АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЦЕНТРОБЕЖНО-ИНЕРЦИОННЫЙ ВАРИАТОР
AUTOMATIC CENTRIFUGAL INERTIAL VARIATOR

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на различных видах транспорта, а также в механизмах, где необходима плавная регулировка скорости вращения валов.
Известна инерционная передача (А.С. №1317211 F16H 25/00, 33/06, 1985), более сложная конструкция, чем предлагаемая.
Известна бесступенчатая передача Хоббса (Леонов А.И., Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента, М.: Машиностроение, 1978, стр.11, рис 2), которая содержит в конструкции механизм свободного хода, малая долговечность которого является недостатком.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является центробежный вариатор (журнал «Техника молодежи» №12, 1977, стр.39), содержащий ведущий вал, который несет на себе ступицу с подвижными в радиальном направлении роликами. Они обкатываются по внутренней поверхности обоймы, имеющей профиль, близкий к эллипсному. Эта обойма играет роль ведомого звена. При вращении ведущего вала ролики движутся в радиальном направлении от оси вала и, обкатываясь по внутренней поверхности обоймы, создают момент, прокручивающий обойму в сторону вращения вала. Недостатком данной конструкции является то, что с увеличением скорости вращения обоймы возникает противодействующей момент и падает КПД вариатора.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении КПД вариатора.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматический центробежно-инерционный вариатор содержит ведущий вал, на ступице которого установлены подвесы с профилированной поверхностью с роликами, которые имеют возможность взаимодействовать с внутренней профилированной поверхностью обоймы, выполняющей роль ведомого звена, а опорные ролики, установленные на обойме, на линии минимального радиуса профилированной поверхности, имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов. Участки внутренней профилированной поверхности обоймы, соответствующие увеличению радиуса вращения роликов, и начальные участки профилированной поверхности подвесов, соответствующие уменьшению радиуса вращения роликов, выполнены из эластичного материала.
На фиг.1 представлен автоматический центробежно-инерционный вариатор с подвесами, совершающими колебательные движения вокруг осей крепления их к ступице; на фиг.2 - то же, но подвесы перемещаются в радиальном направлении.
Автоматический центробежно-инерционный вариатор содержит ведущий вал 1, на ступице 2 которого установлены подвесы с профилированной поверхностью 3 с роликами 4, которые имеют возможность взаимодействовать с профилированной поверхностью 5 обоймы 6, а опорные ролики 7 имеют возможность обкатывать профилированную поверхность подвесов 3. По конструктивным соображениям на каждом подвесе 3 установлено по два ролика 4.
д
Автоматический центробежно-инерционный вариатор работает следующим образом. Ведущий вал 1 начинает вращаться. Ролики 4 под действием центробежных сил отклоняются на подвесах 3 от центра вариатора и начинают обкатывать участки профилированной поверхности 5, уменьшающие радиус вращения роликов 4, и создают, на обойме 6 движущий момент М.
д
ц
М=F×r×sinά, где
ц
F - центробежная сила от массы роликов 4 и подвесов 3;
ά - значение угла наклона траектории движения центра массы роликов 4 к окружностям, проходящим через центры масс роликов 4;
r - значение радиуса движения центра масс роликов 4.
p min
p max
p max
p min
При движении роликов 4 по участкам профилированной поверхности 5, увеличивающих радиус вращения роликов, линейная скорость роликов 4 возрастает от V до V и от ведущего вала 1 отнимается работа, равная изменению кинематической энергии роликов 4 на этих участках. При движении роликов 4 по участкам, где радиус вращения роликов 4 уменьшается, одновременно уменьшается линейная скорость движения роликов от V до V, т.е. скорость движения тормозится профильной поверхностью 5 обоймы 6 и ведущим валом 1.
Таким образом, при неподвижной обойме 6 кинетическая энергия, полученная роликами 4 на участках разгона, возвращается ведущему валу 1, кроме потерь на трение в подшипниках роликов и подвесов и трения роликов 4 при качении. Во время торможения роликов 4 обойме 6 передается импульс силы
и
F×Δt=м×ΔV, где
и
F- сила инерции роликов 4;
p max
p min
Δt - время изменения скорости роликов 4 от V до V;
м - масса роликов 4 (включает в себя массу подвеса, приведенную к центру ролика);
p max
p min
ΔV - разность V- V.
