Механическая передача с голономным вариатором непрерывного действия для транспортного средства

 

Использование: в транспортных средствах, а также в других объектах, где требуется автоматическое плавное нарастание частоты вращения в процессе разгона при постоянной частоте вращения приводного двигателя. Цель изобретения - повышение КПД и надежности, плавности набора скорости, уменьшение времени разгона транспортного средства за счет повышения мощности двигателя при разгоне, сокращение расхода топлива и выброса вредных выхлопных газов, упрощение управления транспортным средством, повышение ресурса двигателя и трансмиссии за счет улучшения их динамики. Сущность изобретения: вариатор непрерывного действия содержит два одинаковых барабана с намотанной на них металлической или любой другой прочной лентой, концы которой закреплены на барабанах. В процессе перемотки изменяются радиусы намотки ленты на барабаны, за счет чего происходит непрерывное изменение передаточного отношения вариатора. 6 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено в транспортных средствах, а также в других объектах, где требуется автоматическое плавное нарастание частоты вращения в процессе разгона при практически постоянной частоте вращения приводного двигателя.

Механическая передача с голономным фрикционным вариатором непрерывного действия (Пронин Б. А. , Ревков Г. А. . Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи. М. : Машиностроение, 1980, с. 118).

Его недостатки - большие давления на валы и опоры, малая долговечность, низкий КПД.

Фрикционные вариаторы являются менее конкурентноспособными по сравнению, например, с гидропередачами.

Известна гидромеханическая коробка передач (Мазалов Н. Д. , Трусов С. М. Гидромеханические коробки передач. М. : Машиностроение, 1971, с. 153-157). В гидропередаче имеется три лопаточных колеса, рабочее тело (жидкость), насосы, трубопроводы. Кроме того, предъявляются высокие требования к изготовлению и герметизации системы.

Недостаток гидропередачи - большая сложность, увеличенная масса, низкий КПД, в сильной степени зависимый от передаточного отношения, низкая средняя мощность двигателя при разгоне транспортного средства, хотя и несколько выше, чем при разгоне с помощью коробки передач.

Предлагаемая механическая передача свободна от этих недостатков.

Известна механическая передача, включающая фрикционный торовый вариатор и планетарную передачу (Фаробин Я. Е. Фрикционные передачи автомобилей и тракторов. М. : Машгиз, 1962, с. 128, фиг. 58 в).

Недостатки известной механической передачи: низкий КПД и долговечность за счет передачи энергия силами трения; фрикционная передача работает постоянно, что ведет к повышенному ее износу за счет значительных нагрузок на фрикционы и валы, пробуксовки (скольжения) фрикционов относительно друг друга; ограниченная передаваемая мощность; высокая точность изготовления.

Предлагаемая механическая передача с голономным вариатором непрерывного действия для транспортного средства, содержащая связанный через сцепление с приводным двигателем ведущий вал, вариатор, одно звено которого кинематически связано с ведущим валом, механическую коробку передач, ведущая шестерня которой связана с ведущим валом, а вторичный ее вал - с движителями транспортного средства, а также орган управления вариатором.

Цель изобретения - повышение разгонных качеств транспортного средства, КПД, ресурса двигателя и трансмиссии.

Для достижения этой цели вариатор содержит два шкива с лентой перематывания с одного шкива на другой, закрепленной своими концами на них, один из шкивов свободно установлен на ведущем валу и связан с ним через муфту, а другой свободно размещен на ведомом валу, передачами связанном с ведущим и вторичным валами. Второй шкив связан с ведомым валом через муфту, орган управления которой сблокирован с органом управления муфтой первого шкива. В передаче кинематической связи ведомого вала с ведущим одна из шестерен выполнена с фрикционной муфтой. Вариатор имеет тормозное устройство шкивов и автоматический выключатель, разъединяющий кинематическую связь шкивов вариатора с ведущим и ведомым валами. Число органов управления равно числу органов управления серийных транспортных средств.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема механической передачи с голономным вариатором непрерывного действия; на фиг. 2 - конструкция голономного вариатора непрерывного действия; на фиг. 3 - конструкция автоматического выключателя вариатора; на фиг. 4 - графики зависимости передаточного отношения голономного вариатора непрерывного действия от количества оборотов ведущего вала с начала разгона; на фиг. 5 - графики функций мощности, развиваемой двигателем и скорости движения N₁= f₁(t); N_1cр; V₁= f₂(t); V_1ср= f₂(t) при разгоне транспортного средства с помощью ступенчатой коробки передач, а также графики функций мощности двигателя и скорости движения N₂= f₃(t); V₂= f₄(t) при разгоне транспортного средства с помощью предлагаемой механической передаче с голономным вариатором непрерывного действия; на фиг. 6 - положения рычага переключения передач и вариатора.

