Винтовой вариатор широкодиапазонной трансмиссии
SCREW VARIATOR OF WIDE RANGE TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению, а именно к вариаторным трансмиссиям с плавным отнулевым управлением скоростью вращения выходных валов приводовпромышленных установок и транспортных средств.
Известен широкодиапазонный клиноременный вариатор, включающий входной и выходной валы, базовый вариатор, дифференциал и прямозубую передачу (см. патент РФ на изобретение №2071577, МПК F16H 9/00 (1995.01), опубл. 10.01.1997 г.). В данной конструкции между входным и выходным валами установлен промежуточный вал, базовый вариатор выполнен с раздвижными коническими шкивами, дифференциал конический, а зубчатая передача состоит из двух цилиндрических шестерен и паразитной шестерни между ними. Одна пара шкивов установлена на входном валу, а другая связана с корпусом (водилом) дифференциала. Одно центральное колесо дифференциала связано с выходным валом, другое - с промежуточным валом. При изменении передаточного отношения базового вариатора от 1 до 2 скорость вращения выходного вала плавно меняется «вниз» от скорости вращения входного вала до 0.
Недостатками аналога являются, во-первых, необходимость в дополнительном гидравлическом оборудовании (со своей электронной системой управления и соответствующими датчиками) для сдвижения-раздвижения шкивов вариатора, во-вторых, базовый клиноременной вариатор является фрикционным, его входной и промежуточный валы расположены на широко разнесённых в пространстве осях, что увеличивает размеры устройства и обуславливает необходимость в паразитной шестерне, т.е. дополнительные потери в трансмиссии.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является вариаторная зубчатая передача, включающая зубчатые элементы в виде червяков, установленные на входном ведущем и перпендикулярном ему промежуточном валах, с возможностью зацепления между собой и продольного скольжения по валам без относительного проворачивания и внешний механизм управления (см. патент РФ на изобретение №2389922, МПК F16H 3/42 (2006.01), опубл. 20.05.2010 г.). Зубчатые элементы вариаторной передачи выполнены коническими. При этом на зубчатых элементах выполнены криволинейные зубья, имеющие изменяющийся поперечный профиль, который при перемещении колес вдоль валов в любой момент обеспечивает зубчатое сопряжение колес. Зубчатые элементы установлены таким образом, что увеличению диаметра и угла наклона зубьев одного колеса отвечает уменьшение диаметра и угла наклона зубьев другого колеса. Изменение передаточного отношения, то есть перемещение упомянутых колес вдоль валов, осуществляется при помощи внешнего механизма управления.
Недостатками прототипа являются повышенные габариты конструкции, сложность её изготовления и управления. Это связано с тем, что конусность зубчатых колес увеличивает их массу и размеры, а для гарантии зацепления конусов последние надо подпирать пружинами, что усложняет конструкцию. Имеет место эффект «волчка», ухудшающий энергетику управления. Кроме того, в отсутствие дифференциального механизма, передача имеет недостаточный диапазон изменения передаточного отношения для использования её как полноценной трансмиссии, например, автомобиля.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении габаритов, упрощении изготовления и повышении надежности.
согласно изобретению
Технический результат достигается тем, что винтовой вариатор широкодиапазонной трансмиссии, включающий зубчатые элементы в виде червяков, установленные на входном ведущем и перпендикулярном ему промежуточном валах, с возможностью зацепления между собой и продольного скольжения по валам без относительного проворачивания и внешний механизм управления,  вариатор дополнительно снабжен гипоидной конической передачей от промежуточного вала к дифференциалу трансмиссии, а червяки выполнены цилиндрическими одинакового диаметра с противофазно изменяющимися углами подъёма линий витков, всегда равными в сумме 90° в точке их контакта, причем каждому продольному положению ведущего червяка соответствует тангенс угла подъёма его витка в точке контакта, равный текущему передаточному числу вариатора.
