ЭЛЕКТРОМОБИЛЬНЫЙ ВАРИАТОР Российский патент 2001 года по МПК F16H15/50 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности вариаторостроения, и предназначается для использования в механических и транспортных средствах - электромобилях - в качестве устройства согласования мощности электродвигателя с крутящим моментом ведущих колес, регулирования скорости и обеспечения режима генерации тока при принудительном вращении ведомого вала.

Известны транспортные вариаторы разнообразных конструкций, которые могут быть применены в том числе и для электропривода.

Например, вариатор "унвартор Черняева" по патенту СССР 1820097, кл. F 16 H 15/50, 1992 г. содержит вал-водило, шарнирно установленные, подпружиненные конические сателлиты, центральное колесо с внутренней рабочей поверхностью и планетарный механизм с ведомым валом. Однако конструкция этого вариатора требует применения специального профиля зубьев планетарного зацепления, что приводит к ограничению мощности привода.

Известен вариатор по патенту США 3793910, кл. F 16 H 15/50, 1974 г., содержащий корпус, ведущий и ведомый валы, водило, сателлиты в виде валиков с противоположной конусностью, центральные колеса с наружной и внутренней рабочей поверхностью, зубчатый планетарный механизм и механизм встречного осевого перемещения колец центральных колес. Недостатком этого вариатора является большая сложность механизма осевого перемещения центральных колес и невозможность обратной связи входа и выхода, что делает скорость ведомого вала во всех режимах неустойчивой.

Наиболее близким к изобретению является транспортный вариатор "трансунвартор Черняева" по патенту РФ 2052689, кл. F 16 H 15/52, 1996 г., который и принят за прототип.

Этот транспортный вариатор содержит корпус, ведущий вал-водило, ведомый вал с зубчатым колесом, сателлитные блоки в виде валиков с конической поверхностью, расположенных на радиально подпружиненных подвесках параллельно оси валов и снабженных зубчатым венцом, центральное колесо с внутренними рабочими поверхностями, промежуточные шестерни и механизм осевого перемещения центрального колеса с тросом и возвратной пружиной. Передача крутящего момента от вала-водила идет через сателлиты, обкатывающие внутреннюю рабочую поверхность центрального колеса, зубчатые венцы сателлитных блоков и промежуточные шестерни на зубчатое колесо ведомого вала, где соединяются противоположно направленные окружные скорости промежуточных шестерен и окружная скорость вала-водила. С результирующей окружной скоростью вращается зубчатое колесо и соответственно ведомый вал.

Недостатком транспортного вариатора является его неоправданная сложность при использовании его в качестве электромобильного привода, когда отпадает необходимость в автоматике процессов ДВС, механическом обеспечении реверса и в прямом соединении валов. С другой стороны, из-за необходимости на электромобиле обеспечивать режим генерации при езде "накатом" планетарная конструкция выхода транспортного вариатора оказывается неработоспособной, так как в этом случае принудительное вращение ведомого вала /колес/ ведет к принудительному вращению ведущего вала в противоположном направлении, что требует разобщения сателлитов и рабочих поверхностей центрального колеса, а следовательно, исключению возможности работы электродвигателя в режиме генератора. Кроме того, в прототипе для возврата механизма центрального колеса в исходное положение используется пружина, которая, естественно, при растяжении непрерывно повышает сопротивление, что утомляет водителя.

Целью изобретения является создание электромобильного вариатора - надежного и удобного в эксплуатации устройства, дающего возможность работы электродвигателя в режиме генератора и способного обеспечить управление, в том числе плавное изменение скорости, торможение приводом и пуск без механизма сцепления, единственной педалью, которая не обладает возрастающим усилием возврата в исходное положение.

Для достижения цели транспортный вариатор, содержащий корпус, ведущий вал-водило, ведомый вал с зубчатым колесом, сателлитные блоки в виде валиков с конической поверхностью, расположенных на радиально подпружиненных подвесках параллельно оси валов и снабженных зубчатыми венцами, зацепляемыми с промежуточными шестернями, центральное колесо и механизм его осевого перемещения с тросом и возвратной пружиной, выполнен с условием противоположного вращения ведущего и ведомого валов, что обеспечивается подпружиненными в осевом направлении сдвоенными несимметричными сателлитами с поверхностями противоположной конусности, на стыке которых расположены зубчатые венцы "нулевой скорости", в отличие от прототипа имеющие наибольший диаметр по сравнению с зубчатыми венцами "максимальной" и "минимальной редукции", выполненными на стороне большей конусности каждого сдвоенного несимметричного сателлита, в то время как на стороне меньшей конусности размещены цилиндрические пояски, обеспечивающие зазоры зубчатых зацеплений, и конструкцией центрального колеса в виде неподвижного кольца с внутренним зубчатым венцом и подвижного кольца с фрикционным внутренним ободом.

Для варианта применения электромобильного вариатора с электродвигателем повышенной мощности предусматривается конструкция центрального колеса, которое содержит два неподвижных кольца с внутренним зубчатым зацеплением, расположенных по краям корпуса, и два подвижных кольца, имеющих каждое по два или более обода с внутренними фрикционными поверхностями, при этом каждый сателлитный блок содержит один или несколько сдвоенных симметричных сателлита и два сдвоенных несимметричных сателлита, которые также подпружинены в осевом направлении в сторону подвижных колец для обеспечения расцепления зубчатых соединений.

Трос возвратной пружины, создающей усилие возврата механизма осевого перемещения центрального колеса в исходное положение, соединен с управляющим кольцом механизма через сектор, изменяющий плечо при повороте и, таким образом, обеспечивающий равномерное давление на педаль управления во всех ее положениях.

На фиг. 1 изображен электромобильный вариатор в продольном разрезе. Показан вариант с одним сдвоенным несимметричным сателлитом в каждом сателлитном блоке. В продольном положении сателлиты показаны в промежуточном состоянии фрикционного контактирования. При движении влево большие зубчатые венцы сателлитов войдут в зацепление с внутренним зубчатым венцом неподвижного кольца центрального колеса.

На фиг. 2 - схема электромобильного вариатора в аксонометрии. Изображен вариант двухблочного вариатора, в отличие от четырехблочного, изображенного на фиг. 1. Вариант используется при малой мощности электродвигателя. Около элементов планетарной передачи приведены их обозначения теми же индексами, которые использованы в формуле передаточного числа транспортного вариатора-прототипа. Стрелками показано направление вращения ведущего, промежуточных и ведомого валов, а также направление перемещения подвижного кольца центрального колеса.

На фиг. 3 изображена установка электромобильного вариатора на электромобиле с заднеприводными колесами. Стрелка около педали управления показывает направление управляющего тросика от педали к месту установки контроллера и других электроприборов.

На фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 3, показано соединение комплекта "вариатор - электродвигатель" с одним из задних колес электромобиля и привод подвижного кольца центрального колеса вариатора.

На фиг. 5 - разрез по А-А на фиг. 1. Изображен планетарный механизм четырехблочного электромобильного вариатора и прижим сателлитных блоков к центральному колесу.

На фиг. 6 изображен сателлитный блок с трехвенцовым сдвоенным несимметричным сателлитом.

На фиг. 7 изображен вариант электромобильного вариатора для электродвигателя повышенной мощности.

Электромобильный вариатор состоит из корпуса 1, ведущего вала-водила 2, соединенного с валом электродвигателя 3 и снабженного фланцами 4 со штангами 5, между которыми шарнирно установлены сателлитные блоки 6, сателлиты которых контактируют с рабочими поверхностями центрального колеса 7. Центральное колесо в упрощенном варианте состоит из неподвижного кольца 8, с внутренним зубчатым венцом 9 с фрикционной фаской 10, подвижного кольца 11 с фрикционным внутренним ободом 12 и механизма его осевого перемещения в виде сквозных прямых пазов 13 в корпусе и наклонных пазов 14 /фиг. 4/ в подвижном кольце, соединенных роликами 15, оси 16 которых крепятся в управляющем кольце 17.

Для облегчения осевого перемещения подвижное кольцо имеет продольные пазы 18 с шаровыми опорами 19. Каждый сателлитный блок /фиг. 6/ снабжен распорной трубой 20, которая соединяет штанги вала-водила и является осью вращения для подвесок 21. В щеках 22 подвесок установлены подшипники 23 шлицевого вала 24, который заканчивается зубчатым венцом-шестерней 25, закрепленной на валу винтами 26. На шлицах шлицевого вала каждого сателлитного блока имеет возможность осевого перемещения сдвоенный несимметричный сателлит 27 с рабочими поверхностями меньшей конусности 28 и большей конусности 29. Сателлит большей конусности имеет зубчатый венец 30 "минимальной редукции" и при необходимости зубчатый венец 31 "максимальной редукции". Сателлит меньшей конусности снабжен опорными цилиндрическими поясками 32, 33 для обеспечения осевого зазора зацеплений венцов "максимальной" и "минимальной редукции", а также зубчатого зацепления зубчатого венца 34 "нулевой скорости". При малой разнице наружных диаметров венцов 31 и 34 сателлиты соединяются между собой через переходное кольцо 35. В сторону меньшей конусности сдвоенный несимметричный сателлит подпружинен пружиной 36. Для обеспечения контактирования зубчатых зацеплений на малой частоте оборотов ведущего вала-водила сателлитные блоки отжимаются в сторону центрального колеса пластинчатыми пружинами 37. Зубчатые венцы-шестерни 25 каждого сателлитного блока зацепляются с шестернями 38 зубчатых пар, выходные шестерни 39 которых в свою очередь зацеплены с зубчатым колесом 40 ведомого вала 41, снабженного подшипниковым гнездом 42 для осевой установки опорного конца ведущего вала-водила.

Электромобильный вариатор, как и прототип, снабжен педалью 43, которая имеет подпружиненный поворот вокруг оси 44 для управления через трос 45 в боуденовой оболочке электросистемой экономичного плавного или ступенчатого изменения скорости электродвигателя и, кроме того, имеет возможность продольного перемещения вместе со штангой 46, которая соединена тросом 47, идущим через блок 48 с управляющим кольцом по его кольцевой канавке. Во второй кольцевой канавке управляющего кольца закреплен трос 49, идущий через поворотный сектор 50 на возвратную пружину 51.

При необходимости увеличить мощность передачи может быть применен вариант электромобильного вариатора с двумя сдвоенными несимметричными сателлитами в блоке. В этом случае центральное колесо состоит из двух подвижных колец 52, каждое из которых имеет по два или более обода с внутренними поверхностями фрикционного зацепления. Центральные сдвоенные сателлиты 53 выполнены симметричными. Управляющее кольцо 54 в этом случае занимает всю ширину корпуса, в котором выполнено также два прямых паза, а в подвижных кольцах два противоположно направленных наклонных паза. Ролики 15, взаимодействуя с пазами, также сводят или разводят подвижные кольца.

Работает электромобильный вариатор следующим образом.

Изменение частоты ведомого вала электромобильного вариатора осуществляется по принципу трансунвартора, принятого за прототип. При вращении ведущего вала-водила 2 его окружная скорость, приведенная к диаметру зубчатого колеса 40 ведомого вала, вычитается из противоположно направленной окружной скорости промежуточных шестерен 39, и в зависимости от соотношения этих скоростей на зубчатом колесе ведомого вала образуется результирующая величина окружной скорости. Окружная скорость промежуточных шестерен 39 в свою очередь зависит от всех прочих элементов передачи. То есть скорость ведомого вала и направление его вращения - а в электромобильном вариаторе направление вращения ведомого вала противоположно по отношению к ведущему валу-водилу - зависит от соотношения работающих диаметров 27, 28, диаметров зубчатых венцов-шестерен 25, диаметров зубчатых или фрикционных ободов колец 8, 11 и диаметра зубчатого колеса 40.

То, что электромобильный вариатор работает в зоне "реверса", связано с нижеследующими причинами.

