Автоматическая бесступенчатая механическая передача

 

Изобретение относится к машиностроению. Автоматическая бесступенчатая механическая передача содержит входной 1 и выходной 2 валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал. На радиальных осях 14 закрепленного на входном валу 1 водила установлены сателлиты 15, 16. Зацепленные с сателлитами центральные колеса 8 и 17 дифференциала закреплены соответственно на ведущем валу инерционного тормозного устройства и на выходном валу 2. На радиальных осях 5 водила инерционного тормозного устройства с возможностью свободного вращения размещены соединенные друг с другом сателлиты 6 и инерционные грузы в виде маховиков 7. Зацепленное с сателлитом 6 центральное колесо инерционного тормозного устройства закреплено на промежуточном валу 4 и через опорное колесо 9 и ведомое колесо 12 связано с установленным на входном валу ведущим колесом 11. Повышен КПД и расширен диапазон автоматического регулирования частоты вращения выходного вала и передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортном машиностроении и станкостроении.

Известна инерционная автоматическая бесступенчатая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, состоящее из ведущего и опорного элементов, механически взаимодействующих при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены при помощи водила на валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, один из концевых валов которого связан с инерционным тормозным устройством, два других - с входным и выходным валами (см. патент РФ N 2072718, МПК F 16 H 33/10, F 16 H 3/74, 1997 г.).

Наиболее близким по совокупности признаков техническим решением к заявленной передаче является автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, содержащее ведущий и опорный элементы, механически взаимодействующие при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены на ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, водило которого закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей, на которых установлены с возможностью вращения сателлиты, которые входят в зацепление с размещенными по разные стороны от указанных радиальных осей центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий вращающий момент, а второе центральное колесо закреплено на выходном валу, полый ведущий вал инерционного тормозного устройства установлен коаксиально с выходным валом (см. патент РФ N 2109188, МПК F 16 H 33/10, F 16 H 3/74, 1998 г.).

У этой автоматической бесступенчатой механической передачи верхним пределом повышения частоты вращения выходного вала является режим работы при неподвижном ведущем элементе инерционного тормозного устройства, когда инерционные грузы на своем водиле и вместе с ним не вращаются и не передают на первое центральное колесо дифференциала тормозящий момент силы. При этом не передается вращающий момент и на выходной вал. С уменьшением частоты вращения водила инерционных грузов и приближением к указанному верхнему пределу частоты вращения выходного вала соответственно уменьшается КПД и эффективность использования мощности применяемого двигателя.

Предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в повышении КПД и эффективности использования мощности применяемого двигателя при большой частоте вращения выходного вала, расширении диапазона автоматического регулирования передаваемого вращающего момента в интервале частот вращения выходного вала от нулевой до максимального значения. Это в конечном итоге обеспечивает более экономное расходование моторного топлива и при этом уменьшает вредное экологическое воздействие на окружающую среду применяемых двигателей внутреннего сгорания. Одновременно с этим упрощается управление транспортной машиной и обеспечивается возможность ее торможения при помощи двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в автоматической бесступенчатой механической передаче, содержащей соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, содержащее ведущий и опорный элементы, механически взаимодействующие при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены на ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, водило которого закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей, на которых установлены с возможностью вращения сателлиты, которые входят в зацепление с размещенными по разные стороны от указанных радиальных осей центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий вращающий момент, а второе центральное колесо закреплено на выходном валу, полый ведущий вал инерционного тормозного устройства установлен коаксиально с входным валом, согласно изобретению опорный элемент выполнен в виде опорного колеса, ось которого расположена в корпусе автоматической бесступенчатой механической передачи в одной плоскости с входным валом, а само опорное колесо находится в зацеплении с ведущим и ведомым колесами инерционного тормозного устройства с обеспечением их вращения в противоположных направлениях, при этом указанное ведущее колесо установлено на входном валу, а ведомое колесо - на полом промежуточном валу инерционного тормозного устройства, этот промежуточный вал установлен коаксиально с входным валом и соединен с инерционными грузами с возможностью механического взаимодействия и относительного движения указанного промежуточного вала и инерционных грузов.

На промежуточном валу инерционного тормозного устройства установлено центральное зубчатое коническое колесо, которое находится в зацеплении с сателлитами инерционного тормозного устройства, соосно жестко соединенными с инерционными грузами, выполненными в виде маховиков, которые совместно с сателлитами размещены с возможностью вращения на радиальных осях водила инерционного тормозного устройства, это водило является ведущим элементом и установлено на ведущем валу инерционного тормозного устройства, что обеспечивает соединение промежуточного вала, инерционных грузов и ведущего вала инерционного тормозного устройства с возможностью их механического взаимодействия и относительного движения, при этом обеспечивается одновременное вращение маховиков и сателлитов относительно точки пересечения двух перпендикулярных осей - оси передачи и своих осей, установленных на водиле, что обеспечивает создание момента количества движения маховиков и сателлитов в виде векторной величины с постоянным принудительным изменением направления этих векторов, что создает тормозящий момент силы на центральном колесе дифференциала, закрепленном на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства, и обеспечивает передачу вращающего момента от входного вала на выходной вал при любых режимах работы, в том числе при одинаковой частоте вращения этих валов.

Каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух зубчатых конических колес, одно из которых находится в зацеплении с центральным колесом дифференциала, закрепленным на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства, а другое колесо входит в зацепление со вторым центральным колесом дифференциала, закрепленным на выходном валу, при этом передаточные отношения этих пар зацепляющихся колес имеют разную величину.

Как вариант устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде одного зубчатого колеса и находится в зацеплении с обоими центральными колесами дифференциала, размещенными по разные стороны от осей сателлитов.

Опорное колесо выполнено цилиндрическим, ось его размещена параллельно входному валу и оно находится в зацеплении с цилиндрическими ведущим и ведомым колесами инерционного тормозного устройства, при этом одно из этих колес имеет внутреннее зацепление, а другое колесо - внешнее зацепление с опорным колесом.

Как вариант устройства, опорное колесо, ведущее и ведомое колеса инерционного тормозного устройства выполнены коническими с внешним зацеплением и при этом ось опорного колеса размещена под углом, например перпендикулярно, к входному валу.

Каждый сателлит инерционного тормозного устройства и маховик выполнены как единая деталь в виде массивного сателлита.

Входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а обойма - на входном валу.

Указанные существенные признаки, характеризующие изобретение, обеспечивают достижение заданного технического результата по сравнению с принятым прототипом за счет применения опорного колеса, установленного в корпусе передачи с возможностью вращения, которое является промежуточным для ведущего и ведомого колес инерционного тормозного устройства и обеспечивает вращение промежуточного вала инерционного тормозного устройства с инерционными грузами в противоположном направлении по отношению к входному валу. Это позволяет передавать тормозящий момент силы на первое центральное колесо дифференциала, а соответственно и вращающий момент на выходной вал при различных режимах работы, в том числе при неподвижном ведущем вале инерционного тормозного устройства.

Существенным достоинством передачи являются обеспечение автоматического бесступенчатого трансформирования в широком диапазоне передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу, создание максимального по величине вращающего момента на неподвижном (заторможенном нагрузкой или при начале движения) выходном валу, возможность автоматического торможения рабочей машины при помощи выключенного двигателя (например, при движении машины под уклон), возможность запуска двигателя с применением буксировки машины.

На чертеже дан общий вид автоматической бесступенчатой передачи с показом всех ее элементов и отличительных признаков, характеризующих изобретение.

Автоматическая бесступенчатая механическая передача содержит соосные входной 1 и выходной 2 валы, инерционное тормозное устройство и дифференциал.

Инерционное тормозное устройство содержит полые ведущий 3 и промежуточный 4 валы, которые установлены коаксиально с входным валом 1 передачи. На одном конце ведущего вала 3 установлено водило инерционного тормозного устройства, которое является ведущим элементом и выполнено в виде радиальных осей 5, на которых размещены сателлиты в виде конических зубатых колес 6, жестко соосно соединенных с инерционными грузами, выполненными в виде маховиков 7, которые совместно с сателлитами имеют возможность свободного вращения на радиальных осях 5 водила. На другом конце ведущего вала 3 инерционного тормозного устройства установлено одно (первое) из центральных колес 8 дифференциала.

Как вариант выполнения, каждый сателлит 6 инерционного тормозного устройства и маховик 7 сделаны как единая деталь в виде массивного сателлита.

Опорный элемент автоматической бесступенчатой механической передачи, входящий в состав инерционного тормозного устройства, выполнен в виде зубчатого опорного колеса 9, ось которого расположена в корпусе 10 передачи в одной плоскости с входным валом 1. В данном случае опорное колесо 9 выполнено цилиндрическим, ось его размещена параллельно входному валу 1 и оно находится в зацеплении с ведущим 11 и ведомым 12 колесами инерционного тормозного устройства, при этом ведущее колесо 11 имеет внутреннее зацепление, а ведомое колесо 12 - внешнее зацепление с опорным колесим 9. Как вариант устройства, все указанные колеса 9, 11, и 12 выполнены коническими с внешним зацеплением и при этом ось опорного колеса расположена под углом, например перпендикулярно, к входному валу 1. В связи с тем, что опорное колесо 9 является промежуточным, ведущее и ведомое колеса вращаются в противоположных направлениях. Ведущее колесо 11 установлено на входном валу 1, а ведомое колесо 12 - на конце полого промежуточного вала 4. На другом конце промежуточного вала 4 установлено центральное зубчатое коническое колесо 13 инерционного тормозного устройства, которое находится в зацеплении с сателлитами 6 инерционного тормозного устройства.

На входном валу 1 установлено водило дифференциала в виде радиальных осей 14, на которых установлены с возможностью свободного вращения сателлиты, каждый из которых выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух зубчатых конических колес 15, 16. Одно из этих колес 15 находится в зацеплении с центральным колесом 17 дифференциала, закрепленным на выходном валу 2, а другое колесо 16 входит в зацепление с центральным колесом 8 дифференциала, закрепленным на полом валу 3 инерционного тормозного устройства. Передаточные отношения этих пар зацепляющихся колес 15, 17 и 16, 8 имеют разную величину.

Как вариант устройства, каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде одного зубчатого колеса и находится в зацеплении с обоими центральными колесами 8 и 17, размещенными по разные стороны от осей 14 сателлитов.

Входной 1 и выходной 2 валы связаны механизмом свободного хода 18, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу.

Автоматическая бесступенчатая механическая передача работает следующим образом.

При вращении входного вала 1 вместе с установленными на нем водилом дифференциала с его радиальными осями 14 и ведущим колесом 11 инерционного тормозного устройства и неподвижном выходном вале 2 с установленным на нем центральным колесом 17 дифференциала в связи с приложенной к этому валу нагрузкой или началом вращения из неподвижного положения каждое внешнее колесо 15 блока сателлитов дифференциала, находящееся в зацеплении с указанным неподвижным центральным колесом 17, обкатывается по этому колесу и вращается относительно своей оси 14. Жестко связанное с внешним колесом 15 внутреннее колесо 16 блока сателлитов приводит во вращение с увеличенной частотой связанное с ним первое центральное колесо 8 дифференциала и жестко связанные с ним ведущий вал 3 и водило 5 инерционного тормозного устройства. При этом ведущий вал и водило 5 вращаются в одном направлении с входным валом 1.

В то же время закрепленное на входном 1 ведущее колесо 11 инерционного тормозного устройства через промежуточное опорное колесо 9 и ведомое колесо 12 инерционного тормозного устройства приводит во вращение промежуточный вал 4 и установленное на нем центральное колесо 13 инерционного тормозное устройства в противоположном направлении относительно входного вала 1, первого центрального колеса 8 дифференциала, ведущего вала 3 и установленного на нем водила 5 инерционного тормозного устройства. Частота вращения центрального колеса 13 инерционного тормозного устройства зависит только от частоты вращения входного вала 1 с учетом передаточного отношения ведущего 11 и ведомого 12 колес. При этом сателлиты 6 вместе с маховиками 7 совершают вращательное движение при любом режиме работы передачи.

Следовательно, при неподвижном выходном вале 2 сателлиты 6 и грузы в виде маховиков 7 совершают вращение с максимальной частотой одновременно вокруг двух осей - оси передачи О-О и осей О₁-О₁ сателлитов, что равнозначно вращению их относительно точки ¹ пересечения этих осей.

Известно, что вращающееся тело имеет определенный момент количества движения, который проявляется с соблюдением фундаментального (всеобщего) физического закона сохранения, согласно которому момент количества движения может быть изменен только под действием внешних сил. Известно также, что момент количества движения при вращении тела относительно точки является векторной величиной и направление вектора совпадает с направлением оси вращения непосредственно тела, в данном случае с направлением оси О₁-О₁ сателлитов. Но поскольку ось О₁-О₁ сателлитов совершает вращение вокруг оси О-О передачи, направление вектора момента количества движения сателлитов 6 и маховиков 7 постоянно изменяется.

Известно, что действия над векторами являются отражением соответствующих действий над векторными величинами, а векторные величины являются равными, если совпадают их числовые значения и направления. Исходя из этого, при указанном вращении сателлитов и маховиков относительно двух осей одновременно их моменты количества движения принудительно изменяются под воздействием в конечном итоге вращающего момента, передаваемого входным валом 1, и момента сопротивления, приложенного к выходному валу 2. Проявление при этом закона сохранения противодействует вращению водила 5 инерционного тормозного устройства вокруг оси О-О передачи, которое стремится сохранить свое стабильное положение. В связи с этим водило и его радиальные оси играют роль опоры для передачи вращения и вращающего момента при помощи сателлитов 15, 16 дифференциала и первого центрального колеса 8 на второе центральное колесо 17 дифференциала и далее - на выходной вал 2. При этом внешней опорой для торможения водила 5 инерционного тормозного устройства и обеспечения при этом передачи и преобразования вращающего момента является корпус передачи 10, в котором размещена ось опорного колеса 9.

В зависимости от передаточных отношений применяемых пар колес 15, 17 и 16, 8, входящих соответственно в состав блока сателлитов и относящихся к центральным колесам дифференциала, на выходной вал 2 передается вращающий момент, величина которого может быть больше, чем на входном валу 1.

Возможность автоматического трасформирования передаваемого вращающего момента в зависимости от нагрузки на выходном валу 2 определяется моментом торможения водила 5 инерционного тормозного устройства (как опоры для первого центрального колеса 8 дифференциала при передаче момента от входного вала 1 через дифференциал на выходной вал 2) при вращении этого водила относительно оси передачи О-О, и величина указанного момента торможения зависит от совокупной массы сателлитов 6 и маховиков 7 и частоты их вращения одновременно вокруг оси О₁-О₁ водила 5 инерционного тормозного устройства и оси О-О передачи. В свою очередь частота этих вращений, при неизменной частоте вращений входного вала 1, находится в обратной зависимости от частоты вращения второго центрального колеса 17 дифференциала. Отсюда следует вывод, что величина передаваемого вращающего момента зависит от величины разности в частотах вращения входного 1 и выходного 2 валов и соответственно от величины разности частот вращения первого 8 и второго 17 центральных колес дифференциала.

Максимальная величина передаваемого вращающего момента будет при неподвижном (заторможенном нагрузкой) выходном вале 2, поскольку при этом первое центральное колесо 8 дифференциала и водило 5 инерционного тормозного устройства вращаются вокруг оси О-О передачи, сателлиты 6 и маховики 7 инерционного тормозного устройства - вокруг осей О₁-О₁ водила 5, а в совокупности - относительно центральной точки О¹ пересечения этих осей, с наибольшей частотой, что обеспечивает наиболее интенсивное и максимальное по величине изменение их моментов количества движения.

Выходной вал 2 под воздействием передаваемого на него вращающего момента, преодолевая приложенную к нему нагрузку, приводится во вращения. С увеличением частоты вращения выходного вала 2 и установленного на нем центрального колеса 17 дифференциала уменьшается частота вращения первого центрального колеса 8 дифференциала, ведущего вала 3, водила 5, сателлитов 6 и маховика 7 инерционного тормозного устройства с соответствующим уменьшением интенсивности изменения величины и направления векторов момента количества движения сателлитов 6 и маховиков 7. Это приводит к такому же по величине изменению величины передаваемого на выходной вал 2 вращающего момента, поскольку, исходя из свойства дифференциала, вращающие моменты на его центральных колесах 8 и 17 всегда равны.

В отличие от принятого прототипа и как преимущество перед ним при неподвижных ведущем вале 3 и водиле 5 инерционного тормозного устройства (а следовательно, при максимальной частоте вращения выходного вала 2) сателлиты 6 и маховики 7 инерционного тормозного устройства вращаются в связи с вращением ведущего колеса 11 и связанного с ним центрального колеса 13 инерционного тормозного устройства. С учетом этого, при любом режиме работы передачи на первое центральное колесо 8 дифференциала передается тормозящий момент силы, что, исходя из свойства дифференциала, обеспечивает передачу вращающего момента на второе центральное колесо 17 дифференциала и выходной вал 2.

Следовательно, данная автоматическая бесступенчатая механическая передача обеспечивает бесступенчатое изменение передаваемого на выходной вал 2 вращающего момента, а также частоты его вращения. При этом максимальный по величине вращающий момент передается на выходной вал, остановленный приложенной к нему нагрузкой. Величина этого момента зависит помимо указанных выше условий также и от передаточных отношений пар колес 15, 17 и 16, 8 дифференциала и может быть выше вращающего момента, передаваемого входным валом 1.

В варианте передачи, когда каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде одного колеса, входящего в зацепление с обоими центральными колесами 8 и 17, упрощается устройство, однако указанное выше дополнительное изменение величины передаваемого вращающего момента не производится.

Применение цилиндрических или конических опорного 9, ведущего 11 и ведомого 12 колес инерционного тормозного устройства не вносит каких-либо изменений в работу передачи.

Выполнение сателлитов и маховиков инерционного тормозного устройства в виде единой детали приводит к упрощению устройства, что зависит от других параметров передачи.

При необходимости передачи вращающего момента и вращения от выходного вала 2 на входной вал 1 с целью торможения рабочей машины работа двигателя прекращается. При этом под воздействием вращающего момента, передаваемого от выходного вала на входной вал, происходит замыкание механизма свободного хода 18, который обеспечит передачу потока мощности от выходного вала на входной вал и далее - на двигатель, принудительное вращение вала которого приводит к торможению рабочей машины. Таким же образом обеспечивается запуск двигателя с применением буксировки рабочей машины, что может иметь место в зимнее время, при разряженных аккумуляторах, неисправном стартере и др.

Формула изобретения

1. Автоматическая бесступенчатая механическая передача, содержащая соосные входной и выходной валы, инерционное тормозное устройство, содержащее ведущий и опорный элементы, механически взаимодействующие при помощи включенных в состав инерционного тормозного устройства инерционных грузов, которые установлены на ведущем валу инерционного тормозного устройства с возможностью вращения вместе с этим валом, дифференциал, водило которого закреплено на входном валу и выполнено в виде радиальных осей, на которых установлены с возможностью вращения сателлиты, которые входят в зацепление с размещенными по разные стороны от указанных радиальных осей центральными колесами дифференциала, одно из которых закреплено на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства и воспринимает от него тормозящий вращающий момент, а второе центральное колесо закреплено на выходном валу, полый ведущий вал инерционного тормозного устройства установлен коаксиально с входным валом, отличающаяся тем, что опорный элемент выполнен в виде опорного колеса, ось которого расположена в корпусе автоматической бесступенчатой механической передачи в одной плоскости с входным валом, а само опорное колесо находится в зацеплении с ведущим и ведомым колесами инерционного тормозного устройства с обеспечением их вращения в противоположных направлениях, при этом указанное ведущее колесо установлено на входном валу, а ведомое колесо - на полом промежуточном валу инерционного тормозного устройства, этот промежуточный вал установлен коаксиально с входным валом и соединен с инерционными грузами с возможностью механического взаимодействия и относительного движения указанного промежуточного вала и инерционных грузов.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что на промежуточном валу инерционного тормозного устройства установлено центральное зубчатое коническое колесо, которое находится в зацеплении с сателлитами инерционного тормозного устройства, соосно жестко соединенными с инерционными грузами, выполненными в виде маховиков, которые совместно с сателлитами размещены с возможностью вращения на радиальных осях водила инерционного тормозного устройства, это водило является ведущим элементом и установлено на ведущем валу инерционного тормозного устройства, что обеспечивает соединение промежуточного вала, инерционных грузов и ведущего вала инерционного тормозного устройства с возможностью их механического взаимодействия и относительного движения, при этом обеспечивается одновременное вращение маховиков и сателлитов относительно точки пересечения двух перпендикулярных осей - оси передачи и своих осей, установленных на водиле, что обеспечивает создание момента количества движения маховиков и сателлитов в виде векторной величины с постоянным принудительным изменением направления этих векторов, что создает тормозящий момент силы на центральном колесе дифференциала, закрепленном на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства, и обеспечивает передачу вращающего момента от входного вала на выходной вал при любых режимах работы, в том числе при одинаковой частоте вращения этих валов, а также при неподвижных ведущем вале и водиле инерционного тормозного устройства.

3. Передача по п.1, отличающаяся тем, что каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде жестко соосно соединенных между собой в единый блок двух зубчатых конических колес, одно из которых находится в зацеплении с центральным колесом дифференциала, закрепленным на полом ведущем валу инерционного тормозного устройства, а другое колесо входит в зацепление со вторым центральным колесом дифференциала, закрепленным на выходном валу, при этом передаточные отношения этих пар закрепляющихся колес имеют разную величину.

4. Передача по п.1, отличающаяся тем, что каждый из сателлитов дифференциала выполнен в виде одного зубчатого колеса и находится в зацеплении одновременно с обоими центральными колесами дифференциала, размещенными по разные стороны от осей сателлитов.

5. Передача по п.1, отличающаяся тем, что опорное колесо выполнено цилиндрическим, ось его размещена параллельно входному валу и оно находится в зацеплении с цилиндрическим ведущим и ведомым колесами инерционного тормозного устройства, при этом одно из этих колес имеет внутреннее зацепление, а другое колесо - внешнее зацепление с опорным колесом.

6. Передача по п.1, отличающаяся тем, что опорное колесо, ведущее и ведомое колеса инерционного тормозного устройства выполнены коническими с внешним зацеплением и при этом ось опорного колеса размещена под углом, например перпендикулярно, к входному валу.

7. Передача по п.1, отличающаяся тем, что каждый сателлит инерционного тормозного устройства и маховик выполнены как единая деталь в виде массивного сателлита.

8. Передача по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной валы связаны механизмом свободного хода, ведущая обойма которого установлена на выходном валу, а ведомая обойма - на входном валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1