Планетарная трансмиссия

Изобретение относится к планетарной трансмиссии, имеющей центробежную муфту и муфту свободного хода. Планетарная трансмиссия (100) содержит входной элемент (13), выходной элемент (19), тормозной элемент, узел (13, 14, 15, 16, 17) планетарной передачи, центробежную муфту (40), муфту (22) свободного хода, механически расположенные между входным элементом и выходным элементом. Муфта свободного хода предназначена для прямого соединения входного элемента и выходного элемента от нулевой частоты вращения до первой частоты вращения. Центробежная муфта предназначена для прямого соединения входного элемента и выходного элемента от второй частоты вращения, которая больше нулевой частоты вращения, до третьей частоты вращения, превышающей первую частоту вращения. Тормозной элемент предназначен для избирательного управления вращением узла планетарной передачи. Достигаются снижение потерь мощности и повышение рабочих характеристик устройства. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к планетарной трансмиссии и, в частности, к планетарной трансмиссии, имеющей центробежную муфту и муфту свободного хода для избирательного прямого сцепления входного элемента и выходного элемента.

Уровень техники

Переключаемые планетарные трансмиссии предназначены для обеспечения соответствующей частоты вращения вспомогательных агрегатов, таких как компрессор воздушного кондиционера, генератор переменного тока, насос гидроусилителя рулевого управления, или вспомогательного устройства любого другого типа, во время работы двигателя на холостых оборотах, не допуская разгона этих агрегатов, превышающего пределы технических требований, на высоких оборотах двигателя, что может привести к повреждению. Это позволяет обеспечить работу электрооборудования транспортного средства, системы рулевого управления или системы переменного тока, даже если размер вспомогательного агрегата мог бы быть уменьшен. Снижение частоты вращения вспомогательных агрегатов, работающих при повышенных оборотах двигателя, приводит к снижению потери мощности, обеспечивая более высокие рабочие характеристики.

Примером уровня техники является патент США №4827799, в котором описана бесступенчато регулируемая планетарная трансмиссия, используемая в таком транспортном средстве, как мотоцикл и модель автомобиля с дистанционным управлением. Трансмиссия включает в себя выходной вал, установленный как цапфа в концевое отверстие входного вала. Солнечная шестерня жестко установлена как втулка на выходном валу. Водило планетарной передачи установлено как втулка с возможностью вращения на выходном валу и служит в качестве элемента отбора мощности. Первая центробежная муфта установлена между коронной шестерней и входным валом так, чтобы при увеличении частоты вращения входного вала коронная шестерня вращалась синхронно с входным валом. Ряд планетарных шестерен установлен с возможностью вращения на водиле и зацеплен с коронной и солнечной шестернями. Вторая центробежная муфта включает в себя фрикционные колодки, установленные на водиле, и периферическую муфту, жестко установленную как втулка на выходном валу. Однонаправленный подшипник ограничивает вращение выходного вала только в том же направлении, что и вращение входного вала. Когда входной вал вращается на низких оборотах, солнечная шестерня блокирована ограничивающим действием однонаправленного подшипника так, чтобы соотношение частоты вращения водила и входного вала было низким. Когда входной вал вращается на высоких оборотах, вторая центробежная муфта сцепляет водило и выходной вал друг с другом так, чтобы коронная и солнечная шестерни вращались в одном направлении, достигая отношения высокой частоты вращения водила и входного вала.

Поэтому необходима планетарная трансмиссия, имеющая центробежную муфту и муфту свободного хода для избирательного прямого сцепления входного элемента и выходного элемента. Настоящее изобретение отвечает этой необходимости.

Краткое описание изобретения

Основной задачей изобретения является создание планетарной трансмиссии, имеющей центробежную муфту и муфту свободного хода для избирательного прямого сцепления входного элемента и выходного элемента.

Другие задачи изобретения будут указаны или станут очевидными в соответствии со следующим описанием изобретения и прилагаемыми чертежами.

