Фрикційний варіатор

Предлагаемое изобретение относится к механическим фрикционным передачам с бесступенчатым регулированием передаточного числа и может быть использовано в общем машиностроении, системах трансмиссий автомобилей, мотоциклов, тракторов и других транспортных средств. Известна бесступенчатая фрикционная передача, состоящая из двух фрикционных элементов конической чашки и конического ролика, с внутренним касанием ([1], с.45 - 47). Изменение передаточного числа достигается перемещением ролика (или чашки) вдоль образующей конуса. При этом изменяется величина рабочего радиуса ролика. При совпадении осей чашки и ролика передача блокируется и относительные потери на трение в контакте равны нулю (передача работает как коническая фрикционная муфта). Вследствие того, что контактирующими элементами являются конуса с положительным смещением и с внутренним контактом, эта передача имеет низкое геометрическое скольжение и высокий КПД, но эта передача в силу своих кинематических особенностей не обеспечивает реверсирования. К тому же при выдвижении ролика увеличиваются контактные напряжения сжатия вследствие уменьшения приведенного радиуса кривизны контактирующих элементов. Известна также сферическая бесступенчатая передача с одной полусферической чашкой и роликом, заключенным в обойму, имеющую возможность вращаться вокруг оси, проходящей через центр контактирующей сферической поверхности ([2], с.320). Изменение передаточного числа достигается наклоном обоймы с роликом - при этом изменяется величина рабочего радиуса чашки. При переходе ролика через ось чашки - изменяется направление вращение, т.е. передача обеспечивает реверсирование. Передача имеет низкое геометрическое скольжение и высокий КПД вследствие внутреннего контакта, а также постоянный во всем диапазоне регулирования приведенный радиус кривизны контактирующих элементов. Недостатком этой передачи является невозможность ее блокировки при передаточном числе, равном единице - поскольку ось вращения ролика никогда не совпадает с осью вращения чашки, а также сложность подвода крутящего момента к ролику. В основу предполагаемого изобретения поставлена задача создать такой фрикционный вариатор с сферической чашкой и роликом, в котором бы новое расположение ролика позволило бы обеспечить блокировку вариатора при передаточном числе, равном единице и за счет этого повысить его КПД, т.к. при этом потери на трение в контакте будут равны нулю. Поставленная задача решается тем, что в фрикционном вариаторе, состоящим из чашки и ролика, контактирующими поверхностями которых являются элементы сферы, у чашки - внутренняя поверхность, а у ролика - наружная, согласно изобретению, предусмотрены следующие конструктивные отличия: - ось наклона ролика расположена с эксцентриситетом к центру контактирующей сферической поверхности чашки; - при передаточном числе вариатора, равном единице - ролик и чашка установлены соосно. Эти отличия позволяют обеспечить блокировку вариатора при передаточном числе, равном единице и за счет этого повысить его КПД, т.к. при этом потери на трение в контакте будут равны нулю. Изменение передаточного числа вариатора может достигаться как наклоном ролика, так и чашки. Для обеспечения начального точечного контакта сферическая поверхность ролика должна иметь меньший радиус чем сфера чашки. Такой вариатор будет обладать значительным диапазоном бесступенчатого регулирования передаточного числа, вплоть до полной остановки ведомого звена, реверсом и блокировкой при достаточно простой конструкции. Сочетание указанных положительных качеств предполагает использование предлагаемого вариатора прежде всего в системах трансмиссий автомобилей, мотоциклов и других транспортных средств, т.к. большинство автомобилей, особенно легковых, подавляющее время двигаются на прямой передаче коробки передач или соответственно на основной рабочей передаче ([1], стр.130). Вариатор отличается простотой управления, т.к. бесступенчатое регулирование, нейтраль, реверсирование и блокировка осуществляются наклоном ролика или чашки. Вариатор является обратимым и может выполнять роль мультипликатора. Вариатор несложно выполнить с автоматическим регулированием передаточного числа в зависимости от величины крутящего момента на ведомом валу аналогично вариатору с качающимся на водиле коническим диском ([3], стр.200 - 207). Для этого необходимо соединить вариатор с ведомым валом через пару конических шестерен, одна из которых установлена на оси одного из фрикционных элементов, а другая - на оси его наклона. Если добавить еще одну пару конических шестерен - то вариатор получится соосным. Если вариатор соединить с ведомым валом через еще одну сферическую фрикционную пару и при этом оба ролика установить на одном валу, то получится соосный двухступенчатый вариатор, который позволит расширить диапазон регулирования и исключить при этом из конструкции гибкий вал и конические шестерни. Анализ заявляемого фрикционного вариатора, по сравнению с известными в данной области техники, позволяет сделать вывод о том, что указанная выше совокупность отличительных признаков удовлетворяет критерию "Новизна". Предложенные отличительные признаки обеспечивают достижение нового положительного эффекта, что позволяет сделать заключение о том, что предлагаемый фрикционный вариатор удовлетворяет критерию "Существенные отличия". В общем виде вариатор состоит из ведущего вала 1 с механизмом автоматического нажатия (шариковым, винтовым, гидравлическим и т.