ПЛАНЕТАРНО ЛОБОВОЙ ВАРИАТОР
PLANETARY FRONTAL VARIABLE-SPEED DRIVE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструированию фрикционных передач вращения с бесступенчатым изменением передаточных отношений, и может быть использовано в автомобилестроении и станкостроении.
Известны планетарно-фрикционно-зубчатые вариаторы, содержащие корпус, входной и выходной валы, водило с радиальными осями, на которых размещены зубчатые и фрикционные сателлиты. Первые взаимодействуют с центральными колесами, а вторые обжаты фрикционными дисками.
Наиболее близким по совокупности признаков является - планетарно-фрикционно-зубчатый вариатор скоростей (а.с. 169964, МПК F16H 38/08, опубликован 17.03.1965 г.).
Устройство оснащено двухрядными сателлитами, в первом ряду которых находятся конические зубчатые колеса, во втором ряду - фрикционные ролики лобового типа. Фрикционные ролики зажаты между неподвижным и вращающимся фрикционными дисками. Дополнительный планетарный блок состоит из конических зубчатых колес. Центральные колеса этого блока укреплены одно на подвижном фрикционном диске, другое на вращающемся диске, и по числу осей на конце оси свободно посажены остальные шестерни, связанные с винтами, перемещающими фрикционные ролики, и тем самым регулирующие обороты ведомого вала.
У данного прототипа недостаточно диапазона регулирования ведомого вала, а также невысокая нагрузочная способность, на один фрикционный ролик только одна точка пятно-контакта, передающая мощность. Не ясен механизм, регулирующий величину прижимных усилий в местах контакта фрикционных деталей. Водило вращается против вращения ведущего колеса, что в принципе не может вращаться.
Целью настоящего изобретения является расширение диапазона регулирования оборотов ведомого вала от нуля до оборотов ведущего вала, получение нулевых оборотов ведомого вала при вращаюшемся ведушем. Передаточное отношение (i=Nвх/Nвых=Nвх/0=∞) равно бесконечности. Увеличение нагрузочной способности по крайней мере в два раза за счет увеличения числа пятно-контактов в два раза. Дать простой надежный механизм увеличения усилия на точки пятно-контакта пропорционально моменту на ведомом валу.
Поставленная цель достигается тем, что вводится второе опорное колесо, жестко связанное с корпусом, а фрикционные диски вращаются в разные стороны. Первый диск связан с выходной шестерней посредством кулачковой муфты с кулачками треугольной формы, а второй фрикционный диск связан с первым через промежуточную шестерню, свободно посаженную на водило.
Сателлиты первого ряда - конические зубчатые колеса взаимодействуют с центральными колесами, а сателлиты второго ряда - фрикционные ролики лобового типа зажаты между двумя фрикционными дисками с возможностью перемещаться вдоль водила на шлицевом валу с помощью ходовых винтов, меняя тем самым обороты ведомого вала от нуля до максимального. В момент, когда отношение числа зубьев центрального колеса к числу зубьев сателлита будет равно отношению длины окружности на точке пятно-контакта фрикционного диска к длине окружности фрикционного ролика, один из дисков, связанный с выходной шестерней за раз, и ведомый вал будут стоять, а второй диск в этот момент будет вращаться в два раза быстрее водила. Этот момент называем моментом нулевых оборотов. В зависимости от диаметра фрикционных роликов пятно-контакта с нулевыми оборотами может находиться ближе к оси, в середине или на периферии фрикционного диска. Когда пятно-контакта с нулевыми оборотами находится ближе к оси, здесь вариатор в целом будет уже, если в середине диска, то вариатор будет реверсивным и при перемещении фрикционных роликов к центру или к периферии ведомый вал будет вращаться в разные стороны при вращающемся ведущем вале в одну сторону. Более предпочтительным является, когда пятно-контакта с нулевыми оборотами находится на периферии. Здесь радиус до пятно-контакта на фрикционном диске больше, легче развивать больший момент на ведомом валу, а обороты ведомого вала будут увеличиваться от нуля до максимальных по мере перемещения фрикционных роликов от периферии к центру фрикционного диска. Чтобы фрикционные ролики не проскальзывали и чтобы передать максимальную мощность, предусмотрена муфта с кулачками треугольной формы. При приложении момента на ведомый вал полумуфточки делают угловое смещение относительно друг друга, зараз давят и в осевом направлении, сжимая фрикционные диски и ролики внутри корпуса, пропорционально приложенному моменту. Во время отсутствия момента на ведомом валу это сжатие производится слабой пружиной, не сильно сжимая фрикционные диски и ролики.
