ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД (СУПЕРВАРИАТОР) Российский патент 2011 года по МПК F16H15/52 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности, в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств, а также бесступенчатой трансмиссии гибридных силовых агрегатов с маховичным накопителем энергии.

Из уровня техники известны рассмотренные ниже широкодиапазонные бесступенчатые приводы с разделением потоков мощности, в технической и патентной литературе кратко называемые супервариаторами.

Известен широкодиапазонный бесступенчатый привод с вариатором, преимущественно симметричным по передаточному отношению - клиноременным или тороидальным, позволяющий использовать для расширения диапазона варьирования передаточного отношения обе фазы регулирования передаточного отношения. Одна фаза, например, уменьшающая передаточное отношение вариатора, используется непосредственно, а вторая, увеличивающая его, используется с циркуляцией мощности в замкнутом режиме с дифференциальной конической зубчатой передачей, преобразующей увеличение передаточного отношения вариатора в дальнейшее уменьшение передаточного отношения всего привода. Таким образом, диапазон варьирования передаточного отношения привода существенно расширяется по сравнению с диапазоном варьирования передаточного отношения вариатора (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. «Вариаторы», М., Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185). Этому устройству-аналогу присущи недостатки, заключающиеся в том, что вариатор выполняется не по планетарной схеме, является симметричным по передаточному отношению, привод содержит большое число вспомогательных передач, в том числе и дифференциальную коническую зубчатую передачу, что усложняет привод и существенно снижает его КПД.

Известно также устройство «Бесступенчатая многодиапазонная передача с кинематической нейтралью», включающее вариатор, преимущественно торовый двухрядный, планетарные передачи, кинематически связанные с валом двигателя, входом и выходом вариатора и выходным валом передачи. Эта передача позволяет получить передний и задний ходы машины с небольшими скоростями с переходом через нейтраль без разрыва кинематической связи, а также движение машины вперед только на вариаторе и два диапазона с повышенными скоростями, использующие обе фазы регулирования передаточного отношения вариатора (см. US Patent №6 045 477, Apr.4, 2000, F16H 37/02, 475/207). Недостатком этого устройства, принятого за аналог, являются: 1) выполнение вариатора не по планетарной схеме, что существенно снижает КПД передачи на режимах минимальных передаточных отношений вариатора; 2) наличие большого числа вспомогательных зубчатых передач, КПД которых в замкнутой схеме входит в КПД вариатора и существенно снижает КПД всей передачи; 3) недостаточная универсальность устройства, не позволяющая без существенных изменений использование в нем вариаторов другого типа, например планетарных; 4) наличие всего двух достаточно узких диапазонов работы передачи с высоким КПД, которых, согласно расчетам и практическим исследованиям авторов в этой сфере, недостаточно для весьма широкого диапазона передаточных отношений с высоким КПД, необходимого эффективному транспортному средству.

Известен также привод, содержащий варьируемое звено, включающее две обратимые электромашины, а также первичный источник вращения, в данном случае двигатель внутреннего сгорания с маховиком, валы которых кинематически соединены с элементами зубчатого дифференциального механизма с двумя степенями свободы. В частности, вал первичного источника вращения (первичный вал) соединен с водилом дифференциального механизма, вал одной из электромашин - с центральным внутренним (солнечным) колесом дифференциального механизма, а вал второй электромашины - с центральным внешним колесом (эпициклом) дифференциального механизма и с ним же соединен выходной (вторичный) вал привода. Это устройство, принятое за аналог, используется в гибридной трансмиссии автомобилей Toyota Prius и описано в Википедии на сайте http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive.

Преимуществом этого привода, содержащего немеханическое варьируемое звено, включающее две обратимые машины (которые могут быть выполнены также в виде обратимых гидромашин, в общем случае - обратимых машин), состоит в том, что по сравнению с механическим варьирующим звеном (вариатором), через обратимые машины проходит лишь часть мощности от первичного вала (в частности, до 75% ее), а остальная часть идет на вторичный вал через зубчатые передачи дифференциального механизма с гораздо большим КПД. То есть разделение потока мощности происходит уже в самом варьирующем звене, что повышает КПД привода.

Недостатком же устройства-аналога является недостаточный КПД и высокая потребная мощность обратимых машин, так как через них проходит все таки существенная мощность. Для гибридных же силовых агрегатов автомобилей КПД трансмиссии играет решающую роль, так как мощность дважды проходит через нее и значение КПД учитывается в квадрате, что существенно влияет на экономичность.