Согласно изобретению создана планетарная трансмиссия, содержащая входной элемент, выходной элемент, узел планетарной передачи, механически расположенный между входным элементом и выходным элементом, центробежную муфту, механически расположенную между входным элементом и выходным элементом, муфту свободного хода, механически расположенную между входным элементом и выходным элементом, при этом муфта свободного хода выполнена с возможностью прямого соединения входного элемента и выходного элемента от нулевой частоты вращения до первой частоты вращения, а центробежная муфта выполнена с возможностью прямого соединения входного элемента и выходного элемента от второй частоты вращения, которая больше нулевой частоты вращения, до третьей частоты вращения, которая превышает первую частоту вращения; и тормозной элемент для избирательного управления вращением узла планетарной передачи.

Краткое описание чертежей

На приложенных чертежах, которые включены в описание и являются его частью, показаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, и вместе с описанием они предназначены для объяснения принципов изобретения.

На чертежах:

фиг.1 - вид в поперечном сечении трансмиссии;

фиг.2 - вид в перспективе сзади трансмиссии;

фиг.3 - вид в перспективе спереди центробежной муфты;

фиг.4 - вид сбоку спереди центробежной муфты;

фиг.5 - вид в сечении по линии 5-5 с фиг.4;

фиг.6 - вид в поперечном сечении роликовой муфты;

фиг.7 - подробный вид роликовой муфты;

фиг.8 - диаграмма, показывающая вращающий момент трансмиссии как функцию об/мин двигателя;

фиг.9 - вид в перспективе с разнесением деталей;

фиг.10 - схематичный вид системы управления для трансмиссии; и

фиг.11 - вид в перспективе трансмиссии и ленточного тормоза.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг.1 показан вид в поперечном сечении трансмиссии. Трансмиссия 100 представляет собой компактный блок, который устанавливается на конце коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Трансмиссия 100 содержит входной элемент 13. Входной элемент 13 соединен с коленчатым валом двигателя посредством болта 11. Инерционный элемент 12 соединен с входным элементом 13.

Входной элемент 13 дополнительно содержит элемент 13a водила. Входной элемент 13, инерционный элемент 12 и элемент 13a водила соединены для формирования входного узла. Элемент 13a водила является участком входного элемента 13.

Около элемента 13a водила расположено множество сателлитов (планетарных шестерен) 14. Каждая планетарная шестерня 14 вращается вокруг шпинделя 15.

Коронная шестерня 16 расположена радиально наружу от элемента 13a водила. Каждая планетарная шестерня 14 зацепляет коронную шестерню 16 и солнечную шестерню 17.

Коронная шестерня 16 вращается вокруг элемента 13a водила на подшипнике 18 и вокруг выходного элемента 19 на подшипнике 20.

Элемент 13a водила, планетарные шестерни 14, шпиндели 15 и коронная шестерня 16 составляют узел планетарной передачи.

Лента 24 ленточного тормоза тормозного элемента зацепляет поверхность 25 коронной шестерни 16. Ленточный тормоз может являться одним из типов тормоза известного уровня техники. Например, ленточный тормоз описан в патенте США №4881453, полное содержание которого включено сюда посредством ссылки.

Солнечная шестерня 17 расположена на выходном элементе 19.

Выходной элемент 19 содержит несущую поверхность 21 ремня. Несущая поверхность ремня может иметь любой необходимый профиль, включая многореберный, как показано.

Муфта 22 свободного хода расположена непосредственно между входным элементом 13 и выходным элементом 19. Такая компоновка не расцепляет водило 13a от коленчатого вала (CRK), как это описано в известном уровне техники.

Центробежная муфта 40 выполнена с прессовой посадкой на входной элемент 13. Фрикционное кольцо 41 зацепляет внутреннюю поверхность 191 выходного элемента 19.

Участки 27 и 28 препятствуют проникновению загрязнений в трансмиссию, а также обеспечивают опору конструкции.

Трансмиссия согласно изобретению имеет два режима работы. В первом режиме ленточный тормоз не зацеплен. Во втором режиме ленточный тормоз зацеплен.