и
и
Под действием силы инерции F на обойме 6 развивается движущий момент инерции М
и
и
cр
М=F×r, где
cр
r - среднее значение радиуса движения центра масс роликов 4 на участке уменьшения радиуса вращения роликов 4.
2
При работе вариатора в режиме трансформации момента общий движущий момент (М) равен сумме моментов
2
д
и
М=М+М
н
2
2
н
Когда момент сопротивления нагрузки М на ведомой обойме 6 становится меньше общего движущего момента М(М>М), создаваемого роликами 4 на профилированной поверхности 5, ведомая обойма 6 начинает вращаться под действием разности этих моментов.
2
1
2
По мере увеличения частоты вращения ведомой обоймы 6 (ώ) уменьшается частота колебаний роликов 4, пропорциональная разности частот вращения ведущего вала 1 (ώ) и ведомой обоймы 6 (ώ).
1
2
Δώ=ώ-ώ,
2
2
н
д
а часть кинетической энергии роликов 4 передается ведомой обойме 6 и момент сопротивления на ведущем валу 1 возрастает, что вызывает уменьшение общего движущего момента М (ώ). Когда момент сопротивления нагрузки на ведомой обойме 6 М достигает значения М или станет меньше его
н
д
М≤М
1
2
происходит синхронизация вращения ведомой обоймы 6 с ведущим валом 1 (ώ=ώ, Δώ=0). Теперь вариатор работает как упругоцентробежная муфта. В этом положении ролики 4 располагаются на профилированной поверхности 5 так, что создают максимальный движущий момент.
Таким образом, скорость вращения обоймы 6 может меняться от нулевой до скорости ведущего вала 1 в зависимости от ее нагрузки, т.е. изменение угловой скорости ведомого вала автоматически приводит к изменению передаваемого крутящего момента.
При переходе роликов 4 на участки обоймы увеличивающие радиус вращения роликов, происходит контакт и начинается обкатывание профилированных поверхностей подвесов 3 опорными роликами 7 и усилие от центробежных сил передается в радиальном направлении через опорные ролики 7 на обойму 6, а ролики 4 обкатывают профилированную поверхность 5, выполненную из эластичного материала, практически не оказывая на нее давления, а только регулируя скорость вращения роликов 4.
Противодействующего момента на обойме 6 не создается, механизма свободного хода не требуется, а КПД вариатора повышается.
Форма профилированной поверхности подвесов 3 обеспечивает необходимое перемещение роликов 4 по участкам профилированной поверхности 5, соответствующим увеличению их радиуса вращения, а также обеспечивает равные скорости вращения опорных роликов 7 в начале и конце контакта их с подвесами 3.
Для получения мягкого контакта профилированных поверхностей подвесов 3 с опорными роликами 7 и регулирования их скорости вращения начальные участки профилированных поверхностей подвесов 3, соответствующие уменьшению радиуса вращения роликов 4, выполнены из эластичного материала.
Участки профилированной поверхности 5, увеличивающие и уменьшающие радиус вращения роликов 4, могут быть одной длины, а может быть одинаковым время прохождения этих участков роликами 4.
При увеличении радиуса вращения роликов 4 для обеспечения постоянного контакта профилированной поверхности подвесов 3 с опорными роликами 7 время отклонения роликов 4 от минимального до максимального расстояния от центра вариатора при максимальной разности оборотов ведущего вала 1 и ведомой обоймы 6 не должно быть больше времени перемещения роликов 4 в окружном направлении по участкам профилированной поверхности 5, увеличивающим радиус вращения роликов 4. Установкой на общей обойме нескольких вариаторов, сдвинутых по фазе в окружном направлении, уменьшаем величину пульсации суммарного вращающего момента.
Для обеспечения равномерного вращения ведомого вала устанавливается маховик, функцию которого частично выполняет обойма.
Для обеспечения заднего хода автомобиля на ведомом валу обоймы 6 устанавливают реверсивное устройство, выполненное по классической схеме (не являющееся объектом изобретения, поэтому описание его опускается).