Механическая бесступенчатая передача

Изобретение относится к машиностроению. Механическая бесступенчатая передача содержит муфту сцепления (3), ведущий (1) и ведомый (2) валы, эксцентриковый преобразователь с постоянным эксцентриситетом, размещенные равномерно по окружности механизмы свободного хода (МСХ). Ведущие элементы МСХ (7) соединены с преобразователем, а ведомые через торсионные валы (9) - с зубчатыми колесами (10), находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, которое через ускоряющий планетарный редуктор соединен с эпициклической шестерней суммирующего планетарного ряда (13). Солнечная шестерня этого ряда соединена с ведущим (1), а водило - с ведомым (2) валами передачи. Применение суммирующего планетарного ряда позволяет разделить поток мощности, передаваемой от ведущего вала на два потока, причем доля каждого зависит от реализуемого передаточного отношения передачи. Снижены максимальные нагрузки на МСХ и торсионные валы в 2,5...2,7 раза. 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных машин, в частности легковых автомобилей, грузовых автомобилей малой грузоподъемности типа "Газель" и микроавтобусов.

Известны механические бесступенчатые передачи регулируемые и автоматические, содержащие ведущий и ведомые валы, эксцентриковый преобразователь вращения в колебания и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные равномерно по окружности механизмы свободного хода (МСХ), ведущие элементы которых связаны с преобразователем, а ведомые выполнены в виде зубчатых колес, находящихся в зацеплении с центральным колесом (см. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М.: Машиностроение, 1977, 143 с. Рис.72б и 75).

Недостатком таких передач является то, что передаваемый момент в течение одного оборота ведущего вала может изменяться от максимального значения до нуля столько раз, сколько МСХ размещено по окружности, например пять. При этом через каждый МСХ по очереди передается полный импульс крутящего момента, а остальные в это время работают в режиме свободного хода.

Известна механическая бесступенчатая передача (прототип), содержащая ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь вращения в колебания и центральное зубчатое колесо, установленные соответственно на ведущем и ведомом валах, размещенные равномерно по окружности зубчатые колеса, находящиеся в зацеплении с центральным колесом, и соосные с ними механизмы свободного хода, ведущие элементы которых соединены с преобразователем, а ведомые - с зубчатыми колесами торсионными валами с возможностью поворота ведомых элементов МСХ относительно зубчатых колес в пределах поворота ведущих элементов, соединенных с преобразователем (см. патент РФ №2211971, МПК F16H 3/74, 29/22. Бюл. №25, 2003 г.).

Такая передача обладает свойством саморегулирования, которое осуществляется благодаря самопроизвольному изменению углов закрутки торсионных валов и суммарного эксцентриситета преобразователя при изменении нагрузки на ведомом валу. Однако совместная работа такой саморегулируемой передачи с двигателем внутреннего сгорания не обеспечивает полного использования его мощности при изменении передаточного отношения в широком диапазоне (см. Благонравов А.А. Механические бесступенчатые передачи. Екатеринбург: УрО РАН, 2005, 202 с.). Для увеличения коэффициента использования мощности требуется достаточно сложная система дополнительного автоматического регулирования эксцентриситета.

Применительно к автомобилям, у которых передаточное число ступенчатой механической коробки передач на первой передаче не превышает 4,0...4,1, в бесступенчатой механической передаче можно было бы использовать значительно более простой преобразователь с постоянным эксцентриситетом. В этом случае саморегулирование будет осуществляться только за счет изменения углов закрутки торсионных валов, а трогание с места - с использованием муфты сцепления.

Но если в такой бесступенчатой передаче при передаточном отношении (обратная величина передаточного числа), соответствующем первой передаче ступенчатой коробки передач, на ведомом валу будет действовать такой же крутящий момент, то при трогании с места, когда передаточное отношение равно нулю, указанный момент будет намного больше из-за соответствующего увеличения углов закрутки торсионных валов. Это приводит к слишком большой максимальной нагрузке МСХ и торсионных валов, что требует конструктивно неприемлемого увеличения их размеров.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в том, чтобы в бесступенчатой передаче с постоянным эксцентриситетом преобразователя существенно, в 2,5...2,7 раза, снизить максимальные нагрузки на МСХ и торсионные валы. Этот технический результат позволяет получить компактную и достаточно простую конструкцию бесступенчатой передачи, пригодной для применения в легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в механической бесступенчатой передаче, содержащей муфту сцепления, ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь с постоянным эксцентриситетом, установленный на ведущем валу, размещенные равномерно по окружности механизмы свободного хода, ведущие элементы которых соединены с преобразователем, а ведомые с помощью торсионных валов соединены с соосными им зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, соединенным, в отличие от прототипа, не с ведомым валом, а через ускоряющий планетарный редуктор с эпициклической шестерней суммирующего планетарного ряда, солнечная шестерня которого соединена с ведущим валом, а водило - с ведомым.

На чертеже показана кинематическая схема механической бесступенчатой передачи.

Механическая бесступенчатая передача содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, муфту сцепления 3, соединяющую ведущий вал с двигателем, установленный на ведущем валу эксцентриковый преобразователь, включающий эксцентрик 4 с противовесами и пазовый диск 5, паз которого взаимодействует с ведущими элементами 6 механизмов свободного хода (МСХ) 7, размещенными 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, соединенным с водилом планетарного ряда 12, эпициклическая шестерня которого соединена с корпусом передачи, а солнечная шестерня соединена с эпициклической шестерней планетарного ряда 13, у которого водило соединено с ведомым валом 2, а солнечная шестерня с ведущим валом 1.

Механическая бесступенчатая передача работает следующим образом.

При вращении ведущего вала 1 угловые колебания ведущих частей 6 МСХ 7 с амплитудой, равной ϕ₀, вызывают вращение зубчатых колес 10 с угловой скоростью

где ω₁ - угловая скорость ведущего вала; i_T - внутреннее передаточное отношение, которое изменяется в зависимости от закрутки торсионных валов от единицы при отсутствии закрутки до нуля при максимальном угле закрутки, равном 2ϕ₀ рад.

Вращение зубчатых колес 10 вызывает вращение эпициклической шестерни планетарного ряда 13 с угловой скоростью

где z₁₀ и z₁₁ - числа зубьев соответствующих колес; k₁₂ - отношение чисел зубьев эпициклической и солнечной шестерен планетарного ряда 12.

Планетарный ряд 12 выполняет функцию ускоряющего редуктора, что позволяет получить необходимое значение ω_Э13 при конструктивно приемлемом значении ϕ₀.

Указанные выше конструктивные параметры могут быть выбраны так, что при отсутствии момента сопротивления на ведомом валу и, соответственно, угловые скорости трех звеньев планетарного ряда 13 будут одинаковы. Тогда угловая скорость ведомого вала и общее передаточное отношение

При увеличении момента сопротивления M₂ на ведомом валу пропорционально увеличиваются моменты, нагружающие солнечную и эпициклическую шестерни планетарного ряда 13: и Здесь k₁₃ - отношение чисел зубьев эпициклической и солнечной шестерен этого ряда.

Момент М_C13 нагружает двигатель, а момент M_Э13 через планетарный редуктор 12 и зубчатые колеса 11 и 10 нагружает торсионные валы 9. Появление закрутки торсионных валов вызывает уменьшение внутреннего передаточного отношения i_T и, соответственно, угловой скорости эпициклической шестерни суммирующего планетарного ряда ω_Э13. Угловая скорость ведомого вала

также уменьшается, уменьшается и общее передаточное отношение i. При этом мощность передается на ведомый вал двумя потоками. Один поток мощности предается непосредственно от ведущего вала на солнечную шестерню суммирующего планетарного ряда 13, а другой от ведущего вала через преобразователь, МСХ, торсионные валы, зубчатые колеса 10 и 11 и планетарный редуктор 12 на эпицикл суммирующего планетарного ряда 13. Доля мощности, передаваемая каждым потоком, изменяется в зависимости от величины момента сопротивления М₂ на ведомом валу. Если характеристика k₁₃ выбрана так, что (1+k₁₃) равно передаточному числу первой передачи ступенчатой коробки передач, то при неподвижной эпициклической шестерне суммирующего планетарного ряда 13 будет реализовано такое же общее передаточное отношение i, как в ступенчатой коробке передач на первой передаче. Эпициклическая шестерня Э13 остановится при внутреннем передаточном отношении i_T=0. Ее вращению в обратном направлении препятствуют МСХ. При i_T=0 углы закрутки торсионных валов за время одного оборота ведущего вала изменяются от 0 до 2ϕ₀ рад со сдвигом по фазе, создавая на эпициклической шестерне Э13 момент постоянной величины

где с - угловая жесткость торсионных валов; n - общее число МСХ.

При этом, так как ω_Э13=0, то мощность, подводимая к суммирующему планетарному ряду 13 от эпициклической шестерни Э13, также равна нулю.

Мощность, расходуемая на эксцентриковом преобразователе ведущего вала без учета потерь в шарнирах, тоже равна нулю, так как энергия, затраченная на закрутку каждого торсионного вала, возвращается на ведущий вал при раскрутке этого торсионного вала. В результате ведущий вал нагружен только моментом М_C13, величина которого определяется максимальным моментом двигателя М_{∂ max}. При этом на ведомом валу, как при ступенчатой коробке передач на первой передаче, развивается момент Максимальное значение момента Максимальное значение момента на одном МСХ при полной закрутке торсионного вала

Задавая, например, k₁₃=k₁₂=3; n=5, получим

Если бы суммирующий планетарный ряд отсутствовал и солнечная шестерня планетарного редуктора 12 была соединена с ведомым валом напрямую, то при том же значении и при том же значении момент на одном МСХ составил бы

Но это значение М'_MCX не было бы максимальным, так как в данном случае i_T=i, а максимальное значение момента было бы при трогании с места, когда i_T=i=0. При доля среднего значения момента закрутки торсиона от его значения при i=0 составляет 0,5 (см. там же с.107, рис.43). Это значит, что при трогании с места с помощью муфты сцепления максимальное значение М'_MCXmax будет в два раза больше, чем при i=0,25. Тогда максимальное значение момента, на которое должны быть рассчитаны МСХ и торсионные валы составит 12,8·М_∂max, что в 2,67 раза больше, чем при наличии в конструкции передачи суммирующего планетарного ряда.

Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, решена: применение суммирующего планетарного ряда позволило снизить максимальные нагрузки на МСХ и торсионные валы в 2,5...2,7 раза.

Механическая бесступенчатая передача, содержащая муфту сцепления, ведущий и ведомый валы, эксцентриковый преобразователь с постоянным эксцентриситетом, установленный на ведущем валу, размещенные равномерно по окружности механизмы свободного хода, ведущие элементы которых соединены с преобразователем, а ведомые с помощью торсионных валов соединены с соосными им зубчатыми колесами, находящимися в зацеплении с центральным зубчатым колесом, соединенным с ускоряющим планетарным редуктором, отличающаяся тем, что ведомый элемент ускоряющего планетарного редуктора соединен с эпициклической шестерней суммирующего планетарного ряда, солнечная шестерня которого соединена с ведущим, а водило - с ведомым валами передачи.