Известен также широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), содержащий корпус, в котором установлена бесступенчатая передача в виде механического дискового планетарного вариатора с входным и выходным кинематическими звеньями-валами, управляющий механизм, кинематически связанный с вариатором и включающий согласующую и дифференциальную передачи, причем выходное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью его попеременного соединения с кинематическими звеньями управляющего механизма (см. патент РФ №2311575, F16H 37/02, 27.11.2007, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)», автор - Гулиа Н.В.). Последнее техническое решение принято за прототип, так как обладает максимальной совокупностью общих с изобретением признаков.

Недостатком известного привода, принятого за прототип, является необходимость переключений кинематических связей как согласующей передачи с дифференциальной, так и дифференциальной передачи с входным и выходным валами всего привода, что усложняет конструкцию механизмов управления коробкой передач, а главное -конструкция рассчитана только на использование дискового планетарного вариатора, где входной вал проходит через весь вариатор по его оси вращения в ту же сторону, что и входное звено вариатора, что делает невозможным использование вариатора других типов, например немеханических варьирующих звеньев, включающих обратимые машины - электрические, гидравлические и другие, объединенные с дифференциальным механизмом для разделения потока мощности, а следовательно, повышение КПД варьирующего звена.

Задачей изобретения является разработка устройства, где были бы устранены указанные недостатки, а именно была бы устранена необходимость переключений кинематических связей дифференциальной передачи с входным и выходным валами привода, а также чтобы устройство подходило под различные типы варьирующих звеньев - бесступенчатых обратимых передач, в том числе электрических и гидравлических обратимых машин, объединенных с дифференциальным механизмом.

Указанная задача решается тем, что предложен широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), включающий бесступенчатую передачу с входными и выходными кинематическим звеньями - валами, управляющий механизм супервариатора, кинематически связанный с упомянутыми звеньями и включающий дифференциальную и согласующую передачи, в котором, согласно изобретению, дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов, постоянно кинематически связанных с входными и выходными кинематическими звеньями бесступенчатой передачи, причем в первом из дифференциальных механизмов с входным звеном бесступенчатой передачи связано водило, а во втором дифференциальном механизме с упомянутым входным звеном бесступенчатой передачи связано одно из центральных колес, а выходное звено бесступенчатой передачи в обоих дифференциальных механизмах связано с обеими незадействованными другими связями внешними или внутренними центральными колесами, при этом согласующая передача, выходной вал которой является выходным звеном всего супервариатора, выполнена с возможностью периодической кинематической связи ее вала с одним из незадействованных центральных колес одного из дифференциальных механизмов дифференциальной передачи и с водилом другого ее дифференциального механизма, а передаточные отношения зубчатых пар, образованных кинематической связью дифференциальной передачи с согласующей передачей, выполнены такими, чтобы при максимальном и минимальном рабочих передаточных отношениях бесступенчатой передачи вращение двух любых зубчатых колес, сидящих с возможностью свободного вращения на валу согласующей передачи и вступающих в периодическое одновременное соединение с этим валом, совпадало по направлению и частоте вращения, при этом бесступенчатая передача включает две обратимые энергетические машины, объединенные дифференциальным механизмом с входными и выходными кинематическими звеньями -валами, как бесступенчатой передачи, так и всего супервариатора, причем входное кинематическое звено бесступенчатой передачи выполнено с возможностью соединения с входным кинематическим звеном всего супервариатора, а вал одной из обратимых энергетических машин бесступенчатой передачи кинематически связан с одним из звеньев ее дифференциального механизма, с другим его звеном кинематически связаны входные валы супервариатора и бесступенчатой передачи, а с выходным звеном бесступенчатой передачи связан как вал другой обратимой энергетической машины, так и третье, незадействованное звено дифференциального механизма бесступенчатой передачи.

Другим отличием устройства является то, что центральные колеса дифференциальной передачи, кинематически связанные с выходным звеном бесступенчатой передачи, установлены на общей обойме.

Еще одним отличием устройства является то, что управляющий механизм супервариатора выполнен с возможностью непосредственной периодической кинематической связи выходного кинематического звена бесступенчатой передачи с выходным валом согласующей передачи при отключении от последнего звеньев дифференциальных механизмов.

Следующим отличием устройства является то, что входное кинематическое звено бесступенчатой передачи, соединенное с входным кинематическим звеном супервариатора, выполнено с возможностью периодической кинематической связи с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов дифференциальной передачи.

