CZ20004474A3 - Frikční spojitě měnitelný převod - Google Patents

Abstract

Frikční spojitě měnitelný převod, jehož podstata spočívá v tom, zeje tvořen kuželovitou kladkou (1), přitisknutou na vnitřní stěnu dutého komolého kužele (2) se stejnou kuželovitostí a s rovnoběžnou osou, přičemž je kladka (1) za účelem změny převodového poměru posuvná mezi oběma základnami dutého komolého kužele (2). Kladka (1)je složena z jednotlivých kotoučů (5), z nichž každé dva, symetricky situované vůči středu oblasti kontaktu kladky (1) s kuželem (2), jsou navzájem propojeny diferenciálem, jehož satelity (6) mají své osy či hřídele (8) uloženy v náboji kladky (1) kolemjeji osy. Obvyklý, ne však nezbytný, lichý středový kotouč (3)je spojen s nábojem kladky (1) napevno. Navzájem sousedící kotouče (5, 3) mohou být navzájem nesouhlasně permanentně zmagnetizovány. Magnetický tok se v tom případě uzavírá přes oblast kontaktů kotoučů (5), případně i (3) a dutého komolého kužele (2), vyrobeného z feromagnetického materiálu.

Description

Frikční spojitě měnitelný převod

Oblast techniky

Vynález se týká mechanického spojitě měnitelného převodu s tuhými frikčními členy (v dalším textuje někde v zájmu stručnosti používána pro spojitě měnitelný převod mezinárodní zkratka CVT z anglického označení Continuously Variable Transmission).

Dosavadní stav techniky

Rozšířeny jsou dva principy spojitě měnitelných třecích převodů:

převody s poddajným členem (klínovým řemenem, řetězem, kovovými články na ocelových páscích) přenášejícím výkon z jedné “klínové řemenice” s roztažitelnými disky na druhou a převody s přenosem obvodových sil z jednoho rotujícího tuhého členu na druhý přímo.

Z první skupiny mechanických CVT je zřejmě nej rozšířenější spojitě měnitelný převod s klínovým řemenem. Znám je obvykle pod názvem klínořemenový variátor. Je používán např. ve sněžných skútrech, v mopedech, v obilních kombajnech a byl používán i v malých osobních automobilech. U tohoto typu CVT vznikají v důsledku obvykle omezovaného průměru řemenic a v důsledku velké šířky klínového řemene, potřebné pro dostatečný převodový rozsah, výrazně větší energetické ztráty než u běžného, dobře navrženého konstantního převodu klínovým řemenem.

Jde zejména o ztráty hysterezní, především v důsledku periodického ohýbání a narovnávání řemene, ale i v důsledku jeho opakujícího se podélného natahování a uvolňování, jakož i střídavého stlačování a uvolňování boků řemene řemenicovými kotouči. Periodické deformace řemene probíhají navíc v kontaktu s nepoddajnou řemenicí a fak jsou zmíněné hysterezní ztráty zvětšovány ještě o ztráty třecí.

Periodické deformace mají pochopitelně negativní vliv také na životnost řemene. Zejména se to týká deformací ohybových. Nutnost udržet je v přijatelných mezích vede k omezování výšky řemene a tedy i k omezování jeho styčné plochy s řemenicemi. Tím je limitován přenášený točivý moment a výkon. Výhodou tohoto klasického variátoru je tichý chod a malá potřebná přítlačná síla kotoučů na řemen umožněná vysokým koeficientem tření gumového řemene na řemenici.

V současné době montují někteří výrobci osobních automobilů do některých modifikací odvozený typ CVT, u nějž je klínový řemen nahrazen kovovými články drženými pohromadě prostřednictvím dvou svazků mimořádně tenkých uzavřených ocelových pásků (ve formě obruče). Točivý moment se přenáší z hnací “řemenice” na hnanou tak, že sloupec článků je tlačen! Díky podstatně vyšší tuhosti kovových článků jsou minimalizovány hysterezní ztráty.

Účinnost samotného převodu je u tohoto CVT (i u některých dalších) poněkud snižována příkonem čerpadla pro potřebný hydraulický přítlak řemenic.

Výhodou tohoto řešení proti klasickému klínořemenovému variátoru je vyšší přenášený točivý moment (vztažený k rozměrům a hmotnosti). Nicméně i ten je omezený, takže se tento CVT jen stěží uplatňuje u středních osobních vozů a pro nákladní automobily je prakticky nepoužitelný.

Výraznou jeho nevýhodou jsou jednak extrémně vysoké požadavky na materiál pásků (musí spolehlivě vydržet vysoké periodické ohybové namáhání za rotace, neboť prasknutí pásku by vedlo k havárii převodu), pak také náročná technologie výroby pásků a konečně i větší složitost variátoru jako celku. Projeví se to ve vyšší ceně.

U dalšího odvozeného typu CVT je klínový řemen nahrazen řetězem, kde poloviny řemenice nesvírají klínový řemen, ale čepy řetězových článků. Obvodová síla je tedy také přenášena • · • · « • · ·

třením. Koeficient tření mezi kovovými čepy a kovovou řemenicí je nízký, a tak musí být přítlačná síla značná.

Poloměr ohybu řetězu může být o dost menší než poloměr ohybu řemene či pásků. Řetěz může být také širší, neboť je podstatně odolnější proti překroucení. Vysoká příčná tuhost řetězu umožňuje volit u kotoučů dost plochý tvar (mezi nimi vznikne ostrý klín). Z obojího rezultuje možnost dosáhnout velkého převodového rozsahu, což je vítáno zejména u vozidel, a to kvůli “rychloběhu” umožňujícímu za ustálené rychlosti po rovině nízkou spotřebu paliva. Jeho nevýhodou je hlučnost a vysoký měrný tlak mezi čepy a kotouči, který vede k dost rychlému opotřebení. Velikost přenášeného točivého momentu je rovněž dosti omezená.

Ve druhé skupině mechanických spojitě měnitelných převodů (s přímým fřikčním přenosem tečné síly z jednoho tuhého členu CVT na druhý bez zprostředkujícího poddajného členu) bylo navrženo i vyzkoušeno více principů, např. kladka na rovinném talíři, kladka na vnější kuželové ploše, věnec mezi dvěma navzájem obrácenými kuželi, toroidní CVT a jeho další vývojové stupně, jako semitoroidní a zvláště pak zdvojený semitoroidní, který má zřejmě budoucnost.

Předností zdvojeného semitoroidního CVT je jednak příznivá geometrie minimalizující nevyhnutelné dílčí prokluzy na styčných ploškách, jednak to, že velké přítlačné síly na frikční členy nejdou přes ložiska, což představuje nejen úsporu při dimenzování ložisek, ale také menši energetické ztráty v nich. Těžiště vývoje tohoto CVT je nyní v oblasti elastohydrodynamických maziv pro styčné plochy. Tečné síly pak nejsou přenášeny kovovým stykem (ten by vedl kjejich opotřebení vlivem nevyhnutelného prokluzu, nezávislého na přenášeném momentu, nýbrž daného geometrickými poměry), ale jsou přenášeny smykem ve vrstvičce mazadla, kovové plošky oddělujícího. Nově pro tento účel vyvíjená mazadla zvětšují za rostoucího tlaku výrazně svou viskozitu, a to až k hranici tzv. tuhých kapalin (jako je asfalt nebo dokonce sklo).

Ale ani elastohydrodynamický přenos tečných sil mezi frikčnímf členy CVT neodstraní energetické ztráty zaviněné prokluzem daným geometricky (neboť jak závislost tlaku na vzdálenosti od teoretického bodu styku, tak závislost viskozity na tlaku mají spojitý průběh). Takže ztráty se pouze přesunou z pevných povrchů do mazadla. Proto je žádoucí minimalizovat vhodnou konstrukcí prokluz daný geometricky.

Kromě toho není smyková zatížitelnost zmíněných mazadel samozřejmě neomezená. Mají-li být přenášeny velké tečné síly, je nutno zvětšovat reálnou plochu styku (aniž by však rostl geometricky zapříčiněný prokluz). V tom má i semitoroidní CVT se svými konvexními třecími plochami jen limitované možnosti. Je např. sotva použitelný pro těžké nákladní automobily, kde by přitom spojitě měnitelný převod byl velmi žádoucí. U osobních automobilů je zase nepříjemný jeho relativně velký moment setrvačnosti, zhoršující akcelerační schopnost vozidla.

Podstata vynálezu

Hlavní nevýhody výše uvedených frikčních spojitě měnitelných převodů jsou potlačeny a jejich přednosti zvýrazněny spojitě měnitelným třecím převodem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že kuželovitá kladka přitisknutá na vnitřní stěnu většího dutého komolého kužele o stejné strmosti má osu rovnoběžnou s osou kužele a je kvůli měnitelnosti převodu posuvná mezi horní a dolní základnou dutého komolého kužele.

Přitom je kladka složena z jednotlivých kotoučů, z nichž každé dva, symetricky situované vůči středu oblasti kontaktu kladky s kuželem, jsou vzájemně propojeny diferenciálem, jehož satelity mají své osy či hřídele uloženy v náboji kladky kolem její osy. Obvyklý, ne však nezbytný lichý středový kotouč je spojen s hřídelem kladky napevno.

Navzájem sousedící kotouče mohou navíc být nesouhlasně permanentně zmagnetizovány a • · • · · · magnetický tok je pak uzavřen přes oblast mechanického kontaktu disků s dutým kuželem vyrobeným z feromagnetického materiálu.

Při koncipování tohoto vynálezu byly vytyčeny tři hlavní požadavky (v zájmu odstranění výše uvedených nevýhod spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy): pohyby kontaktních bodů by neměly mít v reálné styčné plošce odlišné trajektorie, sousedící kontaktní body v reálné styčné plošce by měly mít stejný poměr obvodových rychlostí (tedy stejný převodový poměr), reálná styčná ploška by měla být co největší.

Dvě první zásady směřují k minimalizaci nevyhnutelného prokluzu (na velikosti přenášeného momentu nezávislého) a tedy k omezení energetických ztrát i otěru. Třetí zásada směřuje ke zvyšování schopnosti přenášet velký točivý moment (při respektování přijatelné hodnoty Hertzova tlaku).

U spojitě měnitelného převodu podle vynálezu je zajištěno splnění prvního požadavku rovnoběžností rotačních os kladky a dutého kužele, a to beze zbytku (trajektorie kontaktních bodů leží ve společné rovině).

Rozdíly v místních převodových poměrech lze u tohoto CVT zmenšovat (druhý požadavek) zúžením kladky na jejím obvodu.To však koliduje s požadavkem třetím; volba šířky bude tedy věcí kompromisu.

I při značném zúžení kladky na jejím obvodu zůstane reálná styčná ploška relativně velká (třetí požadavek), a to díky tomu, že kladka se odvaluje v dutém kuželi. Další zvětšení reálné kontaktní plochy na několikanásobek je zajištěno realizací kladky ve formě několika paralelních kotoučů (je přitom nutno zajistit kontrolovanou tuhostí jejich stejné zatížení).

U každého kotouče však vzniká ve spolupráci s dutým kuželem jiný převodový poměr (s výjimkou situace, kdy je kladka “naražena” až do dna dutého komolého kužele). Otáčky jednotlivých kotoučů se tedy obecně liší, ovšem díky linearitě površky kužele a zásluhou symetrie kotoučů se liší právě tak, že oč jsou otáčky menšího kotouče vyšší, o to jsou otáčky symetricky umístěného většího kotouče nižší. Propojí-li se tedy oba kotouče diferenciálem, budou otáčky unašeče jeho satelitů přesně stejné jako otáčky středního kotouče, pevně spojeného s nábojem kladky. Paralelní spolupráce více kotoučů je tedy bezproblémová.

V důsledku rovnoběžnosti rotačních os nedochází tedy při odvalování v reálné styčné plošce k nucenému prokluzu typu “spin” (odchylování směru pohybu vzájemně se dotýkajících bodů), jak tomu je u dosavadních CVT s tuhými frikčními členy. U nich totiž neleží kružnice tvořené rotací odpovídajících bodů ve společné rovině, u CVT podle vynálezu ano.

Druhá část nuceného prokluzu (typu “creep”, kdy v reálné styčné plošce spolu sousedí kontaktní dvojice bodů s odlišným převodovým poměrem) sice existuje i u tohoto CVT, ale její velikost je zde volitelná šířkou obvodu kladky na základě kompromisu s dalšími požadavky. Kdyby kladka měla kontaktní obvod ve formě ostří, byl by tento typ prokluzu prakticky nulový. Opravdové ostří samozřejmě není přijatelné kvůli extrémním měrným tlakům. Základní tvar obvodu kotoučů bude tedy kuželovitý (jaký by měla kuželová plocha, kterou by se kotouče daly obalit), ale mírně zaoblený a úzký. Konkrétní charakter zaoblení bude výsledkem optimalizace elastohydrodynamického kontaktu (prostřednictvím příslušného maziva) s korespondujícím členem CVT - dutým komolým kuželem.

Poměrně značná síla, potřebná k vyvození vzájemného přítlaku kladky a dutého kužele, musí být přenášena ložisky. To vede nejen k nutnosti je patřičně dimenzovat, ale i k energetickým ztrátám, které sice nejsou velké, nicméně zanedbat je nelze. Určité snížení síly, ložisky přenášené, je možno dosáhnout magnetickým přítahem kladky ke kuželi. Proto je navrženo permanentní zmagnetizování kotoučů kladky. Každý kotouč je zmagnetizován opačně než kotouč(e) sousední. Magnetický tok se pak bude uzavírat přes oblast mechanického kontaktu kotoučů • · · ·

• · · · · • · * · • · » t · • · · · «· · · · · · s dutým komolým kuželem vyrobeným z feromagnetického materiálu.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení spojitě měnitelného převodu podle vynálezu je uveden na výkresech, kde znázorňuje:

obr. 1 celkové mechanické schéma jednoho z možných uspořádání tohoto spojitě měnitelného převodu.

obr. 2 v řezu D-D složení kladky z jednotlivých kotoučů, obr. 3 v řezu B-B rozmístění satelitů diferenciálu a záběr jejich vnějšího ozubení s vnitřním ozubením kotoučů, obr. 4 unašeč satelitů diferenciálu propojujícího vždy dva kotouče kladky převodu, a to v rozvinutém řezu A-A, v němž je vzájemný záběr ozubení satelitů nejlépe zřetelný,

Příklad provedení vynálezu

Frikční spojitě měnitelný převod podle vynálezu sestává, jak je vidět na obr. 1, z kuželovité kladky I, posuvné po vnitřní stěně dutého komolého kužele 2 o stejné kuželovitosti. Rozsah posuvu kladky je ohraničen oběma základnami komolého kužele 2. (Pokud jde o schematické naznačení mechanismu, který dovoluje vzájemnou posunovatelnost kladky 1 a dutého kužele 2 podél jeho povrchové přímky při zachování rovnoběžnosti rotačních os kladky a kužele, bylo na obr. 1 zvoleno známé jednoduché řešení s kloubovým hřídelem a s posuvným drážkovým hřídelem. Vlastního vynálezu se toto však netýká a skutečné provedení bude bezpochyby odlišné, s preciznější funkcí.)

Kladka i je složena z několika paralelních kotoučů, jak je vidět na obr. 2, v popisovaném konkrétním příkladě z pěti kotoučů. Střední kotouč 3 (je-lr kotoučů lichý počet) je pevnou součástí kladky. Jeho obvod je s nábojem spojen loukotěmi 4. Zbývající kotouče 5 jsou symetricky vždy dva a dva navzájem propojeny prostřednictvím svého vnitřního ozubení zabírajícího s vnějším ozubením satelitů 6 čelního diferenciálu, jak je zřejmé i z obr. 3, kde je v zájmu přehlednosti zakresleno u kotoučů 5 jen jejich vnitřní ozubení.

Jelikož krajní kotouče musí být vůči kladce otočné, jsou na nich vytvořeny rotační kluzné plochy (pro praktickou realizaci bude samozřejmě vhodnější uložení valivé).

Satelity 6 jsou unášeny klecí tvořenou oběma čely 7 kladky I a do nich vsazenými čepy 8 satelitů 6. Vzájemný záběr ozubení satelitů 6 je nejnázoměji vidět v řezu A-A (obr.4). Tento řez vlastně představuje “rozvinutý” unašeč satelitů 6.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Spojitě měnitelný převod podle vynálezu výrazně rozšíří oblast průmyslové aplikace mechanických CVT, zejména směrem k vyšším přenášeným výkonům).

