ВАРИАТОР

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к механическим редукторам для передачи вращательного движения, и представляет собой бесступенчатую трансмиссию.
Уровень техники. Известен согласующий редуктор комбинированной энергосиловой установки [Патент РФ на полезную модель №116102], содержащий ведущий шкив, расположенный на валу двигателя внутреннего сгорания, и ведомый шкив, расположенный на выходном валу редуктора, соединенного с трансмиссией. На валу электродвигателя располагается ведущий шкив, находящийся с ним в постоянном зацеплении, и опорный шкив, которые соединены клиновым ремнем.
К недостаткам такого решения можно отнести невозможность регулирования передаточного числа редуктора, а также растягивание ремня в длину, что ведет к ухудшению сцепления шкива и ремня.
Также известен ременной редуктор вертолета соосной схемы [патент РФ на изобретение №2658745], содержащий корпус, выполненный с возможностью привода вращения в противоположных направлениях вертикальных коаксиальных пустотелых ведомых валов от одного ведущего вала. Ведущие и ведомые валы выполнены с закрепленными на них шкивами, а шкивы ведомых валов расположены на различной высоте, при этом привод обеспечен за счет двух ременных передач, одна из которых выполнена с односторонним зубчатым ремнем, а другая ременная передача выполнена с двусторонним зубчатым ремнем и с блоком вспомогательных шкивов, обеспечивающих противоположное направление вращения одного ведомого вала относительно другого.
К недостаткам такого решения можно отнести невозможность регулирования передаточного числа редуктора.
Также из уровня техники известен зубчатый реверсный вариатор [патент РФ на изобретение №2546047], содержащий два вала-шестерни в виде конусных многозаходных равнонаправленных винтов. Оси упомянутых валов-шестерен расположены параллельно друг другу, а сами они обращены встречно-параллельно, в зацепление с ними входит промежуточная шестерня, перемещаемая вдоль валов-шестерен за счет винтовой пары, которой являются ступица и винт, привод винтовой пары осуществляется червячным мотором-редуктором через муфту. Ограничение на продольное перемещение промежуточной шестерни вдоль винта осуществляется датчиками концевого положения, изменение режима работы зубчатого реверсного вариатора, соответствующего движению транспортного средства в прямом направлении, задним ходом или находящегося на месте при работающем двигателе, достигается соответствующей комбинацией шестерен привода ведущего вала-шестерни.
К недостаткам такого решения можно отнести малую площадь в зоне контакта снаружи передаточного кольца и поверхности шкива.
Также из уровня техники известен механический редуктор [патент РФ на полезную модель №189572], содержащий два шкива, один из которых ведущий, другой ведомый. Упомянутые шкивы имеют коническую форму в продольном сечении к оси вращения, и располагаются взаимно-обратно, так что большему диаметру одного шкива соответствует меньший диаметр другого, причем один из шкивов установлен внутри передаточного кольца, имеющего диаметр больше диаметра шкива, и выполненного с наклоном стенок вовнутрь, совпадающим по углу с углом наклона рабочих поверхностей шкивов. Упомянутое передаточное кольцо оснащено резиновым покрытием изнутри и снаружи. Данное решение по своей сущности является наиболее близким прототипом.
К недостаткам такого решения можно отнести малую площадь в зоне контакта снаружи передаточного кольца и поверхности шкива.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные варианты механических редукторов, позволяющие передавать вращательное усилие между двумя или более валами. Назначение этих редукторов состоит в согласовании моментов на входном (ведущем) и выходном (ведомом) валах, с ведомого вала его крутящее усилие поступает на исполнительный механизм. Такое построение механического редуктора базируется на соотношении длин окружностей шкивов, установленных на входном и выходном, валах. В качестве средства передачи механического усилия от одного шкива к другому шкиву выступает ремень, выполняемый гибким, в виде кольца, что позволяет ему обтягивать в натяг шкивы.
К недостаткам таких решений является необходимость натяга ремня, который теряет эластичность и усилие обжатия шкивов в процессе работы. Это требует обеспечения компенсации растягивания ремня.