Передаточное число электромобильного вариатора, как и транспортного вариатора определяется формулой

В зависимости от соотношения элементов формулы передаточное число может иметь положительное или отрицательное значение. Положительное значение передаточного числа означает, что ведущий вал-водило и ведомый вал вращаются в одном направлении. Как это сказывается на работе механизма при езде "накатом" с неотключенным двигателем, т.е. когда ведомый вал приводится во вращение колесами катящегося под уклон веломобиля?
При езде "накатом" принудительное вращение ведомого вала колесами заставляет сателлиты вращаться в том же направлении, что приводит к принудительному вращению ведущего вала в противоположном направлении. Конечно, это вращение произойдет, если сателлиты контактируют с центральным колесом. Фактически, у транспортного вариатора обороты ДВС и ведущего вала сброшены, так как для инерционного пробега мощность ДВС не расходуется. Центробежная сила сателлитов уменьшается, что приводит к их разобщению с центральным колесом, и инерционный пробег обеспечивается. Для электромобильного вариатора такое положение вещей не подходит, так как электромобиль вынужден из соображений утилизации энергии проходить инерционный пробег в генераторном режиме электродвигателя. Выходом из положения является работа электромобильного вариатора в реверс-зоне. В этом случае обеспечивается постоянство направления вращения всех элементов передачи как в рабочем режиме электродвигателя, так и в режиме генератора. При достаточном запасе энергии инерционного движения в положении элементов вариатора, обеспечивающих передаточное число, равное двум-трем /при дальнейшем увеличении передаточного числа наступит самоторможение/, инерционное вращение зубчатого колеса ведомого вала приведет к противоположному вращению ротора электродвигателя, т.е. в первоначальном направлении, с двойной-тройной частотой вращения, что и требуется для активной генерации тока. Тем не менее, если электродвигатель будет переключен на рабочий режим, то ротор, вращаясь против направления вращения ведомого вала и колес, принудит их к попутному вращению с уменьшенной в два-три раза частотой оборотов и соответствующим повышением крутящего момента на ведущих колесах. Так как электродвигателю постоянного тока, а именно такие электродвигатели предусматриваются для электромобилей, безразлично направление вращения, достаточно переключить полюса, работа электромобильного вариатора в реверс-зоне не вызывает никаких дополнительных усложнений.

Есть смысл устанавливать индивидуальный привод на каждое ведущее колесо. Во-первых, это уменьшает мощность каждого отдельного привода, то есть увеличивает его компактность, во-вторых, это дает возможность обойтись без дифференциала и раздаточной коробки, так как каждое колесо управляется как совместно, так и обособленно.

При возвращении педали 43 в исходное нейтральное положение возвратная пружина 51 поворачивает управляющее кольцо 17, при этом ролики 15, идущие вдоль прямых пазов 13, одновременно перемещаются и по наклонным пазам 14, что ведет к смещению подвижного кольца 11 в сторону неподвижного кольца 8. Одновременно подвижное кольцо смещает в том же направлении по шлицевым валам сдвоенные несимметричные сателлиты 27 на всех сателлитных блоках. Конечным результатом будет совмещение зубчатого венца 9 неподвижного кольца и зубчатых венцов 34 сателлитов. При этом фрикционный внутренний обод 12 подвижного кольца остановится на опорных цилиндрических поясках 33 сателлитов, что обеспечит рабочий зазор зубчатых зацеплений на всех зубчатых венцах 34. В этом положении, когда ведомый вал не вращается при вращении ведущего, соотношение элементов зубчатых зацеплений соответствует нижеприведенному равенству
d_н • d_с • d''_ш = d_э • d_шс • d'_ш.

Согласно формуле передаточного числа по условию этого равенства передаточное число становится бесконечно большим, что означает, что вращение вала электродвигателя, соединенного с валом-водилом вариатора, вращения ведомого вала и колеса не вызывает.

После плавного пуска электродвигателя поворотом педали 43 педаль перемещается поступательно вместе со штангой 46, что приводит к повороту управляющего кольца 17 и плавному отводу подвижного кольца центрального колеса от неподвижного. При этом пружины 36 выжимают сателлиты 27 в новое продольное положение, когда конические поверхности 28, 29 уменьшают величины своих работающих диаметров. Коническая поверхность 29 контактирует с фрикционной фаской 10 неподвижного кольца 8, а коническая поверхность 28 контактирует с рабочей поверхностью фрикционного рабочего обода 12. На элементах 10, 12 сдвоенные несимметричные сателлиты самоориентируются перемещаясь на шлицах шлицевых валов 24. При полностью выжатой педали подвижное кольцо полностью отходит от неподвижного, и зубчатый венец 9 входит в зацепление с зубчатыми венцами 30 "минимальной редукции", когда ведомый вал развивает максимальные обороты. Далее можно манипулировать скоростью путем поворота педали, то есть электродвигателем. Электродвигатели имеют значительную частоту оборотов, превышающую частоту ДВС, поэтому на сателлитных блоках возникают значительные центробежные силы, которые обеспечивают фрикционный натяг.

Согласно формуле передаточного числа чем больше уменьшаются работающие диаметры сателлитов, тем больше уменьшается АБСОЛЮТНОЕ значение передаточного числа и тем больше развивается частота оборотов ведомого вала 41. Когда d_с уменьшится настолько, что произведение d_э • d_шс • d'_ш вдвое превысит произведение d_н • d_с • d''_ш, передаточное число приобретет значение -1, то есть ведущий вал-водило и ведомый вал будут вращаться с одинаковой частотой. Впрочем, практически это нерационально, так как мощность электромобильного двигателя ограничена, во всяком случае на сегодняшней стадии, массоемкостью аккумуляторных батарей. Поэтому максимальная частота оборотов ведомого вала ограничивается диаметром зубчатых венцов 30. При хорошей дороге положение зацепления этих зубчатых венцов является основным, а так как они не допустят проскальзывания, можно частично уменьшать и увеличивать скорость электродвигателем. Так же защищают от проскальзывания зубчатые венцы "максимальной редукции", которые используются при медленном движении в трудных дорожных условиях. Необходимость зубчатых венцов "нулевой скорости" объясняется условиями безопасности. Если на диаметре зубчатого венца "нулевой скорости" оставить фрикционное контактирование, то из-за возможного проскальзывания может произойти самовольное движение электромобиля.

При движении электромобиля с установленной раствором колец центрального колеса скоростью водителю необходимо держать педаль в определенном положении. Пружинный возврат в исходное положение управляющего кольца требует тем большего усилия нажима на педаль, чем больше скорость, так как при растяжении пружина прогрессивно увеличивает реактивное сопротивление. Чтобы уменьшить утомляемость водителя в электромобильном вариаторе применено устройство, которое позволяет сохранить усилие нажатия на педаль постоянным.

Трос 49 возвратной пружины 51 огибает канавку дуги сектора 50 и крепится на дальнем его конце вместе с возвратной пружиной. В процессе перемещения педали и поворота управляющего кольца 17 трос вытягивается и поворачивается по канавке сектора. При этом возвратная пружина, с одной стороны, растягиваясь, увеличивает усилие с "P₁" до "P₂", с другой стороны, сектор, поворачиваясь вокруг оси, уменьшает плечо усилия с "a₁" до "a₂". Если выдержать профиль дуги сектора определенным образом, то при его повороте будет выдерживаться равенство
M = P₁a₁ = P₂a₂ = const.

Естественно, что в таком случае усилие возврата педали в любом ее положении будет постоянным.

Применение электромобильного вариатора дает возможность использовать на электромобилях маломощные электродвигатели и тем не менее обеспечивать хорошую дорожную проходимость, так как, например, взятие крутых подъемов и т. п. определяется только способностью электромобильного вариатора бесконечно многократно снижать частоту оборотов выходного вала и соответственно повышать на нем крутящий момент. Электромобиль, снабженный электромобильным вариатором, обходится без раздаточной коробки, дифференциала, механизма сцепления и даже без системы тормозов. Обходясь единственной педалью, водитель полностью управляет электромобилем и при необходимости осуществляет как плавное, так и экстренное торможение. Для плавного торможения водитель плавно освобождает педаль. При этом кольца центрального колеса сходятся до положения, когда торец фрикционного внутреннего обода 12 подвижного кольца 11, сдвинув сателлитные блоки, введет в зацепление с внутренним зубчатым венцом 9 зубчатые венцы 34. При этом плавно падает до нуля скорость электромобиля. При быстром сбросе ноги с педали скорость схождения колец центрального колеса определяется только быстротой срабатывания пружины.

Формула передаточного числа электромобильного вариатора включает в себя соотношения работающих диаметров сателлитов d_с, диаметр зубчатого обода неподвижного кольца d_э, который соответствует диаметру фрикционного обода подвижного кольца, диаметров промежуточных блоков шестерен d'_ш и d''_ш, диаметры зубчатых венцов-шестерен сателлитных блоков d_шс и диаметр зубчатого колеса ведомого вала d_н.

Для электромобильного вариатора при его минимальных габаритах и мощности электродвигателя 6 - 8 кВт, при частоте оборотов нормального режима 6000 об/мин элементы его планетарной передачи могут иметь, например, нижеследующие значения:
d_э - 110 мм, 110 зубьев;
d_c ^o - 40 мм, 40 зубьев;
d_шс - 30 мм, 20 зубьев;
d''_ш - 33 мм, 22 зуба;
d'_ш - 28 мм, 14 зубьев;
d_н - 70 мм, 35 зубьев;
d_с ^н - венец минимальной редукции - 30 мм, 30 зубьев;
d_c ^х - венец максимальной редукции - 39 мм, 39 зубьев.

Передаточное число этого электромобильного вариатора, обеспечивающее максимальную скорость электромобиля, равно
i = 70•30•33/69300 - 110•30•28 = -3.

Увеличивать абсолютное значение передаточного числа нет необходимости, так как при частоте оборотов электродвигателя 6000 об/мин ведущие колеса электромобиля и при этом передаточном числе будут вращаться со скоростью 2000 об/мин, то есть при диаметре ведущих колес электромобиля 0,4 м электромобиль разовьет на хорошей дороге скорость 150 км/ч, что, учитывая его малую мощность, неплохо.

В то же время передаточное число электромобильного вариатора в положении колец его центрального колеса на управляющих цилиндрических поясках сателлитов и на их зубчатых венцах "максимальной редукции" равно
i = 70•39•33/90090-110•30•28 = -39.

Такое передаточное число обеспечит на ведущих колесах окружное усилие в 130 кгс, что позволит электромобилю беспрепятственно двигаться на трудных участках дороги.

Итак, электромобильный вариатор повышает экологичность, удобство управления, безопасность движения и обеспечивает работу электродвигателя в режиме генератора.

Изобретение относится к машиностроению. Электомобильный вариатор содержит ведущий вал-водило 2, сателлитные блоки 6, центральное колесо 7 и механизм его осевого перемещения. Сателлитные блоки 6, выполненные в виде подпружиненных в осевом направлении несимметричных сателлитов 27 с коническими поверхностями противоположной конусности и зубчатых венцов, обеспечивают при обкатке по венцу центрального колеса 7 остановку, минимальную и максимальную редукцию, а также любую промежуточную скорость при фрикционном контактировании с подвижным кольцом 11 центрального колеса 7. Повышены надежность и удобства в управлении вариатором, способным обеспечить плавное изменение скорости, торможение и пуск без механизма сцепления. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромобильный вариатор, содержащий корпус, ведущий вал-водило, ведомый вал с зубчатым колесом, сателлитные блоки в виде валиков с конической поверхностью, расположенных на радиально подпружиненных подвесках параллельно оси валов и снабженных зубчатыми венцами, центральное колесо и механизм его осевого перемещения с тросом и возвратной пружиной, отличающийся тем, что ведущий вал-водило и ведомый вал имеют противоположное направление вращения, сателлитные блоки содержат подпружиненные в осевом направлении сдвоенные несимметричные сателлиты с поверхностями противоположной конусности и зубчатыми венцами "нулевой скорости", "максимальной редукции" и "минимальной редукции", на стороне меньшей конусности размещены цилиндрические пояски, а центральное колесо выполнено в виде неподвижного кольца с внутренним зубчатым венцом и подвижного кольца с фрикционным внутренним ободом, перемещаемого посредством механизма осевого перемещения. 2. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что центральное колесо дополнительно содержит неподвижное кольцо с внутренним зубчатым венцом и подвижное кольцо, при этом неподвижные кольца расположены по краям корпуса, а подвижные кольца имеют каждое по два или более обода с внутренними поверхностями фрикционного зацепления, а каждый сателлитный блок дополнительно содержит сдвоенный несимметричный сателлит и один или несколько сдвоенных симметричных сателлитов. 3. Вариатор по п.1, отличающийся тем, что трос возвратной пружины соединен с механизмом осевого перемещения центрального колеса через поворотный сектор.