Силовая установка транспортногоСРЕдСТВА Советский патент 1981 года по МПК B60K17/16 F16H48/30 

(54) СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к силовым установкам, работающим на горячих газах или продуктах сгорания, и предназначено для использования преимущественно в наземных транспортных средствах, таких как автомобили, колесные и гусеничные тракторы и тягачи, и др. подобные мащины, а также для средств рельсового транспорта, например для железнодорожных локомотивов. Известна силовая установка для транспортных средств, представляющая сочетание двигателя внутреннего сгорания, например, дизеля с нагнетателем, и потребителя мощности, например ступенчатой коробки передач трансмиссии и движителя транспортного средства, в которой выходной вал двигателя соединен с валом потребителя через гидротрансформатор, параллельно которому подключен дифференциальный механизм планетрного типа с двумя кинематическими степенями свободы, одно звено которого соединено с упомянутым нагнетателем 1. Недостатки известной силовой установки проявляются при уменьщении скорости вращения вала двигателя, работающего по внещней характеристике, и передаточного отношения гидротрансформатора (под которым понимается переменное отношение скоростей вращения его турбинного колеса к колесу насосному) с выходом величин указанных параметров за пределы их совместного рабочего диапазона, что происходит при чрезмерном увеличении сопротивления движению транспортного средства, при запаздывании переключения с высщей на низщую передачу или преждевременном переключении передачи с низшей на высшую в коробке передач трансмиссии, и в ряде других случаев. Такие режимы, вследствие возрастания разности между скоростями вращения насосного и турбинного колес гидротрансформатора и наличия дифференциальной связи нагнетателя с этими колесами, сопровождаются возрастанием скорости вращения нагнетателя тем значительнее, чем ниже скорость вращения вала двигателя, превышач величину номинальной скорости вращения нагнетателя, установленной для рабочего диапазона, на 25-30%. Это, наряду с неоправданными затратами энергии на вращение нагнетателя, создает чрезмерное возрастание давления в цилиндрах двигателя, что может привести к его поломке. С другой стороны, это может привести к поломке ротора нагнетателя от возрастания центробежных сил или к необходимости упрочнения его деталей. Наряду с этим,указанные явления сопровождаются значительным понижением КПД установки преимущественно за счет падения КПД гидротрансформатора с уменьшением его передаточного отношения при выходе за пределы установленного рабочего диапазона, поскольку дифференциальная связь с двумя кинематическими степенями свободы между насосным и турбинным колесами не препятствует предельному возрастанию скольжения между этими колесами при возрастании внешней нагрузки вплоть до остановки турбинного колеса и нулевого значения КПД. К недостаткам известной силовой установки относится и незначительная эффективность режима торможения при прехельном уменьшении подачи топлива в двигатель. Наличие указанной дифференциальной связи между колесами гидротрансформатора не препятствует выходу его турбинного колеса в типичный для подобных случаев обгонный режим относительно насосного колеса, когда величина силового взаимодействия через рабочую жидкость между этими колесами, как правило, в 2-5 раз меньше величины их силового взаимодействия при тяговых режимах работы. Отсюда незначительное поглощение энергии движу, щейся массы трансцрртного средства гидротрансформатором, передаваемой к его турбинному колесу со стороны ведущих колес движителя, а также незначительная степень использования тормозных возможностей двигателя на рассматриваемом режи.ме движения. Цель изобретения - расширение диапазона высоких значений КПД установки, предотвращ.