Вал двигателя внутреннего сгорания 1 вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны сцепления, и через стандартное сцепение 2 приводит во вращение ведущий (первичный) вал 3, на котором жестко закреплены шестерни 4 и 5, а также ведущая шестерня 6 коробки передач 7. Коробка передач 7 используется стандартная, без каких-либо изменений. Ке кинематическая схема составлена по книге: Автомобиль "Волга" ГАЗ-24/Под ред. А. Д. Просвирина. Изд. 2-е, перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1975, с. 120, рис. 86 (синхронизаторы и механизм переключения передач не показаны).

Шестерня 5 через муфту 8 включения и отключения ведущего шкива 9 вариатора, перемещаемую рычагом 10 переключения передач, может соединяться с редуктором (зубчатые колеса 11, 12, 13, 14, 15). Зубчатое колесо 15 жестко соединено со шкивом 9, свободно установленным на ведущем валу 3. Муфта 8 включения и отключения ведущего шкива 9 вариатора через рычаг 16 соединена с муфтой 17 включения и выключения ведомого шкива 18. Шкив 18 с жестко установленном на нем зубчатым венцом 19 свободно установлен на ведомом валу 20.

На шкивы 9 и 18 намотана лента 21, концы которой жестко закреплены на шкивах. На ведомом валу 20 жестко закреплены зубчатые колеса 22 и 23. Колесо 22 через муфту 17 может соединяться или разъединяться со шкивом 18. Колесо 23 входит в зацепление с зубчатым колесом 24, жестко установленном на вторичном валу 25 стандартной коробки передач. С валом 25 также жестко соединен карданный шарнир 26, с другим концом карданного шарнира 26 жестко соединен карданный вал 27.

На валу 20 свободно установлено с возможностью осевого перемещения зубчатое колесо 28, входящее в зацепление с шестерней 4 через паразитную шестерню 29.

На колесе 28 жестко закреплен фрикцион 30. Гидроцилиндр 31 перемещает шток 32 и обеспечивает перемещение колеса 28 в осевом направлении.

На ведущем валу 3 свободно установлен ведущий шкив 9, на втулке 34 которого частично намотана лента 21. Конец ленты 21 закреплен на втулке 34. Большая часть ленты 21 намотана на другой (ведомый) шкив 18, на втулке 35 которого закреплен другой конец ленты 21.

Ведомый шкив 18 свободно установлен на ведомом валу 20. К торцам щек шкивов 9 и 18 прилегают тормозные колодки 36 и 37, стянутые между собой винтами 38 так, чтобы между шкивами и тормозными колодками обеспечивался зазор Δ (фиг. 2). Гайки 39 после регулировки зазора Δ штифтуются.

Лента 21 наматывается на шкивы так, как показано на фиг. 2.

Автоматический выключатель 33 вариатора показан на фиг. 3.

С самоориентирующимся сухарем 40 жестко соединены штифты 41, входящие в прорези 42 рычага 43, установленного на шарнире 44. Рычаг 43 соприкасается с рычагом 45, установленном на шарнире 46. Пружина 47 шарнирно закреплена на конце рычага 45, другой конец пружины 47 закреплен на корпусе. Рычаг 45 создает осевое перемещение зубчатой муфте 8.

На графике 1 фиг. 4 представлена зависимость передаточного отношения вариатора от количества оборотов ведущего вала 3 (ведущего шкива 9) от начала разгона.

На графике 2 представлена та же зависимость, но с учетом передаточного отношения редуктора (зубчатые колеса 11, 12, 13, 14, 15).

Рассмотрим этапы движения транспортного средства. Их три: разгон, практически равномерное движение, торможение.

