Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в устройствах (агрегатах), требующих автоматического плавного изменения передаточного числа от двигателя к исполнительным механизмам, в частности, в качестве автоматических коробок передач автомобилей и мототехники, где они достигли наивысшего технического уровня, и других транспортных средств.

Известны два способа автоматического изменения передаточного числа и крутящего момента от двигателя к исполнительным механизмам: передача с помощью механического (зубчатого) зацепления (автоматическая коробка передач, роботизированная механическая коробка передач);

- передача с помощью фрикционного зацепления - вариатор. Главным преимуществом вариатора перед коробками передач, использующими зубчатое зацепление, является возможность плавного изменения передаточного числа с выбором оптимального - согласно нагрузке и оборотам двигателя. Крутящий момент при этом передаётся с помощью силы трения.

Известен клиноцепной вариатор, содержащий два шкива и натянутую между ними цепь. Один из шкивов соединён с коленчатым валом двигателя, другой кинематически связан с ведущими колёсами. Каждый шкив состоит из двух соосных дисков, выполненных в форме усечённого конуса, обращённых малыми диаметрами друг к другу. Диски могут сдвигаться или раздвигаться специальным механизмом. Если диски сдвигаются - цепь выталкивается наружу, если раздвигаются - цепь проваливается внутрь. Изменение радиусов, по которым вращается цепь, происходит синхронно - когда один шкив увеличивает радиус, другой его уменьшает - и наоборот. В итоге плавно изменяется передаточное число, а крутящий момент от ведущего диска к ведомому передаётся скошенными торцами штифтов цепи за счёт силы трения. Применение цепи позволило повысить передаваемый крутящий момент и КПД передачи за счёт создания большего давления в зоне контакта штифтов цепи со шкивами, чем при аналогичном использовании металлического клинового ремня (вариаторы Multitronic, реализованные компанией Volkswagen Audi Group и Lineartronic (компания Fuji Heavy Industries) в сотрудничестве c LUK и устанавливаемые на автомобили Volkswagen, Audi и Subaru).

Следующим шагом для повышения крутящего момента, а также компактности коробки передач, стал отказ от ремня или цепи в пользу специальных роликов.

Известен тороидальный вариатор, выбранный нами в качестве прототипа, который, подобно шкиву в аналоге состоит из двух одинаковых соосных дисков, один из которых соединён с коленчатым валом двигателя, другой связан с ведущими колёсами. Диски имеют сужающиеся части, образующие тело вращения, направленные друг к другу, но отличаются от половинок шкива в аналоге тем, что образующая сужающейся части не прямая, как у конуса, а вогнутая, формирующая (при вращении) тороидальную поверхность. Между дисками зажаты грибовидные ролики, каждый из которых одновременно касается тороидальных поверхностей обоих дисков закруглёнными шляпками. Ролики передают крутящий момент за счёт силы трения и могут вращаться вокруг своей оси, а также совершать наклоны в вертикальном направлении, под действием сервопривода, связанного с датчиками оборотов вала, при этом расстояние между точками на прямой, пересекающей оси вращения роликов и тороидальных поверхностей обоих дисков - всегда одинаковое, а, значит, не нужна цепь (клиновый ремень). Ролик, совершая наклоны, изменяет передаточное число. Если ролик соприкасается с ведущим диском по малым радиусам, то с ведомым диском он контактирует по большим радиусам - получаем понижающую передачу, при вращении по одинаковым радиусам передача будет прямой, если ролик прижат к ведущему диску по большому радиусу - повышающей.

Специальными устройствами в тороидальном вариаторе создаётся высокое давление (до 10 т на см ² ) в зоне контакта роликов с дисками, что повышает силу трения и тем самым увеличивает максимальный передаваемый крутящий момент, а, значит, тороидальный вариатор может применяться на более мощных машинах. (Вариаторы Extroid компании Nissan, устанавливаемые на модели Cedric и Skyline, а также патент Kristopher John Greenwood, Torotrak development, Справочный номер заявки PCT: GB 199100, патент № GB 2250326 дата приоритета 90249871 16.11.1990).

Практические конструкции вариаторных коробок передач включают в себя устройства для обеспечения плавного трогания с места, движения задним ходом, систему управления, гидронасос для гидротрансформатора, выполняющего функцию сцепления, либо фрикционные диски, выполняющие аналогичную функцию.

Главный недостаток вариаторов состоит в том, что они являются фрикционными (работают за счёт силы трения, а не механического зацепления), и потому могут передавать ограниченный крутящий момент, при повышении которого выше определённого уровня рабочие поверхности начинают проскальзывать и интенсивно изнашиваться, а это означает, что их нецелесообразно использовать при больших нагрузках. Предлагаемым изобретением решается задача замены фрикционного зацепления ведущего и ведомого валов коробки передач на механическое, при сохранении основных преимуществ вариатора перед зубчатыми коробками передач.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом изобретении функции тороидального диска выполняет жестко установленная на ведущем валу коробки передач дискообразная кассета, имеющая соответствующие передаточным числам матричные кольца, содержащие отверстия, расположенные по концентрическим окружностям. Радиально сквозь все матричные окружности, соответствующие различным передачам, проходят переходные матричные пазы (направляющие). Ведомый вал устанавливается так, что ось его перпендикулярна оси ведущего вала и пересекается с ней. На ведомом валу устанавливается на скользящем шлицевом соединении зубчатое колесо, имеющее степень свободы перемещения вдоль вала и находящееся в зацеплении с отверстиями одного из матричных колец кассеты.

