Вариатор для бесступенчатой коробки передач с передачей усилия роликами по тороидальным беговым поверхностям

 

Использование: машиностроение, устройства для бесступенчатого изменения передаточного отношения. Сущность изобретения: вариатор содержит входные и выходные диски с тороидальными поверхностями и ролики, каждый из которых в диаметральном направлении перекрывает промежуток между соответствующими входными и выходными дисками. Центр каждого ролика установлен с возможностью ограниченных перемещений вперед и назад по центральной окружности тороидального промежутка. Вариатор снабжен стопорными средствами, расположенными смежно внутренним и внешним краям тороидальных поверхностей входных и выходных дисков и препятствующими выходу ролика за края. 9 з. п. ф-лы, 3 ил.

Данное изобретение относится к вариаторам, т. е. к элементам изменения передаточного отношения в коробках передач, где тяговое усилие передается роликами по тороидальным беговым поверхностям. Известно, что в подобных вариаторах сгруппированные ролики переменной ориентации передают тяговое усилие между согласованными частично тороидальными беговыми дорожками, образованными на противоположных поверхностях соосных вращающихся в противоположные стороны входного и выходного дисков. Изменение вращательной скорости, передаваемой от входного к выходному диску происходит с изменением ориентации роликов: если ролики контактируют с входным диском на сравнительно большом радиусе, а с выходными на сравнительно малом, то выходной диск вращается быстрее, чем входной, и говорят, что вариатор установлен на большое передаточное число, если же ролики контактируют с входным диском на малом радиусе, а с выходным на большом, то выходной диск вращается медленней, а вариатор устанавливается на малое передаточное число. Описание подобных вариаторов приводилось во многих патентах, выданных в нашем столетии, к примеру в патентах US-A-1056292, GB-A-1078791 и сравнительно недавнем W 090/05860. Более конкретно можно сказать, что данное изобретение относится к вариаторам с передачей тягового усилия роликами по тороидальным беговым дорожкам, обладающим двумя следующими свойствами. Во-первых, ролики перекрывают частично тороидальный промежуток практически диаметрально между соответствующими входным и выходным дисками, когда центр каждого ролика лежит практически на мнимой центровой поверхности окружности тора. Поэтому данное изобретение относится к вариаторам так называемого "полностью тороидального" типа, примерами которых служат все три указанных выше патентных описания, и не относятся к вариаторам так называемого "полутороидального" типа, которым присущи совершенно иные проблемы по конструкции и работе, одним из примеров которых является описание к патенту US-A-4400987. Во-вторых, изобретение относится к вариаторам полностью тороидального типа, у которых, как и в описании к патенту W 090/05860, центр каждого ролика при нормальной работе вариатора должен быть свободен, и во время изменения передаточного числа должен совершать ограниченные перемещения вперед и назад по кругу у центровой окружности тора. Изобретение не относится к другому типу вариаторов с тороидальной беговой дорожкой, примером которого может служить описание к патенту GB-A-1069874, у которых центр роликов ограничивается одним местом на центровой окружности тора.

На схематичных рис. 1 и 2 из числа приложенных чертежей показаны некоторые особенности и элементы вариатора того типа, к которому относится данное изобретение. На рис. 1 показан вид в плоскости под прямым углом к оси дисков, а на рис. 2 показан вид в плоскости, где лежат эти оси. Как видно из рис. 1, ролик А может вращаться относительно собственного центра В, смонтированного на каретке С, соединенной с поршнем D, ходящим в цилиндре Е. Ролик А передает тяговое усилие от частично тороидальной поверхности F, образованной на диске G, к соответствующей беговой дорожке Н, образованной на соосном диске J. В примерах, представленных в описании к патенту W 090/05860, поршень D не только совершает перемещения вдоль оси цилиндра Е, но и может незначительно наклоняться относительно оси цилиндра. Из обоих рисунков хорошо видно, что при любом управляющем перемещении ролика А вследствие движения поршня D внутри цилиндра Е должно происходить смещение центра В ролика. Из рис. 2 лучше всего видно, что поскольку ролик А перекрывает тороидальный зазор по диаметру, то центр В должен совершать перемещения по центровой окружности К тора. Из рис. 1 также видно, что линия действия поршня D на ролик А лежит под углом (L) к плоскости М, на которой находится окружность К. Угол L также называют углом наклона, и он существует во многих вариаторах такого типа, включая и примеры, рассмотренные в описании W 090/05860.

