Электромеханическая передача короткова э.к. с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортных средствах, станкостроении и др. областях. Сущность изобретения: электромеханическая передача с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действий сконструирована из обычных цилиндрических зубчатых колес и состоит из двух дифференциальных механизмов, объединенных между собой зубчатой планетарной связью с определенным передаточным отношением. На одном из выходов устанавливается генератор, питающий электродвигатель, вал которого через муфту свободного хода соединен с ведущим валом вариатора. 6 ил., 3 табл.

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в транспортных средствах, станкостроении, а так же в других объектах и системах, где требуется автоматическое или принудительное плавное изменение частоты вращения ведомого вала в зависимости от момента нагрузки на нем при постоянной, хотя это и не обязательно, частоте вращения приводного двигателя.

Известна передача с импульсным вариатором, который описан в книге Мальцева В. Ф. Механические импульсные передачи. М. Машиностроение, 1978, с.39, рис.32.

Его недостатки: неравномерность хода ведомого вала, низкая долговечность, связанная с использованием роликовых муфт свободного хода (см. с.305) указанной книги, ограничение по частоте вращения до 1000 об/м, отсутствие возможности саморегулирования.

Известна также передача с фрикционным вариатором, который описан в книге Пронин Б.А. Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи. М. Машиностроение, 1980, с. 290, рис. 178.

Недостатками фрикционного вариатора являются: большие давления на валы и опоры, связанные с использованием сил трения для передачи момента, нежесткость характеристики передачи, малая долговечность и низкий КПД за счет геометрического скольжения в зонах контакта (см. с.174 указанной книги), ограничения по передаваемой мощности, отсутствие возможности самонастройки.

Предлагаемая электромеханическая передача с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия свободна от этих недостатков.

Известна гидромеханическая коробка передач (гидропередача), близкая по своему назначению к предлагаемой передаче и выбранная за прототип, описанная в книге Мазалов Н.Д. Трусов С.М. Гидромеханические коробки передач. М. Машиностроение, 1971, с. 153-157.

В отличие от предлагаемой передачи гидропередача-прототип сложна. В ней имеются фрикционы, механическая коробка передач, три лопаточных колеса, рабочее тело (жидкость), насосы и т.д.

К деталям и узлам гидропередачи предъявляются высокие требования к их изготовлению и герметичности системы в целом. Кроме того, недостатками гидропередачи являются: низкий КПД, в большой степени зависимый от передаточного отношения (см. рис.2 книги Мазалов Н.Д. Трусов С.М. Гидромеханические передачи. М. Машиностроение, 1971, с.12), низкая средняя мощность двигателя при разгоне транспортного средства, хотя она и несколько выше, чем при разгоне с помощью ступенчатой коробки передач.

С целью повышения КПД и надежности передачи, плавного набора скорости, возможности организации саморегулирования передаточного отношения в передаче с бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия (механическим трансформатором момента) в зависимости от динамики транспортного средства и профиля пути, сокращения расход топлива и выброса вредных выхлопных газов в процессе разгона, упрощения управления транспортным средством, а также повышения ресурса двигателя, трансмиссии и сцепления за счет улучшения их динамики, повышения ресурса тормозной системы за счет появления возможности плавного торможения двигателем, предлагаемая электромеханическая передача с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия (механическим трансформатором момента), выполненным полностью на зубчатом зацеплении, содержит генератор и электродвигатель, два дифференциальных механизма, одни из одноименных звеньев которых объединены между собой планетарной зубчатой связью с определенным передаточным отношением, с водилом которой связан приводной двигатель, другие одноименные звенья жестко связаны между собой, одно из третьих одноименных звеньев жестко соединено со стойкой, другое такое звено соединено с валом генератора, питающего электродвигатель, вал которого через муфту свободного хода соединен с ведущим валом вариатора. Потребная мощность генератора изменяется в зависимости от диапазона передаточных отношений передачи. Так, например, в области больших передаточных отношений (от 3 до ∞) мощность генератора и электродвигателя должна составлять от 50 до 100% мощности приводного двигателя. В области средних передаточных отношений (от 2 до 3) потребная мощность генератора составляет от 25 до 50% от мощности приводного двигателя. И, наконец, при малых передаточных отношениях (от 1 до 2) потребная мощность генератора составляет от 0 до 25% от мощности приводного двигателя. Учитывая то, что транспортное средство при разгоне находится в области больших передаточных чисел весьма кратковременно (единицы секунд) потребную мощность генератора и электродвигателя следует выбрать порядка 35-50% от мощности приводного двигателя. После разгона транспортного средства генератор и электродвигатель останавливаются.

