Вально-планетарная гибридная трансмиссия Российский патент 2023 года по МПК F16H3/00 B60K17/12 B60K6/547 F16H3/72 F16H37/04 

Изобретение относится к трансмиссиям с вальными коробками перемены передач (КПП) семейств «Ромашка» и «Конфигурация», главным образом безрельсовых наземных транспортных средств - гусеничных и колесных машин.

Актуальными вопросами для гусеничных и колесных машин различного назначения являются обеспечение количества режимов (в том числе передач в КПП), достаточного для прямолинейного движения в широком спектре эксплуатационных условий, и применение гибридных силовых установок, главным образом в сочетании двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и тягового электрического двигателя, а лучше - обратимой электрической машины (ОЭМ).

Среди путей улучшения технико-эксплуатационных и тактико-технических характеристик (ТЭХ, ТТХ) транспортных машин по этим направлениям - применение многорежимных КПП, предпочтительно с преселективным управлением, например, [1. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. П.: Машиностроение. Ленингр. отд. 1986 - 126 с, ил. - С. 1-10, 14, рис. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.10; 2. RU 00131781, МПК B60K 17/32, 27.05.2000; RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011; RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001; 3. RU 2657483, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 14.06.2018 «18-скоростная механическая вальная коробка передач, преимущественно для трактора»]; семейства КПП «Ромашка» [4. RU 2658474, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 21.06.2018, «Многовальная коробка передач «Ромашка»; 5. RU 2691678, МПК F16H 3/093, F16H 37/02, 17.06.2019, «20-режимная однопоточная вальная коробка передач «Конфигурация-20»»; 6. RU 2691506, МПК F16H 3/093, F16H 3/093, 14.06.2019 «24-режимная однопоточная вальная коробка передач «Конфигурация-24»; 7. RU 2723206, МПК F16H 37/04, F16H 3/087, 09.06.2020, «Преселективная коробка передач «Ромашка-3Ф» для трансмиссий транспортных средств»];

ТЭХ упомянутых КПП [1, 2], при всех своих положительных свойствах и востребованности в прошлом, настоящем и будущем автотракторостроения, в текущем столетии уже не удовлетворяют современным запросам потребителей (требованиям заказчика) и уровню развития трансмиссий тяговых транспортных средств, к каковым относятся трактора. Это касается и компоновочных проблем. В частности, расширяется практика применения дисковых фрикционных элементов управления (переключения передач) [8. RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001], [3], существенно повышающих плавность переключения и являющихся инструментом реализации принципа безразрывности переключения передач в КП (несмотря на такие недостатки, как несколько большие габариты, стоимость, повышенные требования к условиям работы).

Что касается гибридных силовых приводов и, соответственно, гибридных трансмиссий [9. Гибридная трансмиссия - URL: https://wiki.zr.ru/ Гибридная_трансмиссия. (дата обращения: 10.05.2022)], то именно редукторная их часть зачастую оказывается плохо приспособлена для этих целей.

Наиболее близким по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков к заявляемому устройству аналогом (прототипом) является (в обозначениях, адаптированных заявителем к заявляемому устройству) трансмиссия наземного транспортного средства (ТС) на базе вальной коробки перемены передач (КПП) семейств «Ромашка» и «Конфигурация», содержащей многорежимную вальную коробку перемены передач, включающую входной вал, с возможностью его связи с двигателем, по меньшей мере два параллельных входному промежуточных вала, выходной зубчатый механизм и выходной вал коробки перемены передач, параллельный промежуточным, зубчатые колеса и муфты переключения передач, установленные на валах, а также дисковые фрикционные элементы управления, с возможностью связи выходного вала коробки перемены передач с устройствами дополнительной редукции, реверсирования, поворота и торможения ведущих колес или иных приводных элементов [5. RU 2691678, МПК F16H 3/093, F16H 37/02, 17.06.2019].

Прототип подробно описан и защищен указанным патентом в части КПП, поскольку именно она выступает предметом изобретения в источнике информации [5]. В то же время, объект защиты - КПП - не вырван из контекста: в описании и сути технического решения имеется «ненавязчивое присутствие», наряду с двигателем (силовой установкой), других неотъемлемых составных агрегатов, в совокупности с КПП составляющих трансмиссию, как энергетическую взаимосвязь двигателя с исполнительным элементом (для ТС это ведущие колеса), а именно -дополнительного редуктора между валом двигателя и входным валом КПП, устройства управления поворотом в том или ином виде (здесь это не принципиально), остановочные тормоза и бортовые редукторы при ведущих колесах.

