УНИВЕРСАЛЬНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ГОЛОНОМНАЯ ЧАСТЬ ПЕРЕДАЧИ С БЕССТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА (И ЕЕ ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК B60K17/16 B60K17/10 

Изобретение относится к универсальной механическая голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента и может быть использовано в станкостроении, машиностроении, в транспортных средствах, в других объектах и системах, где используют автоматическое или принудительное плавное изменение частоты вращения выходного (ведомого) вала в зависимости от момента нагрузки на нем при постоянной или переменной частоте вращения входного (ведущего) вала.

Универсальная механическая голономная часть передачи может быть использована в прокатных станах, буровых установках, при электрификации железных дорог на переменном токе, а также в качестве привода постоянной частоты вращения для обеспечения параллельной работы авиационных и других генераторов переменного тока, работающих от разных приводов.

Известна передача с фрикционным вариатором, раскрытая в кн. Пронина Б.А. , Ревкова Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи, М.: Машиностроение, 1980 г., с. 290, рис. 178.

Недостатками известного технического решения являются большие давления на валы и опоры, связанные с использованием сил трения для передачи момента, нежесткость характеристики передачи, малая долговечность и низкий КПД за счет скольжения в зонах контакта, ограничения по передаваемой мощности.

Известна передача с импульсным вариатором, описанная в кн. Мальцева В.Ф. Механические импульсные передачи, М.: Машиностроение, 1978 г., с. 39, рис. 32).

Недостатки передачи: неравномерность хода выходного вала, низкая долговечность, связанная с использованием роликовых муфт свободного хода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является электромеханическая передача Э.К. Короткова с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия, механическая голономная часть которой включает выходной вал, вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами и связанный с ним входной вал, в котором на осях, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала сателлиты планетарной передачи, причем сателлиты, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом, закрепленным на эпицикле дифференциального механизма, содержащего водило, на осях которого установлены сателлиты, связывающие эпицикл и солнечное колесо, причем солнечное колесо закреплено на валу, предназначенном для соединения с внешними устройствами, а сателлиты планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала, кинематически соединены с выходным валом (см. патент РФ N 2053895, кл. B 60 K 17/12, 1993 г.).

Известная конструкция содержит второй дифференциальный механизм, который связан с первым планетарной передачей с определенным передаточным отношением, причем водила двух дифференциальных механизмов жестко связаны между собой.

Недостатками известной конструкции являются:
- необходимость постоянного зубчатого зацепления на выходном валу, что значительно снижает КПД передачи;
- возникновение дополнительных потерь передачи за счет того, что в режиме прямой передачи все звенья передачи относительно своих осей и друг друга остановлены, т.е. организован как бы сплошной вал, однако водила дифференциальных механизмов, жестко сидящие на одном валу, обкатываются по неподвижным солнечным колесам и вращаются с частотой, несколько меньшей, чем частота вращения двигателя и выходного вала (которые в режиме прямой передачи равны).

Техническими задачами, решаемыми предлагаемой универсальной голономной передачей с бесступенчатым изменением крутящего момента являются:
- упрощение конструкции передачи за счет исключения дифференциального механизма на выходном валу, что уменьшает стоимость и массу передачи;
- повышения КПД за счет исключения необходимости зубчатого зацепления на выходном валу, блокирования солнечного колеса дифференциального механизма на стойку;
- исключение необходимости применения такого неприятного узла как сцепление или других фрикционов, например, в гидропередаче;
- обеспечение бесступенчатого получения частоты вращения выходного вала больше, чем частота вращения входного вала. В настоящее время это достигают использованием одной или нескольких дополнительных ступенчатых передач;
- возможность бесступенчатого изменения передаточных чисел как автоматически, так и принудительно.

