Коробка передач
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к бесступенчатой коробке передач автомобиля. Коробка передач содержит дисковый планетарный вариатор (11) с входным и выходным кинематическими звеньями (1), (14) и управляющий механизм, включающий дифференциальную и согласующую передачи (25). Дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов (4) и (19), постоянно кинематически связанных с входным и выходным кинематическими звеньями (1) и (14) вариатора. В одном из дифференциальных механизмов (4) с входным звеном (1) связано водило (3), а в другом дифференциальном механизме (19) с входным звеном (1) связано внутреннее центральное колесо (18). Выходное звено (14) вариатора в обоих дифференциальных механизмах (4) и (19) связано с внешними центральными зубчатыми колесами (12) и (13). Согласующая передача (25) выполнена с возможностью периодической кинематической связи ее водила (30) с внутренним центральным колесом (20) первого дифференциального механизма (4) и с водилом (23) второго дифференциального механизма (19). Достигается упрощение механизма управления коробкой передач. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств.
Из уровня техники известны рассмотренные ниже широкодиапазонные бесступенчатые приводы, также называемые супервариаторами, принятые за аналоги.
Известен широкодиапазонный бесступенчатый привод с вариатором, преимущественно симметричным по передаточному отношению - клиноременным или тороидальным, позволяющий использовать для расширения диапазона варьирования передаточного отношения обе фазы регулирования передаточного отношения. Одна фаза, например, уменьшающая передаточное отношение вариатора используется непосредственно, а вторая, увеличивающая его, используется с циркуляцией мощности в замкнутом режиме с дифференциальной конической зубчатой передачей, преобразующей увеличение передаточного отношения вариатора в дальнейшее уменьшение передаточного отношения всего привода. Таким образом, диапазон варьирования передаточного отношения привода существенно расширяется по сравнению с диапазоном варьирования передаточного отношения вариатора (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы, М., Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185). Этому устройству-аналогу присущи недостатки, заключающиеся в том, что вариатор выполняется не по планетарной схеме, является симметричным по передаточному отношению, привод содержит большое число вспомогательных передач, в том числе и дифференциальную коническую зубчатую передачу, что усложняет привод и существенно снижает его КПД.
Известен широкодиапазонный бесступенчатый привод, содержащий корпус, в котором установлен вариатор с входным и выходным кинематическими звеньями, управляющий механизм, кинематически связанный с вариатором и включающий согласующую и дифференциальную передачи, причем выходное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью его попеременного соединения с кинематическими звеньями управляющего механизма (см. PCT/RU 03/00298, 2003, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)», публикация WO 2005/003596 от 13.01.05, автор - Гулиа Н.В.). Последнее техническое решение принято за прототип, так как обладает максимальной совокупностью общих с изобретением признаков.
Недостатком известного привода, принятого за прототип, является необходимость переключений кинематических связей как согласующей передачи с дифференциальной, так и дифференциальной передачи с входным и выходным валами всего привода, что усложняет конструкцию механизмов управления коробкой передач.
Задачей изобретения является разработка устройства, где был бы устранен указанный недостаток, а именно была бы устранена необходимость переключений кинематических связей дифференциальной передачи с входным и выходным валами привода.
Указанная задача решается тем, что предложена коробка передач, включающая дисковый планетарный вариатор с входными и выходными кинематическим звеньями и управляющий механизм, кинематически связанный с упомянутыми звеньями и включающий дифференциальную и согласующую передачи, характеризующаяся тем, что дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов постоянно кинематически связанных с входными и выходными кинематическими звеньями вариатора, причем в одном из дифференциальных механизмов с входным звеном вариатора связано водило, а в другом дифференциальном механизме с входным звеном связано внутреннее центральное колесо, а выходное звено вариатора в обоих дифференциальных механизмах связано с внешними центральными колесами, при этом согласующая передача выполнена с возможностью периодической кинематической связи ее вала с внутренним центральным колесом первого дифференциального механизма и с водилом второго дифференциального механизма.