Первый режим работы

В первом режиме работы коленчатый вал (не показан) вращает входной элемент 13 и таким образом элемент 13a водила. Инерционный элемент 12 приводится в движение входным элементом 13 и дополнительно не описан.

Поскольку центробежная муфта 40 и ленточный тормоз не зацеплены, коронная шестерня 16 может свободно вращаться.

В этом режиме муфта 22 свободного хода зацеплена, таким образом вызывая вращение выходного элемента 19 в унисон с и на той же скорости, что и входной элемент 13.

В этом режиме для скоростей вращения двигателя до приблизительно 4300 об/мин выходной элемент приводится в движение муфтой 22 свободного хода. При числе оборотов свыше приблизительно 4300 об/мин центробежная муфта зацеплена с выходным элементом 19, причем муфта свободного хода расцеплена благодаря центростремительному воздействию на роликовые штифты (см. фиг.7).

В первом режиме работы поток вращающего момента исходит от входного элемента 13 (и для числа оборотов менее чем приблизительно 4300 об/мин) прямо через муфту 22 свободного хода и затем через выходной элемент 19 к ремню (не показан), (для числа оборотов более чем приблизительно 4300 об/мин) прямо через центробежную муфту 40 и затем через выходной элемент 19 к ремню.

Второй режим работы

Во втором режиме работы зацеплен ленточный тормоз 24. Это препятствует вращению коронной шестерни 16. Когда коронная шестерня 16 блокирована, вращение элемента 13a водила вызывает вращение каждой планетарной шестерни 14 вокруг каждого соответствующего шпинделя 15. Вращение каждой планетарной шестерни 14 приводит в движение солнечную шестерню 17 в том же направлении вращения, что и направление вращения входного элемента 13, но с большим числом оборотов при соотношении приблизительно 2:1. Поскольку солнечная шестерня 17 и выходной элемент 19 приводятся в движение на более высоких оборотах вращения, чем входной элемент 13, происходит превышение скорости муфты 22 свободного хода и она расцепляется.

Во втором рабочем режиме поток вращающего момента исходит от входного элемента 13 (и таким образом посредством элемента 13a водила) через планетарные шестерни 14 при помощи солнечной шестерни 17 к выходному элементу 19. Поскольку муфта 22 свободного хода и центробежная муфта 40 расцеплены, то отсутствует передача вращающего момента через муфту 22 свободного хода или центробежную муфту 40.

На фиг.2 показан вид в перспективе сзади трансмиссии. Центробежная муфта 40 расположена между входным элементом 13 и выходным элементом 19.

На фиг.3 показан вид в перспективе спереди центробежной муфты. Муфта 40 содержит фрикционное кольцо 41, выполненное с возможностью растягивания, и внутреннее кольцо 42. Между фрикционным кольцом 41 и внутренним кольцом 42 расположены грузы 43 и фрикционные элементы 44. Внутреннее кольцо 42 содержит направляющую 420 для расположения, направления и удержания грузов 43 и элементов 44.

Фрикционное кольцо 41 содержит растяжимый резиновый материал. Например, соответствующие материалы могут содержать каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM), имеющий модуль упругости при растяжении от приблизительно 30 Н до 50 Н с удлинением от приблизительно 2% до приблизительно 4% и с коэффициентом трения (COF) от приблизительно 1,5 до приблизительно 3,0. Этот материал может иметь диапазон температурных характеристик от приблизительно -45°C до приблизительно 160°C.

Другой подходящий материал содержит высокотемпературный гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR). В дополнение к обеспечению данного коэффициента и коэффициента трения (COF) EPDM, HNBR также обеспечивает маслостойкость и имеет диапазон температур от приблизительно -25°C до приблизительно 160°C.

Высокотемпературный уретан является третьим приемлемым материалом. Диапазон коэффициента трения (COF) уретана составляет от приблизительно 2,0 до приблизительно 3,0, при этом он обеспечивает хорошую маслостойкость и термостойкость, эквивалентные HNBR.

