CZ2017245A3 - Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru - Google Patents

Abstract

Neohebné frikční členy tohoto CVT vytvářejí neozubené planetové soukolí, jehož vypružené satelity (1) mají tvar dvojkuželů. S nimi v záběru jsou symetrické dvojice zrcadlově navzájem posuvných centrálních kol (2) a v protisměru zrcadlově navzájem posuvných korunových kol (3). Posouváním se mění převod i vzdálenost satelitů (1) od osy CVT. Směr os satelitů (1) udržují na ně připevněná ozubená kolečka (9) zabírající s ozubenými hřebeny (8) připevněnými ke skříni CVT rovnoběžně s radiálními výřezy (5) ve stěnách nepohyblivé klece satelitů, určenými pro vyčnívající konce os. Kola centrální (2) i korunová (3) jsou opatřena obvodovými drážkami pro kuželové čepy (16) a (17) otočné v přesuvnících (13) nasazených na šrouby s pravým a levým závitem (14) a (15). Na ně jsou připevněna shodná ozubená kola (18) se šikmými zuby, která spoluzabírají v uzavřeném okruhu. Na jedno je napojeno externí ovládání převodu. Každý druhý šroub je zakončen drážkovým spojem pro axiální posun ozubeného kola, jehož náboj má zápich pro vidlici zařízení ovládajícího přítlak frikčních elementů.

Description

Předmět vynálezu patří mezi frikční spojitě měnitelné převody, nazývané variátory či převody CVT (z anglického označení Continuously Variable Transmission). V užším vymezení patří předmět vynálezu mezi variátory s neohebnými třecími členy.

Dosavadní stav techniky

Ve skupině spojitě měnitelných převodů s tuhými frikčními členy bylo uplatněno více principů, např. kladka na rovinném talíři, kladka na vnější kuželové ploše, věnec mezi dvěma navzájem obrácenými kužely, Koppův kuličkový variátor, ale rovněž variátory podle autorových PV 20004474, PV 2002-2548 a PV 2003-1788 a podle jeho patentu č. 305972. Na tento patent předkládaný vynález navazuje.

Vyráběny jsou i planetové CVT s tuhými frikčními členy, ale na rozdíl od uvedeného patentu vykazují výrazně větší třecí ztráty, a to zejména kvůli značně odlišným trajektoriím styčných plošek. Jejich kotoučové, mírně kónické satelity jsou silou pružin svírány na vnější straně mezi dva věnce statoru a na vnitřní straně mezi rotační čelisti na vstupním hřídeli. Výstupní hřídel je spojen s unášečem satelitů. Změna převodu se provádí posunem satelitů v radiálním směru. Nevýhodou těchto CVT je nízká účinnost a poměrně rychlé opotřebení třecích ploch.

Ze všech CVT s tuhými frikčními členy se nejvíce uplatnil toroidní CVT a jeho modifikace: semitoroidní a zvláště pak zdvojený semitoroidní. Jeho předností 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.

Mají-li však 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 a zemní stroje, kde by přitom spojitě měnitelný převod byl velmi žádoucí.

CVT podle patentu č. 305972 sice umožňuje přenos značných tečných sil, ale jeho problémem je nežádoucí vliv odstředivé síly na tlak ve válečcích, jejichž pístky posouvají proti sobě vnější třecí elementy (věnce) ve styku s dvojkužely. To je zdrojem nerovnováhy v systému pro nastavování převodového poměru, neboť tlak v systému pro posuv centrálních kladek ve styku s dvojkužely rychlostí rotace ovlivňován není. Nutná je tedy zpětnovazební kompenzace vlivu odstředivé síly. Kromě toho je nutno zajistit při axiálním posuvu věnců jejich trvalou kolmost k ose rotace, což vyžaduje složitější sériové propojení zmíněných válečků.

Neřešeným problémem CVT podle patentu č. 305972 je také statická neurčitost paralelně zapojených dvojkuželů ve styku s věnci a centrálními kladkami, která může způsobit nepřijatelnou nerovnoměrnost jejich zatížení.

Další nevýhodou řešení podle patentu č. 305972 je i uchycení dvojkuželů na kyvných ramenech. Uhel jejich vychýlení totiž ovlivňuje nežádoucím způsobem přítlačné síly dvojkuželů na věnce a centrální kladky.

Použití spojitě měnitelných převodů je poměrně časté ve skútrech a osobních automobilech. Pokud tyto CVT mají dobrou mechanickou účinnost, lze očekávat snížení spotřeby paliva, a to i

- 1 CZ 2017 - 245 A3 ve srovnání s převodovkou manuálně řazenou. Za pomoci vhodné automatické regulace lze totiž převodový poměr CVT měnit spojitě tak, že se pro výkon potřebný v dané jízdní situaci vybere právě ta kombinace točivého momentu a otáček motoru, která pro tento výkon vykazuje ve specifické spotřebě paliva nejmenší hodnotu.

Také akcelerační časy by u vozidla vybaveného 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 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 o dost 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.

Pro tato vozidla by bylo výhodné kombinovat CVT s diferenciálem tak, že vznikne neomezený převodový rozsah (Infinitely Variable Transmission - IVT). U něj lze tedy převodový poměr snížit až na nulu (neutrál), případně do záporných hodnot (zpátečka). Bohužel existující ířikční spojitě měnitelné převody nejsou schopny při rozumných rozměrech přenášet dostatečný výkon potřebný pro tyto a podobné aplikace.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody variátorů s tuhými frikčními členy jsou potlačeny planetovým spojitě měnitelným převodem s mechanickým ovládáním převodového poměru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že:

přesuvníky, které zajišťují zrcadlový axiální posun párových neozubených centrálních i korunových kol odvalujících se se po dojkuželových satelitech, jsou nasazeny na šrouby se závitem napůl pravým a napůl levým, přičemž šrouby pro vzájemné přiblížení centrálních kol sousedí v uzavřeném okruhu se šrouby pro vzájemné oddálení korunových kol (obráceným šroubováním se přibližování a vzdalování zamění), na nábojích neozubených kol centrálních i korunových jsou vytvořeny obvodové drážky pro kuželové čepy otočné v přesuvnících a přiléhající na příslušné boky drážek, osy dvojkuželových satelitů vyčnívající na obě strany jsou opatřeny ozubenými kolečky zabírajícími do ozubených hřebenů připevněných ke skříni CVT rovnoběžně s výřezy v ní vytvořenými, do kterých zapadají vyčnívající konce os satelitů, poddajným materiálem o velmi nízkém modulu pružnosti jev každém dvojkuželi vyplněn prostor mezi válcovým otvorem a v něm umístěnou trubkou menšího průměru, která je vybavena ložisky umožňujícími rotaci satelitu okolo osy volně procházející touto trubkou, na šrouby s pravým a levým závitem jsou připevněna shodná ozubená kola se šikmými zuby, která zabírají navzájem v uzavřeném okruhu, přičemž jedno z nich je napojeno na externí zařízení pro ovládání převodového poměru, na šroubech pro posun neozubených centrálních kol jsou ozubená kola připevněna bez možnosti osového pohybu, zatímco šrouby posun neozubených korunových kol jsou zakončeny drážkovým spojem pro axiální posun nasazených ozubených kol, jejichž náboje mají zápichy pro vidlice zařízení ovládajícího vzájemný přítlak frikčních elementů.

-2CZ 2017 - 245 A3

Kromě společných předností planetových CVT (zejména kompaktní stavba a velký přenášený moment) je výhodou CVT podle vynálezu vysoká účinnost a také jednoduché nastavování převodového poměru i přítlaku potřebného pro aktuální hodnotu přenášeného momentu.

Přenášený moment i výkon lze znásobit tím, že každé z obou centrálních kol bude složeno z pevného prostředního kotouče a z bočních kotoučů navzájem propojených čelními diferenciály a každé z obou korunových kol bude složeno z pevného prostředního disku a z bočních disků, rovněž navzájem propojených diferenciály, které zajišťují stejnou obvodovou rychlost.

Objasnění výkresů

Na obrázku 1 je axiální řez A-A skříní planetového CVT, ve kterém je znázorněn mechanismus pro zrcadlový a protisměrný přesun korunových kol a centrálních kol v kontaktu s dvoj kuželovým i satelity a také opatření umožňující radiální přesun satelitů při změně převodového poměru. Dále je na obr. 1 znázorněno jedno ze spoluzabírajících ozubených kol nasazených na šroubech s pravým a levým závitem. Tato kola zajišťují rovnoběžný přesun korunových kol i centrálních kol při změně převodového poměru.

Na obrázku 2 je příčný řez B-B, ve kterém je vidět záběr ozubených hřebenů s ozubenými kolečky na koncích os dvojkuželových satelitů, které jsou takto nuceny přesouvat se při změně převodového poměru rovnoběžně v příslušných drážkách. Zřejmý je na tomto obrázku tvar stojin klece satelitů (v řezu) a také umístění šroubů a vodicích kolíků v přesuvnících centrálních i korunových kol.

Na obrázku 3 je příčný řez C-C klecí satelitů s připevněnými ozubenými hřebeny.

Příklad uskutečnění vynálezu

Jak je z obrázků zřejmé, jsou tuhé frikční členy tohoto CVT uspořádány jako planetové čelní soukolí, jehož neozubené satelity 1 mají tvar dvojkuželů. S nimi v záběru jsou neozubená centrální kola 2 a neozubená korunová kola 3. Centrální kola 2 jsou v axiálním směru zrcadlově posuvná v drážkách vstupního hřídele 4. Korunová kola 3 jsou rovněž v axiálním směru zrcadlově posuvná na kluzných vodicích tyčích 10, ale jsou vůči centrálním kolům posuvná protisměrně (když se ty k sobě přibližují, tak se korunová kola od sebe vzdalují).

Protisměrný pohyb korunových kol a centrálních kol vyžaduje změnu vzdálenosti satelitů 1 od osy CVT. To je umožněno radiálními výřezy 5 ve stěnách klece 6, která nese satelity 1 a je součástí skříně 7.

O boky těchto výřezů 5 se při přesunu opírají hřídele satelitů 1, a to bez nežádoucího vlivu na přítlačné síly mezi frikčními členy (vliv by mělo např. klikové zavěšení).

Zachování rovnoběžnosti os satelitů 1 s osou hřídele 4 při jejich radiálním posuvu je zajištěno ozubenými hřebeny 8, s nimiž jsou v záběru ozubená kolečka 9 připevněná na vyčnívající hřídele satelitů 1.

Statickou neurčitostí způsobené nerovnoměrné zatížení paralelně zapojených a rozměrově se vždy navzájem trochu lišících frikčních elementů je zmírňováno gumovými trubičkami navulkanizovanými ve válcových dutinách dvojkuželů na jejich trubky menšího průměru vybavené valivými ložisky umožňujícími rotaci satelitů 1 okolo os volně procházejících těmito trubkami.

-3 CZ 2017 - 245 A3

Z korunových kol 3 je točivý moment přenášen prostřednictvím kluzných vodicích tyčí 10 na buben 13 a z něj na hřídel 12.

Změny převodového poměru se dosahuje přibližováním korunových kol 3 k sobě při současném vzdalování centrálních kol 2 od sebe (a naopak). K tomu slouží přesuvníky 13 na šroubech 14 a 15 opatřených pravým a levým závitem. Přesuvníky 13 jsou vybaveny kuželovými čepy 16 a 17 otočnými na valivých ložiskách. Cepy 16 jsou v záběru s boky obvodových drážek v nábojích centrálních kol 2 a čepy 17 se odvalují po bocích obvodových drážek v korunových kolech 3. Čepy mají v obvodových drážkách potřebnou vůli.

Jestliže po zvyšování převodového poměru je náhle požadováno jeho snižování (či naopak), přitisknou se čepy 16 a 17 na protější boky obvodových drážek a obrátí se jejich rotace. Nutně tedy dojde k prokluzu. Moment setrvačnosti čepů a částí s nimi rotujících je však velmi malý, takže prokluzová fáze je krátká a opotřebení je minimální.

Na šrouby 14 a 15 s pravým a levým závitem jsou vně skříně 7 (a klece 6) připevněna shodná ozubená kola 18 se šikmými zuby, která zabírají navzájem v uzavřeném okruhu, přičemž jedno z nich je napojeno na externí zařízení pro ovládání převodového poměru.

Na šroubech 15 jsou ozubená kola připevněna bez možnosti osového pohybu, zatímco šrouby 14 jsou zakončeny drážkovým spojem pro axiální posun nasazených ozubených kol, jejichž náboje mají zápichy pro vidlice zařízení ovládajícího vzájemný přítlak frikčních elementů.

Axiálním posunem se kolo vlivem svého šikmého ozubení pootočí a s ním i šroub 14 s pravým a levým závitem. Tím se pohnou přesuvníky korunových kol, zatímco sousední šroub 15 ovládající posun centrálních kol se nepohne. Tímto způsobem se vnese mezi frikční elementy předpětí.

Důvodem uvedeného řízení přítlaku je vyhnout se zbytečnému namáhání za nízkých hodnot přenášeného momentu, které by navíc bylo provázeno většími energetickými ztrátami.

U frikčních převodů by v zájmu minimálních energetických ztrát prokluzem neměly pohyby kontaktních bodů na tuhých frikčních členech mít ve styčné plošce příliš odlišné trajektorie a sousedící kontaktní body by neměly mít v reálné styčné plošce příliš odlišný poměr obvodových rychlostí (převodový poměr). Kromě toho by přítlačné síly na frikční členy neměly jít přes ložiska, aby nezhoršovaly jejich životnost a nesnižovaly celkovou účinnost.

U planetového CVT podle tohoto příkladu je minimalizována odlišnost trajektorií styčných bodů na tuhých frikčních členech tím, že osy satelitů 1, centrálních kol 2 a korunových kol 3 jsou rovnoběžné. Obvodové frikční plochy na centrálních kolech mají stejnou kuželovitost jako vnitřní frikční plochy korunových kol 3 i jako satelity 1_. Všechny frikční členy mají rovnoběžné osy rotace a jejich přítlačné síly se díky symetrickému uspořádání navzájem kompenzují, takže nejdou přes ložiska.

Průmyslová využitelnost

CVT podle vynálezu výrazně umožní řešit spojitou změnu převodu s vysokou účinností i pro velké přenášené výkony, a to s předpokladem nadstandardní životnosti.

Pochopitelně najde CVT podle vynálezu dobré uplatnění i tam, kde se dosud užívá řetězových spojitě měnitelných převodů, či článkových tlačných CVT (osobní automobily), nebo variátorů klínořemenových, jako např. u mopedů, skútrů, sněžných skútrů, obilních kombajnů apod.

-4CZ 2017 - 245 A3

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (6)

1. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že přesuvníky (13), které zajišťují zrcadlový axiální posun párových neozubených centrálních i korunových kol odvalujících se se po dojkuželových satelitech, jsou nasazeny na šrouby (14) a (15) se závitem napůl pravým a napůl levým, přičemž šrouby (15) pro vzájemné přiblížení centrálních kol sousedí v uzavřeném okruhu se šrouby (14) pro vzájemné oddálení korunových kol (obráceným šroubováním se přibližování a vzdalování zamění).

2. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že na nábojích jeho neozubených kol centrálních i korunových jsou vytvořeny obvodové drážky pro kuželové čepy (16) a (17) otočné v přesuvnících (13) a přiléhající na příslušné boky obvodových drážek.

3. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že osy dvojkuželových satelitů vyčnívající na obě strany jsou opatřeny ozubenými kolečky (9) zabírajícími do ozubených hřebenů (8) připevněných ke skříni CVT rovnoběžně s radiálními výřezy (5) v ní vytvořenými, do kterých zapadají vyčnívající konce os satelitů.

4. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že poddajným materiálem o velmi nízkém modulu pružnosti je v každém dvojkuželi vyplněn prostor mezi válcovým otvorem a v něm umístěnou trubkou menšího průměru, která je vybavena ložisky umožňujícími rotaci satelitu okolo osy volně procházející touto trubkou.

5. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že na šrouby s pravým a levým závitem jsou připevněna shodná ozubená kola (18) se šikmými zuby, která zabírají navzájem v uzavřeném okruhu, přičemž jedno z nich je napojeno na externí zařízení pro ovládání převodového poměru.

6. Planetový spojitě měnitelný převod s mechanickým ovládáním převodového poměru vyznačující se tím, že na šroubech (15) jsou ozubená kola připevněna bez možnosti osového pohybu, zatímco šrouby (14) jsou zakončeny drážkovým spojem pro axiální posun nasazených ozubených kol, jejichž náboje mají zápichy pro vidlice zařízení ovládajícího vzájemný přítlak frikčních elementů.

3 výkresy