При применении указанной передачи появляется возможность производить разгон при полной мощности двигателя частота вращения которого практически постоянна при высоком КПД двигателя, малом расходе топлива и более полном его сгорании. Разгон производится плавно, без переключения рычага коробки передач, имеющейся на большинстве транспортных средств, что упрощает управление и ведет к увеличению ресурса двигателя, трансмиссии и сцепления, так как улучшается их динамика. Увеличивается также ресурс тормозной системы, так как появляется возможность плавного торможения двигателем.

Время разгона транспортного средства с помощью предлагаемой передачи уменьшается примерно в 3-4 раза по сравнению с временем разгона при использовании стандартной коробки передач или гидропередачи.

При использовании предлагаемой передачи число органов управления равно числу органов управления серийных транспортных средств, за исключением того, что рычаг переключения передач нужен только для организации переднего и заднего хода, а также нейтрального положения, необходимого при запуске двигателя и движении накатом.

Все изложенное подтверждено испытаниями макета предлагаемой передачи. На фиг.1 представлена кинематическая схема предлагаемого саморегулируемого бесступенчатого голономного вариатора непрерывного действия (механического трансформатора момента); на фиг.2 кинематическая схема такого же механизма, но без планетарной связи между коронами К₁ и К₂; на фиг.3 характер зависимостей n_вых, n_вх, i_вар, N_{вых.мех}, Р_эл.г в зависимости от изменения момента нагрузки на ведомом валу вариатора при передаточном отношении между коронами К₁ и К₂дифференциальных механизмов i^h3_k1,k2, которое равно передаточному отношению i^k3_c1,h2 в свою очередь равному i (см. фиг.1). Графики построены на основе экспериментальных данных и построены в относительных единицах. Для сравнения, на этой же фигуре, представлены те же зависимости для механизма без планетарной связи между коронами (см. фиг.2), но при прочих равных условиях.

На фиг. 4 представлено семейство графиков функций n_вых, n_вх, i_вар, N_{вых.мех} и Р_эл.г в зависимости от изменения момента нагрузки на ведомом валу вариатора при различных значениях передаточного отношения между коронами К₁ и К₂ дифференциальных механизмов, снятые экспериментальным путем.

Экспериментальные данные приведены в табл.1-3.

На фиг.5 представлены графики функций мощности, развиваемой двигателем и скорости движения при разгоне транспортного средства с помощью ступенчатой коробки передач, N₁ f₁(t); N_1cp; V₁ f₂(t); V_1cp= f₂(t), а также графики функций мощности двигателя и скорости движения N₂ f₃(t); V₂ f₄(t) при разгоне транспортного средства с помощью предлагаемой передачи.

На фиг. 6 представлена блок-схема предлагаемой электромеханической передачи.

Рассмотрим кинематическую схему саморегулируемого бесступенчатого голономного вариатора непрерывного действия (механического трансформатора момента), представленную на фиг.1.

Следует отметить, что на фиг.1 представлена одна из возможных кинематических схем предлагаемого вариатора, а именно схема с объединенными (жестко соединенными) водилами h1 и h2 дифференциальных механизмов. Возможны так же схемы с объединенными солнечными колесами или с объединенными коронами.

Итак, двигатель внутреннего сгорания или любой другой двигатель (не показан) вращает ведущий (входной) вал 1, который является водилом h3 планетарной связи между коронами 2(К1) и 3(К2) одинаковых (хотя это не обязательно) дифференциальных механизмов. Вал 1 (водило h3) свободно и соосно установлено на главной оси механизма. В водиле h3 свободно установлена ось 4, на концах которой жестко насажены сателлиты 5 и 6, входящие в зацепление с зубчатыми колесами 7 и 8 соответственно, соосно и жестко установленными на коронах 2 и 3 дифференциальных механизмов.