Следующим отличием устройства является то, что входной вал супервариатора выполнен с возможностью его периодической кинематической связи с входным кинематическим звеном бесступенчатой передачи и проходящей соосно внутри него.

Следующим отличием устройства является то, что выходное кинематическое звено бесступенчатой передачи выполнено с возможностью периодической связи с валом согласующей передачи через механизм реверса.

Следующим отличием устройства является то, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых электромашин.

Следующим отличием устройства является то, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых гидромашин.

Следующим отличием устройства является то, что валы двух обратимых энергетических машин выполнены кинематически связанными с соответствующими звеньями дифференциального механизма бесступенчатой передачи с помощью зубчатых передач.

Следующим отличием устройства является то, что одна из обратимых энергетических машин выполнена с полым ротором, через который проходит входной вал супервариатора.

Следующим отличием устройства является то, что обе обратимые энергетические машины выполнены с полыми роторами, причем в полом роторе большей из них встроена меньшая обратимая машина.

Следующим отличием устройства является то, что обратимые энергетические машины выполнены с общим статором, а роторы их выполнены у меньшей машины внутренним, а у большей внешним.

Следующим отличием устройства является то, что ротор одной обратимой энергетической машины кинематически связан с центральным внутренним колесом дифференциального механизма бесступенчатой передачи, а ротор другой - с водилом этого механизма, а центральное внешнее колесо дифференциального механизма бесступенчатой передачи соединено с входными валами супервариатора и бесступенчатой передачи.

Благодаря вышеперечисленным отличиям достигается технический результат, заключающийся в упрощении управления супервариатором, а также повышении КПД супервариатора и уменьшении установочной мощности обратимых энергетических машин, а следовательно, их массы и массы устройств управления.

Техническое решение - устройство представлено на схемах фиг.1-фиг.10, где изображены кинематические схемы устройств в их продольном разрезе.

На фиг.1 и фиг.2 представлены принципиальные схемы супервариатора с символично изображенной бесступенчатой передачей.

На фиг.3 и фиг.4 изображены схемы супервариатора с бесступенчатой передачей, содержащей обратимые энергетические машины, валы которых кинематически связаны с дифференциальным механизмом зубчатыми передачами.

На фиг.5 и фиг.6 изображены схемы супервариатора с бесступенчатой передачей, содержащей одну из обратимых энергетических машин с полым ротором.

На фиг.7 и фиг.8 изображены схемы супервариатора с бесступенчатой передачей, содержащей обе обратимые энергетические машины с полыми роторами и с малой машиной, встроенной в полый ротор большой.

На фиг.9 и фиг.10 изображены схемы супервариатора с бесступенчатой передачей, содержащей обратимые энергетические машины с общим статором.

Устройство (см. фиг.1) состоит из бесступенчатой передачи 1 (обведено штриховой линией), входного звена 2 бесступенчатой передачи 1, продолжением которой является входной вал 3 супервариатора и дифференциальной передачи 4 (обведено штриховой линией), соединенной своими звеньями с согласующей передачей 5 (обведено штриховой линией). Вал 3 супервариатора через водило 6 дифференциального механизма 7 (обведен штриховой линией) кинематически соединен с внутренним центральным зубчатым колесом 8 дифференциального механизма 9 (обведен штриховой линией), входящего в состав дифференциальной передачи 4. Внутреннее центральное зубчатое колесо 10 дифференциального механизма 7, также входящего в состав дифференциальной передачи 4, кинематически соединено с двумя соосными зубчатыми колесами 11 и 12, а водило 13 дифференциального механизма 9 - с зубчатым колесом 14. Согласующая передача 5 включает в себя зубчатые колеса 15, 14, 11 и 12, соединенные с соответствующими звеньями дифференциальных механизмов 7 и 9, и входящими с ними в постоянное зацепление зубчатыми колесами, соответственно с зубчатыми колесами 16, 17, 18, 19, свободно сидящими на выходном валу 20, являющимся выходным кинематическим звеном супервариатора. Зубчатые колеса 16, 17, 18 и 19 содержат муфты включения, соответственно, 21, 22, 23 и 24, выполненные для поочередного соединения упомянутых зубчатых колес с валом 20. Муфты включения управляются сервоприводом 25, например электромагнитами или гидроцилиндрами. Вал 20 несет на себе также свободно посаженные зубчатые колеса 26 и 27 с возможностью соединения их с валом 20, с помощью соответствующих муфт 28 и 29 включения, аналогичных муфтам 21, 22, 23 и 24, соответственно, обеспечивающие реверс и «прямую» передачу, то есть соединение вала 20 непосредственно с валом 3, минуя бесступенчатую передачу 1. Реверс обеспечивается паразитной шестерней 30, которая меняет направление вращения зубчатого колеса 15 на обратное, сообщая колесу 26 и валу 20 обратное направление вращения. Дифференциальные механизмы 7 и 9 содержат внешние центральные зубчатые колеса, соответственно 31 и 32, расположенные на общей обойме 33, являющейся выходным звеном бесступенчатой передачи 1, с которой соединено зубчатое колесо 15. Все вышеперечисленные механизмы и сервоприводы помещены в корпус 34 с выходящими из него валами 2 и 20. "Прямая" передача обеспечивается соединением вала 20 через зубчатую передачу 27-35 с валом 3, при выключенной бесступенчатой передачи 1.

