Результат интеллектуальной деятельности: БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА С ПЛАНЕТАРНЫМ МЕХАНИЗМОМ С ВЫХОДОМ НА ВОДИЛО

Изобретение относится к трансмиссии НТС (наземных транспортных средств) и др.

Известны простые трехзвенные ПМ (планетарные механизмы), которые часто применяют как одноступенчатые колесные редукторы, когда одно звено остановлено, крутящий момент подается на солнечную шестерню, а снимается с другого звена, например с водила (1. Автомобиль: Основы конструкции: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Н.Н. Вишняков и др. М.: Машиностроение, 1986. - 304 с. с. 158, рис. 123); как двухступенчатые редукторы (1. с. 123, рис. 95, б). Простые трехзвенные ПМ также находят применение в планетарных коробках передач, у которых крутящий момент поступает на солнечную шестерню, а снимается с эпициклического колеса (1. с. 122, рис. 94, г; с. 143, рис. 108).

Достоинствами планетарных КП (коробок передач) по сравнению с КП, имеющими неподвижные оси зубчатых колес являются возможность получения больших передаточных чисел при небольшом числе зубчатых колес, а также меньшие масса и габаритные размеры, но планетарные КП имеют более высокую стоимость (1. с. 123).

Простые трехзвенные ПМ могут обеспечить 7 передач в редукторных режимах и 3 передачи в суммирующих (интегральных) режимах, когда крутящий момент подается на два звена, а снимается с третьего. Использование ПМ в суммирующих режимах в сочетании с базовой ступенчатой КП позволяет существенно увеличить диапазон передаточных чисел полученного трансмиссионного агрегата по сравнению с базовой КП. Такое решение использовано в технических решениях для газоперекачивающих агрегатов по патентам RU (2: № 2397344. Бюл. 23 от 20.08.2010. №2581269. Бюл. №11 от 20.04.2016. №2583476. Бюл. №13 от 10.05.2016. Авторы В.И. Некрасов и И.А. Иванов).

Рассмотренные конструкции реализуют ступенчатую трансформацию крутящего момента, что приводит к снижению эксплуатационных свойств НТС за счет разрыва потока мощности при переключении передач.

Известны бесступенчатые фрикционные передачи - лобовые вариаторы, состоящие из двух прижатых друг к другу фрикционных колес, одно из них можно перемещать по шпонке вала (1. с. 130, рис. 100, б).

Известны бесступенчатые трансмиссии, содержащие фрикционный вариатор и планетарный механизм, работающий в суммирующем (интегральном) режиме.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является бесступенчатая трансмиссия (3. Патент №2166138; F16H 15/50). Бесступенчатая трансмиссия содержит корпус, первичный и вторичный параллельно расположенные валы, рычаг, механизм управления поворотом рычага, барабан с многодисковым фрикционным вариатором внутреннего контакта. В трансмиссию дополнительно введены выходной вал и планетарный сумматор. Солнечная шестерня планетарного сумматора установлена на выходном валу, расположенным соосно с первичным (входным) валом.

Этой бесступенчатой трансмиссии присущи недостатки: многодисковый фрикционный вариатор работает в режиме высоких нагрузок, так как через него на водило ПМ проходит основная часть крутящего момента. Нагрузки в ПМ распределяются пропорционально радиусам звеньев ПМ, при этом минимальная нагрузка должна приходить на солнечную шестерню (1. с. 123). В устройстве по патенту №2166138 солнечная шестерня ПМ закреплена на выходном валу и нагружена максимальным (суммарным) крутящим моментом. Многодисковый фрикционный вариатор имеет сложную конструкцию, он расположен в барабане 18, который кинематически связан с механизмом управления поворота рычага 19 (3. фиг. 2). ПМ используется только в суммирующем режиме, возможности ПМ значительно шире.

Задачей изобретения является расширение компоновочных и эксплуатационных характеристик НТС за счет упрощения конструкции бесступенчатого фрикционного вариатора, большей реализации возможностей ПМ при трансформации и передаче крутящего момента в редукторном и суммирующем режимах как без разрыва потока мощности, так и при отключении вариатора.

Технический результат достигается за счет совершенствования технического решения по патентам №2166138; 2397344 и др. путем установки бесступенчатой фрикционной передачи - простого лобового вариатора, который передает только малую часть крутящего момента на солнечную шестерню, а основной поток мощности передается цилиндрической зубчатой передачей на эпициклическое колесо ПМ.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что бесступенчатая передача содержит фрикционный вариатор и простой трехзвенный планетарный механизм, состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами, при этом входной и выходной валы установлены параллельно, на входном валу закреплен зубчатый венец с муфтой включения ведущей цилиндрической шестерни, которая свободно установлена на входном валу и зацеплена с ведомым цилиндрическим колесом, закрепленным на корпусе эпициклического колеса, на зубчатом венце трубчатого вала этого корпуса установлена муфта блокировки планетарного механизма или остановки эпициклического колеса, малое фрикционное колесо установлено по шпонке входного вала, прижато к большому фрикционному колесу ведомого вала, которое конической передачей и валом соединено с солнечной шестерней, водило закреплено на выходном валу, зубчатый венец этого вала расположен рядом с зубчатыми венцами трубчатого вала корпуса эпициклического колеса и корпуса бесступенчатой передачи.

На фиг. 1 показана кинематическая схема бесступенчатой передачи с лобовым фрикционным вариатором и простым трехзвенным ПМ (планетарным механизмом) в режиме «а+b» с параллельным расположением входного и выходного валов.

На фиг. 2 показаны кинематические характеристики бесступенчатых передач. По оси абсцисс отложены величины передаточных чисел вариатора - U_var, по оси ординат - передаточных чисел бесступенчатой передачи - U_вых.

В опорах корпуса 1 бесступенчатой передачи (фиг. 1) расположен входной вал 2, на котором закреплен зубчатый венец 3 и свободно установлена ведущая цилиндрическая шестерня 4 с зубчатым венцом 5, муфта 6 расположена на зубчатом венце 3 входного вала 2 для соединения с зубчатым венцом 5 цилиндрической шестерни 4. На шпонке 7 входного вала 2 установлено ведущее малое фрикционное колесо 8, которое прижато к ведомому большому фрикционному колесу 9, закрепленному на ведомом валу 10. Ведущая коническая шестерня 11 закреплена на валу 10 и зацеплена с ведомым коническим колесом 12, которое закреплено на валу 13, на этом валу закреплена солнечная шестерня 14 (а) ПМ. Ведомое цилиндрическое колесо 15 закреплено на корпусе 16 эпициклического колеса 17 (b), которое зацеплено с сателлитами 18, установленными на осях 19 водила 20 (h) и зацепленными с солнечной шестерней 14 (а). Водило 20 (h) закреплено на выходном валу 21 с зубчатым венцом 22, установленными параллельно входному валу 2 с зубчатым венцом 3. Корпус 16 эпициклического колеса 17 (b) закреплен на трубчатом валу 23 с зубчатым венцом 24, который расположен рядом с зубчатым венцом 22. На корпусе 1 бесступенчатой передачи рядом с зубчатым венцом 24 расположен зубчатый венец 25 с муфтой 26 блокировки ПМ или остановки эпициклического колеса 17 (b).

Простой ПМ, состоящий из трех звеньев: солнечной шестерни (a), эпициклического колеса (b) и водила (h) с сателлитами, характеризуется внутренним параметром К=Z_b/Z_a=1,5-5, который равен отношению чисел зубьев Z_b эпициклического колеса и Z_a солнечной шестерни.

Суммирующие возможности ПМ для нашего случая описываются зависимостью:

n_h=U_ha^bn_a+U_hb^an_b=n_a/(K+1)+(n_bK)/(K+1);

где n_a, n_h, n_b - частота вращения солнечной шестерни, водила и эпициклического колеса в об/мин.

Работа редуктора осуществляется следующим образом. ПМ может работать в нескольких режимах. Начнем с простого режима.

