МЕХАНИЧЕСКАЯ ГОЛОНОМНАЯ ЧАСТЬ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С БЕССТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ Российский патент 2004 года по МПК F16H3/74 F16H37/08 

Изобретение относится к голономным передачам с бесступенчатым изменением передаточных чисел (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.

Известна передача с фрикционным вариатором, раскрытая в книге 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 полезного момента, нежесткость характеристики передачи, малая долговечность и низкий КПД за счет скольжения в зонах контакта, ограничения по передаваемой мощности.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является “Электромеханическая передача Э.К. Короткова с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия”, содержащая ведущий и ведомый валы, кинематически связанные между собой трансформатором крутящего момента. Трансформатор крутящего момента представляет собой саморегулируемый бесступенчатый голономный вариатор непрерывного действия, выполненный из зубчатых цилиндрических колес и включающий в себя два однорядных дифференциальных механизма, одни из одноименных звеньев которого связаны между собой планетарной зубчатой передачей с заданным передаточным отношением, с водилом которой связан приводной двигатель, вторые одноименные звенья жестко связаны между собой, одно из третьих звеньев жестко соединено с опорой в виде стойки, а другое, третье звено, связано с валом генератора, питающего электродвигатель, вал которого соединен с ведущим валом вариатора, а одно из первых упомянутых звеньев является ведомым валом вариатора (Патент РФ №2053895 от 10.02.1996 г.).

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

Недостатками известной конструкции являются возникновение дополнительных потерь за счет того, что в режиме прямой передачи все звенья механизма 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 частоты вращения двигателя и выходного вала, которые в режиме прямой передачи равны.

Кроме того, вал средства, предназначенного для соединения с внешними устройствами для передачи вращения на входной вал, имеет частоту вращения, значительно превышающую частоту вращения входного вала.

Техническими задачами, решаемыми предлагаемой механической частью передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел, являются:

- упрощение конструкции механической части передачи за счет исключения дифференциального механизма на выходном валу;

- возможность бесступенчатого изменения передаточных чисел как автоматически, так и принудительно, причем с возможностью обеспечения частоты вращения выходного вала большей, чем частота вращения входного вала;

- обеспечение уменьшенной частоты вращения вала средства, предназначенного для передачи вращения входному валу;

- исключения такого неприятного узла как сцепление.

Технический результат в предлагаемой конструкции достигают созданием механической голономной части передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел, включающей входной вал, с которым жестко и соосно соединены солнечное колесо дифференциального механизма (ДМ) и зубчатое колесо планетарного механизма (ПМ). С солнечным колесом ДМ входят в зацепление сателлиты, в свою очередь входящие в зацепление с эпициклом, на котором жестко и соосно установлено зубчатое колесо для соединения с внешними устройствами - дополнительными механизмами (гидронасос, электромотор и т.д.).

Сателлиты вращаются на осях водила ДМ. На другом конце водила ДМ, в полом валу которого проходит входной вал, жестко и соосно установлено зубчатое колесо, с которым входит в зацепление один из венцов спаренного сателлита, жестко установленного на оси, на другом конце которой также жестко установлен второй венец спаренного сателлита, входящий в зацепление с зубчатым колесом, жестко установленным на конце входного вала. Оси спаренных сателлитов свободно установлены в выходном валу. Входной и выходной валы соосно и свободно вращаются относительно друг друга. Диапазон передаточных чисел, обеспечиваемый механической голономной частью непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел, составляет от 0,75 до бесконечности. В зависимости от соотношения выбранных зубчатых колес, входящих в устройство, число 0,75 может изменяться.

Предлагаемое устройство компактно и не имеет ограничений по передаваемой мощности.

Сущность предлагаемой механической голономной части передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где:

на фиг.1 показана кинематическая схема предлагаемой механической голономной части передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента;

на фиг.2 показана блок-схема передачи с бесступенчатым изменением крутящего момента (один из вариантов, возможны и другие);

на фиг.3 представлены графики зависимости n_вых, n_вх, n_{насоса,} j_{передачи} в зависимости от момента нагрузки на выходном валу для варианта, представленного на фиг.2 ([о.е.] - относительные единицы).