На фиг. 1 представлена схема редуктора с ременной передачей, представляющая собой известный из уровня техники простейший вариант изменения передаточного числа. В таких устройствах два цилиндрических шкива располагаются раздельно друг от друга на некотором расстоянии. При этом в качестве передачи механического вращательного движения выступает гибкий ремень, который служит для переноса момента вращения. В таком случае, соотношение диаметров шкивов определяет пропорцию скорости вращения ведущего и ведомого валов механического редуктора.
Подобные решения имеют ряд недостатков, в том числе при работе происходит растягивание гибкого ремня и последующее проскальзывание при больших усилиях на валу. Для этого из уровня техники известны решения, направленные на улучшение контакта ремня и шкива, в том числе всевозможные системы подпружиненных шкивов для создания постоянного усилия для выборки избытка длины гибкого ремня.
Гибкий ремень в таких решениях выполняется, как правило, из резины и устанавливается на шкивах в натяг. Со временем, он начинает провисать и может порваться при больших механических нагрузках.
В редукторах, подобных изображенным на фиг. 1, возможны разные коэффициенты передачи вращательного движения (передаточные числа). В общем случае, передача вращательного движения будет пропорциональна соотношению диаметров двух шкивов между собой. При этом будет происходить преобразование значения момента силы на ведомом (выходном) валу в зависимости от соотношения диаметров шкивов.
Возможно как увеличение скорости вращения ведомого (выходного) вала, так и понижение скорости его вращения - в соотношении размеров двух шкивов. Преобразование скорости сопровождается изменением момента на валу - таким образом, происходит механическое преобразование не только скорости, но и усилия, при постоянной мощности на валу.
В ряде практических приложений требуется плавное регулирование скорости вращений ведомого (выходного) вала механического редуктора - примерами таких приложений могут быть различные электроприводы механизмов, а также вариаторы транспортных средств. Например, вариаторы применяются в снегоходах Ямаха и легковых автомобилях как импортного, так и отечественного производства.
Различные известные из уровня техники редукторы имеют либо одно фиксированное передаточное число, либо ограниченный ряд значений для ступеней преобразования скорости вращения. Такие решения реализуются, в том числе, на зубчатых колесах, что усложняет переключение скоростей и значения передаточного числа редуктора.
Например, “автоматическая коробка передач”, применяемая в машинах, представляет собой, по сути, ступенчатую механическую коробку передач с несколькими зубчатыми колесами, к которым подключается передаточное зубчатое колесо выходного вала (то есть подключаясь к зубчатым колесам на входном вале, имеющим разный диаметр - мы меняем и общее передаточное число механического редуктора). В так называемых вариаторах используется того или иного рода механическое трение для передачи усилия вращения от входного вала на выходной.
Принцип действия решения, выбранного за основной прототип, становится очевиден из фигуры 2. На ней изображены два передаточных шкива в форме усеченного конуса. Рабочие (боковые) поверхности шкивов имеют одинаковый угол наклона относительно друг друга. Таким образом, как это видно из фиг. 2, будучи установленными в обратном друг к другу порядке, упомянутые шкивы полностью совпадают между собой рабочими поверхностями. При этом передаточное число в комбинации конических шкивов изменяется как в сторону увеличения или уменьшения - в зависимости от точки на продольных осях, где снимется характеристика.
Однако, передача момента между коническими шкивами при касании их рабочих поверхностей непосредственно по всей длине продольных осей, невозможна. Это объясняется разными угловыми скоростями - а значит, и передаточными числами редукции. С одной крайней стороны шкивов будет действовать понижение передаточного числа, с другой стороны - будет повышение передаточного числа. В середине шкивов будет действовать равное передаточное число, когда скорость вращения ведущего и ведомого шкивов будут совпадать. По этой причине возможно снятие механического вращательного усилия только на ограниченном участке рабочей поверхности шкивов.
В качестве передачи механического усилия между ведущим и ведомым валами предлагалось использовать передаточное кольцо, выполняемое в виде окружности из металла, покрытое изнутри и снаружи резиной для увеличения коэффициента сцепления с поверхностями шкивов (показано на фиг. 2 под номером 4).
Благодаря этому становится возможным снятие вращательного усилия на локальном участке рабочих поверхностей шкивов. При перемещении передаточного кольца вдоль оси вращения шкивов, оно позволяет изменять передаточное соотношение между ведомым и ведущим шкивами. Именно на таком принципе основано действие основного прототипа.
