ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА Российский патент 2002 года по МПК F16H47/06 

Область использования - транспортное машиностроение.

Известна автобусная гидромеханическая передача [1], содержащая гидродинамический преобразователь крутящего момента, совмещенный с гидрозамедлителем, в круге циркуляции которого расположены насосное, турбинное и реакторное колеса, тормоз включения гидрозамедлителя и планетарную коробку передач, включающую планетарные механизмы и фрикционные элементы управления. В этой передаче применен гидродинамический преобразователь (гидротрансформатор) обратного хода с максимальным КПД около 70%. Для повышения общего КПД гидромеханической передачи в ней между двигателем и гидротрансформатором установлен планетарный дифференциал, пропускающий часть мощности двигателя в коробку передач помимо гидротрансформатора, что усложняет конструкцию. На режиме гидрозамедлителя останавливается насосное колесо с помощью тормоза включения гидрозамедлителя и включается передача заднего хода, в результате чего турбинное колесо получает противовращение. Чтобы не допустить забросов частоты вращения турбинного колеса, использование режимов гидрозамедлителя ограничивается двумя низшими передачами при соответствующих скоростях движения автобуса. Однако в этом случае эффективность гидродинамического торможения в плане защиты колесных тормозов автобуса от износа снижается, поскольку примерно 96% тормозной энергии выделяется автобусом на скоростях движения от 30 до 70 км/ч и менее 2% на участке до 15 км/ч.

Отмеченные недостатки передачи-аналога принципиально устранены в автобусной гидромеханической передаче по патенту 2104431 Российской Федерации [2]. Эта передача в данной заявке принята за прототип.

Передача-прототип содержит гидродинамический преобразователь крутящего момента, снабженный блокировочным фрикционом и совмещенный с гидрозамедлителем, в круге циркуляции которого расположены насосное, турбинное, реакторное и тормозное колеса и дисковый тормоз остановки последнего, а также планетарную коробку передач.

Отрываясь по концептуальной новизне и эффективности и от других аналогов в мировой практике, передача-прототип по представленным в патенте 2104431 материалам не содержит достаточных указаний для воплощения ее в оптимальную реальную конструкцию. Так, планетарная коробка передач на схеме передачи представлена моноблоком, из которого вынесен тормоз включения гидрозамедлителя. Конструкторские проработки схемы показали, что такая компоновка приводит к увеличению габаритов передачи по сравнению с посекционным ее исполнением. Нет указаний о выполнении выходного вала гидропреобразователя, связанного с турбинным колесом. При отсутствии демпфера крутильных колебаний, который в прототипе исключен, этот вал не может иметь произвольную крутильную жесткость, поскольку в этом случае планетарная коробка передач может оказаться динамически перегруженной, что уменьшит ее срок службы.

В прототипе нет указаний о профилировке лопаток тормозного колеса и месторасположении его вывода за пределы круга циркуляции. Поскольку для типового трехколесного гидротрансформатора тормозное колесо является принципиально новым элементом, без соответствующих указаний оптимальную конструкцию гидротрансформатора-гидрозамедлителя выполнить невозможно.

В прототипе нет также конструктивных признаков планетарной коробки передач, связей ее отдельных элементов и их числа. Авторы предлагаемой заявки, опираясь на приведенную в патенте схему, предложили, по сути, конкретную схему со всеми конструктивными признаками, удовлетворяющую по функциональным характеристикам требованиям широкого класса транспортных машин.

И, наконец, существенным элементом конструкции, гидропреобразователя является муфта свободного хода, устанавливаемая в колесо реактора. В прототипе нет рекомендаций по типу и конструкции муфты свободного хода, обеспечивающей максимальную ее работоспособность. Между тем авторами заявки на основании длительного опыта исследований и эксплуатации различных конструкций муфт свободного хода найдена оптимальная конструкция, не ограничивающая ресурс гидромеханических передач транспортных машин и именно она, по мнению авторов, должна применяться в заявляемой передаче.

Таким образом, усовершенствование прототипа в данной заявке достигается тем, что предлагаемая гидромеханическая передача собрана в корпусе, состоящем из трех разъемных секций, в первой из которых установлен гидропреобраэователь с тормозным колесом, снабженным двумя концентричными рядами лопаток, причем наружный ряд лопаток размещен в верхней части круга циркуляции между насосным и турбинным колесами, а внутренний - в нижней части круга циркуляции между реакторным и насосным колесами, во второй секции размещены дисковый тормоз остановки тормозного колеса, две фрикционные муфты, три дисковых тормоза и два дифференциальных механизма планетарной коробки передач, первый из которых имеет промежуточные сателлиты, эпициклическая шестерня второго дифференциального механизма связана с эпициклической шестерней первого дифференциального механизма, причем первый и второй дифференциальные механизмы имеют общее водило, а третий дифференциальный механизм с выходным валом размещен в третьей секции.

Кроме того, угол установки лопаток наружного ряда тормозного колеса равен выходному углу установки лопаток насосного колеса, а угол установки лопаток внутреннего ряда равен входному углу установки лопаток насосного колеса, тормозное колесо снабжено щелевыми уплотнениями между насосным и реакторным колесами.

Кроме того, реакторное колесо гидромеханической передачи установлено на роликовой муфте свободного хода, ролики которой подпружинены в сторону наружной заклинивающей поверхности.

Кроме того, турбинное колесо гидромеханической передачи связано с плавающим упругим выходным валом гидропреобразователя с дозированной крутильной жесткостью, соединенным с входным валом коробки передач через первую фрикционную муфту.

Предлагаемая передача представлена на фиг.1-5. На фиг.1 показано общее конструктивное оформление передачи в продольном разрезе, на фиг.2 отдельно представлен гидропреобразователь, на фиг.3 показано сопряжение лопаток тормозного колеса с насосной лопаткой, на фиг.4 показана конструкция муфты свободного хода, на фиг.5 отдельно представлен выходной вал гидропреобразователя.

Гидромеханическая передача (ГМП, фиг. 1) содержит гидродинамический преобразователь крутящего момента, снабженный блокировочным фрикционом 1 и совмещенный с гидрозамедлителем, в круге циркуляции которого расположены насосное 2, турбинное 3, реакторное 4 и тормозное колесо 5. Дисковый тормоз 6 остановки тормозного колеса 5 вынесен за пределы рабочей полости гидропреобразователя. Планетарная коробка передач простирается от дискового тормоза 6 вправо до выходного вала ГМП поз.7. Основной отличительный признак заключается в том, что ГМП собрана в корпусе, состоящем из трех разъемных секций (I, II и III на фиг.1), в первой из которых установлен гидропреобразователь с тормозным колесом 5 (см.фиг.1 и 2), снабженным двумя концентричными рядами лопаток, причем наружный ряд лопаток 8 размещен в верхней части круга циркуляции между насосным и турбинным колесами, а внутренний 9 в нижней части круга циркуляции между реакторным 4 и насосным 2 колесами, во второй секции размещены дисковый тормоз 6 остановки тормозного колеса 5, две фрикционных муфты 10 и 11, три дисковых тормоза 12, 13 и 14 и два дифференциальных механизма 15 и 16 планетарной коробки передач, первый из которых имеет промежуточные сателлиты 17, эпициклическая шестерня 18 второго дифференциального механизма 16 связана с эпициклической шестерней 19 первого дифференциального механизма 15, причем первый и второй дифференциальные механизмы имеют общее водило 20, а третий дифференциальный механизм 21 с выходным валом 7 передачи размещены в третьей секции.

Предлагаемая ГМП работает следующим образом. После запуска двигателя последовательным переключением передач от 1-й до 4-й осуществляется разгон транспортной машины, например автобуса, до требующейся скорости движения. Для торможения автобуса отпускается педаль подачи топлива в двигатель и осуществляется воздействие на орган управления гидрозамедлителем, в результате чего срабатывает тормоз 6 и гидротрансформатор переводится в режим гидрозамедлителя. Насосное и турбинное колеса начинают взаимодействовать с остановившимся тормозным колесом 5 и выходной вал ГМП вместе с автобусом замедляются. Для окончания торможения снимается воздействие на орган управления гидрозамедлителем, в результате чего тормоз 6 выключается, а тормозное колесо 5 переходит на свободное вращение с угловой скоростью, практически равной угловой скорости вращения насосного колеса.

Благодаря размещению наружного ряда лопаток 8 тормозного колеса 5 в верхней части круга циркуляции между насосным и турбинным колесами осуществляется мощное гидродинамическое торможение, позволяющее, как показывают расчеты, практически полностью разгрузить колесные тормоза автобуса и получать при этом замедления в 0,7...1,0 м/с² на скоростях движения от 30 до 70 км/ч.

Конструктивное исполнение ГМП в трех разъемных секциях с вышеуказанным размещением в них основных узлов ГМП позволило свести до минимума объем механосборочных работ, исключило потребность в дорогостоящих приспособлениях и специальном станочном оборудовании, что сделало по ориентировочным оценкам стоимость предлагаемой ГМП в условиях серийного производства в Российской Федерации в 2...3 раза ниже стоимости аналогичных ГМП зарубежного производства (Фойт, Цанрадфабрик, Аллисон и др.).

На фиг.3 показан пример сопряжения лопаток тормозного колеса с лопатками насосного колеса. Из фиг.3 видно, что угол установки βторм.1 лопаток 22 наружного ряда 8 тормозного колеса 5 равен выходному углу β_2H установки лопаток 23 насосного колеса 2, а угол установки βторм.2 лопаток 24 внутреннего ряда 9 тормозного колеса 5 равен входному углу установки β_1H лопаток 23 насосного колеса 2. Такое сопряжение лопаток приводит к тому, что угловая скорость вращения тормозного колеса 5 в тяговом режиме гидротрансформатора становится практически равной угловой скорости вращения насосного колеса, что при равенстве углов на входе в насосное колесо исключает появление дополнительных ударных потерь по сравнению с 3-колесным гидротрансформатором. Это обусловливает возможность получения высоких значений максимального КПД в предлагаемом гидропреобразователе (до 90%). Этому также способствует введение щелевых уплотнений с зазором Δ минимально допустимым по радиальному биению между тормозным колесом и насосным и реакторным колесами (фиг.2, поз. 25).

На фиг.4 показан пример конструктивного оформления роликовой муфты свободного хода (фиг.1, поз.26), на которую установлено колесо реактора 4. Муфта содержит звездочку 27 с наружной заклинивающей поверхностью 28, ролики 29, обойму 30 с внутренней заклинивающей поверхностью 31 и прижимные пружины 32 роликов. Пружины установлены так, что прижимное усилие направлено через ролик в сторону наружной заклинивающей поверхности (см. пунктирную стрелку). Это приводит к тому, что переходный процесс от заклиненного состояния муфты к расклиненному происходит при меньшем давлении ролика на внутреннюю цилиндрическую заклинивающую поверхность, что снижает ее износ, от которого существенно зависит долговечность работы муфты свободного хода, особенно с плоской наружной заклинивающей поверхностью. Опыт эксплуатации подобных муфт свободного хода показал, что они перестают быть ограничивающим долговечность ГМП элементом конструкции, тогда как даже в лучших конструкциях зарубежных ГМП, например Аллисон, муфта свободного хода становится ограничивающим фактором после 500 тыс.км пробега машины.

На фиг. 5 показан пример конструктивного оформления выходного вала 33 гидропреобразователя, связанного с турбинным колесом 3. При включенном блокировочном фрикционе I, что имеет место в 50...70 всего времени эксплуатации транспортной машины, мощность двигателя передается непосредственно на этот вал. Неравномерность хода поршневого двигателя даже при наличии маховика, который обычно насаживается на носок коленвала, приводит к появлению резонансных частот в гидромеханической передаче, при которых наблюдаются максимальные динамические нагрузки, способные значительно понизить работоспособность валов, зубчатых передач, фрикционных дисков. Правильным выбором крутильной жесткости вала 33, производимым по специальной методике, разработанной авторами, резонансная частота ГМП уводится за пределы рабочего диапазона частот вращения коленвала двигателя, что делает динамическую нагруженность передачи вполне приемлемой. Для заявляемой ГМП, работающей с 6- или 8-цилиндровыми двигателями с равномерным чередованием вспышек, это имеет место при соотношении
Свободная "плавающая" установка этого вала в осевом направлении уменьшает изгибающие нагрузки на вал, возникающие от расцентровок (в пределах допусков) вращающихся деталей по отношению к корпусным.

Таким образом, предлагаемая ГМП в целом:
- увеличивает средние скорости движения на 1O...15%
- увеличивает приемистость на 15...20%
- увеличивает проходимость на слабых грунтах
- уменьшает утомляемость водителя
- увеличивает долговечность трансмиссионных узлов в 3...4 раза.

Эти преимущества проявляются в основном по сравнению с механическими коробками передач транспортных машин и обусловлены, главным образом, вышепредставленными отличительными признаками.

Источники информации
1. DER STADTVERKEHR, 1977, 8, с. 286-288.

2. RU 2104431 C1, 10.02.98.

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Гидромеханическая передача содержит гидродинамический преобразователь крутящего момента, совмещенный с гидрозамедлителем, в круге циркуляции которого расположены насосное, турбинное, реакторное и тормозное колеса, дисковый тормоз остановки последнего и планетарную коробку передач, и собрана в корпусе, состоящем из трех разъемных секций. В первой секции установлен гидропреобразователь, отличающийся профилировкой лопаток тормозного колеса, конструкцией муфты свободного хода и дозированной крутильной жесткостью выходного вала. Во второй секции размещены две фрикционные муфты, три дисковых тормоза и два дифференциальных механизма с конкретными, оговоренными в заявке, кинематическими связями. В третьей секции размещен третий дифференциальный механизм с выходным валом гидромеханической передачи. Увеличены ресурс и тяговые и тормозные характеристики передачи. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Гидромеханическая передача, например, автобуса, содержащая гидродинамический преобразователь крутящего момента, снабженный блокировочным фрикционом и совмещенный с гидрозамедлителем, в круге циркуляции которого расположены насосное, турбинное, реакторное и тормозное колеса, дисковый тормоз остановки последнего и планетарную коробку передач, отличающаяся тем, что она собрана в корпусе, состоящем из трех разъемных секций, в первой из которых установлен гидропреобразователь с тормозным колесом, снабженным двумя концентричными рядами лопаток, причем наружный ряд лопаток размещен в верхней части круга циркуляции между насосным и турбинным колесами, а внутренний - в нижней части круга циркуляции между реакторными и насосным колесами, во второй секции размещены дисковый тормоз остановки тормозного колеса, две фрикционные муфты, три дисковых тормоза и два дифференциальных механизма планетарной коробки передач, первый из которых имеет промежуточные сателлиты, эпициклическая шестерня второго дифференциального механизма связана с эпициклической шестернью первого дифференциального механизма, причем первый и второй дифференциальные механизмы имеют общее водило, а третий дифференциальный механизм с выходным валом размещен в третьей секции. 2. Гидромеханическая передача по п.1, отличающаяся тем, что угол установки лопаток наружного ряда тормозного колеса равен выходному углу установки лопаток насосного колеса, а угол установки лопаток внутреннего ряда равен входному углу установки лопаток насосного колеса, тормозное колесо снабжено щелевыми уплотнениями между насосным и реакторным колесами. 3. Гидромеханическая передача по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что реакторное колесо установлено на роликовой муфте свободного хода, ролики которой подпружинены в сторону наружной заклинивающей поверхности. 4. Гидромеханическая передача по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что турбинное колесо связано с плавающим упругим выходным валом гидропреобразователя с дозированной крутильной жесткостью, определяемой соотношением где d- диаметр шейки вала; L - длина вала.