Редукторный режим U_ah^b=К+1

Верхний индекс «b» указывает на остановленное звено ПМ - эпициклическое колесо 17 «b», индексы внизу - на звенья входа «а» - солнечной шестерни 14 (а) и выхода «h» крутящего момента - водило 20 (h). Если принять К=4,0, то частота вращения водила 20 (h) и ведомого вала 21 будет в 5 раз меньше частоты вращения солнечной шестерни 14 (а), которая определяется частотой вращения входного вала 2 и передаточным числом вариатора 8-9.

На фиг. 1 ведущая цилиндрическая шестерня 4 отключена муфтой 6 от зубчатого венца 3 ведущего вала 2 (нижнее положение муфты). Эпициклическое колесо 17 (b) остановлено муфтой 26 (верхнее положение), замкнувшей зубчатые венцы 25 корпуса 1 и 24 трубчатого вала 23 корпуса 16 эпициклического колеса 17 (b). Крутящий момент поступает от ведущего вала 2 по шпонке 7 на малое фрикционное колесо 8, затем на большое фрикционное колесо 9, ведомый вал 10, далее конической передачей 11-12, валом 13, на солнечную шестерню 14 (а) и сателлиты 18. Сателлиты 18 перекатываются относительно остановленного эпициклического колеса 17 (b), вращаются на осях 19 водила 20 (h), который передает увеличенный крутящий момент с уменьшенной частотой вращения на выходной вал 21. Перемещая малое фрикционное колесо 8 по шпонке 7 относительно большого фрикционного колеса 9 изменяем величину передаточного числа вариатора. В положении, приведенном на фиг. 1, вариатор работает в замедляющем режиме - U_var>1,0 и представлен верхней прямой 1 фиг. 2. При передаточном числе вариатора U_var=4,0 и U_кон=1,0; передаточное число устройства составит U_A=U_varU_ah^b=4×5=20; оно отмечено т. А на верхней прямой 1. При перемещении колеса 8 к центру колеса 9 происходит уменьшение величины передаточного числа - по прямой 1 вниз к т. 0. Например, при U_var=0,5; передаточное число устройства составит: U_B=U_varU_ab^h=0,5×5=2,5; оно отмечено т. В на верхней прямой 1. При дальнейшем перемещении колеса 8 и пересечении центра вращения колеса 9 произойдет изменение направления вращения вала 11, солнечной шестерни 14 и далее до выходного вала 21 - на фиг. 3 по нижней прямой 2 от т. 0 вниз. При U_var=-(4,0); передаточное число устройства составит U_C=U_varU_ah^b=-4×5=-20; оно отмечено т. С на нижней прямой 2. Знак «минус» указывает на изменение направления вращения выходного вала 21.

Суммирующий режим работы ПМ

n_h=U_ha^bn_a+U_hb^an_b=n_a/(K+1)+(n_bK)/(K+1)

В отличие от предыдущего режима крутящий момент на ПМ передается двумя путями: к солнечной шестерне 14 (а), как описано ранее, основной поток усилия поступает зубчатыми передачами на эпициклическое колесо 17 (b).

На фиг. 1 от входного вала 2 и зубчатого венца 3 муфтой 6 крутящий момент цилиндрической передачей 4-15 приходит на эпициклическое колесо 17 (b) и сателлиты 18. От сателлитов 18 суммарное усилие солнечной шестерни 14 (а) и эпициклического колеса 17 (b) поступает на оси 19, водило 20 (h) и на выходной вал 21. Если условно принять частоту вращения входного вала 2: n_вх=n₂=1000 об/мин; U_var=5,0; U_цил=4,0; U_кон=1,0; то частота вращения эпициклического колеса 17 (b): n_b=1000/4=250 об/мин; n_bK/(K+1)=250(4/5)=200 об/мин; частота вращения солнечной шестерни 14 (а): n_a=n_вх/U_var=1000/5=200 об/мин; n_a/(K+1)=200/5=40 об/мин.

Частота вращения водила 20 (h) и выходного вала 21 составит n_h=n_a/(K+1)+n_bK/(K+1)=[(1000/5×5)+(1000/4)(4/5)]=40+200=240 об/мин. Передаточное число устройства U_E=1000/240=4,17; оно отмечено т. Е на верхней пологой линии 3. При смещении колеса 8 в сторону центра колеса 9 и уменьшении передаточного числа вариатора, например до U_var=1,0; получим n_h=n_a/(K+1)+n_bК/(K+1)=[1000/5+(1000/4)×(4/5)]=200+200=400 об/мин; передаточное число устройства U_F=1000/400=2,5; оно отмечено т. F на верхней пологой линии 3. При дальнейшем перемещении колеса 8 и пересечении центра вращения колеса 9 произойдет изменение направления вращения вала 10, солнечной шестерни 14 (а) и далее до выходного вала 21. Если U_var=0,6; то в этом случае: n_h=-n_a/(K+1)+n_bК/(K+1)=[-1000/(0,6×5)+(1000/4)×(4/5)]=-333,3+200=-133,3 об/мин; передаточное число устройства U_I=1000/(-133,3)=-7,5; оно отмечено т. I на нижней крутой линии 4, знак «минус» указывает на изменение направления вращения выходного вала 21. При U_var=1,0; получим n_h=0, a U=∞, это состояние на фиг. 2 представлено вертикальной пунктирной линией на уровне U_var=1,0. Если U_var=1,5; то n_h=-n_a/(K+1)+n_bК/(K+1)=[-1000/(1,5×5)+(1000/4)×(4/5)]=-133,3+200=66,7 об/мин; передаточное число устройства: U_J=1000/66,7=15; оно отмечено т. J на верхней линии 5.

Аварийный режим - выход вариатора из строя

Выводим малое фрикционное колесо 8 из контакта с большим фрикционным колесом 9 (см. фиг. 1 слева вверху), блокируем ПМ муфтой 26 (нижнее положение муфты), замыкая зубчатые венцы 22 и 24. Работает только цилиндрическое зацепление 4-15 с U_цил=4,0 (т. А на верхней прямой 1).

Редукторный режим целесообразно использовать только при малой нагрузке, например при порожнем НТС, так как весь крутящий момент реализуется фрикционным контактом колес 8 и 9. Суммирующий режим работы ПМ при изменении направления вращения солнечной шестерни 14 (а): n_h=-n_a/(K+1)+n_bК/(K+1) используем для груженого НТС (кривые линии 4 и 5). Работа устройства на фиг. 2 с изменением направления вращения в режиме: n_h=n_a/(K+1)+n_bК/(K+1)n_b не целесообразна - пологая линия 3 над осью абсцисс.

Изменение параметров К, U_цил, U_кон приведет к изменению зависимостей на фиг. 2.

Обозначения:

1 - корпус бесступенчатой передачи;

2 - входной вал;

3 - зубчатый венец, закрепленный на валу 2;

4 - ведущая цилиндрическая шестерня;

5 - зубчатый венец шестерни 4;

6 - муфта соединения с зубчатыми венцами: 3 входного вала 2 и 5 ведущей цилиндрической шестерни 4;

7 - шпонка;

8 - малое фрикционное колесо;

9 - большое фрикционное колесо;

10 - ведомый вал большого фрикционного колеса 9;

11 - ведущая коническая шестерня;

12 - ведомое коническое колесо;

13 - вал ведомого конического колеса 12;

14 (а) - солнечная шестерня ПМ;

15 - ведомое цилиндрическое колесо;

16 - корпус эпициклического колеса 17;

17 (b) - эпициклическое колесо ПМ;

18 - сателлиты;

19 - оси сателлитов;

20 (h) - водило; 21 - выходной вал;

22 - зубчатый венец вала 21 от водила 20 (h);

23 - трубчатый вал корпуса 16 эпициклического колеса 17;

24 - зубчатый венец трубчатого вала 23;

25 - зубчатый венец корпуса 1;

26 - муфта блокировки ПМ или остановки эпициклического колеса 17.