Технический результат использования прототипа [5] - расширение компоновочных возможностей КПП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки, сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и ТС в целом, с обеспечением плотной компоновки. Что особенно важно с позиций совместного монтажа и, особенно, агрегатирования КПП с двигателем. А это определяет улучшение ТЭХ / ТТХ ТС.

Однако прототип имеет ряд несовершенств и в нем недостаточно полно используется технический потенциал повышения целого ряда свойств и характеристик. Так, у прототипа можно отметить:

- недостаточно широкие компоновочные возможности КПП и недостаточную компактность;

- проблемы динамики транспортного средства при работе ДВС в режиме максимальной экономичности, а значит - ограниченное использование такого режима;

- проблемы обеспечения полного реверса трансмиссии;

- проблемы обеспечения рекуперации;

- проблемы реализации режима «пуск ДВС»; и др.

Техническая проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в разработке компактной гибридной трансмиссии с расширенными ТЭХ / ТТХ.

Гибридная трансмиссия, построенная на базе новых многовальных КПП, к которым относится и упомянутое семейство КПП «Ромашка» [4-7], позволила бы рациональнее использовать технический потенциал этих агрегатов. Причем без существенного усложнения системы управления агрегатами.

Решение поставленной проблемы достигается тем, что в вально-планетарной гибридной трансмиссии, содержащей многорежимную вальную коробку перемены передач, включающую входной вал, с возможностью его связи с двигателем, по меньшей мере два параллельных входному промежуточных вала, выходной (вальный) зубчатый механизм и выходной вал коробки перемены передач, параллельный промежуточным, зубчатые колеса и муфты переключения передач, установленные на валах, а также дисковые фрикционные элементы управления, с возможностью связи выходного вала коробки перемены передач с устройствами дополнительной редукции, реверсирования, поворота и торможения ведущих колес или иных приводных элементов, согласно заявляемому изобретению, на входе в коробку перемены передач установлен простой суммирующий планетарный зубчатый механизм с функцией сцепления, солнечная шестерня которого связана с входным валом коробки перемены передач, водило снабжено тормозом Т₀ и выполнено с возможностью связи с упомянутым двигателем, эпицикл снабжен тормозом T₁ и выполнен с возможностью связи с дополнительным двигателем, с образованием, таким образом, двух входных звеньев трансмиссии, а на выходе коробки перемены передач установлена дополнительная коробка передач в виде управляемого ступенчатого планетарного механизма на базе, по меньшей мере одного простого планетарного ряда, солнечные шестерни которых, при количестве рядов два и более, объединены и связаны с выходным валом коробки перемены передач, эпицикл первого ряда и водила последующих рядов объединены и выведены в качестве выходного вала X, водило первого ряда снабжено тормозом T_R, эпицикл каждого последующего ряда снабжен тормозом - Т₂, Т₃, … а эпицикл последнего ряда связан с выходным валом X опосредованно через фрикцион - С₃ или С₄ в зависимости от порядкового номера фрикциона в перечне фрикционных элементов управления после упомянутых тормозов.

Решение поставленной проблемы достигается также за счет дополнительного конструктивного признака (при сформулированной выше основной совокупности признаков): входные звенья - водило и эпицикл упомянутого входного планетарного механизма могут быть выполнены с возможностью связи, соответственно, с двигателем внутреннего сгорания и с тяговым электрическим двигателем или обратимой электрической машиной (это существенно расширяет возможности «гибридизации» трансмиссии, соответствующие ей возможности шасси ТС).

Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с проблемой.

Четкое разграничение ограничительной и отличительной частей приведенных совокупностей существенных признаков, отражающее результаты сравнительного анализа заявляемого устройства с прототипом, соотносятся с мировым уровнем новизны технического решения. Мировой уровень новизны - первый из триады признаков (критериев) изобретения.

Далее, совокупности отличительных существенных признаков заявляемой гибридной трансмиссии не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же накопленного опыта проектирования, производства и эксплуатации (практического использования) двух- и трехстепенных планетарных зубчатых механизмов, фрикционных элементов и систем управления трансмиссиями и их составными частями.

Заявляемая трансмиссия пояснена на чертежах фиг. 1, 2:

- на фиг. 1 показана упрощенная кинематическая схема первого частного случая (примера) вально-планетарной гибридной трансмиссии, где СМ₀ - входной суммирующий планетарный зубчатый механизм; КПП - коробка перемены передач; СМ_кпп - выходной планетарный зубчатый механизм (трехзвенник); ДКП - дополнительная коробка передач; 0, 0*, 0_кпп, Х_кпп, X - входные и выходные звенья; 1,…, n - параллельные промежуточные валы (на фиг. видны два таких вала - нижний и верхний); M₁ … М_n - муфты переключения передач в КПП; k_1,2,R - кинематические параметры планетарных механизмов; T_0,1,2,R - дисковые фрикционные элементы управления (тормоза); С₃ - дисковый фрикционный элемент управления (муфта) на выходном звене X;

- на фиг. 2 - схема второго частного случая (примера) вально-планетарной гибридной трансмиссии а трехрядной ДКП, где (в дополнение к обозначениям на фиг. 1) Т₃ - дисковый фрикционный элемент управления (тормоз); С₄ - дисковый фрикционный элемент управления (муфта) на выходном звене X (аналогичен С₃ на фиг. 1).

Вально-планетарная гибридная трансмиссия содержит многорежимную вальную коробку перемены передач (КПП) с параллельными валами, включая входной вал 0_кпп, с возможностью его связи с двигателем (обычно внутреннего сгорания - ДВС), по меньшей мере два промежуточных вала, параллельных входному валу 0_кпп (всего 1…n параллельных валов в общем случае, показаны 1 и n), выходной зубчатый механизм (СМкпп), выходной вал Хкпп КПП, параллельный промежуточным валам 1...n, зубчатые колеса и муфты M1...Мn переключения передач (зубчатые, зубчатые с синхронизаторами или в виде индивидуальных дисковых фрикционных муфт при зубчатых колесах), установленные на промежуточных валах, а также дисковые фрикционные элементы управления (тормоза, конкретно обозначенные далее по тексту и на фигуре). С возможностью связи выходного вала Х_кпп КПП с устройствами дополнительной редукции, реверсирования, поворота и торможения ведущих колес или иных приводных элементов, характерных, в частности, для наземных транспортных средств (ТС).

На входе в КПП установлен простой суммирующий планетарный зубчатый механизм (СМ₀). Его солнечная шестерня связана с входным валом 0_кпп КПП, водило снабжено тормозом Т₀ и выполнено с возможностью связи с упомянутым двигателем (здесь - ДВС), эпицикл снабжен тормозом T₁ и выполнен с возможностью связи с дополнительным двигателем, с образованием, таким образом, двух входных звеньев трансмиссии (на фигуре - крайние слева).

На выходе КПП установлена дополнительная коробка передач (ДКП) в виде управляемого ступенчатого планетарного механизма на базе, по меньшей мере одного простого планетарного ряда (рекомендуется на базе двух-трех таких рядов, как это показано в примерах по фиг. 1 и 2). Так в примере по фиг. 1 - с двумя рядами, по фиг. 2 - с тремя рядами. Солнечные шестерни этих рядов (при количестве рядов два и более) объединены и связаны с выходным валом Х_кпп КПП. Эпицикл первого ряда и водила последующих рядов (второго в примере по фиг. 1, или второго и третьего в примере по фиг. 2) объединены и выведены в качестве выходного вала X. Водило первого ряда снабжено тормозом T_R. Эпицикл каждого последующего ряда снабжен тормозом - Т₂ в двухрядной ДКП (по фиг. 1) или Т₂, Т₃ в трехрядной ДКП (по фиг. 2). Эпицикл последнего ряда связан с выходным валом X опосредованно через фрикцион - С₃ в двухрядной ДКП (по фиг. 1) или С₄ в трехрядной ДКП (по фиг. 2), то есть в зависимости от порядкового номера фрикциона С в перечне фрикционных элементов управления после упомянутых тормозов.

Входные звенья, а именно водило и эпицикл входного планетарного механизма СМ₀, могут быть выполнены (рекомендуется) с возможностью связи, соответственно, с ДВС и с тяговым электрическим двигателем (ТЭД) или (что более предпочтительно) с обратимой электрической машиной (ОЭМ).

Первый планетарный ряд ДКП может быть выполнен (рекомендуется) с кинематическим параметром k_R из диапазона [-3, -2]: k_R=-3…-2. В этом случае передаточное отношение на выходном валу X увеличивается по модулю в 2…3 раза по сравнению со значением на звене Х_кпп - выходе из КПП.

При наличии двух промежуточных валов можно получить три режима работы: базовую гамму передач плюс дополнительные (пониженные) передачи плюс задний ход. Вариант с тремя валами позволяет рациональнее использовать объем и получить в итоге до двенадцати передач прямого хода и шести передач заднего хода.

В приведенных примерах реализации изобретения (см. фиг. 1 и 2) в качестве базовой КПП, напомним, использована известная КПП (авторского семейства «Ромашка») Поэтому повторять подробное описание устройства и работы редукторной части КПП нецелесообразно, тем более это не составляет предмет изобретения, достаточно ссылки на прототип [5], аналог [6] и др. Остановимся на особенностях представленного примера реализации (в основном по фиг. 1, поскольку отличие второго примера от первого примера невелики) и, главное, на особенностях работы дополнительно введенных узлов и элементов - СМ₀, ДКП, фрикционных элементов управления Т_0,1,2,3,R и С₃, С₄.

Кинематические параметры планетарных механизмов k_1,2,3,R (см. фиг. 1) задают (выбирают, рассчитывают), исходя из теории и практики синтеза и проектирования планетарных передач.

Для некоторых тягово-транспортных машин двенадцати передач прямого хода недостаточно. Возможен вариант добавления в ДКП еще одного (третьего) планетарного ряда со своими элементами управления (см. второй пример на фиг. 2), что даст дополнительную группу пониженных передач. Например, характерный для трансформирующего механизма диапазон изменения передаточных отношений от 0,97 до 11,33 (см. [10. Теория и расчет трактора «Кировец» / Е.А. Шувалов и др. Под общей ред. А.В. Бойкова. - Л., «Машиностроение», 1980. - 208 с.]) может быть равномерно перекрыт восемнадцатью передачами, разбитыми по геометрической прогрессии со знаменателем 1,13, а двенадцатью передачами - со знаменателем 1,25.

Заявляемое устройство (на примере устройства по фиг. 1) работает следующим образом.

Фрикционный элемент управления (тормоз) T₁ выполняет роль сцепления, если буксует при трогании ТС с места на ДВС при отключенном ТЭД. Трогаться лучше на ТЭД. В это время ДВС уже запущен и работает на холостом ходу. Дальнейшая работа происходит при нормально-выключенном T₁.

От двигателя(ей) (ДВС и/или ТЭД и/или ОЭМ, с учетом суммирования в планетарном трехзвенном ряду СМ₀, через ведущий вал 0_кпп, поток мощности направляется к одному из подключенных соответствующей муфтой М параллельных промежуточных валов (см. принцип построения схем КПП семейства «Ромашка» в прототипе [5]). В КПП происходит редукция в соответствии с включенной передачей. С КПП мощность снимается через выходной (вальный) механизм СМ_КПП, на выходной вал КПП - X_кпп и сразу или опосредованно (например, карданной передачи в другом частном примере) поступает на солнечные шестерни ДКП. Работа же последней определяется положением «местных» элементов управления - Т₂, С₃ и T_R.

Передачи прямого хода реализуются при использовании тормоза T₂ (группа пониженных передач) или муфты С₃ (группа основных передач). Передачи заднего хода получают при включении тормоза T_R.

Полный реверс осуществляется на передачах прямого хода за счет смены направления вращения ТЭД. Это можно сделать только в режиме электродвижения.

В примере (модификации трансмиссии), где вал 0 подключен к ДВС, а вал 0* - к ТЭД или ОЭМ, ДВС работает в режиме максимальной экономичности (минимальный удельный расход топлива).

При ОЭМ торможение ТС сопровождается рекуперацией энергии.

При включенном фрикционном элементе Т₀ вал 0 и, соответственно, вал ДВС заторможен и ТС работает в режиме электродвижения - от ТЭД или от ОЭМ в режиме ТЭД.

Пуск ДВС, при необходимости, осуществляют от ТЭД или ОЭМ в режиме ТЭД при нормально-выключенных фрикционных элементах Т₀ и T₁. При этом тормоза Т₂ и T_R. включены одновременно (ДКП заблокирована), а в КПП включен один из элементов управления.

В первом и втором примерах (см. фиг. 1 и 2) фрикцион С₃ и C₄ соответственно, в сочетании с тормозом Т₂ и Т₃ соответственно, дополнительно расширяют возможности устройства.

Использование принципа контролируемого буксования [11. Замкнутые системы управления поворотом гусеничных машин / Ю.В. Галышев [и др.] // «Научно-технические ведомости СПбГПУ». №3, т. 2, 2014. - С. 201-209] позволит достичь высокой плавности работы.

Применение ОЭМ и накопителей энергии большой емкости дает возможность отказаться от тягового электрогенератора (ТЭГ), наличие которого обычно подразумевается в «гибридных» схемах. В этом случае ОЭМ работает в режиме генератора, например, при равномерном движении ТС и рекуперации, но используется как двигатель на прочих режимах.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет:

- расширить компоновочные возможности КПП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности всех валов в поперечном сечении КПП, сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и машины в целом;

- обеспечить, при многорежимности устройства (в том числе широкой гамме передаточных отношений), высокую компактность в осевом направлении, короткие и, соответственно, жесткие валы, удобство автоматизации управления трансмиссией;

- обеспечить плавное и преселективное переключение передач (режимов работы трансмиссии);

- обеспечить динамику транспортного средства при работе ДВС в режиме максимальной экономичности;

- обеспечить полный реверс трансмиссии;

- обеспечить рекуперацию при торможении транспортного средства;

- обеспечить дополнительный режим - электродвижения транспортного средства, за счет дополнительного элемента управления То, посредством которого можно останавливать вал отключенного ДВС;

- осуществлять пуск ДВС посредством электродвигателя или ОЭМ.

Все это определяет улучшение ТЭХ или ТТХ ТС, заметное расширение возможностей трансмиссии и всего транспортного средства.

Изобретение относится к трансмиссиям с вальными коробками перемены передач (КПП). Вально-планетарная гибридная трансмиссия содержит многорежимную вальную КПП, включающую входной вал, с возможностью его связи с двигателем. В ней имеются также по меньшей мере два промежуточных вала, параллельных входному, выходной зубчатый механизм, выходной вал КПП, параллельный промежуточным, зубчатые колеса и муфты переключения передач, а также дисковые фрикционные элементы управления. На входе в КПП установлен простой суммирующий планетарный зубчатый механизм с функцией сцепления. Его солнечная шестерня связана с входным валом коробки перемены передач. Водило снабжено тормозом Т₀ и выполнено с возможностью связи с упомянутым двигателем. Эпицикл снабжен тормозом T₁ и выполнен с возможностью связи с дополнительным двигателем. На выходе КПП установлена дополнительная коробка передач в виде управляемого ступенчатого планетарного механизма на базе, простых планетарных рядов, солнечные шестерни которых объединены и связаны с выходным валом КПП. Эпицикл первого ряда и водила последующих рядов объединены и выведены в качестве выходного вала X. Водило первого ряда снабжено тормозом T_R. Эпицикл каждого последующего ряда снабжен тормозом - Т₂, Т₃,…, а эпицикл последнего ряда связан с выходным валом X опосредованно через фрикцион - С₃ или С₄. Достигается улучшение тактико-технических характеристик трансмиссии и транспортного средства в целом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вально-планетарная гибридная трансмиссия, содержащая многорежимную вальную коробку перемены передач, включающую входной вал, с возможностью его связи с двигателем, по меньшей мере два параллельных входному промежуточных вала, выходной зубчатый механизм и выходной вал коробки перемены передач, параллельный промежуточным, зубчатые колеса и муфты переключения передач, установленные на валах, а также дисковые фрикционные элементы управления, с возможностью связи выходного вала коробки перемены передач с устройствами дополнительной редукции, реверсирования, поворота и торможения ведущих колес или иных приводных элементов, отличающаяся тем, что на входе в коробку перемены передач установлен простой суммирующий планетарный зубчатый механизм с функцией сцепления, солнечная шестерня которого связана с входным валом коробки перемены передач, водило снабжено тормозом Т0 и выполнено с возможностью связи с упомянутым двигателем, эпицикл снабжен тормозом Т1 и выполнен с возможностью связи с дополнительным двигателем, с образованием, таким образом, двух входных звеньев трансмиссии, а на выходе коробки перемены передач установлена дополнительная коробка передач в виде управляемого ступенчатого планетарного механизма на базе простых планетарных рядов, солнечные шестерни которых, при количестве рядов два и более, объединены и связаны с выходным валом коробки перемены передач, эпицикл первого ряда и водила последующих рядов объединены и выведены в качестве выходного вала X, водило первого ряда снабжено тормозом TR, эпицикл каждого последующего ряда снабжен тормозом - Т2, Т3,…, а эпицикл последнего ряда связан с выходным валом X опосредованно через фрикцион - С3 или С4 в зависимости от порядкового номера фрикциона в перечне фрикционных элементов управления после упомянутых тормозов.

2. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что входные звенья - водило и эпицикл упомянутого входного планетарного механизма выполнены с возможностью связи, соответственно, с двигателем внутреннего сгорания и с тяговым электрическим двигателем или обратимой электрической машиной.