УНИВЕРСАЛЬНАЯ ГОЛОНОМНАЯ ПЕРЕДАЧА С БЕССТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК F16H37/08 B60K17/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к универсальным голономным передачам с бесступенчатым изменением крутящего момента, и может быть использовано в транспортных средствах, станкостроении, 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.

Известна передача с фрикционным вариатором, раскрытая в кн. Пронин Б.А., Ревков 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является универсальная голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая входной вал, дифференциальный механизм, содержащий водило, установленные на его осях сателлиты, которые связывают эпицикл и солнечное колесо, выходной вал, связанный с ним, планетарный механизм и средство, предназначенное для соединения с внешними устройствами и передачи вращения на входной вал, а выходной вал установлен с возможностью вращения относительно входного вала (см. патент РФ 2053895, кл. В 60 К 17/12, 1993 г.).

Известная конструкция содержит второй дифференциальный механизм, который связан с первым планетарной передачей с определенным передаточным отношением.

Недостатками известной конструкции являются:
- необходимость постоянного зубчатого зацепления как на входном, так и на выходном валах, 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).

Кроме того, вал средства, предназначенного для соединения с внешними устройствами и передачи вращения на входной вал, имеет максимальную частоту вращения, в несколько раз превышающую частоту вращения входного вала.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемой голономной передачей с бесступенчатым изменением крутящего момента, являются:
- упрощение конструкции передачи, за счет исключения дифференциального механизма на выходном валу;
- обеспечение получения частоты вращения выходного вала меньше, чем частота вращения входного вала для возможности использования высокооборотных двигателей, например, ГТД;
- возможность бесступенчатого изменения передаточных чисел как автоматически, так и принудительно;
- обеспечение минимальной частоты вращения средства, предназначенного для соединения с генератором, электродвигателем и муфтой свободного хода и передачи вращения на входной вал.

Технический результат в предлагаемой конструкции достигают созданием голономной передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающей приводной двигатель, связанный с ним входной вал, дифференциальный механизм, содержащий водило, установленные на его осях сателлиты, которые связывают эпицикл и солнечное колесо, выходной вал, связанный с ним, планетарный механизм с сателлитами, внешние устройства и средство, предназначенное для соединения с внешним устройством и передачи вращения на входной вал, а выходной вал установлен с возможностью вращения относительно входного вала, в которой, согласно изобретению, внешние устройства содержат гидромотор, гидронасос и муфту свободного хода, и передача снабжена полым валом, расположенным между дифференциальным и планетарным механизмами, и в нем свободно установлен выходной вал, расположенный соосно с входным валом, причем на входном валу закреплены дополнительное зубчатое колесо и водило дифференциального механизма, а солнечное колесо дифференциального механизма закреплено на выходном валу и его эпицикл соединен с одним концом полого вала, при этом планетарный механизм состоит из солнечного колеса, закрепленного на выходном валу, зубчатого колеса, жестко установленного на втором конце полого вала, водила, на осях которого свободно установлены спаренные сателлиты, жестко соединенные между собой, причем один венец спаренного сателлита связан с солнечным колесом, а венец другого - с зубчатым колесом полого вала, при этом средство связано с водилом планетарного механизма и дополнительным колесом входного вала.

Предлагаемая конструкция позволяет получить максимальную частоту вращения выходного вала, примерно равную 1/3 от частоты вращения входного вала, при равных диаметрах начальных окружностей сателлитов и солнечного колеса дифференциального механизма.

Другим вариантом выполнения предлагаемой конструкции является голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая выходной вал, дифференциальный механизм, содержащий водило, установленные на его осях сателлиты, которые связывают эпицикл и солнечное колесо, приводной двигатель, связанный с ним входной вал, планетарный механизм с сателлитами, внешние устройства и средство, предназначенное для соединения с внешним устройством и передачи вращения на входной вал, а выходной вал установлен с возможностью вращения относительно входного вала, в которой, согласно изобретению, внешние устройства содержат гидромотор, гидронасос и муфту свободного хода, и передача снабжена полым валом с закрепленным на одном его конце эпициклом дифференциального механизма, расположенным между дифференциальным и планетарным механизмами, в котором свободно установлен выходной вал, соосный с входным валом, причем на выходном валу закреплено солнечное колесо дифференциального механизма, а его водило установлено свободно и соосно выходному валу и снабжено жестко установленным на нем дополнительным колесом, при этом планетарный механизм состоит из солнечного колеса, закрепленного на выходном валу, зубчатого колеса, закрепленного на втором конце полого вала, водила, закрепленного на входном валу, на осях которого свободно установлены спаренные сателлиты, жестко соединенные между собой, причем один венец спаренного сателлита связан с солнечным колесом, а другой - с зубчатым колесом полого вала, при этом средство связано с водилом планетарного механизма и дополнительным колесом водила дифференциального механизма.

