Дисковый планетарный вариатор
Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в моторах-вариаторах. Дисковый планетарный вариатор содержит корпус (10), в котором установлен планетарный ряд, включающий центральные внешние (9) и внутренние (6) фрикционные диски, охватывающие с обоих торцов промежуточные фрикционные диски (7), закрепленные на осях (20) с возможностью их перемещения на водиле (25), и прижатые к промежуточным дискам (7) нажимные устройства. Дорожки качения на центральных фрикционных дисках, контактирующие с поверхностью промежуточных дисков (7), выполнены выпуклыми тороидальными. Зоны контакта упругих элементов (8) осевого действия с кольцевыми упорами (3) расположены на их периферийной кольцевой части. Кольцевые упоры (3) выполнены с возможностью их перемещения в осевом направлении в корпусе (10). В вариаторе обеспечивается оптимальный прижим фрикционных дисков друг к другу, отсутствие кромочных контактов при перекосах дисков и снижается износ зон контакта фрикционных дисков друг с другом и кольцевыми упорами. Это повышает КПД и долговечность вариатора. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, в качестве мотора-вариатора, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности и техники.
Известен планетарный вариатор, содержащий внутренние и внешние центральные фрикционные диски, охватывающие с боковых сторон промежуточные фрикционные диски, механизм совместного изменения передаточного отношения и нажима, выполненный в виде поворотных рычагов, несущих промежуточные фрикционные диски и установленных на водиле (см. патент РФ №2091638, МПК F16H 15/52, 1997).
В известном вариаторе нажимные части механизма совместного изменения передаточного отношения и нажима сложны, и, главное, они не решают задачи оптимального поджима дисков друг к другу из-за того, что коэффициент трения в точках фрикционного масляного контакта сильно меняется. По данным испытаний для центральных внутренних фрикционных дисков значение этого коэффициента меняется в интервале 0,015÷0,03, а для внешних - в интервале 0,02÷0,08.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому вариатору является дисковый планетарный вариатор, содержащий корпус, в котором установлен планетарный ряд, включающий центральные внешние и внутренние фрикционные диски, охватывающие с обоих торцов промежуточные диски, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, и прижатые к промежуточным дискам нажимные устройства, включающие упругие элементы осевого действия, контактирующие с кольцевыми упорами, причем упругие элементы осевого действия, как минимум, одной группы центральных фрикционных дисков выполнены заодно с этими дисками в виде упругих дисков с дорожками качения на их поверхности, контактирующими с промежуточными фрикционными дисками (см. патент РФ №2140028, МПК F16H 15/50, 1990). Известному вариатору, принятому за прототип, присущ тот недостаток, что при выполнении фрикционных дисков заодно с упругими элементами осевого действия большое значение приобретает форма выполнения дорожки качения, по которой осуществляется контакт центральных фрикционных дисков с промежуточными фрикционными дисками. Дело в том, что упругий элемент осевого действия, в том числе выполненный заодно с фрикционным диском, при деформации прогибается и сильно изменяет угловое положение дорожки качения. При традиционном выполнении дорожки качения конической формы (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы. Издательство «Машиностроение», 1980, с.267, рис.159) изгиб силового элемента может привести к кромочному контакту и повреждению фрикционных дисков. Кроме того, в вариаторе-прототипе не предусмотрены приспособления для осуществления точных предварительных деформаций упругих элементов осевого действия, от которых зависят силы нажима этих элементов на фрикционные диски.
Задача изобретения состояла в разработке дискового планетарного вариатора, в котором обеспечиваются снижение износа дорожек качения фрикционных дисков и заданные значения прижима центральных фрикционных дисков к промежуточным дискам.