Другим отличием устройства является то, что управляющий механизм коробки передач выполнен с возможностью периодической связи выходного кинематического звена вариатора с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов.
Еще одним отличием устройства является то, что входное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью периодической кинематической связи с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов.
Следующим отличием устройства является то, что входной вал вариатора выполнен с возможностью его периодического отключения от кинематической связи с вариатором при наличии его кинематической связи с валом согласующей передачи.
Следующим отличием устройства является то, что согласующая передача содержит вал, кинематически связанный с ведущими колесами автомобиля, на котором наряду с другими помещены с возможностью свободного вращения зубчатые колеса, связанные с зубчатыми колесами, посаженными с передачей крутящего момента на звенья дифференциальной передачи и периодически связываемые с передачей крутящего момента с вышеуказанным валом.
Следующим отличием устройства является то, что выходное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью периодической связи с валом согласующей передачи через механизм реверса.
Благодаря вышеперечисленным отличиям достигается технический результат, заключающийся в упрощении механизма управления коробкой передач.
Техническое решение - устройство представлено на схемах фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 изображена кинематическая схема устройства в ее продольном разрезе, а на фиг.2 - ее поперечный разрез по механизму реверса.
Коробка передач содержит входное кинематическое звено - вал 1, соединенный с возможностью передачи крутящего момента с внутренними центральными фрикционными дисками 2 (на фиг.1 изображен один их ряд, содержащий одну пару фрикционных дисков, хотя таких рядов может быть и несколько) с водилом 3 первого дифференциального механизма 4 (обведен штриховой линией) и зубчатым колесом 5. Внутренние центральные фрикционные диски 2 контактируют своими рабочими кольцевыми зонами 6 с коническими сателлитами 7, сидящими с возможностью свободного вращения на осях 8 на поворотных рычагах 9, закрепленных с возможностью поворота в водиле 10. Водило 10 является выходным кинематическим звеном вариатора 11 (обведен штриховой линией). На водиле 10 закреплены два внешних центральных зубчатых колеса - 12 и 13, а также зубчатое колесо 14.
Сателлиты 7, равномерно расположенные по окружности в количестве, равном трем и более, контактируют также с внешними центральными фрикционными дисками 15, прижатыми к ним, например, силой собственной упругости в осевом направлении, либо любыми другими нажимными устройствами. Внутренние центральные фрикционные диски 2 прижаты к сателлитам 7 дополнительными упругими элементами, например тарельчатыми пружинами 16, либо другими нажимными устройствами, используемыми в вариаторах (см., например, Пронин Б.А., Ревков Г.А., «Вариаторы», М., Машиностроение, 1980, с.197-200, раздел «Нажатие»). Поворотные рычаги 9 связаны с водилом 10 сервоприводом 17, например, гидромоторами, поворачивающими на определенные углы поворотные рычаги 9. Благодаря эксцентриситету в них осуществляется радиальное перемещение сателлитов 7 относительно центральных фрикционных дисков - внутренних 2 и внешних 15, чем изменяется передаточное отношение вариатора 11. Вал 1, кроме водила 3, кинематически соединен также с внутренним центральным зубчатым колесом 18 второго дифференциального механизма 19 (обведен штриховой линией). Внутреннее центральное зубчатое колесо 20 первого дифференциального механизма 4 кинематически соединено с двумя соосными зубчатыми колесами 21 и 22, а водило 23 второго дифференциального механизма 19 - с зубчатым колесом 24. Согласующая передача 25 (обведена штриховой линией) включает в себя зубчатые колеса 14, 24, 21 и 22, соединенные с соответствующими звеньями дифференциальных механизмов 4 и 19 и входящими с ними в постоянное зацепление зубчатыми колесами, соответственно с зубчатыми колесами 26, 27, 28 и 29, свободно сидящими на валу 30, являющимся выходным кинематическим звеном коробки передач. Зубчатые колеса 26, 27, 28 и 29 содержат муфты включения соответственно 31, 32, 33 и 34, выполненные для поочередного соединения упомянутых зубчатых колес с валом 30. Муфты включения управляются сервоприводом 35, например, электромагнитами или гидроцилиндрами. Вал 30 несет на себе также свободно посаженные зубчатые колеса 36 и 37 с возможностью соединения их с валом 30 с помощью соответствующих муфт 38 и 39 включения, аналогичных муфтам 31, 32, 33 и 34 соответственно, обеспечивающие реверс и «прямую» передачу, то есть соединение вала 30 через зубчатую передачу 5-37 непосредственно с валом 1, минуя вариатор 11. Механизм реверса представлен на фиг.2, где паразитная шестерня 40 меняет направление вращения зубчатого колеса 14, соединенное с водилом 10 вариатора 11, на обратное. Все вышеперечисленные механизмы и сервоприводы помещены в корпус 41 с выходящими из него валами 1 и 30.