Принцип работы зубчато-матричной вариативной коробки передач состоит в том, что матричные кольца кассеты вращаются с одинаковой угловой скоростью и при воздействии на зубчатое колесо, установленное на ведомом валу, продольной силы оно входит в режим вариации - в последовательное зацепление с отверстиями соседних матричных колец кассеты через направляющие проходы, соединяющие отверстия соседних матричных колец кассеты. При этом происходит мгновенное изменение передаточного числа без использования механизмов предварительной синхронизации, требующих временного интервала для перехода входящих в зацепление деталей на соседние передачи. Использование для создания продольного усилия на ведомое зубчатое колесо, например, центробежного механизма, сервоприводов, управляемых датчиками оборотов, или других механизмов позволяет автоматически изменять передаточное число данной коробки передач, выбираемое оптимально согласно нагрузке и оборотам двигателя. При этом снимается ограничение по величине передаваемого крутящего момента и, тем самым, создаётся принципиальная возможность применения такой коробки передач для широкого диапазона возможных нагрузок.

В зависимости от требований компоновки система может работать в обратном порядке - матричная кассета устанавливаться на ведомом валу, а зубчатое колесо - на ведущем валу.

Предлагаемая вариаторная зубчато-матричная коробка передач иллюстрируется чертежом, где на рис. 1 представлен её общий вид в изометрии, на рис. 2 - вид спереди, на рис. 3 - вид сбоку, на рис 4 - вид снизу.

Вариаторно-зубчатая коробка передач содержит корпус (12), в котором в подшипниках (5) установлен ведущий вал, с жёстко установленной на нём дискообразной кассетой (1), на свободной плоскости которой по концентрическим окружностям перпендикулярно выполнены отверстия, образующие матричные кольца (13). Между соседними матричными кольцами выполнены направляющие проходы (7). С матричными кольцами кассеты (13) находится в зацеплении зубчатое колесо (2), установленное на скользящем шпоночном соединении на ведомом валу (4), ось которого перпендикулярна оси ведущего вала (14) и находится с ней в одной плоскости. Ведомый вал (4) установлен в подшипниках (5), посадочные места которых находятся в боковых стенках корпуса (12). Центральная часть зубчатого колеса (2) выполнена в форме втулки (9), выступ которой обращён в сторону выходного конца ведомого вала (4). На ведомом валу выполнены четыре равноотстоящие друг от друга продольные шпоночные канавки (6) полукруглого профиля. Аналогичные канавки выполнены на внутренней цилиндрической поверхности зубчатого колеса (на рисунке не показаны) так, что при совпадении они образуют цилиндрические полости, в которых размещены подшипниковые шарики (на рисунке не показаны), выполняющие роль скользящей шпонки, диаметр которых равен диаметру цилиндрической полости. Выходы из цилиндрической полости с обеих сторон закрыты одетыми на ведомый вал (4) и закреплёнными на зубчатом колесе (2) шайбообразными заглушками (10,16). С противоположной от выступающей втулки (9) зубчатого колеса (2) стороны расположен центробежный механизм, включающий в себя одетую на вал (4) пружину сжатия (8) и рычажную систему, состоящую из двух раздвижных ромбовидных секций (3), установленных по обе стороны вала (4). Один конец каждой из секций закреплён на заглушке (16), а другой конец закреплён на валу (4) и связан с грузиками (11), создающими при вращении вала (4) через подвижные ромбовидные секции (3) продольное усилие на зубчатое колесо (2).

Работа матрично-зубчатой вариаторной коробки передач происходит следующим образом. При передаче крутящего момента с двигателя на ведущий вал (14) с закреплённой на нём кассетой (1) начинается вращение находящегося в зацеплении с малым матричным кольцом кассеты (13) зубчатого колеса (2) и ведомого вала (4). При наборе ведомым валом (4) угловой скорости вращения вступает в действие центробежный механизм, в котором под действием центробежных сил раздвигаются грузики (11) и через ромбовидные раздвижные секции (3) и центробежный механизм, сжимая пружину (8), начинает подтягивать к себе зубчатое колесо (2) вдоль ведомого вала (4) в направлении повышения передаточного числа, при этом зубчатое колесо (2) может входить в последовательное зацепление с матричными кольцами кассеты (13), достигая наивысшего передаточного числа.

При повышении внешней нагрузки на ведомый вал (4) снижаются обороты двигателя, а, следовательно, и ведомого вала (4) обороты, центробежная сила, воздействующая на зубчатое колесо (2) уменьшается, вследствие чего пружина (8) начинает разжиматься и передвигать зубчатое колесо (2) в обратную сторону к меньшим передаточным числам. Оптимальное передаточное число устанавливается автоматически согласно нагрузке и оборотам двигателя за счёт изменения баланса сил между центробежным механизмом (3,11) и возвратной пружиной (8) фактически плавно из-за отсутствия временных промежутков между переключением передач.