Объемная гидромеханическая передача

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в тех устройствах, где требуется передавать крутящий момент от двигателя к исполнительным механизмам, например в трансмиссиях самоходных машин. Гидромеханическая передача содержит входной 1 и выходной 2 валы, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины 3 и 4, четырехзвенный дифференциал 5 и переключающие устройства 12, 13, 14, 15. Сателлиты 7 и 8 дифференциала 5 выполнены парными, зацепляющимися между собой. Сателлит 8 выполнен широким и установлен между большой солнечной шестерней 10 и центральным колесом 11 с внутренним зацеплением. Сателлит 7 выполнен узким и находится в зацеплении с малой солнечной шестерней 9. Два переключающих устройства 14 и 15 соединяют вал гидромашины 4 с входным валом 1 передачи и центральным колесом 11 с внутренним зацеплением. Два переключающих устройства 12 и 13 соединяют вал гидромашины 3 с выходным валом 2 передачи и с малой солнечной шестерней 9 дифференциала. Технический результат - уменьшение установочных мощностей гидромашин, улучшение массогабаритных показателей, увеличение КПД. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в тех устройствах, где требуется передавать крутящий момент от двигателя к исполнительным механизмам, например в трансмиссиях самоходных машин.

Основное достоинство объемной гидромеханической передачи (ОГМП) - возможность бесступенчатого изменения скорости вращения ведомого вала во всем диапазоне передаточных отношений без разрыва потока передаваемой мощности. При этом КПД трансмиссии остается достаточно высоким, так как гидравлическим путем передается сравнительно небольшая часть мощности.

В данном случае рассматривается ОГМП переменной структуры, которая позволяет эффективно снизить суммарную установочную мощность гидромашин передачи. Весь диапазон изменения передаточных отношений трансмиссии (от нуля до максимума) разбивается на три поддиапазона (режима) с работой соответственно: вначале по схеме с дифференциалом на входе (А1), затем по схеме с двумя дифференциалами (В) и, наконец, по схеме с дифференциалом на выходе (А2). Под передаточным отношением принято отношение оборотов выходного вала к оборотам входного вала.

Известна бесступенчатая трансмиссия (патент США 5421790, НКИ 475-78, опубл. 1995 г.), содержащая две гидравлически связанные регулируемые гидромашины, два эпициклических планетарных механизма, у каждого из которых одно звено связано со входным валом трансмиссии, другое с выходным валом; четыре переключающих устройства, два из которых соединяют вал одной гидромашины с входным валом и свободным звеном одного планетарного механизма, а два других переключающих устройства соединяют вал другой гидромашины с выходным валом и свободным звеном другого планетарного механизма.

Недостатком данной трансмиссии является наличие двух планетарных механизмов, расположенных на разных валах, из-за чего возникает необходимость в дополнительных зубчатых передачах, увеличиваются массогабаритные показатели трансмиссии, ухудшается ее КПД. Кроме того, соединение входного вала трансмиссии с эпициклом (центральным колесом с внутренним зацеплением) приводит к завышению числа оборотов сателлитов.

Этих недостатков лишено устройство привода транспортного средства (патент ЕР 0450282 В1, МПК F 16 H 47/04, опубл. 1994 г.), содержащее две гидравлически связанные регулируемые гидромашины, четырехзвенный дифференциал, имеющий две солнечные шестерни, большая из которых соединена со входным валом привода, двухрядные сателлиты (двухзвенные сателлиты, двойные сателлиты), водило, соединенное с выходным валом привода и центральное колесо с внутренним зацеплением; четыре переключающих устройства, два из которых соединяют вал одной гидромашины с входным валом трансмиссии и центральным колесом с внутренним зацеплением, а два других переключающих устройства соединяют вал другой гидромашины с выходным валом трансмиссии и малой солнечной шестерней дифференциала.

Данное устройство привода имеет следующие недостатки: переключение из области 2.НМ (когда устройство привода работает по схеме В) в область 3.НМ (когда устройство работает по схеме А2) происходит при максимальном рабочем объеме обоих гидромашин, в результате чего в области 3.НМ имеет место большая циркуляция мощности, высокие потери и пониженный КПД. При этом область 2.НМ, где высокий КПД, остается недоиспользованной.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство привода транспортного средства (патент Германии DE 3821290 А1, МПК В 60 К 17/06, опубл. 1989 г., является прототипом ЕР 0450282 В1), по конструкции в основном идентичное ЕР 0450282 В1, но отличающееся тем, что переключение из второй в третью область происходит при нулевом угле наклона диска (блока) переключаемой гидромашины.

Недостатком изобретения является то, что примененный четырехзвенный дифференциал с двухвенцовыми сателлитами имеет при заторможенной малой солнечной шестерне (при включенном переключающем устройстве К1 и остановленной гидромашине 6, граница между второй и третьей областями) передаточное отношение больше единицы (повышающая передача), что не позволяет, во многих случаях, установить оптимальное (с точки зрения уменьшения установочных мощностей гидромашин, улучшения массогабаритных показателей, увеличения КПД) соотношение границ областей (поддиапазонов), то есть их размер. По этой же причине может иметь место чрезмерная частота вращения малой солнечной шестерни в начале и конце общего диапазона регулирования привода.

Задачей изобретения является уменьшение установочных мощностей гидромашин, улучшение массогабаритных показателей, увеличение КПД.

Для решения поставленной задачи в объемной гидромеханической передаче, содержащей входной и выходной валы, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины, четырехзвенный дифференциал, имеющий две солнечные шестерни, большая из которых соединена со входным валом, сателлиты, водило, соединенное с выходным валом, и центральное колесо с внутренним зацеплением; четыре переключающих устройства, два из которых соединяют вал одной гидромашины с входным валом передачи и центральным колесом с внутренним зацеплением, а два других переключающих устройства соединяют вал другой гидромашины с выходным валом передачи и малой солнечной шестерней дифференциала, согласно изобретению сателлиты выполнены парными зацепляющимися между собой, причем один из них выполнен широким и установлен между большой солнечной шестерней и центральным колесом с внутренним зацеплением, а другой сателлит выполнен узким и находится в зацеплении с малой солнечной шестерней. В качестве переключающих устройств используются синхронизаторы.

Новым в заявляемой ОГМП является то, что четырехзвенный дифференциал содержит парные зацепляющиеся сателлиты. Если принять допустимое наименьшее число зубьев шестерен дифференциала 14, а наибольшее - 70, то размер D₂ второй области (поддиапазона) у аналога может составить 3<D₂<∞, у предлагаемой ОГМП - 1,43<D₂<2,65. Уменьшение размера второго поддиапазона (а также первого) позволяет уменьшить установочную мощность гидромашин. Частота вращения малой солнечной шестерни у заявляемой ОГМП также меньше, чем у аналога.

На чертеже изображен вариант кинематической схемы объемной гидромеханической передачи (трансмиссии).

Передача содержит входной (ведущий) вал 1, выходной (ведомый) вал 2, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины 3 (Г1) и 4 (Г2), четырехзвенный дифференциальный механизм 5, включающий водило 6 с парными зацепляющимися сателлитами: узким 7 и широким 8, солнечные шестерни 9 и 10, центральное колесо с внутренними зубьями 11 (коронная шестерня). Переключающие устройства 12, 13, 14, 15 (соответственно Ф₁, Ф₂, Ф₃, Ф₄) предназначены для связи валов гидромашин с различными звеньями ОГМП.

Гидромашина Г1 (3) жестко связана с валом 16, который соединен через зацепляющиеся зубчатые колеса 17, 18, 19, 20 и переключающее устройство Ф₁ (12) с выходным валом 2. Кроме того, гидромашина Г1 (3) через вал 16, переключающее устройство Ф₂ (13), зацепляющиеся зубчатые колеса 21, 22 связана с малой солнечной шестерней 9.

Гидромашина Г2 (4) жестко связана с валом 23, который через зацепляющиеся зубчатые колеса 24, 25 и переключающее устройство Ф₃ (14) соединен с центральным колесом с внутренними зубьями 11. Кроме того, гидромашина Г2 (4) через вал 23, переключающее устройство Ф₄ (15), зацепляющиеся зубчатые колеса 26, 27 связана с ведущим валом 1. Ведущий вал 1 также жестко связан с большой солнечной шестерней 10. Ведомый вал 2 соединен с водилом 6 четырехзвенного дифференциального механизма 5.

Объемная гидромеханическая передача работает следующим образом.

В таблице указаны включаемые на поддиапазонах переключающие устройства и параметры регулирования гидромашин. Параметр регулирования равен отношению текущего рабочего объема гидромашины к ее максимальному рабочему объему.

Поддиапазон (режим)	Включены переключающие устройства	Параметр регулирования гидромашин
Г1	Г2
А1	Ф1, Ф3	1...0	0...-1
В	Ф2, Ф3	0...-1	-1...0
А2	Ф2, Ф4	-1...<0	0...1

Работа передачи в режиме А1. При нулевом передаточном отношении гидромашина Г1 (3) имеет максимальный рабочий объем и находится в неподвижном состоянии, а гидромашина Г2 (4) имеет нулевой рабочий объем и приводится в движение через вал 23, зубчатые колеса 24, 25, центральное колесо с внутренними зубьями 11, сателлит 8, большую солнечную шестерню 10 от входного вала 1. При начале движения система управления увеличивает рабочий объем гидромашины Г2 от нулевого до максимального значения, при этом гидромашина Г2, работая в качестве гидронасоса, приводит в движение гидромашину Г1, работающую в этом режиме в качестве гидромотора. Гидромашина Г1 через звенья 16, 17, 18, 12, 19, 20 приводит в движение выходной вал 2. Скорость выходного вала и передаточное отношение передачи увеличиваются пропорционально изменению рабочего объема гидромашины Г2. Мощность, передаваемая со входного вала 1, разделяется в дифференциале 5 на механический и гидравлический потоки. Механическая составляющая передается на выходной вал 2 через звенья 10, 8, 6. Гидравлическая составляющая передается на выходной вал 2 через звенья 10, 8, 11, 14, 25, 24, 23 гидромашины Г2 (4), Г1 (3), звенья 16, 17, 18, 12, 19, 20.

После достижения максимального рабочего объема гидромашины Г2, производится уменьшение рабочего объема гидромашины Г1 от максимального до нулевого значения. При этом скорость вращения гидромашины Г2 и мощность, передаваемая гидравлическим путем, уменьшаются, а скорость гидромашины Г1 и связанного с ней выходного вала увеличивается. При нулевом рабочем объеме гидромашины Г1 происходит остановка гидромашины Г2 и связанного с ней центрального колеса 11, а весь поток мощности передается механическим путем.

Переключение трансмиссии с режима А1 на режим В происходит путем выключения переключающего устройства Ф₁ и включения переключающего устройства Ф₂. Поскольку в этот период мощность через гидромашину Г1 не передается, переключающие устройства Ф₁ и Ф₂ также не передают крутящий момент и переключение происходит без разрыва потока мощности, передаваемого трансмиссией.

В режиме В гидромашина Г1 кинематически связывается со звеном 9 дифференциала 5, а гидромашина Г2 остается соединенной со звеном 11. В этом поддиапазоне гидромашина Г1 работает в режиме гидронасоса, а гидромашина Г2 в режиме гидромотора. На первом этапе регулируется гидромашина Г1 путем увеличения ее рабочего объема от нулевого до максимального значения в обратную сторону по сравнению с режимом А1. Происходит увеличение скорости вращения гидромашины Г2, уменьшение скорости вращения гидромашины Г1 и возрастает передаточное отношение. Механический поток мощности передается через звенья 10, 8, 6; гидравлическая мощность направлена через звенья 10, 8, 7, 9, 22, 21, 13, 16, гидромашины Г1, Г2, звенья 23, 24, 25, 14, 11, 8, 6.

После достижения гидромашиной Г1 максимального объема производится регулирование гидромашины Г2 путем уменьшения ее рабочего объема от максимального до нулевого значения, что приводит к замедлению вращения гидромашины Г1 и звена 9 и к увеличению скорости вращения водила 6 и выходного вала 2. Когда рабочий объем гидромашины Г2 становится равным нулю, гидромашина Г1 и связанная с ней солнечная шестерня 9 находятся в неподвижном состоянии, а вся мощность передается механическим путем через дифференциальный механизм 5.

Переключение трансмиссии с режима В на режим А2 происходит путем выключения переключающего устройства Ф₃ и включения переключающего устройства Ф₄. Поскольку в этот период мощность через гидромашину Г2 не передается, переключающие устройства Ф₃ и Ф₄ также не передают крутящий момент и переключение происходит без разрыва потока мощности, передаваемого трансмиссией. В режиме А2 гидромашина Г1 остается кинематически связанной со звеном 9 дифференциала 5, а гидромашина Г2 соединяется через звенья 23, 15, 26, 27 с ведущим валом 1. В поддиапазоне А2 гидромашина Г1 работает в режиме гидромотора, а гидромашина Г2 в режиме гидронасоса, при этом ее скорость вращения остается постоянной.

