RU2806457C1

RU2806457C1 - Basic variator of continuously variable transmission

Info

Publication number: RU2806457C1
Application number: RU2023119254A
Authority: RU
Inventors: Александр Черменович Хатагов; Заурбек Александрович Хатагов; Ирина Викторовна Крыжановская; Алан Юрьевич Аликов
Filing date: 2023-07-20
Publication date: 2023-11-01

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: basic variator of a continuously variable transmission includes a housing, input and output shafts, driving and driven geared conical worms with an arbitrary transverse profile, mounted on crossed perpendicular shafts so that an increase in the diameter and inclination angle of the turns of one worm is responsible for a decrease in the diameter and inclination angle of the turns of the other worm. The device is additionally equipped with a cylindrical worm shaft located parallel to the drive shaft, and a movable cartridge installed with the possibility of lateral shift along the body; inside the cartridge there is a shaft with a spinner and a driven geared conical worm installed with the possibility of longitudinal sliding along the shaft without turning. The driving conical worm is made as a single unit with the input shaft of the transmission and is connected by a gear transmission through a driven gear conical worm and a spinner with a cylindrical worm shaft, at the end of which a gear is rigidly fixed, connected to the transmission differential carrier.

EFFECT: simplification of transmission control, increased efficiency, reliability and compactness are ensured.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к трансмиссиям с плавным отнулевым управлением скоростью вращения выходных валов приводов транспортных средств и промышленных установок.The invention relates to mechanical engineering, namely to transmissions with smooth zero-speed control of the rotation speed of output shafts of drives of vehicles and industrial installations.

Известен широкодиапазонный клиноременный вариатор, включающий входной и выходной валы, базовый вариатор, дифференциал и прямозубую передачу (см. патент РФ на изобретение №2071577, МПК F16H 9/00 (1995.01), опубл. 10.01.1997 г.). Базовый вариатор выполнен с раздвижными коническими шкивами, дифференциал конический, между входным и выходным валами установлен промежуточный вал, а зубчатая передача состоит из двух цилиндрических шестерен и паразитной шестерни между ними. Одна пара шкивов вариатора установлена на входном валу, а другая связана с корпусом (водилом) дифференциала. У дифференциала одно центральное колесо связано с выходным валом, другое - с промежуточным. Благодаря оконечному дифференциалу изменение передаточного отношения базового вариатора от 1 до 2 и далее до 3 плавно меняет скорость вращения выходного вала от +1 до 0 и далее до -1/3 скорости вращения входного вала.A wide-range V-belt variator is known, including input and output shafts, a base variator, a differential and a spur gear (see RF patent for invention No. 2071577, IPC F16H 9/00 (1995.01), publ. 01/10/1997). The basic variator is made with sliding bevel pulleys, the differential is conical, an intermediate shaft is installed between the input and output shafts, and the gear train consists of two spur gears and a idler gear between them. One pair of CVT pulleys is mounted on the input shaft, and the other is connected to the differential housing (carrier). In a differential, one central wheel is connected to the output shaft, the other to the intermediate shaft. Thanks to the terminal differential, changing the gear ratio of the base variator from 1 to 2 and then to 3 smoothly changes the speed of rotation of the output shaft from +1 to 0 and then to -1/3 the speed of rotation of the input shaft.

Недостатками аналога являются сложность конструкции и управления, связанные, во-первых, с необходимостью использования для работоспособности устройства дополнительного оборудования, а именно, актуатора, выполняющего функцию механизма, сдвигающего и раздвигающего шкивы. Такой механизм оснащен сложной гидравликой, компьютерной системой её управления, соответствующими датчиками и габаритами получается не меньше самого вариатора, что делает трансмиссию громоздкой. Во-вторых, базовый вариатор устройства фрикционный, что ведёт к неизбежным потерям скольжения. Кроме того, его входной и промежуточный валы расположены на широко разнесённых в пространстве осях, обуславливая необходимость в паразитной шестерне, что также ведёт к дополнительным потерям в трансмиссии и увеличивает размеры устройства.The disadvantages of the analogue are the complexity of the design and control, associated, firstly, with the need to use additional equipment for the device to work, namely, an actuator that performs the function of a mechanism that shifts and extends the pulleys. Such a mechanism is equipped with complex hydraulics, a computer control system, corresponding sensors and dimensions that are no less than the variator itself, which makes the transmission cumbersome. Secondly, the basic variator of the device is frictional, which leads to inevitable slip losses. In addition, its input and intermediate shafts are located on widely spaced axes, necessitating the need for an idler gear, which also leads to additional losses in the transmission and increases the size of the device.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является вариаторная зубчатая передача, включающая корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, находящиеся между собой в зацеплении, установленные на перпендикулярных валах так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка (см. патент РФ на изобретение №2389922, МПК (2006.01) F16H 3/42, опубл. 20.05.2010 г.). В данной зубчатой передаче конические червяки имеют возможность свободного скольжения по собственным валам без проворачивания, а изменение передаточного отношения, то есть смещение одного из червяков вдоль вала, осуществляется при помощи внешнего механизма.The closest to the claimed technical solution is a variable speed gear transmission, including a housing, input and output shafts, drive and driven geared conical worms with an arbitrary transverse profile, meshed with each other, mounted on perpendicular shafts so that an increase in the diameter and angle of inclination of the turns of one the worm is answered by a decrease in the diameter and angle of inclination of the turns of another worm (see RF patent for invention No. 2389922, IPC (2006.01) F16H 3/42, publ. 05/20/2010). In this gear transmission, bevel worms are able to slide freely along their own shafts without turning, and changing the gear ratio, that is, shifting one of the worms along the shaft, is carried out using an external mechanism.

Недостатками прототипа являются сложность изготовления и управления. Такое червячное зацепление позволяет плавно менять передаточное число только потому, что каждый из червяков имеет две степени свободы, но при этом реальный диапазон изменения передаточного числа оказывается недостаточным для прямого использования передачи, например, как трансмиссии автомобиля. Большой продольный ход на всю высоту конусов вращающихся червяков, увеличивает массу и размеры устройства, а также усложняет конструкцию. Наличие двух таких червяков ухудшает энергетику управления из-за удвоения эффекта «волчка» и необходимости подпора червяков пружинами для гарантии зацепления.The disadvantages of the prototype are the complexity of manufacturing and control. Such a worm gear allows you to smoothly change the gear ratio only because each of the worms has two degrees of freedom, but the actual range of change in the gear ratio turns out to be insufficient for direct use of the gear, for example, as a car transmission. The large longitudinal stroke over the entire height of the rotating worm cones increases the mass and size of the device, and also complicates the design. The presence of two such worms worsens the control energy due to the doubling of the “top” effect and the need to support the worms with springs to guarantee engagement.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении управления трансмиссией, повышении КПД, надежности и компактности устройства.The technical result of the proposed invention is to simplify transmission control, increase efficiency, reliability and compactness of the device.

Технический результат достигается тем, что базовый вариатор бесступенчатой трансмиссии, включающий корпус, входной и выходной валы, ведущий и ведомый зубчатые конические червяки с произвольным поперечным профилем, находящиеся между собой в зацеплении, установленные на скрещенных перпендикулярных валах так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено цилиндрическим вал-червяком, расположенным параллельно ведущему валу, и подвижным картриджем, установленным с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса, внутри картриджа расположен вал со спиннером и ведомым зубчатым коническим червяком, установленным с возможностью продольного скольжения по валу без проворачивания, при этом ведущий конический червяк выполнен как единое целое с входным валом трансмиссии и соединен зубчатой передачей через ведомый зубчатый конический червяк и спиннер с цилиндрическим вал-червяком, на конце которого жестко закреплена шестерня, связанная с водилом дифференциала трансмиссии.The technical result is achieved by the fact that the basic variator of a continuously variable transmission, including a housing, input and output shafts, drive and driven gear conical worms with an arbitrary transverse profile, meshed with each other, mounted on crossed perpendicular shafts so that the diameter and angle of inclination of the turns increases one worm corresponds to a reduction in the diameter and angle of inclination of the turns of the other worm, according to the invention, the device is additionally equipped with a cylindrical worm shaft located parallel to the drive shaft, and a movable cartridge installed with the possibility of lateral shift along the body; inside the cartridge there is a shaft with a spinner and a driven gear conical a worm installed with the possibility of longitudinal sliding along the shaft without turning, while the driving conical worm is made as a single unit with the input shaft of the transmission and is connected by a gear transmission through a driven gear conical worm and a spinner with a cylindrical worm shaft, at the end of which a gear connected with the transmission differential carrier.

Данный базовый вариатор позволит упростить управление трансмиссией, повысить ее КПД, надежность и компактность.This basic variator will simplify transmission control, increase its efficiency, reliability and compactness.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен базовый вариатор в составе бесступенчатой трансмиссии, на фиг. 2 - его фронтальный разрез в сечении I (исходное положение), на фиг. 3 - его фронтальный разрез в сечении II.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a basic variator as part of a continuously variable transmission; Fig. 2 - its frontal section in section I (initial position), in FIG. 3 - its frontal section in section II .

Устройство включает корпус 1, входной 2 и выходной 3 валы, ведущий 4 и ведомый 5 зубчатые конические червяки, цилиндрический вал-червяк 6, расположенный параллельно ведущему валу 2, и подвижный картридж 7, установленный с возможностью бокового сдвига вдоль корпуса 1. Внутри картриджа расположен вал 8 со спиннером 9 и ведомым зубчатым коническим червяком 5, установленным с возможностью продольного скольжения по валу 8 без проворачивания. При этом ведущий конический червяк 4 выполнен как единое целое с входным валом 2 трансмиссии и соединен передачей через ведомый зубчатый конический червяк 5 и спиннер 9 с цилиндрическим вал-червяком 6, на конце которого жестко закреплена шестерня 10, связанная с водилом 11 дифференциала трансмиссии. При этом дифференциал трансмиссии может быть, например, коническим или цилиндрическим с центральными колесами 12 и 13, а его водило может представлять собой парное к шестерне 10 цилиндрическое зубчатое колесо 11, в диске которого установлены оси 14 сателлитов.The device includes a housing 1, input 2 and output 3 shafts, a drive 4 and a driven 5 toothed conical worms, a cylindrical worm shaft 6 located parallel to the drive shaft 2, and a movable cartridge 7 installed with the possibility of lateral shift along the housing 1. Located inside the cartridge shaft 8 with a spinner 9 and a driven geared conical worm 5, installed with the possibility of longitudinal sliding along the shaft 8 without turning. In this case, the driving conical worm 4 is made as a single unit with the input shaft 2 of the transmission and is connected by transmission through a driven gear conical worm 5 and a spinner 9 with a cylindrical worm shaft 6, at the end of which a gear 10 is rigidly fixed, connected to the transmission differential carrier 11. In this case, the transmission differential can be, for example, bevel or cylindrical with central wheels 12 and 13, and its carrier can be a cylindrical gear 11 paired with gear 10, in the disk of which 14 satellite axes are installed.

Ведущий 4 и ведомый 5 зубчатые конические червяки выполнены с произвольным поперечным профилем и зацеплением между собой, установлены на скрещенных перпендикулярных валах 2 и 8 так, что увеличению диаметра и угла наклона витков одного червяка отвечает уменьшение диаметра и угла наклона витков другого червяка.The driving 4 and driven 5 gear conical worms are made with an arbitrary transverse profile and engagement with each other, mounted on crossed perpendicular shafts 2 and 8 so that an increase in the diameter and inclination angle of the turns of one worm corresponds to a decrease in the diameter and inclination angle of the turns of the other worm.

Базовый вариатор работает в составе бесступенчатой трансмиссии следующим образом.The basic variator works as part of a continuously variable transmission as follows.

Двигатель (на фиг. 1 не показан) вращает с угловой скоростью ω₂ (здесь и далее индексы соответствуют номеру элемента на фиг. 1) входной вал 2 и ведущий зубчатый конический червяк 4, который за счет зацепления передает вращение на ведомый зубчатый конический червяк 5, вал 8, спиннер 9 и цилиндрический вал-червяк 6. Жестко закрепленная на валу-червяке 6 шестерня 10 вращает водило 11 дифференциала трансмиссии. В базовом вариаторе ведущий зубчатый конический червяк 4 имеет одну степень свободы, а ведомый зубчатый конический червяк 5 три степени свободы в отличие от прототипа, у которого каждый червяк имеет две степени свободы, что в два раза снижает потери энергии на управление от эффекта «волчка». Изменение передаточного отношения происходит за счет сдвига картриджа 7 от исходного положения I (фиг.1, 2) вдоль корпуса 1. При этом ведомый зубчатый конический червяк 5 смещается вниз по валу 8 в такое положение, в котором условие сопряженности зацепления зубчатых конических червяков 4 и 5 выполняется автоматически. Оси вращения зубчатых конических червяков 4 и 5 скрещены перпендикулярно, поэтому работе без заклинивания отвечает условие: сумма углов подъёма их витков в точке контакта должна быть равна 90°. Для упрощения изготовления имеет смысл червяки делать одинаковыми по форме и размерам. В этом случае угол подъёма витка на нижнем основании конуса должен быть 54,74°, а на верхнем - 35,26°, а передаточное отношение вариатора будет изменяться в пределах от до .The engine (not shown in Fig. 1) rotates with an angular velocity ω ₂ (hereinafter the indices correspond to the element number in Fig. 1) the input shaft 2 and the driving geared conical worm 4, which, due to engagement, transmits rotation to the driven geared conical worm 5 , shaft 8, spinner 9 and cylindrical worm shaft 6. Gear 10, rigidly attached to worm shaft 6, rotates carrier 11 of the transmission differential. In the basic variator, the leading geared conical worm 4 has one degree of freedom, and the driven geared conical worm 5 has three degrees of freedom, unlike the prototype, in which each worm has two degrees of freedom, which halves the energy loss for control from the “top” effect . The change in the gear ratio occurs due to the shift of the cartridge 7 from the initial position I (Fig. 1, 2) along the housing 1. In this case, the driven geared conical worm 5 moves down the shaft 8 to a position in which the condition of conjugation of the engagement of the geared conical worms 4 and 5 is done automatically. The rotation axes of geared conical worms 4 and 5 are crossed perpendicularly, so operation without jamming meets the condition: the sum of the elevation angles of their turns at the point of contact must be equal to 90°. To simplify manufacturing, it makes sense to make the worms identical in shape and size. In this case, the helix angle at the lower base of the cone should be 54.74°, and at the upper base - 35.26°, and the variator gear ratio will vary from before .

В исходном положении I картриджа 7 ведомый зубчатый конический червяк 5 находится в верхнем положении (фиг. 1 и 2). Обозначим передаточные числа u зубчатых пар соответственно индексам элементов, то есть, например, у пары «шестерня 10 - водило 11» зубчатые пары соответствуют следующим обозначениям и равны u_10/11 = ω₁₀/ω₁₁= ). Тогда передаточное число от ведущего зубчатого конического червяка 4 до водила 11 дифференциала будет (u_4/5)×(u_9/6)×(u_10/11) = ×1,0× = 0,5, а ω₁₁= 0,5×ω₂. По правилу сложения скоростей в дифференциале ω₁₁ = 0,5×(ω₁₂+ ω₁₃), следовательно, в исходном положении картриджа 7 ω₁₃ = ω₃ = 0, и выходной вал 3 не вращается. В положении II картриджа 7 зубчатый конический червяк 5 находится в нижней позиции (фиг. 1, 3), при этом передаточное число равно (u_4/5)×(u_9/6)×(u_10/11) = ×1,0× = 1, то есть ω₁₁= ω₂, и выходной вал 3 вращается со скоростью входного вала 2: ω₃= ω₂.In the initial position I of the cartridge 7, the driven geared conical worm 5 is in the upper position (Fig. 1 and 2). Let us denote the gear ratios u of the gear pairs according to the indices of the elements, that is, for example, for the pair “gear 10 - carrier 11” the gear pairs correspond to the following designations and are equal to u _10/11 = ω ₁₀ /ω ₁₁ = ). Then the gear ratio from the leading gear bevel worm 4 to the differential carrier 11 will be (u _4/5 )×(u _9/6 )×(u _10/11 ) = ×1.0× = 0.5, and ω ₁₁ = 0.5×ω ₂ . According to the rule for adding speeds in the differential, ω ₁₁ = 0.5×(ω ₁₂ + ω ₁₃ ), therefore, in the initial position of the cartridge 7, ω ₁₃ = ω ₃ = 0, and the output shaft 3 does not rotate. In position II of the cartridge 7, the toothed conical worm 5 is in the lower position (Fig. 1, 3), and the gear ratio is equal to (u _4/5 ) × (u _9/6 ) × (u _10/11 ) = ×1.0× = 1, that is, ω ₁₁ = ω ₂ , and output shaft 3 rotates at the speed of input shaft 2: ω ₃ = ω ₂ .

В промежуточных положениях картриджа 7 скорость вращения выходного вала 3 плавно меняется от 0 до ω₂. При этом изменяющаяся скорость вращения ведомого зубчатого конического червяка 5, благодаря спиннеру 9 и вал-червяку 6, повторяется водилом 11 дифференциала независимо от местоположения картриджа 7.In intermediate positions of the cartridge 7, the rotation speed of the output shaft 3 smoothly changes from 0 to ω ₂ . In this case, the changing speed of rotation of the driven geared conical worm 5, thanks to the spinner 9 and the worm shaft 6, is repeated by the differential carrier 11, regardless of the location of the cartridge 7.

В автомобиле такая конструкция позволит исключить из трансмиссии гидротрансформатор с клиноременным вариатором или автоматическую коробку передач со сцеплением, вообще не менять скорость двигателя, стабилизировать её на экономически выгодном уровне, прямо использовать корпус картриджа 7 как педаль акселератора.In a car, such a design will make it possible to exclude a torque converter with a V-belt variator or an automatic transmission with a clutch from the transmission, not to change the engine speed at all, to stabilize it at an economically advantageous level, and to directly use the cartridge body 7 as an accelerator pedal.

Данный базовый вариатор по сравнению с прототипом позволит упростить управление трансмиссией, повысить ее КПД, надежность и компактность.This basic variator, compared to the prototype, will simplify transmission control, increase its efficiency, reliability and compactness.

Claims

A basic variator of a continuously variable transmission, including a housing, input and output shafts, driving and driven geared conical worms with an arbitrary transverse profile, meshed with each other, mounted on crossed perpendicular shafts so that a decrease in diameter is responsible for an increase in the diameter and inclination angle of the turns of one worm and the angle of inclination of the turns of another worm, characterized in that the device is additionally equipped with a cylindrical worm shaft located parallel to the drive shaft, and a movable cartridge installed with the possibility of lateral shift along the body; inside the cartridge there is a shaft with a spinner and a driven geared conical worm installed with the possibility of longitudinal sliding along the shaft without turning, while the driving bevel worm is made as a single unit with the input shaft of the transmission and is connected by a gear transmission through a driven gear bevel worm and a spinner with a cylindrical worm shaft, at the end of which a gear connected to the transmission differential carrier is rigidly fixed .