ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к трансмиссионным системам, в том числе к редукторам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Трансмиссионные системы предназначены для преобразования частоты и/или направления вращения, например, выходного вала мотора или иного первичного двигателя. Одними из известных трансмиссионных систем являются редукторы, которые могут использоваться для преобразования вращения с высокой частотой и низким крутящим моментом во вращение с более низкой частотой и более высоким крутящим моментом. Примером таких редукторов является автомобильная коробка передач.
Двигатели внутреннего сгорания, используемые в обычных автомобилях, как правило, работают в диапазоне частот вращения 800-7000 об/мин. Следовательно, частота вращения выходного вала такого двигателя («коленчатого вала»), находится в диапазоне 800-7000 об/мин. Однако требуемая частота вращения колес обычных автомобилей, которые перемещаются со скоростью 0-120 км/ч и наружный диаметр колес которых (с учетом покрышек) равен приблизительно 40 см, находится в диапазоне 0-1591 об/мин. Кроме того, автомобильные двигатели внутреннего сгорания, как правило, создают максимальный крутящий момент при частотах вращения приблизительно из середины указанного диапазона 800-7000 об/мин, в то время как максимальный крутящий момент обычно требуется для ускорения автомобиля от нулевой или низкой скорости до более высокой скорости. Таким образом, автомобили обычно снабжены трансмиссионной системой или «коробкой передач» для преобразования имеющего высокую скорость и низкий крутящий момент вращения, создаваемого двигателем, в имеющее более низкую скорость и более высокий крутящий момент вращение для приведения автомобиля в движение.
Трансмиссионные системы также используются во многих других видах оборудования и многих других технических областях, где имеется вращение и где требуется повышение или понижение частоты этого вращения либо изменение его направления. Специалисты в данной области знакомы с другими областями применения трансмиссионных систем, и поэтому нет необходимости описывать их. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено автомобилями или какой-либо иной конкретной областью применения, а приведенный выше пример с автомобилями - это лишь частный случай использования трансмиссионных систем.
Многие трансмиссионные системы предусматривают более одного передаточного отношения между частотой вращения первичного двигателя и результирующей частотой/направлением вращения после ее преобразования трансмиссией. В трансмиссионных системах, подобных коробкам передач, это достигается за счет наличия ряда зубчатых колес разных размеров, а общее передаточное отношение может быть изменено путем введения имеющих разные размеры зубчатых колес в зацепление, т.е. так называемое «передаточное число» зависит от того, в каком сочетании зубчатые колеса введены в зацепление. Зубчатые колеса, как правило, находятся внутри корпуса, поэтому в разговорной речи данный тип трансмиссионной системы называют «коробкой передач».
Одним из главных недостатков трансмиссионных систем, таких как коробки передач, описанные в предыдущем абзаце, является то, что они, как правило, имеют лишь несколько дискретных передаточных отношений. Причина этого состоит в том, что каждое из зубчатых колес в коробке передач имеет постоянный размер, а следовательно, количество возможных передаточных отношений ограничено количеством возможных сочетаний зубчатых колес разного размера, которые могут быть введены в зацепление. Например, большая часть автомобильных коробок передач имеет не более семи передаточных чисел (с учетом передачи заднего хода). Это может привести к сложностям или к потере производительности в тех областях применения, где идеальное соотношение между частотой вращения на входе в трансмиссионную систему и частотой вращения на выходе из трансмиссионной системы не соответствует одному из имеющихся дискретных отношений.
Удобно вновь обратиться к автомобильному примеру как одной из возможных иллюстраций проблемы, описанной в предыдущем абзаце. Часто возникают такие ситуации, когда передаточное отношение, которое позволило бы автомобильному двигателю работать с наиболее эффективным использованием топлива при требуемой скорости автомобиля, не соответствует одному из имеющихся передаточных отношений автомобильной коробки передач. Поэтому для того чтобы автомобиль перемещался с указанной требуемой скоростью, его коробка передач должна быть переключена на такую передачу, которая обеспечивает неидеальное передаточное число, а автомобильный двигатель должен работать на частоте вращения, которая выше или ниже той, что обеспечила бы наиболее эффективное использование топлива. Специалистам известны и другие проблемы, а также другие примеры потери производительности, которые связаны с дискретностью передаточных отношений данных типов коробок передач.
Следовательно, предпочтительно иметь трансмиссионную систему, которая не ограничена дискретными передаточными отношениями или, по меньшей мере, предоставляет большое количество таких отношений (предпочтительно, значительно больше семи, предпочтительно, с малыми интервалами между ними), так чтобы трансмиссионную систему можно было перевести в такое состояние, при котором соотношение входной и выходной частот вращения является именно таким (или близко к такому), которое требуется для данной рабочей частоты вращения в данной области применения.
Известны трансмиссионные системы, которые не ограничены дискретными передаточными числами. В целом, эти трансмиссионные системы обеспечивают возможность плавного регулирования, часто внутри заданного диапазона, отношения между частотой вращения, создаваемой первичным двигателем, и конечной частотой/конечным направлением вращения после его преобразования трансмиссионной системой. Иными словами, такие трансмиссионные системы предназначены для обеспечения плавного, или недискретного, регулирования отношения входной и выходной частот вращения трансмиссионной системы, часто в некотором диапазоне рабочих частот этой трансмиссионной системы.
Из описанных выше трансмиссионных систем, которые обеспечивают возможность плавного регулирования соотношения входной и выходной частот вращения, многие основаны на конструкции со шкивом регулируемого диаметра или на так называемом «приводе Ривза» (Reeves Drive). Системы типа «привод Ривза» имеют пару вращающихся шкивов (один ведущий/входной шкив и один ведомый/выходной шкив) и ремень, проходящий между этими шкивами. Каждый шкив имеет две отдельные стороны, которые в собранном виде образуют V-образную канавку, проходящую по окружности шкива. Эти отдельные стороны обоих шкивов выполнены с возможностью их сведения и разведения, как описано ниже. Когда шкивы вращаются, ремень проходит по V-образной канавке каждого шкива. Ремень также, как правило, имеет V-образное поперечное сечение, причем его стороны имеют такой же наклон, что и стороны V-образных канавок, благодаря чему стороны ремня плотно прижимаются к сторонам V-образных канавок каждого шкива, и в результате скольжение между ремнем и шкивами сводится к минимуму.
Регулировка соотношения входной и выходной частот вращения в системах типа «привод Ривза» осуществляется путем сведения сторон одного шкива и разведения сторон другого шкива. Это приводит к увеличению ширины V-образной канавки на первом упомянутом шкиве и к уменьшению ширины V-образной канавки на другом шкиве. Если стороны ведущего/входного шкива сводятся, а стороны ведомого/выходного шкива разводятся, то на ведущем/входном шкиве ремень вытесняется наружу и начинает перемещаться вокруг этого шкива по большему диаметру, а V-образная канавка на ведомом/выходном шкиве расширяется, так что ремень начинает перемещаться вокруг этого шкива по меньшему диаметру. В результате ведущий/входной шкив совершает меньше одного оборота на каждый оборот ведомого/выходного шкива. Следовательно, трансмиссионная система преобразует входное вращение первичного двигателя во вращение с более высокой частотой. И, наоборот, если стороны ведущего/входного шкива разводятся, а стороны ведомого/выходного шкива сводятся, это дает противоположный эффект (т.е. трансмиссионная система преобразует входное вращение первичного двигателя во вращение с более низкой частотой).
Таким образом, перемещение сторон шкивов, как описано выше, изменяет эффективные диаметры этих шкивов, а следовательно, изменяет соотношение входной и выходной частот вращения трансмиссионной системы. Специалистам в данной области известно, что в системах типа «привод Ривза» расстояние между двумя шкивами не изменяется, равно как и длина ремня, а это означает, что оба шкива должны регулироваться (т.е. эффективный диаметр одного должен уменьшаться, если эффективный диаметр другого увеличивается) одновременно для сохранения надлежащего натяжения ремня. Один из важных аспектов этих систем заключается в том, что, поскольку расстояние между сторонами каждого шкива не ограничено дискретными значениями, имеется возможность осуществлять плавную регулировку соотношения входной и выходной частот вращения трансмиссионной системы путем изменения расстояния между сторонами этих шкивов.
Задачей настоящего изобретения является создание альтернативной формы трансмиссионной системы, которая позволяет плавно регулировать соотношение входной и выходной частот вращения или, по меньшей мере, обеспечивает большое количество передаточных чисел. Трансмиссионная система согласно настоящему изобретению может быть приспособлена для использования в различных областях. При этом необходимо отметить, что приводимые в настоящем описании ссылки на предшествующие или существующие трансмиссионные системы либо на любые другие материалы или любую другую информацию не следует считать уровнем техники по отношению к предлагаемому изобретению как на территории Австралии, так и на территории любого другого государства.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- средства ввода вращения для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы, имеющие первое входное зубчатое колесо 12, неподвижно установленное на них, так что колесо 12 вращается вместе со средствами ввода вращения и с такой же частотой, что и средства ввода вращения,
- первое кольцевое зубчатое колесо 21, приспособленное для зацепления с колесом 12 на первой его стороне, так что вращение средств ввода вращения вызывает вращение колеса 21,
- первое выходное планетарное зубчатое колесо 22, расположенное соосно с колесом 21 на второй его стороне,
- второе кольцевое зубчатое колесо 41, находящееся в зацеплении с колесом 22,
- первое солнечное зубчатое колесо 32, установленное на первом конце первого трансмиссионного вала 31 и находящееся в зацеплении с колесом 22 и колесом 41,
- третье кольцевое зубчатое колесо 42, установленное соосно с колесом 41 для соответствующего вращения,
- второе выходное зубчатое колесо 52, находящееся в зацеплении с колесом 42 и установленное на первом конце второго трансмиссионного вала 51,
- второе входное зубчатое колесо 53, установленное на втором конце вала 51,
- четвертое кольцевое зубчатое колесо 61, установленное соосно с валом 31 и находящееся в зацеплении с колесом 53,
- пятое кольцевое зубчатое колесо 62, установленное соосно с валом 31,
- средства вывода вращения для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы,
- второе планетарное зубчатое колесо 72, находящееся в зацеплении с колесом 62 и колесом 33, расположенным на втором конце вала 31, и
- выполненные с возможностью вращения регулировочные средства 81 или 91, находящиеся в зацеплении по меньшей мере с одним из валов 31 или 51, причем скорость вращения средств 81 или 91 выборочно регулируется с целью регулировки частоты и/или направления вращения средств ввода вращения по отношению к вращению средств вывода вращения.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- средства ввода вращения, предназначенные для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы,
- маховик, вращение которого обусловлено вращением указанных средств ввода,
- средства вывода вращения, предназначенные для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы,
- трансмиссионные средства, предназначенные для передачи вращения от маховика к указанным средствам вывода, и
- регулировочные средства, выполненные с возможностью вращения, а также с возможностью выборочно плавно изменять скорость вращения,
причем вращение или невращение регулировочных средств может взаимно влиять на трансмиссионные средства, а изменение скорости вращения регулировочных средств может вызывать плавное изменение частоты и/или направления выходного вращения по отношению к входному вращению.
Предпочтительно, разные скорости выполненных с возможностью вращения регулировочных средств обеспечивают разные соотношения между частотой и/или направлением входного и выходного вращений.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- средства ввода вращения, предназначенные для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы,
- маховик, вращение которого обусловлено вращением указанных средств ввода,
- средства вывода вращения, предназначенные для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы,
- трансмиссионные средства, предназначенные для передачи вращения от маховика к указанным средствам вывода, и
- регулировочные средства, выполненные с возможностью вращения, а также с возможностью выборочно принимать большое количество скоростей ращения,
причем вращение или невращение регулировочных средств может взаимно влиять на трансмиссионные средства, а разные скорости вращения регулировочных средств создают разные соотношения между частотой и/или направлением входного вращения и выходного вращения.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- входной вал, предназначенный для подачи вращения внутрь трансмиссионной системы,
- маховик, вращение которого обусловлено вращением входного вала,
- выходной вал, предназначенный для подачи вращения из трансмиссионной системы,
- трансмиссию, предназначенную для передачи вращения от маховика к выходному валу, и
- по меньшей мере один регулировочный вал, установленный с возможностью вращения, а также с возможностью выборочно плавно изменять скорость и/или направление вращения,
причем вращение или невращение указанного по меньшей мере одного регулировочного вала может взаимно влиять на трансмиссию, а изменение частоты и/или направления вращения указанного по меньшей мере одного регулировочного вала может вызывать изменение частоты и/или направления вращения выходного вала по отношению к частоте и направлению вращения входного вала.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- входное звено, предназначенное для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы, и выходное звено, предназначенное для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы,
- маховик, вращение которого обусловлено вращением входного звена,
- трансмиссию, предназначенную для передачи вращения от маховика к выходному звену, причем трансмиссия содержит первый трансмиссионный вал и второй трансмиссионный вал, при этом частота и/или направление выходного вращения зависит, по меньшей мере частично, от частоты/направления вращения первого трансмиссионного вала и от частоты/направления вращения второго трансмиссионного вала,
- регулятор, соединенный по меньшей мере с одним из трансмиссионных валов, при этом к регулятору или с помощью регулятора может быть приложено плавно изменяемое ускоряющее или замедляющее воздействие, с тем чтобы ускорить или замедлить вращение по меньшей мере одного из трансмиссионных валов, так что регулятор обеспечивает возможность плавного изменения частоты и/или направления выходного вращения по отношению к частоте и/или направлению входного вращения.
Еще один вариант реализации настоящего изобретения представляет собой трансмиссионную систему, имеющую
- входное звено, предназначенное для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы, и выходное звено, предназначенное для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы,
- маховик, вращение которого обусловлено вращением входного звена,
- первый трансмиссионный вал и первый трансмиссионный компонент, причем на вращение маховика влияет вращение или невращение первого трансмиссионного вала и вращение или невращение первого трансмиссионного компонента,
- второй трансмиссионный вал, причем первый трансмиссионный компонент вращается, если вращается второй трансмиссионный вал,
- второй трансмиссионный компонент, который вращается, если вращается второй трансмиссионный вал, причем вращение или невращение второго трансмиссионного компонента и вращение или невращение первого трансмиссионного вала влияют на выходное вращение,
- по меньшей мере один регулятор, вращение или невращение которого связано с вращением или невращением одного из трансмиссионных валов, при этом к регулятору может быть приложен плавно изменяемый ускоряющий или замедляющий крутящий момент для ускорения или замедления вращения трансмиссионного вала, с которым соединен регулятор, а плавно изменяемое ускорение или замедление вращения этого трансмиссионного вала обеспечивает плавное изменение частоты и/или направления выходного вращения по отношению к входному вращению.
Как и большинство других трансмиссионных систем, трансмиссионные системы согласно настоящему изобретению обычно предназначены для преобразования вращения, генерируемого первичным двигателем, во вращение иной частоты и/или иного направления. Считается, что первичный двигатель, с которым наиболее часто будет использоваться настоящее изобретение, - это двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель. Однако предлагаемая трансмиссионная система может быть использована с любым другим первичным двигателем, способным генерировать вращательное движение, таким как ветряной двигатель, гидротурбина, ручной привод и т.п., а также их сочетания. Другие первичные двигатели, которые могут быть использованы для приведения в действие предлагаемой трансмиссионной системы, известны специалистам в данной области.
Трансмиссионная система содержит средства подачи внутрь нее вращения, генерируемого первичным двигателем. Наиболее часто первичный двигатель содержит приводной вал, коленчатый вал или нечто подобное для «вывода» вращательного движения, генерируемого этим первичным двигателем. В этих случаях трансмиссионная система может быть снабжена входным валом, который может быть присоединен к приводному валу первичного двигателя или может быть соединен с этим приводным валом (возможно, посредством ряда связывающих элементов или иного механизма), так что вращение передается внутрь трансмиссионной системы через указанный входной вал. Таким образом, входной вал - это, по существу наиболее распространенная форма «входного звена» или «средств ввода вращения», используемая в настоящем изобретении.
Однако входные валы - это не единственные средства, с помощью которых трансмиссионная система может принимать вращение от первичного двигателя. Например, приводной вал первичного двигателя может проходить напрямую внутрь трансмиссионной системы, и в этом случае один из внутренних компонентов трансмиссионной системы (такой как внутреннее зубчатое колесо или внутренний вал и т.д.) может содержать гнездо, паз или иное отверстие, внутрь которого может быть введен или через которое может быть иным способом присоединен приводной вал первичного двигателя. В еще одном варианте реализации внутренний компонент в трансмиссионной системе может включать штырь или выступ того или иного типа, который входит внутрь гнезда на конце приводного вала первичного двигателя для присоединения таким образом этого приводного вала. В этих случаях указанные гнездо, паз, штырь, выступ и т.п. на внутреннем компоненте трансмиссионной системы или внутри этого компонента играют роль «входного звена» или «средств ввода вращения» для передачи вращения от первичного двигателя внутрь трансмиссионной системы. Могут быть использованы и другие средства ввода вращения, например гидравлические связи. Специалистам в данной области известны и другие средства или механизмы ввода вращения (а также их сочетания), и все они входят в объем настоящего изобретения.
Предлагаемая трансмиссионная система также содержит средства «вывода» вращения, которое было передано и, возможно, преобразовано ею. Иными словами, трансмиссионная система имеет средства передачи вращения на любое вращательное оборудование или иное устройство, для приведения в действие которого она используется. В отношении «выходного звена» или «средств вывода вращения» справедливо все то, что было сказано выше в отношении средств ввода вращения. Таким образом, трансмиссионная система часто снабжена выходным валом, который может быть присоединен к оборудованию/устройству, приводимому в действие этой трансмиссионной системой, или может быть каким-либо образом соединен с этим оборудованием/устройством (например, посредством связывающих элементов или иного механизма), так что вращение передается внутрь этого оборудования/устройства. Однако в качестве средств вывода вращения могут быть использованы любые механизмы или приспособления, упоминавшиеся выше применительно к средствам ввода вращения.
Предлагаемая трансмиссионная система имеет «трансмиссию» или «трансмиссионные средства» для передачи вращения от ее входа к ее выходу. Она также содержит «регулятор» или «регулировочные средства», которые могут вращаться и которые влияют на работу трансмиссии. В некоторых вариантах реализации регулировочные средства выполнены с возможностью выборочно иметь большое количество дискретных угловых скоростей. В частности, регулировочные средства должны иметь более 6 дискретных скоростей вращения, предпочтительно более 10, наиболее предпочтительно более 50. Однако в других (возможно, более предпочтительных) вариантах реализации скорость вращения регулировочных средств можно регулировать выборочно и плавно. Иными словами, регулировочные средства могут быть выполнены с возможностью принимать бесконечное количество скоростей вращения, возможно, внутри заданного для данной трансмиссионной системы рабочего диапазона. Как указано выше, вращение «регулятора» или «регулировочных средств» влияет на «трансмиссию» или «трансмиссионные средства». В тех случаях, когда вращение регулировочных средств может осуществляться с большим количеством дискретных скоростей, эти разные скорости могут создавать разные соотношения между частотой и/или направлением вращения входного звена и выходного звена трансмиссионной системы. В тех случаях, когда скорость вращения регулировочных средств можно плавно регулировать, изменение этой скорости может вызывать плавное изменение частоты и/или направления выходного вращения по отношению к входному вращению.
Как сказано в предыдущем абзаце, трансмиссионная система имеет «трансмиссию» или «трансмиссионные средства» (далее - просто «трансмиссия»). Трансмиссия предпочтительно содержит первый трансмиссионный вал и второй трансмиссионный вал, а общая/результирующая частота и/или направление выходного вращения зависит, по меньшей мере частично, от разности между частотой/направлением вращения первого трансмиссионного вала и частотой/направлением вращения второго трансмиссионного вала. Как указано выше, вращение «регулятора» или «регулировочных средств» (далее - просто «регулятор») воздействует на трансмиссию для изменения частоты/направления выходного вращения трансмиссионной системы по отношению к ее входному вращению. Предпочтительно, регулятор может делать это путем изменения частоты/направления вращения по меньшей мере одного из трансмиссионных валов.
Так же, как описанные выше входные и выходные средства, регулятор может быть реализован множеством различных способов. Считается, что регулятор обычно содержит регулировочный вал, который может вращаться. Вращение регулировочного вала может быть связано с вращением по меньшей мере одного из трансмиссионных валов, так что вращение указанного регулятора влияет на вращение этого по меньшей мере одного из трансмиссионных валов. Однако регулятор не обязательно должен быть выполнен в виде регулировочного вала или регулировочных валов, а имеет много других вариантов исполнения. Например, регулятор может содержать другой вращающийся компонент (такой как, например, шкив или ролик либо вращающийся ремень или вращающуюся цепь и т.д.), а его вращение может быть связано с вращением одного из трансмиссионных валов через ременную, цепную, гидравлическую связь, зубчатое или звездочное зацепление, магнитную или электрическую связь либо через любое другое устройство/механизм, обеспечивающий подобный результат. Тем не менее, как указано выше, регулятор чаще всего включает выполненный с возможностью вращения регулировочный вал.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения регулировочным валом может быть снабжен как первый, так второй трансмиссионные валы. Иными словами, может иметься первый регулировочный вал, вращение которого связано с вращением первого трансмиссионного вала, и может иметься второй регулировочный вал, вращение которого связано с вращением второго трансмиссионного вала. В наиболее предпочтительных вариантах реализации первый регулировочный вал может иметь коническое зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с соответствующим коническим зубчатым колесом первого трансмиссионного вала, а второй регулировочный вал может иметь коническое зубчатое колесо, которое находится в зацеплении с соответствующим коническим зубчатым колесом второго трансмиссионного вала. Таким образом, ускорение/замедление первого регулировочного вала передается через зацепление конических зубчатых колес и вызывает соответствующее ускорение/замедление первого трансмиссионного вала. Аналогичным образом, ускорение/замедление второго регулировочного вала, вызывает соответствующее ускорение/замедление второго трансмиссионного вала.
Трансмиссионная система может содержать маховик. Предпочтительно, маховик функционально соединен с входным звеном трансмиссионной системы, так что вращение входного звена (т.е. входное вращение) вызывает вращение маховика. Маховик может быть функционально соединен с входным звеном посредством ремней, зубчатых колес, шкивов, цепей и т.д. Однако более предпочтительно, маховик содержит кольцевое зубчатое колесо, а входное звено содержит входной вал с неподвижно установленным на него входным зубчатым колесом, так что указанное входное зубчатое колесо вращается вместе с входным валом и с такой же частотой, что и входной вал. Соответственно, входное зубчатое колесо может находиться в зацеплении с кольцевым зубчатым колесом маховика, так что вращение входного вала вызывает вращение маховика. В этих вариантах реализации кольцевое зубчатое колесо маховика имеет больший диаметр, чем входное зубчатое колесо. Следовательно, когда зацепление входного зубчатого колеса с кольцевым зубчатым колесом передает вращение на маховик, последний вращается медленнее, чем входной вал.
«Трансмиссия» трансмиссионной системы может также содержать первый трансмиссионный компонент и второй трансмиссионный компонент. Предпочтительно, как первый, так и второй трансмиссионные компоненты функционально соединены со вторым трансмиссионным валом, так что оба трансмиссионных компонента вращаются, если вращается второй трансмиссионный вал. Первый и второй трансмиссионные компоненты могут быть функционально соединены со вторым трансмиссионным валом посредством ремней, зубчатых колес, шкивов, цепей, магнитных связей и т.д. Кроме того, один из трансмиссионных компонентов может быть функционально соединен со вторым трансмиссионным валом одним способом, а другой трансмиссионный компонент может быть функционально соединен со вторым трансмиссионным валом другим способом. Однако в предпочтительных вариантах реализации каждый трансмиссионный компонент содержит кольцевое зубчатое колесо, а второй трансмиссионный вал содержит отдельные цилиндрические зубчатые колеса - одно цилиндрическое зубчатое колесо выполнено с возможностью зацепления с кольцевым зубчатым колесом на первом трансмиссионном компоненте, а другое цилиндрическое зубчатое колесо выполнено с возможностью для зацепления с кольцевым зубчатым колесом на втором трансмиссионном компоненте. Предпочтительно, цилиндрические зубчатые колеса второго трансмиссионного вала могут представлять собой цилиндрические зубчатые колеса, неподвижно установленные на каждом из двух концов этого вала. Первый и второй трансмиссионные компоненты могут быть расположены у каждого из двух концов трансмиссионного вала (т.е. так, что второй трансмиссионный вал расположен между этими трансмиссионными компонентами), а кольцевые зубчатые колеса этих трансмиссионных компонентов могут быть сформированы на соответствующих частях этих компонентов, которые обращены ко второму трансмиссионному валу.
Диаметр кольцевого зубчатого колеса каждого трансмиссионного компонента обычно больше, чем диаметр цилиндрических зубчатых колес на втором трансмиссионном валу. Следовательно, когда зацепление соответствующих цилиндрических зубчатых колес второго трансмиссионного вала с кольцевыми зубчатыми колесами на соответствующих первом и втором трансмиссионных компонентах передает вращение второго трансмиссионного вала на первый и второй трансмиссионные компоненты, каждый трансмиссионный компонент вращается медленнее, чем второй трансмиссионный вал.
Первый трансмиссионный компонент может также быть функционально соединен с маховиком, так что вращение или невращение первого трансмиссионного компонента влияет на движение маховика. Эта функциональная связь может быть обеспечена посредством ремней, зубчатых колес, шкивов, цепей, магнитных связей и т.д. Предпочтительно, маховик может иметь планетарное цилиндрическое прямозубое зубчатое колесо, а первый трансмиссионный компонент может иметь кольцевое зубчатое колесо. Это может быть то же самое кольцевое зубчатое колесо первого трансмиссионного компонента, о котором шла речь в двух предыдущих абзацах, либо это может быть отдельное кольцевое зубчатое колесо первого трансмиссионного компонента. В любом случае, планетарное прямозубое зубчатое колесо маховика может находиться в зацеплении с кольцевым зубчатым колесом первого трансмиссионного компонента. В наиболее предпочтительных вариантах реализации, если вращение первого трансмиссионного компонента придает зубьям кольцевого зубчатого колеса тангенциальную скорость, которая равна тангенциальной скорости зубьев вращающегося планетарного зубчатого колеса маховика, то маховик вращается только вокруг своей главной оси. Если вращение первого трансмиссионного компонента придает зубьям кольцевого зубчатого колеса тангенциальную скорость, которая не равна тангенциальной скорости зубьев вращающегося планетарного зубчатого колеса маховика, то маховик, помимо вращения вокруг его главной оси, совершает планетарное перемещение.
Специалистам в данной области известно, что кольцевые зубчатые колеса, как правило, содержат кольцо с рядом зубьев, проходящим вдоль окружности этого кольца, причем зубья направлены радиально внутрь к главной цилиндрической оси этого кольца. Однако в настоящем описании, если иное не требуется в контексте, под термином «кольцевое зубчатое колесо» следует понимать не только указанную общепринятую форму этого колеса, но также зубчатое колесо, которое содержит кольцо с рядом зубьев, проходящим вдоль наружной окружности этого кольца, так что зубья направлены радиально наружу (т.е. концы зубьев направлены от главной цилиндрической оси кольца).
Первый трансмиссионный вал может также быть функционально соединен с маховиком, так что вращение или невращение первого трансмиссионного вала влияет на движение маховика. Эта функциональная связь может быть обеспечена посредством ремней, зубчатых колес, шкивов, цепей, магнитных связей и т.д. Предпочтительно, первый трансмиссионный вал может иметь зубчатое колесо (такое как цилиндрическое прямозубое солнечное зубчатое колесо, установленное на один конец этого вала), которое находится в зацеплении с планетарным зубчатым колесом на маховике.
В предпочтительных вариантах реализации вращение или невращение второго трансмиссионного компонента и вращение или невращение первого трансмиссионного вала влияют на общее/результирующее вращение, выдаваемое на выходе трансмиссионной системы. Первый трансмиссионный вал может быть похож на второй трансмиссионный вал тем, что он может иметь цилиндрическое прямозубое зубчатое колесо, неподвижно установленное на каждом из двух его концов. В наиболее предпочтительных вариантах реализации первый трансмиссионный вал может располагаться соосно с первым и вторым трансмиссионными компонентами, а удлиненная часть первого трансмиссионного вала может проходить сквозь осевые отверстия в первом и втором трансмиссионных компонентах.
В наиболее предпочтительных вариантах реализации выходное звено трансмиссии может включать выходной вал, и этот выходной вал может иметь ступенчатую форму. В частности, выходной вал может иметь удлиненную часть, которая соосна с первым трансмиссионным валом и, следовательно, вращается вокруг общей с ним оси, и эксцентричную часть, которая совершает планетарное перемещение вокруг указанной общей оси, когда выходной вал вращается. Предпочтительно, на эксцентричную часть выходного вала может быть с возможностью вращения установлено цилиндрическое планетарное прямозубое зубчатое колесо (выходное планетарное зубчатое колесо). Выходное планетарное зубчатое колесо может находиться в зацеплении с кольцевым зубчатым колесом второго трансмиссионного компонента (это может быть то же самое кольцевое зубчатое колесо второго трансмиссионного компонента, о котором шла речь выше, либо отдельное кольцевое зубчатое колесо второго трансмиссионного компонента), и выходное планетарное зубчатое колесо может также находиться в зацеплении с зубчатым колесом на конце первого трансмиссионного вала.
В наиболее предпочтительных вариантах реализации, которые описаны в предыдущих абзацах, если вращение второго трансмиссионного компонента придает зубьям кольцевого зубчатого колеса тангенциальную скорость, которая равна по значению, но противоположна по направлению тангенциальной скорости зубьев вращающегося зубчатого колеса на первом трансмиссионном валу, то, поскольку выходное планетарное зубчатое колесо находится в зацеплении как с указанным кольцевым зубчатым колесом, так и с указанным зубчатым колесом первого трансмиссионного вала, оно в данной ситуации вращается только вокруг своей главной оси. А если вращение второго трансмиссионного компонента придает зубьям кольцевого зубчатого колеса тангенциальную скорость, которая отлична (по величине и/или по направлению) от тангенциальной скорости зубьев вращающегося зубчатого колеса на первом трансмиссионном валу, то выходное планетарное зубчатое колесо, помимо вращения вокруг его главной оси, совершает планетарное перемещение. Поскольку эксцентричная часть выходного вала с возможностью вращения соединена с выходным планетарным зубчатым колесом, указанное планетарное перемещение выходного планетарного зубчатого колеса может приводить к аналогичному планетарному перемещению эксцентричной части выходного вала, при этом, поскольку указанное соединение выполнено с возможностью вращения, выходной вал вслед за выходным планетарным зубчатым колесом совершает лишь планетарное перемещение и не совершает вращение вокруг своей главной оси. Планетарное перемещение эксцентричной части выходного вала может, таким образом, вызывать вращение той части выходного вала, которая соосна с первым трансмиссионным валом, и таким образом вращение может быть выведено из трансмиссионной системы.
Примеры
Ниже приведено описание настоящего изобретения на нескольких примерах.
Был проведен кинематический анализ трансмиссионной системы согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Схема этой трансмиссионной системы показана на фиг.10. Входной конец трансмиссионной системы был оснащен небольшим двигателем постоянного тока с интегрированной понижающей передачей, который приводил в движение входной вал и обеспечивал постоянную скорость этого вала на некотором диапазоне нагрузок, что упрощало исследование и демонстрацию различных рабочих режимов.
Выходное звено представляло собой ручной маховик. Были предусмотрены два регулировочных колеса, каждое из которых было механически соединено с собственным промежуточным валом в трансмиссии через прямоугольные конические зубчатые колеса. Регулировочное колесо I было соединено с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с кольцевыми зубчатыми колесами, в то время как регулировочное колесо II было соединено с солнечными зубчатыми колесами. Взаимосвязь между двумя регулировочными колесами установлена таким образом, чтобы заданное соотношение выходной и входной частот вращения могло быть достигнуто либо путем придания одному регулировочному колесу определенной частоты вращения, либо путем придания другому регулировочному колесу (иной) определенной частоты вращения.
Кинематический анализ механизма дал в результате два уравнения, позволяющих вычислить выходную частоту вращения на основании входной частоты вращения и частоты вращения регулировочного колеса. Из уравнений видно, что, независимо от того, какое регулировочное колесо используется (I или II), выходная частота вращения представляет собой взвешенную сумму входной частоты вращения и частоты вращения регулировочного колеса. Это подчеркивает «суммирующую» характеристику эпициклических передач:
Выходная частота = 0,375 × Частота колеса I - 0,125 × Входная частота (1)
Выходная частота = 0,75 × Частота колеса II + 0,25 × Входная частота (2)
Таблица 1 показывает некоторые из возможных кинематических состояний трансмиссии, полученные путем придания регулировочному колесу I или регулировочному колесу II частот вращения из диапазона между «- Входная частота» и «+ Входная частота». Приведенные значения - это количество оборотов трансмиссионного элемента при одном обороте входного вала или (что то же самое) частота вращения трансмиссионного элемента, если принять частоту вращения входного вала за единицу. Каждый из кинематических сценариев (а)-(е) имеет отличную частоту вращения регулировочного колеса. Также в Таблице 1 показана частота вращения кольцевого зубчатого колеса.
Информация, приведенная в Таблице 1, может также быть представлена в графической форме, как показано на фиг.11.
Все сценарии, за исключением сценария (с), могут быть достигнуты путем придания регулировочному колесу частоты вращения 0 или ±1. Эти сценарии могут быть достигнуты механически
- (для случая, когда частота вращения регулировочного колеса равна 0) путем фиксации регулировочного колеса относительно корпуса коробки передач, так что это колесо становится неподвижным элементом, либо
- (для случая, когда частота вращения регулировочного колеса равна ±1) путем соединения регулировочного колеса напрямую (через муфту) с входным звеном или со средствами, изменяющими направление входного вращения на противоположное.
Преимуществами регулировочного колеса I и регулировочного колеса II являются «одностороннее функционирование» и «широкий диапазон», соответственно. Очевидно, что эти свойства могут быть объединены в стратегию многоколесного регулирования, которая графически показана на фиг.12.
Как видно из данного графика, каждому регулировочному колесу можно придать частоту вращения лишь из диапазона от 0 до «+ Входное вращение». В этом случае регулировочное колесо I может быть использовано для обеспечения реверса, нейтральной передачи и низких передаточных отношений, в то время как регулировочное колесо II может быть использовано для получения низких и высоких передаточных отношений. Это могло бы быть осуществлено механически с помощью муфты, предназначенной для выборочного присоединения некоторого имеющего регулируемую частоту вращения внешнего устройства (например, вариатора) либо к регулировочному колесу I, либо к регулировочному колесу II. Простейшие вариаторы не позволяют получать как отрицательные, так и положительные передаточные отношения, а использование предлагаемой стратегии многоколесного регулирования снимает с внешнего устройства, имеющего регулируемую частоту вращения, требование по обеспечению как отрицательных, так и положительных передаточных отношений. Это позволяет получить более простое механическое изделие, чем в случае использования регулировочного колеса I или регулировочного колеса II.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее приведено описание одного варианта реализации настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными признаками данного варианта реализации. На чертежах:
фиг.1 - показывает перспективный вид регулируемой трансмиссионной системы типа «коробка передач» согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.2 - показывает перспективный вид регулируемой коробки передач под другим углом обзора по сравнению с фиг.1;
фиг.3 - показывает вид сбоку регулируемой коробки передач;
фиг.4 - показывает вид сверху регулируемой коробки передач;
фиг.5 - показывает вид сбоку регулируемой коробки передач;
фиг.6 - показывает еще один вид сбоку регулируемой коробки передач, противоположный показанному на фиг.5;
Фиг.7-9 - показывают перспективные виды той же коробки передач, что на фиг.1, но с обозначениями, показывающими частоты вращения различных компонентов, когда регулировочные валы имеют различные ускорения/замедления; и
Фиг.10 - показывает схематичный вид трансмиссионной системы согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.11 - показывает на графике зависимость между передаточным числом и частотой вращения регулировочного колеса по таблице 1.
Фиг.12 - показывает на графике стратегию многоколесного регулирования.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Из чертежей видно, что регулируемая коробка передач содержит следующие компоненты:
- Входной компонент 10, который состоит из входного вала 11 и входного зубчатого колеса 12. Колесо 12 представляет собой цилиндрическое прямозубое зубчатое колесо и жестко соединено с внутренним концом вала 11, так что колесо 12 вращается вместе с валом 11 с такой же частотой, что и вал 11.
- Маховик 20, который содержит кольцевое зубчатое колесо 21 («кольцевое зубчатое колесо маховика») и цилиндрическое планетарное прямозубое зубчатое колесо 22 («планетарное зубчатое колесо маховика»). Колесо 22 присоединено к плоской обратной поверхности маховика 20 и соосно с колесом 21, так что колесо 22 вращается вместе с колесом 21 с такой же частотой, что и колесо 21.
- Первый трансмиссионный вал 30, который состоит из удлиненного жесткого вала 31, цилиндрического солнечного зубчатого колеса 32 входной стороны и цилиндрического солнечного зубчатого колеса 33 выходной стороны. Колесо 32 жестко соединено с концом вала 31, наиболее близким к компоненту 10, а колесо 33 жестко соединено с другим концом вала 31. Таким образом, вал 31, колесо 32 и колесо 33 вращаются вместе с одинаковой частотой. Вал 31 проходит сквозь осевые отверстия в трансмиссионных компонентах, о чем сказано ниже. Вал 30 также содержит коническое зубчатое колесо 34, неподвижно установленное посередине вала 31. Назначение колеса 34 описано ниже.
- Первый трансмиссионный компонент 40, который по существу является цилиндрическим и содержит разделяющую стенку 44, которая разделяет компонент 40 на две цилиндрические половины. Первая половина образует первое кольцевое зубчатое колесо 41 входной стороны, а другая половина образует первое кольцевое зубчатое колесо 42 выходной стороны. Стенка 44 содержит осевое сквозное отверстие 43, сквозь которое проходит вал 31 вала 30.
- Второй трансмиссионный вал 50, который состоит из удлиненного жесткого вала 51, цилиндрического зубчатого колеса 52 входной стороны (не путать с колесом 12) и цилиндрического зубчатого колеса 53 выходной стороны (не путать с выходным планетарным зубчатым колесом 72, речь о котором пойдет ниже). Колесо 52 жестко соединено с концом вала 51, наиболее близким к компоненту 10, а колесо 53 жестко соединено с другим концом вала 51. Таким образом, вал 51, колесо 52 и колесо 53 вращаются вместе с одинаковой частотой. Вал 50 также содержит коническое зубчатое колесо 54, установленное посередине вала 51. Назначение колеса 54 описано ниже.
- Выходной компонент 70, который состоит из ступенчатого выходного вала 71 и цилиндрического выходного планетарного прямозубого зубчатого колеса 72. Важно, что компонент 70 отличается от компонента 10 не только тем, что вал 71 имеет ступенчатую форму, в то время как вал 11 является прямым, но также и тем, что вал 71 соединен с колесом 72 с возможностью вращения, в то время как колесо 12 соединено с валом 11 без возможности вращения. Поскольку колесо 72 соединено с внутренним концом вала 71 с возможностью вращения, оно может вращаться, в то время как вал 71 остается неподвижным.
- Первый регулятор 80, который содержит регулировочный вал 81, к одному концу которого жестко присоединено коническое зубчатое колесо 82. Колесо 82 находится в зацеплении с колесом 34 вала 31. Назначение этого зацепления будет описано ниже.
- Второй регулятор 90, который, как и регулятор 80, содержит регулировочный вал 91, к одному концу которого жестко присоединено коническое зубчатое колесо 92. Колесо 92 находится в зацеплении с колесом 54 вала 51. Назначение этого зацепления будет описано ниже.
На практике регулируемая коробка передач, изображенная на чертежах, также содержит другие компоненты, которые не показаны. Например, составные части коробки передач обычно помещены внутрь корпуса. Корпус, как правило, образует оболочку вокруг этих составных частей, но при этом имеет отверстия или соединительные средства для обеспечения возможности присоединения вала 11, вала 71, вала 81 и вала 91 к ведущим или ведомым компонентам, которые являются внешними по отношению к коробке передач. Кроме того, внутри корпуса коробки передач имеются различные держатели, подшипники, крепежные средства и т.п. для обеспечения надлежащего положения составных частей коробки внутри корпуса. Необходимо отметить, что составные части коробки передач в большинстве случаев «зафиксированы», т.е. имеют возможность вращаться вокруг своих главных цилиндрических осей, что необходимо при функционировании коробки передач, но не имеют возможности совершать иные виды движения. Однако, имеется несколько исключений. Например, колесо 72 может (в ряде случаев - в зависимости от того, каким образом осуществляется управление коробкой передач для изменения соотношения входной и выходной частот вращения), помимо вращения вокруг своей главной оси, совершать планетарное перемещение вокруг колеса 33. Подобное планетарное перемещение является обычным для планетарных передач. Кроме того, маховик 20 является «плавающим» компонентом и может, таким образом, (опять же, в зависимости от того, каким образом осуществляется управление коробкой передач для изменения соотношения входной и выходной частот вращения) совершать планетарное перемещение при перемещении колеса 22 вокруг колеса 32. Ниже приведено более подробное описание движения различных компонентов.
Первичный двигатель, который генерирует вращение (например, двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель), имеет приводной вал, присоединенный некоторым способом к валу 11, так что вращение первичного двигателя вызывает вращение вала 11, и передающий таким образом вращение от первичного двигателя внутрь коробки передач. Вращение вала 11 вызывает соответствующее вращение колеса 12. Обращенные наружу зубья колеса 12 находятся в зацеплении с обращенными внутрь зубьями колеса 21, так что вращение передается на маховик 20.
Следует отметить, что в конкретном варианте реализации, показанном на чертежах, кольцевые зубчатые колеса имеют диаметр, который в три раза больше диаметра цилиндрических зубчатых колес. Иными словами, каждое из кольцевых зубчатых колес имеет втрое больше зубьев, чем каждое из цилиндрических зубчатых колес.
В целях пояснения следует, прежде всего, отметить, что упомянутое выше вращение вала 11 и колеса 12 заставляет маховик 20 вращаться в том же направлении, что обусловлено характером зацепления между зубьями колеса 21 и колеса 12. Маховик 20 вращается медленнее, чем входной вал, поскольку его диаметр (в три раза) больше диаметра колеса 12. Кроме того, это вращение может быть лишь одной из составляющих общего/результирующего движения маховика 20.
Колесо 22 неподвижно установлено на задней поверхности маховика 20. Следовательно, колесо 22 вращается вместе с остальной частью маховика 20 с такой же частотой и в том же направлении, что и остальная часть маховика 20.
Как показано на фиг.1, колесо 22, в свою очередь, находится в зацеплении как с колесом 32 (которое присоединено к валу 31), так и с колесом 41 (которое является частью компонента 40). Следовательно, вращение маховика 20 может передаваться как на вал 30, так и на компонент 40. Однако то, передается вращение на оба эти элемента или на один из них, зависит от того, приложены ли к регуляторам ускоряющие или замедляющие крутящие моменты, либо от того, в каком сочетании они приложены. Речь об этом пойдет ниже.
В целях пояснения удобно рассмотреть ситуацию, когда к обоим регуляторам ускоряющий или замедляющий крутящий момент не приложен. Соответственно, каждый регулятор вращается под действием вращения соответствующего трансмиссионного вала, с которым он соединен. В этой ситуации вращение маховика 20 передается как на колесо 32, так и на колесо 41. Поэтому вращаются и вал 30, и компонент 40. Будем считать, что вал 11 вращается в направлении, которое показано стрелкой на фиг.1, со скоростью ω (следовательно, вращение с той же частотой, но в противоположном направлении имеет обозначение -ω). Колесо 12 тоже вращается с угловой скоростью ω. Маховик 20 вращается медленнее (со скоростью ω/3), поскольку его диаметр втрое больше диаметра колеса 12. Таким образом, скорость вращения колеса 22 тоже составляет ω/3.
В ситуации, когда к обоим регуляторам не приложен ускоряющий или замедляющий крутящий момент, компонент 40 вращается медленнее маховика 20, но в одном с ним направлении. Говоря точнее, компонент 40 вращается с угловой скоростью ω/9, поскольку его диаметр втрое больше, чем диаметр колеса 22. И, наоборот, колесо 32 вращается с той же частотой, что и маховик 20 (поскольку колесо 22 и колесо 32 имеют одинаковые диаметры), но в противоположном с ним направлении. Таким образом, колесо 32 вращается со скоростью -ω/3.
Колесо 32 прикреплено непосредственно к валу 31, а из фиг.2 можно увидеть, что вал 31 свободно проходит сквозь отверстие 43 в центре компонента 40. Аналогичным образом, другой конец вала 31 свободно проходит сквозь отверстие 63 во втором трансмиссионном компоненте 60, как показано на фиг.1. Следовательно, вращение, описанное в предыдущем абзаце, которое сообщается колесу 32, передается и другим частям вала 30. Иными словами, вал 31, колесо 34 и колесо 33 вращаются с той же частотой и в том же направлении, что и колесо 32, а именно -ω/3. Напоминаем, что рассматривается ситуация, когда оба регулировочных вала двигаются без ускорения/замедления, и, следовательно, регулятор 80 вращается за счет передачи ему вращения от вала 30 через колесо 82. Регулятор 80 расположен под прямым углом к валу 30, следовательно, утвержденное выше правило знаков +/- не может быть применено к регулятору 80 (по этой же причине оно не может быть применено и к регулятору 90). Тем не менее, колесо 82 имеет столько же зубьев, что и колесо 34, следовательно, частота вращения регулятора 80 составляет |ω/3|.
Как указано выше, в ситуации, когда оба регулятора двигаются без ускорения/замедления, вращение маховика 20 вызывает вращение компонента 40 со скоростью ω/9. Из фиг.2 видно, что колесо 52 находится в зацеплении с обращенными внутрь зубьями колеса 42. Следовательно, вращение компонента 40 вызывает вращение колеса 52. Диаметр колеса 52 составляет одну треть от диаметра колеса 42. Таким образом, колесо 52 вращается в том же направлении, что и колесо 42, но в три раза быстрее него, т.е. со скоростью ω/3.
Колесо 52 жестко присоединено к концу вала 50. Таким образом, вращение колеса 52 заставляет другие части вала 50 (а именно вала 51, колеса 53 и колеса 54) вращаться со скоростью ω/3. Регулятор 90 тоже вращается за счет передачи ему вращения от вала 50 через колесо 92. Скорость вращения регулятора 90 составляет |ω/3|.
Следует отметить, что в этой ситуации, когда вал 11 вращается со скоростью ω, а оба регулятора движутся без ускорения/замедления, вал 30 вращается со скоростью -ω/3, в то время как вал 50 вращается со скоростью ω/3. Иными словами, трансмиссионные валы вращаются втрое медленнее входного вращения и в противоположных направлениях.
Снова обратимся к фиг.1, из которой видно, что колесо 53 (которое является частью вала 50) находится в зацеплении со вторым кольцевым зубчатым колесом 61 входной стороны, расположенным на компоненте 60. В результате этого второй трансмиссионный компонент вращается в том же направлении, что и вал 50, но в три раза медленнее него (поскольку диаметр компонента 60 в три раза больше диаметра колеса 53). Таким образом, второй трансмиссионный компонент вращается со скоростью ω/9.
Напоминаем, что тот конец вала 30, который обращен к выходной стороне коробки передач, проходит сквозь отверстие 63 в компоненте 60. На этот конец вала 30 установлено колесо 33, как показано на фиг.2. Колесо 33 находится в зацеплении с колесом 72. При этом колесо 72 также находится в зацеплении со вторым кольцевым зубчатым колесом 62 выходной стороны, расположенным на компоненте 60. Таким образом, колесо 72 находится в зацеплении как с колесом 33, так и с колесом 62.
Колесо 33 (а также вал 30 в целом) вращается со скоростью -ω/3. Кроме того, компонент 60 вращается со скоростью ω/9, при этом диаметр компонента 60 в три раза больше, чем диаметр колеса 33. Следовательно, тангенциальная скорость зубьев в зацеплении колеса 33 и колеса 72 имеет точно такую же величину, что и тангенциальная скорость зубьев в зацеплении колеса 62 и колеса 72. Результатом этого является то, что колесо 72 «остается в одной точке» и вращается только вокруг своей главной оси без планетарного перемещения вокруг колеса 33. Кроме того, поскольку колесо 72 соединено с валом 71 с возможностью вращения, вал 71 остается неподвижным, когда колесо 72 вращается в одной точке таким образом. Вал 71 вращается лишь в том случае, когда колесо 72 совершает планетарное перемещение вокруг колеса 33.
Таким образом, в данной ситуации (в которой вал 11 вращается со скоростью ω, а оба регулятора движутся без ускорения/замедления) результирующее противоположное вращение вала 30 и компонента 60 приводит к тому, что вращение через коробку передач не передается (при этом каждый из регуляторов вращается с частотой |ω/3|, как описано выше). Иными словами, в этой ситуации отношение выходной частоты вращения к входной частоте вращения равно нулю. Частоты и направления вращения компонентов в этой ситуации графически показаны на фиг.7.
Теперь рассмотрим другую ситуацию (графически представленную на фиг.8), в которой
- достаточно большой замедляющий крутящий момент приложен к регулятору 80 для обеспечения неподвижности этого регулятора (т.е. для полного предотвращения его вращения),
- к регулятору 90 приложен крутящий момент, так что этот регулятор вращается с постоянной угловой скоростью |ω/2| (в направлении, показанном на фиг.8), и
- входной вал, как и в предыдущем случае, вращается со скоростью ω.
В данной ситуации видно, что зацепление колеса 12 с колесом 21, как и в предыдущем случае, вызывает вращение маховика 20 с угловой скоростью ω/3 вокруг его главной цилиндрической оси. Однако, поскольку регулятор 80 теперь неподвижен, вал 30 тоже становится неподвижным, а значит, неподвижно и колесо 32. Следовательно, вращение маховика 20 и зацепление между колесом 22 и колесом 32 вызывают также планетарное перемещение колеса 22 вокруг колеса 32. Скорость этого планетарного перемещения составляет -ω/3, как показано стрелкой на фиг.8.
При этом, поскольку регулятор 90 вращается с постоянной угловой скоростью |ω/2| в направлении, показанном на фиг.8, вал 50 приводится во вращение со скоростью ω/2. Это заставляет как компонент 40, так и компонент 60 вращаться в одинаковом направлении. Однако, как указано выше, вращение компонентов 40 и 60 происходит медленнее, чем вращение вала 50, поскольку диаметр кольцевых зубчатых колес этих компонентов в три раза больше, чем диаметр колес, находящихся на концах вала 50. Следовательно, компоненты 40 и 60 оба вращаются со скоростью ω/6.
Таким образом, в данной ситуации колесо 33 неподвижно (поскольку неподвижен весь вал 30), в то время как колесо 62 вращается со скоростью ω/6 (поскольку весь компонент 60 вращается со скоростью ω/6).
Колесо 72 находится в зацеплении как с колесом 33, так и с колесом 62. Следовательно, общее/результирующее вращение колеса 72 (а значит, и общее/результирующее вращение вала 71) определяется совокупным взаимодействием колес 33 и 62 с колесом 72. В данном случае вращение колеса 62 вызывает вращение колеса 72 вокруг его главной цилиндрической оси со скоростью ω/2 (т.е. в три раза быстрее колеса 62 в одном направлении с ним). При этом колесо 72 также совершает планетарное перемещение вокруг колеса 33 (поскольку колесо 33 неподвижно). Таким образом, колесо 72 не только вращается вокруг собственной главной цилиндрической оси со скоростью ω/2, но также совершает планетарное перемещение вокруг колеса 33 с угловой скоростью ω/2. Планетарное перемещение колеса 72 вызывает вращение вала 71 со скоростью ω/2.
Таким образом, в результате обездвиживания регулятора 80 вращения регулятора 90 со скоростью |ω/2| (как показано на фиг.8) и вращения входного вала со скоростью ω выходное вращение имеет то же направление, что и входное вращение, но втрое меньшую скорость. Иными словами, выходное вращение коробки передач имеет скорость ω/2, т.е. отношение выходной частоты вращения к входной частоте вращения равно 2.
Фиг.9 схематически иллюстрирует еще одну ситуацию, в которой
- к регулятору 80 приложен крутящий момент, так что регулятор 80 вращается с постоянной угловой скоростью |2ω| (в направлении, показанном на фиг.9),
- к регулятору 90 приложен крутящий момент, так что регулятор 90 вращается с постоянной угловой скоростью |ω/2| (в направлении, показанном на фиг.9), и
- входной вал, как и в предыдущем случае, вращается со скоростью ω.
Очевидно, что зацепление колеса 12 с колесом 21, как и в предыдущем случае, вызывает вращение маховика 20 с угловой скоростью ω/3 вокруг его главной цилиндрической оси. При этом, поскольку регулятор 80 теперь вращается со скоростью |2ω|, вал 30 вращается со скоростью -2ω, а значит, и колесо 32 вращается со скоростью -2ω. Таким образом, вращение маховика 20 и зацепление между колесами 22 и 32 вызывают также планетарное перемещение колеса 22 вокруг колеса 32. Скорость этого планетарного перемещения составляет -2ω+ω/3=-5ω/3, как показано стрелкой на фиг.9.
При этом, поскольку регулятор 90 вращается с постоянной угловой скоростью |ω/2| в направлении, показанном на фиг.9, валу 52 придается вращение со скоростью ω/2. Это заставляет как компонент 40, так и компонент 60 вращаться в одинаковом направлении. Однако по тем же причинам, что и в предыдущем примере, компоненты 40 и 60 вращаются со скоростью ω/6 (т.е. в три раза медленнее вала 50).
Таким образом, в данной ситуации колесо 33 вращается со скоростью -2ω (поскольку весь вал 30 вращается с этой скоростью), в то время как колесо 62 вращается со скоростью ω/6 (что указано в предыдущем абзаце).
Как указано выше, общее/результирующее вращение колеса 72 (а, значит, и общее/результирующее вращение вала 71) определяется совокупным взаимодействием колес 33 и 62 с колесом 72. В данном случае зацепление колеса 72 с колесом 62 (которое вращается со скоростью ω/6) и с колесом 33 (которое вращается со скоростью -2ω) вызывает вращение колеса 72 вокруг его главной оси со скоростью ω/2 (т.е. в три раза быстрее колеса 62), а также вызывает планетарное перемещение колеса 72 с круговой скоростью -2ω+ω/2=-3ω/2.
Иными словами, в данной ситуации результатом вращения регулятора 80 со скоростью |2ω| (как показано на фиг.9), вращения регулятора 90 со скоростью |ω/2| (как показано на фиг.9) и вращения входного вала со скоростью ω является то, что вал 71 вращается в противоположном направлении по отношению к входному вращению и со скоростью в 1,5 раза больше входной скорости. Т.е. отношение выходной частоты вращения к входной частоте вращения составляет -3/2=-1,5.
Эти примеры демонстрируют, что изменение сочетания ускоряющих/замедляющих крутящих моментов, прикладываемых к первому и второму регуляторам, может давать в результате изменение частоты и направления вращения выходного вала коробки передач по отношению к частоте вращения ее входного вала. Кроме того, необходимо отметить, что ускорение/замедление регуляторов (или по меньшей мере одного из них) можно плавно изменять, а, следовательно, имеется возможность плавно регулировать отношение выходной частоты вращения к входной частоте вращения коробки передач.
В некоторых случаях может быть невозможно плавно изменять ускорение/замедление регуляторов (или к одного из них). Вместо этого по меньшей мере один регулятор может иметь большое количество дискретных частот вращения, возможно, по меньшей мере в одном направлении. В этих случаях по меньшей мере один из регуляторов должен иметь более 6 разных частот вращения, причем большее количество частот вращения является более предпочтительным (по существу, чем их больше, тем лучше). Указанные частоты вращения должны быть близки друг к другу (т.е. между дискретными частотами вращения не должно быть больших интервалов). Это обеспечит приемлемую точность настройки отношения выходной частоты вращения трансмиссионной системы к ее входной частоте вращения. А это, в свою очередь, поможет в значительной мере решить проблему, о которой шла речь в разделе «Предпосылки создания изобретения» и суть которой заключается в том, что при использовании существующих коробок передач, имеющих очень малое количество передаточных отношений, первичный двигатель вынужден работать при частоте вращения, которая выше или ниже оптимальной, поскольку такая трансмиссионная система не способна обеспечить передаточное отношение, которое позволило бы получить требуемую выходную частоту при идеальной рабочей частоте двигателя. Благодаря большому количеству дискретных частот вращения регулятора, разделенных небольшими интервалами, трансмиссионная система согласно настоящему изобретению способна обеспечить передаточное отношение, которое по меньшей мере близко к идеальному передаточному отношению.
Специалистам в данной области понятно, что в описанные конкретные варианты реализации могут быть внесены различные изменения и модификации без выхода за рамки сущности и объема изобретения.
Изобретение относится к регулируемым трансмиссионным системам. Трансмиссионная система имеет входной вал, выходной вал, маховик, который имеет кольцевое зубчатое колесо и планетарное зубчатое колесо, вращение которого обусловлено вращением входного вала, первый трансмиссионный вал, второй трансмиссионный вал, систему зубчатых колес, соединяющих входной вал с выходным, и регулировочные валы, связанные с трансмиссионными валами. Достигается повышение производительности и уменьшение расхода топлива. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 12 ил., 1 табл.
1. Трансмиссионная система, имеющая средства ввода вращения для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы, причем средства ввода вращения имеют первое входное зубчатое колесо (12), неподвижно установленное на них, так что колесо (12) вращается вместе со средствами ввода вращения и с такой же частотой, что и средства ввода вращения, первое кольцевое зубчатое колесо (21), приспособленное для зацепления с колесом (12) на первой его стороне, так что вращение средств ввода вращения вызывает вращение колеса (21), первое выходное планетарное зубчатое колесо (22), расположенное соосно с колесом (21) на второй его стороне, второе кольцевое зубчатое колесо (41), находящееся в зацеплении с колесом (22), первое солнечное зубчатое колесо (32), установленное на первый конец первого трансмиссионного вала (31) и находящееся в зацеплении с колесом (22) и колесом (41), третье кольцевое зубчатое колесо (42), установленное соосно с колесом (41) для соответствующего вращения, второе выходное зубчатое колесо (52), находящееся в зацеплении с колесом (42) и установленное на первый конец второго трансмиссионного вала (51), второе входное зубчатое колесо (53), установленное на второй конец вала (51), четвертое кольцевое зубчатое колесо (61), установленное соосно с валом (31) и находящееся в зацеплении с колесом (53), пятое кольцевое зубчатое колесо (62), установленное соосно с валом (31), средства вывода вращения для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы, второе планетарное зубчатое колесо (72), находящееся в зацеплении с колесом (62) и колесом (33), расположенным на втором конце вала (31), и выполненные с возможностью вращения регулировочные средства (81) или (91), находящиеся в зацеплении, по меньшей мере, с одним из валов (31) или (51), причем скорость вращения средств (81) или (91) выборочно регулируется с целью регулировки частоты и/или направления вращения средств ввода вращения по отношению к вращению средств вывода вращения.
2. Трансмиссионная система по п.1, в которой разные скорости выполненных с возможностью вращения регулировочных средств обеспечивают разные соотношения между частотой и/или направлением входного и выходного вращений.
3. Трансмиссионная система по п.1 или 2, в которой входное вращение генерируется первичным двигателем.
4. Трансмиссионная система по п.3, в которой первичный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, ветряной двигатель, гидротурбину, рукоятку и т.п. или любое их сочетание.
5. Трансмиссионная система по п.4, в которой первичный двигатель выполнен с возможностью присоединения к средствам ввода вращения трансмиссионной системы.
6. Трансмиссионная система по любому из пп.1, 2, 4, в которой средства ввода вращения представляют собой входной вал, гнездо, паз, штырь, выступ, гидравлическую приводную цепь и т.п. либо любое их сочетание.
7. Трансмиссионная система по любому из пп.1, 2, 4, 5, в которой выполненные с возможностью вращения регулировочные средства имеют более 6 дискретных скоростей вращения, предпочтительно более 10 дискретных скоростей вращения, наиболее предпочтительно более 50 дискретных скоростей вращения.
8. Трансмиссионная система по любому из пп.1, 2, 4, 5, в которой скорость вращения, выполненная с возможностью вращения регулировочных средств, является выборочно и плавно изменяемой.
9. Трансмиссионная система по п.8, в которой выполненные с возможностью вращения регулировочные средства содержат выполненный с возможностью вращения вал.
10. Трансмиссионная система по п.9, в которой как первый, так и второй трансмиссионные валы снабжены выполненными с возможностью вращения регулировочными средствами.
11. Трансмиссионная система по п.10, в которой диаметр первого кольцевого зубчатого колеса (21) больше, чем диаметр первого входного зубчатого колеса (12).
12. Трансмиссионная система по п.11, в которой вращение или невращение выполненных с возможностью вращения регулировочных средств влияет на трансмиссию, а изменение частоты и/или направления вращения указанных регулировочных средств вызывает изменение частоты и/или направления вращения средств вывода вращения по отношению к частоте и направлению вращения средств ввода вращения.
13. Трансмиссионная система по п.12, в которой плавно изменяемое ускоряющее или замедляющее воздействие, прикладываемое к выполненным с возможностью вращения регулировочным средствам или с помощью выполненных с возможностью вращения регулировочных средств, влечет за собой ускорение или замедление вращения по меньшей мере первого и/или второго трансмиссионного вала, за счет чего выполненные с возможностью вращения регулировочные средства обеспечивают возможность плавного изменения частоты и/или направления выходного вращения по отношению к частоте и/или направлению входного вращения.
14. Трансмиссионная система, имеющая входное звено, предназначенное для подачи вращения («входного вращения») внутрь трансмиссионной системы, и выходное звено, предназначенное для подачи вращения («выходного вращения») из трансмиссионной системы, маховик, вращение которого обусловлено вращением входного звена, первый трансмиссионный вал и первый трансмиссионный компонент, причем на вращение маховика влияет вращение или невращение первого трансмиссионного вала и вращение или невращение первого трансмиссионного компонента, второй трансмиссионный вал, причем первый трансмиссионный компонент вращается, если вращается второй трансмиссионный вал, второй трансмиссионный компонент, который вращается, если вращается второй трансмиссионный вал, причем вращение или невращение второго трансмиссионного компонента и вращение или невращение первого трансмиссионного вала влияют на выходное вращение, по меньшей мере один регулятор, вращение или невращение которого связано с вращением или невращением одного из трансмиссионных валов, при этом к регулятору может быть приложен плавно изменяемый ускоряющий или замедляющий крутящий момент для ускорения или замедления вращения трансмиссионного вала, с которым соединен регулятор, а плавно изменяемое ускорение или замедление вращения этого трансмиссионного вала обеспечивает плавное изменение частоты и/или направления выходного вращения по отношению к входному вращению.
| WO 2007046722 A1, 26.04.2007 | |||
| DE 3424421 A1, 09.01.1986 | |||
| ПЛАНЕТАРНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ | 1995 |
|
RU2104427C1 |
| МЕХАНИЧЕСКАЯ ГОЛОНОМНАЯ ЧАСТЬ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С БЕССТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ЧИСЕЛ | 2003 |
|
RU2239738C1 |
