ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР
PLANETARY VARIABLE-SPEED GEAR

Планетарный вариатор 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, а также одновременно с этим будет выполнять функцию сцепления или нейтральной передачи.
Конструкция вариатора в разрезе показана на фиг.1, где водило 1, закрепленное на валу 2 и соединенное через этот вал с двигателем автомашины, имеет два сателлита 3 и 4, расположенных на одном валу 5. Один сателлит 3 находится в поочередном зацеплении с колесами 6, имеющими смещенные зубья, перекатываясь по зубьям этих колес 6. Эти колеса 6 расположены вокруг вала 2 с водилом 1 и находятся на валах 7, размещенных на раме 8. Колеса 6 имеют возможность поворота вокруг осей валов 7, на которых они находятся, с последующей фиксацией. Возможность поворота колес 6 вокруг осей валов 7 и последующей их фиксации обеспечивает способность смещения места контакта зубьев сателлита 3 и колес 6 вдоль оси вала 2 с водилом 1. Вместе с колесами 6, имеющими смещенные зубья, на валах 7 также закреплены колеса 9, кинематически связанные с колесом 10, установленным на валу 2 с водилом 1, с возможностью поворота и последующей фиксации посредством приводного механизма 12. Второй сателлит 4 кинематически соединен с кольцевым зубчатым колесом 13, которое имеет соединение с ведущими колесами автомашины.
В состав вариатора входит водило 1, размещенное на валу 2, сателлиты 3 и 4, которые жестко закреплены на валу 5 и вращаются вместе с валом 5 как вокруг собственной оси, так и вместе с водилом 1, фиг.2.
Зубчатое колесо 10, вращающееся на валу 2, фиг.3. Колесо 10 соединено с приводным механизмом 12. Приводной механизм 12 может быть любого типа. На фиг.3 изображен гидравлический механизм, состоящий из корпуса-цилиндра 14; поршня 15; штока 11. В корпусе 14 находится гидравлическая жидкость и масло 16.
Рама 8, фиг.4.
Зубчатое кольцевое колесо 13, фиг 5а). На фиг.5б) показан разрез 17 с фиг 5а).
Вал 7, на котором жестко закреплены колесо 6 со смещенными зубьями и колесо 9, фиг.6.
На фиг.7 показана рама 8 с фиг.4 с размещенными на ней валами 7 и колесами 6 и 9, с фиг.6.
Вариатор в сборе изображен на фиг.8.
Вид вариатора со стороны стрелки 18 приведен на фиг.9, где под действием гидравлической жидкости или масла 16 поршень 15 и шток 11 приводятся в движение и поворачивают колесо 10 в направлениях, указанных стрелкой 19, которое в свою очередь поворачивает колеса 9.
Валом 2 вариатор 20 соединен с двигателем 21, фиг.10, а колесом 13 - с ведущими колесами 22 автомашины.
Вращение от двигателя 21 передается валу 2 и водилу 1, фиг.10, фиг.1. Вместе с водилом 1 вращаются и сателлиты 3 и 4. Сателлит 3 поочередно входит в зацепление с колесами 6, перекатываясь по зубьям этих колес. Вращение от сателлита 3, через вал 5 и сателлит 4 передается кольцевому колесу 13, а через него ведущим колесам автомашины 22.
Изменение передаточного отношения, а также включение или выключение сцепления или нейтральной передачи достигается путем поворачивания и перевода в новое положение колеса 10, с помощью приводного механизма 12, фиг.9.
Колеса 6, фиг.1, фиг.6, имеют смещенные зубья. Такие колеса можно получить следующим образом.
На фиг.11 показана обычная передача, состоящая из колес 23 и 24, расположенных на валах 25 и 26. Оба колеса имеют по восемь зубьев.
На фиг.12 изображена передача, у которой колесо 27 имеет увеличенную ширину, оно может быть получено путем соединения нескольких отдельных колес.
На фиг.13 колесо 24 заменено восемью колесами 28, имеющими по одному зубу 29. Колеса 28 жестко закреплены на валу 26, на расстоянии 30 друг от друга. При вращении вала 26 зубья 29 колес 28 поочередно входят в зацепление с зубьями колеса 27.
Колеса 28 и вал 26 представляют собой единое колесо 6 с фиг.1, фиг.6.
