаются в противоположную сторону) вокруг своей оси, что приводит к вращению коронной шестерни (8) и выходного вала (9) со скоростью, равной (или большей) скорости вращения входного вала. Так происходит плавное изменение скорости вращения выходного вала, независимо от скорости вращения входного вала, также передаточное число не зависит ни от изменения скорости вращения входного вала, ни от изменения величины нагрузки выходного вала. Меньшая скорость вращения ведущего колеса и ведомой шестерни по отношению к входному валу необходима для уменьшения скорости работы фиксаторов сателлитов.
Устройство компенсатора
Компенсатор механического износа и температурных колебаний встроен в направляющую оси сателлита (16) фиг.9, который состоит из корпуса (21), силовой (23) и возвратной (22) пружины, нажимной гайки (24), в которую вкручивается вытягивающее кольцо (20), и торцевой гайки (25) фиг.10, в которую вкручивается ось сателлита (15) фиг.11. При нажатии нажимной лапки (17) о выступ на корпусе в виде сектора, нажимная лапка, упираясь в направляющую оси сателлита (16), вытягивает вытягивающее кольцо (20), которое тянет за собой вкрученную в него нажимную гайку (24). Нажимная гайка давит на упругую силовую пружину (23) и сдавливает менее упругую возвратную пружину (22). Силовая пружина, давя на корпус компенсатора (21), перемещает его вместе с вкрученной в него торцевой гайкой (25) и с осью сателлита (15), вследствие чего конические фиксаторы прижимаются к сателлиту, что приводит к фиксации сателлита. После отпускания нажимной лапки (17) вне выступа на корпусе в виде сектора, нажимная лапка возвращается в исходное состояние вместе с вытягивающим кольцом с помощью возвратной пружины, давящей на нажимную гайку. Также нажимная гайка, упираясь в торцевую гайку, возвращает в исходное состояние ось сателлита и конические фиксаторы перестают прижиматься к сателлиту, что приводит к свободному вращению сателлита. При малом износе конических фиксаторов будет происходить чрезмерное сдавливание силовой пружины, а по мере увеличения износа величина сдавливания будет уменьшаться. Также в направляющей оси сателлита (16) в распор установлено разрезное кольцо (27) фиг.11, на которое, при фиксации сателлита, пройдя определенный зазор, давит упорная шайба (19), напрессованная на ось сателлита. Сила сжатия силовой пружины (23) выше силы распора разрезного кольца и упорная шайба (19) будет перемещать разрезное кольцо до полной фиксации сателлита. При отпускании сателлита силы упругости возвратной пружины (22) не достаточно для смещения разрезного кольца и корпус компенсатора, под действием этой пружины, дойдя до разрезного кольца, остановится. Так обеспечивается постоянство зазора между сателлитом и коническими фиксаторами, а следовательно, и постоянство скорости фиксации, так как разрезное кольцо при увеличении зазора между сателлитом и компенсаторами смещает корпус компенсатора внутрь направляющей оси сателлита (16). Величина постоянного зазора равна величине зазора между корпусом компенсатора (разрезным кольцом) и упорной шайбой (19).
Смазка всех механизмов осуществляется разбрызгиванием масла из картера шестеренками, находящимися в нижней части конструкции, а смазка компенсаторов и конических фиксаторов осуществляется с помощью масленого насоса (на рисунке не показан). Масло, после насоса, поступает по масленым каналам через ось ведущего колеса (1) в открытые отверстия, сделанные в ведущем колесе внутри прямоугольных канавок в центре в направлении направляющих оси сателлита (16). При вращении ведущего колеса (1) масло из этих отверстий под действием центробежной силы по стенкам прямоугольных канавок ведущей шестерни (1) будет стекать на направляющие оси сателлита (16), торцевая часть которых выполнена в виде воронки в центре с отверстием фиг.2 (см. дальнюю направляющую) и фиг.11. Далее через это отверстие масло попадет внутрь компенсатора и через сквозное отверстие (на рисунке не показано) полого штока вытягивающего кольца (20) масло попадет внутрь полой оси сателлита (15) и через выходные отверстия в оси в местах примыкания сателлита и конических фиксаторов масло попадет в рабочее пространство конического фиксатора, смазывая наружную поверхность оси сателлита и конические части сателлита, обеспечивая более быстрое растормаживание сателлита и очистку конической поверхности от абразивных частиц.
Вместо механического компенсатора возможна установка более совершенного гидравлического компенсатора с тем же принципом подачи в него масла с дополнительной камерой для сбора масла, встроенной в направляющую оси сателлита (16).