RU2803217C1 - Matrix gear variable gearbox - Google Patents

Matrix gear variable gearbox Download PDF

Info

Publication number
RU2803217C1
RU2803217C1 RU2022116689A RU2022116689A RU2803217C1 RU 2803217 C1 RU2803217 C1 RU 2803217C1 RU 2022116689 A RU2022116689 A RU 2022116689A RU 2022116689 A RU2022116689 A RU 2022116689A RU 2803217 C1 RU2803217 C1 RU 2803217C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
gear
holes
shaft
circles
Prior art date
Application number
RU2022116689A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Альберт Гансович Петров
Виталий Владиславович Соколов
Original Assignee
Альберт Гансович Петров
Виталий Владиславович Соколов
Filing date
Publication date
Application filed by Альберт Гансович Петров, Виталий Владиславович Соколов filed Critical Альберт Гансович Петров
Priority to PCT/IB2023/058327 priority Critical patent/WO2023248210A2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2803217C1 publication Critical patent/RU2803217C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: geared variators.
SUBSTANCE: on the drive shaft of the variator there is a disk containing rows of holes, arranged along concentric circles corresponding to gear ratios, with passages between the holes of adjacent rows. With the holes of one of the rows, a gear wheel mounted on the driven shaft is engaged perpendicular to the disk. The pitch of the gear teeth is equal to the pitch of the holes. In this case, the gear wheel can move along the shaft under the influence of the control mechanism in proportion to the number of revolutions of the shaft.
EFFECT: increase in the transmitted torque is achieved.
1 cl, 4 dwg

Description

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.The invention relates to the field of mechanical engineering and can be used in devices (units) that require an automatic smooth change in the gear ratio from the engine to the actuators, in particular, as automatic transmissions of cars and motorcycles, where they have reached the highest technical level, and other vehicles .

Известны два способа автоматического изменения передаточного числа и крутящего момента от двигателя к исполнительным механизмам:There are two known ways to automatically change the gear ratio and torque from the engine to the actuators:

- передача с помощью механического (зубчатого) зацепления (автоматическая коробка передач, роботизированная механическая коробка передач);- transmission using mechanical (gear) gearing (automatic transmission, robotic manual transmission);

- 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 передается с помощью силы трения.- transmission using friction gearing - variator. The main advantage of a variator over gearboxes using gears is the ability to smoothly change the gear ratio with the choice of the optimal one - according to the load and engine speed. Torque is transmitted using friction.

Известен клиноцепной вариатор, содержащий два шкива и натянутую между ними цепь. Один из шкивов соединен с коленчатым валом двигателя, другой кинематически связан с ведущими колесами. Каждый шкив состоит из двух соосных дисков, выполненных в форме усеченного конуса, обращенных 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 передается скошенными торцами штифтов цепи за счет силы трения. Применение цепи позволило повысить передаваемый крутящий момент и КПД передачи за счет 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 с LUK и устанавливаемые на автомобили Volkswagen, Audi и Subaru).A V-chain variator is known, containing two pulleys and a chain stretched between them. One of the pulleys is connected to the engine crankshaft, the other is kinematically connected to the drive wheels. Each pulley consists of two coaxial disks, made in the shape of a truncated cone, facing each other with small diameters. The discs can be moved or moved apart using a special mechanism. If the discs move, the chain is pushed out; if they move apart, the chain falls inward. The change in the radii along which the chain rotates occurs synchronously - when one pulley increases the radius, the other decreases it - and vice versa. As a result, the gear ratio changes smoothly, and the torque from the drive disk to the driven disk is transmitted by the beveled ends of the chain pins due to the friction force. The use of a chain made it possible to increase the transmitted torque and transmission efficiency by creating greater pressure in the contact area of the chain pins with the pulleys than with the similar use of a metal V-belt (Multtronic CVTs, implemented by the Volkswagen Audi Group and Lineartronic (Fuji Heavy Industries) in collaboration with LUK and installed on Volkswagen, Audi and Subaru cars).

Следующим шагом для повышения крутящего момента, а также компактности коробки передач, стал отказ от ремня или цепи в пользу специальных роликов.The next step to increase torque, as well as the compactness of the gearbox, was the abandonment of the belt or chain in favor of special rollers.