Механическая голономная часть передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел включает входной вал 1, на котором жестко и соосно закреплены солнечное колесо 2 дифференциального механизма и зубчатое колесо 3 планетарного механизма. С солнечным колесом 2 входят в зацепление сателлиты 4, в свою очередь входящие в зацепление с эпициклом 5, на котором жестко и соосно установлено зубчатое колесо 6 для соединения с внешними устройствами - дополнительными механизмами (гидронасос, электромотор и т.д.). Сателлиты 4 вращаются на осях водила 7 дифференциального механизма. На другом конце вала водила 7 жестко и соосно установлено зубчатое колесо 8, входящее в зацепление с венцом 9 спаренного сателлита, жестко установленного на оси 10. На другом конце оси 10 также жестко установлен второй венец 11 спаренного сателлита, входящий в зацепление с колесом 3. Оси 10 свободно установлены в выходном валу 12.

Работу предлагаемой механической части передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных отношений рассмотрим на примере использования ее в транспортном средстве, блок-схема которой представлена на фиг.2.

В блок-схему входят дополнительные механизмы, например гидронасос 18, связанный с предлагаемым механизмом через зубчатые колеса 17 и 6, двигатель внутреннего сгорания 13, гидромотор 16, связанный через зубчатые колеса 15 и 14 с входным валом предлагаемого устройства.

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

Двигатель внутреннего сгорания 13 работает 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 гидронасоса 18 и гидромотора 16 в области больших передаточных чисел (от 3 до ∞) должна составлять от ≈50 до 100% мощности двигателя. В области средних передаточных соотношений (от 2 до 3) от 25 до 50%, а при малых передаточных числах (от 0,75 до 2) ≈ от 0 до 25%.

Учитывая, что транспортное средство при разгоне в области больших передаточных чисел находится весьма кратковременно (1-2 сек), а также перегрузочную кратковременную возможность гидромашин, их потребную мощность следует выбирать 40-70% от мощности двигателя (определяется экспериментально для каждого транспортного средства). В предлагаемой механической голономной части передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением непрерывных чисел передаточные отношения в дифференциальном механизме и планетарной передаче связаны между собой строго определенным образом.

В начале работы механической голономной части передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел вращение с входного вала 1 передается через солнечное колесо 2 ДМ на сателлиты 4 и эпицикл 5, на водило 7, которое через жестко закрепленное на другом его конце вала зубчатое колесо 8 передает вращение венцу 9 спаренного сателлита. Другой венец 11 спаренного сателлита входит в зацепление с зубчатым колесом 3, жестко сидящим на входном валу. Спаренные сателлиты 9 и 11 жестко и соосно укреплены на оси 10, свободно вращающейся в выходном валу 12. Таким образом, на выходной вал 12 вращение передается двумя потоками: с одной стороны - через ДМ на венец спаренного сателлита 9, а с другой стороны - с входного вала, через колесо 3, венец спаренного сателлита 11.

После запуска двигателя 13 выходной вал остановлен, и пока на валу, предназначенному для соединения через колесо 17 с гидронасосом 18, не появится противодействующий момент, вся передача вращается на холостом ходу. Наклонная шайба обратимого гидронасоса 18 установлена на "0". Поэтому применения сцепления не требуется. Момент на выходном валу 12 также равен нулю. Если с помощью соответствующего расчета наклонить шайбу гидронасоса 18 в положение, соответствующее движению вперед, в гидросистеме появится давление, а момент, создаваемый гидронасосом 18, многократно усиленный, создаст на выходном валу момент, стремящийся в бесконечность, т.к. частота вращения вала гидронасоса в несколько раз превышает частоту вращения приводного двигателя (в данной конкретной конструкции в 4 раза). Но т.к. такой противодействующий момент создать нельзя, то движение транспортного средства начнется гораздо раньше, где-то при i=8-10. В то же время энергия, созданная гидронасосом 18, поступает в гидромотор 16, который возвращает ее на входной вал. Таким образом, вся развиваемая двигателем 13 мощность в любом режиме его работы поступает на выходной вал 12 (за исключением потерь).

В процессе разгона транспортного средства, а он происходит автоматически, т.к. по мере уменьшения инерционных сил транспортного средства момент на выходном валу 12 уменьшается, частота его вращения автоматически увеличивается, а частота вращения вала, на котором закреплены эпицикл 5 и зубчатое колесо 6 (см. фиг.3 функцию П_вых=f(Мн)), соответственно уменьшается, доля мощности, передаваемой через гидроканал, а при выравнивании частот вращения входного и выходного валов вся механическая система превращается в сплошной вал; ни одно из звеньев ни относительно осей, ни относительно друг друга не вращаются, при этом небольшая часть мощности (см. график на фиг.3) передается гидравликой. Если теперь перевести наклонную шайбу гидромотора 16 в положение “0”, то гидронасос останавливается, останавливая эпицикл 5, а это ведет к тому, что частота вращения выходного вала увеличивается по сравнению с частотой вращения входного вала ≈ на 25%, соответственно должен быть снижен момент двигателя (см. фиг.3, точки А и В). Таким образом, вся мощность двигателя передается через механическую часть устройства.