ежие возрастания скорости вращения нагнетателя сверх допустимых значений, а также повышение эффективности режима торможйния. Указанная цель достигается тем, что дифференциальный механизм снабжен ограничителем степеней свободы. Ограничитель может быть выполнен в виде управляемой фрикционной муфты или муфты свободного хода, связывающих любые два звена дифференциального механизма, может быть выполнен в виде дополнительного (четвертого) звена дифференциального механизма, связанного с неподвижным корпусом силоловой установки через муфту свободного хо да, или через управляемую фрикционную муфту, или, наконец, последовательно через муфты того и другого типа. На фиг. 1 изображен вариант схемы силовой установки, в которой дифференциальный механизм установлен несоосно гидротрансформатору, а ограничитель степеней свободы выполнен в виде управляемой фрикционной муфты, расположенной между двумя звеньями этого механизма, на фиг. 2 - то же, с исполнением ограничителя степеней свободы в виде муфты свободного хода; на фиг. 3, 4 и 5 - силовая установка, в которой дифференциальный механизм установлен соосно гидротрансформатору, а ограничитель степеней свободы выполнен в виде дополнительного (четвертого) звена дифференциального механизма, связаного с неподвижным корпусом установки соответственно через муфту свободного хода, управляемую фрикционную муфту и последовательно через муфты обоих типов; на . 6 7 и 8 - то же, с несоосным расположением дифференциального механизма. Силовая установка содержит двигатель 1 внутреннего сгорания, например дизель с нагнетателем, и комплексный гидротрансфор.матор с прозрачной нагрузочной характеристикой, насосное колесо 2 которого связано с выходным валом 3 двигателя. Турбинное колесо 4 гидротрансформатора связано с валом 5 потребителя, например ступенчатой коробки 6 передач трансмиссии, кинематически связанной с движителем транспортного средства. Установка содержит также дифференциальный механизм планетарного типа с двумя кинематическими степенями свободы, звенья 7, 8 и 9 которого представляющие в даном варианте водило, солнечное и эпициклическое зубчатые колеса взаимодействующие друг с другом через блок 10 сателлитов,связаны через соответствующие зубчатые передачи 11, 12 и 13 (условно показанные штриховыми линиями) с выходным валом 3 двигателя (через насосное колесо 2 гидротрансформатора), с валом 5 потребителя и турбинным колесом 4 гидротрансформатора и с валом 14 нагнетателя 15 наддува двигателя 1. Дифференциальный механизм снабжен ограничителем степеней свободы, выполненным в виде управляемой фрикционной муфты 16, установленной между любой парой звеньев дифференциального механи ма, например между звеньями 7 и 8, как показано на фиг. 1. Изменения нагрузок на валах 3, 5 и 14, происходяшие при движении транспортного средства, приводят к автоматическому изменению передаточного отношения гидротрансформатора, а в силу связи его колес через дифференциальный механизм с нагнетателем 15 - к изменению характеристики вращения последнего. Тяговый режим работы установки делится на два этапа. Первый этап охватывает диапазон от максимальных скоростей вращения турбинного колеса 4 гидротрансформатора, вала 5 потребителя, насосного колеса 2 гидротрансформатора и вала 3 двигателя, соответствующих максимальному значению передаточного отношения гидротрансформатора, работающего в данном случае в режиме гидромуфты, до минимальных скоростей вращения указанных элементов, соответствующих минимальному значению передаточного отнощения гидротрансформатора. Система управления на данном этапе обеспечивает выключенное состояние муфты 16, и дифференциальный механизм, суммируя скорости вращения звеньев 7 и 8, пропорциональные соответственно скоростям вращения валов 3 двигателя и 5 потребителя, а также скоростям насосного 2 и турбинного 4 колес гидротрансформатора, обеспечивает определенную скорость вращения звену 9 и связанному с ним нагнетателю 15. При этом подбором кинематических параметров дифференциального механизма и передаточных чисел передачи И, 12 и 13 обеспечивается необходимая характеристика вращения нагнетателя 15. Мощность от двигателя 1 на данном этапе через вал 3 двигателя передается насосному колесу 2 гидротрансформатора, где разветвляется на два потока: первый поток через рабочую жидкость, преобразуясь, передается к турбинному колесу 4 гидротрансформатора и далее через вал 5 потребителя - к коробке 6 передач, второй поток от насосного колеса 2 гидротрансформатора через передачу 11 направляется к звену 7 и блоку 10 сателлитов дифференциального механизма, разветвляясь далее вновь на два потока. Один из ни5с передается к звену 9 и далее через передачу 13 - к нагнетателю 15, а другой передается к звену 8 и далее через передачу 12 - к валу 5 потребителя и коробке б передач, суммируясь с потоком, приходящим к валу 5 от турбинного колеса 4 гидротрансформатора.

Возрастание внещней нагрузки со сторонь коробки передач 6 и вала 5 потребителя, приводит к нежелательному возрастанию скорости вращения звена 9 дифференциального механизма и связанного с ним нагнетателя 15, и интенсивному падению КПД гидротрансформатора и гидромеханической части установки. Такие явления предотвращаются путем выбора соответствующих передаточных чисел передач 11 и 12. В момент естественной синхронизации скоростей вращения звеньев 8 и 7 система управления обеспечивает включение муфты 16. Этим блокируется дифференциальный механизм, потеряв одну из двух первоначальных степеней свободы, вращаясь далее, как единое целое. Отсюда начинается второй этап работы установки в тяговом режиме, охватывающий диапазон до минимально устойчивой работы двигателя 1.

Включением муфты 16 происходит щунти рование гидротрансформатора путем установления редукторной связи между его насосным 2 и турбинным 4 .колесами через передачу 11, замкнутую муфту 16, передачу 12 и вал 5 потребителя. При этом передаточное отношение и КПД гидротрансформатора, установивщиеся перед началом шунтирования, фиксируются на этих и, при дальнейшем повышении внешней нагрузки со стороны коробки 6 передач и вала 5 потребителя, остаются неизменными.

Сблокированное состояние дифференциального механизма на втором этапе тягового режима работы установки, лишив этбт механизм дифференциальных свойств, переводит нагнетатель 15 на приводной режим работы, используя теперь уже постоянное передаточное число по отношению, например, к двигателю 1. Этим предотвращается нежелательное стремление к возрастанию скорости вращения нагнетателя 15 в рассматриваемом диапазоне работы силовой установки и обеспечивается снижение скорости его вращения прямо пропорционально снижению скорости вращения выходного вала 3 двигателя 1.

При уменьщении внешней нагрузки или увеличении подачи топлива в двигатель 1

5 и соответствующем возрастании скорости вращения валов 3 двигателя И 5 потребителя и передаточного отношения гидротрансформатора, работа установки происходит в обратном порядке: первоначально включенное состояние муфты 16 сменяется выключенным ее состояние.м при достижении заданного режима с переходом на описание характеристики работы.

Особенностью работы установки является также режим трогания транспортного средства. Он осуществляется путем принудительного выключения муфты 16, что освобождает гидротрансформатор и обеспечивает ему стоп-режим при передаточном отношении, равном нулю, и максимальном тяговом усилии на турбинном колесе 4 гидротрансформатора и валу 5 потребителя. Перевод силовой установки в режим торможения осуществляется путем уменьшения до минимума подачи топлива в двигасгель 1 и принудительным включением муфты 16

5 при движении на любой передаче в коробке 6 передач. Дополнительный тормозной эффект, который в ряде случаев может превосходить тормозные возможности двигателя 1, обеспечивается за счет внутренней циркуляции мощности между элементами установки. Энергия движущейся массы транспортного средства со стороны грунта через движитель и трансмиссию передается к коробке 6 передачи и далее к валу 5 потребиля, откуда через передачу 12 она

частично через сблокированный дифференциальный механизм направляется к нагнетателю 15, поглощаясь им, а частично через замкнутую муфту 16 и передачу 11 передается к насосному колесу 2 гндротрансформатора. Часть этой мощности от насосного колеса 2 гидротрансформатора передается валу 3 двигателя и, как указывалось, поглощается двигателем 1, а другая часть через рабочую жидкость передается к турбинному колесу 4 гидротрансформатора и далее через передачу 12 вновь поступает к дифференциальному механизму и муфте 16. Учитывая, что гидротрансформатор на данном режиме защунтирован, а насосное колесо 2 гидротрансформатора вращается быст рее его турбинного колеса 4, будучи, как и в тяговом режиме, по отнощению к этому турбинному колесу 4 - ведущим, передача мощности через рабочую жидкость от насосного колеса 2 к турбинному колесу 4 гидротрансформатора идет с поглощением энергии. Таким образом, силовая установка работает как гидрозамедлитель. Регулирование .величины усилия торможения в данном процессе производится путем из.менения подачи топлива в двигатель 1. Роль ограничителя степеней свободы может выполнять муфта 16 свободного хода, как показано на фиг. 2. Переход с одного этапа тягового режима на другой происходит в данном случае автоматически включением или отключением муфты 16, блокирующей или разблокирующей дифференциальный механизм. Режим трогания тр нспортного средства в данном варианте исполнения схемы силовой установки осуществляется посредством управляемой муфты 18 сцепления. Силовая установка в исполнении по фиг.& лишена режима торможения, а также возможности запуска двигателя 1 при движении транспортного средства с буксира, поскольку возникновение тягового усилия на валу 5 потребителя со стороны ведущих колес приводит к самовыключению муфты 16, разрыву механической связи между колесами гидротрансформатора и беспрепятственному выходу турбинного колеса и гидротрансформато.ра в обгонный режим относительно его насосного колеса 2. Ограничитель степеней свободы, выполненньш в виде управляемой фрикционной муфты 16. (фиг. 1) или в виде муфты 16 свободного хода (фиг. 2), может, как указывалось, быть установленным не только между водилом 7 и солнечным колесом 8 дифференциального механизма , но и между любой парой его звеньев, например, между водилом 7 и эпициклическим колесом 9, или между эпициклическим колесом 9 и солнечным колесом 8. Солнечное колесо 8, может быть связано (через передачу 13) с валом 14 нагнетателя 15, а эпициклическое колесо 9 (через .передачу IE) может быть связанным с валом 5 потребителя. Указанные видоизменения не влияют на принцип и результаты работы силовой установки. На фиг. 3, 4 5 и 6 ограничитель степеней свободы выполнен в виде дополнительного (четвертого) звена 19 дифференциального меха шзма (второго солнечного колеса), взаимодействующего с блоком 10 сателлитов и связанного с неподвижным корпусом силовой установки (показано штриховкой) через соответствующие муфты: муфту 16 свободного хода (фиг. 3), управляе.мую фрикционную муфту 16 (фиг. 4), выполняющую роль тормоза, или последовательно через муфту 16 свободного хода и управляемую фрикционную муфту 20 (фиг. 5) также выполняющую роль тормоза, который, за исключением режима трогания, постоянно включен. На первом этапе работы установки в тяговом режиме муфты 16, для рассматриваемых вариантов исполнения, включены, и звено 19 вращается свободно без нагрузки, не оказывая влияния на работу дифференциального механизма, обладающего в данных случаях двумя кинематическими степенями свободы. Процесс работы установки на этом этапе аналогичен описанному. С переходом на второй этап тягового режима звено 19 стремится вращаться ккв противоположную сторону отнсительно первоначального направления вращения на первом этапе, но в момент нулевой скорости этого звена автоматически включается .муфта 16 свободного хода (фиг. 3 и 5) или (по фиг. 4) система управления обеспечивает включение муфты 16 (тормоза). Вто создает дифференциальному механизму реактивную опору на неподвижный корпус силовой установки, переводя этот механизм в редукторный режим работы с одной кинематической степенью свободы, обеспечивая фиксированные кинематические связи между колеса.ми гидротрансформатора и другими элементами установки. Тем самым процесс ее работы на втором этапе, за исклюучением вращения звеньев дифференциального механизма относительно друг друга (в противоположность их сблокированному состоянию по фиг. 1 и 2), также не отличается от описанного. Процесс трогания транспортного средства для схемы по фиг. 3 осуществляется за счет пробуксовки муфты сцепления 18 аналогично описанному для схемы по фиг. 2. Для схем по фиг. 4 и 5 этот процесс осуществляется за счет принудительного выключения муфт 16 (фиг. 4) и 20 (фиг. 5), что обращает редукторную связь между колеса.ми гидротрансформатора в дифференциальную, не препятствующую выходу гидротрансформатора на стоп-режим с максимальным коэффициентом трансформации и максимальным тяговым усилием на турбинном колесе 4 гидротрансформатора и валу 5 потребителя в режи.ме трогания. Для схе.мы по фиг. 5 это достигается и в случае, если муфты 16 и 20 взаимно поменяны .местами или заменены одной управляемой муфтой свободного хода. Режимом торможения или запуска двигателя 1 при движении транспортного средства на буксире в рассматриваемых вариантах исполнения установки обладает схема по фиг. 4 при принудительном включении муфты 16 и передаче энергии движущейся массы машины от движителя и валу 5 потребителя и далее, как изложено в описании этих режимов для схемы по фиг. 1. Четырехзвенный дифференциальный механизм в вариантах по фиг. 3, 4 и 5 может быть расположен несоосно гидротрансформатору, как показано соответствующими им схемами на фиг. 6, 7 и 8. В этом случае связи этого механизма с элементами установки осуществляются через зубчатые передачи 11 и 12 (показано штриховыми линиями по аналогии со связями на фиг. 1 и 2. Работа силовой установки в таких исполнениях не отличается от работы для схем по фиг. 3, 4 и 5, поэтому не требует дополнительных пояснений. Эффект, создаваемый новой силовой установкой, обеспечивает расширение диапазона высоких значений КПД при уменьшении скорости вращения турбинного колеса гидротрансформатора в тяговых режимах работы. Так, при уменьшении скорости за пределы первоначального рабочего диапазона (первого этапа тягового режима) КПД гидромеханической части установки может возрастать, например от 85 до 95%, в то время как для известной установки КПД в том же диапазоне уменьшается от 85 до 75%. Повышение КПД предлагаемой установки расширяет ее кинематический диапазон и существенно повышает тяговые усилия, особенно при работе двигателя на частичных нагрузках, обеспечивая, при заданной скорости движения транспортного средства, преодоление повышенных сопротивлений передвижению, или, при заданных сопротивлениях, обеспечивая более высокие скорости движения. Предлагаемая установка, по отношению к известном установке, предотвращает также возрастание скорости вращения нагнетателя сверх допустимых значений, обеспечивая тем самым уменьшение нагрузок на двигатель и нагнетатель. Наконец, установка обеспечивает повышение эффективности режима торможения, полностью используя как тормозные свойства двигателя, так и тормозные свойства гидромеханической части установки, которые, при необходимости, могут существенно превышать возможности двигателя. Известная установка практически лишена указанных тормозных свойств, а также режима запуска двигателя при движеНИИ транспортного средства на буксире. Предлагаемая установка позволяет производить и такую операцию. Формула изобретения 1. Силовая установка транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания с нагнетателем, приче.м выходной вал двигателя соединен с валом потребителя через гидротрансформатор, параллельно которому подключен дифференциальный механизм с двумя кинематическими степенями свободы, одно звено которого соединено с нагнетателем, отличающаяся тем, что в целях расширения диапазона высоких значений КПД предотвращения вЧэзрастания скорости врашения нагнетателя сверх допустимой и повышения эффективности режима торможения, дифференциальный ме ханизм снабжен ограничителем степеней свободы. 2.Силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степеней свободы выполнен в виде управляемой фрикционной муфты, связывающей два звена дифференциального механизма. 3.Силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степеней свободы выполнен в виде муфты свободного хода, связывающий два звена дифференциального .механизма. 4.Силовая установка, по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степеней свободы выполнен в виде дополнительного звена дифференциального механизма, связанного с неподвижным корпусом силовой установки через муфту свободного хода. 5. Силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степеней свободы выполнен в виде дополнительного звена дифференциального механизма, связанного с неподвижным корпусом силовой уста новки через управляемую фрикционную .муфту. 6. Силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ограничитель степеней свободы выполнен в виде дополнительного звена дифференциального механиз.ма, связанного с неподвижным корпусом силовой установки последовательно через муфту свободного хода и управляемую фрикционную муфту. Приоритет по пунктам: 06.01.75 по nnl и 3 .14.02.75 по п. 2 25.02.75 по п. 4 17.03.75 по п. 5 18.04.75 по п. 6 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 2959070, кл. 74-664, 1960 (прототип).

(

Воздц% ;Л / ,ttC-i Газ

c& CQ

ТГ

/7

u)

Фиг.З

Фиг.

Г

7 8

//

/ ТМ i, Н1 41

Л Bo3dyj( Фиг.6 ./ - /7 К /« 4 |S |-Х Гй-