Известен тороидальный вариатор, выбранный нами в качестве прототипа, который, подобно шкиву в аналоге состоит из двух одинаковых соосных дисков, один из которых соединен с коленчатым валом двигателя, другой связан с ведущими колесами. 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 закругленными шляпками. Ролики передают крутящий момент за счет 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.A toroidal variator is known, which we chose as a prototype, which, like a pulley in an analogue, consists of two identical coaxial disks, one of which is connected to the engine crankshaft, the other is connected to the drive wheels. The disks have tapering parts, forming a body of rotation, directed towards each other, but differ from the pulley halves in the analogue in that the generatrix of the tapering part is not straight, like a cone, but concave, forming (during rotation) a toroidal surface. Mushroom-shaped rollers are sandwiched between the disks, each of which simultaneously touches the toroidal surfaces of both disks with rounded caps. The rollers transmit torque due to friction and can rotate around their axis, as well as tilt in the vertical direction, under the action of a servo drive connected to shaft speed sensors, while the distance between points on a straight line intersecting the rotation axis of the rollers and the toroidal surfaces of both disks - always the same, which means there is no need for a chain (V-belt). The roller, tilting, changes the gear ratio. If the roller is in contact with the drive disk along small radii, then it is in contact with the driven disk along large radii - we get a reduction gear; when rotating along the same radii, the transmission will be direct, if the roller is pressed against the drive disk along a large radius - an overdrive.

Специальными устройствами в тороидальном вариаторе создается высокое давление (до 10 т на см2) 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, Torortak development, Справочный номер заявки РСТ: GB 199100, патент № GB 2250326 дата приоритета 90249871 16.11.1990).Special devices in the toroidal variator create high pressure (up to 10 tons per cm 2 ) in the contact area of the rollers with the disks, which increases the friction force and thereby increases the maximum transmitted torque, which means the toroidal variator can be used on more powerful machines. (Nissan's Extroid CVTs installed on the Cedric and Skyline models, as well as the patent of Kristopher John Greenwood, Torortak development, PCT application reference number: GB 199100, patent No. GB 2250326 priority date 90249871 11/16/1990).

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.Practical designs of CVT transmissions include devices for smooth starting and reversing, a control system, a hydraulic pump for the torque converter that performs the clutch function, or friction discs that perform a similar function.

Главный недостаток вариаторов состоит в том, что они являются фрикционными (работают за счет силы трения, а не механического зацепления), и потому могут передавать ограниченный крутящий момент, при повышении которого выше определенного уровня рабочие поверхности начинают проскальзывать и интенсивно изнашиваться, а это означает, что их нецелесообразно использовать при больших нагрузках.The main disadvantage of CVTs is that they are frictional (they work due to friction rather than mechanical engagement), and therefore can transmit limited torque, when increased above a certain level, the working surfaces begin to slip and wear out intensively, which means that they are not advisable to use under heavy loads.

Предлагаемым изобретением решается задача замены фрикционного зацепления ведущего и ведомого валов коробки передач на механическое, при сохранении основных преимуществ вариатора перед зубчатыми коробками передач.The proposed invention solves the problem of replacing the frictional engagement of the drive and driven shafts of a gearbox with a mechanical one, while maintaining the main advantages of a variator over gearboxes.

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.To achieve the specified technical result in the proposed invention, the functions of a toroidal disk are performed by a disk-shaped cassette rigidly mounted on the drive shaft of the gearbox, having matrix rings corresponding to the gear ratios, containing holes located in concentric circles. Transitional matrix grooves (guides) pass radially through all matrix circles corresponding to various gears. The driven shaft is installed so that its axis is perpendicular to the axis of the drive shaft and intersects with it. A gear wheel is installed on the driven shaft on a sliding spline connection, which has a degree of freedom of movement along the shaft and is engaged with the holes of one of the matrix rings of the cassette.

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, создается принципиальная возможность применения такой коробки передач для широкого диапазона возможных нагрузок.The principle of operation of a gear-matrix variable gearbox is that the matrix rings of the cassette rotate at the same angular speed and when a longitudinal force is applied to the gear mounted on the driven shaft, it enters the variation mode - into sequential engagement with the holes of the adjacent matrix rings of the cassette through guide passages connecting the holes of adjacent matrix rings of the cassette. In this case, an instantaneous change in the gear ratio occurs without the use of preliminary synchronization mechanisms, which require a time interval for the meshing parts to transition to adjacent gears. Using, for example, a centrifugal mechanism, servos controlled by speed sensors, or other mechanisms to create longitudinal force on the driven gear, allows you to automatically change the gear ratio of a given gearbox, which is selected optimally according to the load and engine speed. In this case, the limitation on the amount of transmitted torque is removed and, thus, it is fundamentally possible to use such a gearbox for a wide range of possible loads.

В зависимости от требований компоновки система может работать в обратном порядке - матричная кассета устанавливаться на ведомом валу, а зубчатое колесо - на ведущем валу.Depending on the layout requirements, the system can operate in the reverse order - the matrix cassette is mounted on the driven shaft, and the gear wheel is mounted on the drive shaft.

Предлагаемая вариаторная зубчато-матричная коробка передач иллюстрируется чертежом, где на рис. 1 представлен ее общий вид в изометрии, на рис. 2 - вид спереди, на рис. 3 - вид сбоку, на рис. 4 - вид снизу.The proposed CVT gear-matrix gearbox is illustrated in the drawing, where in Fig. 1 shows its general view in isometry, Fig. 2 - front view, in Fig. 3 - side view, in Fig. 4 - bottom view.

Вариаторно-зубчатая коробка передач содержит корпус (12), в котором в подшипниках (5) установлен ведущий вал, с жестко установленной на нем 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 обращен 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 закрепленными 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 закреплен на заглушке (16), а другой конец закреплен на валу (4) и связан с грузиками (11), создающими при вращении вала (4) через подвижные ромбовидные секции (3) продольное усилие на зубчатое колесо (2).The variator gearbox contains a housing (12), in which a drive shaft is installed in bearings (5), with a disk-shaped cassette (1) rigidly mounted on it, on the free plane of which holes are made perpendicularly along concentric circles, forming matrix rings (13) . Guide passages (7) are made between adjacent matrix rings. A gear wheel (2) is engaged with the matrix rings of the cassette (13), mounted on a sliding keyed connection on the driven shaft (4), the axis of which is perpendicular to the axis of the drive shaft (14) and is in the same plane with it. The driven shaft (4) is installed in bearings (5), the seats of which are located in the side walls of the housing (12). The central part of the gear (2) is made in the form of a bushing (9), the protrusion of which faces the output end of the driven shaft (4). The driven shaft is equipped with four longitudinal keyways (6) of a semicircular profile, equally spaced from each other. Similar grooves are made on the inner cylindrical surface of the gear (not shown in the figure) so that when they coincide, they form cylindrical cavities in which bearing balls are placed (not shown in the figure), acting as a sliding key, the diameter of which is equal to the diameter of the cylindrical cavity. The exits from the cylindrical cavity on both sides are closed by washer-shaped plugs (10, 16) mounted on the driven shaft (4) and fixed to the gear wheel (2). On the side opposite the protruding bushing (9) of the gear wheel (2) there is a centrifugal mechanism, which includes a compression spring (8) mounted on the shaft (4) and a lever system consisting of two sliding diamond-shaped sections (3) installed on both sides shaft (4). One end of each section is fixed to the plug (16), and the other end is fixed to the shaft (4) and is connected to weights (11), which create a longitudinal force on the gear wheel (2) when the shaft (4) rotates through the movable diamond-shaped sections (3). ).

Работа матрично-зубчатой вариаторной коробки передач происходит следующим образом. При передаче крутящего момента с двигателя на ведущий вал (14) с закрепленной на нем 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.The operation of a matrix-gear variator gearbox occurs as follows. When torque is transmitted from the engine to the drive shaft (14) with the cassette (1) fixed on it, the gear (2) and the driven shaft (4) engaged with the small matrix ring of the cassette (13) begin to rotate. When the driven shaft (4) picks up the angular speed of rotation, a centrifugal mechanism comes into action, in which, under the action of centrifugal forces, the weights (11) move apart and through the diamond-shaped sliding sections (3) and the centrifugal mechanism, compressing the spring (8), begins to pull the gear wheel (2) along the driven shaft (4) in the direction of increasing the gear ratio, wherein the gear (2) can engage in series with the matrix rings of the cassette (13), reaching the highest gear ratio.

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 счет изменения баланса сил между центробежным механизмом (3, 11) и возвратной пружиной (8) фактически плавно из-за отсутствия временных промежутков между переключением передач.When the external load on the driven shaft (4) increases, the engine speed, and, consequently, the driven shaft (4) decreases, the centrifugal force acting on the gear (2) decreases, as a result of which the spring (8) begins to expand and move the gear (2) in the opposite direction to smaller gear ratios. The optimal gear ratio is set automatically according to the load and engine speed by changing the balance of forces between the centrifugal mechanism (3, 11) and the return spring (8) virtually smoothly due to the absence of time intervals between gear changes.

Claims (1)

Матрично-зубчатый вариатор, характеризующийся тем, что на его ведущем валу установлена дискообразная кассета, содержащая соответствующие передаточным числам матричные круги (окружности), представляющие собой расположенные по соосным с кассетой концентрическим окружностям ряды отверстий с соединяющими отверстия соседних рядов направляющими проходами, а с отверстиями матричных кругов находится в зацеплении установленное на ведомом валу перпендикулярно кассете зубчатое колесо, шаг зубьев которого равен шагу отверстий матричных кругов, имеющее степень перемещения вдоль вала, осуществляемого управляющим механизмом пропорционально числу оборотов вала, при этом зубчатое колесо может последовательно переходить через направляющие проходы в зацепление с матричными кругами в сторону больших или меньших, изменяя передаточное число матрично-зубчатого вариатора, автоматически выбираемое оптимально - согласно нагрузке и оборотам двигателя.A matrix-gear variator, characterized by the fact that a disk-shaped cassette is installed on its drive shaft, containing matrix circles (circles) corresponding to the gear ratios, which are rows of holes located along concentric circles coaxial with the cassette with guide passages connecting the holes of adjacent rows, and with the holes of the matrix circles is in mesh, mounted on the driven shaft perpendicular to the cassette, the pitch of the teeth of which is equal to the pitch of the holes of the matrix circles, having a degree of movement along the shaft carried out by the control mechanism in proportion to the number of revolutions of the shaft, while the gear wheel can sequentially move through the guide passages into engagement with the matrix in circles towards larger or smaller ones, changing the gear ratio of the matrix-gear variator, which is automatically selected optimally - according to the load and engine speed.
RU2022116689A 2022-06-21 2022-06-21 Matrix gear variable gearbox RU2803217C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IB2023/058327 WO2023248210A2 (en) 2022-06-21 2023-08-21 Matrix geared variable transmission

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803217C1 true RU2803217C1 (en) 2023-09-11

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU69209A1 (en) * 1946-07-18 1946-11-30 Н.Х. Фатхудинов Friction disc drive
SU149005A1 (en) * 1961-09-05 1961-11-30 А.И. Демидов Frictionless gearless transmission
JPH10231907A (en) * 1997-02-22 1998-09-02 Noboru Furukawa Continuously variable transmission and drive device using rotation of spherical body
RU2208189C2 (en) * 2001-08-10 2003-07-10 Московский государственный открытый университет Toothed variable-speed drive

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU69209A1 (en) * 1946-07-18 1946-11-30 Н.Х. Фатхудинов Friction disc drive
SU149005A1 (en) * 1961-09-05 1961-11-30 А.И. Демидов Frictionless gearless transmission
JPH10231907A (en) * 1997-02-22 1998-09-02 Noboru Furukawa Continuously variable transmission and drive device using rotation of spherical body
RU2208189C2 (en) * 2001-08-10 2003-07-10 Московский государственный открытый университет Toothed variable-speed drive

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4735598A (en) Continuously variable V-belt transmission
CN113719592B (en) Meshing method of movable-tooth gear and variable-diameter continuously variable transmission applying same
US7789779B2 (en) Continuously variable transmission
US20120108377A1 (en) Power Transmission System with Continuously Variable Speed Control
CN102401100A (en) Stepless speed-changing device
KR20100093505A (en) Continuously variable transmission
US6213907B1 (en) Co-axial single mode geared neutral traction transmission
JPH06341500A (en) Non-stage transmission
RU2803217C1 (en) Matrix gear variable gearbox
WO2023248210A2 (en) Matrix geared variable transmission
US9765859B2 (en) Serial continuously variable transmission
EP3152463B1 (en) Gearboxes
CN212155691U (en) Stepless speed variator
CN111255866A (en) Chain transmission stepless speed change device
JPH01299355A (en) Split pulley type continuously variable transmission
CN206770545U (en) A kind of buncher
JPH07122452B2 (en) V-belt type continuously variable transmission
RU218996U1 (en) CVT TRANSMISSION
JP4939040B2 (en) Belt type continuously variable transmission
RU2806457C1 (en) Basic variator of continuously variable transmission
CN108506447B (en) Continuously variable transmission
KR20230040982A (en) Variable pitch pulley for belt-pulley type continuously variable transmission and belt-pulley type continuously variable transmission having the same
RU2523508C2 (en) Wide-range continuously variable-ratio drive (supervariator)
CN108533700A (en) A kind of contiuously variable transmission
KR101937637B1 (en) Continuously variable transmission