СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И НАГРУЗКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ И БЕССТУПЕНЧАТАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B61/06 

Изобретение относится к области транспорта и может быть применено в различных областях промышленности, для согласования самонастраивающихся механизмов трансмиссий самоходных машин, приводов технологических машин и станков и может быть использовано в автомобилестроении, в тракторостроении, в качестве автоматических вариантов для согласования мощностей дизельного двигателя и нагрузки и управления скоростью движения нагрузки.

Известны различные зубчатые передачи для ступенчатого изменения частоты вращения выходного вала, выполненные в виде коробок скоростей и применяющиеся в приводах металлорежущих станков, текстильных машин, в трансмиссиях в автомобильном, тракторном, сельскохозяйственном машиностроении (А.С. Антонов и др. Армейские автомобили. Конструкция и расчет, с. 173, 1970).

В таких передачах изменение частоты вращения выходного вала в зависимости от величины преодолеваемой полезной нагрузки осуществляется оператором переключением рукоятки, что является существенным их недостатком. Однако такие механические передачи имеют более высокий КПД, сравнительно низкую стоимость изготовления, они более удобны для технического обслуживания, чем автоматические гидродинамические гидрообъемные трансмиссии или бесступенчатые передачи со сложными электрическими преобразователями (В.А. Сотников. Новые тракторы и автомобили. М. Колос, 1983, с. 108-109).

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к техническому решению являются:
1. Способ согласования крутящих моментов двигателя и нагрузки механической передачи в бесступенчатой коробке передач (см. патент Германии N 458155).

Недостатком данного способа управления движением нагрузки является то, что он не является автоматическим.

2. Бесступенчатая автоматическая коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, механизм создания реактивного момента, в котором данный недостаток устраняется устройством, описанным в патенте США 34973295. В этом устройстве используются 6 датчиков, установленных на автомобильном двигателе, нагрузке и т.д., сигналы с которых выведены на компьютер, который и осуществляет согласование моментов двигателя и нагрузки путем управления скоростью вращения самотормозящегося червяка. Остальная конструкция соответствует вышеуказанной заявке Германии.

Недостатком этого технического решения является его высокая стоимость (система датчиков, компьютер), а также сложность системы управления и, как результат, относительно низкая надежность за счет повышенная вероятности отказов.

Задача изобретения заключается в упрощении конструкции, в повышении надежности работы автоматической бесступенчатой коробки передач, повышении КПД, срока службы (моторесурса), в значительной экономии топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Задача в заявленном способе согласования крутящих моментов двигателя и нагрузки механической передачи в бесступенчатой автоматической коробке передач достигается управлением реактивным моментом, возникающим в управляющем звене планетарной коробки, освобожденном от жесткой связи с корпусом за счет автоматического согласования передаточного числа между двигателем и нагрузкой с помощью упругой связи с корпусом.

Задача изобретения в части бесступенчатой автоматической коробки достигается за счет того, что бесступенчатая автоматическая коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, механизм создания реактивного момента снабжена двумя коническими коронными шестернями, сателлитами, упругим элементом, причем механизм создания реактивного момента выполнен в виде шестерни винтовой пары, втулки скольжения винтовой шестерни, винтового колеса, выполненного с возможностью передачи реактивного момента на упругий элемент, винтовое колесо жестко соединено с коронной шестерней, передающей управляющий момент от двигателя через сателлиты к нагрузке, а другая коронная шестерня установлена на выходном валу и жестко соединена с нагрузкой, а двигатель соединен с водилом.

Корпус коробки может быть выполнен составным.

Упругий элемент может быть выполнен электромагнитным, а также в виде электромагнитного двигателя.

На фиг. 1 изображен вид бесступенчатой автоматической коробки передач в продольном сечении А-А; на фиг. 2 - вид коробки в поперечном сечении В1-В1.

