дисковый планетарный вариатор

область техники

изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано, в частности, в качестве мотор-вариатора, который находит широкое применение в различных отраслях промышленности и техники.

предшествующий уровень 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 установленные на водиле (RU, JVгs 2091638).

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 O,O15íO,Oз, а для внешних в интервале 0,02í0,08.

наиболее близким 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 нажимными устройствами, включающими упругие элементы осевого действия, контактирующие с кольцевыми упорами, причём 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 (RU, N° 2140028).

известному вариатору 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 изгиб силового элемента может привести к кромочному контакту и повреждению фрикционных дисков. (пронин б.A., ревков г.а. вариаторы. издательство «Maшинocтpoeниe», 1980, с. 267, рис. 159). кроме того, в известном вариаторе не предусмотрены средства для осуществления точных предварительных деформаций упругих элементов осевого действия, от которых зависят силы нажима этих элементов на фрикционные диски.

раскрытие изобретения в основу настоящего изобретения поставлена задача создания дискового планетарного вариатора, обеспечивающего снижение износа дорожек качения фрикционных дисков и заданные значения прижима центральных фрикционных дисков к промежуточным дискам.

указанная задача решается тем, что в известном планетарном вариаторе, содержащем корпус, в котором установлен планетарный ряд, включающий центральные внешние и внутренние фрикционные диски, охватывающие с обоих торцов промежуточные фрикционные диски, закреплённые 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, причём 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, 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, причём 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 заявленного вариатора является то, что он имеет несколько планетарных рядов, причём 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.

ещё 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, регулирующая 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, причём 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.

ещё одним отличием вариатора является то, что на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнена как минимум одна продольная канавка, соединяющая кольцевую щель 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.

указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

краткое описание чертежей фиг. 1 изображает общую конструктивную схему вариатора с одним планетарным рядом (продольный разрез); фиг. 2 - вид A-A на фиг.1 ;

фиг. 3 изображает общую конструктивную схему вариатора с двумя планетарными рядами (продольный разрез); фиг. 4 - выполнение прижима упора к внешним центральным фрикционным дискам;

фиг. 5 - то же, что фиг. 4, другой вариант;

фиг. 6 - выполнение зон контактов центральных внешних фрикционных дисков с промежуточными дисками при различных передаточных отношениях вариатора; фиг.7 - то же, что фиг. 6, другой вариант.

варианты осуществления изобретения

дисковый планетарный вариатор содержит ведущий (быстроходный) центральный вал 1 (фиг. 1-3), 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. диски б 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 1 1 и 12 с упорами 13 на них, а между внешними центральными фрикционными дисками 9 может находится замкнутое или незамкнутое кольцо 14, определяющее осевое расстояние между основаниями внешних центральных фрикционных 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 внешними центральными фрикционными дисками 9 своими упорами 13, при этом кольцевых зон контакта 17 упора 13 с внешним центральным фрикционным диском 9 (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 промежуточных .фрикционных дисков 7, которое вызывает упругое угловое перемещение в продольных радиальных плоскостях (прогиб) внешних центральных фрикционных дисков 9 (показано штриховой линией). это угловое перемещение внешних центральных фрикционных дисков 9 приводит к их контакту с упорами 13 на всё более удалённых от центра зонах - отдельных колец 17 или тороидальной выпуклой поверхности 18, что приводит к прогрессивному повышению осевой жёсткости внешних центральных фрикционных дисков 9, как силовых элементов осевого действия, с повышением ^• передаточного отношения вариатора, что и требуется для оптимизации прижима промежуточных фрикционных дисков 7 и внешних центральных фрикционных дисков 9. при этом параметры тарельчатых пружин 8 подбирают на основе их расчётов, изложенных, например, в справочнике: биргер и.а. и др. «Pacчeт на прочность деталей мaшин», M. машиностроение, 1993, с. 175, а параметры внешних фрикционных дисков 9, представляющих собой круглые пластинки подбирают на основе расчётов, приведённых на с. 424-441 указанного выше справочника. причём выбор параметров тарельчатых пружин 8 и круглых пластинок (внешних фрикционных дисков 9) осуществляют исходя из того, чтобы сила прижима внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 прогрессивно возрастала с ростом передаточного отношения вариатора по сравнению с силой

прижима к ним внутренних фрикционных дисков 6.