Предлагаемая конструкция позволяет получить максимальную частоту вращения выходного вала примерно 2/3 от частоты вращения входного вала при равных диаметрах начальных окружностей сателлитов и солнечного колеса дифференциального механизма.

Изобретение характеризуется также тем, что средство, предназначенное для соединения с внешними устройствам и передачи энергии, выполнено в виде зубчатого колеса, установленного на водиле планетарного механизма и кинематически связанного с колесом, предназначенным для вращения внешнего устройства, и с колесом, предназначенным для приема вращения от внешнего устройства, входящим в зацепление с дополнительным колесом.

Предлагаемая передача компактна, не имеет ограничений по передаваемой мощности и частоте вращения и может быть использована для высокооборотных двигателей.

Широкий диапазон передаточных чисел, получаемых за счет передачи, позволяет организовать режим работы механизмов, например, в автотранспорте, в которых используется предлагаемая передача, по характеристике минимальных расходов топлива.

Предлагаемая голономная передача 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 nдвс = const.

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

Универсальная голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента включает входной вал 1, закрепленные на нем дополнительное зубчатое колесо 2 и водило 3, установленные на его осях сателлиты 4, которые связывают эпицикл 5 и солнечное колесо 6 дифференциального механизма, выходной вал 7, полый вал 8, расположенный между дифференциальным и планетарным механизмами, и средство, предназначенное для соединения с внешними устройствами и передачи вращения входного вала.

В полом валу 8 свободно установлен выходной вал 7, расположенный соосно и с возможностью вращения относительно входного вала 1.

При этом солнечное колесо 6 дифференциального механизма закреплено на выходном валу 7.

Планетарный механизм состоит из солнечного колеса 9, закрепленного на выходном валу 7, зубчатого колеса 10, жестко установленного на одном конце полого вала 8, водила 11, на осях 12 которого свободно установлены спаренные сателлиты с венцами 13, 14, жестко соединенные между собой, причем венец 14 связан с солнечным колесом 9, а другой 13 - с зубчатым колесом 10 полого вала.

На другом конце полого вала 8 закреплен эпицикл 5 дифференциального механизма.

Средство, предназначенное для соединения с внешними устройствам и передачи вращения выходного вала, выполнено в виде зубчатого колеса 15, установленного на водило 11 планетарного механизма и кинематически связанного с колесом 16, предназначенным для вращения внешнего устройства, и с колесом 17, предназначенным для приема вращения от внешнего устройства, входящим в зацепление с дополнительным колесом 2.

Дополнительное колесо 2 может быть закреплено непосредственно на входном валу 1 (фиг.1) или на водило 3 дифференциального механизма (фиг.2).

Во втором варианте выполнения универсальной голономной передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента водило 11 планетарного механизма закреплено на входном валу 1, а на выходном валу 7 - солнечное колесо 6 дифференциального механизма, а его водило 3 установлено соосно выходному валу 7 и снабжено жестко установленным на нем дополнительным колесом 2.

Работу предлагаемой голономной передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента рассмотрим на примере использования ее в транспортном средстве (фиг.1).

В транспортное средство входят, например, насос 18, с одной стороны связанный с колесом 16, а с другой - с гидромотором 19, муфтой свободного хода 20, связанной с колесом 17, и приводной двигатель 21, которые взаимодействуют с входным валом 1 и через дополнительное колесо 2 с голономной передачей с бесступенчатым изменением крутящего момента.

Внешние устройства, а именно, гидромотор, гидронасос, муфта свободного хода и двигатель, используемые в предлагаемой блок-схеме, общеизвестны и на их новизну авторы не претендуют.

В качестве приводного двигателя 21 могут быть использованы газотурбинный двигатель или любой высокооборотный двигатель, работающие на постоянной, оптимальной, с точки зрения расхода топлива, отдачи мощности и минимального выброса вредных выхлопных газов, частоте вращения.

Постоянство частоты вращения двигателя для работоспособности системы не обязательно.

Потребная мощность насоса 18 и гидромотора 19 должна составлять:
1. В области больших передаточных чисел от ≈ 50 до 100% мощности двигателя.

2. В области средних передаточных чисел от 25 до 50%.

3. При малых передаточных числах от нуля до 25%.

Учитывая, что транспортное средство при разгоне в области больших передаточных чисел находится весьма кратковременно (1-3 с), потребную мощность насоса 18 и гидромотора 19 следует выбирать в пределах 35-50% от мощности двигателя.

Недостающая мощность насоса - за счет его перегрузочной способности.

После разгона транспортного средства гидромашины 18, 19 останавливаются и вся мощность приводного двигателя 21, практически без потерь, передается на выходной вал 7 передачи.

При этом отсутствуют какие-либо разрывы кинематической цепи. Разгон транспортного средства производят при полной мощности приводного двигателя 21.

Гидронасос 18 целесообразно применять переменной производительности.

При использовании предлагаемого изобретения число органов управления транспортным средством на один меньше (отсутствует педаль сцепления) числа органов управления в серийных транспортных средствах, имеющих ступенчатую коробку передач.

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

Приводной двигатель 21 приводит во вращение входной вал 1, который передает вращение на водило 3 дифференциального механизма. Свободно установленные на осях водила сателлиты 4 передают вращение, с одной стороны через солнечное колесо 6 выходному валу 7, а с другой стороны через эпицикл 5, полый вал 8 вращение передают на зубчатое колесо 10, закрепленное на полом валу 8, а далее на венцы 13, 14 спаренных сателлитов, солнечное колесо 9 и на выходной вал 7.

Одновременно, венцы 13, 14 спаренных сателлитов, обкатываясь по солнечному 9 и зубчатому 10 колесам, через оси 12 передают вращение водилу 11. На нем установлено зубчатое колесо 15, передающее через связанное с ним колесо 16 вращение на гидронасос 18, гидромотор 19.

Далее через муфту свободного хода 20 и колесо 17, предназначенное для приема вращения от муфты, вращение передается на дополнительное колесо 2 и через него на входной вал 1.

Таким образом, энергия снова возвращается на входной вал 1. После запуска приводного привода 21, выходной вал 7 остановлен, и пока на валу колеса 16 не появится противодействующий момент, весь механизм вращается на холостом ходу (вращение на ведомый вал не передается).

Гидронасос 18 при этом закольцован (его вход соединен с помощью гидрораспределителя (на черт. не показ.) с его выходом).

Поэтому, применение такого неприятного узла как сцепление не требуется.

Как только гидронасос 18 начнет подавать рабочую жидкость через гидрораспределитель (на черт. не показан) в гидромотор 19, последний начинает вращаться и через муфту 20 "догнав" частоту вращения приводного двигателя 21, начнет вращать входной вал 1 с той же частотой, что и частота вращения приводного двигателя 21.

Таким образом, мощность двигателя 21 как бы разделяется на два потока: на выходной вал 7 и на гидронасос 18.

Однако, поток, идущий через гидронасос 18, немедленно через гидромотор 19, муфту 20, колесо 17 и дополнительное колесо 2 возвращается на входной вал 1.

Таким образом, вся развиваемая приводным двигателем мощность в любом режиме его работы поступает на выходной вал 7. Когда выходной вал 7 стоит (в момент трогания), частота вращения гидронасоса 18 максимальна (фиг. 3, график функции П_гн = f(М_н)).

При открытии гидрораспределителем канала подачи рабочей жидкости в гидронасос 18 и "догоне" им входного вала 1, на валу гидронасоса 18 возникает момент, который многократно усиленный всей передачей, поступает на выходной вал 7.

Движение транспортного средства начинается гораздо раньше, например, при i=10.

В процессе разгона, по мере уменьшения инерционных сил транспортного средства, момент на выходном валу уменьшается, частота его вращения автоматически увеличивается, а частота вращения гидронасоса 18 уменьшается, соответственно, уменьшается и доля мощности, передаваемой через гидромашины 18, 19 (фиг. 3, график N_гн ≈ N_гм = f(М_н)).