п.) 2 и сферической чашкой 3, контактирующей с роликом 4, установленным вместе с механизмом автоматического нажатия 5 и промежуточным валом 6 в подшипниковой обойме 7, которая может поворачиваться на оси 8 с помощью рычага 9. Механизмы автоматического нажатия содержат также пружины 10 и 11. Ведомый вал 12 соединен с промежуточным с помощью гибкого вала (или системы карданных валов) 13. Вариатор с автоматическим регулированием скорости в зависимости от крутящего момента на ведомом валу изображен на фиг.4 и 5. Этот вариатор отличается от изображенного на фиг.1 и 2 тем, что промежуточный вал 6 соединен с конической шестерней 14, входящей в зацепление с другой конической шестерней 15, соединенной с ведомым валом 16, расположенным на оси наклона ролика. Двухступенчатый вариатор изображен на фиг.7 и 8. Этот вариатор отличается от изображенного на фиг.1 и 2 тем, что ролик 4 первой ступени установлен на одной оси 17 с роликом 18 второй ступени, который контактирует с чашкой второй ступени, имеющей механизм автоматического нажатия 20 и соединенной с ведомым валом 21. Работа вариатора осуществляется следующим образом. Крутящий момент с ведущего вала 1 через механизм автоматического нажатия 2 прижимает чашку 3 с заданной силой к ролику 4. Предварительное сжатие фрикционной пары чашка-ролик обеспечивается пружинами 10, 11. Вращение от чашки 3 к ролику 4 передается силами трения или силами вязкостного сдвига при использовании "тяговых жидкостей" (силиконовых). Далее вращение от ролика 4 через механизм автоматического нажатия 5 передается промежуточному валу 6, затем гибкому валу 13 и ведомому валу 12. Механизм автоматического нажатия 5 прижимает ролик 4 к чашке 3 с силой, соответствующей крутящему моменту на ведомом валу. Изменение передаточного числа достигается наклоном подшипниковой обоймы, в которой установлен ролик - рычагом управления, вручную или с помощью привода. Вследствие установки оси наклона ролика с эксцентриситетом "e" по отношению к центру сферы чашки - происходит их расцентровка при наклоне ролика, т.е. ролик в наклонном положении касается чашки только в одной точке, при этом несколько смещая чашку в осевом направлении. Передаточное число вариатора определяется отношением рабочего радиуса ролика Rp к рабочему радиусу чашки Rj. При изменении передаточного числа изменяется Rj, a Rp остается постоянным. Если сопоставить вариатор с автомобильной трехступенчатой коробкой передач, то положение ролика, изображенное на фиг.1 и 2 будет соответствовать третьей прямой передаче (передаточное число вариатора равно единице, т.к. ось ролика совпадает с осью чашки, рабочий радиус ролика равен рабочему радиусу чашки - передача работает как фрикционная муфта). Положения ролика при других передачах изображены на фиг.3. Положение I соответствует второй передаче, II - первой, III - нейтрали, IV - заднему ходу. При этом переход от прямой передачи к первой осуществляется бесступенчато. В вариаторе с автоматическим регулированием скорости крутящий момент от ведущего вала 1 к промежуточному 6 передается аналогично, как в выше рассмотренном вариаторе. Затем вращение от промежуточного вала 6 к ведомому валу 16 передается через пару конических шестерен 14 и 15. Передаточное число этого вариатора зависит от величины крутящего момента на ведомом валу 16, т.к. с его изменением меняется давление на зубьях конических шестерен (реакция опоры), которое заставляет тем сильнее отклоняться ролик от оси вариатора, чем больше крутящий момент на ведомом валу, тем самым увеличивая передаточное отношение. При этом переход с прямого хода на реверс (и наоборот) должен осуществляться принудительно. Положения ролика при различных передаточных числах вариатора с автоматическим регулированием скорости в зависимости от крутящего момента на ведомом валу изображены на фиг.6. При этом передаточные числа соответствуют фиг.3. В двухступенчатом вариаторе крутящий момент от ведущего вала 1 к ролику 4 передается аналогично, как в изображенном на фиг.1 и 2 вариаторе. Вращение от ролика 4 через ось 17 передается ролику 18. Далее от ролика 18 силами трения-чашке 19, которая прижимается к ролику 18 с помощью механизма автоматического нажатия 20 и затем ведомому валу 21. Изменение передаточного числа достигается наклоном подшипниковой обоймы, в которой установлены ролики 4 и 18. Положения роликов при различных передаточных числа двухступенчатого вариатора изображены на фиг.9.