Входной вал 1 вариатора 11 содержит полумуфту 42 включения, например кулачковую, закрепленную на нем с возможностью осевого перемещения и передачи крутящего момента, снабженную механизмом ее осевого перемещения, например, рычагом 43 и сервоприводом 44, например, электромагнитом. Ответная полумуфта 45 включения кинематически соединена с внутренними центральными фрикционными дисками 2.
Работа предложенной коробки передач рассматривается на примере управления с ее помощью скоростью движения городского движения городского автомобиля, например городского автобуса, с двигателем внутреннего сгорания, коленчатый вал которого соединяется со входным валом 1 коробки передач. Движение начинается при максимальном передаточном отношении вариатора 11, при котором сателлиты 7 находятся в максимально отдаленном от центра положении, как и показано на фиг.1. Для получения минимальной скорости автомобиля с выходным валом 30 коробки передач соединяется с помощью соответствующего сервопривода 35 и муфты включения 31 зубчатое колесо 26, находящееся в постоянном зацеплении с колесом 14, соединенным с водилом 10 вариатора 11, являющимся его выходным кинематическим звеном.
Для рассматриваемой коробки передач приняты следующие передаточные отношения зубчатых передач: колеса 20 с колесом 12, как и колеса 18 с колесом 13 - 1,667; колеса 14 с колесом 26 - 3,14; колеса 24 с колесом 27 - 1,036; колеса 21 с колесом 28 - 1,675; колеса 22 с колесом 29 - 5,655. Передаточные отношения передач, образованных колесами 14-40-36 (реверс) и колесами 5 и 37 («прямая» передача), принципиального значения для работы коробки передач не имеют и выбираются из желаемой скорости заднего хода (реверс) и максимальной скорости движения на шоссе («прямая» передача). Вариатор 11 имеет минимальное передаточное отношение 1,3, а максимальное - 8,2, что обусловлено реальными возможностями вариатора и проверено на реальных образцах.
Исходя из приведенных передаточных отношений, максимальное передаточное отношение рассматриваемой коробки передач при минимальной скорости движения автомобиля равно 25,748, что достаточно много и обеспечивает даже получение «ползучих» скоростей, столь нужных для городского движения. Далее, с помощью сервопривода 17 изменяется положение поворотных рычагов 9, шарнирно посаженных на водиле 10 и несущих на осях 8 сателлиты 7, контактирующие с центральными фрикционными дисками - внешними 15 и внутренними 2. При этом изменении сателлиты 7, сидящие с возможностью свободного вращения на осях 8, перемещаются к центру вариатора 11, уменьшая передаточное отношение вариатора 11. При минимальном передаточном отношении вариатора 11, равном 1,3, общее передаточное отношение передач уменьшится до 4,083.