Вариатор содержит корпус 1, водило 2, ведущее 3 и опорное 4 центральные колеса. Двухрядные сателлиты, в первом ряду - конические зубчатые колеса 5, во втором ряду - фрикционные ролики лобового типа 6. Фрикционные ролики зажаты между двумя фрикционными дисками, первый из которых 7 связан через кулачковую муфту 9 шестерней 10 далее через выходную шестерню 11 на ведомый вал 12, а второй фрикционный диск 8 связан с первым через промежуточную шестерню 13, свободно посаженную на водило. Ведущий вал 14 жестко связан с ведущим колесом 3. Фрикционные ролики 6 имеют шлицевое соединение с валиком 15 и могут перемещаться между фрикционными дисками на валу 15 с помощью ходовых винтов 16, которые в свою очередь посажены на шестерни 17, проходя сквозь направляющее 22, закрепленное на шлицевом валу 15 и вращающееся вместе с валом. Ходовые винты проходят сквозь фрикционные ролики с ходовыми гайками 27, закрепленными на этих же роликах. Шестерни 17 через блок шестерен 18 и 19 выходят на шестерню 20 и связанный с ней вал 21, вращая который можно вращать ходовые винты 16, перемещая тем самым фрикционные ролики 6, в положении неработающего или работающего вариатора без нагрузки.
Отношение числа зубьев опорного колеса 4 к числу зубьев сателлита 5 равно отношению числа зубьев блок шестерни 19, ее конической части, к числу зубьев блока шестерни 18. А потому угловая скорость блок шестерни 18 равна угловой скорости сателлита 5. В зависимости от назначения на вал 21 может быть установлено тормозное устройство и отсчетное устройство, показывающее обороты ведомого вала, а также привод может быть от руки или от двигателя.
На фиг.1 приведена кинематическая схема вариатора с тремя осями с сателлитами и тремя промежуточными шестернями, установленными на отдельных осях между сателлитами.
На фиг.2 приведена кинематическая схема вариатора с четырьмя осями, сателлитами и четырьмя промежуточными шестернями, посаженными на осях свободно с сателлитами.
На фиг.3 показана кулачковая муфта в развернутом виде.
Вариатор работает следующим образом. При вращении входного вала 14 с ведущим центральным колесом 3 сателлиты начинают перекатываться по неподвижному центральному опорному колесу 4, вовлекая за собой водило 2 с его радиальными осями 15 и сателлитами 5 и 6. Водило вращается в направлении вращения ведущего колеса 3. Сателлиты 6 или фрикционные ролики 6, вращаясь между двумя фрикционными дисками 7 и 8, вращают их в разные стороны с одинаковой угловой скоростью относительно водила 2. Само водило вращается на подшипниковых опорах 24, что крепится за корпус 1 через стойку 25. Когда скорость диска 7 относительно водила равна скорости водила относительно корпуса, тогда фрикционный диск 7 стоит по отношению к корпусу 1 и ведомый вал 12 не вращается, а второй фрикционный диск 8 в этот момент вращается в два раза быстрее водила. Соответствует это моменту, когда Z4/Z5=R7/R6, где Z4 и Z5 - число зубьев опорного колеса и сателлита, а R7 и R6 - радиусы фрикционного диска на точке пятно-контакта и фрикционного ролика соответственно. Вращая вал 21 вручную или с помощью двигателя, системы шестерен 20, 19, 18, 17, ходовых винтов 16 перемещают фрикционные ролики 6 вдоль вала 15, изменяя радиус пятен-контактов на фрикционных дисках 7 и 8 и регулируя тем самым обороты ведомого вала 12 от нуля до максимальных.
Приведенный частный случай, когда фрикционные ролики 6 находятся на периферии фрикционных дисков 7 и 8, при этом диск 7, а также вал 12 будут иметь нулевые обороты. По мере перемещения фрикционных роликов 6 к центру, уменьшая радиус пятен-контактов, скорость вращения фрикционных дисков 7 и 8 увеличивается. Когда радиус пятен-контактов уменьшится до минимального, скорость вращения ведомого вала 12 будет максимальной. Максимальная скорость ведомого вала 12 зависит еще от передаточных отношений колес 10 и 11.
На приведенной схеме кулачковой муфты (фиг.3) показан угол α, если угол будет большим, то осевое усилие может быть слишком большим и может разрушить вариатор, если маленьким, то осевого усилия может не хватать для достаточного сжатия фрикционных дисков и роликов, а потому угол α необходимо подобрать опытным путем между 80-120 градусов. Число осей с сателлитами должно быть два и более, оптимально три или четыре.
Применение данного вариатора в станкостроении сулит определенные выгоды благодаря диапазону регулирования ведомого вала от нуля до оборотов ведущего вала и более, или даже реверса ведомого вала. Большое число пятен-контактов, на которых прикладывается сжимающее усилие, пропорционально моменту на ведомом валу. Может найти применение в транспортном машиностроении в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей.