УСТРОЙСТВО БЕССТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ (ВАРИАТОР)
DEVICE FOR INFINITELY VARIABLE CONTROL OF REDUCTION RATIO (VARIATOR)

Настоящее изобретение относится к вариаторам качения, в которых усилие привода передается от одной дорожки качения к другой посредством одного или нескольких роликов, ориентация которых изменяется согласно изменениям передаточного отношения. В частности, изобретение относится к новому механизму управления ориентацией ролика.
Применяемый здесь термин «вариатор» относится к передающему устройству, допускающему бесступенчатое регулирование передаточного отношения. На фиг.1 проиллюстрированы исключительно в качестве примера, а не ограничений, и в чрезвычайно упрощенной форме некоторые из периферийных (компонентов известного вариатора 10 качения, в котором усилие привода передается от наружных дисковидных дорожек 12, 14 качения к внутренней дисковидной дорожке 16 качения (или наоборот) посредством роликов 18, катящихся по дорожкам качения. Здесь показаны только два ролика, однако на практике вариатор обычно содержит шесть роликов, по три в обеих полостях 38, ограниченных дорожками качения. Сила сцепления между роликами и дорожками качения обеспечивается за счет смещения их по направлению друг к другу, что обеспечивается в этом примере с помощью гидравлического исполнительного механизма 20, сдвигающего одну дорожку 14 качения к другим. В проиллюстрированном примере левая наружная дорожка 14 качения закреплена на валу 22 вариатора для совместного с ним вращения, в то время как правая наружная дорожка 12 качения на этой иллюстрации выполнена с валом за одно целое. Внутренняя дорожка 16 качения установлена на валу для вращения вокруг вала, привод которого может осуществляться двигателем, схематически обозначенным ссылочной позицией 23. Вращение наружных дорожек 12, 14 качения поворачивает ролики 18 и, следовательно, также и внутреннюю дорожку 16 качения. Отбор мощности от внутренней дорожки качения может осуществляться пропущенной вокруг нее цепью или с помощью какого-либо соосного приспособления, хорошо известного в уровне техники. Ролики способны осуществлять «прецессию». Это означает, что каждый из них может изменить свою ориентацию, изменяя наклон оси ролика к оси вариатора 21, ограниченной валом 22. Две альтернативные ориентации роликов 18 соответственно обозначены на фиг.1 сплошными линиями и пунктиром. Очевидно, что путем перехода с одной ориентации на другую каждый ролик изменяет отношение окружностей, которые он проходит по внутренней и наружной дорожкам качения, вызывая таким образом изменение передаточного отношения вариатора.
Поэтому монтаж ролика должен позволять ему как вращаться вокруг собственной оси, так и оборачиваться вокруг другой оси, которая будет упоминаться как «ось прецессии». Соответственно, поворотное движение, которое изменяет ориентацию ролика, часто будет упоминаться здесь как «прецессия». Прецессией ролика не управляют непосредственно, то есть путем приложения к агрегату ролика крутящего момента, направленного вокруг оси прецессии. Вместо этого характер установки ролика позволяет ролику свободно осуществлять прецессию, а ориентацией ролика управляют посредством управляющего эффекта, который создают на роликах дорожки качения. В качестве примера для этого рассмотрим известную конструкцию вариатора, проиллюстрированную на фиг.2 и 3. Эти чертежи взяты из патента Великобритании 2227287, и для деталей, относящихся к устройству и работе этого и других типов вариатора, следует обратиться к этому документу. На фиг.2 и 3 показаны только две из дорожек 12, 16 качения вариатора. Каждый ролик 18, из числа которых показан только один, установлен в подвижном носителе 30, который соединен с поршнем 32, ходящим в цилиндре 34. Ролик и его носитель могут совместно осуществлять прецессию вокруг оси прецессии 36, которая определяется в данной конкретной конструкции положением цилиндра 34. Следует отметить, что ось прецессии не находится в радиальной плоскости. Вместо этого, как показано на фиг.2, она образует с радиальной плоскостью «угол колеса» СА. Когда поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра, ролик совершает аналогичное возвратно-поступательное движение. Дорожкам 12, 16 качения в этом случае придана форма, при которой они ограничивают содержащую ролики тороидальную полость круглого сечения, подобную полостям 38, показанным на фиг.1. Дорожки качения ограничивают ролик 18 таким образом, что при возвратно-поступательном движении его центр следует по траектории, которая является дугой центрального круга тора. Перемещение ролика по этому пути зависит от равновесия между (а) круговым компонентом 2F смещающего усилия, приложенного к каретке ролика поршнем 32, и (b) двумя усилиями F, приложенными к ролику 18 соответствующими дорожками 12, 16 качения.
Каждый из роликов стремится к положению, при котором при «контактах» между роликом 18 и дорожками 12, 16 качения (термин «контакты» используется здесь в широком смысле, поскольку эти компоненты фактически не соприкасаются, будучи разделены тонкой пленкой тяговой текучей среды, известной в технике) перемещение периферии ролика происходит параллельно перемещению поверхности дорожки качения. Неточное соответствие перемещения ролика и дорожки качения при контактах приводит к возникновению управляющего момента для поворота ролика относительно оси прецессии, то есть к стремлению вызвать прецессию ролика для уменьшения неточного соответствия. Условием параллельности двух движений (т.е. для нулевого управляющего момента) является то, что ось ролика должна пересекать ось вариатора.
Далее следует описание того, что происходит, когда узел из ролика и каретки 18, 30 смещается влево или вправо на фиг.3. Если ось ролика 41 первоначально пересекает ось 21 вариатора, смещение ролика отводит ее от такого пересечения, но только временно, поскольку возникающий управляющий момент вызывает прецессию ролика при его смещении. Благодаря углу колеса СА такая прецессия может восстановить пересечение двух осей. Результатом является то, что «угол прецессии» ролика зависит от его смещения вдоль круговой траектории 40. В этой известной конструкции отношение между положением ролика и углом прецессии зависит от угла колеса.
Такое конструкционное решение обеспечивает управление вариатором посредством крутящего момента. Такой способ работы вариатора хорошо известен специалистам в данной области техники и раскрыт, например, в ЕР 444086. Если объяснить вкратце, то в вариаторе с управлением посредством крутящего момента не происходит непосредственного контроля передаточного отношения вариатора. Контролируемое смещающее усилие (усилие 2F на фиг.2) прикладывается к каждому из роликов, и при равновесии оно должно уравновешиваться усилиями, прилагаемыми к ролику дорожками качения вариатора (усилия F на фиг.2). Усилия, прилагаемые дорожками качения к роликам, определяются крутящими моментами на соответствующих дорожках качения вариатора, а также радиусами дорожек, которые ролики вычерчивают на дисках. Простой анализ показывает, что:
in
out
Смещающее усилие исполнительного механизма α T+T
in
out
in
out
in
out
где T и T являются крутящими моментами на внутреннем и наружном дисках вариатора соответственно. Сумма T+T обозначается здесь как «реактивный крутящий момент» и непосредственно контролируется именно эта величина, а не передаточное отношение вариатора. Изменения в передаточном отношении вариатора происходят за счет приложения T и T (добавленных к приложенным извне крутящим моментам, например, от приводного двигателя) к инерции, воздействующей на вход и выход вариатора. Ролики движутся автоматически и совершают прецессию согласно последующим изменениям передаточного отношения вариатора.
Другой вид конструкции вариатора раскрыт, например, в публикации GB 1002479 и проиллюстрирован на фиг.4. В данном случае ролики вариатора также обозначены ссылочной позицией 18, хотя здесь показан полный комплект из трех роликов в одной полости, и закреплены на подшипниках 50 и держателях 52, на противоположных концах которых центрирующие шейки 54, 56 вставлены в находящиеся на одной линии каналы в крестовине 58. Таким образом, держатель может немного перемещаться назад и вперед вдоль линии, поперечной относительно оси вариатора. Такое перемещение каретки управляется воспринимающим упор элементом 60 с тремя спицами, соединенным с каждым держателем соответствующим шаровым шарниром 62. Небольшое вращательное движение элемента 60 вокруг оси вариатора заставляет ролики и держатели перемещаться вдоль упомянутой поперечной линии. Находящиеся на одной линии каналы, в которые вставлены центрирующие шейки 54, 56, могут быть смещены вдоль аксиального направления для создания угла колеса, а описанный выше управляющий эффект используют для управления ориентацией ролика. Подшипники 50 ролика допускают его небольшое боковое «плавание», так что он может следовать по нужной круговой дорожке вокруг оси вариатора, несмотря на то, что держатель 52 следует по прямой линии.
Указанные варианты осуществления предусматривают совместное вращение держателя и ролика для достижения требуемой прецессии ролика. Иной подход к управлению роликом раскрыт в публикации WO 03/062670, причем соответствующее техническое решение показано на фиг.5. В данном случае держатель 70 имеет на своих противоположных концах две поршневые головки 72, 74, которые ходят в соответствующих цилиндрах 76, 78. Каждый ролик вариатора, единственный пример которого опять обозначен ссылочной позицией 18, может вращаться вокруг собственной оси благодаря роликовому подшипнику 80, а также может совершать прецессию относительно носителя, поскольку подшипник 80 соединен с носителем посредством универсального шарнира, содержащего шар 82 и шпонку 84, причем шпонка образует ось, вокруг которой ролик осуществляет прецессию относительно носителя. В данном случае сам носитель не может вращаться, поскольку центр ролика смещен относительно оси поршневых головок 72, 74. Одним из преимуществ такой конструкции является то, что угол колеса, который определяется положением шпонки 84, может быть свободно выбран. В описанных ранее вариаторах возможности выбора угла колеса ограничиваются проблемами, связанными, например, с задеванием дисков вариатора.
Тем не менее все описанные выше вариаторы имеют то общее, что управляющий эффект, требующийся для управления ориентацией ролика, достигается просто путем возвратно-поступательное перемещения носителя вдоль центрального круга тороидальной полости.
Целью настоящего изобретения является получение улучшений в способе управления роликом (роликами) в вариаторе качения.
Согласно настоящему изобретению создано устройство бесступенчатого регулирования передаточного отношения, содержащее первую и вторую дорожки качения, установленные для вращения вокруг общей оси («оси вариатора»), и, по меньшей мере, один ролик, который соединен с носителем для вращения вокруг оси ролика, определенной относительно носителя, и который катится по обеим дорожкам качения для передачи усилия привода между ними при переменном передаточном отношении. Устройство согласно настоящему изобретению содержит концентрично расположенные центральное зубчатое колесо и зубчатый венец, причем носитель имеет зубцы, посредством которых он зацепляется с центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом, при этом соединение между роликом и его носителем обеспечивает возможность его прецессии относительно носителя вокруг оси прецессии, которая определена относительно носителя и не параллельна оси ролика, так что относительное вращение центрального зубчатого колеса и зубчатого венца вызывает поворот носителя вокруг его оси, которая не параллельна оси ролика и оси прецессии, в результате приводя к прецессии ролика и соответствующему изменению передаточного отношения вариатора.
Предпочтительно, ось носителя проходит через центр ролика.
Предпочтительно, ось носителя является параллельной оси вариатора.
Предпочтительно, ось прецессии всегда наклонена под ненулевым углом колеса к плоскости, перпендикулярной оси вариатора.
Предпочтительно, ось прецессии проходит через центр ролика.
Предпочтительно, носитель выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения по дорожке вокруг оси вариатора.
Предпочтительно, устройство содержит средство приложения регулируемого усилия к центральному зубчатому колесу и зубчатому венцу для смещения носителя по его траектории.
Предпочтительно, носитель содержит зубчатое колесо с неполной круговой периферией, содержащей внутренний и наружный зубчатые участки, находящиеся на общей круговой позиции для зацепления соответственно с центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом.
Предпочтительно, как центральное зубчатое колесо, так и зубчатый венец вращаются вокруг оси вариатора.
Предпочтительно, центральное зубчатое колесо и зубчатый венец соединены таким образом, что положение одного зависит от положения другого.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит водило, установленное для вращения вокруг оси вариатора и перемещающее, по меньшей мере, один сателлит, который находится в зацеплении с центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом.
Предпочтительно, привод центрального зубчатого колеса осуществляется посредством зубчатого венца и планетарной передачи.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит зубчатую рейку с линейным перемещением, взаимодействующую с, по меньшей мере, одним из центрального зубчатого колеса и зубчатого венца.
Предпочтительно, как центральное зубчатое колесо, так и зубчатый венец выполнены с возможностью их приведения одной или несколькими зубчатыми рейками с линейным перемещением.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит линейный исполнительный механизм для приложения регулируемого усилия и средство для преобразования этого усилия в крутящий момент, приложенный к, по меньшей мере, одному из центрального зубчатого колеса и зубчатого венца.
Предпочтительно, линейный исполнительный механизм является гидравлическим механизмом.
Таким образом, согласно настоящему изобретению обеспечивается простое и удобное необходимое управление носителем. Привод носителя может осуществляться центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом в форме сателлита в планетарной передаче.
Ось носителя предпочтительно является параллельной оси вариатора. Желательно также, чтобы ось носителя проходила через центр ролика, так что вращение носителя не вызывает радиального смещения центра ролика.
Особенно желательно, чтобы ось прецессии проходила через центр ролика. При этом ролик может осуществлять прецессию без радиального смещения центра. В обычной конструкции вариатора возможность центра ролика следовать по центральной линии тора, образуемого между двумя дорожками качения, ограничена, и поэтому он не способен к значительному радиальному смещению.
Ориентация оси прецессии не является постоянной, поскольку эта ось установлена относительно носителя, который сам может вращаться. Однако желательно, чтобы ось прецессии всегда была наклонена под ненулевым углом колеса к плоскости, перпендикулярной оси вариатора. Благодаря углу колеса в результате поворота носителя ролик может возвратиться за счет прецессии в положение, при котором ось ролика пересекает ось вариатора.
Особенно желательно, чтобы носитель мог не только вращаться вокруг оси носителя, но и мог совершать возвратно-поступательное движение по круговой дорожке вокруг оси вариатора. Такая конструкция служит для контроля крутящего момента. Возможно применение средства для приложения регулируемого усилия, направленного на смещение носителя вдоль дорожки. Для равновесия это смещающее усилие должно быть затем уравновешено усилиями, приложенными к ролику со стороны дорожек качения, что является основой управления крутящим моментом.
Если при совершении носителем возвратно-поступательного движения по дорожке вокруг оси вариатора поддерживался постоянный наклон к линии, выходящей из оси вариатора, никакого изменения передаточного отношения вариатора произойти не должно. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используется средство вращательного привода носителя, так что наклон носителя к линии, являющейся радиальной относительно оси вариатора и проходящей через центр ролика, изменяется в зависимости от положения носителя на дорожке, проходящей вокруг оси вариатора. Таким путем можно установить, что смещение носителя по этой дорожке вокруг оси вариатора сопровождается изменением наклона носителя и последующим изменением передаточного отношения вариатора.
Настоящее изобретение обеспечивает широкие возможности определения путем соответствующего управления носителем взаимозависимости между смещением носителя и передаточным отношением вариатора.
На практике проблемы вариатора могут быть связаны с предотвращением «задевания» одного подвижного компонента другим внутри полости, ограниченной двумя дорожками качения. Таких проблем можно ожидать, если носитель выполнен в виде цельного зубчатого колеса с полной круговой периферией. Однако от носителя не требуется вращение на полные 360° относительно центрального зубчатого колеса и зубчатого венца, и поэтому ему не требуется полная круговая периферия. Вместо этого в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения носитель содержит зубчатое колесо, имеющее внутренний и наружный зубчатые участки, находящиеся в общей круговой позиции для зацепления соответственно с центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом.
Особенно желательно, чтобы как центральное зубчатое колесо, так и зубчатый венец могли вращаться вокруг различных осей. В таких вариантах осуществления изобретения эти компоненты могут быть функционально соединены, например, посредством зубчатого зацепления, так что положение одного зависит от положения другого. Предпочтительно, такая конструкция предполагает, что вращение одного из них в любом направлении сопровождается вращением другого в том же направлении и с другой скоростью вращения. Это может обеспечить постоянное отношение скоростей между центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом.
В таких вариантах осуществления изобретения требуются некоторые технические решения, при которых может осуществляться привод центрального зубчатого колеса и необходимо обеспечить это способом, позволяющим избежать задевания других компонентов вариатора, то есть роликов, носителей и т.д. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения имеется водило, которое перемещает, по меньшей мере, один сателлит, взаимодействующий с центральным зубчатым колесом и зубчатым венцом. В таком варианте осуществления изобретения центральное зубчатое колесо, зубчатый венец и сателлит действуют совместно эпициклическим способом. Привод центрального зубчатого колеса осуществляется через венец и сателлит.
Далее будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения исключительно в качестве примеров, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - сильно упрощенный вид в частичном разрезе известного вариатора, если смотреть в радиальном направлении;
фиг.2 - вид в частичном разрезе части другого известного вариатора, если смотреть в радиальном направлении;
фиг.3 - еще один вид в частичном разрезе частей вариатора, показанных на фиг.2, если смотреть в основном в осевом направлении, для иллюстрации компонентов, находящихся сзади него;
фиг.4 - еще один вид в частичном разрезе частей вариатора, если смотреть в основном в осевом направлении, с полностью опущенной дорожкой качения вариатора, которая должна быть на переднем плане, для иллюстрации внутренних компонентов;
фиг.5 - еще один вид в частичном разрезе частей вариатора, если смотреть в основном в осевом направлении, с полностью опущенной дорожкой качения вариатора, которая должна быть на переднем плане, для иллюстрации внутренних компонентов, причем на чертеже пунктиром показаны некоторые внутренние устройства;
фиг.6а - очень схематичный вид отдельного узла из ролика и носителя и некоторых связанных с ним деталей вариатора согласно настоящему изобретению, если смотреть вдоль оси вариатора;
фиг.6b - вид узла с фиг.6а, имеющего отличающуюся конфигурацию;
фиг.7 - вид в перспективе некоторых деталей компоновки носителя и подшипника того же вариатора;
фиг.8 - вид в перспективе ролика и упрочняющего кольца того же вариатора;
фиг.9 - вид в перспективе узла, содержащего ролик, носитель и подшипник в компоновке с фиг.7 и 8;
фиг.10 и 11 - другой вариатор согласно настоящему изобретению, если смотреть в осевом направлении, с опущенной на переднем плане дорожкой качения вариатора для иллюстрации внутренних компонентов;
фиг.12 - вид в перспективе в разрезе по оси выбранных компонентов еще одного вариатора согласно настоящему изобретению, с опущенной на переднем плане чертежа дорожкой качения вариатора для иллюстрации внутренних компонентов;
фиг.13 - вид вариатора с фиг.12, если смотреть в осевом направлении, причем самая передняя дорожка качения вариатора также опущена для иллюстрации внутренних компонентов;
фиг.14 - схематический вид еще одного вариатора согласно настоящему изобретению, если смотреть в осевом направлении;
фиг.15 - схематический вид еще одного вариатора согласно настоящему изобретению, если смотреть в осевом направлении;
фиг.16 - схематичный вид в перспективе выбранных частей еще одного вариатора согласно настоящему изобретению;
фиг.17 - вид в перспективе в разрезе по оси ролика узла ролика, держателя и кожуха, предназначенного для использования в вариаторах согласно настоящему изобретению;
фиг.18 - вид в разрезе в радиальной плоскости через вариатор согласно настоящему изобретению, включающий в себя узел с фиг.18;
фиг.19 - вид в разрезе через осевую плоскость еще одного вариатора согласно настоящему изобретению; и
фиг.20 - вид в перспективе носителя, используемого в различных вариантах осуществления изобретения.
Все варианты осуществления изобретения, которые будут описаны далее, предусматривают установку каждого из роликов вариатора в соответствующем носителе, который можно наклонять с помощью приводного приспособления. Принцип можно понять при изучении фиг.6а и 6b, на которых показан только один из роликов, обозначенный ссылочной позицией 200 (который в значительной степени содержится в кожухе 202, который будет описан далее), а носитель обозначен ссылочной позицией 204. При сравнении фиг.6b с фиг.6а носитель 204 наклонен относительно оси 226 носителя таким образом, что угол θ наклона не равен нулю. Кратковременное изменение угла наклона отводит ось ролика от пересечения с осью вариатора, а возникающий управляющий момент вызывает прецессию ролика с целью восстановить пересечение. Последующий наклон ролика соответствует измененному передаточному отношению, которое уже не составляет 1:1.
Конструкция, используемая в этом и последующем вариантах осуществления изобретения как для установки носителя 204 таким образом, чтобы он мог качаться вокруг оси 226 носителя, так и для привода этого движения раскачивания, содержит центральное зубчатое колесо 212 и кольцевой наружный зубчатый венец 214, которые оба установлены концентрично с осью вариатора 218 и могут поворачиваться вокруг нее. Носитель 204 выполнен в виде зубчатого колеса и размещается в пространстве между центральным зубчатым колесом 212 и с зубчатым венцом, находясь в зацеплении с обоими. Носитель не может перемещаться вдоль оси вариатора, поскольку положение ролика, который на нем помещен, определяется дорожками качения вариатора. Сами дорожки качения на этих чертежах не показаны, однако (как будет ясно из последующих чертежей) они располагаются перед роликом 200 и позади него и вращаются вокруг общей оси 218, которая упоминается как ось вариатора и располагается перпендикулярно плоскости чертежа. Носитель может вращаться вокруг оси 226 носителя, которая также перпендикулярна плоскости чертежа. Предусмотрено приспособление для приведения носителя во вращение вокруг этой оси и изменения таким образом «угла наклона». Угол наклона, обозначенный на фиг.6b как θ, определяется как угол между (1) линией 216, исходящей из оси 218 вариатора (т.е. оси дорожек качения вариатора), и (2) некоторой произвольной линией 220, проходящей вдоль носителя. Управляющие моменты, требуемые для осуществления прецессии ролика и последующего изменения передаточного отношения вариатора, вызываются изменениями угла θ наклона.
На фиг.6а угол наклона равен нулю, и вариатор работает с передаточным отношением, равным приблизительно 1:1. Ось 222 ролика перпендикулярна оси 218 вариатора и пересекает ее, как это и должно быть при равновесии.
Поскольку диапазон углового перемещения носителя ограничен, нет необходимости, чтобы его наружная периферия представляла собой полный круг. Вместо этого носитель имеет внутренний по радиусу секторный зубчатый участок 206, соединенный посредством проходящей в основном по радиусу наружу детали 208 с наружным по радиусу секторным зубчатым участком 210. Такое строение носителя 204 позволяет вставить его в имеющееся пространство без задевания других деталей, таких как сами ролики.
Рассмотрим в качестве примера, что должно произойти, если привод центрального зубчатого колеса и зубчатого венца 212, 214 должен осуществляться таким образом, чтобы они вращались с одинаковой скоростью, так что они - и носитель 204 - просто поворачиваются вокруг оси вариатора, сохраняя при этом постоянное положение относительно друг друга. Угол θ наклона не должен изменяться. Если ось 222 ролика первоначально пересекалась осью 218 вариатора, как показано на фиг.6, то должно сохраниться это положение, и не произойдет никакого изменения передаточного отношения вариатора.
Однако рассмотрим, что произойдет, если привод центрального зубчатого колеса и зубчатого венца осуществляется при различных скоростях. В общем это вновь приводит к перемещению носителя по круговой дорожке вокруг оси вариатора. Центр ролика следует по кругу 224, который является центральным кругом тора, ограниченного дорожками качения вариатора. Однако в это же время носитель 204 поворачивается вокруг оси 226 носителя для изменения своего угла θ наклона.
Ролик может свободно осуществлять прецессию относительно носителя 204 благодаря использованию подшипника, посредством которого он соединяется с носителем, и этот объект настоящего изобретения будет теперь рассмотрен со ссылкой на фиг.7-9. Применение подшипника позволяет ролику 200 (1) вращаться вокруг собственной оси и (2) осуществлять прецессию вокруг оси 228 прецессии, установленной и зафиксированной относительно носителя 204.
Вращение ролика 200 вокруг собственной оси обеспечивается посредством игольчатого подшипника 230 (см. фиг.8), установленного в центральном канале ролика. Между роликом и подшипником помещается упрочняющее кольцо 232 (см. фиг.8). Благодаря рифленой конструкции упрочняющее кольцо обеспечивает некоторую согласованность между роликом и подшипником. При использовании ролик подвергается со стороны дорожек качения вариатора значительному сжимающему усилию, направленному по диаметру ролика. В результате ролик повергается некоторой упругой деформации. Упрочняющее кольцо упруго деформируется, воспринимая деформацию ролика, и таким образом обеспечивает то, что сжимающее усилие выдерживает сам ролик вместо его передачи на подшипник 230. Внутренняя дорожка качения игольчатого подшипника 230 образуется в двух частях 234, 236, собранных вокруг втулки 238 носителя 204 (см. фиг.7). Две части 234, 236 могут быть, например, сварены между собой с последующей механической обработкой их наружной периферии для получения правильной круговой поверхности, требующейся для внутренней дорожки качения подшипника. С другой стороны, они могут быть скреплены вместе лентой по их окружности (не показана), которая должна служить поверхностью подшипника. Центрирующие выступы 240 выступают с каждой из сторон втулки 238 и являются концентричными и выровненными относительно оси 228 прецессии. Центрирующие выступы вставлены в дополняющие круглые выемки 242 во внутренних поверхностях 241 соответствующих частей 234, 236 внутренней дорожки качения, а шайбы 244 отделяют внутренние поверхности от прилегающих поверхностей втулки 238. Конструкция позволяет внутренней дорожке 234, 236 качения подшипника и, следовательно, установленному на нем ролику 200 осуществлять прецессию относительно носителя 204 вокруг оси 228 прецессии, как упоминалось выше. Следует отметить, что ось прецессии не располагается в плоскости, являющейся радиальной (перпендикулярной) относительно оси вариатора (такой как плоскость чертежа фиг.6). Вместо этого ось прецессии 228 наклонена к такой плоскости, образуя угол колеса. Этот момент можно лучше всего понять по фиг.20, на которой показан носитель 204 в направлении, перпендикулярном оси 228 прецессии. Видно, что зубцы 246 зубчатого колеса носителя скорее наклонены к оси прецессии, чем являются перпендикулярными к ней. Угол положения зубцов зубчатого колеса определяет в настоящем варианте осуществления изобретения угол колеса между осью прецессии и радиальной плоскостью. Одно из преимуществ такого технического решения по сравнению с применяемым техническим решением, проиллюстрированным на фиг.2, заключается в том, что угол колеса не ограничивается конструкцией вариатора. В вариаторе с фиг.2 максимально возможный угол колеса ограничивается задеванием исполнительного механизма дорожками качения вариатора. В отличие от этого рассмотренная здесь конструкция обеспечивает больше свободы в выборе угла колеса, как это необходимо для удовлетворения требований к скорости реакции вариатора и устойчивости к колебанию.
Фиг.10 и 11 приведены для пояснения движения носителей 204 и роликов 200. Эти чертежи показывают практическое решение, при котором три ролика располагаются через правильные угловые интервалы внутри тороидальной полости, образованной между парой тороидальных дорожек качения вариатора. Детали этих дорожек качения не показаны на этих чертежах, при этом они могут быть образованы подобно дорожкам 12, 14, 16 качения, показанным на фиг.1. Круговая дорожка, по которой следуют центры роликов вокруг оси вариатора, когда носители совершают возвратно-поступательное движение, на фиг.10 обозначена ссылочной позицией 224. Фактически центральная линия тороидальной полости описана дорожками качения. В этом варианте осуществления изобретения конструкция крестовины со спицами 248 используется для приведения центрального зубчатого колеса 212, как будет описано далее.
Показанный на фиг.10 вариатор работает при передаточном отношении приблизительно 1:1. Оси роликов приблизительно перпендикулярны оси вариатора (данный угол должен измеряться в плоскости, содержащей ось вариатора, т.е. в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, и поэтому не может быть обозначен на этом изображении). Каждая ось 222 ролика пересекает ось 218 вариатора, поскольку они должны находиться в равновесии. При этом условии общий угол θ наклона каждого носителя 204 должен быть равен нулю.
Фиг.11 отличается от фиг.10 тем, что центральное зубчатое колесо 212 и зубчатый венец 214 продвинуты по часовой стрелке, причем центральное зубчатое колесо продвигается больше, чем зубчатый венец. В результате имеют место несколько изменений:
i) поскольку центральное зубчатое колесо и зубчатый венец вращаются в одном направлении (по часовой стрелке), носители 204 и ролики 200 также продвигаются по часовой стрелке, причем центр каждого ролика 200 движется по кругу 224;
ii) поскольку центральное зубчатое колесо 212 движется быстрее зубчатого венца 214, каждый носитель 204 начинает качаться, т.е. вращаться вокруг оси 226 носителя, вызывая изменение угла θ наклона;
iii) изменение угла наклона носителя вызывает угловое смещение осей роликов, кратковременно прерывая их пересечение с осью вариатора. Таким образом к роликам, как было описано ранее, прикладывается управляющий эффект, вызывающий их прецессию (вокруг осей 228 прецессии, описанных со ссылкой на носители 204) до проиллюстрированных положений, восстанавливая таким образом пересечение. Должно быть очевидно, что ролики больше не являются перпендикулярными к оси вариатора, но наклонены относительно нее. Соответственно изменяется передаточное отношение вариатора, причем вариатор фактически показан в одном из положений, близких к предельному передаточному отношению.
Следует отметить, что посредством центрального зубчатого колеса и зубчатого венца 212, 214 может осуществляться управление вариатором. Осуществление привода центрального зубчатого колеса 212 представляет собой сложную задачу из-за положения зубчатого колеса внутри полости вариатора. До сих пор были предложены два различных решения. Первое из этих решений показано на фиг.10 и 11, согласно которым структура 248 типа крестовины содержит профилированные радиальные детали 250, которые проходят через полость и соединяют центральное зубчатое колесо 212 с колесом снаружи полости, к которому применяется привод. Само колесо на этих чертежах не находится на переднем плане, и его периметр показан пунктиром и обозначен ссылочной позицией 251. Радиальные детали 250 должны быть образованы способом, позволяющим избежать задевания роликами и носителями при их движении, из-за которого зависит их форма.
Второе средство осуществления привода центрального зубчатого колеса предусматривает включение центрального зубчатого колеса и зубчатого венца в эпициклоидальную конструкцию. Вариатор, проиллюстрированный на фиг.12 и 13, является одним из примеров и будет теперь описан подробно. На этих чертежах показан вариатор, похожий на вариатор с фиг.6, который имеет две тороидальные полости. На фиг.12 внутренняя дорожка качения обозначена ссылочной позицией 252, причем с правой стороны чертежа видна одна из наружных дорожек 254 качения. Конструкция включает в себя еще одну наружную дорожку качения, которая должна находиться с левой стороны чертежа, но не показана для наглядной иллюстрации других компонентов. Носители и ролики здесь обозначены ссылочными позициями 204 и 200 соответственно. Для простоты на фиг.12 не показаны системы подшипников, соединяющие носители с роликами, при этом они показаны на фиг.13. Каждая полость вариатора содержит три ролика 200 и каждая имеет связанный с ней зубчатый венец 214, 214' и центральное зубчатое колесо 212, 212'. Конструкция содержит также в каждой полости водило 256, 256', установленное для вращения вокруг оси вариатора и содержащее втулку 258 и радиальные детали 260, которые служат как для поддержки сателлитов 262, так и для соединения водила с цельным наружным колесом 264. Каждый из сателлитов 262 находится в зацеплении с центральным зубчатым колесом 212 и зубчатым венцом 214, образующими зубчатую систему эпициклического типа. В результате путем контроля вращения водила 256 и зубчатого венца 214 контролируется также вращение центрального зубчатого колеса. Принципы, лежащие в основе зубчатой системы эпициклического типа, известны специалистам в данной области техники. Такое решение является удобным, поскольку сателлиты 262 могут быть помещены между носителями 204 и двигаться вместе с ними, так что избегается задевание одного другим. Подобно носителям 204 сателлиты 262 не имеют полной круговой периферии, а вместо этого имеют внутренний и наружный секторные зубчатые участки 266, 268. Опять-таки, это помогает избежать задевания компонентов внутри полостей вариатора.