Бесступенчатая автоматическая коробка передач БАКП содержит двигатель 1, ведущий вал, выполненный в виде вала отбора мощности 2, крестовину водила 3, сателлиты водила 4, ось скольжения сателлитов (шип) 5, первую коническую коронную шестерню 6, жестко связанную с нагрузкой, вал коронной конической шестерни 7, жестко связывающий ее и нагрузку, нагрузка - сварочный электрогенератор 8, вторую коническую коронную шестерню 9 с венцом 9a, которая является первым винтовым колесом, зацепленным со вторым винтовым колесом 10, ось 11 для скольжения второго винтового колеса 10 вдоль нее, первую половину составного корпуса БАКП 12, вторую половину составного корпуса БАКП 13, цилиндрический полый корпус 14 для перемещения второго винтового колеса вдоль оси скольжения корпуса 14, венец первого винтового колеса 9a, полость масляной ванны 16, упругое тело (пружину) 17, рукоятку оси 18, мертвую зону (нейтраль) для ⊘D₂>⊘D₁ 19, подшипники 20.

Пример конкретной реализации способа.

1. При включенном силовом двигателе сигнал согласования параметров (M_дв. и M_наг.) двигателя и нагрузки проходит по цепочке: первую коронную шестерню, сопряженную с нагрузкой (дуговой электросварочный аппарат), обегает сателлиты водила и возбуждают реактивный момент, вращающий вторую коронную шестерню, конструктивно совмещающую в себе два функциональных назначения, обычную коронную шестерню и по своей окружности (венец) несущую винтовые зубья (первая винтовая шестерня), сопряженную со второй винтовой шестерней, способной перемещаться вдоль своей оси на величину Δl, нажатием педали, любым исполнительным механизмом или чувствительным упругим элементом. Поскольку каждое перемещение шестерни на величину n•Δl вдоль оси требует приложения силы F (окружной), изменяющей реактивный момент, M динамическое равновесие выравнивается вновь установившимся передаточным отношением i, соответствующим приложенной окружной силе F.

Таким образом, способ согласования M_дв. и M_наг. использует свойство восстановления динамического равновесия системы: двигатель (силовой), планетарная коробка передач сопряженная с нагрузкой (электросварочный генератор) путем внесением изменения окружной силы F, образующей реактивный момент M нагрузки автоматическим изменением передаточного отношения i.

Устройство, демонстрирующее способ согласования M_дв. и M_наг. в системе:
1. Силовой двигатель (ДВС).

2. Планетарная коробка передач, сопряженная с нагрузкой п.3.

3. Нагрузка (электрогенератор для дуговой сварки).

Устройство, демонстрирующее способ согласования M_дв. и M_наг., позволяет привести характеристики одного вида энергии к диапазонам, удобным для преобразования с минимальными потерями в другой потребляемый вид: N•ДВС/л.с.= M_дв.•n_об.=V•A_квт, где V•A_квт=N электрогенератора.

Система, состоящая из трех вышеперечисленных агрегатов 1;2;3, образует самонастраиваемую систему, использующую для этого свойства способа согласования M_дв. и M_наг., следующим образом.

Запущенный двигатель внутреннего сгорания через свой выходной вал вращает соединенное жестко с ним водило, сателлиты которого находятся в зацеплении с коронной шестерней, жестко соединенной с нагрузкой (генератором), а также эти сателлиты находятся в сопряжении своими зубьями (зацеплении) со звеном, в котором возбуждается реактивный момент. Так как при производстве сварочных работ M_наг превосходит M_дв. и сателлиты не могут без перестройки передаточного отношения i подтолкнуть ротор генератора с места и вращают реактивное коронное колесо, совмещающее две конструктивных функции: коническое коронное колесо и по своей окружности винтовое колесо, в свою очередь, совмещенное зацеплением с другим винтовым колесом, способным перемещаться вдоль своей оси под воздействием окружной силы F, оказывающей сопротивление вращению ротора генератора (нагрузки).

Коронное колесо своими винтовыми зубьями передвигает сопряженное (зацепленное) второе винтовое колесо как незакрепленную рейку вдоль своей оси на расстояние Δl или n•Δl пропорционально оказываемому упругим элементом противодействию до достижения динамического равновесия всей системы двигатель, планетарная коробка и нагрузка (генератор) за счет автоматически подстраиваемого передаточного числа i.

Одновременно перемещение вдоль оси несамотормозящегося винтового колеса дает команду увеличивать подачу топлива в камеры сгорания ДВС. Реактивный момент притормаживает любым способом, конструктивно удобным узлом: педалью, пневмогидравликой, магнитным полем или упругим элементом, пружиной или иным способом. Введение дополнительной силы ΔF в окружную силу F_м, образующую реактивный момент M_реак., заставляет систему двигатель-планетарная коробка скоростей-нагрузка (генератор) самонастраиваться автоматически, изменяя передаточное отношение i.

При реализации способа на автомобиле коробка передач работает следующим образом.

Работающий двигатель 1 вращает вал отбора мощности 2, жестко связанный с крестовиной водила 3. Сателлиты 4 водила 3 вращаются вокруг осей скольжения (шип 5) и находятся в зацеплении с первой конической шестерней 6, жестко связанной через вал 7 с нагрузкой 8 (колеса).

Симметричными зубьями сателлиты 4 водила 3 связывают первую коническую шестерню 6, вращающуюся через вал 7 нагрузку 8 со второй конической шестерней 9, имеющей жестко связанный с ней венец 9a первого винтового колеса. Первое винтовое колесо 9a, сопряженное зацеплением с несамотормозящимся вторым винтовым колесом 10, образуют несамотормозящуюся пару
Колесо 10 способно перемещаться вдоль оси скольжения 11 и воздействовать (давить или растягивать) на упругий элемент 17 (пружину 17, сжатый газ, жидкость, соленоид и т.д.). Сопротивление упругого элемента 17 породит реакцию торможения управляющего звена планетарного механизма. Элементы 9; 9a; 10; 11; 17 и 18, позволяют, так отрегулировать реактивный момент, что наступит динамическое равновесие между управляющим звеном (элементами 9; 9a; 10; 11; 17 и 18) и моментом "старта" нагрузки.

Для этого ось скольжения 11 поворотом против часовой стрелки выводится из фиксатора нейтрального положения (мертвой зоны-нейтраль 19) (фиксатор на чертеже не показан), пружина распрямляется, уравнивает линейные скорости винтовых колес и вводит их во взаимное зацепление. Сателлиты 4 водила 3 побегут по коронной конической шестерне 6, жестко связанной через вал 7 с неподвижной нагрузкой 8. Своей симметричной стороной сателлиты 4 передадут окружное усилие, (силу образующую сопротивление M_наг.) уменьшенное через i передаточным отношением винтовых колес 9a и 10. Своим модулем [F] окружное усилие воздействует на упругий элемент 17, автоматически устанавливая i системы двигатель-нагрузка, чем достигается динамическое равновесие, дающее старт.

Поскольку нагрузка "стартовала", обороты сателлитов 4 уменьшились, что повлекло за собой уменьшение оборотов второй коронной шестерни 9 и взаимодействующей с ней винтовой пары эл. 10; 9a. Уменьшилось давление (растяжение) на упругий элемент 17, установилось новое i.

Изменилась нагрузка и процесс вновь повторился.

При этом следует что, любое устройство для согласования момента двигателя с приведенным моментом нагрузки должно отвечать следующим требованиям:
1. Соответствие мощностей двигателя и нагрузки выражается через моменты формулой M_дв.=M_нгр.i.

2. Управление движением нагрузки, имеющей переменный момент, должно при условии M_дв. M_дв.ном. происходить путем изменения передаточного отношения i таким образом, чтобы при изменении момента нагрузки (M_нгр.) передаточное отношение автоматически изменилось.

Реализация этих условий возможна только в механизмах, позволяющих развязать по линейным скоростям двигатель и нагрузку, например, в планетарной передаче.

Отличием предлагаемого способа управления скоростью движения нагрузки от других способов и устройств, перечисленных выше, является то, что управляющее звено планетарной передачи/ или иной, позволяющей развязать по линейным скоростям двигатель и нагрузку, находится в зацеплении с несамотормозящейся передачей (червячной, винтовой и т.д.), исполнительный механизм которой, например несамотормозящийся винт, имеет через корпус машины упругую связь с нагрузкой, например с колесами автомобиля. В зависимости от требований упругая связь может быть либо прямо, либо обратно пропорциональной моменту нагрузки, что создает в системе "земля-нагрузка-двигатель" динамическое равновесие между движущим и реактивным моментами.

