ДИСКОВЫЙ ПЛАНЕТАРНЫЙ ВАРИАТОР
DISK PLANETARY VARIATOR

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться, в частности, для бесступенчатой трансмиссии автомобиля.
Из уровня техники известен планетарный дисковый вариатор, включающий несколько планетарных рядов, состоящих из внешних и внутренних центральных фрикционных дисков, прижатых нажимными устройствами с обеих сторон к сателлитам, расположенным равностоящими друг от друга по окружности в каждом планетарном ряду, причем нажимные устройства обеспечивают прижим центральных фрикционных дисков к сателлитам усилием, пропорциональным передаваемому крутящему моменту (пат. РФ №2091638, F16Н 15/50, 27.09.1997, автор Н.В.Гулиа). Данное устройство принято за аналог.
Недостатком аналога является высокая сложность нажимных устройств.
Известны вариаторы с шариковыми нажимными устройствами, где нажим осуществляется с помощью шариков, равномерно расположенных по окружностям фрикционных дисков и упоров и находящихся в лунках с наклонными краями в окружном направлении. При наличии крутящего момента между упором и фрикционным диском шарики распирают указанные детали и создают нажим, пропорциональный передаваемому моменту (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы, М., Машиностроение, 1980, с.197-201, раздел «Нажатие»). Данное устройство, как обладающее также идентичностью общих признаков с изобретением, принято за аналог.
Недостатком этого аналога является сложность шариковых нажимных устройств, целесообразных только при больших диапазонах передаваемых крутящих моментов. Например, при крутящем моменте на входном валу вариатора, близком к постоянному, на центральных внешних фрикционных дисках этот диапазон обычно свыше десяти, а на внутренних - обычно до трех и менее, поэтому использование шарикового нажима на последних нецелесообразно в этом случае. Однако при переменном крутящем моменте на входном и близком к постоянному на выходном целесообразно использование шариковых нажимных устройств на внутренних центральных фрикционных дисках. И только в случае переменных крутящих моментов большого диапазона как на входном, так и на выходном валах целесообразно использование шариковых нажимных устройств на обеих группах дисков - внешних и внутренних.
Максимальной совокупностью общих признаков идентичного назначения обладает устройство «Многодисковый вариатор» по пат. РФ №2140028, 6 F16Н 15/50, 20.10.1999, автор Н.В.Гулиа. Вариатор лишен недостатка аналогов - сложности нажимных устройств. Прототип представляет собой дисковый планетарный вариатор, состоящий как минимум из одного планетарного ряда, включающего внешние и внутренние центральные фрикционные диски, упругоподатливые в осевом направлении, охватывающие с обеих сторон конические фрикционные сателлиты, закрепленные на осях с возможностью их вращения, причем оси с сателлитами выполнены с возможностью их радиального перемещения. Фрикционные диски в их основании ограничены в их раздвигании от сателлитов кольцевыми упорами.
Недостатком прототипа является малая износостойкость дорожек качения, выполненных из того же материала, что и центральные фрикционные диски, которые изготавливаются из пружинных сталей, не обеспечивающих необходимой твердости дорожек качения. Изготавливать же диски целиком из высокотвердых сталей нельзя, т.к. эти стали хрупки и не могут выдержать деформаций, характерных, например, для тарельчатых пружин, в случае использования их в качестве центральных фрикционных дисков.
Задача изобретения состояла в повышении износостойкости дорожек качения центральных фрикционных дисков.
Указанная задача решается тем, что предложен дисковый планетарный вариатор, состоящий как минимум из одного планетарного ряда, включающего внешние и внутренние центральные фрикционные диски, упруго податливые в осевом направлении, охватывающие с обеих сторон конические фрикционные сателлиты, закрепленные на осях с возможностью их вращения, причем оси с сателлитами выполнены с возможностью их радиального перемещения, а фрикционные диски в их основании ограничены в их раздвигании от сателлитов кольцевыми упорами, в котором согласно изобретению как минимум одна группа центральных фрикционных дисков - внешних или внутренних - выполнены с внешними кольцевыми бандажами с торообразными выпуклыми дорожками качения на них, посаженными на диски в зоне их контакта с сателлитами, с ограничением их осевого перемещения в сторону раздвигания от сателлитов с помощью упоров на бандажах.
Другим отличием вариатора является то, что внутренние центральные фрикционные диски выполнены в виде тарельчатых пружин, а кольцевые упоры, ограничивающие раздвигание этих дисков от сателлитов, выполнены с заостренной зоной контакта упоров с внутренней поверхностью отверстий в дисках.
Еще одним отличием вариатора является то, что торообразные дорожки качения на бандажах выполнены с переменной кривизной выпуклостей.
Следующим отличием вариатора является то, что бандажи в их рабочем положении выполнены посаженными на диски с натягом.
Следующим отличием вариатора является то, что бандажи в их рабочем положении выполнены посаженными на диски с контактом по части их поверхности в кольцевой зоне, приближенной к сателлитам.
Следующим отличием вариатора является то, что как минимум одна группа центральных фрикционных дисков выполнена переменной толщины в зависимости от расстояния от центральной оси.