Далее для увеличения скорости автомобиля и, соответственно, уменьшения общего передаточного отношения коробки передач используется чередование «прямого» и «обратного» режимов работы коробки передач, суть которых будет изложена ниже и реальность которых была подтверждена расчетами и испытаниями опытных образцов. Колесо 29, находящееся в зацеплении с колесом 22, соединенном с колесом 20 дифференциального механизма 4, вращается с частотой вращения, равной частоте вращения колеса 26, и при соединении колеса 29 с валом 30 сервоприводом 35 и муфтой 34 включения коробка передач будет иметь передаточное число, равное таковому в конце предыдущего режима, а именно - 4,083. Таким образом, муфта 34 включения может быть включена без выключения муфты 31, то есть безударно и без разрыва потока мощности, что является очень ценным свойством коробки передач. Затем муфта 31 включения выключается, и остается включенной только муфта 34. При этом вал 30 соединен только с колесом 29. Теперь передаточное отношение вариатора 11 снова повышается перемещением сателлитов 7 от центра сервоприводами 17. Общее же передаточное число коробки передач при этом снова понижается и при достижении передаточным значением вариатора 11 максимального значения 8,2 принимает значение 2,296. Такой режим, когда при увеличении передаточного отношения вариатора общее передаточное отношение коробки передач уменьшается, и обратно, когда при уменьшении первого увеличивается второе, называется «обратным» режимом. Режим, когда при изменении передаточного отношения вариатора в какую-либо сторону общее передаточное отношение коробки передач изменяется в ту же сторону, называется «прямым» режимом. «Прямой» и «обратный» режимы работы описываемой коробки передач обычно чередуются, и после вышеописанного «обратного» режима, заканчивающегося на общем передаточном отношении 2,296, следует «прямой» режим, начинающийся с этого передаточного отношения. При этом вал 30 муфтой включения 32 и сервоприводом 35 соединяется с колесом 27, которое вращается с той же частотой, что и колесо 29, а следовательно, и вал 30. Соединение происходит, как и в предыдущем случае, безударно и без разрыва потока мощности. После отключения муфтой 34 вала 30 от колеса 29 вариатор 11 снова переводится сервоприводами 17 в положение минимального передаточного отношения, т.е. с 8,2 до 1,3, и при этом общее передаточное отношение коробки передач также уменьшается, но уже с 3,296 до 1,21. Затем следует еще один «обратный» режим, снова уменьшающий передаточное отношение коробки передач с 1,21 до 0,68 при увеличении передаточного отношения вариатора 11 с 1,3 до 8,2. Для этого вал 30 соединяется муфтой 33 включения с колесом 28, после чего муфта 32 отключается. Итак, общее передаточное отношение коробки передач меняется от 25,748 до 0,68 и диапазон изменения передаточного отношения равен 37,86; при этом вариатор 11, соединенный кинематически колесами 14 и 26 с валом 30 без дифференциальных механизмов 4 и 19, т.е. без «прямого» и «обратного» режимов, обеспечивает диапазон, равный 6,3 (8,2:1,3). «Прямой» и «обратный» режимы с привлечением дифференциальных механизмов 4 и 19 обеспечивают диапазон изменения передаточных отношений, примерно равный 6. Однако упомянутые «прямой» и «обратный» режимы, сужая диапазон изменения передаточных отношений привода с 6,3 примерно до 1,8, повышают согласно теории приводов с замкнутой кинематической цепью (см., например, Пронин Б.А., Ревков Г.А. Вариаторы, М., Машиностроение, 1980, с.299-307, раздел 8.3 «Приводы с замкнутой кинематической цепью») и испытаниям опытных образцов приводов («супервариаторов») КПД приводов. Так, например, КПД вариатора 11 при работе на передаточном отношении 8,2 равен примерно 0,75…0,8, а при передаточном отношении 1,3 - примерно 0,92…0,94. При этом, если на режиме трогания автомобиля с места и на «ползучих» скоростях допустим невысокий КПД трансмиссии, то на повышенных скоростях движения, где реализуется высокая мощность двигателя, необходим высокий КПД трансмиссии. Сужение диапазона изменения передаточных отношений коробки передач применением дифференциальных механизмов 4 и 19 позволяет повысить КПД коробки передач примерно до 0,94 практически независимо от ее передаточного отношения. Это достаточно высокий КПД для бесступенчатой вариаторной коробки передач с огромным диапазоном изменения передаточных отношений. Например, для городского автобуса с максимальной скоростью движения в городе 60 км/ч высокий КПД коробки передач обеспечен практически начиная с 10 км/ч. При трогании с места и разгоне до 1,6 км/ч этот КПД примерно равен 0,75, повышаясь при разгоне до 10 км/ч до 0,94 и оставаясь таким до максимальной скорости. Это особенно ценно для гибридных силовых агрегатов, где используется рекуперативное торможение и энергия проходит через трансмиссию дважды - в прямом и обратном направлениях. Следует отметить, что для увеличения общего диапазона изменения передаточных отношений число ступеней в согласующей передаче 25 может быть увеличено, а для уменьшения - снижено.