Применение для автоматического регулирования частоты вращения выходного вала саморегулируемых бесступенчатых механических передач нефрикционного типа является эффективным средством повышения производительности технологического обслуживания и улучшения основных эксплуатационных качеств самоходных машин.

Преимущества заявленного изобретения: увеличение моторесурса службы в 10 раз, т. к. в обычной рядной коробке в зацеплении участвует 1,5 зуба, а в планетарной системе 3 зуба, умноженные на число сателлитов, минимальный КПД планетарного механизма 97% против гидравлической системы, равной 82%. Технологичность изготовления предложенного механизма. Если в современных коробках число зубчатых пар достигает 24-х, то в планетарном механизме число пар не превышает 3-х, включая червяк.

Стоимость 5-ти ступенчатой рядной коробки модели "Форд-Сиера" триста сорок долларов, стоимость планетарного механизма с системой регулировки оборотов не превышает при поточном изготовлении ста шестидесяти долларов.

С учетом, что количество только ежегодно выпускаемого автотранспорта автомобилестроительными фирмами превышает тридцать миллионов единиц.

Экономический эффект замены рядных коробок на планетарные с постоянным зацеплением и бесступенчатой регулировкой составит в долларах США (340-160)•30•10= 180•30•10⁶= 5.4000000000$. Пять миллиардов четыреста миллионов долларов США.

Изобретение относится к области транспорта и может быть применено в различных областях промышленности, для согласования самонастраивающихся механизмов трансмиссий самоходных машин, приводов технологических машин и станков и может быть использовано в автомобилестроении. Изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить надежность работы механической автоматической бесступенчатой коробки передач, повысить КПД, срок службы (моторесурс), значительно сэкономить топливо. Способ достигается управлением реактивным моментом, возникающим в управляющем звене планетарной коробки, освобожденной от жесткой связи с корпусом за счет автоматического согласования передаточного числа между двигателем и нагрузкой с помощью упругой связи с корпусом. Операции заявленного способа реализованы автоматической бесступенчатой коробкой передач, содержащей две конические коронные шестерни, сателлиты, упругий элемент. Механизм создания реактивного момента выполнен в виде шестерни винтовой пары, втулки скольжения винтовой шестерни, винтового колеса, выполненного с возможностью передачи реактивного момента на упругий элемент. Винтовое колесо жестко соединено с коронной шестерней, передающей управляющий момент от двигателя через сателлиты водила к нагрузке, другая коронная шестерня установлена на выходном валу и соединена с нагрузкой. Двигатель соединен с водилом. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ согласования крутящих моментов двигателя и нагрузки механической передачи в бесступенчатой автоматической коробке передач, отличающийся тем, что согласование крутящих моментов двигателя и нагрузки механической передачи достигается управлением реактивным моментом, возникающим в управляющем звене планетарной коробки, освобожденном от жесткой связи с корпусом за счет автоматического согласования передаточного числа между двигателем и нагрузкой с помощью упругой связи с корпусом. 2. Бесступенчатая автоматическая коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, механизм создания реактивного момента, отличающаяся тем, что снабжена двумя коническими коронными шестернями, сателлитами, упругим элементом, причем механизм создания реактивного момента выполнен в виде шестерни винтовой пары, втулки скольжения винтовой шестерни, винтового колеса, выполненного с возможностью передачи реактивного момента на упругий элемент, винтовое колесо жестко соединено с коронной шестерней, передающей управляющий момент от двигателя через сателлиты к нагрузке, а другая коронная шестерня установлена на выходном валу и жестко соединена с нагрузкой, а двигатель соединен с водилом. 3. Бесступенчатая автоматическая коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным. 4. Бесступенчатая автоматическая коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен электромагнитным. 5. Бесступенчатая автоматическая коробка передач по п.2, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен в виде электромагнитного двигателя.