Указанная задача решается тем, что предложен планетарный вариатор, содержащий корпус, в котором установлен планетарный ряд, включающий центральные внешние и внутренние фрикционные диски, охватывающие с обоих торцов промежуточные фрикционные диски, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле, и прижатые к промежуточным дискам нажимные устройства, включающие упругие элементы осевого действия, контактирующие с кольцевыми упорами, причем упругие элементы осевого действия, как минимум, одной группы центральных фрикционных дисков выполнены заодно с этими дисками в виде упругих дисков с дорожками качения на их поверхности, контактирующими с промежуточными дисками, в котором согласно изобретению дорожки качения центральных фрикционных дисков расположены на их внутренней торцевой части и выполнены выпуклыми тороидальными, а зоны контакта упругих элементов осевого действия с кольцевыми упорами расположены на их периферийной кольцевой части, и кольцевые упоры выполнены с возможностью их перемещения в осевом направлении в корпусе, причем параметры центральных фрикционных дисков и упругих элементов осевого действия подобраны так, что сила прижима внешних центральных фрикционных дисков к промежуточным дискам прогрессивно возрастает с ростом передаточного отношения по сравнению с силой прижатия внутренних центральных фрикционных дисков к промежуточным фрикционным дискам.
Другим отличием вариатора является то, что он имеет несколько планетарных рядов, причем между рядами в зоне внешних центральных фрикционных дисков установлены промежуточные кольцевые упоры, а в зоне внутренних центральных фрикционных дисков и их упругих элементов установлены дистанционные кольца.
Еще одним отличием варианта выполнения вариатора с одним планетарным рядом является то, что на корпусе установлена, как минимум, одна торцевая крышка, а между ней и ближайшим внешним центральным фрикционным диском помещена с возможностью осевого перемещения в корпусе втулка с кольцевым упором на ней, регулирующим нажим и осевое положение основания этого диска, а также нажим и осевое положение основания соседнего с ним внешнего фрикционного диска.
Отличием варианта выполнения вариатора с несколькими планетарными рядами является то, что на корпусе установлена, как минимум, одна торцевая крышка, а между ней и ближайшим к этой крышке внешним фрикционным диском помещена с возможностью осевого перемещения в корпусе втулка с кольцевым упором на ней, регулирующим нажим и осевое положение основания этого диска, а также нажим и осевое положение оснований других внешних дисков, связанных с упомянутым внешним диском через промежуточные внешние фрикционные диски и промежуточные кольцевые упоры.
В числе отличий вариатора следует отметить то, что кольцевые упоры, контактирующие с внешними центральными фрикционными дисками, выполнены с несколькими кольцевыми зонами контакта с этими дисками, причем зона контакта, расположенная на максимальном удалении от оси вариатора, контактирует с диском при минимальном передаточном отношении вариатора, а другие зоны контакта взаимодействуют с диском при увеличении передаточного отношения вариатора.
Другим отличием вариатора является то, что зоны контакта кольцевых упоров с внешними фрикционными дисками переходят одна в другую плавно, образуя на торцах кольцевых упоров, контактирующих с дисками, выпуклую тороидальную поверхность.
Еще одним отличием вариатора является то, что на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнена, как минимум, одна продольная канавка, соединяющая кольцевую цепь между внешними и внутренними центральными фрикционными дисками через отверстия во втулках с прилегающими боковыми полостями корпуса.
В числе отличий следует также отметить то, что промежуточные фрикционные диски установлены на поворотных рычагах с возможностью их перемещения.
Технический результат изобретения состоит в том, что благодаря отмеченным выше отличиям вариатора обеспечивается оптимальный прижим фрикционных дисков друг к другу, отсутствие кромочных контактов при перекосах и снижается износ зон контакта фрикционных дисков друг с другом и кольцевыми упорами. Это обеспечивает высокий КПД и долговечность вариатора.
Сущность изобретения поясняется на чертежах.
На фиг.1 изображена общая конструктивная схема вариатора с одним планетарным рядом (продольный разрез).
На фиг.2 - вид А-А фиг.1.
На фиг.3 изображена общая конструктивная схема вариатора с двумя планетарными рядами (продольный разрез).
На фиг.4, фиг.5 - выполнение прижима упора к внешним центральным фрикционным дискам.
На фиг.6, фиг.7 - выполнение зон контактов центральных внешних фрикционных дисков с промежуточными дисками при различных передаточных отношениях вариатора.