На концах оси 9 жестко установлены водила 10 (h1) и 11 (h2) дифференциальных механизмов. На осях водила 10 свободно установлены сателлиты 12, входящие в зацепление с одной стороны, с солнечным колесом 13 (С1), жестко насаженном на вал 14, на другом конце которого устанавливается генератор 15, а с другой стороны сателлиты 12 входят в зацепление с короной 2.

На осях водила 11 (h2) свободно установлены сателлиты 16, входящие в зацепление, с одной стороны, с короной 3, а с другой стороны, с солнечным колесом 17 (С2), жестко установленном на валу 18. Другой конец вала 18 жестко закреплен на стойке 19.

На короне 3 жестко и соосно установлено зубчатое колесо 20, являющееся ведомым (выходным) валом вариатора. С генератором 15 электрически связан (см. фиг.6) электродвигатель, вал которого через муфту свободного хода соединен с ведущим валом 1 вариатора.

Рассмотрим работу саморегулируемого бесступенчатого голономного вариатора непрерывного действия.

Двигатель внутреннего сгорания (или любой другой двигатель) работает в оптимальном, с точки зрения расхода топлива, отдаваемой мощности и полноты сгорания топлива, режиме при практически постоянной частоте вращения ведущего вала 1 вариатора (хотя постоянство частоты вращения вала 1 с точки зрения работоспособности вариатора не обязательно).

Вращение с ведущего вала 1 передается через сателлиты 5 и 6 на короны 2 и 3 дифференциальных механизмов через зубчатые колеса 7 и 8 соответственно. С зубчатого колеса 8 вращение передается через корону 3 на ведомый вал 20 вариатора. Так как солнечное колесо 17 жестко заблокировано на стойку 19, то движение от короны 3 через сателлиты 16 передается на водило 11, вал 9 и на водило 10 другого дифференциального механизма.

Вращение на вал 14 генератора 15 передается с двух сторон: с одной стороны от короны 2 через сателлит 12 на солнечное колесо 13, а с другой стороны, через водило 10 также на сателлит 12 и на солнечное колесо 13.

Оба движения суммируются на валу 14 генератора 15.

Как показала экспериментальная проверка оптимальным передаточным отношением с короны 2 (К1) на корону 3 (К2) (см. фиг.4), является передаточное отношение i^h3_k1,k2=i^k1_c1,h1=i которое обеспечивает передачу части мощности от приводного двигателя с ведущего вала 1 на ведомый вал 20 вариатора, а на вал 14 генератора 15, в зависимости от нагрузки на ведомом валу 20 вариатора, передается та или иная часть мощности приводного двигателя, которая через электродвигатель и муфту свободного хода снова возвращается на ведомый вал вариатора. Чем выше момент нагрузки на ведомом валу 20 вариатора, тем меньше частота его вращения, тем больше частота вращения вала генератора, момент на котором по мере роста частоты вращения вала генератора, уменьшается. После разгона транспортного средства генератор и электродвигатель останавливаются, и вся мощность приводного двигателя практически без потерь передается на ведомый вал вариатора при передаточном отношении 1, т.е. организуется прямая передача.

Большие моменты на ведомом валу вариатора, уменьшающиеся по мере разгона транспортного средства, требуются тогда, когда действуют силы инерции при разгоне или движении на подъем. При этом увеличение частоты вращения ведомого вала вариатора происходит автоматически по мере уменьшения нагрузки на ведомом валу вариатора.

Так как работа генератора и электродвигателя при разгоне транспортного средства кратковременна, то электрические машины (или любые другие) следует выбирать из условия, что их мощность должна составлять 0,35-0,5 от мощности при водного двигателя.

Этого вполне достаточно, чтобы обеспечивать работу передачи длительно при изменении передаточных чисел от 1 до 3-х.

Экспериментальные исследования.