На фиг.4 показан вид сбоку спереди центробежной муфты. Стороны 441 и 442 элементов 44 расположены с угловым смещением от радиуса R. Стороны 431 и 432 грузов 43 расположены с угловым соотношением относительно радиуса R. Стороны 442 со скольжением зацепляют стороны 431. Стороны 441 со скольжением зацепляют стороны 432.

Угловое соотношение сторон 431, 432, 441, 442 обеспечивает то, что грузы 43 и элементы 44 остаются в контакте, когда грузы 43 и элементы 44 двигаются радиально наружу при вращении муфты 40.

Внутреннее кольцо 42 содержит радиально выступающие элементы 420. Элементы 421 удерживают грузы 43 и элементы 44 в правильном соотношении так, что вращающий момент может быть передан от внутреннего кольца 42 к элементам 421 через элементы 44 к фрикционному кольцу 41 и оттуда к выходному элементу 19.

В качестве примера, а не для ограничения, каждый груз 43 весит приблизительно 17 г, а каждый элемент 44 весит приблизительно 7 г.

На фиг.5 показано сечение по линии 5-5 с фиг.4. Направляющая 420 выступает радиально от внутреннего кольца 42. Каждый груз 43 и элемент 44 зацеплен с направляющей 420 канавкой 433 (для груза 43) и канавкой 443 (для элемента 44).

Во время работы центробежная сила, генерируемая массой каждого груза 43 и элемента 44, принуждает каждый из них двигаться радиально наружу к фрикционному кольцу 41. По мере того как скорость вращения увеличивает силу, прилагаемую каждым грузом, то сила, прилагаемая элементом, также увеличивается. Это увеличивает нормальную силу, прилагаемую фрикционным кольцом 41 к внутренней поверхности 191 выходного элемента 19. Сила трения составляет произведение нормальной силы и коэффициента трения.

На фиг.6 показан вид в поперечном сечении роликовой муфты (свободного хода). Муфта 22 содержит внутреннюю дорожку 220 качения, внешнюю дорожку 221 качения, подшипник 230 и подшипник 231. Подшипники 230 и 231 являются шариковыми подшипниками. Внутренняя дорожка 220 качения установлена с прессовой посадкой на входном элементе 13.

На фиг.7 детально показан вид роликовой муфты. Муфта 22 содержит внешнюю дорожку 221 качения. Внешняя дорожка 221 качения содержит выступы 224, которые продолжаются радиально внутрь к внутренней дорожке 220 качения, но не соприкасаются с внутренней дорожкой 220 качения. Муфта также включает в себя наклонную поверхность 225. Ролик 222 расположен между наклонной поверхностью 225 и внутренней дорожкой 220 качения. Пружинящий элемент 223 давит на ролик 222 с заданной силой.

Наклонная поверхность 225 имеет слегка расходящееся угловое разделение от касательной, относительно к внутренней дорожке качения в точке, где ролик 22 контактирует с внутренней дорожкой качения. Результатом этого является образование острого угла между наклонной поверхностью 225 и касательной к внутренней дорожке качения.

Во время работы сходящееся свойство наклонной поверхности 225 и внутренней дорожки 220 качения приводит к блокировке или "захвату" ролика 222 между дорожками, что вызывает вращение внутренней дорожки 220 качения и внешней дорожки 221 качения в блокированном режиме. Когда внутренняя дорожка качения вращается в противоположном направлении или когда внешняя дорожка качения вращается быстрее, чем внутренняя дорожка качения, расходящееся свойство наклонной поверхности 225 и внутренней дорожки качения приводит к расцеплению роликов 222, таким образом препятствуя передаче вращающего момента между внутренней и внешней дорожками качения. На фиг.7 показана деталь, представляющая множество таких компонентов муфты 22 свободного хода.

Несущая способность по вращающему моменту муфты свободного хода составляет приблизительно 200 Н. Положение каждого ролика представляет функцию его центробежной силы:

F=mv²/r Н,

где F - центробежная сила; m - масса ролика в кг; v - касательная составляющая скорости в м/с; r - радиус в метрах; и Н - ньютоны.

