АВТОМАТИЧЕСКАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2001 года по МПК F16H33/14 F16H3/74 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортном машиностроении и станкостроении.

Известна инерционная автоматическая бесступенчатая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, состоящее из ведущего и опорного элементов, механически взаимодействующих при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены при помощи водила на валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, один из концевых валов которого связан с инерционным тормозным устройством, два других - с входным и выходным валами (патент РФ N 2072718, МПК F 16 H 33/10, F 16 H 3/74, 1997 г.).

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленной передаче является автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, содержащее ведущий и опорный элементы, механически взаимодействующих при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены на ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, водило которого закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей, на которых установлены с возможностью вращения сателлиты, которые входят в зацепление с размещенными по разные стороны от указанных радиальных осей центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий вращающий момент, а второе центральное колесо закреплено на выходном валу, полый ведущий вал инерционного тормозного устройства установлен коаксиально с входным валом (патент РФ N 2109188, МПК F 16 H 33/10, 3/74, 1998 г.).

У этой автоматической бесступенчатой механической передачи верхним пределом повышения частоты вращения выходного вала является режим работы при неподвижном ведущем элементе инерционного тормозного устройства, когда инерционные грузы на своем водиле и вместе с ним не вращаются и не передают на первое центральное колесо дифференциала тормозящий момент силы. При этом не передается вращающий момент и на выходной вал. С уменьшением частоты вращения водила инерционных грузов и приближения к указанному верхнему пределу частоты вращения выходного вала соответственно уменьшается КПД и эффективность использования мощности применяемого двигателя.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в автоматическом бесступенчатом изменении передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу, осуществлении возможности передачи вращающего момента при неподвижном водиле инерционного тормозного устройства и при равной частоте вращения выходного и входного валов, создании максимального по величине вращающего момента на неподвижном (заторможенном нагрузкой) выходном валу при отсутствии при этом угрозы остановки двигателя, возможности автоматического торможения рабочей машины при помощи выключенного двигателя (например, при движении машины под уклон) и запуска двигателя с применением буксировки машины. При этом обеспечивается оптимальное использование мощности двигателя с высокими показателями КПД, экономное расходование моторного топлива и уменьшение в связи с этим вредного экологического воздействия на окружающую среду применяемых двигателей внутреннего сгорания. Одновременно с этим упрощается управление транспортной машиной и уменьшается износ двигателя и трансмиссии в связи с плавным приложением нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая бесступенчатая механическая передача содержит соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. Инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное опорное колесо, механически взаимодействующее с сателлитами и жестко соосно связанными с ними инерционными грузами в виде маховиков, размещенными на радиальных осях водила, которое закреплено на установленном коаксиально с входным валом полом ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом. У дифференциала один из концевых валов является ведущим валом инерционного тормозного устройства, а два других концевых вала являются соответственно входным и выходным валами передачи. Сателлиты дифференциала входят в зацепление с размещенными по разные стороны от радиальных осей водила дифференциала коническими зубчатыми центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы.

Согласно изобретению параллельно оси передачи в корпусе передачи установлен опорный вал, на котором закреплено два зубчатых колеса, одно из которых введено в зацепление с зубчатым колесом, закрепленном на входном валу, а другое колесо - с зубчатым колесом, жестко соосно связанным с опорным колесом при помощи установленного коаксиально с входным валом полого промежуточного вала с обеспечением постоянного вращения этого опорного колеса в направлении вращения входного вала и с большей по сравнению с ним частотой. Другое центральное колесо дифференциала закреплено на входном валу передачи. Водило дифференциала закреплено на выходном валу передачи.

Каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего и внутреннего относительно оси передачи, которые находятся в зацеплении соответственно с разными центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны.

Как частный случай устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении одновременно с обоими центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами одинаковы.

Как частный случай устройства, каждый сателлит инерционного тормозного устройства и маховик выполнены как единая деталь в виде массивного сателлита.

Входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу.

На чертеже дан общий вид автоматической бесступенчатой механической передачи (далее - "передача") с показом всех ее элементов и отличительных признаков, характеризующих изобретение.

Передача содержит соосные входной 1 и выходной 2 валы, инерционное тормозное устройство, дифференциал и механизм свободного хода (МСХ).

Инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное опорное колесо 3, механически взаимодействующее при помощи сателлитов 4 с жестко соосно связанными с этими сателлитами инерционными грузами в виде маховика 5, размещенными вместе с сателлитами на радиальных осях 6 водила, которое закреплено на установленном коаксиально с входным валом 1 полом ведущем валу 7 инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом. Параллельно оси О-О передачи в корпусе 8 передачи установлен опорный вал 9, на котором закреплено два зубчатых колеса 10 и 11, одно из которых 10 введено в зацепление с зубчатым колесом 12, закрепленном на входном валу 1, а другое колесо 11 находится в зацеплении с зубчатым колесом 13, жестко соосно связанным с опорным колесом 3 при помощи установленного коаксиально с входным валом 1 полого промежуточного вала 14 с обеспечением постоянного вращения опорного колеса 3 в направлении вращения входного вала 1 и с большей по сравнению с ним частотой, что обеспечивается соответствующими передаточными отношениями находящимися в зацеплении парами колес 12, 10 и 11, 13.

Дифференциал содержит первое 15 и второе 16 конические зубчатые центральные колеса, водило 17 с радиальными осями 18 и размещенные на этих осях сателлиты 19, 20. Один из концевых валов 7 дифференциала жестко соединен с первым центральным колесом 15, является ведущим валом инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы. Другой концевой вал 1 дифференциала является входным валом передачи и на нем закреплено второе центральное колесо 16. Третий концевой вал 2 дифференциала является выходным валом передачи и на нем закреплено водило 17 дифференциала. Первое 15 и второе 16 центральные колеса дифференциала размещены соответственно по разные стороны от радиальных осей 18 водила дифференциала и находятся в зацеплении с размещенными на этих осях сателлитами 19, 20.

Как частный случай устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего 19 и внутреннего 20 относительно оси О-О передачи, которые находятся порознь в зацеплении соответственно с первым 15 и вторым 16 центральными колесами дифференциала. При этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны.

Как частный случай устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении одновременно с обоими центральными колесами 15 и 16 дифференциала. При этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами одинаковы.

Как частный случай устройства, каждый сателлит 4 инерционного тормозного устройства и маховик 5 выполнены как единая деталь в виде массивного сателлита.

Входной 1 и выходной 2 валы связаны между собой при помощи механизма свободного хода 21, ведущая обойма которого закреплена на выходном валу 2, а ведомая обойма - на входном валу 1.

Линия О₁-О₁ радиальных осей 6 водила инерционного тормозного устройства и ось О-О передачи пересекаются в центральной точке О¹.

Автоматическая бесступенчатая механическая передача работает следующим образом.

При вращении входного вала 1 вместе с установленным на нем вторым центральным колесом дифференциала 16 и неподвижном выходном вале 2 с установленным на нем водилом 17 дифференциала в связи с приложенной к этому валу нагрузкой или началом вращения из неподвижного положения, сблокированные сателлиты 19, 20 дифференциала приводятся во вращение на неподвижных радиальных осях 18 водила дифференциала в связи с тем, что второе центральное колесо 16 дифференциала находится в зацеплении с внутренним колесом 20 блока сателлитов дифференциала. При этом внешнее колесо 19 этого блока сателлитов приводит во вращение находящееся с ним в зацеплении первое центральное колесо 15 дифференциала и жестко связанные с ним ведущий вал 7 и водило с радиальными осями 6 инерционного тормозного устройства. Это вращение осуществляется в данном случае с максимальной частотой в связи с неподвижным положением осей 18 водила 17 дифференциала и в противоположном направлении по сравнению с вращением входного вала 1. В свою очередь опорное колесо 3 посредством связанных с входным валом 1 двух пар зубчатых колес 12, 10 и 11, 13 приводится во вращение в одном направлении с вращением входного вала. При этом благодаря соответствующим передаточным отношением указанных двух пар зубчатых колес частота вращения опорного колеса 3 превышает частоту вращения входного вала 1.

Вращающееся опорное колесо 3 приводит во вращение находящиеся с ним в зацеплении сателлиты 4 и сблокированные с ним маховики 5 относительно линии оси О₁-О₁ водила инерционного тормозного устройства. Частота вращения опорного колеса 3 определяется частотой вращения входного вала 1 и совокупными передаточными отношениями пар колес 12, 10 и 11, 13, которые, как указано выше, обеспечивают увеличение частоты вращения опорного колеса. В связи с вращением в данном случае (при неподвижном выходном вале 2) радиальных осей 6 водила инерционного тормозного устройства с максимальной частотой и в противоположном направлении относительно входного вала 1, сателлиты 4 и маховики 5 инерционного тормозного устройства совершают вращение одновременно вокруг оси О-О передачи и оси О₁-О₁ водила, а следовательно, относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей, также с максимальной частотой.