Дисковый планетарный вариатор содержит ведущий (быстроходный) центральный вал 1 (фиг.1), который в данном случае является валом электромотора, объединенного с вариатором в один блок - мотор-вариатор. На валу 1 посажена с возможностью ограниченного осевого перемещения и передачи крутящего момента (на шпонке) втулка 2, на которой с помощью упоров 3 и гайки 4, а также фасонной шпонки 5 посажены центральные внутренние фрикционные диски 6, прижатые к промежуточным фрикционным дискам 7 с помощью упругих элементов осевого действия, выполненных в виде тарельчатых пружин 8, упирающихся в борта упоров 3, при этом диски 6 посажены на втулке 2 с возможностью их осевого перемещения в пределах, допустимых осевой упругостью пружин 8. Внешние центральные фрикционные диски 9, играющие одновременно роль силовых элементов осевого действия - дисковых пружин, контактирующие с промежуточными фрикционными дисками 7, посажены в корпусе 10 с помощью втулок 11 и 12 с упорами 13 на них, а между дисками 9 может находиться замкнутое или незамкнутое кольцо 14, определяющее осевое расстояние между основаниями дисков 9 (однако наличие кольца 14 возможно, но не обязательно). Крайняя (на фиг.1) часть втулки 12 контактирует с торцевой крышкой 15 корпуса 10, и, таким образом, основания дисков 9 зажаты между крышкой 15, упором 13 втулки 11, упором 13 втулки 12 и корпусом 10. Крышка 15 крепится к корпусу 10, например, с помощью болтов 16, расположенных по торцам крышки 15 и корпуса 10 по окружности. Втулки 11 и 12 контактируют с дисками 9 своими упорами 13, при этом кольцевых зон контакта 17 упора 13 с диском 9 (см. фиг.4) может быть как одна, так и несколько, отстающих друг от друга как в радиальном, так и в осевом положении. Зоны контактов могут быть также объединены в одну криволинейную тороидальную зону 18 (фиг.5). При изменении передаточного отношения вариатора происходит радиальное перемещение дисков 7, которое вызывает упругое угловое перемещение в продольных радиальных плоскостях (прогиб) дисков 9 (показано штриховой линией). Это угловое перемещение дисков 9 приводит к их контакту с упорами 13 на все более удаленных от центра зонах - отдельных колец 17 или тороидальной выпуклой поверхности 18, что приводит к прогрессивному повышению осевой жесткости дисков 9 как силовых элементов осевого действия с повышением передаточного отношения вариатора, что и требуется для оптимизации прижима дисков 7 и 9. При этом параметры тарельчатых пружин 8 подбирают на основе их расчетов, изложенных, например, в справочнике: Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1993, с.175, а параметры внешних фрикционных дисков 9, представляющих собой круглые пластинки, подбирают на основе расчетов, приведенных на с.424-441 указанного выше справочника. Причем выбор параметров тарельчатых пружин 8 и круглых пластинок (внешних фрикционных дисков 9) осуществляют исходя из того, чтобы сила прижима внешних фрикционных дисков 9 к промежуточным дискам 7 прогрессивно возрастала с ростом передаточного отношения вариатора по сравнению с силой прижима к ним внутренних фрикционных дисков.
Внутренние фрикционные диски 6 контактируют с промежуточными дисками 7 по дорожкам качения на дисках 6, могущим иметь как коническую, так и выпуклую тороидальную поверхность. Внешние же фрикционные диски 9, выполненные в виде силовых элементов осевого действия - дисковых пружин, имеют дорожки качения 19 обязательно выпуклой тороидальной формы (фиг.6, фиг.7), так как при радиальном перемещении промежуточных фрикционных дисков 7 диски 9 получают угловое перемещение в продольных радиальных плоскостях (фиг.6, фиг.7), и зоны контакта дорожек качения 19 с дисками 7 (обведены на фиг.6 и 7 кружочками) при различных угловых перемещениях дисков 9 и радиальных перемещениях дисков 7 занимают различное положение на дорожках качения 19, что благоприятно сказывается на износе последних.