При разгоне транспортного средства с использованием известной коробки передач используется далеко не полная мощность двигателя, водитель совершает массу различных движений (до девятнадцати за один разгон при четырехступенчатой коробке передач), двигатель и трансмиссия находятся в сильной динамике, расходуется значительное количество топлива при далеко не полном его сгорании, что ведет к выбросу большого количества вредных выхлопных газов. Время набора скорости значительно (см. графики функций V₁= f₂(t); V_1ср= f₂(t); N₁= f₁(t); N_ср ( фиг. 5).

После разгона при практически равномерном движении вполне пригодна ступенчатая коробка передач, т. к. переключать передачи приходится относительно редко.

И, наконец, третий этап - торможение. Транспортное средство при движении имеет значительную кинетическую энергию (например автомобиль "Волга" при скорости движения V= 72 км/ч и полной нагрузке имеет кинетическую энергию, равную 30000 кгс м).

Чтобы изменять скорость на третьем этапе, требуется поглощать значительную энергию, что и делают тормоза. При этом энергия топлива, израсходованная на разгон, переводится в тепло и уходит в окружающую среду бесполезно. Повторный разгон требует повторного расхода топлива.

При торможении, и это очевидно, никакой вариатор с изменением скорости не справится, т. к. он одновременно должен поглощать кинетическую энергию транспортного средства.

Итак, только для первого этапа крайне необходим вариатор. Предлагаемый голономный вариатор вполне подходит для этой цели. После разгона движение по профилю пути обеспечивается с помощью обычной коробки передач. Кроме того, коробка передач обеспечивает движение на других скоростях, меньших скорости, соответствующей прямой передаче, а также при движении задним ходом и торможении двигателем.

Что касается третьего этапа-торможения с последующим использованием кинематической энергии, которой обладало транспортное средство до торможения, то это материал для отдельной заявки которая подается одновременно с данной.

Механическая передача с голономным вариатором непрерывного действия работает следующим образом: после включения вариатора с помощью рычага 10 переключения передач и включения сцепления 2 начинается перемотка ленты 21 со шкива 18 на шкив 9 (фиг. 1). Текущее передаточное отношение между ведомым и ведущим валами определяется как отношение текущих радиусов намотки ленты на шкивы: i_iвар= R_i/r_i , где R_i - текущий радиус намотки ленты на ведомом шкиве 18, r_i - текущий радиус намотки ленты на ведущем шкиве 9.

При полной намотке ленты на ведомом шкиве (момент трогания транспортного средства) передаточное отношение определяется: i= R/r, где R - радиус намотки ленты на ведомом шкиве в исходном состоянии, r - радиус намотки ленты на ведущем шкиве в исходном состоянии. При перемотки ленты радиус R - уменьшается и стремится к радиусу r. Радиус r одновременно увеличивается и стремится к радиусу R.

Таким образом, при перемотке ленты с одного шкива на другой передаточное отношение от максимального, равного R/r , через единицу (при R_i= r_i), стремится к минимальному, равному R/r (см. фиг. 4, график 2), т. е. от редукции переходит к мультипликации. Движение при этом передается от (см. фиг. 1) ведущего вала 3 через зубчатую муфту 8, редуктор (колеса 11, 12, 13, 14, 15), шкив 9, за счет ленты 21 на шкив 18, зубчатые колеса 19, 22 и зубчатую муфту 17 на вал 20, через зубчатые колеса 23, 24 на вторичный вал 25 стандартной коробки передач и, далее, на карданный вал.

Следует отметить, что числа зубьев Z₂₃ и Z₂₄ колес 23 и 24 равны. Коробка передач при этом работает на холостом ходу за счет шестерни 6, ни одна передача не включена, включен только вариатор (фиг. 6, положение рычага В).

После разгона вариатор автоматически выключается с помощью выключателя 33 (фиг. 3), водитель включает прямую передачу.

Выбор передаточных отношений вариатора и редуктора определяется следующим.

Так как передаточное отношение вариатора изменяется от редукции до мультипликации, а переход от вариатора на прямую передачу коробки передач может быть произведен только при равенстве частот вращения ведущего вала 3 (фиг. 1) и вторичного вала 25, то для обеспечения этого условия перед ведущим шкивом 9 должен быть редуктор (колеса 11, 12, 13, 14, 15), передаточное отношение которого выбирается так, чтобы после разгона вторичный вал 25 имел частоту вращения, равную частоте вращения ведущего вала 3, а это выполнимо тогда, когда передаточное отношение редуктора i_ред= R/r с тем, чтобы к концу разгона общее передаточное отношение вариатор-редуктор было равно единице, т. е.

i_общ= i_ред·i= = 1.