Одним из хорошо известных способов вариаторов для бесступенчатых коробок передач CVT с тороидальными беговыми дорожками, где существует угол наклона, является свойство однонаправленности. Иными словами, уверенное изменение передаточного числа при одновременной смене ориентации всех роликов возможно лишь тогда, когда входной диск или диски вращаются в одном направлении вращения относительно оси вариатора, а выходной диск или диски в другом. Причина этого явления хорошо известна, вкратце она объясняется тем, что геометрические соотношения при монтаже роликов входит угол наклона, изображенный на рис. 1. Поэтому важно, чтобы входные валы вариаторов бесступенчатой коробки передач подобного типа ни в коей мере не вращались назад.

На практике двигатели внутреннего сгорания, обычно используемые в качестве первичных двигателей для вариаторов указанного типа, рассчитываются только на движение назад, которые могут возникнуть к примеру в случае возврата в положение равновесия при заглушении двигателя, оказываются недостаточными для опрокидывания ориентации роликов в предыдущих поколениях вариаторов с тороидальными дорожками, так как вряд ли за все время произойдет один оборот назад. Вариаторы такого типа имели характеристику срабатывания, при которой входной диск или диски должны были совершать несколько оборотов, чтобы произошло необходимое изменение ориентации роликов. Причина, по которой возникло данное изобретение, связана с появлением более современной гидравлической системы подвески и управления роликами, описанной к примеру в патенте W 090/05860, когда значительные изменения ориентации роликов происходят намного быстрей за небольшой интервал на повороте входного диска или дисков. Поэтому приходится считаться с возможностью быстрого и непредсказуемого изменения ориентации роликов, когда они могут даже выскочить с дорожек на входном и/или выходном дисках за один поворот входного вала назад, что может произойти при заглушении двигателя или после его неудачного запуска, а также защищаться от этого явления.

Суть изобретения определяется пунктами его формулы, содержимое которой следует рассматривать как входящее в описание, теперь же перейдем к рассмотрению изобретения на примере его реализации с обращением к рис. 3 из числа приложенных чертежей, на котором представлен упрощенный вид вариатора в аксиальном сечении, причем некоторые особенности изображены исключительно схематично.

У вариатора имеется входной вал 1, на одном конце которого предусмотрены шлицы 2 для вращения от двигателя 3 вокруг оси 6, на противоположных концах входного вала размещены два входных диска 4 и 5. Диск 4 закреплен и не может перемещаться ни вдоль оси, ни вращательно относительно вала. Диск 5 также не может совершать относительного вращения, но за счет шпоночного соединения 7 может совершать ограниченные осевые перемещения, так как диск 5 действует в качестве поршня внутри цилиндра 8, соединенного с соответствующим источником гидравлической энергии 9, создающим необходимую и обычную "торцевую нагрузку" на вариатор.

Между дисками 4 и 5 находится выходной элемент 10 вариатора, состоящий из двух выходных дисков 11 и 12, расположенных по противоположным сторонам по шестерни 13, выходной узел 10 вращается относительно вала 1 на подшипнике 14.