Требуются некоторые средства для привода центрального зубчатого колеса и зубчатого венца 212, 214. На фиг.13 этого достигают посредством зубчатых реек 270, 272, находящихся в зацеплении с зубчатой наружной периферией зубчатого венца 214 и с зубчатой наружной периферией кольцевой части 264 водила соответственно. Привод самого центрального зубчатого колеса осуществляется не на прямую, а посредством сателлитов 262. Две зубчатые рейки 270, 272 могут быть соединены между собой, так что они движутся вместе. Если движение реек направлено на изменение угла наклона носителя и таким образом приводит к изменению передаточного отношения вариатора, рейки должны осуществлять привод венца 214 и водила 256 с различной скоростью. Этого достигают в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.13, с помощью того факта, что наружная периферия зубчатого венца 214 имеет диаметр, отличающийся от диаметра наружного колеса 264 водила. Поэтому при возвратно-поступательном движении реек 270, 272 они вызывают движение зубчатого венца и водила с различной скоростью. Соответственно, зубчатый венец и центральное зубчатое колесо вращаются с различными скоростями, вызывая изменение наклона носителя и, следовательно, изменение передаточного отношения вариатора.
Такой тип конструкции позволяет управлять крутящим моментом вариатора. Центральное зубчатое колесо и зубчатый венец развивают смещающее усилие, сдвигающее каждый ролик 200 по круговой дорожке 224. Этому усилию противодействуют усилия, приложенные к ролику дорожками 252, 254 качения. Перемещение роликов 200 по дорожке 234 приводит к изменению угла θ наклона и, следовательно, передаточного отношения вариатора. В результате, как и в известной конструкции, описанной выше со ссылкой на фиг.1 и 2, вариатор создает реактивный крутящий момент, который определяется смещающим усилием, приложенным к каждому ролику. Для приложения регулируемого усилия к зубчатым рейкам 270, 272 требуется некоторое средство, при этом согласно фиг.13 для этой цели используется гидравлический цилиндр с поршнем, соединенный с двумя рейками 270, 272 и схематически обозначенный ссылочной позицией 274. Он является агрегатом двойного действия, имеющим две рабочие камеры 276, 278, образованные в цилиндре 282 с каждой из сторон поршня 284. Таким образом, управление поведением вариатора осуществляется посредством давления текучей среды, приложенного к двум рабочим камерам 276, 278.
Существуют многочисленные альтернативные пути, с помощью которых необходимый крутящий момент может быть приложен к центральному зубчатому колесу и зубчатому венцу. На фиг.14 схематически проиллюстрирована альтернативная конструкция для осуществления привода зубчатой передачи, в которой установленный на шарнире цилиндр 286 содержит поршень 288, соединенный посредством штока поршня 290 с проушиной 292, которая соединена с центральным зубчатым колесом или зубчатым венцом 212, 214, или с водилом 256. В этой конструкции поршень 288 осуществляет привод одной из этих деталей зубчатой передачи на прямую, причем для привода другой части зубчатой передачи требуется другое средство.
На фиг.15 показана конструкция, в которой вокруг одного из компонентов зубчатой передачи для его привода пропущена цепь 292, при этом крутящий момент, создаваемый цепью, определяется разницей между рабочими давлениями в рабочих камерах 294, 296 гидравлических исполнительных механизмов 298, 300, тянущих цепь в противоположных направлениях.
На фиг.16 для приложения к одному из компонентов зубчатой передачи требующегося крутящего момента используется конструкция, содержащая проволоку и шкив. Этот тип конструкции считается потенциально обеспечивающим преимущества при получении компактной конструкции вариатора, поскольку исполнительные механизмы (которые не показаны на чертеже, но, как следует понимать, тянут по линиям, указанным стрелками 300, 302) не требуется выравнивать в поперечном направлении с осью вариатора. Проволока 303 пропущена вокруг компонента зубчатой передачи (которым снова может быть центральное зубчатое колесо 212, зубчатый венец 214 или сателлит 256) и вокруг шкивов 304, 306, за счет чего конструктор может, например, для улучшения компоновки, выбрать направление, по которому исполнительные механизмы тянут линию.
