CZ20032009A3 - Planetový spojitě měnitelný převod - Google Patents

Description

Planetový spojitě měnitelný převod

Oblast techniky

Předmět vynálezu patří mezi mechanické spojitě měnitelné převody (někdy je pro ně používán název variátor nebo zkratka CVT, která bude používána i zde; ta pochází z anglického označení Continuously Variable Transmission). V užším výmezem patří mezi variátory bez poddajného členu (řemene, řetězu či pásu s navlečenými články).

Dosavadní stav techniky

Ve skupině mechanických spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy bylo vyzkoušeno více principů, např. kladka na rovinném talíři, kladka na vnější kuželové ploše, věnec mezi dvěma navzájem obrácenými kužely, Koppův kuličkový variátor, ale nejvíce se uplatnil toroidní CVT a jeho modifikace: semitoroidní a zvláště pak zdvojený semitoroidní. Předností zdvojeného semitoroidniho CVT je kromě relativně příznivé geometrie omezující nevyhnutelný prokluz na styčných ploškách hlavně to, že velké přítlačné síly na frikční 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 CVT s tuhými frikčními členy 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. Mazadla pro tento účel vyvíjená 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 naolejovaných kovových povrchů, ale mají-li být přenášeny opravdu 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.

Z dosud nerealizovaných návrhů CVT s tuhými frikčními členy je zajímavý spojitě měnitelný převod podle PV 2000-4474, který používá dutý kužel a v něm kladku složenou z několika kotoučů navzájem spojených diferenciály. Tento CVT by měl odstranit některé zvýše uvedených nedostatků, ale má nevýhodu dosti omezeného převodového rozsahu.

CVT podle PV 2002-2548, který používá dutý dvojkužel ve tvaru nátrubku, nevýhodu malého převodového rozsahu odstraňuje a zjednodušuje i kinematiku přestavování převodového poměru, ale nezbavil se značného zatížení ložisek.

To bylo odstraněno až řešením podle PV 2003-1788, které místo vnitřních povrchů dutého dvojkužele používájako styčnou plochu s dalšími frikčními členy vnější povrh dvojkužele (je složen ze dvou komolých kuželů navzájem spojených svými menšími základnami). Konfigurace frikěních členů tohoto CVT napodobuje planetové soukolí, přičemž (neozubenými) satelity jsou tyto dvojkužele. S dvojkužely jsou v silovém kontaktu na té jejich straně, která je dál od hlavní osy CVT, dva věnce, zrcadlově posuvné v axiálním směru. Na vnitřní ·· · · straně dvojkuželů jsou s nimi v silovém kontaktu dvě kladky opět zrcadlově posuvné v axiálním směru, ale posuv je opačně orientován než u věnců. Hřídele dvojkuželů jsou výkyvné uchyceny ke skříni, takže mohou měnit svou vzdálenost od hlavní osy CVT. Zmíněné kladky jsou rozčleněny na několik paralelních kotoučů, propojených symetricky prostřednictvím diferenciálů. Tomuto řešení však zůstala nevýhoda relativně významného prokluzu z titulu nestejných rychlostí v dosti širokých kontaktních ploškách nerozčleněných, diferenciály nevybavených věnců.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody zmíněných spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy jsou potlačeny spojitě měnitelným třecím převodem podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že věnce planetového CVT jsou rozčleněny na několik paralelních disků, přičemž boční disky jsou symetricky propojeny pomocí diferenciálů a fakultativní prostřední disk je pevný.

Planetový CVT má tuhé frikční členy v podobě neozubeného čelního planetového soukolí, které má satelity ve tvaru hladkých dvojitých komolých kuželů. Hřídele těchto kuželů jsou ukotveny ve skříni tak, že vzdálenost těchto dvojkuželů od hlavní osy CVT je měnitelná. Dvojkužele jsou na straně bližší ke středu CVT v silovém kontaktu s dvojicí centrálních kladek, zrcadlově posuvných v axiálním směru. Kladky jsou složeny z pevného prostředního kotouče a z bočních kotoučů propojených diferenciály. Prostřednictvím drážkových hřídelů jsou tyto kladky spojeny s jedním vnějším hřídelem (vstupním, ale může být i výstupní). S druhým vnějším hřídelem jsou prostřednictvím „bubnu“ spojeny věnce zrcadlově posuvné v axiálním směru. Věnce jsou v silovém kontaktu s dvojkužely na straně vzdálenější od hlavní osy CVT.

Přehled obrázků na výkresu

Na výkresu jsou dva řezy jednoho z možných provedení planetového spojitě měnitelného převodu. Vlevo je axiální řez B-B, na němž je vidět záběr věnců i kladek s dvojkužely i princip jednoho z možných řešení, jak vyvíjet přítlak na frikční členy (zde hydraulicky). Vpravo je příčný řez A-A, kde je vidět společný záběr satelitů čelního ozubeného diferenciálu a také kyvná ramena s dvojkužely.

Příklad provedení vynálezu

Před vlastním popisem konkrétního provedení je vhodné objasnit základní východiska, která vedla ke koncipování 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 ve 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 minimalizaci 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. Rozčlenění kladek na více kotoučů a věnců na více disků navzájem propojených diferenciály se kolize druhého a třetího požadavku stává mnohem méně výraznou.

I při značném zúžení zmíněných 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 ířikčními členy vyniká. Je to zajištěno jednak použitím několika dvojkuželů, jednak již zmíněným rozčleněním jak kladek na více kotoučů, tak věnců na více disků.

Jak je zřejmé z výkresu, jsou tuhé frikění členy tohoto CVT uspořádány jako planetové čelní soukolí, jehož satelity 4 však nemají ozubení, nýbrž jsou hladké a mají tvar dvojitého komolého kužele. Hřídele těchto dvojkuželů jsou ukotveny ve skříni 9 tak, že mohou měnit svou vzdálenost od osy radiální symetrie tohoto CVT, v tomto případě díky kyvným ramenům (viz pravý řez na výkresu). Dvojkužele jsou na vzdálenější straně od středu CVT v silovém kontaktu s dvojicí symetricky situovaných věnců 3. Tyto věnce jsou axiálně posuvné (zde díky pístkům pro hydraulické vyvozování přítlaku na frikční členy). Točivý moment je z věnců přenášen na vnější hřídel 2 prostřednictvím bubnu 8. Na straně bližší ke středu CVT jsou dvojkužele v silovém kontaktu s navzájem symetrickou dvojicí kladek 5. Kladky jsou zrcadlově posuvné v axiálním směru na vnějším drážkovaném hřídeli L

Každá z obou centrálních kladek je na obvodě složena z několika kotoučů. Výhodný je jejich lichý počet, v nakresleném případě jde o tři kotouče na kladce. Prostřední kotouč 7 je spojen s nábojem centrální kladky napevno. Má současně funkci unášeče satelitů diferenciálu (v nakresleném případě čelního), vyrovnávajícího poněkud odlišné převodové poměry jednotlivých kotoučů vůči dvojkuželi. Satelity čelního diferenciálu jsou v záběru s vnitřním ozubením bočních kotoučů 6.

Obdobně je rozčleněn věnec 3 na několik paralelních disků, v nakresleném případě na tři disky. Prostřední disk 11 má současně funkci unášeče satelitů (ozubeného čelního diferenciálu), které jsou v záběru s bočními disky 10.

Obvodové frikční plochy na kotoučích mají stejnou kuželovitost jako vnitřní plochy věnců i dvojkužele. Pokud jde o vnější hřídele, je vstup s výstupem zaměnitelný. Všechny frikční členy mají rovnoběžné osy rotace a jejich přítlačné síly se navzájem kompenzují, takže nejdou přes ložiska. Změna převodu se realizuje zrcadlovým posuvem kladek spolu opačným zrcadlovým posuvem věnců, což je provázeno změnou vzdálenosti dvojkuželů od hlavní osy tohoto CVT.

Axiální posuvy jsou v nakresleném případě zajišťovány hydraulicky. Jde o zpětnovazební systém, kdy je zjišťována aktuální hodnota převodu a porovnávána s hodnotou požadovanou. Na dvojkužele jsou hydraulicky přitlačovány jak disky věnců, 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.

V yužite lno st vynálezu

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

nostmi 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 (přičemž tento CVT má navíc vyšší účinnost). Takovéto optimální kombinace se zjistí pro všechny hodnoty výkonu od nuly do maxima. V diagramu moment-otáěky 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 jednofázovými 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 zapojení 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

   Planetový spojitě měnitelný převod (CVT) s tuhými frikčními členy v podobě neozubeného čelního planetového soukolí, které má satelity (4) ve tvaru hladkých dvojitých komolých kuželů s hřídeli ukotvenými ve skříni (9) tak, že vzdálenost těchto dvojkuželů od hlavní osy převodu je měnitelná, přičemž v silovém kontaktu s těmito dvojkužely je na jejich ke středu CVT bližší straně dvojice centrálních kladek (5), zrcadlově posuvných v axiálním směru, spojených s vnějším hřídelem (1) a složených z pevného prostředního kotouče (7) a z bočních kotoučů (6) propojených diferenciály, přičemž s vnějším hřídelem (2) jsou prostřednictvím bubnu (8) spojeny zrcadlově v axiálním směru posuvné věnce (3), které jsou v silovém kontaktu s dvojkužely na jejich od středu CVT vzdálenější straně; vyznačujícím rysem tohoto nového CVT je rozčlenění těchto věnců na boční disky (10), symetricky navzájem propojené pomocí diferenciálů a na fakultativní pevný disk prostřední (11).