Возможно выполнение устройства по фиг.2, когда с выходным звеном - общей обоймой 33 бесступенчатой передачи 1 соединены внутренние центральные зубчатые колеса 8 и 10, соответственно, дифференциальных механизмов 9 и 7, внешнее центральное зубчатое колесо 32 дифференциального механизма 9 соединено с валом 3 через водило 6 дифференциального механизма 7, а внешнее центральное зубчатое колесо 31 дифференциального механизма 7 соединено с двумя соосными зубчатыми колесами 11 и 12. Общая обойма 33 в устройстве по фиг.2 проходит внутри устройства, соосно валу 3, а не снаружи, как в схеме по фиг.1. В остальном устройство по фиг.2 аналогично устройству по фиг.1.

Работа предложенной передачи рассматривается на примере управления с ее помощью скоростью движения городского автомобиля, например городского автобуса, с двигателем внутреннего сгорания, коленчатый вал которого соединяется со входным валом 3 супервариатора. Движение начинается при максимальном передаточном отношении бесступенчатой передачи 1. Для получения минимальной скорости автомобиля с выходным валом 20 супервариатора соединяется с помощью соответствующего сервопривода 25 и муфты включения 21 зубчатое колесо 16, находящееся в постоянном зацеплении с колесом 15, соединенным с выходным кинематическим звеном - общей обоймой 33 бесступенчатой передачи 1.

Для рассматриваемого привода условно приняты следующие передаточные отношения зубчатых передач: колеса 10 с колесом 31, как и колеса 8 с колесом 32 - 1,667; колеса 15 с колесом 16 - 3,14; колеса 14 с колесом 17 - 1,036; колеса 11 с колесом 18 - 1,675; колеса 12 с колесом 19 - 5,655. Передаточные отношения передач, образованных колесами 15-30-26 (реверс) и колесами 35 и 27 («прямая» передача), принципиального значения для работы супервариатора не имеют и выбираются из желаемой скорости заднего хода (реверс) и максимальной скорости движения на шоссе («прямая» передача). Минимальное передаточное отношение бесступенчатой передачи 1 условно принимаем равным 1,3, а максимальное - 8,2, что обусловлено реальными возможностями соответствующих бесступенчатых передач, описанных ниже.

Исходя из приведенных передаточных отношений максимальное передаточное отношение рассматриваемой передачи при максимальном передаточном отношении описанных ниже бесступенчатых передач, равном 8,2, и минимальной скорости движения автомобиля равно 25,748, что достаточно много и обеспечивает даже получение «ползучих» скоростей, столь нужных для городского движения. При минимальном передаточном отношении бесступенчатой передачи 1, равном 1,3, общее передаточное отношение передачи уменьшится до 4,083.

