МЕХАНИЧЕСКИЙ ЗУБЧАТЫЙ ВАРИАТОР СКОРОСТИ ПЛАНЕТАРНОГО ТИПА С ПОСТОЯННЫМ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ И ПЛАВНЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ
MECHANICAL GEAR SPEED VARIATOR OF PLANETARY TYPE WITH CONSTANT MOVEMENT AND SMOOTH CHANGE OF GEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для плавного изменения скорости вращения выходного вала при постоянной скорости вращения входного вала, например, в трансмиссиях.
Использование вариаторов дает ряд преимуществ (https://etlib.ru/blog/587-korobka-peredach-cvt-chto-eto-takoe):
- обеспечение комфортной плавности хода автомобиля без рывков;
- более высокий коэффициент полезного действия, что позволяет экономить топливо, тем самым повышая экологичность использования автомобилей с такими вариаторами и обеспечивая их соответствие современным высоким требованиям по экологичности за рубежом.
Существуют различные типы вариаторов, основанные на разных способах передачи движения: фрикционные вариаторы, импульсные вариаторы, вариаторы с зубчатым зацеплением звеньев и т.д.
Недостатком фрикционного типа вариаторов является наличие трущихся частей (фрикционов), которые при больших нагрузках могут проскальзывать, что приводит к потере мощности; недостатком импульсных фрикционов является наличие частей, двигающихся циклически с ускорением, что может привести к их разрушению.
Зубчатая передача обладает преимуществами перед рассмотренными способами передачи движения за счет простоты изготовления (технологичности), отсутствия трения, проскальзывания при больших нагрузках и потерь мощности. Однако общим недостатком таких передач является постоянное передаточное отношение, которое определяется соотношение количества зубьев на ведущем и ведомом колесе. Для изменения передаточного отношения необходимо либо менять радиус колес при постоянной ширине зубьев, что сложно реализуемо конструктивно и технологически, либо менять ширину зубьев, что возможно при использовании на колесах, в которых меняется радиус за счет формы колес в виде конуса и тора.
Из уровня техники известны, например, следующие решения с зацеплением конической и тороидальной поверхностей.
Известна конструкция вариатора (патент РФ №2199044, 20.02.2003 г.), у которой зацепление вращательной передачи осуществляется двумя дисками, при этом на торцевой поверхности одного диска по окружности при помощи сферических шарниров установлены под углом к плоскости вращения диска силовые элементы, смежная поверхность другого диска выполнена зубчатой, а силовые элементы выполнены круглыми с тороидальной рабочей поверхностью.
Указанная конструкция вариатора предусматривает использование дисков, которые имеют специально разработанную конструкцию, что повышает сложность конструкции и снижает технологичность ее изготовления. В данном случае оси входного и выходного вала не являются соосными, что также усложняет конструкцию вариатора.
Известна конструкция вариатора (патент РФ №2334141, 20.09.2008 г.), принятая за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, по меньшей мере одно зубчатое зацепление для передачи вращения с ведущего вала на ведомый вал, первое зубчатое колесо, расположенное на ведущем валу и выполненное в виде в целом конического тела вращения с криволинейной образующей, не имеющей точек перегиба, второе зубчатое колесо, связанное с ведомым валом и составленное из по меньшей мере трех одинаковых передаточных элементов в виде тел вращения, оси которых лежат в одной плоскости и вместе образуют замкнутое кольцо.
Указанный вариатор также предусматривает использование специально разработанной конструкции тороидальных колес, что повышает сложность конструкции устройства. Кроме того, тороидальное кольцо имеет неравномерные зубья, что приводит к появлению шума и вибрации при работе вариатора, а также отсутствию плавной передачи крутящего движения.
Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств и создание конструкции вариатора, обладающего простотой в изготовлении и эксплуатации.