Известно, что вращающееся тело имеет определенный момент количества движения, который проявляется с соблюдением фундаментального всеобщего физического закона сохранения, согласно которому момент количества движения может быть изменен только под действием внешних сил. Известно также, что момент количества движения при вращении тела относительно точки является векторной величиной и направление вектора совпадает с направлением оси вращения непосредственно тела, в данном случае с направлением оси О₁-О₁ водила инерционного тормозного устройства, перпендикулярной оси О-О передачи. Но поскольку ось О₁-О₁ водила совершает вращение вокруг оси О-О передачи и относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей, направление векторов моментов количества движения сателлитов и маховиков постоянно изменяется.

Известно, что действия над векторами являются отражением соответствующих действий над векторными величинами, а векторные величины являются равными, если совпадают их числовые значения и направления. Исходя из этого, при указанном выше вращении сателлитов и маховиков относительно двух осей одновременно их моменты количества движения принудительно изменяются под воздействием в конечном итоге от вращающего момента, передаваемого входным валом 1, и момента сопротивления, приложенного к выходному валу 2. Проявление при этом закона сохранения противодействует вращению осей 6 водила инерционного тормозного устройства вокруг оси О-О передачи, которые стремятся сохранить свое стабильное положение. Возникающий при этом тормозящий момент силы посредством ведущего вала 7 инерционного тормозного устройства передается на первое центральное колесо 15 дифференциала, что обеспечивает передачу вращающего момента от входного вала 1 и второго центрального колеса 16 на водило 17 дифференциала и далее на выходной вал 2. При этом внешней опорой для торможения радиальных осей 6 инерционного тормозного устройства и первого центрального колеса 15 дифференциала и обеспечения при этом передачи и преобразования вращающего момента является корпус передачи 8, в котором установлен опорный вал 9. Эта зависимость обусловлена тем, что создание и изменение моментов количества движения маховиков 5 и сателлитов 4 инерционного тормозного устройства обеспечивается за счет вращения опорного колеса 3 в противоположном направлении по сравнению с входным валом 1, что достигается применением установленного в корпусе передачи 8 опорного вала 9, передающего вращающий момент от входного вала на опорное колесо.

В зависимости от передаточных отношений применяемых пар колес 16, 20 и 15, 19, входящих соответственно в состав блока сателлитов и относящихся к центральным колесам дифференциала, а также благодаря суммированию на водиле 17 дифференциала вращающих моментов, приложенных к центральным колесам 15, 16 дифференциала, обеспечивается возможность передачи на выходной вал 2 большего по величине вращающего момента по сравнению с вращающим моментом на входном валу передачи.

Автоматическое трансформирование передаваемого вращающего момента и частоты вращения в зависимости от нагрузки на выходном валу 2 обеспечивается возможностью изменения момента торможения, передаваемого от инерционного тормозного устройства на первое центральное колесо 15 дифференциала. Величина этого момента торможения зависит от совокупной массы сателлитов 4 и маховиков 5 и частоты их вращения одновременно вокруг оси О₁-О₁ водила инерционного тормозного устройства и оси О-О передачи, а совокупно - относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей. В свою очередь частота этих вращений при неизменной частоте вращения входного вала 1 находится в обратной зависимости от частоты вращения водила 17 дифференциала и жестко связанного с ним выходного вала 2. Отсюда следует вывод, что величина создаваемого инерционным тормозным устройством тормозящего момента, а следовательно, и величина передаваемого на выходной вал вращающего момента зависит от величины разности в частотах вращения входного 1 и выходного 2 валов. Исходя из сказанного следует, что максимальная величина передаваемого вращающего момента будет при неподвижном (заторможенном нагрузкой) выходном вале 2, поскольку при этом маховики 5 и сателлиты 4 инерционного тормозного устройства вращаются относительно центральной точки О¹ с максимальной частотой. Неподвижность выходного вала 2 не приводит к остановке применяемого двигателя в связи с отсутствием жесткой связи между входным 1 и выходным 2 валами.

В связи с вращением опорного колеса 3 с большей частотой по сравнению с входным валом 1 инерционное тормозное устройство передает на первое центральное колесо 15 дифференциала тормозящий момент силы при любых режимах работы, в том числе при одинаковой частоте вращения входного 1 и выходного 2 валов, а также при неподвижных осях 6 водила, поскольку при любом из этих режимов работы обеспечивается вращение маховиков 5 и сателлитов 4 инерционного тормозного устройства относительно центральной точки О¹.