центральные внутренние фрикционные диски 6 контактируют с промежуточными фрикционными дисками 7 по дорожкам качения на центральных внутренних фрикционных дисках 6, могущих иметь как коническую, так и выпуклую тороидальную поверхность. внешние же центральные 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 внешние центральные фрикционные диски 9 получают угловое перемещение в продольных радиальных плоскостях (фиг. 6, фиг. 7), и зоны контакта дорожек качения 19 с промежуточными фрикционными дисками 7 (обведены на фиг.6 и 7 кружочками) при различных угловых перемещениях внешних центральных фрикционных дисков 9 и радиальных перемещениях промежуточных фрикционных дисков 7, занимают различное положение на дорожках качения 19, что благоприятно сказывается на износе последних.

промежуточные фрикционные диски 7 сидят на осях 20 с возможностью их некоторого осевого перемещения, а оси 20 - в подшипниках 21, закреплённых на поворотных рычагах 22, в свою очередь жёстко закреплённых (например, с помощью штифтов 23) на оси 24, или выполненных с ней заодно (фиг. 1, 2). ось 24 посажена с возможностью поворота в водиле 25, и, таким образом, механизм вариатора образует собой фрикционную однорядную передачу, где внешние центральные фрикционные диски 9 выполняют роль эпицикла, внутренние центральные фрикционные диски 6 - солнечного колеса, промежуточные фрикционные диски 7 на осях 20 в подшипниках 21 поворотных рычагов 22 - сателлитов, а водило 25 - водила планетарной передачи. 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 29, в которые под давлением подается текучая среда (масло, воздух и т.д.) через кольцевые уплотнения-коллекторы 30, систему каналов в выходном валу 31 и связанном с ним водиле 25, а так же трубопровод 32. возврат штоков 28 в исходное положение при уменьшении давления осуществляется,

например, пружиной .33. число -цилиндров 29 равно числу противовесов 26, а стало быть, 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 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, и объединены в одном упоре 34 и выполнены на его двух торцевых поверхностях. кроме того, упругие элементы - тарельчатые пружины 8 первого и последующих планетарных рядов здесь разделены дистанционными кольцами 14.

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 центральными 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 35, проходящие под втулкой 12, кольцом 14 и дисками 9.

работает дисковый планетарный вариатор (фиг. 1, 2) следующим образом.

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 ведущего центрального вала 1, в данном случае вала электродвигателя, объединенного с вариатором в один блок - мотор-вариатор.

при этом крутящий момент от ведущего центрального вала 1 через шпонку, или иное соединение для передачи крутящего момента, передается на втулку 2, сидящую на ведущем центральном валу 1 с возможностью ограниченного осевого перемещения, а с втулки 2 на упоры 3 и центральные внутренние фрикционные диски 6, соединенные шпонкой 5 с втулкой 2 с возможностью осевого перемещения на ней при работе устройства в пределах упругости тарельчатых пружин 8.

центральные внутренние фрикционные диски 6 прижаты к промежуточным фрикционным дискам 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 промежуточные фрикционные 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 промежуточных фрикционных дисков 7, зажатых между центральными внутренними фрикционными 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 промежуточные фрикционные диски 7 в радиальном направлении. при снятии давления пружины 33 возвращают штоки 28 в исходное положение.

текучая среда подается в цилиндры 29 через трубопровод 32, коллекторы 30 и систему каналов в выходном валу 31. при этом центральные внутренние фрикционные диски 6 перемещаются в осевом направлении по втулке 2 с передачей крутящего момента. промежуточные фрикционные диски 7 находятся также во фрикционном контакте с внешними центральными фрикционными дисками 9, одновременно играющими роль внешних фрикционных дисков и силовых элементов осевого действия - дисковых пружин. внешние центральные фрикционные диски 9 зажаты между упорами 13 втулок 11 и 12, и, при его наличии через кольцо 14, и передают крутящий момент (реактивный) на корпус 10 за счет трения. благодаря тому, что осевой размер кольца 14 меньше осевого расстояния между основаниями внешних центральных фрикционных дисков 9, свободно касающихся промежуточных фрикционных дисков 7 на их периферии, где их толщина минимальна, а тем более при отсутствии кольца 14, внешние центральные фрикционные диски 9 всегда прижаты к промежуточным фрикционным дискам 7 через упругую деформацию первых, и, таким образом, передают усилие, образующее посредством трения крутящий момент. прижим внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 увеличивается по мере вдвигания промежуточных фрикционных дисков 7 конической формы между внешними центральными фрикционными дисками 9 с увеличением упругой деформации последних, как дисковых пружин. при этом дорожка качения 19 тороидальной формы на внешних центральных фрикционных дисках 9 по мере деформации вступает в контакт с