Как упоминалось выше, ролики 200 и дорожки 252, 254 качения обычно не имеют физического контакта между собой, так как они разделены тонкой пленкой текучей среды. Сцепление между роликами и дорожками качения возникает из-за сдвигающего усилия в этой жидкостной пленке. Для сохранения пленки на вращающиеся детали подается поток тяговой текучей среды. Известные устройства для подачи тяговой текучей среды описаны, например, в публикациях WO 03/062675 и ЕР 0930449, и основываются на подаче текучей среды через носители, на которых установлены ролики. Подача тяговой текучей среды через носитель является менее прямой в вариаторах типа, проиллюстрированного ранее на фиг.6, что связано с характером движения носителя; однако на фиг.17 и 18 проиллюстрирован один способ, которым этого можно добиться. Как наиболее ясно показано на фиг.18, внутри носителя 204 образован Т-образный канал 308 для подачи текучей среды, ведущий от открытого конца во внутреннем зубчатом участке 206 носителя к соответствующим калам 310, 312 внутри соответствующих половин 234, 236 внутренней дорожки качения подшипника. Эти каналы ведут во внутреннюю область игольчатого подшипника 230, а оттуда текучая среда проходит в камеру, ограниченную роликом 200 и окружающим его кожухом 202. Кожух 202 содержит две аналогично образованные половины, которые собраны вокруг ролика 200 и соединяются между собой наружными фланцами 318. Кожух установлен на деталях 234, 236 внутренней дорожки качения подшипника, и поэтому движется вместе с роликом 200. Он имеет вырез, обозначенный ссылочной позицией 320 на фиг.6, 10 и 11, чтобы обеспечить взаимодействие ролика 200 с дорожками 252, 254 качения вариатора. Наряду с функцией осуществления сцепления между роликами и дорожками качения вариатора текучая среда служит для охлаждения роликов. Проиллюстрированная конструкция обеспечивает за счет подачи текучей среды на внутреннюю по радиусу часть ролика и за счет применения кожуха длительный период нахождения текучей среды вокруг ролика, что обеспечивает эффективное охлаждение.
Перепускная трубка 322 вставлена как в открытый конец канала 308 для подачи текучей среды, так и в радиальное отверстие 324 на центральном зубчатом колесе 212, образуя проход для пропуска текучей среды из последнего к первому. Угол между каналом 308 и отверстием 324 изменяется при наклоне носителя, и для восприятия этого перепускная трубка 322 имеет частично сферические головки 326, 328, каждая из которых может немного поворачиваться, сохраняя герметичность. Текучая среда поступает по осевому каналу для достижения радиальных отверстий 324.
На фиг.19 показано осевое сечение вариатора согласно варианту воплощения настоящего изобретения и показано, как части в двух полостях вариатора могут быть соединены вместе. Показана только половина вариатора, с одной стороны оси вариатора 218. Вал вариатора 330 соединен через непоказанную зубчатую передачу с двигателем автомобиля. Дорожки качения вариатора обозначены ссылочными позициями 252, 254 и 255. Крайняя левая наружная дорожка 255 качения установлена на валу вариатора 330 на шпонках, которые позволяют ей двигаться вдоль вала и исключают ее поворот относительно него. Она подвергается «конечной нагрузке» со стороны гидравлического исполнительного механизма, образованного цилиндром 332, который сам установлен на валу вариатора 330 и принимает наружную дорожку 255 качения в виде поршня. Крайняя правая наружная дорожка 254 качения неподвижно закреплена на валу, а внутренняя дорожка 252 качения обладает некоторой свободой осевого движения благодаря подшипнику 334, на котором она установлена. В результате эффект конечной нагрузки заключается во введении всех трех дорожек качения во взаимодействие с роликами 200, обеспечивая сцепление роликов и дорожек качения. На этом чертеже ролики 200 показаны в трех различных положениях, соответствующих передаточному отношению 1:1 и наибольшим и наименьшим существующим передаточным отношениям соответственно, причем два последних положения обозначены пунктирными линями.
На этом чертеже центральные зубчатые колеса 212, 212' в двух тороидальных полостях вариатора показаны как соединенные первой гильзой 336, расположенной вокруг них и концентричной с валом 330 вариатора, вызывая движение двух центральных зубчатых колес в унисон. Два водила 256, 256' соединены второй гильзой 338, и в этом варианте осуществления изобретения радиальные детали 260, 260' водила располагаются парами с планетарным валом 340, установленным между каждой парой для установки соответствующего сателлита 262 на подшипниках 342. Зубчатая наружная часть колеса водила обозначена на предыдущих чертежах ссылочной позицией 264. Зубчатые венцы 214, 214' в этом варианте осуществления изобретения расположены между деталями 260, 260' соответствующих водил. Конструкция позволяет прилагать усилие привода к эпициклическим компонентам только одной полости вариатора и передавать его через гильзы компонентам в другой полости.
На внутреннюю дорожку 252 качения вариатора необходимо подавать и/или отбирать от нее вращающееся усилие привода, и во многих областях применения желательно делать это через некоторый элемент, который вращается вокруг оси вариатора (вместо средства с цепью или зубчатой передачей, приводящего к смещению вала от оси вариатора). Такое соосное соединение с внутренней дорожкой качения может быть относительно сложным для реализации изобретения с существующими конструкциями вариатора, в которых механизм управления роликами расположен радиально снаружи полостей вариатора. Однако в настоящем варианте осуществления изобретения соосное силовое соединение на прямую достигается с помощью ротора 344, соединенного с внутренней дорожкой 252 качения вариатора и проходящего по оси за пределы крайней правой наружной дорожки 254 качения, причем наружная часть ротора соединяется с еще одной зубчатой передачей (не показана). Эта простая форма соосного соединения возможна благодаря тому, что зубчатая передача в правой полости вариатора в значительной степени содержится внутри этой полости, не имея больших радиальных выступов, которые могли бы задевать ротор.