Из технологических и габаритных соображений целесообразно передаточное отношение редуктора выбрать равным передаточному отношению первой передачи коробки передач.

Для машины "Волга" передаточное отношение первой передачи равно 3,5. Тогда общее максимальное передаточное отношение механической передачи будет определяться: i_макс= i_ред˙i_{вар.макс}= 3,5˙3,5= 12,25 Общее минимальное передаточное отношение механической передачи будет определяться: i_мин= i_ред·i= 3,5 = 1 Таким образом получена механическая передача с непрерывным изменением передаточного отношения в процессе разгона от 12, 25 до единицы (фиг. 4, график 2), что обеспечивает быстрый и плавный разгон транспортного средства с высоким КПД при полной мощности двигателя (фиг. 5, графики функций V₂= f₄(t) и N₂= f₃(t) а также экономию топлива, снижение выброса вредных выхлопных газов, упрощение управления.

Следует отметить, что передаточное отношение редуктора и вариатора может быть и другим, например, равным пяти, тогда передаточное отношение механической передачи будет плавно изменяться от 25 до единицы.

Автоматический выключатель 33 действует следующим образом: (фиг. 3) по мере намотки ленты 21 на шкив 9 в процессе разгона самоориентирующийся за счет штифтов 41 и прорезей 42 сухарь 40 поворачивает рычаг 43 в шарнире 44. Рычаг 43 поворачивает рычаг 45 в шарнире 46. Рычаг 45 поворачиваясь выводит зубчатую муфту 8 из зацепления с венцом 11 за счет ее осевого перемещения вправо, одновременно рычаг 10 (фиг. 1) переходит в нейтральное положение, а зубчатая муфта 17 через рычаг 16 выходит из зацепления с венцом 19 и разъединяет шкив 18 с валом 20.

Зубчатые муфты 8 и 17 остаются при этом в зацеплении с зубчатыми колесами 5 и 22 соответственно. Шкивы продолжают вращаться по инерции до тех пор, пока не сработают тормозные колодки 36 и 37 (фиг. 2) останавливая одновременно шкивы 9 и 18. В таком состоянии система находится до момента торможения, при этом случайное включение вариатора не возможно, т. к. система рычагов 43 и 45 при полном шкиве 9 это исключает.

При торможении, от той же педали тормоза, срабатывает дополнительный гидроцилиндр 31, который своим штоком 32 прижимает зубчатое колесо 28 (не выводя его из зацепления с колесом 29) с фрикционом 30 к щеке шкива 18. При этом происходит перемотка ленты 21 на шкив 18, подготавливая механическую передачу для последующего разгона. Перемотка ленты 21 происходит за счет передачи движения от зубчатого колеса 4 через паразитную шестерню 29 на зубчатое колесо 28. Если по каким-либо причинам не произошла полная перемотка ленты, то достаточно при работающем двигателе кратковременно нажать педаль тормоза в стояночном положении.

Следует отметить, что полная перемотка ленты не обязательна, можно начинать движение с любого состояния, но при этом начальное передаточное отношение механической передачи будет не 12, 25, а меньше (график 2, фиг. 4).

Также следует отметить, что отказ голономного вариатора, как и отказ коробки передач не ведет к отказу транспортного средства, что повышает его надежность.

Высокой КПД голономного вариатора обеспечивается за счет того, что он не имеет силовых элементов, перемещающихся относительно друг друга под нагрузкой.

И последнее: предлагаемая механическая передача с голономным вариатором непрерывного действия не приводит к изменению органов управления или порядка их применения на известных транспортных средствах. Добавляется лишь еще одно положение рычага переключения передач (фиг. 6, положение В).

Количество движений водителя при разгоне с использованием коробки передач составляет 19, а при использовании предлагаемой механической передачи - всего лишь 6, что значительно упрощает управление транспортным средством.

Для обеспечения необходимого количества циклических воздействий на ленту при ее многократных перемотках минимальный радиус намотки r должен быть значительным, например равным 50 мм.

Максимальный крутящий момент двигателя автомобиля "Волга" составляет М_макс= 19 кгс м.

С учетом редукции (колеса 11, 12, 13, 14, 15) на фиг. 1 момент М составит: М= М_макс ·i_ред= 19 ˙3,5= 66,5 кгс. м.

По книге Горное дело. Энциклопедический справочник. Том I. Углетехиздат, 1957, с. 236 находим: для стали 30ХГСА σ_т = 90 кг/мм². Известно, что σ_пц≈ σ_т , следовательно, σ_{пцзохгса} = 60 кг/мм². При выбранном минимальном радиусе намотки ленты r= 50 мм окружное усилие на шкиве определяется: F= = = 1330 кгс.

Потребное сечение ленты S= = = 22,2 мм².

Зададим ширину ленты l= 25 мм, тогда ее толщина определяется: δ= = = 0.9 мм.

Следует отметить, что лента не обязательно должна быть изготовлена из стали. Она может быть изготовлена и из других материалов, обладающих достаточной прочностью на разрыв и незначительно деформирующихся при нагружении.

Для получения максимального передаточного отношения, равного 3,5 при выбранном минимальном радиусе намотки ленты r= 50 мм, максимальный радиус намотки должен составлять: R= i˙r= 3,5˙50= 175 мм, что вполне приемлемо из конструктивных соображений.

При выбранных r и R намотки ленты на разных шкивах и толщине ленты δ = 0,9 мм длина ленты равна 99 м.

Число витков ленты на шкиве при максимальном радиусе намотки R= 175 мм составляет: N= = = 139.

При разгоне транспортного средства при полной мощности двигателя время разгона составит: t= = = 6,5 c.

Для изменения времени разгона можно варьировать толщиной и шириной ленты.

Ввиду сложности подсчета увеличения ресурса двигателя и ходовой части для определения экономического эффекта при применении голономного вариатора, а также от улучшения экологии, ограничимся лишь подсчетом экономического эффекта от экономии топлива (и то только при разгонах).

Автомобиль "Волга", разогнанный до скорости 72 км/ч (20 м/с), обладает кинетической энергией Е, равной 30000 кгс. м. Известно, что 1 ккал соответствует 427 кгс. м работы. Один кг бензина имеет теплотворную способность Q, равную 11000 ккал. КПД ДВС равен 0,35, а при разгоне он значительно падает. Возьмем КПД ДВС при разгоне равным 0,25.

Чтобы определить необходимое количество бензина на один разгон автомобиля "Волга", произведем следующие вычисления: обозначим Q₁ - количество тепла, которое нужно затратить на один разгон с учетом КПД ДВС.

Q₁= = = 281 ккал; m = = 25.5 г Известно, что в СНГ имеется примерно 40000000 автомашин различного назначения. Предположим, что 40% из них простаивают, а каждая работающая машина производит по 30 разгонов в день и что все машины в среднем расходуют бензина на один разгон столько, сколько расходует его автомобиль "Волга" (как видим все цифры значительно занижены), тогда общий расход топлива на разгоны всех действующих автомашин за один день составит:
G= m·30 = 25,5·3·4·6·10⁴= 1836·10⁴ кг= 18360 т.

Формула изобретения

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА С ГОЛОНОМНЫМ ВАРИАТОРОМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащая связанный через сцепление с приводным двигателем ведущий вал, вариатор, одно звено которого кинематически связано с ведущим валом, механическую коробку передач, ведущая шестерня которой связана с ведущим валом, а вторичный ее вал - с движителями транспортного средства, а также орган управления вариатором, отличающаяся тем, что, с целью повышения разгонных качеств транспортного средства, КПД, ресурса двигателя и трансмиссии, вариатор представляет собой два шкива с лентой перематывания с одного шкива на другой, закрепленной своими концами на них, один из шкивов свободно установлен на ведущем валу и связан с ним через муфту, а другой свободно размещен на ведомом валу, передачами связанном с ведущим и вторичным валами, при этом второй шкив связан с ведомым валом через муфту, орган управления которой сблокирован с органом управления муфтой первого шкива, а в передаче кинематической связи ведомого вала с ведущим одна из шестерен выполнена с фрикционной муфтой, вариатор имеет тормозное устройство шкивов и автоматический выключатель для разъединения кинематической связи шкивов вариатора с ведущим и ведомым валами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6