CZ20031788A3 - Spojitě měnitelný převod s tuhými frikčními členy - Google Patents

Abstract

U tohoto převodujsou tuhé fřikční členy uspořádány jako ozubené planetové čelní soukolí, jehož satelity (4) mají tvar dvojitého komolého kužele. Hřídele dvojkuželů jsou ukotveny ve skříni tak, že mohou měnit svou vzdálenost od osy převodu. Na dvojkužele působí zvnějšku přítlačné síly od dvojice věnců (3), axiálně a navzájem protisměrně posuvných a propojených s externím hřídelem (2). Zevnitř působí na dvojkužele přítlačné síly od dvojice centrálních kladek (5), axiálně a navzájem protisměrně posuvných na externím hřídeli (1). Centrální kladky (5)jsou na obvodě složeny z kotoučů (6), z nichž každé dva, umístěné po obou stranách středu styku kladky (5) s dvojkuželemjsou navzájem propojeny diferenciálem vyrovnávajícím odlišné rychlosti kotoučů (6). Prostřední kotouče (7)jsou s náboji kladek (5) spojeny napevno

Description

Oblast techniky

Předmět vynálezu patří mezi mechanické spojitě měnitelné převody (někdy je pro ně používán název variátor nebo zkratka CVT - z anglického označení Continuously Variable Transmission), a to bez poddajného členu (řemene, řetězu či pásu s navlečenými články). Do této skupiny patří např. CVT diskový, toroidní či Koppův, ale rovněž variátory podle autorových PV 2000-4474 a PV 2002-2548.

Dosavadní stav techniky

Ve skupině mechanických spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy bylo navrženo i vyzkoušeno více principů, např. kladka na rovinném talíři, kladka na vnější kuželové ploše, věnec mezi dvěma navzájem obrácenými kužely, ale nejvíce se uplatnil toroidní CVT a jeho modifikace: semitoroidní a zvláště pak zdvojený semitoroidní.

Předností zdvojeného semitoroidního CVT je kromě relativně příznivé geometrie omezující nevyhnutelný prokluz na styčných ploškách hlavně to, že velké přítlačné síly na frikění 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. Ztráty se pouze přesunou z pevných povrchů do mazadla. Proto je v každém případě potřebné usilovat vhodnou konstrukcí o minimalizaci prokluzu daného geometricky.

Smyková zatížitelnost zmíněných lubrikantů je sice několikanásobkem smykové zatížitelnosti naolejováných kovových povrchů, ale mají-li být přenášeny velké tečné síly, je nutno usilovat o pokud možno velkou reálnou plošku styku (aniž by však rostl geometricky zapříčiněný prokluz). V tom má i semitoroidní CVT 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 dřívější původcovy PV 2000-4474 odstraňoval některé z výše uvedených nedostatků u existujících CVT, ale měl zase nevýhodu dosti omezeného převodového rozsahu. CVT podle další původcovy PV 2002-2548 tuto nevýhodu odstranil a zjednodušil i kinematiku přestavování převodového poměru, ale nezbavil se značného zatížení ložisek.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody existujících frikčních spojitě měnitelných převodů jsou potlačeny spojitě měnitelným třecím převodem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že jeho tuhé frikění členy jsou uspořádány jako neozubené planetové čelní soukolí, jehož hladké satelity (4) mají tvar dvojitého komolého kužele. Hřídele těchto dvojkuželů (4) jsou ukotveny ve skříni tak, že mohou měnit svou vzdálenost od osy radiální symetrie tohoto CVT. Zvnějška jsou dvojkužele (4) v záběru s dvojicí vůči středům dvojkuželů symetricky umístěných věnců • · (3) přenášejících prostřednictvím „bubnu“, v němž jsou axiálně posuvné, točivý moment na hřídel (2), který je v tomto případě výstupní. Zevnitř jsou dvojkužele (4) v záběru s navzájem symetrickou dvojici kladek (5) které jsou axiálně posuvné na hřídeli (1), v tomto případě vstupním. U tohoto CVT je tedy vstup s výstupem zaměnitelný, výkon může být přenášen oběma směry.

Centrální kladky (5) jsou na obvodě tvořeny kotouči (6), z nichž každé dva, umístěné po obou stranách středu oblasti styku centrální kladky (5) s dvojkuželem (4), jsou navzájem propojeny diferenciálem vyrovnávajícím odlišné převodové poměry kotoučů. Otáčky jednotlivých kotoučů se totiž v záběru s dvojkuželem navzájem liší. Ve srovnání s prostředním kotoučem (7), spojeným s nábojem kladky napevno, jsou otáčky menších kotoučů vyšší a otáčky větších kotoučů naopak nižší. Diferenciál sníží prokluz z titulu různých poloměrů na hodnotu téměř zanedbatelnou (jeho minimalizace vede k rozdílným vzdálenostem okrajových kotoučů od kotouče středního).

Kotouče (6) a (7) centrálních kladek (5) mají stejnou kuželovitost jako hladké věnce (3) i dvojkužele (4). Všechny frikční členy mají rovnoběžné osy rotace a přítlačné síly mezi frikěními členy se navzájem kompenzují, aniž by šly přes ložiska. Změna převodu se realizuje navzájem protisměrným posuvem symetricky situovaných kladek spolu s opačným navzájem protisměrným posuvem symetricky situovaných věnců, což je provázeno změnou vzdálenosti dvojkuželů (4) od osy radiální symetrie tohoto CVT.

Při koncipování tohoto vynálezu byly vytyčeny čtyři hlavní požadavky (v zájmu odstranění výše uvedených nevýhod spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy):

za prvé by pohyby kontaktních bodů neměly mít v reálné styčné plošce příliš odlišné trajektorie, za druhé by sousedící kontaktní body neměly mít v reálné styčné plošce příliš odlišný poměr obvodových rychlostí (převodový poměr), za třetí by měl být součet reálných styčných plošek přenášejících tečné síly co největší, za čtvrté by přítlačné síly na frikční členy neměly jít přes ložiska.

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). Respektování čtvrté zásady vede k úspornému dimenzování ložisek a k minimalizace energetických ztrát v nich.

U spojitě měnitelného převodu podle vynálezu je zajištěno splnění prvního požadavku rovnoběžností rotačních os dvojkuželů, centrálních kladek a věnců, a to beze zbytku (trajektorie každé dvojice kontaktních bodů leží ve společné rovině).

Rozdíly v místních převodových poměrech lze u tohoto CVT zmenšovat (druhý požadavek) zúžením reálných kontaktních plošek. To však koliduje s požadavkem třetím; volba jejich šířky bude tedy věcí kompromisu.

Avšak i při značném zúžení těchto plošek zůstane u tohoto CVT jejich součet relativně velký (třetí požadavek), zejména proto, že těchto plošek je hodně, dokonce více než u dvojitého semitoroidního CVT, který tím nad jiné CVT s tuhými frikčními členy vyniká. Navíc v případě styku dvojkužele s věncem je v důsledku konkavity věnce reálná styčná ploška poměrně dlouhá. Také není nutno tento věnec příliš zužovat díky jen malé změně převodu podél jeho šířky.

Jiná je situace v případě kontaktu centrálních kladek s dvojkuželi. U nich se převodové poměry na okrajích od sebe liší výrazněji, takže je zapotřebí udržovat šířku kontaktu co nejmenší. Navíc je i délka reálného kontaktu menší, neboť obě tato tělesa jsou konvexní. Pro• · blém je řešen rozdělením obvodu centrální kladky na několik (nejlépe lichý počet) paralelních úzkých kotoučů a jejich pohonem přes diferenciál.

Přehled obrázků na výkresech

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

obr. 1 představuje podélný řez jedním zmožných uspořádání tohoto CVT; kde jsou vidět vzájemné vazby mezi frikčními členy;

obr. 2 představuje doplňující příčný řez, z něhož je zřejmé rozmístění dvojkuželů s jejich ukotvením na skříň dovolujícím změnu vzdálenosti dvojkuželů od osy CVT.

Příklad provedení vynálezu

Tuhé frikční členy tohoto CVT jsou uspořádány jako planetové čelní soukolí, jehož satelity 4 však nemají ozubení, nýbrž jsou hladké a mají tvar dvojitého komolého kužele. Hřídele těchto dvojkuželů 4 jsou ukotveny ve skříni tak, že mohou měnit svou vzdálenost od osy radiální symetrie tohoto CVT, v tomto případě díky kyvným ramenům, jak je zřejmé z obr. 2. Zvnějška jsou dvojkužele v záběru s dvojicí symetricky situovaných, věnců 3 přenášejících prostřednictvím „bubnu“, v němž jsou axiálně posuvné, točivý moment na hřídel 2, který je v tomto případě výstupní. Na vnitřní straně jsou dvojkužele 4 v záběru s navzájem symetrickou dvojici kladek 5 které jsou axiálně posuvné na hřídeli 1, v tomto případě vstupním. U tohoto CVT je totiž vstup s výstupem zaměnitelný.

Každá z kladek 5 je na obvodě složena z několika kotoučů, v nakresleném případě ze tří, rotujících poněkud odlišnými rychlostmi (proto jsou na nich vytvořeny rotační kluzné plochy). Prostřední kotouč 7 je spojen s nábojem centrální kladky 5 napevno. Vnější kotouče 6 jsou navzájem propojeny ozubeným diferenciálem. Satelity tohoto diferenciálu (u tohoto konkrétního řešení jde o diferenciál čelní) jsou na obr. 2 zakresleny čárkovaně. Zabírají s vnitřním ozubením kotoučů 6. Hřídele dvojkuželů 4 jsou zde ke skříni CVT uchyceny prostřednictvím kyvných ramen. Obvodové frikční plochy na kotoučích mají stejnou kuželovitost jako věnce 3 i dvojkužele 4.

Všechny frikční členy mají rovnoběžné osy rotace a jejich přítlačné síly se navzájem kompenzují, takže nejdou přes ložiska. Změna převodu se realizuje symetrickým posuvem kladek spolu opačným symetrickým posuvem věnců, což je provázeno změnou vzdálenosti dvojkuželů 4 od osy radiální symetrie tohoto CVT. Axiální posuvy jsou u nakresleného provedení zajišťovány hydraulicky, jak je znázorněno na obr. 1. Jde o zpětnovazební systém, kdy je zjišťována aktuální hodnota převodu a porovnávána s hodnotou požadovanou. Na dvojkužele 4 jsou hydraulicky přitlačovány jak věnce, tak v protisměru kotouče centrálních kladek. Změna převodu posunutím věnců (a v protisměru centrálních kladek) se zajistí převážením jednoho přítlaku nad druhým. Přítlak je rovněž měněn v závislosti na přenášeném točivém momentu, ovšem tentokrát v obou větvích shodně.

Využitelnost vynálezu

CVT podle vynálezu výrazně rozšíří možnost řešit spojitou změnu převodu mechanickou cestou, a to zejména směrem k vyšším přenášeným momentům resp. výkonům. Jeho přednostmi jsou:

vysoká účinnost (díky minimalizaci geometricky daných prokluzů a vlivem nezatěžování ložisek přítlačnými silami),

- minimální opotřebení, tedy dlouhá životnost,

- kompaktní stavba (prostorová úspornost zejména v axiálním směru),

- nízká hmotnost a malý moment setrvačnosti, běžné nároky na výrobní technologii s důsledkem výhodné ceny.

U motorových vozidel bude možno tímto CVT realizovat automatickou převodovku výhodněji než s dosavadními spojitě měnitelnými převody (uplatní se i u autobusů a u těžkých nákladních automobilů, též díky dlouhé životnosti). Lze očekávat snížení spotřeby paliva i ve srovnání s převodovkou manuálně řazenou. Stejně jako u kteréhokoliv jiného CVT lze u něj totiž měnit za pomoci vhodné automatické regulace převodový poměr 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 nejmenší hodnotu, ale tento CVT má navíc vyšší účinnost. Takovéto optimální kombinace se zjistí pro všechny hodnoty výkonu od nuly do maxima. V diagramu moment-otáčky představují tyto kombinace spojitou křivku minimálních spotřeb paliva. Režimy neležící na této křivce vykazují specifickou spotřebu paliva vyšší, někdy výrazně (zejména u zážehových motorů).

Převod se pak při jízdě reguluje spojitě tak, aby byl konkrétní jízdní odpor transformován do momentu zatěžujícího motor právě na této křivce. Dosud nebyla u spojitě měnitelných převodů tato možnost běžně využívána, takže příslušná vozidla obvykle měla větší spotřebu paliva, než byla-li vybavena několikastupňovou mechanickou převodovkou. Za to ovšem mohla 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 mnohem vyššího 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 značně snížit spotřebu paliva a jejich pracovní výkon dále zvýšit. Obdobně to platí i pro terénní vozidla, zejména pásová. Dosud existující spojitě měnitelné převody se pro tyto aplikace nehodily kvůli omezenému přenášenému momentu.

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 trolejbusů i elektrických kolejových vozidel levnými a prakticky bezúdržbovými jedno fázovými asynchronními trakčními motory napájenými střídavým proudem síťové frekvence 50 Hz (resp. 60 Hz pro americký kontinent). Pro tato vozidla by bylo výhodné kombinovat CVT s diferenciálem tak, aby vznikl IVT (Infinitely Variable Transmission), tedy zapojení, u nějž lze převodový poměr spojitě snižovat až na nulu a případně do záporných hodnot (těmi lze realizovat zpátečku). Při takovémto zápojem cirkuluje v systému CVT a diferenciálu výkon, což vede k nižší účinnosti (za nulového převodového poměru nulové; výstupní točivý moment však přitom je násobkem momentu vstupního). V průběhu rozjezdu se diferenciální funkce vyřazuje a systém pak funguje s menšími energetickými ztrátami jako klasický CVT.

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, sněžných skútrů, obilních kombajnů apod.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Spojitě měnitelný převod s tuhými frikčními členy vyznačující se jejich konfigurací v podobě neozubeného čelního planetového soukolí, které má satelity (4) tvarované jako dvojité komolé kužele s hřídeli ukotvenými ve skříni tak, že mohou měnit svou vzdálenost od osy radiální symetrie tohoto CVT, přičemž na tyto dvojkužele působí zvnějška přítlačné síly od dvojice axiálně a navzájem protisměrně posuvných věnců (3) propojených s externím hřídelem (2), a zevnitř na dvojkužele působí přítlačné síly od dvojice centrálních kladek (5) posuvných axiálně a navzájem protisměrně na externím hřídeli (1) a složených na obvodě z paralelních kotoučů (6), z nichž každé dva, rozmístěné po obou stranách středu styku centrální kladky (5) s dvojkuželem (4), jsou navzájem propojeny diferenciálem; případné prostřední kotouče (7) jsou spojeny s náboji kladek napevno.