Вариатор — это особый вид механизма, предназначенный для плавного, бесступенчатого изменения передаточного отношения. В большинстве случаев основу вариатора составляет фрикционный механизм. Принцип его работы основан на изменении радиусов контакта взаимодействующих поверхностей вращающихся тел, что и позволяет плавно менять скорость вращения.
Основной принцип конструкции
Классический вариатор состоит из двух взаимодействующих тел вращения, например, конусов или цилиндров. Одно из этих тел может перемещаться относительно другого, обеспечивая внешний или внутренний контакт рабочих поверхностей. Для расширения функциональности и диапазона регулировок в конструкцию часто вводят промежуточное звено — ролик, кольцо или специальное колесо. Именно это звено перемещается в процессе настройки, в то время как ведущий и ведомый валы остаются на своих местах. Геометрия поверхностей и тип контакта (внешний или внутренний) определяют величину и даже направление передаточного отношения.
Разновидности и характеристики вариаторов
Конструктивно вариаторы могут быть выполнены в различных вариантах: с соосным вращением входного и выходного валов в одну или разные стороны, с взаимно перпендикулярными осями, а также с гибким промежуточным звеном. Типичный диапазон регулирования для таких механизмов составляет от 3 до 6, а коэффициент полезного действия достигает высоких значений — от 0.85 до 0.95.
В современной технике нашли применение несколько основных типов вариаторов:
- Волновой фрикционный
- Торовый
- Клиноременный
- Многодисковый
- Планетарный фрикционный
Волновой фрикционный вариатор
Этот тип представляет собой волновую передачу, где передаточное отношение регулируется за счет изменения разницы в длинах контактных дорожек между гибким и жестким колесами. Существует несколько конструктивных реализаций. Регулировка может осуществляться осевым перемещением гибкого конусного колеса, перемещением жесткого колеса или радиальным смещением роликов генератора волн, которые прижимают гибкое звено к жесткому. Ключевыми элементами такой системы являются жесткое колесо в виде конуса, гибкое конусное колесо и набор шаров или роликов, создающих волновое зацепление. Перемещая эти элементы, можно динамически менять рабочие диаметры и, как следствие, передаточное число.
Клиноременный вариатор
Пожалуй, самый известный тип, широко применяемый в автомобильных трансмиссиях. Его работа основана на взаимодействии клинового ремня или цепи с парой раздвижных шкивов. Изменение передаточного отношения происходит за счет плавного сдвигания или раздвигания конусов шкивов, что меняет эффективный радиус, на который наматывается ремень. Этот механизм отличается относительной простотой и обеспечивает высокую плавность хода.
Торовый и планетарный фрикционные вариаторы
Торовый вариатор — это соосный фрикционный механизм, в котором звенья имеют тороидальные (бубликообразные) рабочие поверхности. Он обеспечивает диапазон регулирования от 0.4 до 2.5 и исключительно высокий КПД — до 0.96.
Планетарный фрикционный вариатор построен по схеме планетарной передачи, но все зацепления в нем являются фрикционными. Особенность конструкции позволяет изменять положение осей вращения сателлитов в процессе работы, тем самым регулируя соотношение радиусов контакта. Ярким примером является вариатор конструкции Е. И. Пирожкова, представляющий собой симметричное соединение двух планетарных механизмов с фрикционными контактами во всех парах.