Диски 7 сидят на осях 20 с возможностью их некоторого осевого перемещения, а оси 12 - в подшипниках 21, закрепленных на поворотных рычагах 22, в свою очередь, жестко закрепленных (например, с помощью штифтов 23) на оси 24 или выполненных с ней заодно (см. фиг.1 и 2). Ось 24 посажена с возможностью поворота на водиле 25, и, таким образом, механизм вариатора образует собой фрикционную однорядную передачу, где внешние центральные фрикционные диски 9 выполняют роль эпицикла, внутренние 6 - солнечного колеса, промежуточные диски 7 на осях 20 в подшипниках 21 поворотных рычагов 22 - сателлитов, а водило 25 - водила планетарной передачи, связанного с выходным тихоходным валом 31.
Поворотные рычаги 22 выполняются с противовесами 26 повышенной или пониженной массы для увеличения или уменьшения неуравновешенности поворотных рычагов 22 (фиг.2).
На поворотных рычагах 22, например на их противовесах 26, шарнирно закреплены оси 27, связанные с механизмом изменения их радиального положения, например со штоками 28 цилиндров 22, в которые под давлением подается текучая среда (масло, воздух и т.д.) через кольцевые уплотнения-коллекторы 30, систему каналов в валу 31 и водиле 25 и трубопровод 32. Возврат штоков 28 в исходное положение при уменьшении давления осуществляется, например, пружиной 33. Число цилиндров 29 равно числу противовесов 26, а значит, и числу поворотных рычагов 22.
На фиг.3 представлена конструктивная схема вариатора с двумя планетарными рядами фрикционной планетарной передачи, и по такому же принципу могут быть построены вариаторы с любым рациональным числом планетарных рядов, например до 4...5. Отличие схемы с двумя и более планетарными рядами от схемы с одним рядом заключается всего лишь в наличии промежуточных упоров 34 между прилегающими друг к другу внешними центральными фрикционными дисками 9 первого и второго или последующих планетарных рядов, обе зоны контактов которых выполнены аналогично рабочим поверхностям упоров 13, объединены в одном упоре 34 и выполнены на его двух торцевых поверхностях. Кроме того, упругие элементы - дисковые пружины 8 первого и последующих планетарных рядов здесь разделены дистанционными кольцами 35.
В корпусе 10 вариатора находится смазка, предпочтительнее специальная вариаторная, повышающая коэффициент трения между фрикционными дисками. Устройства для заливки, контроля и слива масла на чертеже не показаны.
Для легкого попадания смазки в щель между внешними дисками 9 кольцо 14 и втулки 11 и 12 могут выполняться с радиальными отверстиями, а в корпусе 10 на его внутренней цилиндрической поверхности выполняются продольные канавки 36, проходящие под втулкой 12, кольцом 14 и дисками 9.