Данный винтовой вариатор позволит снизить габариты широкодиапазонной трансмиссии, упростить процесс изготовления и повысить надёжность конструкции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен винтовой вариатор в составе широкодиапазонной трансмиссии в исходном положении, на фиг. 2 - сам винтовой вариатор в крайнем рабочем положении.
Винтовой вариатор широкодиапазонной трансмиссии включает зубчатые элементы, выполненные в виде цилиндрических червяков 1 и 2, входной ведущий 3 и перпендикулярный ему промежуточный 4 валы, коническую передачу с гипоидными шестернями 5 и 6 и внешний механизм управления 7. Червяки 1 и 2 выполнены одинакового диаметра и установлены на валах 3 и 4 с возможностью продольного скольжения по ним без относительного проворачивания. Шестерня 5 конической передачи выполнена монолитной с промежуточным валом 4, а шестерня 6 жестко закреплена с корпусом 8 дифференциала, являющимся обязательным элементом широкодиапазонной трансмиссии. Дифференциал включает водило 9, центральное колесо 10, соединенное с входным ведущим валом 3 через шлицевое соединение и центральное колесо 11, соединенное таким же образом с выходным валом 12 трансмиссии.
Винтовой вариатор в составе широкодиапазонной трансмиссии работает следующим образом.
1
2
1
1
1
Ведущий червяк 1, установленный на входном валу 3 и центральное колесо 10 дифференциала вращаются с угловой скоростью ω. Здесь и далее индексы переменных соответствуют порядковому номеру элемента конструкции. Ведомый червяк 2, установленный на промежуточном валу 4, и шестерня 5 конической передачи вращаются со скоростью ω= -ω∙tgγ, где γ - угол подъёма линии витка червяка 1 в точке контакта червяков 1 и 2.
6
9
2
1
1
9
1
12
12
1
1
1
12
1
3
1
2
1
Шестерня 6 конической передачи, корпус 8 и водило 9 дифференциала вращаются со скоростью ω=ω =-ω=ω∙tgγ. По правилу сложения скоростей в дифференциале с одинаковыми центральными колесами ω=0,5(ω+ω), поэтому скорость вращения выходного вала 12 равна ω=ω(2⋅tgγ-1). При смещении червяка 1 вдоль вала 3 угол γ плавно меняется от 26,6° (фиг. 1) до 45° (фиг. 2), а частота вращения выходного вала 12 трансмиссии ω плавно нарастает от 0 до ω=ω входного вала 3. Витки червяков 1 и 2 нарезают таким образом, чтобы при их продольном сдвиге tgγ менялся 0,5 до 1 по линейному закону. Поскольку входной 3 и промежуточный 4 валы перпендикулярны, линия витков ведомого червяка 2 должна отвечать условию отсутствия заклинивания в зацеплении: γ=90°-γ. При этом ведомый червяк 2 самоустанавливается вдоль промежуточного вала 4 в нужное положение без внешнего принуждения. Благодаря цилиндрической форме червяков, необходимость в подпирающих пружинах для зубчатых элементов, в отличие от прототипа, отпадает.
Участки входного 3 и промежуточного 4 валов, вдоль которых перемещаются червяки 1 и 2, также как и их центральные отверстия, имеют одинаковое, например, квадратное сечение для предотвращения относительного проворачивания на них червяков. Передача вращения от промежуточного вала 4 вариатора к водилу 9 дифференциала происходит с помощью гипоидных конических шестерен 5 и 6, непересекающиеся валы которых скрещены под углом 90°, что позволяет избежать применения дополнительной паразитной шестерни и упростить конструкцию.
В автомобилях такая трансмиссия может заменить гидротрансформатор с клиноременным вариатором или автоматическую коробку передач со сцеплением, так как можно даже отказаться от управления скоростью вращения двигателя, поддерживая её на экономически выгодном уровне.
Данный винтовой вариатор по сравнению с прототипом позволит снизить габариты широкодиапазонной трансмиссии, упростить процесс изготовления и повысить надёжность конструкции.