Рекуперативная механическая саморегулируемая бесступенчатая передача с маховичным накопителем энергии
Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств. Передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, эксцентрик 4 (рабочий и уравновешивающий) с пазовым диском, механизмы 7 свободного хода, торсионные валы 9, трехпозиционную зубчатую муфту 12, планетарную передачу, два блока попарно работающих фрикционных муфт, маховик 16 с фрикционной муфтой, понижающий и повышающий приводы. Ведущий вал 1 выполнен раздельно от проходного эксцентрикового вала 3. Ведомый вал 2 подключается с помощью зубчатой муфты 12 или к ведущему валу 1, или с помощью передней фрикционной муфты к эксцентриковому валу 3, или с помощью задней фрикционной муфты к центральному зубчатому колесу 11. Планетарная передача одним звеном подключается с помощью зубчатой муфты 12 к ведущему валу 1, другим звеном через понижающий привод и фрикционную муфту к маховику 16, суммирующим звеном с помощью фрикционной муфты к эксцентриковому валу 3. Зубчатая муфта 12 оборудована синхронизирующим устройством и расположена на ведущем валу 1, обеспечивая его независимое соединение (рассоединение) с ведущим звеном планетарной передачи (бесступенчатый режим), с ведомым валом («прямая» передача), а также отключение («нейтральная» передача). Технический результат - уменьшение расхода топлива при разгоне за счет использования энергии, накопленной при торможении. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств.
Известна трансмиссия транспортного средства с маховичным накопителем энергии (Куликов Н.К. Использование энергии торможения для повышения экономических и динамических свойств автомобиля. - М.: журнал «Автомобильная и тракторная промышленность», №1, 1951 г., с.18-20).
Трансмиссия содержит планетарный ряд, регулируемую бесступенчатую передачу, передаточное число которой устанавливается водителем или специальным автоматом. Водило планетарного ряда соединено своим валом с коленчатым валом двигателя через сцепление; коронная шестерня представляет собой маховик с моментом инерции J1 и соединена с первичным валом бесступенчатой передачи; солнечная шестерня соединена своим валом с карданным валом автомобиля, являющимся одновременно вторичным валом бесступенчатой передачи и несущим маховик (масса автомобиля) J2.
Недостатком аналога является необходимость использования при поочередном разгоне маховых масс J1 и J2 реверсивной бесступенчатой передачи (фрикционной, электрической, гидравлической) по двухпоточной схеме. Известные реверсивные бесступенчатые передачи обладают низким КПД вследствие либо значительных потерь на трение-скольжение (например, лобовые, торовые и др.), либо из-за двойного преобразования энергии (например, в гидрообъемных передачах механическая энергия преобразуется сначала в гидравлическую, а затем обратно в механическую). В связи с этим, эффект от использования энергии торможения сопоставим с потерями в приводе маховичного накопителя. Другим недостатком аналога является отсутствие саморегулирования и необходимость, в связи с этим, «вручную» или с помощью специального автомата изменять передаточное отношение бесступенчатой передачи.
Известна полнопоточная механическая саморегулируемая бесступенчатая передача (прототип) с высоким КПД (1. Благонравов А.А., Худорожков С.И. Динамическая характеристика саморегулируемой механической бесступенчатой передачи. - «Редукторостроение России: Состояние, проблемы, перспективы». Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием./ Изд. 2-е, доп. и испр. - СПб.: ЦЦП ОАО «Светоч», 2003, с.192-194; 2. Благонравов А.А. Пути развития механических бесступенчатых передач. - «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин»: Сборник кратких научных сообщений Всероссийской научно-технической конференции. - Курган: изд-во Курганского гос. Ун-та, 2003, с.3-12, рис.7).
Передача содержит ведущий эксцентриковый и ведомый валы, установленный на ведущем валу эксцентрик (рабочий и уравновешивающий) с пазовым диском, паз которого взаимодействует с ведущими элементами механизмов свободного хода (МСХ), размещенных равномерно по окружности. Их ведомые элементы с помощью торсионных валов соединены с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, установленным на ведомом валу. Между ведущим и ведомым валами установлена зубчатая муфта с возможностью включения «прямой» передачи.
Недостатком прототипа является то, что механическая саморегулируемая бесступенчатая передача нереверсивная и не может работать в режиме прямого и обратного обмена кинетической энергией между маховыми массами на входном J1 и выходном J2 валах без применения дополнительных устройств.
Целью изобретения является создание полнопоточной рекуперативной передачи с маховичным накопителем энергии на основе механической саморегулируемой бесступенчатой передачи. Такая передача, помимо обеспечения бесступенчатого автоматического (и/или управляемого) изменения скорости в зависимости от нагрузки на ведущих колесах и подачи топлива в двигатель, позволит уменьшить расход топлива транспортного средства при разгоне за счет использования энергии, накопленной при торможении.
Решение поставленной задачи достигается тем, что механическая саморегулируемая бесступенчатая передача, содержащая ведущий и ведомый валы, эксцентрик (рабочий и уравновешивающий) с пазовым диском, паз которого взаимодействует с ведущими элементами МСХ, размещенных равномерно по окружности, торсионные валы, один конец которых соединен с ведомыми элементами МСХ, а другой - с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, установленным на ведомом валу, в отличие от прототипа, дополнена трехпозиционной зубчатой муфтой, планетарной передачей, двумя блоками фрикционных муфт и маховиком с фрикционной муфтой, повышающим и понижающим приводами. При этом ведущий вал передачи выполнен раздельно от эксцентрикового, а сам эксцентриковый вал выполнен проходным. Ведомый вал выполнен с возможностью подключения: с помощью зубчатой муфты к ведущему валу своим передним концом, выведенным через полые эксцентриковый вал и валы центральных колес планетарной передачи; с помощью передней фрикционной муфты - к эксцентриковому валу и с помощью задней фрикционной муфты - к центральному зубчатому колесу. Два ведущих звена планетарной передачи соединяются: одно, например эпициклическое колесо, через зубчатую муфту с двигателем, другое, например солнечная шестерня, через понижающий привод и фрикционную муфту с маховиком, выходное (суммирующее) звено планетарной передачи, например водило, через фрикционную муфту соединяется с эксцентриковым валом. Повышающий привод, состоящий, например, из цилиндрической пары, вала и конической пары зубчатых колес, связывает маховик с центральным зубчатым колесом через заднюю фрикционную муфту. Зубчатая муфта оборудована синхронизирующим устройством и расположена на ведущем валу, обеспечивая его независимое соединение (рассоединение) с одним из ведущих звеньев планетарной передачи (бесступенчатый режим) и с ведомым валом («прямая» передача), а также их отключение («нейтральная» передача). Для предотвращения обратного вращения коленчатого вала выключенного двигателя при разгоне на маховике и обратного вращения маховика при разгоне транспортного средства только двигателем предусмотрены два «корпусных» МСХ, допускающих однонаправленное вращение ведущих звеньев планетарной передачи.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана кинематическая схема рекуперативной механической саморегулируемой бесступенчатой передачи с маховичным накопителем энергии.
Рекуперативная механическая саморегулируемая бесступенчатая передача с маховичным накопителем энергии содержит ведущий 1, ведомый 2 и полый эксцентриковый 3 валы, установленный на эксцентриковом валу эксцентрик 4 (рабочий и уравновешивающий) с пазовым диском 5, паз которого взаимодействует с ведущими элементами 6 МСХ 7, размещенных равномерно по окружности. Их ведомые элементы 8 с помощью торсионных валов 9 соединены с зубчатыми колесами 10, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом 11, установленным свободно на ведомом валу 2, передний конец которого через полые эксцентриковый вал 3 и валы центральных колес 13, 14 и 15 планетарной передачи выведен на вход передачи. Солнечная шестерня 13 планетарной передачи связана зубчатой парой 26 через фрикционную муфту Фм с маховиком 16, водило 14 с помощью вала 17 с передней фрикционной муфтой Фп1, осуществляющей его подключение к эксцентриковому валу 3, а эпициклическое колесо 15 с помощью вала 18 связано с зубчатой муфтой 12, снабженной синхронизирующим устройством 19 и установленной между ведущим валом 1 и валами 2 и 18. Ведомый вал 2 соединяется с эксцентриковым валом 3 и с центральным зубчатым колесом 11с помощью передней Фп2 и задней Фз1 фрикционных муфт соответственно. Подключение маховика 16 к выходу бесступенчатой передачи (центральное зубчатое колесо 11) осуществляется с помощью задней фрикционной муфты Фз2 через ускоряющий привод (цилиндрическая 20, коническая 22 пары зубчатых колес, вал 21). МСХ 24 и 23, ведущие обоймы которых связаны, соответственно, с эпициклическом колесом 15 и солнечной шестерней 13, ведомыми обоймами соединены с корпусом передачи, предотвращая их обратное вращение.
Рекуперативная механическая саморегулируемая бесступенчатая передача с маховичным накопителем энергии может работать как в режиме рекуперации энергии торможения, так и без него.
Бесступенчатая передача без рекуперации энергии работает при следующих установках управляющих элементов: входной вал 1 с помощью зубчатой муфты 12 соединен с валом 18 эпициклического колеса 15, фрикционные муфты Фп1 и Фз1 включены (работают синхронно и управляются одним органом, например педалью «муфты сцепления»), фрикционные муфты Фп2 и Фз2 выключены (работают синхронно и управляются одним органом, например, педалью тормоза), солнечная шестерня 13, маховик 16 с фрикционной муфтой Фм, зубчатые пары 22, 20 и вал 21 неподвижны. Планетарный ряд работает в режиме понижающей передачи, реактивный момент на шестерне 13 воспринимается корпусом передачи через МСХ 23, вращение ведущего вала 1 через планетарную передачу, фрикционную муфту Фп1 передается на эксцентриковый вал 3.
Работает передача следующим образом:
- при остановленном ведомом вале 2, когда передаточное отношение равно нулю (столовый режим), развороту внешнего эксцентрика 4 и увеличению общего эксцентриситета пазового диска 5 препятствуют силы, действующие на пазовый диск со стороны ведущих элементов 6 МСХ 7. Величины этих сил зависят от углов закрутки торсионных валов 9. За один оборот ведущего вала угол закрутки каждого торсионного вала со сдвигом по фазе изменяется от нуля до максимального значения и снова до нуля. Динамическое равновесие момента центробежной силы относительно оси внутреннего эксцентрика 3 и моментов сил, действующих на пазовый диск 5 со стороны ведущих элементов 6 МСХ, устанавливается при величине эксцентриситета пазового диска 5, составляющего определенную долю от максимального. Величина этой доли зависит от выбора конструктивных параметров при динамическом расчете передачи;
- при увеличении передаточного отношения в связи с уменьшением момента сопротивления на ведомом валу уменьшается максимальный угол закрутки торсионных валов 9. При этом уменьшаются силы, действующие от ведущих элементов 6 МСХ на пазовый диск 5, эксцентриситет его увеличивается. Увеличивается и размах колебаний ведущих элементов 6 МСХ. При этом уменьшается загрузка двигателя;
- с увеличением передаточного отношения более 0.7... 0.8 для обеспечения более полного использования мощности двигателя необходимо с помощью зубчатой муфты 12 включить «прямую» передачу - соединить валы 1 и 2. Выравнивание скоростей валов 1 и 2 обеспечивается с помощью снижения частоты вращения двигателя и синхронизирующего устройства зубчатой муфты 12. При включении «прямой» передачи все МСХ 7 работают в режиме свободного хода, при этом их ведущие элементы 6 (вместе с элементами 3, 4, 5 и центральными колесами планетарной передачи 13, 14, 15) прекращают движение, и, тем самым, не создают дополнительную инерционную составляющую сил трения в МСХ;
- разгрузка зубчатой муфты 12 для ее свободного выключения с режима «прямой» передачи и перехода на «нейтральную», осуществляется с помощью уменьшения подачи топлива в двигателе. Для перехода на режим бесступенчатой передачи с помощью муфты 12 осуществляется соединение вала 1 с валом 18 эпициклического колеса 15 при кратковременном выключении фрикционных муфт Фп1 и Фз1. При этом за счет синхронизирующего устройства муфты 12 первоначально происходит раскрутка деталей 15, 14, а после включения фрикционных муфт Фп1 и Фз1 и деталей 3, 4, 5 из неподвижного состояния до скорости входного вала 1.
Бесступенчатая передача с аккумулированием энергии при торможении и рекуперацией энергии при разгоне транспортного средства работает при подключенном входном валу 1 к валу 18 эпициклического колеса 15.
При необходимости торможения маховиком, фрикционные муфты Фп1 и Фз1 синхронно выключаются, а фрикционные муфты Фп2 и Фз2 синхронно включаются. При этом входной вал 1 отключается, а ведомый вал 2 вместе с приведенной массой транспортного средства подключается ко входу бесступенчатой передачи (эксцентриковому валу 3), а маховик 16 через повышающий привод (детали 25, 22, 21 и 20) подключается к выходному валу бесступенчатой передачи (центральному колесу 11). Фрикционная муфта маховика Фм, управляемая вручную, например, рычажком, расположенным на колонке рулевого колеса, при этом отключена. В случае первоначально не вращающегося маховика 16, работа бесступенчатой передачи соответствует «стоповому» режиму, описанному выше. По мере раскрутки маховика 16 (увеличению передаточного отношения) уменьшается максимальный угол закрутки торсионных валов 9. При этом уменьшаются силы, действующие от ведущих элементов 6 МСХ на пазовый диск 5, эксцентриситет его увеличивается. Увеличивается и размах колебаний ведущих элементов 6 МСХ. Параллельно с ростом угловой скорости маховика 16 происходит снижение скорости транспортного средства и, соответственно, угловой скорости эксцентрикового вала 3. В связи с этим происходит постоянное изменение динамического равновесия момента центробежной силы относительно оси внутреннего эксцентрика 3 и моментов сил, действующих на пазовый диск 5 со стороны ведущих элементов 6 МСХ.
Таким образом, передаточное отношение бесступенчатой передачи и, следовательно, интенсивность торможения транспортного средства изменяются автоматически. Максимальная интенсивность торможения транспортного средства и, следовательно, раскрутки маховика будет на максимальных начальных скоростях торможения, обеспечивая в течение короткого времени раскрутку маховика до максимальных оборотов за один цикл торможения. По мере снижения начальной скорости торможения, интенсивность торможения снижается из-за уменьшения суммарного эксцентриситета пазового диска 5 и амплитуды колебаний ведущих звеньев 6 МСХ 7. В этих условиях, для обеспечения раскрутки маховика до максимальных оборотов необходимо выполнить два и более циклов торможения, обеспечивая последовательную «накачку» маховика. Управление процессом торможения с использованием маховика осуществляется по команде штатной тормозной системы транспортного средства.
При необходимости разгона транспортного средства за счет кинетической энергии маховика (режим рекуперации энергии) фрикционные муфты Фп1 и Фз1 синхронно включаются, а фрикционные муфты Фп2 и Фз2 синхронно выключаются. Включением фрикционной муфты Фм водило 14, солнечная шестерня 13 через зубчатую пару 26, подключаются вместе с маховиком 16, деталями 25, 22, 21, 20 ко входу бесступенчатой передачи (эксцентриковому валу 3), а выходной вал 2 муфтой Фз1- к выходному валу бесступенчатой передачи (центральному колесу 11), обеспечивая режим работы бесступенчатой передачи, описанный выше.
Разгон транспортного средства на маховике с выключенным двигателем происходит автоматически без участия оператора на основе динамического равновесия момента центробежной силы относительно оси внутреннего эксцентрика 3 и моментов сил, действующих на пазовый диск 5 со стороны ведущих элементов 6 МСХ. Интенсивность разгона изменяется автоматически в зависимости от соотношения угловых скоростей ведущих масс, связанных с маховиком 16 и приведенной к ведомому валу 2 массы транспортного средства. Для управления интенсивностью разгона необходимо разгоняться на маховике с включенным двигателем, меняя его обороты с учетом скорости вращения маховика. Обороты и моменты двигателя и маховика, суммируясь в определенном соотношении на водиле 14 (в соответствии с параметрами планетарной передачи), обеспечивают разгон с управляемой интенсивностью с учетом накопленной энергии маховика.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, решена: сохраняя главные свойства прототипа - возможность работы на полнопоточных режимах бесступенчатой и прямой передач, появляется дополнительная опция - с помощью трехпозиционной зубчатой муфты с синхронизирующим устройством, планетарной передачи, маховика с управляемой фрикционной муфтой, понижающим и ускоряющим приводами, и синхронного попарного переключения фрикционных муфт Фп1, Фз1 и Фп2, Фз2 появляется возможность полнопоточного саморегулируемого обмена кинетической энергией между приведенной массой транспортного средства и маховиком при торможении и между маховиком и приведенной массой транспортного средства при разгоне. При этом, помимо обеспечения бесступенчатого автоматического (и/или управляемого) изменения скорости транспортного средства в зависимости от нагрузки на ведущих колесах и подачи топлива в двигатель, представляется возможным существенно уменьшить расход топлива транспортного средства при разгоне за счет рекуперирования энергии вращающегося маховика, раскрученного при торможении. При этом интенсивность торможения транспортного средства может дополнительно регулироваться штатной тормозной системой, а интенсивность разгона - оборотами двигателя.
1. Механическая саморегулируемая бесступенчатая передача, содержащая ведущий и ведомый валы, эксцентрик (рабочий и уравновешивающий) с пазовым диском, паз которого взаимодействует с ведущими элементами механизмов свободного хода, размещенных равномерно по окружности, торсионные валы, один конец которых соединен с ведомыми элементами механизмов свободного хода, а другой - с зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, установленным на ведомом валу, отличающаяся тем, что она дополнена трехпозиционной зубчатой муфтой, планетарной передачей, двумя блоками попарно работающих входных и выходных фрикционных муфт и маховиком с фрикционной муфтой, понижающим и повышающим приводами, при этом ведущий вал передачи выполнен раздельно от эксцентрикового, эксцентриковый вал выполнен проходным, ведомый вал выполнен с возможностью подключения с помощью зубчатой муфты или к ведущему валу своим передним концом, выведенным через полые эксцентриковый вал и валы центральных колес планетарной передачи, или с помощью передней фрикционной муфты к эксцентриковому валу, или с помощью задней фрикционной муфты - к центральному зубчатому колесу, причем одно звено планетарной передачи подключается с помощью зубчатой муфты к ведущему валу, другое звено связано через понижающий привод и фрикционную муфту с маховиком, который, в свою очередь, через повышающий привод и заднюю фрикционную муфту может соединяться с выходным валом бесступенчатой передачи, а суммирующее выходное звено планетарной передачи - с помощью фрикционной муфты к эксцентриковому валу, притом зубчатая муфта оборудована синхронизирующим устройством и расположена на ведущем валу, обеспечивая его независимое соединение (рассоединение) с ведущим звеном планетарной передачи (бесступенчатый режим), с ведомым валом («прямая» передача), а также их отключение («нейтральная» передача), а для предотвращения обратного вращения ведущих звеньев планетарной передачи предусмотрены два механизма свободного хода, допускающие только однонаправленное вращение.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эпициклическое колесо планетарной передачи выполнено с возможностью подключения с помощью зубчатой муфты к ведущему валу, водило планетарной передачи - с помощью фрикционной муфты к эксцентриковому валу, а солнечная шестерня связана через понижающий привод и фрикционную муфту с маховиком, который через повышающий привод и заднюю фрикционную муфту может соединяться с выходным валом бесступенчатой передачи, притом зубчатая муфта оборудована синхронизирующим устройством и расположена на ведущем валу, обеспечивая его независимое соединение (рассоединение) с эпициклическим колесом планетарной передачи (бесступенчатый режим), с ведомым валом («прямая» передача), а также их отключение («нейтральная» передача), а для предотвращения обратного вращения коленчатого вала выключенного двигателя при разгоне на маховике и солнечной шестерни планетарной передачи при разгоне транспортного средства двигателем предусмотрены два механизма свободного хода, допускающих однонаправленное вращение эпициклического колеса и солнечной шестерни, при этом синхронное управление передней и задней фрикционными муфтами при работе двигателя с передачей осуществляется педалью «сцепление», синхронное управление передними и задними фрикционными муфтами при торможении осуществляется педалью «тормоз», а управление фрикционной муфтой подключения маховика - ручным переключателем.