Работа устройства начинается с минимального передаточного отношения, которое обычно составляет примерно 1,3, то есть частота вращения вала 31 в это число раз меньше частоты вращения вала 1, в данном случае вала электродвигателя, объединенного с вариатором в один блок - мотор-вариатор. При этом крутящий момент от вала 1 через шпонку или иное соединение для передачи крутящего момента передается на втулку 2, сидящую на валу 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения, а с втулки 2 - на упоры 3 и внутренние центральные фрикционные диски 6, соединенные шпонкой 5 с втулкой 2 с возможностью осевого перемещения на ней при работе устройства в пределах упругости пружин 8. Диски 6 прижаты с промежуточными фрикционными дисками 7 с двух сторон тарельчатыми пружинами 8, упирающимися своими основаниями в борта на упорах 3, поджатых друг к другу гайкой 4 на втулке 2, и при вращении передают крутящий момент на диски 7, посаженные на оси 20, закрепленные с возможностью осевого перемещения в подшипниках 21, сидящих на поворотных рычагах 22, в свою очередь, закрепленных на оси 24, посаженной с возможностью поворота на водиле 25. При вдвигании и выдвигании дисков 7, зажатых между дисками 6, что необходимо для изменения передаточного отношения вариатора и что достигается подачей текучей среды под давлением в цилиндры 29 и снятием давления, штоки 28 перемещают оси 27 и поворотные рычаги 22, а последние вдвигают и выдвигают диски 7 в осевом направлении. При снятии давления пружины 35 возвращают штоки 28 в исходное положение. Текучая среда подается в цилиндры 29 через трубопровод 32, коллекторы 30 и систему каналов в валу 31. При этом диски 6 перемещаются в осевом направлении по втулке 2 с передачей крутящего момента. Диски 7 находятся также во фрикционном контакте с дисками 9, одновременно играющими роль внешних фрикционных дисков и силовых элементов осевого действия - дисковых пружин. Диски 9 зажаты между упорами 13 втулок 11 и 12 и, при его наличии, через кольцо 14 передают крутящий момент (реактивный) на корпус 10 за счет трения. Благодаря тому, что осевой размер кольца 14 меньше осевого расстояния между основаниями дисков 9, свободно касающихся дисков 7 на их периферии, где их толщина минимальна, а тем более при отсутствии кольца 14, диски 9 всегда прижаты к дискам 7 через упругую деформацию первых и, таким образом, передают усилие, образующее посредством трения крутящий момент. Прижим дисков 9 к дискам 7 увеличивается по мере вдвигания дисков 7 конической формы между дисками 9 с увеличением упругой деформации последних как дисковых пружин. При этом дорожка качения 19 тороидальной формы на дисках 9 по мере деформации вступает в контакт с дисками 7 (фиг.6, 7, зоны контактов обведены кружочками) все в новых местах, делая износ дорожек качения более равномерным. Диски 9 закреплены на корпусе 10 в определенном осевом положении на водиле 25, зафиксированном жестко в осевом направлении в корпусе 10, в положении, когда прижим дисков 9 к дискам 7 практически одинаков с обеих сторон, и диски 7 не подвержены изгибу. В свою очередь, диски 7 устанавливают прижатые к ним диски 6 в такое же положение, перемещая в осевом направлении диски 6 вместе с пружинами 8, упорами 3 и втулкой 2 по валу 1 и в водиле 25. Так как прижим дисков 9 к дискам 7 для оптимизации нажима должен прогрессивно увеличиваться при увеличении передаточного отношения, осевая жесткость дисков 9 также должна увеличиваться, что достигается выполнением упоров 13 ступенчатой (фиг.4) или тороидальной (фиг.5) формы. Упоры 13 при вдвигании дисков 7 между дисками раздвигаются в зоне дорожек качения, изгибаются и касаются упоров 13 все в новых зонах, приближающихся к периферии дисков 9, что прогрессивно увеличивает их жесткость и силу прижима к дискам 7. Прижим же дисков 7 к дискам 6, обеспечиваемый тарельчатыми пружинами 8, остается примерно постоянным при осевом перемещении дисков 6, что также требуется по условиям работы вариатора. Этот прижим намного меньше максимального прижима дисков 9 к дискам 7 и существенно менее опасен с точки зрения износа дорожек качения. Эффективным с точки зрения КПД и износа является такой прижим, когда при минимальном передаточном отношении вариатора сила прижима внешних фрикционных дисков 9 к промежуточным 7 прогрессивно возрастает с ростом передаточного отношения вариатора по сравнению с силой прижима к ним внутренних фрикционных дисков, а при максимальном передаточном отношении сила прижима дисков 9 к дискам 7 примерно вдвое больше, чем дисков 6 к дискам 7. К тому же смазка вариатора, особенно специальным вариаторным маслом (например, Сантотрак-50 производства США или ВТМ-1 отечественного производства), полностью разделяет поверхности трения, намного уменьшая износ дорожек качения.