Технический результат достигается при использовании механического зубчатого вариатора скорости планетарного типа с постоянным зацеплением и плавным изменением передаточного отношения, содержащего входной вал, вал с закрепленным на нем зубчатым колесом конической формы, которое находится в зацеплении с зубчатым кольцом тороидальной формы и колесом, закрепленным неподвижно в корпусе устройства, при этом устройство также содержит выходной вал, проходящий внутри неподвижного колеса и закрепленный на корпусе устройства, шарнир равных угловых скоростей, установленный на выходном валу и имеющий диск с пружинами, которые прижимают зубчатое кольцо тороидальной формы к зубчатому колесу конической формы, регулятор оборотов, закрепленный на входном валу, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси устройства и связанный через тягу с диском.
Изобретение содержит только простые и известные в технике элементы, которые не требуют специально разработанных конструктивных решений и технологий, что обеспечивает его простоту как при изготовлении, так и при эксплуатации. Конструкция заявленного вариатора выполнена с отсутствием трущихся элементов, что исключает риск проскальзывания при повышенной нагрузке и потерю мощности. В заявленной конструкции отсутствуют детали, двигающиеся циклически с ускорениями, что исключает разрушение устройства и повышает срок его службы. Также постоянное зубчатое зацепление колес с конической и тороидальной поверхностью, соосное выполнение входного и выходного валов обеспечивают плавную передачу крутящего движения без шумов и ударов.
На фиг. 1 изображена конструкция заявленного вариатора.
На фиг. 2 изображен принцип вращающегося диска, расположенного под углом к неподвижной плоскости, положенный в основу работы заявленного вариатора.
Согласно фиг. 1 входной вал 1 имеет две проушины, на которых подвижно закреплен вал 2. На валу 2 закреплено зубчатое колесо 3 конической формы, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 4. Зубчатое колесо 4 закреплено неподвижно с корпусом 5 устройства посредством собственной оси, проходящей через вал 1.
На корпусе 5 устройства находятся подшипники 6 и 7, на которых закреплен выходной вал 8, проходящий внутри оси колеса 4. На валу 8 установлен шарнир равных угловых скоростей 9, соединяющий выходной вал 8 и диск 10. В круглые отверстия диска 10 вставляется зубчатое кольцо 11 тороидальной формы при помощи штифтов, которые прикреплены неподвижно к указанному кольцу 11. В отверстиях диска 10, куда вставляется кольцо 11, находятся пружины 12, которые прижимают зубчатое кольцо 11 тороидальной формы к зубчатому колесу 3 конической формы. Указанное кольцо 11 выполнено с закругленной поверхностью, на которой выточены зубья в радиальном направлении.
На входном валу 1 подвижно на шлице 17 закреплен регулятор оборотов 16, на котором закреплен подшипник 18 с расположенным на нем кольцом с проушиной. Регулятор оборотов 16 может перемещаться только прямолинейно вдоль оси устройства и связан через тягу 15 с проушиной 14, расположенной на внутренней стороне подшипника 13. Данный подшипник 13 закреплен внешней стороной с диском 10.
На фиг. 2 показан диск с радиусом R1, наклоненный к неподвижной плоскости. Если менять направление наклона плоскости диска с радиусом R1 к неподвижной плоскости с угловой скоростью W, вектор которой перпендикулярен неподвижной плоскости, то точка соприкосновения диска будет описывать окружность с радиусом R2. При любом угле наклона диска отличном от нуля, радиус R2 будет меньше, чем R1. Это значит, что при отсутствии проскальзывания между диском и неподвижной плоскостью, сам диск будет вращаться вокруг своей оси. При уменьшении угла наклона плоскости диска его вращение будет замедляться до нуля до тех пор, пока диск не будет параллелен неподвижной плоскости, на которой он вращался.