Подтверждением сказанному является известное свойство гироскопа (волчка) устойчиво сохранять направление оси своего вращения и противодействовать повороту этой оси.

В частном случае выполнения передачи, когда каждый из сателлитов дифференциала выполнены из одного зубчатого колеса, входящего в зацепление одновременно с обоими центральными колесами 15, 16, упрощается устройство, однако уменьшается степень изменения передаваемого вращающего момента в связи с равенством в передаточных отношениях между каждым центральным колесом и сателлитом.

Выполнение сателлитов и маховиков инерционного тормозного устройства в виде единой детали упрощает устройство передачи.

При необходимости передачи вращающего момента и вращения от выходного вала 2 на входной вал 1 с целью торможения рабочей машины, работа двигателя прекращается. При этом под воздействием вращающего момента, передаваемого от выходного вала на входной вал, происходит замыкание механизма свободного хода 21, который обеспечит передачу потока мощности от выходного вала на входной вал и далее - на двигатель, принудительное вращение вала которого приводит к торможению рабочей машины. Таким же образом обеспечивается запуск двигателя с применением буксировки рабочей машины, что может иметь место в зимнее время, при разряженных аккумуляторах, неисправном стартере и др.

Изобретение относится к машиностроению, транспортному машиностроению, станкостроению. Передача содержит соосные входной (1) и выходной (2) валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. Инерционное тормозное устройство содержит опорное колесо (3), введенное в зацепление с сателлитами (4), которые сблокированы с инерционными грузами в виде маховиков (5) и установлены на ведущем валу (7), который размещен коаксиально с входным валом (1) и несет первое центральное колесо (15) дифференциала. Колесо (3) при помощи коаксиального с входным валом (1) промежуточного вала (14), установленного в корпусе (8) передачи, опорного вала (9) и с применением двух пар зубчатых колес (12, 10 и 11, 13) связано с входным валом (1) с возможностью вращения с большей частотой по сравнению с частотой вращения входного вала. На входном валу установлено второе центральное колесо (16) дифференциала. Сателлиты дифференциала выполнены в виде размещенных на радиальных осях (18) водила (17) сблокированных внешнего (19) и внутреннего (20) относительно оси O-O передачи колес, которые порознь введены в зацепление соответственно с первым (15) и вторым (16) центральными колесами дифференциала, водило 17 которого установлено на выходном валу (2). Изобретение позволяет автоматически изменять в широком диапазоне, с высоким КПД и при любых режимах работы передаваемый вращающий момент и частоту вращения выходного вала в зависимости от нагрузки на нем. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал, инерционное тормозное устройство содержит зубчатое коническое центральное опорное колесо, механически взаимодействующее с сателлитами и жестко соосно связанными с ними инерционными грузами в виде маховиков, размещенными на радиальных осях водила, которое закреплено на установленном коаксиально с входным валом полом ведущим валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, у дифференциала один из концевых валов является ведущим валом инерционного тормозного устройства, а два других концевых вала являются соответственно входным и выходным валами передачи, сателлиты дифференциала входят в зацепление с размещенными по разные стороны от радиальных осей водила дифференциала коническими зубчатыми центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий момент силы, отличающаяся тем, что параллельно оси передачи в корпусе передачи установлен опорный вал, на котором закреплено два зубчатых колеса, одно из которых введено в зацепление с зубчатым колесом, закрепленным на входном валу, а другое колесо - с зубчатым колесом, жестко соосно связанным с опорным колесом при помощи установленного коаксиально с входным валом полого промежуточного вала с обеспечением постоянного вращения этого опорного колеса в направлении вращения входного вала и с большей по сравнению с ним частотой, другое центральное колесо дифференциала закреплено на входном валу передачи, а водило дифференциала закреплено на выходном валу передачи. 2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух конических зубчатых колес - внешнего и внутреннего относительно оси передачи, которые находятся в зацеплении соответственно с разными центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения этих зацепляющихся пар колес различны. 3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, каждый из сателлитов дифференциала выполнен из одного конического зубчатого колеса, находящегося в зацеплении с обоими центральными колесами дифференциала, при этом передаточные отношения между сателлитами и находящимися с ними в зацеплении центральными колесами одинаковы. 4. Передача по п.1, отличающаяся тем, что, как частный случай выполнения, каждый сателлит инерционного тормозного устройства и маховик выполнены как единая деталь в виде массивного сателлита. 5. Передача по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу.