ДИСКОВЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР
DISK-TYPE PLANETARY VARIATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться как самостоятельно, например, в качестве бесступенчатых трансмиссий автомобилей, так и в качестве базового вариатора широкодиапазонных бесступенчатых передач - супервариаторов.
Из уровня техники известны дисковые (многодисковые) вариаторы с автоматическими нажимными устройствами, включающими тела качения, катящиеся по профилированным дорожкам качения (кулачкам), и прижимающими все центральные фрикционные диски вариатора ко всем промежуточным - фрикционным сателлитам, причем прижим осуществляется пропорционально передаваемому крутящему моменту (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы. М.: Машиностроение, 1980, с.263, рис.154). Параллельно с автоматическими нажимными устройствами прижим фрикционных дисков осуществляется также пружинами с усилиями нажатия 0,25…0,33 от максимального прижимного усилия (см. упомянутую выше книгу, с.273). Эта конструкция принята за аналог.
Недостатком аналога является невозможность индивидуального поджима каждой фрикционной пары, что препятствует использованию упругоподатливых центральных фрикционных дисков и снижает эффективность и точность прижима.
Известно также нажимное устройство планетарных дисковых вариаторов, включающее тела качения - шарики, катящиеся по профилированной поверхности и осуществляющие индивидуальный прижим дисков (см. патенты GB 1384679, F16Н 15/50, 19.02.1975, и ЕР 0459234 В1, F16Н, 15/50, 04.12.91). Однако вариаторы с этими нажимными устройствами, принятые за аналоги, не обладают свойством автоматического поджима без специального сервопривода с отдельным двигателем, и осуществляют лишь принудительный прижим дисков, что является их недостатком.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является устройство по патенту RU 2140028 C1, F16Н 15/50, 20.10.1999, "Многодисковый планетарный вариатор", автор Н.В.Гулиа. В этом устройстве дисковый (многодисковый) планетарный вариатор, включающий внутренние и внешние упругоподатливые центральные фрикционные диски, соединенные соответственно с ведущим валом и эпициклом планетарного механизма и охватывающие с обоих торцов фрикционные сателлиты, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, содержит автоматически действующие нажимные устройства, осуществляющие прижим каждого ряда сателлитов, зависящий от передаточного отношения вариатора, и прижим этот осуществляется с каждой боковой стороны каждого ряда сателлитов индивидуально.
Недостатком устройства - прототипа является низкий его КПД при передаче невысоких крутящих моментов, так как прижим здесь рассчитан только на максимальный входящий крутящий момент. При этом в применении в качестве базового вариатора широкодиапазонной передачи через этот вариатор проходит лишь малая часть - от 5% входного крутящего и КПД вариатора при этом будет очень низок.
Задача изобретения состояла в создании дискового планетарного вариатора, позволяющего использовать его при передаче как высоких, так и низких значений крутящего момента, а также с возможностью его реверсирования, что характерно для вариаторов, входящих в состав широкодиапазонных бесступенчатых приводов, с обеспечением силы нажатия на рабочие тела вариатора, соответствующей передаваемому крутящему моменту, что обеспечивает высокий КПД вариатора.
Указанная задача решается тем, что предложен дисковый планетарный вариатор, содержащий корпус, в котором установлены внутренние и внешние центральные фрикционные диски, соединенные соответственно с ведущим валом и эпициклом планетарного механизма, и охватывающие с обоих торцов фрикционные сателлиты, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, в котором согласно изобретению на ведущем валу и эпицикле планетарного механизма выполнены упоры в виде дисков, контактирующих соответственно с внутренними и внешними центральными фрикционными дисками через тела качения, установленные в наклонных канавках, имеющих форму дуг окружности, выполненных в торцевых сторонах внутренних и внешних фрикционных дисков, противоположных сторонам, контактирующим с сателлитами, при этом в соответствующих упорах на ведущем валу и эпицикле выполнены ответные канавки, в которые входят тела качения.
Другим отличием устройства является то, что наклонные канавки выполнены в примыкающих торцами друг к другу внешних и внутренних центральных фрикционных дисках соседних планетарных рядов, а тела качения установлены в упомянутых канавках между примыкающими друг к другу торцами центральными фрикционными дисками соседних планетарных рядов.