Если колесо 24, фиг.14, переместить на валу 26, с левого края к правому, без поворота колеса 24 вокруг оси 31, то это приведет к повороту колеса 27 вокруг оси 32, из-за угла наклона 33 зубьев колес.
Таким образом, смещение колеса 24 вызовет поворот колеса 27 относительно колеса 24.
На фиг.15 видно, что при угле наклона 33 зубьев, равном 8°, и шаге 34-12 мм горизонтальная линия 35 длиной 105 мм соединяет два соседних зуба 36. Где 37 - впадина. Это означает, что при смещении колеса 24, фиг.14, на расстояние 105 мм колесо 27 повернется на угол, равный угловому шагу.
Передаточное отношение передачи, показанной на фиг.14, равно 1. При повороте колеса 24 на один оборот, без смещения, колесо 27 также повернется на один оборот. Если повернуть колесо 24 на один оборот и одновременно с этим сместить колесо 24 на 105 мм, то это приведет к изменению угла поворота колеса 27 относительно колеса 24 на угловой шаг.
То есть произойдет изменение передаточного отношения.
Такой же механизм изменения передаточного отношения лежит в принципе действия передачи, имеющей колесо со смещенными зубьями, фиг.13. Где изменение передаточного отношения вызывается сочетанием вращения колес 28 и смещением места контакта. В отличие от обычной передачи здесь место контакта зубьев смещается вдоль оси вращения благодаря расположению колес 28. Такое расположение колес 28 исключает осевое скольжение, как это было в рассмотренном ранее случае, при смещении колеса 24 вдоль оси 31, фиг.14, и в то же время обеспечивает смещение контакта зубьев и вызывает изменение передаточного отношения.
Если за один оборот колеса со смещенными зубьями его зубья сместятся на 105 мм так же, как и в предыдущем случае, то это вызовет аналогичное изменение передаточного отношения.
Смещение зубьев вызовет изменение угла вхождения в зацепление. Вместе с этим уменьшится коэффициент перекрытия.
У передачи с эвольвентным зацеплением контакт между зубьями имеет вид линии, фиг.16а). Где 38 - линии контакта зубьев; 39 - поле зацепления. У обычной передачи линия контакта возникает у одного края поля зацепления и перемещается к другому краю.
У передачи, имеющей колесо со смещенными зубьями, уменьшение коэффициента перекрытия будет выражаться в том, что место контакта зубьев сместится. Так, на фиг.16б) показано место возникновения линии контакта 38 зубьев обычной передачи, а на фиг.16в) - место возникновения линии контакта 38 передачи со смещенными зубьями. У передачи со смещенными зубьями, фиг.16в), часть поля зацепления 39, выделенная пунктиром, остается вне зоны контакта зубьев.
При контакте происходит перекатывание и скольжение зубьев. Максимальное скольжение наблюдается на ножках и головках зубьев, а на начальной окружности оно равно нулю. На фиг.17а) место отсутствия скольжения или место перекатывания зубьев обычной передачи условно обозначено цифрой 40. Где 39 - поле зацепления зубьев. У передачи со смещенными зубьями место перекатывания зубьев 40 сместится из-за изменения угла вхождения зубьев в зацепление, фиг.17б). Где пунктирная линия обозначает место перекатывания обычной передачи.
Принцип действия вариатора заключается в следующем.
Вращение от двигателя 21 передается валу 2 и водилу 1, фиг.10, фиг.1. Вместе с водилом 1 вращаются и сателлиты 3 и 4, которые жестко закреплены на валу 5. Оба сателлита могут иметь одинаковое количество зубьев. Колеса 6 размещены на раме 8 таким образом, что зубья колес 6 образуют условные основную и делительную окружности, равные основной и делительной окружностям кольцевого колеса 13.
Сателлиты 3 и 4 перекатываются по неподвижным зубьям колес 6 и колеса 13. Вращение колесу 13 не передается.
Такой режим работы соответствует нейтральной передаче или выключенному сцеплению.
При режиме нейтральной передачи зубья, с которыми входит в зацепление сателлит 3, расположены по окружности, без смещения относительно друг друга вдоль оси вращения вала 2. На фиг.18 окружность, на которой расположены зубья колес 6, вытянута в прямую линию. Где 41 - зубья колес 6.
Для начала передачи вращения от двигателя к ведущим колесам автомашины колесо 10, фиг.9, с помощью приводного механизма 12 поворачивается на определенный угол и фиксируется в этом положении. Колесо 10, в свою очередь, повернет колеса 9, фиг.1, фиг.9. Вместе с колесами 9 повернутся и колеса 6. Колеса 6 имеют смещенные зубья, фиг.13. Зубья на колесах 6 расположены таким образом, что после поворота колес 6 их зубья, входящие в зацепление с сателлитом 3, сместятся вдоль оси вращения вала 2. Если окружность, на которой расположены колеса 6, развернуть в прямую линию, то зубья 41 колес 6 примут положение, показанное на фиг.19.
Смещение зубьев 41 вдоль оси вращения вала 2 вызовет изменение передаточного отношения.
Механизм изменения передаточного отношения описан выше со ссылкой на фиг.13, фиг.14. Такое изменение передаточного отношения связано с изменением угла наклона зубьев в месте контакта. Чем больше будет изменение угла наклона, тем больше изменится величина передаточного отношения.
Например, пусть сателлиты 3 и 4, фиг.1, имеют по 12 зубьев, а кольцевое колесо 13 - 36 зубьев. Количество зубьев колес 6, входящих в зацепление с сателлитом 3, также равно 36.
То есть при одном обороте водила 1 сателлиты 3 и 4 совершат три оборота относительно неподвижных колес 6 и колеса 13.
После включения передачи произойдет осевое смещение зубьев 41 колес 6, фиг.19. Это смещение вызовет изменение угла 42 вхождения в зацепление зубьев сателлита 3 с неподвижными зубьями 41 колес 6, фиг.20, фиг.19. Где на фиг.20 а) 42 - угол вхождения в зацепление при нейтральной передаче, а на фиг.20 б) 42 - угол вхождения в зацепление при включенной передаче.
Изменение угла вхождения в зацепление вызовет изменение передаточного отношения. Величина изменения передаточного отношения будет зависеть от величины изменения угла вхождения в зацепление и количества зацепления зубьев сателлита 3 с зубьями колес 6 за один оборот водила 1, фиг.1.
Так, если количество зубьев колес 6 будет равно 36, а количество зубьев сателлита 3 - 12, то за один оборот водила 1 зубья колес сателлита 3 войдут в зацепление с зубьями колес 6 36 раз.
Изменение угла вхождения зубьев в зацепление на 0,83° приведет к тому, что за один оборот водила 1 зубья сателлита 3 36 раз войдут в зацепление с зубьями колес 6, и при каждом зацеплении угол поворота сателлита 3 будет изменяться на 0,83°. В ходе 36 зацеплений изменение угла поворота сателлита 3 составит:
0,83°·36=30°
Угловой шаг сателлита 3 также равен 30°
360°/36=30°,
где 36 - количество зубьев.
Таким образом, изменение угла вхождения в зацепление на 0,83° приведет к изменению угла поворота сателлита 3 на 30°, относительно неподвижных колес 6.
Дополнительный поворот на 30° сателлита 3 передастся кольцевому колесу 13.
Так как количество зубьев сателлитов 3 и 4 в три раза меньше количества зубьев колеса 13, то угол поворота колеса 13 будет в три раза меньше и составит:
30°/3=10°
То есть при одном обороте водила 1 или угле поворота 360° угол поворота колеса 13 будет равен 10°. Передаточное отношение от водила 1 к колесу 13 составит:
360°/10°=36°
Это будет первая ступень, на которой автомашина должна тронуться с места. Если величина передаточного отношения окажется недостаточной для плавного начала движения автомашины, без использования традиционного сцепления, то передаточное отношение может быть увеличено.
Для уменьшения передаточного отношения и разгона автомашины колесо 10, фиг.9, с помощью приводного механизма 12 должно быть переведено в другое положение. Это приведет к дополнительному смещению зубьев 41 колес 6 вдоль оси вращения вала 2, фиг.21, и дополнительному изменению угла вхождения зубьев в зацепление.
Пусть такое изменение угла вхождения в зацепление составит 1,7°, тогда за один оборот водила 1 изменение угла поворота сателлита 3 будет равно:
1,7°·36=60°
Колесо 13 повернется на угол:
60°/3=20°
Передаточное отношение от водила 1 к колесу 13 составит:
360°/20°=18
Это будет вторая ступень. При каждой ступени, за один оборот водила 1, поворот сателлита 3 будет изменяться на 30° относительно неподвижных колес 6.