Для движения автомобиля с повышенными скоростями, допустим, городского автобуса по шоссе при его перегонах и т.д. может быть включена «прямая» передача путем соединения колеса 37 с валом 30 соответствующей муфтой 39 включения, а колесо 37 кинематически соединено с входным валом 1, а стало быть, и с коленчатым валом двигателя через колесо 5. Двигатель при этом может развить максимальные частоты вращения, нежелательные для вариатора 11 в нагруженном режиме и безвредные при его холостом вращении. Например, для привода автобуса от дизельного двигателя при включенном вариаторе 11 используются частоты вращения до 2000 мин-1, а при включенной «прямой» передаче - максимальная частота вращения 2600 мин-1 и более.
Возможно и отключение вариатора 11 от кинематической связи с его входным валом 1 путем отсоединения полумуфты 42 от полумуфты 45 с помощью рычага 43 и сервопривода 44. При этом вариатор 11 неподвижен, что исключает дополнительные потери на его холостое вращение. При необходимости отключения «прямой» передачи полумуфты 42 и 45 соединяются снова и только после этого могут использоваться согласующая передача и реверс.
При необходимости в заднем ходе вал 30 соединяется соответствующей муфтой 38 включения только с колесом 36, приводимым от колеса 14 через паразитную шестерню 40, меняющую направление вращения.
1. Коробка передач, включающая дисковый планетарный вариатор с входными и выходными кинематическими звеньями и управляющий механизм, кинематически связанный с упомянутыми звеньями и включающий дифференциальную и согласующую передачи, отличающаяся тем, что дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов постоянно кинематически связанных с входными и выходными кинематическими звеньями вариатора, причем в одном из дифференциальных механизмов с входным звеном вариатора связано водило, а в другом дифференциальном механизме с входным звеном связано внутреннее центральное колесо, а выходное звено вариатора в обоих дифференциальных механизмах связано с внешними центральными колесами, при этом согласующая передача выполнена с возможностью периодической кинематической связи ее вала с внутренним центральным колесом первого дифференциального механизма и с водилом второго дифференциального механизма.
2. Коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что ее управляющий механизм выполнен с возможностью периодической связи выходного кинематического звена вариатора с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов.
3. Коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что входное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью периодической кинематической связи с валом согласующей передачи при отключении от него звеньев дифференциальных механизмов.
4. Коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что входное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью периодического отключения от кинематической связи с вариатором при наличии его кинематической связи с валом согласующей передачи.
5. Коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что согласующая передача выполнена в виде набора зубчатых колес, свободно сидящих на ее валу, с возможностью кинематического соединения одного из упомянутых зубчатых колес как с валом согласующей передачи, так и с кинематическими звеньями дифференциальных механизмов.
6. Коробка передач по п.1 или 4, отличающаяся тем, что выходное звено вариатора выполнено с возможностью периодической связи с валом согласующей передачи через механизм реверса.