промежуточными фрикционными дисками 7 (фиг.6, 7, зоны контактов обведены кружочками) всё в новых местах, делая износ дорожек качения более равномерным. внешние центральные фрикционные диски 9 закреплены на корпусе 10 в определенном, осевом положением в водиле 25, зафиксированном жёстко в осевом направлении в корпусе 10, в положении, когда прижим внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 практически одинаков с обеих сторон, и промежуточные фрикционные диски 7 не подвержены изгибу. в свою очередь, промежуточные фрикционные диски 7 устанавливают прижатые к ним центральные внутренние фрикционные диски 6 в такое же положение, перемещая в осевом направлении центральные внутренние фрикционные диски б вместе с тарельчатыми пружинами 8, упорами 3 и втулкой 2 по ведущему центральному валу 1 и в водиле 25. так как прижим внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 для оптимизации нажима должен прогрессивно увеличиваться при увеличении передаточного отношения, осевая жёсткость внешних центральных фрикционных дисков 9 также должна увеличиваться, что достигается выполнением упоров 13 ступенчатой (фиг. 4) или тороидальной (фиг. 5) формы. упоры 13 при вдвигании промежуточных фрикционных дисков 7 между дисками раздвигаются в зоне дорожек качения, изгибаются и касаются упоров 13 всё в новых зонах, приближающихся к периферии внешних центральных фрикционных дисков 9, что прогрессивно увеличивает их жёсткость и силу прижима к промежуточным фрикционным дискам 7. прижим же промежуточных фрикционных дисков 7 к центральным внутренним- фрикционным дискам 6, обеспечиваемый тарельчатыми пружинами 8, остаётся примерно постоянным при осевом перемещении центральных внутренних фрикционных дисков 6, что также требуется по условиям работы вариатора. этот прижим намного меньше максимального прижима внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным 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 центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 прогрессивно возрастает с ростом передаточного отношения вариатора по сравнению с силой прижима к ним внутренних фрикционных дисков 6, а при максимальном передаточном отношении, сила прижима внешних центральных

фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 примерно вдвое больше, чем центральных внутренних фрикционных дисков 6 к промежуточным' фрикционным дискам 7. к тому же смазка вариатора, особенно специальным вариаторным маслом (например, Caнтoтpaк-50 производства сша, или BTM-I производства российской федерации) полностью разделяет поверхности трения, намного уменьшая износ дорожек качения.

работа вариатора с двумя и более планетарными рядами (фиг. 3) происходит совершенно аналогично работе вариатора с одним планетарным рядом. осуществление необходимых прижимов центральных внутренних фрикционных дисков 6 и внешних центральных фрикционных дисков 9 к промежуточным фрикционным дискам 7 в случае двух или более планетарных рядов происходит благодаря промежуточным упорам 34 и дистанционным кольцам 14, которые обеспечивают условия упомянутых прижимов аналогичные схеме с одним планетарным рядом. смазка зон контакта центральных внутренних фрикционных дисков 6 и внешних центральных фрикционных дисков 9 с промежуточными фрикционными дисками 7 осуществляется путем проникновения масла через отверстия во втулках 11 и 12 при его наличии, а также канавки 36, в кольцевую щель между внешними центральными фрикционными дисками 9 и разбрызгивания его промежуточными фрикционными дисками 7 при вращении водила 25.

промышленная применимость

наиболее успешно заявленный дисковый планетарный вариатор промышленно применим в различных отраслях промышленности и техники, преимущественно в качестве мотор-вариатора.