Следующим отличием вариатора является то, что упоры выполнены с фасонной поверхностью, примыкающей к фрикционным дискам.
Также указанная задача решается тем, что предложен дисковый планетарный вариатор, состоящий как минимум из одного планетарного ряда, включающего внешние и внутренние центральные фрикционные диски, упруго податливые в осевом направлении, охватывающие с обеих сторон конические фрикционные сателлиты, закрепленные на осях с возможностью их вращения, причем оси с сателлитами выполнены с возможностью их радиального перемещения, а фрикционные диски в их основании ограничены в их раздвигании от сателлитов кольцевыми упорами, в котором согласно изобретению как минимум одна группа центральных фрикционных дисков, внешних или внутренних, выполнена с шариковыми нажимными устройствами.
Другим отличием вариатора является то, что шарики расположены в наклонных канавках, выполненных в центральных фрикционных дисках со сторон примыкающих к ним упоров, а также в примыкающих к фрикционным дискам сторонам упоров.
Еще одним отличием вариатора является то, что упоры и центральные фрикционные диски, контачащие друг с другом через шарики, расположенные в канавках, выполнены предварительно поджатыми друг к другу, а центральные фрикционные диски через шарики и наклонные канавки поджаты к сателлитам.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения вариантов вариатора обеспечивается технический результат, который заключается в повышении износостойкости трущихся элементов вариатора и повышении его ресурса работы.
Устройство вариатора с одним планетарным рядом (которых может быть и несколько) показано на фиг.1, где представлена его принципиальная схема, на фиг.2 и фиг.3 показаны фрагменты схемы фиг.1 в кружке. На фиг.4 представлена принципиальная схема вариатора с шариковыми нажимными устройствами, а на фиг.5 - положение шариков в канавках при воздействии только предварительного нажима и без действия крутящего момента, а на фиг.6 - то же, но при действии крутящего момента.
Устройство включает корпус 1, в котором жестко закреплены фасонные упоры 2, контактирующие выпуклой рабочей поверхностью с внешними торцевыми поверхностями внешних центральных фрикционных дисков 3. Диски 3 выполнены постоянной или переменной толщины в зависимости от расстояния от центральной оси. Диски 3 контактируют внутренней торцевой поверхностью с несколькими фрикционными сателлитами 4 в каждом планетарном ряду, прижатыми к ним упорами 2. В зоне контактов дисков 3 и сателлитов 4 на диски 3 надеты бандажи 5 с упорами 6 и торообразными дорожками качения 7 на них. Бандажи 5 могут быть посажены как на всю внутреннюю поверхность диска 3, так и на часть ее, приближенную к зоне контактов с сателлитами 4. Другая часть поверхности диска 3, удаленная от зоны контакта, выполнена, например, с поднутрением 8.
Сателлиты 4 посажены на ось 9 с возможностью вращения, например, на подшипниках скольжения. Ось 9, будучи невращающейся, закреплена на водиле 10 с возможностью ее радиального перемещения, например, с помощью цилиндров 11 с поршнями 12 и штоками 13, соединенными с осью 9. Радиальное перемещение осей 9 и сателлитов 4 на них необходимо для изменения передаточного отношения вариатора. Сателлиты 4 контактируют также с внутренними центральными фрикционными дисками 14, выполненными, например, в виде тарельчатых пружин, прижатых по внутренней их части в сторону сателлитов 4 кольцевыми упорами 15. Упоры 15 выполнены с заострениями 16, например конусной формы, в зоне контактов упоров 15 с дисками 14. Диски 14 выполнены в этой зоне с закругленными кромками. Необходимость в этих заострениях 16, которые могут быть выполнены как прямолинейными (фиг.2), так и криволинейными (фиг.3), но с углом контакта α с дисками 14, большим, чем угол трения (во избежание заклинивания), например около 45°-70°, вызвана тем, что внутренняя поверхность тарельчатых пружин, из которых, например, выполняются диски 14, при упругой осевой деформации пружин изменяет свой диаметр достаточно сильно - примерно на 0,5…1%. Из-за этого может наступить нежелательное радиальное смещение дисков 14 на барабане 17. Конусные заострения 16 на упорах 15 центрируют диски 14 на барабане 17 при изменении диаметра внутреннего отверстия в дисках 14. Углы α, величиной порядка 45° и более - до 60°…70°, центрируют диски 14, оказывают незначительное влияние на напряженно-деформированное состояние дисков 14. При этом чем выше угол α, тем меньше это влияние. Но при углах α больших 70° из-за влияния трения в контактах дисков 14 с заострениями 16 эффективность центрирования уменьшается. При углах α меньших 45° и менее - до 30°…20°, эффективность центрирования увеличивается, но усиливается расклинивающее действие заострений 16 на напряженно-деформированное состояние дисков 14. Поэтому следует рекомендовать углы α в пределах 45°…70°. Упоры 15 установлены жестко, например на резьбе с законтриванием, на барабане 17, связанном с входным валом 18 вариатора. Выходной вал 19 связан с водилом 10.
Внутренние центральные фрикционные диски 14 также показаны на фиг.1 с бандажами 20, но посаженными с натягом на внешнюю цилиндрическую поверхность дисков 14 полностью в отличие от бандажей 5 на дисках 3. Таким образом на фиг.1 представлены оба случая посадки бандажей на диски: частичный - диски 3 с бандажами 5, и полный - диски 14 с бандажами 20. Дорожки качения и упоры на бандажах 20 выполнены аналогично бандажам 5. Дорожки качения 7 на бандажах 5 и аналогичные дорожки качения на бандажах 20 могут быть выполнены как постоянной, так и переменной кривизны выпуклостей их торообразной поверхности. Ввиду того что диски как 3, так и 14 при радиальном перемещении сателлитов 4 упруго прогибаются в их сечениях, торообразные дорожки качения бандажей 5 и 20, поворачиваясь при прогибе дисков 3 и 14, а также при различных нажимах их на сателлиты 4, касаются сателлитов все в новых зонах их поверхностей, что существенно уменьшает износ дорожек качения. Кроме того, выполнение торообразных поверхностей дорожек качения переменной кривизны выпуклостей - меньшей кривизны при больших усилиях нажима и большей - при малых, выравнивает контактные напряжения и износ дорожек качения и сателлитов. Например, для дисков 3 и бандажей 5 с дорожками качения 7 меньшая кривизна их нужна а зонах, более удаленных от оси вращения, где сателлиты 4 будут касаться их при максимальной толщине, соответствующей максимальному радиальному вдвиганию сателлитов 4 между упругораздвигающимися дисками 3. Большая кривизна дорожек качения 7 нужна, соответственно, в зонах, менее удаленных от оси вращения. Таким образом обеспечивается минимизация и максимальное выравнивание по величине контактных напряжений в контактах дорожек качения и сателлитов, что ведет к повышению износостойкости дорожек качения. Кроме того, бандажи 5 и 20 выполняются из твердых и износостойких материалов, достаточно хрупких и дорогих, чтобы из них можно было бы изготавливать диски 3 и 14 целиком. Сателлиты 4 ввиду малых размеров, удобной формы и отсутствия больших изгибных напряжений можно изготовлять из твердых и износостойких материалов, например сталей с вольфрамом, целиком.
Работа устройства (вариант на фиг.1) осушествляется следующим образом. При изменении передаточного отношения вариатора сателлиты 4, например, при подаче текучей среды под давлением в цилиндры 11, поршни 12 штоками 13 вытесняются с осью 9 на периферию. При этом они своими коническими поверхностями раздвигают бандажи 5, а следовательно, и диски 3 посредством упоров 6. Диски 3, взаимодействуя с выпуклой поверхностью упоров 2, закрепленных на корпусе 1, упруго прогибаясь, обеспечивают соответствующий расчетный нажим дорожек качения 7 на сателлиты 4. Бандажи 5, прогибаясь вместе с дисками 3, а также благодаря контакту с ними и поднутрению 8 и самостоятельно из-за сил давления на них сателлитов 4 выводят в контакт с сателлитами 4 все новые зоны дорожек качения 7, в том числе и переменной кривизны, уменьшающейся по мере увеличения сил прижима их к сателлитам 4. Это, как и изготовление бандажей 5 и сателлитов 4 из твердых и износостойких материалов, повышает долговечность деталей вариатора. Аналогично работают и диски 14 с бандажами 20 на них, но из-за полной посадки бандажей 20 на внешнюю цилиндрическую поверхность дисков 14 бандажи 20 и дорожки качения на них поворачиваются в основном только вместе с дисками 14, хотя и здесь можем быть выполнена частичная посадка бандажа 20 на диск 14, как и в предыдущем случае. Таким образом, и износостойкость дорожек качения бандажей 20 также повышена.
Изображенный на фиг.4 вариант выполнения вариатора отличается от описанного выше тем, что нажимные устройства выполнены шариковыми.
При выполнении нажимных устройств шариковыми (фиг.4, фиг.5, фиг.6) шарики 21 размещаются равномерно по окружности в канавках 22 и 23, выполненных соответственно в упорах 2 и внешних фрикционных дисках 3. Канавки 22 и 23 выполняются с наклонными краями, причем выполнены они на прилегающих друг к другу сторонах фрикционных дисков 3 и упоров 2, поджатых друг к другу предварительным нажимным усилием за счет осевой упругости упоров 2. За счет этого нажимного усилия от упоров 2 через канавки 22 и 23 и шарики 21 центральные фрикционные диски 3 поджаты к сателлитам 4.
Работа вариатора с шариковыми нажимными устройствами (фиг.4, фиг.5, фиг.6) происходит аналогично описанному выше. При этом поджим фрикционных дисков 3 к сателлитам 4 осуществляется шариками 21 через наклонные края канавок 22 и 23, во время действия крутящего момента, смещающего канавки 22 и 23 относительно друг друга (фиг.6). Предварительный нажим, например, за счет осевой упругости упоров 2 помогает избежать проскальзывания фрикционных дисков 3 относительно сателлитов 4 и повышает надежность срабатывания нажимного устройства.