Используемые приборы: 1. Амперметр постоянного тока М4200, класс точности 1,5, цена деления 0,2 А, шкала на 5А для замера тока приводного двигателя.

2. Амперметр постоянного тока М4200, класс точности 1,5, цена деления 25 мА для замера величины тока генератора.

3. Вольтметр постоянного тока Ц4313, класс точности 1,5, шкала 30 В для замера напряжения генератора.

4. Вольтметр постоянного тока М42100 на 30 В, класс точности 1,5, для замера питающего напряжения приводного двигателя.

5. Измеритель оборотов ИО-30 N 44014, цена деления 2 об/м.

В качестве приводного двигателя использовался электромеханизм ТУФ-8 постоянного тока с выходной мощностью 10 Вт и напряжением питания 27 В±10% В качестве генератора использовался электромеханизм МН-250 постоянного тока с выходной мощностью 3 Вт и напряжением питания 27 В±10% В качестве нагрузочного устройства использовался барабан с радиусом R 31 мм 0,031 м и различные грузы массой до 18 кг.

В эксперименте использовались дифференциальные механизмы с одинаковыми диаметрами начальных окружностей солнечных колес и сателлитов, следовательно, передаточное отношение i^k1_c1,h1⁼⁴. Соответственно и оптимальное передаточное отношение планетарной связи между коронами К1 и К2 дифференциальных механизмов выбрано следующим образом: i^h3_k1,k2 = 4.

Результаты измерений при различных значениях передаточного отношения i_k1,k2^h3 сведены в табл.1-3.

Графики функций n_вх f_(Мн), n_вых f_(Мн), i_вар f_(Мн), N_{вых.мех} f_(Мн) и Р_эл.г на фиг.3 построены в относительных единицах на основании экспериментальных данных.

Из анализа экспериментальных данных следует, что по мере уменьшения передаточного отношения i^h3_k1,k2 относительно оптимального, характеристика вариатора n_вых f(_Мн) становится "мягче" (см. кривые на фиг.4). Кривая 1 показывает изменение частоты вращения ведомого вала механизма без планетарной связи между коронами К1 и К2 при увеличении Мн. Кривая 2 характеризует мощность, передаваемую механизмом без связи между коронами К1 и К2 при прочих равных условиях, т.е. те же дифференциальные механизмы, приводной двигатель, генератор и нагрузочный барабан (см. табл.1).

Кривая 4 показывает изменение частоты вращения ведомого вала 20 вариатора при передаточном отношении i^h3_k1,k2=2,33 (см. табл.1).

Кривые 5 и 6 те же зависимости, но при i^h3_k1,k2=3,11 (см. табл.2).

В табл.2 приведены данные для i^h3_k1,k2. На фиг.4 эти зависимости не показаны, но они близки к данным для i^h3_k1,k2=4.

При увеличении i^h3_k1,k2 выше оптимального значения характеристика вариатора n_вых f_(Мн) становится жестче и может достигать значений, когда вариирования частоты вращения ведомого вала не происходит. Например, сравните на фиг. 4 кривую n_вх f_(Мн) и кривую 7, соответствующую i^h3_k1,k2. Они эквидистантны, генератор и электродвигатель в работе передачи не участвуют, варьирования передаточного отношения не происходит (см. данные в табл.3).

Что касается КПД вариатора, то для режима прямой передачи (или близкого к нему), его можно найти пользуясь справочником Планетарные передачи, под редакцией В.Н.Кудрявцева и Ю.Н.Кирдяшева и др. Л. Машиностроение (Ленинградское отделение), 1977, с.13, табл.1.1. С точки зрения КПД один из дифференциальных механизмов можно отнести к варианту А_hb^a (ориентировочный КПД равен 0,99), а другой к варианту А_ba^h(ориентировочный КПД0,98).

В режиме прямой передачи, когда планетарная связь практически не работает, а короны К1 и К2 вращаются примерно синхронно, КПД вариатора (и передачи в целом) определяется: КПД 0,99 0,98 0,97.

В режиме разгона транспортного средства ориентировочный КПД будет определяться двумя потоками мощности: первый непосредственно от приводного двигателя на ведомый вал вариатора с КПД 0,97 и второй от вала генератора к валу электродвигателя. КПД каждой электрической машины следует принять равным 0,92.

При i передачи 2 через второй поток проходит ≈30% мощности приводного двигателя, следовательно, потери по этому контуру будут определяться: 0,92˙0,92 0,8464 это суммарный КПД двух электрических машин. Потери в них равны: 1-0,8464 0,1536. Общие потери по двум потокам мощности составляют: 0,03˙0,7 + 0,1536˙0,3 0,021 + 0,0461 0,0671. КПД в этом случае будет равен: 1-0,067 0,93.

При i передачи 3, КПД передачи будет равен 0,9. Таким образом, при изменении передаточного отношения в предлагаемой передаче от 1 до 3-х. КПД передачи будет изменяться от 0,97 до 0,9.

Что касается надежности, то она будет выше, чем у гидромеханической передачи, так как конструкция предлагаемого вариатора проста и содержит малое количество элементов, а именно зубчатых колес и подшипников, интенсивность отказов которых в единицу времени весьма мала, в отличие от гидромеханической передачи, также являющейся трансформатором момента, где имеется три лопаточных колеса, фрикционы, коробка передач, насосы и целый ряд механических элементов. Вся система гидропередачи требует высокой степени герметичности.

Экономия топлива достигается за счет того, что разгон транспортного средства производится при полной мощности двигателя и более полном его сгорании, следовательно быстрее примерно в 3-4 раза (см. фиг.5), чем при разгоне с помощью ступенчатой коробки передан или с помощью гидропередачи, где средняя мощность двигателя в 2-3 раза меньше располагаемой, а переключения коробки передач (см. фиг.5) ведут к повышенному расходу топлива при разгоне и весьма плохому его сгоранию, что в свою очередь ведет к выбросу в атмосферу большого количества вредных выхлопных газов.

Кроме того, так как при предлагаемой передаче используется полная мощность двигателя, а при коробке передач или гидропередаче используется лишь часть располагаемой мощности двигателя при разгоне (примерно 40-50%), то мощность двигателя может быть значительно снижена, что в свою очередь ведет к уменьшению расхода топлива и массы двигателя.

Упрощение управления транспортным средством достигается за счет того, что при коробке передач для его разгона требуется девятнадцать различных действий водителя, в то время как для разгона транспортного средства с помощью предлагаемой передачи требуется только выжать сцепление, включить передний ход, нажать педаль газа (сразу до упора) и отпустить сцепление (итого четыре действия). Дальнейший разгон транспортного средства будет производиться автоматически и плавно.

Рычаг переключения должен иметь три положения: передний ход, задний ход и нейтраль.

Отсутствие частных переключений коробки передач ведет к улучшению динамики работы двигателя, трансмиссии и сцепления, а это в свою очередь, увеличивает их ресурс.

Кроме того, предлагаемая передача повышает ресурс тормозной системы, так как появляется возможность плавного торможения двигателем при сбросе подачи в него топлива.

Формула изобретения

Электромеханическая передача с саморегулируемым бесступенчатым голономным вариатором непрерывного действия, содержащая ведущий и ведомый валы, кинематически связанные между собой трансформатором крутящего момента, отличающаяся тем, что трансформатор крутящего момента представляет собой саморегулируемый бесступенчатый голономный вариатор непрерывного действия, выполненный из зубчатых цилиндрических колес и включающий в себя два однорядных дифференциальных механизма, одни из одноименных звеньев которых связаны между собой планетарной зубчатой передачей с заданным передаточным отношением, с водилом которой связан приводной двигатель, вторые одноименные звенья жестко связаны между собой, одно из третьих звеньев жестко соединено с опорой в виде стойки, а другое третье звено связано с валом генератора, питающего электродвигатель, вал которого через муфту свободного хода соединен с ведущим валом вариатора, при этом мощность электрических машин выполнена меньшей мощности приводного двигателя, а одно из первых из упомянутых звеньев является ведомым валом вариатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9