Если рычаг управления гидромашинами на ходу транспортного средства поворачивать в другую сторону относительно первоначального, то гидромотор превращается в гидронасос, а гидронасос 18 превращается в гидромотор, эпицикл раскручивается, соответственно все звенья механизма приходят в движение и выходной вал 12 начинает останавливаться. Наступает режим торможения за счет мощности двигателя, что важно в горной местности при движении по серпантинам.

Основная тормозная система находится в горячем резерве, что повышает надежность транспортного средства. В стояночном положении режим задней скорости организуется также за счет обратимости регулируемых гидромашин. Итак, гидромашины работают в четырех случаях: 1 - разгон; 2 - торможение; 3 - организация задней скорости; 4 - при движении на гору.

Точка А на фиг.3 соответствует i=1;

Точка В на фиг.3 соответствует i=0,75.

Частоту вращения вала 12 можно регулировать и в ручную путем дроссельной заслонки двигателя всеми четырьмя режимами: разгон, торможение, задний ход, подъем на гору. Кроме того, в этой системе легко используется режим рекуперации энергии.

В стояночном положении после запуска двигателя и его прогрева двигатель выводится на оптимальные обороты, при этом частота вращения эпицикла 5 составит ≈4 п_дв, который запасает значительную кинетическую энергию, к которой добавится кинетическая энергия всех звеньев механизма. Одновременно дается наклон шайбе управляемого обратимого гидронасоса и транспортное средство как бы “двойной тягой” - полная мощность двигателя плюс запасенная кинетическая энергия всего механизма - разгоняют, что ведет к значительному снижению времени его разгона. При движении, если требуется остановка, часть энергии торможения идет на пополнение кинетической энергии всеми звеньями механизма, чтобы при очередном разгоне отдать ее. Таким образом, происходит режим рекуперации энергии.

Изобретение относится к голономным передачам с бесступенчатым изменением крутящего момента и может быть использовано в машиностроении, в транспортных средствах, в станкостроении и других объектах и системах. Механическая голономная часть передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел содержит входной 1 и выходной 12 валы, планетарную передачу со спаренными сателлитами и дифференциальный механизм. Входной вал 1 вращается относительно выходного вала 12. Зубчатое колесо 3 планетарной передачи закреплено на входном валу 1 и зацеплено с венцом 11 спаренных сателлитов. Ось 10 спаренных сателлитов свободно вращается в выходном валу 12. Второй венец 9 спаренных сателлитов зацепляется с зубчатым колесом 8, жестко установленным на валу водила 7 дифференциального механизма. Сателлиты 4 дифференциального механизма связывают его солнечное колесо 2 и эпицикл 5. Солнечное колесо 2 жестко установлено на входном валу 1. На эпицикле 5 и на входном валу 1 жестко установлены зубчатые колеса 6 и 14 соответственно для присоединения дополнительных механизмов. Технический результат - упрощение конструкции передачи, получение частоты вращения выходного вала больше, чем частота вращения входного вала. 3 ил.

Механическая голономная часть передачи непрерывного действия с бесступенчатым изменением передаточных чисел, включающая входной и выходной валы, планетарную передачу со спаренными сателлитами и дифференциальный механизм, отличающаяся тем, что входной и выходной валы установлены с возможностью вращения относительно друг друга, планетарная передача имеет закрепленное на входном валу зубчатое колесо, входящее в зацепление с одним из венцов спаренных сателлитов, жестко насаженных на оси, установленной с возможностью свободного вращения в выходном валу, на другом конце упомянутой оси насажен второй венец спаренных сателлитов, входящий в зацепление с зубчатым колесом, жестко установленным на валу водила дифференциального механизма, на осях которого установлены сателлиты, связывающие солнечное колесо и эпицикл дифференциального механизма, при этом упомянутое солнечное колесо жестко установлено на входном валу, а на эпицикле и на входном валу жестко установлены зубчатые колеса для присоединения дополнительных механизмов.