Процесс происходит бесступенчато и автоматически. Изменение частоты вращения выходного вала 7 в процессе разгона представлено на фиг.3, график n_вых. = f(М_н). В точке А канал от насоса с помощью гидрораспределителя (на черт. не показ.) перекрывает канал подачи рабочей жидкости в гидромотор 19, после чего гидронасос 18 и гидромотор 19 останавливаются, муфта 20 отсоединяет гидромотор 19 от входного вала 1, а частота вращения выходного вала 7 несколько увеличивается, при этом вся мощность приводного двигателя 21 передается через механическую часть передачи с малыми потерями.

Частоту вращения выходного вала 7 передачи можно регулировать и вручную за счет регулировки подачи рабочей жидкости в гидромотор или за счет изменения частоты вращения приводного двигателя 21.

Графики на фиг.3, 4 построены в относительных единицах на основе экспериментальных данных.

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

На нем были сняты основные зависимости, представленные на фиг.3 и 4.

Предлагаемая универсальная голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента позволяет упростить управление транспортным средством. При разгоне средства с помощью 4-х ступенчатой коробки передач требуется 19 различных действий водителя, а при предлагаемой передаче только перемещение рукоятки гидрораспределителя или педали газа (на черт. не показ. )
Предлагаемая передача, предназначенная для использования с высокооборотными двигателями, например, газотурбинными, компактна, не имеет ограничений по передаваемой мощности и частоте вращения, является прогрессивной.

Предлагаемая универсальная голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента позволяет получать широкий диапазон передаточных чисел, который обеспечивает работу транспортных средств по характеристике "минимальных расходов топлива", а также исключить такой ненадежный и требующий периодической смены дисков узел, как сцепление.

Ожидаемая масса предлагаемой передачи:
При передаваемой мощности 40 кВт примерно 30-35 кг.

При передаваемой мощности 80 кВт примерно 55-60 кг (в электрическом варианте - до 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 передач типа "Электрогир" 0,8-0,92.

Диапазон изменений передаточных отношений от бесконечности до 3.

У варианта передачи от бесконечности до 3/2 при одинаковых начальных окружностях солнечного колеса и сателлитов дифференциального механизма (ДМ). Нижний предел передаточного отношения передачи может изменяться в зависимости от соотношений радиусов солнечного колеса и сателлитов ДМ.

Предлагаемая передача позволяет использовать газотурбинные двигатели (ГТД), имеющие частоту вращения 8000-1200 об/мин и выше. Применение ГТД дает дополнительную экономию топлива, т.к. его КПД достигается 60%, в то время как у ДВС - 30-35%.

Применение ГТД со ступенчатой коробкой передач проблематично в силу их высоких оборотов и инерционности.

Кроме того, ГТД работают на керосине, что дешевле и менее пожароопасно.

Следует также отметить, что при применении предлагаемой передачи для обратимых гидромашин можно организовать эффективное торможение двигателя, работающего на холостом ходу, с которым жестко соединен вал гидромотора.

Муфта свободного хода в этом случае отсутствует, а гидромотор с помощью гидрораспределителя после разгона транспортного средства закольцован, т.е. работает также на холостом ходу. Канал от гидронасоса перекрыт гидрораспределителем.

Если снять кольцевание гидромотора, а трубопровод гидромотора соединить с гидронасосом, то за счет энергии движения транспортного средства двигатель и гидромотор начнут раскручиваться. Последний начнет подавать рабочую жидкость в гидронасос, который начнет также раскручиваться, тормозя выходной вал 7 передачи, обеспечивая эффективное торможение двигателя. При этом будет экономиться ресурс основной тормозной системы, а также обеспечиваться ее дублирование, что повышает надежность транспортного средства.

Кроме того, с помощью предлагаемой передачи возможно длительное торможение при спуске по серпантину в горной местности.