На фиг.19 показано расположение зубьев 41 колес 6, соответствующее первой ступени, а на фиг.21 - расположение зубьев 41, соответствующее второй ступени. Переход от одного положения к другому будет приводить к изменению угла поворота сателлита 3, относительно неподвижных колес 6, на 30° и включению другой ступени.
Промежуточное положение зубьев 41, относительно положений, указанных на фиг.19 и фиг.21, приведет к изменению угла поворота сателлита 3 на 15°, то есть на половину углового шага сателлита 3. Это означает, что при одном обороте водила 1 угол поворота сателлита 3 изменится на 15° и зуб сателлита 3 совпадет не с впадиной, а зубом одного из колес 6. Предотвращением этого будет служить отсутствие промежуточного положения зубьев 41.
Таким образом, при любом положении колеса 10 и колес 6 зубья сателлита 3 будут совпадать с впадинами колес 6.
Увеличение угла вхождения в зацепление связано с уменьшением коэффициента перекрытия. При небольшом увеличении такого угла возможно использование имеющегося запаса перекрытия. В случае недостатка запаса перекрытия его можно увеличить путем увеличения количества зубьев или изменением направления смещения зубьев.
Изменение угла вхождения в зацепление возможно только в пределах, которые не нарушают работу зубчатой передачи. Такой предел составляет примерно 3°, но он может быть увеличен, если изменение угла вхождения в зацепление осуществлять по обе стороны угла вхождения в зацепление обычной передачи. Например, на фиг.22а) приведен угол вхождения в зацепление 43 обычной передачи. На фиг.22б) показано изменение угла вхождения в зацепление 44 с одной стороны, а на фиг.22в) - с двух сторон - 44 и 45 от угла 43 обычной передачи. В этом случае параметры вариатора должны быть подобраны таким образом, чтобы при максимальном изменении угла вхождения в зацепление, равном 3°, с одной стороны от угла обычной передачи, вращение на кольцевое колесо 13 не передавалось, для обеспечения нейтральной передачи, фиг.1. Тогда уменьшение угла вхождения в зацепление с 3° вызовет начало вращения колеса 13, а соответственно и включение передачи. При достижении изменения угла вхождения в зацепление 3° с другой стороны угла обычной передачи общее изменение угла вхождения в зацепление составит 6°.
При изменении угла вхождения в зацепление на 6° изменение угла поворота сателлита 3, за один оборот водила 1, составит:
6°·36°=216°
Угол поворота колеса 13 будет равен:
216°/3=72°
Передаточное отношение от водила 1 к колесу 13 будет иметь значение:
360°/72°=5
Таким образом, при заданных параметрах максимальное значение передаточного отношения первой ступени будет равно 36, а минимальное значение - последней ступени 5. Остальные ступени будут иметь промежуточные значения.
Для того чтобы обойтись без традиционного сцепления, необходимо использовать несколько объединенных друг с другом вариаторов.
Но вариатор может применяться вместе со сцеплением или гидравлическим трансформатором, используемым в автоматической коробке передач. Для этого необходима повышающая передача, равная 5. Тогда первая ступень станет равной 7,2, а последняя - 1.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вариатор в разрезе.
Фиг.2 - водило с сателлитами.
Фиг.3 - колесо с приводным механизмом.
Фиг.4 - рама.
Фиг.5 - кольцевое зубчатое колесо.
Фиг.6 - колесо со смещенными зубьями.
Фиг.7 - колеса со смещенными зубьями на раме.
Фиг.8 - вариатор в собранном виде.
Фиг.9 - вариатор в собранном виде.
Фиг.10 - схема соединения.
Фиг.11 - зубчатая передача.
Фиг.12 - зубчатая передача.
Фиг.13 - передача со смещенными зубьями.
Фиг.14 - зубчатая передача.
Фиг.15 - зубчатое колесо.
Фиг.16 - поле зацепления зубьев.
Фиг.17 - поле зацепления зубьев.
Фиг.18 - порядок расположения зубьев.
Фиг.19 - порядок расположения зубьев.
Фиг.20 - угол вхождения в зацепление.
Фиг.21 - порядок расположения зубьев.
Фиг.22 - изображение углов наклона.