Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств. Бесступенчатый привод содержит планетарный вариатор (1) с входным и выходным звеньями, кинематически связанными управляющим механизмом, имеющим дифференциальную передачу (3), при этом в кинематическую цепь механизма между выходным звеном вариатора (1) и дифференциальной передачей (3) помещена согласующая передача (2), соединяющая выходное звено вариатора и одно из центральных колес дифференциальной передачи и повышающая частоту вращения в этом направлении. Передаточное число согласующей передачи (2) по величине не менее минимального значения передаточного числа вариатора, а выходное звено (22) всего привода выполнено с возможностью попеременного соединения его со звеньями управляющего механизма, включающего дифференциальную (3) и согласующую передачи (2) при выравнивании частот вращения этих звеньев. Такое выполнение привода обеспечивает широкий диапазон варьирования и высокое значение кпд. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств.

Предшествующий уровень техники

Известны широкодиапазонные бесступенчатые приводы, имеющие вариаторы, преимущественно симметричные по передаточному отношению - клиноременные или торовые, позволяющие использовать для расширения диапазона варьирования обе фазы регулирования передаточного отношения. Одна фаза, например уменьшающая передаточное отношение вариатора, используется непосредственно, а вторая - увеличивающая его, используется с циркуляцией мощности в замкнутом режиме с дифференциальной зубчатой передачей, преобразующей увеличение передаточного отношения вариатора в дальнейшее уменьшение передаточного отношения всего привода. Таким образом, диапазон варьирования привода существенно расширяется по сравнению с используемым базовым вариатором (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. «Вариаторы», М.: Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185). Однако, ввиду того, что базовый вариатор выполняется не по планетарной схеме, является симметричным по передаточному отношению, привод содержит большое число вспомогательных передач, в том числе и конические дифференциалы. Все это не позволяло использовать высокие частоты вращения из-за гироскопических явлений, усложняло привод и существенно снижало его кпд.

Из уровня техники известен бесступенчатый привод, содержащий дисковый вариатор, выполненный по планетарной схеме с ведомым водилом, входной вал которого и водило замыкались дифференциальной передачей, в результате чего изменялись как кпд, так и диапазон передаточных отношений привода. (GB патент 1384679, приоритет 19.02.75, МКИ F 16 Н 15/50). Аналогичное, но более близкое по техническому результату и решаемой задаче техническое решение описано в патенте ЕР 0459234, МКИ F 16 Н 15/52, приоритет 04.12.1991 - прототип). Однако известное решение не позволяет использовать обе вышеупомянутые фазы регулирования передаточного отношения вариатора, переключать без разрыва передаваемого крутящего момента и мощности с одной упомянутой фазы на другую, что снижает технические возможности привода.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание широкодиапазонного бесступенчатого привода - супервариатора, состоящего из базового вариатора, снабженного механизмом, включающим дифференциальную и согласующую передачи с переключением в нем потоков мощности без их разрыва, обеспечивающего широкий диапазон варьирования и высокое значение кпд, превышающие таковые параметры у базового вариатора как минимум на части упомянутого диапазона варьирования, наиболее важной для работы машины, приводимой от данного супервариатора.

Для достижения технического результата при решении поставленной задачи в бесступенчатом приводе, содержащем планетарный вариатор с входным и выходным звеньями, кинематически связанными с управляющим механизмом, включающим дифференциальную передачу, в кинематическую цепь управляющего механизма между выходным звеном вариатора и дифференциальной передачей помещена согласующая передача, соединяющая выходное звено вариатора и одно из центральных колес дифференциальной передачи и повышающая частоту вращения в этом направлении, причем передаточное число согласующей передачи по величине не менее минимального значения передаточного числа вариатора, а выходное звено всего привода выполнено с возможностью попеременного соединения его со звеньями управляющего механизма, включающего дифференциальную и согласующую передачи, при выравнивании частоты вращения этих звеньев.

Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы

- попеременное соединение выходного звена привода с соответствующими звеньями управляющего механизма состояло из двух фаз, первая фаза из которых включает соединение выходного звена привода одновременно с двумя звеньями управляющего механизма, имеющими в данный момент близкую друг к другу частоту вращения, а вторая фаза - отсоединение одного из этих звеньев с сохранением второго включенным, причем обе фазы выполняются при передаче через привод крутящего момента, т.е. без разрыва потока мощности;

- передаточное число согласующей передачи было выполнено по величине не менее реально минимального передаточного числа вариатора при наибольшей допустимой загрузке его по крутящему моменту и мощности для положения кинематических звеньев вариатора, соответствующих минимальному кинематическому передаточному числу;

- управляющий механизм был выполнен с возможностью реверсирования выходного звена привода;

- он был снабжен дополнительной передачей на выходе;

- попеременное соединение выходного звена привода с соответствующими звеньями управляющего механизма, включающее две фазы, производилось посредством зубчатых сцепных муфт, зубья которых соединяются в первую фазу одновременно с зубьями полумуфт, принадлежащими к кинематически разным звеньям управляющего механизма;

- согласующая передача была выполнена в виде планетарной передачи как минимум с одновенцовыми сателлитами, а одно из центральных колес - неподвижным.

- он был снабжен датчиками частот вращения соединяемых и разъединяемых звеньев механизма и блоком их сравнения, а также сервоприводом включения и выключения сцепных муфт, срабатывающим от сигнала блока сравнения при выравнивании частот вращения звеньев.

Краткое описание чертежей

Изобретение представлено на чертеже, где изображена принципиальная кинематическая схема привода. Учитывая симметричность изображения, на схеме представлена только верхняя половина устройства.

На чертеже основные элементы устройства - базовый планетарный вариатор 1, повышающая согласующая передача 2 и дифференциальная передача 3 обведены штриховыми линиями для облегчения восприятия схемы. Согласующая передача 2 выполнена планетарной, что отвечает реальному выполнению конструкции. Базовый планетарный вариатор 1 может быть выполнен, в частности, по патенту РФ №2140028, F 16 Н 15/50, 1998 г., автор Гулиа Н.В.

Повышающая согласующая передача 2 повышает частоту вращения водила 4 вариатора 1 и подает вращение через общий зубчатый венец -эпицикл 5 на сателлиты 6 дифференциальной передачи 3. Водило 4 вариатора 1 связано с водилом 10 повышающей согласующей передачи 2, внутреннее центральное колесо 11 выполнено с возможностью остановки тормозом 12, а повышенная частота вращения передается от внешнего центрального колеса 13 на внешнее центральное колесо 14 дифференциальной передачи 3, например, с помощью общего венца 5, зацепляющегося с сателлитами 15 в передаче 2, и венца 6 - в дифференциальной передаче 3. Следует заметить, что вращение от колеса 13 может быть подано и на внутреннее центральное колесо 9 дифференциальной передачи 3, в этом случае колеса 14 и 9 меняются функциями, что дает несколько иное передаточное отношение всего привода; колесо 14 в данном случае должно выполнять кинематические функции колеса 9. Управление приводом осуществляется управляющим механизмом, а именно тормозом 12 и сцепными муфтами 16, 17, 18, 19, 20, 21. Для повышения диапазона передаточных отношений на выходе супервариатора может быть установлена дополнительная ступенчатая передача (на чертежах не показана) с передаточным числом, равным диапазону варьирования супервариатора. По своей функции эта передача полностью аналогична демультипликатору на коробке передач автомобиля (см., например, Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. «Автомобиль», М.: Машиностроение, 1989, с.65-66, рис.42). Выходной вал 22 супервариатора может следовать как после дополнительной передачи, так и непосредственно после дифференциальной передачи 3. Сцепные муфты 17, 18, 19, 20 могут выполняться в виде зубчатых муфт, силовые элементы (зубья) которых включают соответствующие звенья механизма с задержкой выключения предыдущих, то есть процесс включения муфт делится на две фазы, в первой из которых одновременно включены два различных звена механизма каждой муфты, таким образом обеспечивается неразрывность мощности.

Лучший вариант осуществления изобретения

Привод имеет три основных режима работы, см. чертеж:

- обычный режим работы базового вариатора;

- режим с циркуляцией мощности (где повышение передаточного отношения базового вариатора вызывает понижение его у супервариатора в целом);

- режим работы базового вариатора с сужением диапазона и повышением кпд с последующим переходом на тот же режим с циркуляцией мощности, что и во втором случае.

Первый режим ничем не отличается от режима работы базового вариатора, с той лишь разницей, что после выходного звена вариатора следует повышающая передача 2, увеличивающая частоту вращения выходного вала 22 до близкой к частоте вращения входного вала 7.

Второй режим обеспечивает широкий диапазон варьирования передаточного отношения - реально около 25, при этом на базовый вариатор приходится диапазон около 10, а на режим с циркуляцией мощности - 2,5 (итого 2,5·10=25). Управление в этом случае проще, чем во втором варианте, но кпд при высоких передаточных отношениях базового вариатора мал - около 0,8...0,85 при максимальном передаточном отношении i=13...14, с повышением до 0,9 при i=5 и до 0,95, при минимальном i=1,35...1,43; кпд при циркуляции мощности изменяется противоположно описанному и сильно зависит от диапазона варьирования; при этом, если он равен 2,5, то кпд меняется от 0,95 при i базового вариатора 1,35...1,43 до 0,98 при i базового вариатора i=13...14, при упомянутом диапазоне до 1,5 кпд не опускается ниже 0,95 на всем диапазоне варьирования.

Следует заметить, что именно режим циркуляции мощности имеет преобладающую роль, например для работы автомобиля - это соответствует движению автомобиля на шоссе с высокой скоростью и мощностью.

Если существенную роль в работе машин играют малые скорости и высокие передаточные отношения (например, для трактора, технологических машин и т.д.), то предпочтителен второй режим, где кпд вариатора с сужением диапазона в любом случае выше 0,95. Однако общий диапазон варьирования здесь или около 5-7 и возможно использование дополнительных передач для его повышения.

Следует также отметить роль повышающей 2 согласующей передачи. Ее передаточное число должно быть не менее минимального передаточного числа базового вариатора 1, например 1,35...1,43 (первое значение - при малых нагрузках и скольжениях, второе - при больших). Тогда соединение выходного вала 22 с элементами дифференциальной передачи 3 происходит при выравнивании их частот вращения и может производиться без разрыва потока мощности, о чем будет сказано ниже.

Режимы работы супервариатора

1. Режим работы базового вариатора без изменения.

2. Режим работы супервариатора с циркуляцией мощности.

3. Режим работы супервариатора с сужением диапазона базового вариатора.

Режим работы базового вариатора без изменения.

Для осуществления этого режима выходной вал 22 одновременно сцепляется муфтами 17 и 18 с водилом 8 и центральным колесом 9 дифференциальной передачи 3, которая таким образом блокируется и на вал 22 подается вращение от водила 4 базового вариатора 1 с повышением, допустим, в 1,4 раза от повышающей передачи 2. Для примера будем считать, что входной вал 7 делает 1000 мин^-1, водило 4 вариатора 1 в 1,4 раза меньше, т.е. 714 мин^-1, а выходной вал 22 - снова 1000 мин^-1.

Режим работы супервариатора с циркуляцией мощности.

Для осуществления этого режима работы с циркуляцией мощности вал 7 соединяется муфтой 20 с водилом 8 дифференциальной передачи 3. Центральное колесо 9 дифференциальной передачи соединяется муфтой 18 с валом 22. Тогда венец 5, являющийся внешним центральным колесом 14 дифференциальной передачи 3, делает 1000 мин^-1, водило 8, как и вал 7, тоже 1000 мин^-1, а стало быть и вал 22 - 1000 мин^-1. Но муфта 18 уже была включена в предыдущем случае вместе с муфтой 17, и стало быть с включением муфты 20 ничего не изменится, разрыва потока мощности не будет и муфту 17 можно потом отключить. Затем базовый вариатор 1 по необходимости управления переводится в положение с повышенным передаточным отношением, а при i_мах=13...14 вал 22 будет вращаться с максимальной частотой 1000·2,5=2500 мин^-1 (в этом можно убедиться построением плана скоростей, а также расчетом по известной методике, приведенной в цитированной ранее книге Пронина Б.А. и Ревкова Г.А. «Вариаторы», М.: Машиностроение, 1980, с.299-302, с примерами расчетов на с.304-305).

Имея в виду, что минимальная частота вращения венца 5 по первому режиму равна 1000:(13...14)·1,4≈100 мин^-1, то диапазон варьирования супервариатора 2500:100=25.

Режим работы супервариатора с сужением диапазона базового вариатора.

Для осуществления этого режима при работающей повышающей передаче 2 водило 8 дифференциальной передачи 3 соединяется муфтой 17 с валом 22, а центральное колесо 9 дифференциальной передачи 3 - муфтой 19 с валом 7. При этом венец 5 и колеса 9 и 14 будут делать по 1000 мин^-1, стало быть вал 22 вращается с той же частотой вращения. Необходимое включение муфты 18 будет безударно и не разорвет потока мощности, и таким образом можно переходить к второму режиму, т.е. с циркуляцией мощности.

Однако минимальная частота вращения вала 22 будет существенно больше, чем при режиме работы базового вариатора без изменения, так как диапазон варьирования сузится примерно в 4 раза и составит около 2,5, но кпд, как было отмечено выше, существенно вырастет. Ввиду того, что схема по фиг.1 близка к реальной для автомобиля, здесь представлены также режим реверса и плавного пуска.

Муфтой 21 двигатель (на чертежах не показан) соединяется со входным валом 7 вариатора 1, а тормоз 12 служит для плавного трогания машины путем остановки внутреннего центрального колеса 11 повышающей согласующей передачи 2. Реверс осуществляется при включенных муфтах 16 и 18 плавным включением тормоза 12. При неподвижном водиле 8 колесо 9 начинает вращать через муфту 18 вал 22 в противоположном колесу 14, а стало быть и входному валу 7 направлении.

И, наконец, ступенчатая передача-демультипликатор (на чертежах не показана) может быть подключена на выходе супервариатора на вал 22 при необходимости повышения диапазона варьирования супервариатора. Обычно сперва включают понижающую передачу в демультипликаторе (например, равную диапазону варьирования), достигают минимального передаточного отношения супервариатора, а затем при включенном тормозе 12 возвращаются к максимальному передаточному отношению вариатора и включают в демультипликаторе минимальную, обычно «прямую» передачу. Далее работа привода происходит согласно вышеописанному процессу. Имея несколько передач в демультипликаторе, можно практически неограниченно расширять диапазон варьирования всего привода. Например, при диапазоне варьирования, равном 6, две ступени (кроме прямой передачи) в демультипликаторе дадут диапазон 6³=216, что чрезвычайно много. Принципиально возможно осуществление переключение передач в ступенчатых коробках передач и в демультипликаторах без разрыва потока мощности, что и осуществляется в трансмиссиях транспортных машин высокой проходимости. Эти технические решения известны и могут быть при необходимости использованы в данном устройстве.

Следует отметить, что сцепные муфты 17, 18, 19, 20, срабатывание которых должно производиться при выравнивании частот вращения соединяемых и разъединяемых звеньев управляющего механизма, могут управляться сервоприводом (например, электромагнитом), сигнал на который подается от блока сравнения показателей датчиков частот вращения соединяемых и разъединяемых звеньев управляющего механизма, при выравнивании (вплоть до совпадения) их частот вращения (на чертеже датчики частот, блок сравнения и сервопривод не показаны).

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств.

1. Бесступенчатый привод, содержащий планетарный вариатор с входным и выходным звеньями, кинематически связанными с управляющим механизмом, и дифференциальную передачу, отличающийся тем, что в кинематическую цепь между выходным звеном вариатора и дифференциальной передачей помещена согласующая передача, соединяющая выходное звено вариатора и одно из центральных колес дифференциальной передачи и повышающая частоту вращения в этом направлении, причем передаточное число согласующей передачи по величине не менее минимального значения передаточного числа вариатора, а выходное звено всего привода выполнено с возможностью попеременного соединения его со звеньями управляющего механизма, включающего дифференциальную и согласующую передачи при выравнивании частот вращения этих звеньев.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что попеременное соединение выходного звена привода со звеньями управляющего механизма состоит из двух фаз, первая фаза из которых включает соединение выходного звена привода одновременно с двумя звеньями управляющего механизма, имеющими в данный момент одинаковую или близкую друг к другу частоту вращения, а вторая фаза - отсоединение одного из этих звеньев с сохранением второго включенным, причем обе фазы выполняются при передаче через привод крутящего момента, т.е. без разрыва потока мощности.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что передаточное число согласующей передачи выполнено по величине не менее реально минимального передаточного числа вариатора при наибольшей допустимой загрузке его по крутящему моменту и мощности для положения кинематических звеньев вариатора, соответствующих минимальному кинематическому передаточному числу.

4. Привод по п.1, отличающийся тем, что управляющий механизм выполнен с возможностью реверсирования выходного звена привода.

5. Привод по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной передачей на выходе.

6. Привод по пп.1 и 2 отличающийся тем, что попеременное соединение выходного звена привода с соответствующими звеньями управляющего механизма, включающее две фазы, производится посредством зубчатых сцепных муфт, зубья которых соединяются в первую фазу одновременно с зубьями полумуфт, принадлежащих к кинематически разным звеньям управляющего механизма.

7. Привод по п.1, отличающийся тем, что согласующая передача выполнена в виде планетарной передачи как минимум с одновенцовыми сателлитами и неподвижным одним из центральных колес.

8. Привод по п.1, отличающийся тем, что он снабжен датчиками частот вращения соединяемых и разъединяемых звеньев механизма и блоком их сравнения, а также сервоприводом включения и выключения сцепных муфт, срабатывающим от сигнала блока сравнения при выравнивании частот вращения упомянутых звеньев.