CZ20022548A3 - Třecí spojitě měnitelný převod - Google Patents

Abstract

Převod, u něhož zasahuje do dutého dvojkužele (2) z jedné strany hnací kladka (1) a z druhé strany kladka (1) hnaná. Obě kladky (1) mají stejnou kuželovitost jako dvojkužel (2) a s ním i rovnoběžné osy rotace, za převodovém poměru 1:1 pakjsou v kontaktu se středově symetrickými místy na vnitřním povrchu dvojkužele (2). Kladky (1) mohou být složeny z jednotlivých kotoučů (5), z nichž každé dva, symetricky situované vůči středu oblasti kontaktu kladky (1) s dvojkuželem (2), jsou navzájem propojeny diferenciálem, jehož satelity (6) mají své osy či hřídele (8) uloženy v čelech (7). Případný lichý středový kotouč (3) je spojen s nábojem kladky (1) napevno. Navzájem sousedící kotouče (5) mohou být nesouhlasně zmagnetizovány, takže magnetický tok se uzavírá přes oblast kontaktu kotoučů (5) s dvojkuželem (2) z feromagnetického materiálu.

Description

Třecí spojitě měnitelný převod

Oblast techniky

Vynález se týká mechanického spojitě měnitelného převodu s tuhými frikčními členy. Aplikuje základní myšlenky dřívějšího původcova vynálezu přihlášeného pod č. PV 2000-4474, ale doplňuje ho zařízením na zcela novém principu, čímž dociluje podstatně vyššího účinku.

Poznámka 1: V dalším textu je 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 třecích spojitě měnitelných 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 nejrozšířenější spojitě měnitelný převod s klínovým řemenem. Znám je obvykle pod názvem klínořemenový variátor. Je používán např. v mopedech, ve skútrech (i sněžných), v obilních kombajnech a byl používán i v malých osobních automobilech. U tohoto typu CVT vznikají v důsledku snahy o co nejmenší průměr řemenic i 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 jako následek periodického ohýbám a narovnávání řemene, ale i jeho opakujícího se podélného natahování a uvolňování, jakož i střídavého stlačování a uvolňování boky řemenic. Periodické deformace řemene probíhají navíc v kontaktu s obvodově nepoddajnými řemenicemi a tak 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.

Na druhé straně je výhodou tohoto klasického variátoru tichý chod a malá potřebná přítlačná síla kotoučů na řemen umožněná vysokým koeficientem třem gumového řemene na řemenici. V současné době montují někteří výrobci osobních automobilů do některých svých vozů podobný typ CVT, u kterého je však 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 níže zmíněných řetězových) 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 uplatňuje nanejvýš u středních osobních vozů, ale např. pro autobusy a 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), jednak náročná technologie výroby pásků a konečně i větší složitost • · • · variátoru jako celku. Projevuje 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 či zborcení. 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. Nevýhodou řetězového CVT je hlučnost a vysoký měrný tlak mezi čepy a kotouči, který urychluje jejich opotřebení. Pro aplikace vyžadující vyšší točivý moment je tento CVT obvykle dost rozměrný a těžký.

Ve druhé skupině mechanických spojitě měnitelných převodů (s přímým frikčním 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 kužely, toroidní CVT a jeho další vývojové stupně, jako semitoroidní a zvláště pak zdvojený semitoroidní.

Předností zdvojeného semitoroidního CVT je kromě relativně příznivé geometrie minimalizující nevyhnutelný prokluz na styčných ploškách hlavně to, že velké přítlačné síly na fřikční členy nejdou přes ložiska, což představuje nejen úsporu při dimenzování ložisek, ale také menší energetické ztráty v nich. Je však nutno zajistit co nejpřesnější nastavení paralelně spolupracujících kladek přenášejících síly mezi semitoroidními kotouči. Těžiště vývoje tohoto CVT je nyní v oblasti elastohydrodynamických maziv pro styčné plochy. Tečné síly pak nejsou přenášeny kovovým stykem (ten by vedl k jejich opotřebení vlivem nevyhnutelného prokluzu, který nezávisí na přenášeném momentu, ale na geometrických poměrech), nýbrž jsou přenášeny smykem ve vrstvičce mazadla, oddělujícího kovové plošky. Nově pro tento účel vyvíjená mazadla zvětšují za rostoucího tlaku výrazně svou viskozitu, a to až k hranici tzv. tuhých kapalin (jako je např. asfalt).

Ale ani elastohydrodynamický přenos tečných sil mezi frikčními 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 v každém případě potřebné minimalizovat vhodnou konstrukcí prokluz daný geometricky.

Navíc 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. Spojitě měnitelný převod podle zmíněné (a v tomto novém vynálezu využité) dřívější původcovy PV 2000-4474 odstraňoval některé z výše uvedených nedostatků u existujících CVT, ale měl zase nevýhodu dosti omezeného převodového rozsahu.

Podstata vynálezu

Nevýhoda malého převodového rozsahu PV 2000-4474 a výše uvedené nevýhody existujících frikčních spojitě měnitelných převodů jsou potlačeny spojitě měnitelným třecím převodem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do dvojitého dutého nálevkovitého kužele (2) zasahuje z jedné strany kuželovitá hnací kladka (1) a z druhé strany obdobná kladka hnaná. Obě kladky mají stejnou kuželovitost jako dutý kužel a s ním i rovnoběžné osy rotace.

• · · · • · · · ·

Tyto kladky jsou za převodového poměru 1:1 v kontaktu se středově symetrickými místy na vnitřním povrchu dvojitého kužele a změna převodu se realizuje jeho posuvem (i s ložisky) ve směru jeho površek kontaktovaných kladkami. Kladky mohou být jako u PV 2000-4474 složeny z jednotlivých kotoučů (5), z nichž každé dva, symetricky situované vůči středu oblasti kontaktu kladky (1) s kuželem (2), jsou navzájem propojeny diferenciálem. Satelity (6) diferenciálu mají své osy či hřídele (8) uloženy v náboji kladky kolem její osy; případný lichý středový kotouč (3) je spojen s nábojem kladky napevno. Navzájem sousedící kotouče mohou být nesouhlasně zmagnetizovány, takže magnetický tok vede přes oblast mechanického kontaktu kotoučů s dutým kuželem (2) 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 (nezávislého na velikosti přenášeného momentu) 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.

Avšak i při značném zúžení kladky na jejím obvodu zůstane u tohoto CVT 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 zhruba stejné zatížení).

U každého kotouče ovšem vzniká při záběru s dutým kuželem jiný převodový poměr (s výjimkou situace, kdy je kladka “naražena” až do „dna“ dutého komolého kužele). Otáčky jednotlivých kotoučů se tedy navzájem liší. Díky linearitě površky kužele a zásluhou symetrie kotoučů se však 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 kňučenému 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, zatímco u CVT podle vynálezu ve společné rovině leží.

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 ko• · • · · · touče 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 s dutým komolým kuželem vyrobeným z feromagnetického materiálu.

Přehled obrázků na výkresech

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

obr. 1 znázorňuje celkové mechanické schéma jednoho z možných uspořádání tohoto spojitě měnitelného převodu, obr. 2 znázorňuje v řezu D-D složení kladky z jednotlivých kotoučů, obr. 3 znázorňuje v řezu B-B rozmístění satelitů diferenciálu a záběr jejich vnějšího ozubení s vnitřním ozubením kotoučů, obr. 4 znázorňuje unašeč satelitů diferenciálu propojujícího navzájem vždy dva kotouče kladky, a to v rozvinutém řezu A-A, v němž je vzájemný záběr ozubeni satelitů nejlépe zřetelný.

Přiklad provedení vynálezu

Jak je vidět na obr. 1, sestává frikční CVT podle vynálezu ze dvou kuželovitých kladek 1 a z dutého stejně strmého dvojitého komolého kužele 2 ve tvaru oboustranné nálevky (komolé kužele jsou svými komolými zakončeními spojeny, takže tvoří jedinou součást). Kladky se odvalují po vnitřním povrchu tohoto dvojkužele, každá po jedné jeho polovině, a to v polohách o úhel 180 ° pootočených. Výkon se přenáší z jedné kladky (vstupní) na dvojkužel a pak z dvojkužele na druhou kladku (výstupní). Změny převodu se dosahuje relativním posuvem kladek vůči dvojkuželi při zachování vzájemného kontaktu na příslušných povrchových přímkách kuželových ploch. Nejjednodušším řešením je, aby kladky byly axiálně nepohyblivé, a aby se šikmo přesouval dvojkužel.

Poznámka 2: Použité schematické znázornění ložisek dutého dvojkužele a jeho paralelních šikmých přímkových vedení (zajišťujících zmíněný relativní přímkový posuv kladek po površkách kuželových ploch) nesouvisí s podstatou vynálezu a toto posouvání může být umožněno i jiným způsobem.

Kladka 1 je složena z několika paralelních kotoučů, jak je vidět na obr. 2 (v tomto konkrétním příkladě z pěti kotoučů). Střední kotouč 3 (je-li 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, a to prostřednictvím svého vnitřního ozubení zabírajícího s vnějším ozubením satelitů 6 čelního diferenciálu. Zřejmé je to 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 ozubem satelitů 6 je nejnázoměji vidět v řezu A-A (obr.4). Tento řez vlastně představuje “rozvinutý” unášeč satelitů 6.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Spojitě měnitelný převod podle vynálezu výrazně rozšíří oblast průmyslové aplikace mechanických CVT, zejména směrem k vyšším přenášeným momentům resp. 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 vhodné 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 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 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 není schopna využít maximální výkon motoru za kteréhokoliv z provozních zatížení, jak to lze zařídit u 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 už z principu nepoužitelná. Jde o gyropohony s mechanickou transmisí a dále o vybavení kolejových vozidel i trolejbusů levnými a prakticky bezúdržbovými jedno fázovými 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, skútrů, obilních kombajnů apod.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Frikční spojitě měnitelný převod vyznačující se tím, že do dvojitého dutého nálevko vitého kužele (2) zasahuje z jedné strany kuželovitá hnací kladka (1) a z druhé strany obdobná kladka hnaná (obě kladky mají stejnou kuželovitost jako dutý kužel a s ním i rovnoběžné osy rotace), přičemž tyto kladky jsou za převodového poměru 1:1 v kontaktu se středově symetrickými místy na vnitřním povrchu dvojitého kužele a změna převodu se realizuje jeho posuvem (i s ložisky) ve směru jeho površek kontaktovaných kladkami; navíc mohou být kladky složeny 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 čelech (7); případný lichý středový kotouč (3) je spojen s nábojem kladky napevno, kromě toho mohou být navzájem sousedící kotouče nesouhlasně zmagnetizovány, takže magnetický tok vede přes oblast mechanického kontaktu kotoučů s dutým kuželem (2) vyrobeným z feromagnetického materiálu.