В заявленном устройстве в качестве диска с радиусом R1 используется зубчатое кольцо 11 тороидальной формы. А вместо плоскости выступает зубчатое колесо 3 конической формы, которое характером своего движения создает мгновенный центр скоростей в точке зацепления с указанным кольцом 11. Мгновенный центр скоростей в точке зацепления зубчатого колеса 3 конической формы с зубчатым кольцом 11 тороидальной формы возможен благодаря наличию неподвижного зубчатого колеса 4, с которым в зацеплении находится указанное колесо 3. Линия, на которой находятся мгновенные центры скоростей, содержит отрезок А-В. Наклон зубчатого кольца 11 тороидальной формы позволяет изменять передаточное отношение между входным валом 1 и выходным 8.
C
B
Аналогом радиуса R1 диска будет выступать R - расстояние от центра зубчатого кольца 11 тороидальной формы до точки его зацепления с зубчатым колесом 3 конической формы. А аналогом радиуса окружности, описываемой на плоскости диском, будет выступать перпендикуляр R, опущенный от точки зацепления зубчатого колеса 3 конической формы с зубчатым кольцом 11 тороидальной формы к общей оси устройства 0-0.
C
B
Очевидно, когда зубчатое кольцо 11 тороидальной формы перпендикулярно общей оси устройства, оба радиуса R и R совпадают. В этом случае указанное кольцо 11 будет неподвижно при вращении входного вала 1. Если угол наклона указанного кольца 11 к общей оси устройства меняется, то возникает разница в длинах между перпендикуляром от точки зацепления к общей оси и расстоянием от точки зацепления к центру указанного кольца 11, значит, указанное кольцо 11 начнет вращаться. Вращающееся кольцо 11 передает свое вращение через шарнир равных угловых скоростей 9 (возможно вместо него использование шарнира Гука) на выходной (ведомый) вал 8.
В точке А на фиг. 1 ширина зубьев колеса 3 конической формы равна ширине зубьев колеса 11 тороидальной формы. В точках В и С они также равны. Это возможно благодаря тому, что радиус зубчатого колеса 3 конической формы меньше радиуса зубчатого кольца 11 тороидальной формы.
Передаточное отношение, полученное согласно заявленному вариатору, может изменяться в диапазоне как положительных, так и отрицательных значений. Для этого достаточно в точке зацепления зубчатого колеса 3 конической формы и колеса 4 уменьшить радиус зубчатого колеса 3 при неизменном радиусе этого же колеса в точках зацепления зубчатого колеса 3 конической формы и зубчатого колеса 11 тороидальной формы.
Работа заявленного вариатора заключается в следующем.
Устройство приводится в действие путем вращения входного вала 1. Он вращает вал 2 вокруг основной оси устройства 0-0. На валу 2 вращается зубчатое колесо 3 конической формы, находящееся в зубчатом зацеплении с неподвижным колесом 4, которое неподвижно соединено в корпусом 5 устройства. С зубчатым колесом 3 конической формы в зацеплении находится зубчатое кольцо 11 тороидальной формы. Если указанное зубчатое кольцо 11 находится в плоскости, перпендикулярной основной оси механизма, то оно неподвижно. Как только плоскость указанного кольца 11 будет наклоняться посредством перемещения регулятора оборотов 16 вдоль основной оси механизма. При перемещении регулятор оборотов 16 толкает тягу 15, которая, упираясь в подшипник 13, будет менять наклон плоскости диска 10. При наклоне плоскости диска 10 меняется наклон плоскости зубчатого кольца 11 тороидальной формы. При этом происходит перемещение указанного кольца 11 относительно диска 10. Пружина 12 сжимается. Точка зацепления зубчатого кольца 11 тороидальной формы с зубчатым колесом 3 конической формы смещается вдоль поверхности данного колеса 3. При изменении наклона зубчатого кольца 11 тороидальной формы оно начинает вращаться вокруг собственной оси и передавать вращение через шарнир равных угловых скоростей 9 на выходной вал 8.
Заявленный вариатор имеет простую и надежную конструкцию из известных элементов, способную выдерживать повышенную нагрузку без проскальзывания, шумов и ударов в работе, что выгодно отличает решение от аналогичных существующих устройств.