Как обычно, в вариаторе предусмотрены ролики 20, смонтированные на каретках 21 (аналогичных каретке С на рис. 1 и 2), ролики передают тяговое усилие между частично тороидальными беговыми дорожками 22, образованными на входных дисках 4 и 5, и комплентарными к ним дорожками 23, образованными на выходных дисках 11 и 12. На рисунке между дисками 4 и 11 изображена лишь одна группа из ролика и каретки 20/22, а также имеющаяся между дисками 5 и 12, тогда как на практике между каждой дисковой группой обычно предусматривается по три ролика, разнесенных друг от друга на угол 120^o по дуге вокруг оси 6, причем, как предлагается в патентной публикации W 0/05860, для управления ориентацией всех шести роликов используется общая гидравлическая управляющая система (см. 25-27), гарантирующая наличие одинаковых передаточных отношений в любой момент времени. Как и на рис. 1 и 2, центр 20 у каждого ролика может лежать только на мнимой окружности 22а центра общего тора беговых дорожек 22 и 23, однако при работе, то есть под влиянием управляющего механизма, подобного сочетанию из поршня и цилиндра D и Е на рис. 1 и 2, совершает ограниченные перемещения вперед и назад по этой окружности.

Во многих публикациях по системам гидравлического управления роликами, например, в описаниях к патентам GB-C-2023753, EP-B-013333 и ЕР-А-0354013, отмечается, что гидравлический контур 25, с помощью которого производится управление каретками 21 и следовательно роликами 20, входят "гидравлические концевые стопорные" элементы 26, которые вступают в действие, когда поршни 27 подходят к концу допустимого рабочего хода с тем, чтобы сбалансировать гидравлические давления по обеим сторонам поршня и противодействовать дальнейшему продвижению поршня в направлении конца рабочего хода и далее. Если же гидравлическая энергия снимается, например, при заглушении двигателя в конце работы или при отказе в системе зажигания при запуске, то гидравлические стопоры не работают. Если в подобных условиях выходной вал двигателя провернется назад даже в небольшой степени, к примеру на пол-оборота, то сочетание быстрой роликовой реакции с непредсказуемым роликовым перемещением, вызванным вращением входного вала в обратном направлении, может привести к столь резким изменениям ориентации роликов внутри вариатора, что возникает опасность выскакивания поликов за края дорожек 22 и 23. В соответствии в данным изобретением для предотвращения выскакивания роликов за края дорожек предусматриваются физические ограждения. На радиально внутренних краях входных дорожек 22 предусматриваются стопоры 30, образованные втулками 31, установленными на входном валу 1 и удерживаемыми по месту зажимными кольцами 32. Для входных дорожек 23 предусматриваются аналогичные стопоры 33 на втулках 34, сцепленных с ободками 35 центральных полостей у кольцевых дисков 11 и 12. Следует отметить, что стопоры 30 и 33 входят в зацепление с плоскими поверхностями 36 роликов и что они вращаются в том же направлении относительно оси 6, что и диски, с которыми они связаны, и тем самым уменьшается относительная скорость при их соприкосновении с роликами. Если стопор 33 подобно стопору 30 устанавливается на оси 1, то из-за вращения дисков 11, 12 и вала 1 в противоположные направления между роликом 20 и стопором 33 могли бы возникнуть значительные относительные перемещения при вхождении при прохождении в контакт. Вместо монтировки вокруг входного вала 1 можно предусмотреть и иное расположение стопоров, выполняющих те же функции, что и элементы 30. К примеру, они могут составлять одно целое с дисками либо скрепляться иным способом.

На наружных краях входных (4, 5) и выходных (11, 12) дисков аналогичное стопорное действие выполняют кольцевые ограждения 40, 41. Они могут составлять одно целое с дисками, однако на рисунке они изображены отдельными компонентами, посаженными по наружному ободу дисков. На них предусмотрена ступенька 42, препятствующая сцеплению ограждения с роликом с последующим смещением ограждений с дисков, на которых они установлены. Кроме того, у ограждения на правом рисунке диска 5, действующем в качестве торцевого нагружающего поршня, о чем было сказано выше, образована канавка 43, куда помещается кольцевое уплотнение 44, контактирующее с цилиндром 8, внутрь которого входит диск 5. Заметим, что поскольку центры 20в роликов относительно жесткой конструкции вариатора размещаются так, что могут совершать ограниченные перемещения вперед и назад по окружности 22а, то наличие стопоров лишь на одном из двух радиальных краев дорожки может оказаться недостаточным, поскольку, если какой-либо ролик войдет в контакт с подобным стопором, то точка контакта станет для ролика точкой опоры, из-за чего противоположный конец ролика выскочит за неогражденный противоположный край противоположного диска.