Далее для увеличения скорости автомобиля и, соответственно, уменьшения общего передаточного отношения супервариатора используется чередование «прямого» и «обратного» режимов работы супервариатора, суть которых будет изложена ниже и реальность которых была подтверждена расчетами и испытаниями опытных образцов. Колесо 19, находящееся в зацеплении с колесом 12, соединенным с колесом 10 дифференциального механизма 7, вращается с частотой вращения, равной частоте вращения колеса 16, и при соединении колеса 19 с валом 20 сервоприводом 25 и муфтой 24 включения передачи будет иметь передаточное число, равное таковому в конце предыдущего режима, а именно - 4,083. Таким образом, муфта 24 включения может быть включена без выключения муфты 21, то есть безударно и без разрыва потока мощности, что является очень ценным свойством супервариатора. Затем муфта 21 включения выключается и остается включенной только муфта 24. При этом вал 20 соединен только с колесом 19. Теперь передаточное отношение бесступенчатой передачи супервариатора 1 снова повышается. Общее же передаточное число привода при этом снова понижается, и при достижении передаточным отношением бесступенчатой передачи 1 максимального значения 8,2 принимает значение 2,296. Такой режим, когда при увеличении передаточного отношения вариатора общее передаточное отношение супервариатора уменьшается, и обратно, когда при уменьшении первого увеличивается второе, называется «обратным» режимом. Режим, когда при изменении передаточного отношения бесступенчатой передачи 1 в какую-либо сторону, общее передаточное отношение супервариатора изменяется в ту же сторону, называется «прямым» режимом. «Прямой» и «обратный» режимы работы описываемого супервариатора обычно чередуются, и после вышеописанного «обратного» режима, заканчивающегося на общем передаточном отношении 2,296, следует «прямой» режим, начинающийся с этого передаточного отношения. При этом вал 20 муфтой включения 22 и сервоприводом 25 соединяется с колесом 17, которое вращается с той же частотой, что и колесо 19, а следовательно, и вал 20. Соединение происходит, как и в предыдущем случае, безударно и без разрыва потока мощности. После отключения муфтой 24 вала 20 от колеса 19 бесступенчатая передача 1 снова переводится в положение минимального передаточного отношения, т.е. с 8,2 до 1,3, и при этом общее передаточное отношение привода также уменьшается, но уже с 3,296 до 1,21. Затем следует еще один «обратный» режим, снова уменьшающий передаточное отношение передачи с 1,21 до 0,68 при увеличении передаточного отношения бесступенчатой передачи 1 с 1,3 до 8,2. Для этого вал 20 соединяется муфтой 23 включения с колесом 18, после чего муфта 22 отключается. Итак, общее передаточное отношение супервариатора меняется от 25,748 до 0,68 и диапазон изменения передаточного отношения равен 37,86; при этом бесступенчатая передача 1, соединенная кинематически колесами 15 и 16 с валом 20 без дифференциальных механизмов 7 и 9, т.е. без «прямого» и «обратного» режимов, обеспечивает диапазон, равный 6,3 (8,2:1,3). «Прямой» и «обратный» режимы с привлечением дифференциальных механизмов 7 и 9 обеспечивают диапазон изменения передаточных отношений, примерно равный 6. Однако упомянутые «прямой» и «обратный» режимы, сужая диапазон изменения передаточных отношений супервариатора с 6,3 примерно до 1,8, повышают согласно теории приводов с замкнутой кинематической цепью (см., например, Пронин Б.А., Ревков Г.А., «Вариаторы», М., Машиностроение, 1980, с.299-307, раздел 8.3 «Приводы с замкнутой кинематической цепью») и испытаниям опытных образцов супервариаторов КПД супервариатора. При этом, если на режиме трогания автомобиля с места и на «ползучих» скоростях допустим невысокий КПД трансмиссии, то на повышенных скоростях движения, где реализуется высокая мощность двигателя, необходим высокий КПД трансмиссии. Сужение диапазона изменения передаточных отношений коробки передач применением дифференциальных механизмов 7 и 9 позволяет повысить КПД супервариатора, практически независимо от передаточного отношения. Это особенно ценно для гибридных силовых агрегатов, где используется рекуперативное торможение и энергия проходит через трансмиссию дважды - в прямом и обратном направлениях. Следует отметить, что для увеличения общего диапазона изменения передаточных отношений число ступеней в согласующей передаче 5 может быть увеличено, а для уменьшения - снижено.

Для движения автомобиля с повышенными скоростями, допустим, городского автобуса по шоссе при его перегонах и т.д. может быть включена «прямая» передача путем соединения колеса 27 с валом 20 соответствующей муфтой 29 включения, а колесо 27 кинематически соединено с входным валом 3, а стало быть и с коленчатым валом двигателя через колесо 35. Двигатель при этом может развить максимальные частоты вращения, нежелательные для бесступенчатой передачи 1 в нагруженном режиме и безвредные при его холостом вращении. Например, для привода автобуса от дизельного двигателя при включенной бесступенчатой передаче 1 используются частоты вращения до 2000 мин^-1, а при включенной «прямой» передаче - максимальная частота вращения 2600 мин^-1 и более.

При необходимости в заднем ходе вал 20 соединяется соответствующей муфтой 28 включения только с колесом 26, приводимым от колеса 15 через паразитную шестерню 30, меняющую направление вращения.

Совершенно аналогично происходит работа и устройства по фиг.2, где с выходным звеном бесступенчатой передачи 1 - общей обоймой 33 соединены внутренние центральные зубчатые колеса 8 и 10, а с согласующей передачей 5, т.е. с выходным валом 20, кинематически соединены внешнее центральное зубчатое колесо 31 и водило 13. При этом диапазон варьирования всего супервариатора несколько снижается, но зато повышается его КПД.

На фиг.3 представлена схема супервариатора с бесступенчатой передачей 1, выполненной в виде двух обратимых энергетических машин 36 и 37, например, электрических или гидравлических, кинематически соединенных с дифференциальным механизмом 38 (обведен штриховой линией) с помощью зубчатой пары 39-40, соединяющей вал машины 36 с водилом 41 дифференциального механизма 38, а с помощью зубчатой пары 42-43 вал машины 37 соединен с центральным внутренним колесом 44 дифференциального механизма 38. Центральное внешнее колесо 45 дифференциального механизма 38 соединено с входным валом 3 супервариатора, являющегося продолжением входного вала 2 бесступенчатой передачи 1. Водило 41, являясь выходным звеном бесступенчатой передачи 1, соединено с общей обоймой 33.

Варианту устройства по фиг.3 идентично устройство по фиг.4 с той разницей, что водило 41, а следовательно и общая обойма 33, соединено не с центральными внешними колесами 31 и 32 дифференциальной передачи 4, а с ее центральными внутренними колесами 8 и 10.

На фиг.5 представлена схема супервариатора с бесступенчатой передачей 1, выполненной в виде двух обратимых энергетических машин, одна из них - 36 соединена с дифференциальным механизмом 38 таким же образом, что и по фиг.3, - с помощью зубчатой пары 39-40, соединяющей вал машины 36 с водилом 41 дифференциального механизма 38. Другая машина - 46 (обведена штриховой линией) выполнена с полым ротором 47, соединенным с центральным внутренним колесом 44 дифференциального механизма 38, а статор 48 закреплен на корпусе 34 супервариатора. Внутри ротора 47 соосно ему проходит входной вал 2 бесступенчатой передачи 1, соединенный с центральным внешним колесом 45 дифференциального механизма 38, которое, в свою очередь, соединено с входным валом 3 супервариатора. Водило 41, являясь выходным звеном бесступенчатой передачи 1, соединено, как и на фиг.3, с общей обоймой 33.

Вариант устройства по фиг.6 идентичен устройству по фиг.5 с той разницей, что водило 41, а следовательно и общая обойма 33, соединена не с центральными внешними колесами 31 и 32 дифференциальной передачи 4, а с ее центральными внутренними колесами 8 и 10.

На фиг.7 представлена схема супервариатора с бесступенчатой передачей 1, выполненной в виде двух обратимых энергетических машин с полыми роторами: малой машины 49 (обведены штриховой линией ее сечения вверху и внизу схемы), причем статор 48 малой машины 46, закрепленный на корпусе 34 супервариатора, расположен внутри ротора 50 большой машины 49 соосно ему. Статор 51 большой машины 49 закреплен на корпусе 34 супервариатора, а ее ротор 50 соединен с водилом 41 дифференциального механизма 38, а стало быть и с общей обоймой 33. Ротор 47 малой машины 46, как и в схеме по фиг.5, соединен с центральным внутренним колесом 44 дифференциального механизма 38, а с его центральным внешним колесом 45 соединены входные валы 2 и 3, соответственно, бесступенчатой передачи 1 и супервариатора.

Вариант устройства по фиг.8 идентичен устройству по фиг.7 с той разницей, что водило 41 и общая обойма 33 соединены с центральными внутренними колесами 8 и 10 дифференциальной передачи 4.

На фиг.9 представлена схема супервариатора с бесступенчатой передачей 1, выполненной в виде обратимой энергетической машины 52 (обведена штриховой линий) с общим статором 53, закрепленным на корпусе 34, и двумя роторами - внешним ротором 54 и внутренним ротором 55. Внутренний ротор 55 соединен с центральным внутренним колесом 44 дифференциального механизма 38, а внешний ротор 54 - с водилом 41 дифференциального механизма 38, а внешний ротор 54 - с водилом 41 дифференциального механизма 38, а стало быть и с общей обоймой 33. С центральным внешним колесом 45 дифференциального механизма 38 соединены, как и на всех предыдущих схемах по фиг.3-фиг.8, входные валы 2 и 3, соответственно, бесступенчатой передачи 1 и супервариатора.