На первом этапе регулируется гидромашина Г2 путем увеличения ее рабочего объема от нулевого до максимального значения в обратную сторону по сравнению с режимом В. Происходит увеличение скорости вращения гидромашины Г1 и возрастает передаточное отношение. Механический поток мощности передается через звенья 10, 8, 6; гидравлическая мощность направлена через звенья 27, 26, 15, 23, гидромашины Г2, Г1, звенья 16, 13, 21, 22, 9, 7, 8, 6. В начале режима А2 доля гидравлической мощности равна нулю; с ростом передаточного отношения эта доля возрастает.

После достижения гидромашиной Г2 максимального объема производится регулирование гидромашины Г1 путем уменьшения ее рабочего объема от максимального до некоторого значения, определяемого установочной мощностью этой гидромашины и допустимой долей мощности, передаваемой гидравлическим путем. При уменьшении рабочего объема гидромашины Г1 возрастает ее скорость вращения, увеличивается скорость вращения центрального колеса 9, водила 6 и выходного вала 2.

Обычно в качестве переключающих устройств в ОГМП используют: при разности скоростей переключаемых элементов - гидроподжимные муфты; при совпадении скоростей переключаемых элементов - зубчатые муфты с использованием электронных устройств, определяющих момент переключения. Это усложняет и удорожает конструкцию передачи, к тому же гидроподжимные муфты имеют потери в режиме холостого хода, что ухудшает КПД ОГМП. В заявляемой передаче предлагается использовать в качестве переключающих устройств синхронизаторы, применяемые в механических коробках передач автомобилей и тракторов. Синхронизаторы не имеют потерь в режиме холостого хода, просты по конструкции и не требуют электронного управления.

В механических коробках передач синхронизатор преодолевает только момент инерции и должен развивать момент трения:

M_ти=J_s*Δn/t_c

где J_s - суммарный приведенный момент инерции той части схемы, угловая скорость которой изменяется под действием момента М_ти;

Δn - начальная разность угловых скоростей конусных поверхностей трения синхронизатора;

t_c - время синхронизации, может быть принято 1-2 с, при соблюдении ограничений по давлению на поверхностях трения.

Так как в заявляемой ОГМП возможна разность скоростей переключаемых элементов к моменту переключения, а переключаемые элементы соединены с гидромашинами, синхронизатор при выравнивании скоростей должен преодолевать и момент трения гидромашины М_тг, имеющий место при нулевом угле наклона диска (блока) гидромашины. Этот момент трения гидромашины в большинстве случаев превышает М_ти. Поэтому синхронизатор ОГМП должен развивать момент трения:

М_тс=М_ти+i_сгМ_тг=J_s*Δn/t_c+i_сгМ_тг

где i_сг - передаточное отношение между валами синхронизатора и гидромашины.

Применение синхронизатора с таким моментом трения допускает использование большой разности скоростей переключаемых элементов, что, в свою очередь, позволяет уменьшить установочную мощность гидромашин.

В настоящее время изготовлен и прошел успешные испытания опытный образец объемной гидромеханической передачи.

1. Объемная гидромеханическая передача, содержащая входной и выходной валы, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины, четырехзвенный дифференциал, имеющий две солнечные шестерни, большая из которых соединена с входным валом, сателлиты, водило, соединенное с выходным валом, и центральное колесо с внутренним зацеплением, четыре переключающих устройства, два из которых соединяют вал одной гидромашины с входным валом передачи и центральным колесом с внутренним зацеплением, а два других переключающих устройства соединяют вал другой гидромашины с выходным валом передачи и малой солнечной шестерней дифференциала, отличающаяся тем, что сателлиты выполнены парными зацепляющимися между собой, причем один из них выполнен широким и установлен между большой солнечной шестерней и центральным колесом с внутренним зацеплением, а другой сателлит выполнен узким и находится в зацеплении с малой солнечной шестерней.

2. Передача по п.1, отличающаяся тем, что в качестве переключающих устройств используют синхронизаторы, момент трения М_тс которых по меньшей мере равен

J_s·Δn/t_c+i_сгМ_тг,

где J_s - суммарный приведенный момент инерции;

Δn - начальная разность угловых скоростей поверхностей трения синхронизатора;

t_c - время синхронизации;

i_сг - передаточное отношение между валами синхронизатора и гидромашины;

М_тг - момент трения гидромашины.