Как и обычно, ролик 20 на конце имеет округление 50 с радиусом 51, который намного меньше полного радиуса 52 ролика 20, для большей выразительности округление у ролика 20а на рисунке справа изображено преувеличенным. Скругленный конец 50 ролика переходит в плоскую поверхность 36 у края 55, поэтому кривизну рабочих поверхностей 53 ограждений 40 и 41 удобно выбирать с учетом кривизны, создаваемой краем 55, когда ролик при подходе к одному из пределов допустимого передаточное отношение станет стремиться к переходу на большее передаточное отношение, лежащее за пределами допустимого диапазона. Заметим, что когда ролик идет близ предела допустимого диапазона, о чем сказано выше, то ось 54 ролика обычно пересекается с осью вариатора 6. Поэтому выбор рассматриваемой кривизны рабочих поверхностей 53 ограждений проводят с учетом получения максимального зазора между ограждениями и роликами, когда ролики движутся у предела допустимого диапазона, чтобы уменьшить размеры остаточного зазора по кольцу у беговой дорожки, который необходимо предусмотреть на границе того радиуса, при котором происходит контакт ролика и дорожки на указанном предельном положении, прежде чем начнется ограждение.

Формула изобретения

1. Вариатор для бесступенчатой коробки передач с передачей усилия роликами по тороидальным поверхностям, содержащий входные и выходные диски с тороидальными поверхностями и ролики, каждый из которых в диаметральном направлении перекрывает промежуток между соответствующими входными и выходными дисками, при этом центр каждого ролика установлен с возможностью ограничения перемещений вперед и назад по центральной окружности тороидального промежутка, отличающийся тем, что он снабжен стопорными средствами, расположенными смежно внутренним и внешним краям тороидальных поверхностей входных и выходным дисков и препятствующими выходу ролика за края.

2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что стопорные средства выполнены в виде кольца, установленного у наружного края тороидальной поверхности.

3. Вариатор по п.2, отличающийся тем, что кольцо составляет одно целое с диском.

4. Вариатор по п.2, отличающийся тем, что кольцо посажено по ободу диска с возможностью предупреждения взаимного перемещения кольца и диска по меньшей мере в одном направлении.

5. Вариатор по п. 4, отличающийся тем, что входной диск представляет собой поршень гидравлического торцевого нагружателя, а поршневое уплотнение расположено на кольце.

6. Вариатор по п.2, отличающийся тем, что контактирующие с тороидальной поверхностью ободки роликов скруглены, а образующая рабочей поверхности кольца, на которую попадает ролик при выходе за установленные пределы, соответствует кривой, образуемой контуром ролика при выходе за установленные пределы.

7. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что стопорные средства, препятствующие выходу ролика за внутренний край тороидальной поверхности, установлены с возможностью периодического взаимодействия с торцевой поверхностью ролика, стремящегося к выходу за установленные пределы.

8. Вариатор по п.7, отличающийся тем, что стопорные средства, связанные с диском, вращающимся вместе с проходящим через центр вариатора валом, расположены на этом валу.

9. Вариатор по п.7, отличающийся тем, что стопорные средства, связанные с диском, выполнены в виде кольца и вращающимся в направлении, противоположном направлению вращения центрального вала вариатора с зазором относительно него, расположены на втулкообразном элементе, установленном в центральном отверстии кольцевого диска.

10. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что ролики соединены со своими управляющими механизмами соединительными элементами, расположенными под углом к плоскости центральной окружности тороидального промежутка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3