Работа вариатора с двумя и более планетарными рядами (см. фиг.3) происходит совершенно аналогично работе вариатора с одним планетарным рядом. Осуществление необходимых прижимов фрикционных дисков в случае двух или более планетарных рядов происходит благодаря промежуточным упорам 34 и дистанционным кольцам 35, которые обеспечивают условия прижима фрикционных дисков, аналогичные схеме с одним планетарным рядом.
Смазка зон контакта дисков 8 и 9 с промежуточными дисками 7 осуществляется путем проникновения масла через отверстия во втулках 11 и 12 при его наличии, а также канавки 36 в кольцевую щель между дисками 9 и разбрызгивания его промежуточными дисками 7 при вращении водила 25.
1. Дисковый планетарный вариатор, содержащий корпус, в котором установлен планетарный ряд, включающий внешние и внутренние центральные фрикционные диски, охватывающие с обоих торцов промежуточные фрикционные диски, закрепленные на осях с возможностью их радиального перемещения на водиле и прижатые к промежуточным дискам нажимными устройствами, включающими упругие элементы осевого действия, контактирующие с кольцевыми упорами, причем упругие элементы осевого действия как минимум одной группы центральных фрикционных дисков выполнены заодно с этими дисками в виде упругих дисков с дорожками качения на их поверхности, контактирующими с промежуточными фрикционными дисками, отличающийся тем, что дорожки качения на центральных внешних фрикционных дисках расположены на их внутренней торцевой части и выполнены выпуклыми тороидальными, а зоны контакта упругих элементов осевого действия с кольцевыми упорами расположены на их периферийной кольцевой части, и кольцевые упоры выполнены с возможностью их перемещения в осевом направлении в корпусе, причем параметры центральных внешних фрикционных дисков и упругих элементов осевого действия подобраны так, что сила прижима внешних центральных фрикционных дисков к промежуточным фрикционным дискам прогрессивно возрастает с ростом передаточного отношения вариатора по сравнению с силой прижатия внутренних центральных фрикционный дисков к промежуточным фрикционным дискам.
2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что он имеет несколько планетарных рядов, причем между рядами в зоне внешних центральных фрикционных дисков установлены промежуточные кольцевые упоры, а в зоне внутренних центральных фрикционных дисков и их упругих элементов осевого действия установлены дистанционные кольца.
3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что на корпусе установлена как минимум одна торцевая крышка, а между ней и ближайшим внешним центральным фрикционным диском помещена с возможностью осевого перемещения в корпусе втулка с кольцевым упором на ней, регулирующим нажим и осевое положение основания этого диска, а также нажим и осевое положение основания соседнего с ним внешнего фрикционного диска.
4. Вариатор по п.2, отличающийся тем, что на корпусе установлена как минимум одна торцевая крышка, а между ней и ближайшим к этой крышке внешним фрикционным диском помещена с возможностью осевого перемещения в корпусе втулка с кольцевым упором на ней, регулирующим нажим и осевое положение основания этого диска, а также нажим и осевое положение оснований других внешних дисков, связанных с упомянутым внешним диском через промежуточные внешние фрикционные диски и промежуточные кольцевые упоры.
5. Вариатор по п.3 или 4, отличающийся тем, что кольцевые упоры, контактирующие с внешними центральными фрикционными дисками, выполнены с несколькими кольцевыми зонами контакта с этими дисками, причем зона контакта, расположенная на максимальном удалении от оси вариатора, контактирует с диском при минимальном передаточном отношении вариатора, а другие зоны контакта взаимодействуют с диском при увеличении передаточного отношения вариатора.
6. Вариатор по п.5, отличающийся тем, что зоны контакта кольцевых упоров с внешними фрикционными дисками переходят одна в другую плавно, образуя на торцах кольцевых упоров, контактирующих с дисками, выпуклую тороидальную поверхность.
7. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнена как минимум одна продольная канавка, соединяющая кольцевую щель между внешними центральными фрикционными дисками через отверстия во втулках с прилегающими боковыми полостями корпуса.
8. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что промежуточные фрикционные диски установлены на поворотных рычагах с возможностью их осевого перемещения.