Zvlášť vhodné by mělo být použití tohoto CVT u vysokootáčkových pohonů jako jsou např. mechanicky poháněná dmychadla pro přeplňování spalovacích motorů nebo při realizaci měnitelného převodu mezi turbínou a výstupním hřídelem turbokompaudního motoru.

U dopravních prostředků lze tímto CVT realizovat automatickou převodovku, která spíše snižuje než zvyšuje spotřebu paliva ve srovnání s převodovkou manuálně řazenou. Spojitě měnitelný převod lze totiž měnit za pomoci automatické regulace tak, že se pro výkon potřebný v dané jízdní situaci (požadovaný hloubkou sešlápnutí akcelerátoru) vybere právě ta kombinace točivého momentu a otáček motoru, která pro tento výkon vykazuje ve specifické spotřebě paliva minimum. Dosud nebyla u variátorů (CVT) tato možnost důsledně využívána, takže příslušná vozidla neměla nižší spotřebu paliva, než byla-li vybavena několikastupňovou mechanickou převodovkou. Za větší spotřebu mohla ovšem i nedobrá účinnost dosavadních

0 4 0

00 4 · · *4 · • · 4 • * 4 « »4 0

40 * 4 fc 0 • * • 4 »

variátorů.

Také akcelerační časy by u vozidla vybaveného takovýmto spojitě měnitelným převodem měly být kratší, neboť nejenže odpadají prodlevy pro řazení, ale během akcelerace lze trvale udržovat otáčky motoru na hodnotě pro maximální výkon.

Velmi pozitivně by se CVT podle vynálezu měl projevit u zemních strojů. Jak známo, ty dosahují až dvojnásobného pracovního výkonu, jsou-li vybaveny hydrodynamickou převodovkou místo převodovky mechanické, ručně řazené. Přitom hydrodynamická převodovka neumí využít maximální výkon motoru za jakéhokoliv z provozních zatížení, jak to umí CVT. Kromě toho je její účinnost výrazně horší vlivem převahy režimů s využitím hydrodynamického měniče. Použití CVT u těchto strojů by tedy mělo výrazně snížit spotřebu paliva a jejich pracovní výkon dále zvýšit. V přiměřené míře platí totéž pro terénní vozidla, zejména pásová.

V úvahu přicházejí ještě dvě perspektivní oblasti ve vozidlové technice, kde by CVT podle vynálezu byl mimořádně vhodný a kde jak hydrodynamická, tak i mnohastupňová mechanická převodovka je zcela nepoužitelná. Jde o gyropohony s mechanickou transmisí a dále o vybavení kolejových vozidel i trolejbusů levnými a prakticky bezúdržbovými jednofázovými asynchronními trakčními motory napájenými střídavým proudem síťové frekvence 50 Hz (resp. 60 Hz pro americký kontinent).

Pochopitelně najde CVT podle vynálezu dobré uplatnění i v případech, kde se dosud užívá CVT řetězových či článkových tlačných (osobní automobily) nebo variátorů klínořemenových, jako např. u mopedů, sněžných skútrů, obilních kombajnů apod.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Frikční spojitě měnitelný převod; vyznačuj ící se tím, že je tvořen kuželovitou kladkou (1), přitisknutou na vnitřní stěnu dutého komolého kužele (2) se stejnou kuželovitostí a s rovnoběžnou osou, přičemž kladka (1) je za účelem změny převodového poměru posuvná mezi oběma základnami dutého komolého kužele (2) a je navíc složena z jednotlivých kotoučů (5), z nichž každé dva, symetricky situované vůči středu oblasti kontaktu kladky (1) s kuželem (2), jsou navzájem propojeny diferenciálem, jehož satelity (6) mají své osy či hřídele (8) uloženy v náboji kladky kolem její osy.
2. 2. Frikční převod podle nároku 1, vyznačující se tím, že kladka (1) obsahuje lichý středový kotouč (3) spojený s nábojem kladky napevno.
3. 3. Frikční převod podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že navzájem sousedící kotouče kladky jsou nesouhlasně permanentně zmagnetizovány a jimi generovaný magnetický tok je uzavírán přes oblast mechanického kontaktu kotoučů (5) [případně i (3)] a dutého kužele (2) vyrobeného z feromagnetického materiálu.