Технический результат в предлагаемой конструкции достигают созданием универсальной механической голономная части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающей выходной вал, вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами, и связанный с ними входной вал, в котором на осях, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала сателлиты планетарной передачи, причем сателлиты, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом, закрепленным на эпицикле дифференциального механизма, содержащего водило, на осях которого установлены сателлиты, связывающие эпицикл и солнечное колесо, причем солнечное колесо закреплено на валу, предназначенном для соединения с внешними устройствами, а сателлиты планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала, кинематически соединены с выходным валом, в которой согласно изобретению входной вал установлен с возможностью вращения относительно выходного вала, причем на выходном валу закреплены дополнительное зубчатое колесо, входящее в зацепление с сателлитами планетарной передачи, расположенными с другой стороны входного вала, и водило дифференциального механизма.

Другим вариантом выполнения предлагаемой конструкции является универсальная голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая выходной вал, вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами и связанный с ним входной вал, в котором на осях, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала сателлиты планетарной передачи, причем сателлиты, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом, и дифференциальный механизм, содержащий эпицикл, водило, на осях которого установлены сателлиты, связывающие эпицикл и солнечное колесо, кинематически связанное с валом, предназначенным для соединения с внешними устройствами, а сателлиты планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала, кинематически соединены с выходным валом, в которой согласно изобретению входной вал установлен с возможностью вращения относительно выходного вала, и на выходном валу закреплены два зубчатых колеса, одно из которых, дополнительное, связано с сателлитами планетарной передачи, расположенными с другой стороны входного вала, а второе колесо - солнечное колесо дифференциального механизма, причем на эпицикл закреплен вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами, а зубчатое колесо закреплено на водиле.

Второй вариант выполнения предлагаемой передачи позволяет производить дальнейшее по сравнению с первым вариантом снижение частоты вращения вала, предназначенного для соединения с внешними устройствами.

Предлагаемая универсальная механическая голономная часть передачи компактна, как и вся передача, не имеет ограничений по передаваемой мощности и частоте вращения.

Широкий диапазон передаточных чисел, который получается за счет передачи, позволяет организовать режим работы транспортных средств, в которых используется предлагаемая передача, по характеристике минимальных расходов топлива.

Предлагаемая универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента является прогрессивным вариатором, т. е. при использовании ее в транспортных средствах произведение: M_i • ω_i = N_двс = const, а изменение передаточных чисел передачи происходит автоматически и зависит от динамики транспортных средств и профиля пути при N_двс = const.

Предлагаемая универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента компактна, не имеет ограничений по передаваемой мощности в отличие от фрикционных и импульсных передач и может быть выполнена из обычных цилиндрических зубчатых колес.

Сущность предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента поясняется нижеследующем описанием конструкции и чертежами, где:
на фиг. 1 показана кинематическая схема предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента;
на фиг. 2 показан вариант кинематической схемы предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента;
на фиг. 3 показана блок-схема универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента;
на фиг. 4 представлен график зависимостей n_вых., n_вх., n_насос, i передачи в зависимости от момента нагрузки на выходном валу.

Универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента включает входной вал 1, в котором на осях 2, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала, сателлиты 3 и 4 планетарной передачи, причем сателлиты 4, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом 5, закрепленном на эпицикле 6 дифференциального механизма, содержащего водило 7, на осях которого установлены сателлиты 8, связывающие эпицикл 6 и солнечное колесо 9.

Солнечное колесо 9 жестко закреплено на валу 10, предназначенном для соединения с внешними устройствами.

Сателлиты 3 планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала 1, через дополнительное зубчатое колесо 11 соединены с выходным валом 12.

При этом входной вал 1 установлен с возможностью независимого вращения относительно выходного вала 12, и на выходном валу 12 жестко закреплены дополнительное зубчатое колесо 11 и водило 7 дифференциального механизма.

Во втором варианте выполнения универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, на выходном валу 12 жестко закреплены два зубчатых колеса, одно из которых, дополнительное 11, связано с сателлитами 3 планетарной передачи, а второе колесо - солнечное колесо 9 дифференциального механизма, причем на эпицикле 6 дифференциального механизма закреплен вал 10, предназначенный для соединения с внешними устройствами, а зубчатое колесо 5 закреплено на водиле 7.

Работу предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента рассмотрим на примере использования ее в транспортном средстве, блок-схема гидромеханической передачи которая представлена на фиг. 3.

В блок-схему входят, например, насос 13, с одной стороны связанный с валом 10, а с другой - с гидромотором 14, муфта свободного хода 15, которые взаимодействуют с входным валом 1 приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания 16, и универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента.

Дополнительные механизмы, используемые в предлагаемой блок-схеме, общеизвестны и на их новизну автор не претендует.

Двигатель внутреннего сгорания 16 работает на постоянной, оптимальной, с точки зрения расхода топлива, отдачи мощности и минимального выброса вредных выхлопных газов.

Постоянство частоты вращения двигателя для работоспособности системы не обязательно.

Потребная мощность насоса 13 и гидромотора 14 в области больших передаточных чисел (от 3 до ∞), должна составлять от ≈ 50 до 100% мощности двигателя. В области средних передаточных чисел (от 2 до 3) от 25 до 50%, а при малых передаточных числах (от 1 до 2) от нуля до 25%.

Учитывая, что транспортное средство при разгоне в области больших передаточных чисел находится весьма кратковременно (1-3 с), а также перегрузочную кратковременную возможность гидромашин, потребную мощность насоса 13 и гидромотора 14 следует выбирать в пределах 35-50% от мощности двигателя.

В предлагаемой голономной передаче с бесступенчатым изменением крутящего момента передаточное отношение в дифференциальном механизме и планетарной передаче связаны между собой строго определенным образом.

В начале работы универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента транспортного средства вращение с входного вала 1 передается через сателлиты планетарной передачи 3 и 4 на зубчатые колеса 5 и дополнительное 11 соответственно. С дополнительного зубчатого колеса 11 вращение передается на выходной вал 12.

С другой стороны, вращение с сателлита 4 передается на зубчатое колесо 5 и соответственно на эпицикл 6 дифференциального механизма. С эпицикла 6 через сателлиты 8 передается на солнечное колесо 9 и далее на вал 10, предназначенный для соединения с насосом 13.

Таким образом, на выходной вал 12 вращение передается с одной стороны через сателлит 3 и закрепленное жестко на валу дополнительное колесо 11, а с другой стороны, вращение на выходной вал 12 передается от сателлита планетарной передачи 4, через колесо 5 и эпицикл 6, сателлиты 8 дифференциального механизма на водило 7, жестко закрепленное на выходном валу 12.

После запуска двигателя 16 (любого типа и любой конструкции) выходной вал 12 остановлен и пока на валу 10, предназначенном для соединения с насосом 13 не появится противодействующий момент, вся предлагаемая передача вращается на холостом ходу (насос 13 при этом закольцован). Поэтому применение сцепления не требуется. Момент на выходном валу 12 также равен нулю.

Как только насос 13 начинает подавать гидросмесь, гидромотор 14 начинает вращаться и через муфту свободного хода 15 "догнав" частоту вращения двигателя 16 начинает вращать входной вал 1 с той же частотой вращения, что и двигатель.

Таким образом, мощность двигателя 16 как бы разделяется на два потока: выходной вал 12 и насос 13. Но мощность, поступившая на насос 13, немедленно возвращается через гидромотор 14 и муфту свободного хода 15 на входной вал 1.

Вся развиваемая двигателем мощность в любом режиме его работы поступает на выходной вал 12.

Когда выходной вал стоит (момент начала движения транспортного средства), частота вращения насоса максимальна (может достичь нескольких крат относительно частоты вращения двигателя), момент на валу 10, предназначенном для соединения с насосом 13 минимален, а на выходном валу 12 возникает очень большой момент - вплоть до бесконечности, если это позволит противодействующий момент движителя (не показан), что нереально.

Движение транспортного средства начнется гораздо раньше.

В процессе разгона по мере уменьшения инерционных сил транспортного средства момент выходного вала 12 уменьшается, частота его вращения автоматически увеличивается, а частота вращения вала 10 уменьшается, соответственно, уменьшается и доля мощности, передаваемой через насос 13 и гидромотор 14.

Процесс происходит автоматически и бесступенчато, причем передаточное число передачи стремится к единице.

При выравнивании частота вращения насоса 13 и частоты вращения двигателя 16 вся передача превращается в сплошной вал. Все звенья системы ни относительно своих осей, ни относительно друг друга не вращаются. Момент на валу насоса минимален и стремится к нулю, при этом практически вся мощность двигателя 16 передается на выходной вал 12.

Если перекрыть подачу гидросмеси от насоса 13 к гидромотору 14, то вал 10 остановится, а частота вращения выходного вала 12 увеличится.

При i_9,7 ⁶ = 4 это увеличение составит ≈ 10%. При этом вращение звеньев передачи относительно друг друга будет незначительным и на КПД передачи практически не скажется.

На фиг. 4 показан характер изменений функций n_вых., n_насос, i передачи, N_насос (мощность насоса), N_гм (мощность гидромотора) в зависимости от момента нагрузки M_н на выходном валу передачи.

Графики построены в относительных единицах на основе экспериментальных данных.

Точка A на фиг. 4 соответствует передаточному отношению передачи, равному единице. Потребная мощность насоса в этом режиме мала. Она вновь возвращается на выходной вал передачи через гидромотор 14 и муфту свободного хода 15.

При остановке насоса (канал подачи гидросмеси перекрыт) передаточное число будет равно 0,9 (точка B). Соответственно увеличится и частота вращения выходного вала 12.

Частоту вращения выходного вала 12 можно регулировать и вручную путем регулировки подачи гидросмеси в гидромотор 14 или путем дроссельной заслонки (не показана) двигателя 16.

Следует заметить, что на валу 10, предназначенному для соединения с насосом 13 можно установить маховик (не показан), т.к. частота вращения вала при остановленном выходном вале 12 в несколько раз выше частоты вращения двигателя 16, тогда разгон транспортного средства будет производиться более энергично как бы "двойной тягой" за счет мощности двигателя и за счет энергии, накопленной маховиком в стояночном положение транспортного средства.

При торможении выходной вал останавливается, а вал 10 набирает максимальную частоту вращения, при этом маховик запасает энергию. Это дает возможность производить энергичный очередной разгон.

Принцип действия предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента подтвержден действующим макетом.

На нем были сняты основные зависимости, представленные на фиг. 4.

При использовании предлагаемого изобретения в подсистеме "насос - гидромотор" роликолопастных гидромашин серии ГМ ожидаемая масса передачи:
при передаваемой мощности 40 кВт примерно 30-35 кг (в диапазоне передаточных отношений передачи от 1 до 3,5);
при передаваемой мощности 80 кВт примерно 55-60 кг (в электрическом варианте 100 кг).

В то время как передача типа "Электрогир" на мощность 80 кВт имеет массу примерно 500 кг (кн. Хельдта П. Автомобильные сцепления и коробки передач, Машгиз, 1947 г., с. 274).

КПД (расчетный предлагаемой передачи в зависимости от скоростного режима = 0,9-0,97, у передачи типа "Электрогир" = 0,8-0,92.

Диапазон передаточных отношений от 1 до бесконечности, а у передачи типа "Электрогир" - 1-4.

Диапазон передаточных отношений от 1 до бесконечности у предлагаемой передачи позволяет работать двигателю с минимальным расходом топлива.

Предлагаемая универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента позволяет упростить управление транспортным средством. При разгоне транспортного средства с помощью 4-ступенчатой коробки передач требуется 19 различных действий водителя, а при предлагаемой передаче только перемещение рукоятки гидрокрана или педали газ.

Предлагаемая универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, позволяет уменьшить в 2-2,5 раза время разгона транспортного средства за счет использования полной мощности двигателя и рекуперации механической энергии при торможении транспортного средства, с последующей отдачей ее в процессе его разгона.

При применении обратимых гидромашин, в качестве внешних устройств можно получить эффективное торможение двигателем (он на полном ходу).

В этом случае энергию от гидромотора, работающего в режиме насоса, направляют, в насос 13, работающий в режиме гидромотора 14. Гидромотор 14 энергично раскручивает вал 10, а выходной вал 12 при этом будет уменьшать частоту вращения, вплоть до нуля, обеспечивая быстрое торможение транспортного средства.

В данном случае в значительной степени будет экономиться ресурс основной тормозной системы, а также обеспечиваться ее дублирование, что повышает надежность транспортного средства.

Повышается и надежность передачи за счет уменьшения количества ее звеньев по отношению к прототипу.

Использование предлагаемой универсальной механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента в металлорежущей промышленности увеличивает производительность металлорежущих станков на 25-50% за счет применения регулируемого привода.

Изобретение может быть использовано в станкостроении, машиностроении и в транспортных средствах. Универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента содержит входной 1 и выходной 12 валы, вал 10, предназначенный для соединения с внешними устройствами, планетарную передачу и дифференциальный механизм. Входной вал 1 установлен с возможностью вращения относительно выходного вала 12 и имеет закрепленные на свободно установленных в нем осях 2 сателлиты 3 и 4, расположенные по обеим сторонам входного вала 1. Сателлиты 4 соединены с зубчатым колесом 5, закрепленным, например с эпициклом 6 дифференциального механизма. Сателлиты 3 соединены с дополнительным зубчатым колесом 11, закрепленным на выходном валу 12. Водило 7 дифференциального механизма также закреплено на выходном валу 12. Солнечное колесо 9 соединено с валом 10. Упрощена конструкция передачи, обеспечено получение частоты вращения выходного вала больше, чем частота вращения входного вала. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая выходной вал, вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами, и связанный с ним входной вал, в котором на осях, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала сателлиты планетарной передачи, причем сателлиты, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом, закрепленным на эпицикле дифференциального механизма, содержащего водило, на осях которого установлены сателлиты, связывающие эпицикл и солнечное колесо, причем солнечное колесо закреплено на валу, предназначенном для соединения с внешними устройствами, а сателлиты планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала, кинематически соединены с выходным валом, отличающаяся тем, что входной вал установлен с возможностью вращения относительно выходного вала, причем на выходном валу закреплены дополнительное зубчатое колесо, входящее в зацепление с сателлитами планетарной передачи, расположенными с другой стороны входного вала, и водило дифференциального механизма. 2. Универсальная механическая голономная часть передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая выходной вал, вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами, и связанный с ним входной вал, в котором на осях, свободно установленных в нем, закреплены с двух сторон относительно вала сателлиты планетарной передачи, причем сателлиты, расположенные с одной стороны вала, соединены с зубчатым колесом, и дифференциальный механизм, содержащий эпицикл, водило, на осях которого установлены сателлиты, связывающие эпицикл и солнечное колесо, кинематически связанное с валом, предназначенным для соединения с внешними устройствами, а сателлиты планетарной передачи, расположенные с другой стороны входного вала, кинематически соединены с выходным валом, отличающаяся тем, что входной вал установлен с возможностью вращения относительно выходного вала и на выходном валу закреплены два зубчатых колеса, одно из которых, дополнительное, связано с сателлитами планетарной передачи, расположенными с другой стороны входного вала, а второе колесо - солнечное колесо дифференциального механизма, причем на эпицикле дифференциального механизма закреплен вал, предназначенный для соединения с внешними устройствами, а зубчатое колесо закреплено на водиле.