Изобретение относится к голономным передачам с бесступенчатым изменением крутящего момента и может быть использовано в машиностроении, в транспортных средствах, станкостроении, в других объектах и системах, где используют автоматическое или принудительное плавное изменение частоты вращения выходного вала в зависимости от момента нагрузки на нем при постоянной или переменной частоте вращения входного вала. Передача содержит дифференциальный и планетарный механизмы, внешние устройства, включающие гидромотор 19, гидронасос 18 и муфту 20 свободного хода, и средство для соединения с внешними устройствами и передачи вращения на входной вал 1. Дифференциальный механизм состоит из солнечного колеса 6, водила 3 и эпицикла 5. Планетарный механизм состоит из солнечного колеса 9, водила 11, спаренных сателлитов с венцами 13 и 14 и зубчатого колеса 10. Эпицикл 5 и зубчатое колесо 10 соединены полым валом 8, свободно установленным на выходном валу 7 между механизмами. Средство выполнено в виде зубчатого колеса 15, закрепленного на водиле 11 и кинематически связанного с колесом, предназначенным для вращения внешнего устройства, и с колесом, предназначенным для приема вращения от внешнего устройства и зацепленным с дополнительным колесом, установленным на входном валу 1 или на водиле 3. Упрощена конструкция передачи за счет исключения дифференциального механизма на выходном валу; обеспечено получение частоты вращения выходного вала больше, чем частота вращения входного вала. 2 с. и 1 з. п.ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая приводной двигатель, связанный с ним входной вал, дифференциальный механизм, содержащий водило, установленные на его осях сателлиты, которые связывают эпицикл и солнечное колесо, выходной вал, связанный с ним, планетарный механизм с сателлитами, внешние устройства и средство, предназначенное для соединения с внешними устройствами и передачи вращения на входной вал, а выходной вал установлен с возможностью вращения относительно входного вала, отличающаяся тем, что внешние устройства содержат гидромотор, гидронасос и муфту свободного хода и передача снабжена полым валом, расположенным между дифференциальным и планетарным механизмами, и в нем свободно установлен выходной вал, расположенный соосно с входным валом, причем на входном валу закреплены дополнительное зубчатое колесо и водило дифференциального механизма, а солнечное колесо дифференциального механизма закреплено на выходном валу и его эпицикл соединен с одним концом полого вала, при этом планетарный механизм состоит из солнечного колеса, закрепленного на выходном валу, зубчатого колеса, жестко установленного на втором конце полого вала, водила, на осях которого свободно установлены спаренные сателлиты, жестко соединенные между собой, причем один венец спаренного сателлита связан с солнечным колесом, а венец другого - с зубчатым колесом полого вала, при этом средство связано с водилом планетарного механизма и дополнительным колесом входного вала. 2. Голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента, включающая выходной вал, дифференциальный механизм, содержащий водило, установленные на его осях сателлиты, которые связывают эпицикл и солнечное колесо, приводной двигатель, связанный с ним входной вал, планетарный механизм с сателлитами, внешние устройства и средство, предназначенное для соединения с внешним устройством и передачи вращения на входной вал, а выходной вал установлен с возможностью вращения относительно входного вала, отличающаяся тем, что внешние устройства содержат гидромотор, гидронасос и муфту свободного хода и передача снабжена полым валом с закрепленным на одном его конце эпициклом дифференциального механизма, расположенным между дифференциальным и планетарным механизмами, в котором свободно установлен выходной вал, соосный с входным валом, причем на выходном валу закреплено солнечное колесо дифференциального механизма, а его водило установлено свободно и соосно с выходным валом и снабжено жестко установленным на нем дополнительным колесом, при этом планетарный механизм состоит из солнечного колеса, закрепленного на выходном валу, зубчатого колеса, закрепленного на втором конце полого вала, водила, закрепленного на входном валу, на осях которого свободно установлены спаренные сателлиты, жестко соединенные между собой, причем один венец спаренного сателлита связан с солнечным колесом, а другой - с зубчатым колесом полого вала, при этом средство связано с водилом планетарного механизма и дополнительным колесом водила дифференциального механизма. 3. Голономная передача с бесступенчатым изменением крутящего момента по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что средство, предназначенное для соединения с внешними устройствами и передачи энергии, выполнено в виде зубчатого колеса, установленного на водиле планетарного механизма и кинематически связанного с колесом, предназначенным для вращения внешнего устройства, и с колесом, предназначенным для приема вращения от внешнего устройства, входящим в зацепление с дополнительным колесом.