Использование размещенных совместно шкивов конической формы во взаимно-обратном расположении обеспечивает изменение соотношения между ними. Упомянутое выше передаточное кольцо благодаря возможности передвигаться вдоль шкивов реализует изменение передаточного числа.
Основным достигаемым результатом является плавное регулирование коэффициента передачи механического редуктора за счет перемещения передаточного кольца вдоль оси вращения. Однако сцепление валов в таком редукторе не является жестким механическим, и работает за счет трения.
На фиг. 3 показан поперечный разрез основного прототипа, откуда видно, что передаточное кольцо охватывает один из шкивов, который оказывается расположенным внутри. Это сокращает объем пространства, необходимый для реализации решения. Диаметр упомянутого передаточного кольца должен превышать наибольший диаметр конического шкива, однако степень превышения может быть мала. Это позволяет сократить размеры известного из уровня техники редуктора. Описанные особенности редуктора позволяют повысить надежность работы средства передачи механического вращения (передаточного кольца), и обеспечить возможность плавного регулирования передаточного числа от минимального до максимального значения - с проходом через участок равенства угловых скоростей (то есть равенство 1 передаточного числа).
Однако описанная в основном прототипе конфигурация имеет разные условия работы места контакта шкивов и единого передаточного кольца, то есть разную площадь контакта. При выполнении передаточного кольца с незначительным превышением диаметра над наибольшим диаметром шкива, шкив, расположенный внутри, будет иметь большую площадь контакта с резиновой поверхностью кольца передаточного, в сравнении с тем из шкивов, который расположен снаружи передаточного кольца. Поскольку наружный шкив будет работать с выпуклой поверхностью передаточного кольца, его площадь контакта будет меньше, а значит и допустимая для редуктора по условия сцепления нагрузка будет меньше.
Предлагаемое решение представляет собой вариатор (механический редуктор) с жестким сцеплением между валами через червячную резьбу на всех валах. Его конструкция показана на фигу. 4, где показан продольный разрез предлагаемого решения. Из рисунка видно два передаточных шкива, один из которых имеет конусообразную форму, а другой шкив выполнен цилиндрическим, между ними в качестве сцепления передаточное кольцо, которое охватывает (надето) ведущий шкив конусообразной формы, шкив цилиндрической формы соприкасается с передаточным кольцом с наружной стороны и является ведомым.
Принцип, на котором основана работа предлагаемого решения, прост, но находится в неразрывной зависимости от ряда технических особенностей, которые и сделали возможным реализацию плавного регулирования.
В основе его лежит постоянство угла наклона резьбы червячного типа на ведущем и ведомом шкивах - однако ведущий шкив выполняется в виде конуса и имеет переменный диаметр по длине его оси вращения. Это ведет к изменению шага резьбы из одного конца конуса в другой - как это показано на фиг. 5. На фиг. 5 показана развертка поверхности конуса в плоскость и резьба на ней - видно, что шаг резьбы в узкой части конуса сужается, то есть при одинаковом наклоне резьбы на меньшем диаметре один виток дает меньший продольный шаг. Это очень важно для реализации предлагаемого решения - поскольку равный угол наклона, означает согласованность резьбы шкива с резьбой передаточного кольца, в любом положении на продольной оси вращения, что гарантирует отсутствие стопорения и закусывания резьбы. Также это означает, что за один оборот ведущего шкива передаточное кольцо сделает разное количество витков, в зависимости от своего положения вдоль оси вращения - что и означает возможность регулирования коэффициента передачи предлагаемого решения. На фиг. 6 представлено поперечное сечение передаточного кольца предлагаемого решения, где видно, что внутри и снаружи его выполнена резьба червячного типа, причем по окружности на передаточном кольце достаточно сделать один виток резьбы.
Ведомый (выходной) шкив выполняется цилиндрической формы, так как коэффициент передачи обеспечивается конусообразной формой входного (ведущего) шкива. Задача ведомого шкива - принимать механическое усилие вращения от передаточного кольца, с наружной поверхности которого есть соответствующая червячной резьбе ведомого шкива ответная резьба, шаг которой и угол наклона соответствуют резьбе ведомого шкива, обеспечивая отсутствие закусывания и стопорения резьбы, а также ее плавный ход.
Авторы обращают особое внимание, что плавное изменение вращения шкивов обеспечивается впервые среди известных промышленных решений, а выбранное за основной прототип решение работает за счет механического трения, что реализуемо, но имеет ограничения на предельный момент валов. Описанный результат достигается всей совокупностью использованных мер и конструктивных решений. Основной из них является переменный шаг для резьбы на ведущем шкиве конусообразной формы, что позволило снимать усилие вращения в разных точках вдоль его оси вращения. Закусывания и стопорения резьбы передаточного колеса при этом не происходит, поскольку их угол наклона согласован между собой. Наружная резьба передаточного кольца позволяет передать усилие вращения на ведомый вал, форма которого дает равный ход резьбы и принимает усилие вращения. Передаточное кольцо выступает здесь в качестве промежуточного звена, которое может обладать разным шагом резьбы одновременно, поскольку обладает двумя сторонами, наружной и внутренней. Для перемещения передаточного кольца вдоль поверхности шкивов использована муфта, оснащенная двумя роликами, по одному с каждой стороны, которые обеспечивают удержание передаточного кольца в процессе его вращения. Перемещение муфты обеспечивается за счет винтовой передачи, известной из уровня техники и представляющей собой вал с резьбой, проходящий сквозь основание муфты с соответствующей ему резьбой. При вращении винтовой передачи, происходит перемещение муфты вместе с зажатым в ней передаточным кольцом. Расположение муфты как на фиг. 4 является приближенным, также как и габариты муфты.
Представленное решение является простым и потому практически применимым - позволяя достичь улучшения технических характеристик. Введение резьбы на обоих шкивах обеспечивает механическое сцепление между ними, и передачу значительных механических усилий от ведущего шкива на ведомый (выходной) шкив. Расположение сборки двух шкивов и передаточного кольца между ними вплотную обеспечивает их зацепление, а наличие муфты позволяет регулировать его положение внешней системой, не входящей в объем отличительной части формулы. Как правило, это может быть передаваемое от педалей водителя усилие вращения винтовой передачи муфты, обеспечивающее ее перемещение вдоль оси вращения шкивов.
Конструкция предлагаемого решения является простой и легко реализуемой, что дает возможность применять ее в промышленности.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
ведущий шкив выполнен конусообразной формы, ведомый шкив выполнен цилиндрической формы;
оба шкива оснащены резьбой червячного типа;
шаг витков на шкиве конусообразной формы меняется вдоль оси вращения;
передаточное кольцо надето на ведущий шкив;
передаточное кольцо имеет по одному витку резьбы червячного типа на его внутренней и наружной поверхностях, так что резьба внутренней стороны соответствует резьбе на ведущем шкиве, а резьба внешней стороны соответствует резьбе на ведомом шкиве;
ведущий и ведомый шкивы и передаточное кольцо на ведущем шкиве устанавливаются совместно, в механическом сцеплении друг с другом, образуя червячную передачу;
муфта устанавливается на винтовой передаче и обхватывает передаточное кольцо через роликовую пару с двух сторон.
Таким образом, совокупность существенных отличительных признаков полезной модели приводит к новому техническому результату - улучшению сцепления между ведущим и ведомым шкивами и увеличению допустимой нагрузки на валу ведомого шкива, и неизвестна ранее из уровня техники.
Краткое описание чертежей.  На фиг. 1 изображен классический ременной редуктор, где 1 - шкив, 2 - ремень. На фиг. 2 изображен разрез известного из уровня техники механического редуктора в продольной плоскости, где 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фиг. 3 изображено сечение известного из уровня техники механического редуктора в поперечной плоскости, где 3 - конический шкив, 4 - передаточное кольцо. На фиг. 4 изображен разрез предлагаемого вариатора в продольной к оси вращения плоскости, где 3 - конусообразный шкив, 4 - передаточное кольцо, 5 - цилиндрический шкив, 6 - червячная передача, 7 - муфта. На фиг. 5 изображен ход резьбы по конусообразному шкиву предлагаемого решения. На фиг. 6 изображено сечение передаточного кольца предлагаемого решения в поперечной к оси вращения плоскости, где 8 - наружная резьба, 9 - внутренняя резьба.