Вариант устройства по фиг.10 идентичен устройству по фиг.9 с той разницей, что водило 41 и общая обойма 33 соединены с центральными внутренними колесами 8 и 10 дифференциальной передачи 4.

Следует отметить, что на фиг.3-фиг.10 приведены примеры выполнения устройства, где роторы, а следовательно и валы, обратимых энергетических машин кинематически связаны - один с центральным внутренним колесом дифференциального механизма бесступенчатой передачи, а другой - с водилом этого механизма, а центральное внешнее колесо упомянутого дифференциального механизма связано с входными валами супервариатора и бесступенчатой передачи.

В общем же случае вал одной из обратимых энергетических машин бесступенчатой передачи может быть кинематически связан с одним из звеньев ее дифференциального механизма, с другим его звеном кинематически связаны входные валы бесступенчатой передачи и супервариатора, а с выходным звеном бесступенчатой передачи связан как вал другой обратимой энергетической машины, так и третье, независимое, звено дифференциального механизма бесступенчатой передачи. Например, вал одной из обратимых машин может быть кинематически связан с центральным внутренним колесом дифференциального механизма, входные валы бесступенчатой передачи и супервариатора - с водилом дифференциального механизма, а вал другой обратимой энергетической машины и выходное звено бесступенчатой передачи - с центральным внешним колесом дифференциального механизма.

Выше была рассмотрена работа супервариатора на примере управления скоростью движения транспортного средства с супервариатором в качестве трансмиссии от двигателя к ведущим колесам. При этом работа устройства складывалась из управления передаточным отношением бесступенчатой передачи 1, а также соответствующим переключением в дифференциальной передаче 4 и в согласующей передаче 5. В примерах выполнения бесступенчатой передачи по схемам фиг.3-фиг.10 управление передаточным отношением бесступенчатой передачи 1 сводится к согласованному управлению частотой вращения обратимых энергетических машин, используемых в бесступенчатой передаче. Если эти машины электрические, то управление их частотой вращения ведется методами, известными из электротехники, например изменением частоты тока, подаваемого в электромашины. При использовании в качестве обратимых энергетических машин гидромашины, например, объемного действия, управление частотой вращения ведется изменением производительности гидронасоса, подачи гидромотора или совместным их изменением. Для любого типа электрических или гидравлических бесступенчатых передач существуют описанные в соответствующей литературе методы, широко известные в современной технике.

Следует отметить, что при среднем КПД, например, регулируемых синхронных электромашин мощностью 10…50кВт, равном 0,9, КПД бесступенчатой передачи, составленной из двух таких машин, будет примерно равен 0,9²≈0,81, а КПД такой передачи в режиме гибридного силового агрегата с маховичным накопителем энергии при передаче мощности в двух направлениях - около 0,65, что и наблюдается на практике.

При использовании электромашин с разделением потоков мощности, например дифференциальным механизмом, подобным системе Toyota Prius (см.выше), установочная мощность электромашин может быть уменьшена до 75% от их мощности в бездифференциальной схеме, а КПД бесступенчатой передачи поднят до 0,9 (в гибриде - до 0,85). С использованием описанной схемы супервариатора, включающей двойное разделение потоков мощности и сужение отдельных диапазонов с последующим их объединением, диапазон изменения передаточного отношения супервариатора достигает 35…40, что является очень высоким показателем, средняя мощность электромашин может быть снижена примерно в 3 раза, а КПД в среднем повышен до 0,95.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и бесступенчатой трансмиссии гибридных силовых агрегатов с маховичным накопителем энергии. Широкодиапазонный бесступенчатый привод содержит бесступенчатую передачу (1) с соединенными между собой обратимыми электро- и гидромашинами. Бесступенчатая передача кинематически соединена с дифференциальной (4) и согласующей (5) передачами. Передаточные отношения зубчатых пар, образованных кинематической связью дифференциальной и согласующей передач, выполнены такими, чтобы при максимальном и минимальном передаточных отношениях бесступенчатой передачи вращение двух любых зубчатых колес, свободно сидящих на валу (20) и вступающих в периодическое одновременное соединение с этим валом, совпадало по направлению и частоте вращения. Выходное звено бесступенчатой передачи имеет периодическую связь с валом (20) согласующей передачи (5) через механизм реверса. Входные валы бесступенчатой передачи и всего супервариатора имеют периодическую кинематической связь с валом (20) согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов дифференциальной передачи. Изобретение позволяет упростить управление супервариатором, а также повысить его КПД и уменьшить установочную мощность и массу обратимых машин. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), включающий бесступенчатую передачу с входными и выходными кинематическими звеньями-валами, управляющий механизм супервариатора, кинематически связанный с упомянутыми звеньями и включающий дифференциальную и согласующую передачи, отличающийся тем, что дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов, постоянно кинематически связанных с входными и выходными кинематическими звеньями бесступенчатой передачи, причем в первом из дифференциальных механизмов с входным звеном бесступенчатой передачи связано водило, а во втором дифференциальном механизме с упомянутым входным звеном бесступенчатой передачи связано одно из центральных колес, а выходное звено бесступенчатой передачи в обоих дифференциальных механизмах связано с обеими незадействованными другими связями внешними или внутренними центральными колесами, при этом согласующая передача, выходной вал которой является выходным звеном всего супервариатора, выполнена с возможностью периодической кинематической связи ее вала с одним из незадействованных центральных колес одного из дифференциальных механизмов дифференциальной передачи и с водилом другого ее дифференциального механизма, а передаточные отношения зубчатых пар, образованных кинематической связью дифференциальной передачи с согласующей передачей, выполнены такими, чтобы при максимальном и минимальном рабочих передаточных отношениях бесступенчатой передачи вращение двух любых зубчатых колес, сидящих с возможностью свободного вращения на валу согласующей передачи и вступающих в периодическое одновременное соединение с этим валом, совпадало по направлению и частоте вращения, при этом бесступенчатая передача включает две обратимые энергетические машины, объединенные дифференциальным механизмом с входными и выходными кинематическими звеньями-валами, как бесступенчатой передачи, так и всего супервариатора, причем входное кинематическое звено бесступенчатой передачи выполнено с возможностью соединения с входным кинематическим звеном всего супервариатора, а вал одной из обратимых энергетических машин бесступенчатой передачи кинематически связан с одним из звеньев ее дифференциального механизма, с другим его звеном кинематически связаны входные валы супервариатора и бесступенчатой передачи, а с выходным звеном бесступенчатой передачи связан как вал другой обратимой энергетической машины, так и третье незадействованное звено дифференциального механизма бесступенчатой передачи.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что центральные колеса дифференциальной передачи, кинематически связанные с выходным звеном бесступенчатой передачи, установлены на общей обойме.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что управляющий механизм супервариатора выполнен с возможностью непосредственной периодической кинематической связи выходного кинематического звена бесступенчатой передачи с выходным валом согласующей передачи при отключении от последнего звеньев дифференциальных механизмов.

4. Привод по п.1, отличающийся тем, что входное кинематическое звено бесступенчатой передачи, соединенное с входным кинематическим звеном супервариатора, выполнено с возможностью периодической кинематической связи с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов дифференциальной передачи.

5. Привод по п.1, отличающийся тем, что входной вал супервариатора выполнен с возможностью его периодической кинематической связи с входным кинематическим звеном бесступенчатой передачи и проходящей соосно внутри него.

6. Привод по п.1, отличающийся тем, что выходное кинематическое звено бесступенчатой передачи выполнено с возможностью периодической связи с валом согласующей передачи через механизм реверса.

7. Привод по п.1, отличающийся тем, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых электромашин.

8. Привод по п.1, отличающийся тем, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых гидромашин.

9. Привод по п.1 или 2, отличающийся тем, что валы двух обратимых энергетических машин выполнены кинематически связанными с соответствующими звеньями дифференциального механизма бесступенчатой передачи с помощью зубчатых передач.

10. Привод по п.1, отличающийся тем, что одна из обратимых энергетических машин выполнена с полым ротором, через который проходит входной вал супервариатора.

11. Привод по п.1, отличающийся тем, что обе обратимые энергетические машины выполнены с полыми роторами, причем в полом роторе большей из них встроена меньшая обратимая машина.

12. Привод по п.1, отличающийся тем, что обратимые энергетические машины выполнены с общим статором, а роторы их выполнены у меньшей машины внутренним, а у большей внешним.

13. Привод по п.1, отличающийся тем, что ротор одной обратимой энергетической машины кинематически связан с центральным внутренним колесом дифференциального механизма бесступенчатой передачи, а ротор другой - с водилом этого механизма, а центральное внешнее колесо дифференциального механизма бесступенчатой передачи соединено с входными валами супервариатора и бесступенчатой передачи.