Еще одним отличием устройства является то, что внешние и внутренние центральные фрикционные диски содержат подвижные в осевом направлении кольцевые фрикционные элементы, подпружиненные относительно центральных фрикционных дисков в направлении к сателлитам, и периферийные участки упомянутых фрикционных элементов входят с одной стороны в соответствующие углубления периферийных частей внешних и внутренних центральных фрикционных дисков, а с противоположной стороны контактируют с поверхностями фрикционных сателлитов.
Следующим отличием устройства является то, что количество планетарных рядов, включающих внутренние и внешние центральные фрикционные диски, прижимаемые к фрикционным сателлитам при установке тел качения между центральными фрикционными дисками соседних рядов, равно нечетному числу и минимально равно трем рядам.
Следующим отличием устройства является то, что центральные внутренние и внешние фрикционные диски каждого планетарного ряда выполнены попарно телескопически связанными друг с другом.
Следующим отличием устройства является то, что в каждом четном планетарном ряду, начиная от любого торца вариатора, центральные фрикционные диски связаны телескопическими связями соответственно с эпициклом и ведущим валом вариатора, а упомянутые диски в нечетных планетарных рядах связаны телескопической связью друг с другом, выполнены с возможностью как поворота, так и осевого перемещения относительно эпицикла и ведущего вала.
Следующим отличием устройства является то, что угол наклона наклонных канавок к плоскости дисков в контакте центральных фрикционных дисков данного ряда через тела качения с неподвижными в осевом направлении упорами выполнен вдвое меньшим угла наклона наклонных канавок к плоскости дисков в контакте через тела качения с подвижными в осевом направлении центральными фрикционными дисками соседнего планетарного ряда.
Следующим отличием устройства является то, что тела качения выполнены в виде шариков.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения устройства в нем обеспечивается технический результат, заключающийся в том, что предложенное устройство позволяет использовать его при передаче как высоких, так и низких значений крутящего момента с возможностью его реверсирования, что характерно для вариаторов, входящих в состав широкодиапазонных бесступенчатых приводов, при этом сила нажатия на рабочие тела вариатора всегда соответствует передаваемым крутящим моментам, что обеспечивает высокий КПД вариатора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где фиг.1 изображена схема вариатора с одним планетарным рядом при максимальном передаточном отношении вариатора и высоких значениях крутящего момента, на фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1, на фиг.3 изображен разрез по Б-Б фиг.1, на фиг.4 изображен разрез по В-В фиг.1, на фиг.5 изображен разрез по Г-Г фиг.1; на фиг.6 изображена схема вариатора с одним планетарным рядом при минимальном передаточном отношении вариатора и высоких значениях крутящего момента. На фиг.7 изображена схема вариатора с одним планетарным рядом при максимальном передаточном отношении вариатора и малых значениях крутящего момента, на фиг.8 изображен разрез по А-А фиг.7, на фиг.9 изображен разрез по Б-Б фиг.7, на фиг.10 изображен разрез по В-В фиг.7, на фиг.11 изображен разрез по Г-Г фиг.7. На фиг.12 изображена схема вариатора с одним планетарным рядом при минимальном передаточном отношении вариатора и малых значениях крутящего момента. На фиг.13 изображена схема вариатора с двумя планетарными рядами при максимальном передаточном отношении вариатора и высоких значениях крутящего момента, на фиг.14 изображена схема вариатора с тремя планетарными рядами при максимальном передаточном отношении вариатора и высоких значениях крутящего момента.
Вариатор с одним планетарным рядом (см. фиг.1) содержит внутренние 1 и внешние 2 упругие центральные фрикционные диски с высокой осевой жесткостью, на периферии которых посажены с возможностью осевого перемещения соответственно внутренние 3 и внешние 4 кольцевые фрикционные элементы с низкой осевой жесткостью, обусловленной выполненными на этих элементах дисками 5 в виде тарельчатых пружин, контактирующими с промежуточными фрикционными коническими дисками - сателлитами 6, радиальное перемещение которых относительно внутренних 3 и внешних 4 центральных фрикционных дисков осуществляется сервоприводом 7 (на фиг.1 показан условно), например цилиндром с поршнем, линейным электродвигателем или другим известным приводом линейного перемещения. Внешние центральные фрикционные диски 2 с высокой осевой жесткостью установлены в эпицикле 8 планетарного механизма, с возможностью углового и осевого перемещения в нем. Основания 9 и 10 внутренних 1 и внешних 2 центральных фрикционных дисков контактируют с внутренними и внешними дисками - упорами 11 и 12, закрепленными соответственно на ведущем валу 13 вариатора и эпицикле 8 через тела качения 14, например шарики, установленные в наклонных канавках 15 и 16 дуговой формы (см. фиг.2 и 3), выполненных соответственно в упомянутых дисках 1, 2 и дисках-упорах 11, 12 (см. фиг.3 и 4). Для одновременного срабатывания всех тел качения 14 они могут помещаться в сепараторы, аналогичные применяемым в подшипниках качения, где тела качения фиксируются в их радиальном и осевом положениях (на чертежах не показаны).
Сателлиты 6 установлены с возможностью вращения на осях 17, закрепленных с возможностью радиального перемещения на водиле 18, соединенном с ведомым валом 19 вариатора (фиг.1). Оси 17 с сателлитами 6 на них, в количестве от 3-х и более, равномерно распределены по окружности.
Работа устройства вариатора с одним планетарным рядом происходит следующим образом.
При максимальном передаточном отношении вариатора, т.е. в положении сателлитов 6 на максимальном удалении от центральной оси вариатора (см. фиг.1), при котором вариатор передает высокие значения крутящего момента и требуются высокие силы нажатия на рабочие тела вариатора - внутренние 3 и внешние 4 кольцевые фрикционные элементы и сателлиты 6, тела качения 14, расположенные в наклонных канавках 15 и 16 (см. фиг.2, 3, 4 и 5), выполненных на торцевых поверхностях соответственно дисков 1, 2 и упоров 11,12 под действием крутящего момента занимают положение, когда они находятся в зоне минимального заглубления в наклонных канавках 15 и 16, тем самым вызывая сдвигание друг к другу как внутренних 1, так и внешних 2 центральных фрикционных дисков, которые сжимают внутренние 3 и внешние 4 фрикционные элементы. При этом элементы 3 и 4 посажены до упора соответственно в диски 1 и 2, а диски 5 сжаты до их распрямления. Однако в данном положении сателлитов 6, когда они находятся в раздвинутом от оси вращения положении, заглубление тел качения 14 в канавки 15 и 16 выше на внешних дисках 2 и упорах 12, чем на дисках 1 и упорах 11, что видно из фиг.1, а также фиг.2, 3, 4 и 5. При изменении сервоприводом 7 положения сателлитов 6 на максимально приближенное к оси вариатора, а передаточного отношения вариатора от максимального до минимального значения при высоком значении входного крутящего момента (см. фиг.6), тела качения 14, расположенные в наклонных канавках 15 и 16 дисков 1, 2 и упоров 11, 12, остаются в зоне, близкой к минимальному заглублению. Фрикционные элементы 3 и 4 посажены до упора в соответствующие диски 1 и 2, а диски 5 выпрямлены, что видно из фиг.6. Однако в отличие от предыдущего случая тела качения 14 на этот раз заглублены в канавки 15 и 16 больше на внутренних дисках 1 и упорах 11, чем на дисках 2 и упорах 12, что видно из фиг.6. Крутящий момент от вала 13 через упоры 11, тела качения 14, диски 1, кольцевые фрикционные элементы 3 и 4, диски 2, внешние упоры 12 на эпицикле 8 и тела качения 14, помещенные между упорами 12 и дисками 2, передается на сателлиты 6, оси 17, водило 18 и ведомый вал 19. Ввиду того, что коэффициент трения между сателлитами 6 и фрикционными элементами 3 и 4 в смазываемых вариаторах, какими и являются планетарные дисковые вариаторы, заведомо меньше, чем таковой между неподвижными друг относительно друга фрикционными элементами 3, 4 и дисками 1, 2 (соответственно 0,03…0,06 и 0,08…0,1), то крутящий момент от дисков 1 и 2 передается элементами 3 и 4 за счет сил трения при прижиме дисков 1 и 2 к элементам 3 и 4 упругими коническими дисками 5 при малых значениях крутящего момента, и при добавлении прижима за счет упругой деформации дисков 1 и 2 большой осевой жесткости под действием осевых сил тел качения 14 в наклонных канавках 15 и 16, вызываемых передаваемыми крутящими моментами и пропорциональных им.
При отсутствии передаваемого крутящего момента (см. фиг.7 и 12, а также виды на фиг.8, 9, 10 и 11), когда тела качения 14 максимально заглублены в наклонные канавки 15 и 16, небольшой прижим элементов 3 и 4 к сателлитам все равно продолжает существовать за счет упругой деформации дисков 5. Этот небольшой гарантированный прижим, действующий последовательно основным нажимным устройствам, позволяет подгружать диски 1 и 2 к упорам 11 и 12, нагружая тела качения 14 гарантированным прижимом для их надежного срабатывания при появлении крутящего момента. Фрикционные элементы 3 и 4 при этом отстоят от дисков соответственно 1 и 2, причем диски 5 принимают коническую форму, отодвигая фрикционные элементы 3 и 4 от торцов дисков 1 и 2. При высоких значениях передаточного отношения вариатора (фиг.7) элементы 3 отодвинуты от торцов дисков 1 больше, чем элементы 4 от торцов дисков 2, а при низких его значениях (фиг.12), напротив, элементы 4 отодвинуты от дисков 2 больше, чем элементы 3 от дисков 1. Элементы 3 и 4 полностью садятся на диски 1 и 2 только при передаче крутящих моментов больше определенной величины, когда тела качения 14 выглубятся из канавок 15, 16 и подожмут элементы 3, 4 к дискам 1, 2. Значения крутящего момента при этом выбираются из условий работы вариатора.
Вариаторы с двуми планетарными рядами (см. фиг.13), как и вообще вариаторы с четным числом планетарных рядов, строятся путем простого увеличения рядов однорядного вариатора, причем упоры 11 и 12 между смежными рядами являются общими для них. Работа таких вариаторов аналогична вышеописанной для однорядных вариаторов. На фиг.13 передаточные отношения вариатора, как и крутящего момента, максимальны и тела качения 14 выглублены из канавок 15 и 16.
1
2
1
1
2
2
3
4
1
2
3
1
4
2
5
6
5
3
6
4
5
1
6
2
3
4
5
6
Вариаторы с нечетным числом планетарных рядов, например, с тремя планетарными рядами, могут строиться как простым повторением рядов, как в предыдущем случае, так и иначе, когда сильно сокращается длина вариатора. Последний случай представлен на схеме трехрядного вариатора сокращенной длины (фиг.14), также при максимальных значениях передаточного отношения и крутящего момента. Отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что крайние упоры 11, 12 и диски 1, 2 по своему взаимодействию друг с другом через тела качения 14 не отличаются от предыдущих схем, а средний планетарный ряд включает внутренние 1 и внешние 2 диски, соединенные соответственно с ведущим валом 13 и эпициклом 8 телескопической связью, например, с помощью шпонок 20 (телескопическая связь, соединение или просто соединение "телескопически" - это соединение с передачей крутящего момента, но со свободным осевым перемещением, например шпонкой, шлицами и т.д.). Кроме того, диски 1 и 2 крайних планетарных рядов соединены между собой также телескопически, например, торцовыми кулачками 21, позволяющими этим дискам вращаться синхронно при их раздвигании и сдвигании друг с другом. Наклонные канавки 15 и 16 нажимных устройств для двух средних дисков 1 и 2, крайних дисков 1 и 2 и упоров 11 и 12, примыкающих к этим дискам, также отличаются друг от друга. Угол наклона канавок 15 и 16 к плоскости дисков 1 в однорядных вариаторах и вариаторах с четным числом рядов обозначим γ, а к плоскости дисков 2 - γ. Эти углы вычисляются, исходя из значения коэффициентов трения дисков 1 и 2 с сателлитами 6 и соотношения радиусов контактов с сателлитами дисков 1 - R и радиусов центров тел качения 14 на дисках 1 - r, и соответственно для дисков 2 - R и r. Тогда углы γ и γ, соответствующие углам γ и γ, но для двух средних нажимных устройств по схеме фиг.14 составят соответственно γ=4/3γ и γ=4/3γ, а для крайних нажимных устройств по фиг.14 γ и γ составят соответственно γ=0,5γ и γ=0,5γ, или γ=2/3γ и γ=2/3γ (углы γ, γ, γ и γ на чертежах не показаны). Эти соотношения следуют из основных положений теоретической механики (например, принципа возможных перемещений) и заложены в реальную конструкцию вариатора. Из сравнения схем по фиг.1, 6, 7, 12 и фиг.14 видно, что вариатор по схеме фиг.14 существенно короче длины трехрядного вариатора, составленного из трех рядов по схеме фиг.1, 6, 7, 12.
Заявленная конструкция вариатора благодаря введенным новым признакам позволяет обеспечить высокий КПД вариатора как при высоких, так и при низких значениях передаваемого момента.