На заданной скорости, в зависимости от массы каждого ролика, скорости вращения муфты и жесткости пружины 223 каждый ролик начинает двигаться в радиальном направлении наружу вдоль наклонной поверхности. Это в конечном итоге приведет к расцеплению каждого ролика от внутренней дорожки качения, таким образом вызывая расцепление внутренней дорожки качения от внешней дорожки качения. Это прекращает передачу всего вращающего момента между внутренней дорожкой качения и внешней дорожкой качения.

На фиг.8 приведена диаграмма, представляющая передачу вращающего момента как функцию об/мин двигателя. Диаграмма показывает, что приблизительно при 4300 об/мин роликовая муфта 22 свободного хода начинает расцепляться, как описано на фиг.7. Одновременно центробежная муфта 40 начинает зацепляться. Приблизительно при 6000 об/мин каждый ролик 222 полностью расцеплен, таким образом расцепляя муфту 22 свободного хода. В то же время центробежная муфта 40 создает большее количество силы трения между фрикционным кольцом 41 и внутренней поверхностью 191. В результате центробежная муфта может постепенно увеличить величину вращающего момента, передаваемого от входного элемента 13 через муфту 40 к выходному элементу 19.

На фиг.9 показан вид в перспективе с разнесением деталей.

На фиг.10 схематично показан вид системы управления для трансмиссии. Вакуумный исполнительный элемент 201 соединен с вакуумной системой 210 транспортного средства. Вакуумный исполнительный элемент также соединен с E3 контроллером 300 известного уровня техники. E3 контроллер 300 соединен с батареей 301 транспортного средства.

Датчик 302 оборотов передает сигнал частоты вращения двигателя в E3 контроллер. E3 контроллер может быть запрограммирован для приведения в действие вакуумного исполнительного элемента 201, основываясь на заданных частотах вращения двигателя. Например, на холостом ходу двигателя ленточный тормоз включен и поэтому вакуумный исполнительный элемент также включен, а лента 24 зацеплена с поверхностью 25. Это останавливает вращение коронной шестерни 16 и вызывает вращение выходного элемента 19 на более высоких оборотах, чем частота вращения входного элемента 13. Это, в свою очередь, приводит в действие вспомогательные агрегаты, работающие на соответствующей частоте вращения при холостом ходе двигателя. Холостой ход двигателя обычно соответствует от приблизительно 700 об/мин до 900 об/мин. Передаточное отношение обычно находится в диапазоне приблизительно 2:1.

На более высокой частоте вращения, чем приблизительно 2000 об/мин, вакуумный исполнительный элемент выключен, что позволяет вращаться коронной шестерне 16. Сигнал частоты вращения двигателя поступает от датчика 302 оборотов. Вращение коронной шестерни 16 приводит к вращению выходного элемента 19 на той же частоте вращения, что и частота входного элемента 13. Однако из-за меньшего радиуса выходного элемента 19 вспомогательные агрегаты приводятся в действие на нормально более низкой частоте вращения, таким образом уменьшая величину мощности, нормально необходимой для работы вспомогательных агрегатов на более высоких оборотах вращения двигателя. Диаметр выходного элемента 19 обычно составляет приблизительно 90 мм. Для сравнения обычный диаметр шкива коленчатого вала находится в диапазоне приблизительно от 150 мм до 175 мм.

На фиг.11 показан вид в перспективе трансмиссии и ленточного тормоза. Лента 24 ленточного тормоза 200 зацепляет поверхность 25 коронной шестерни 16. Лента содержит фрикционный материал 24a.

Вакуумный исполнительный элемент 201 управляет ленточным тормозом 200. Вакуумный исполнительный элемент 201 соединен с лентой 24 соединением 202. Соединение 202 направляется направляющим элементом 203. Направляющий элемент 203 ограничивает соединение 202 таким образом, что соединение 202 перемещается в, по существу, линейном направлении вдоль его большой оси А-А. Лента 24 соединена в первом шарнире 204 с основанием 206. Лента 24 соединена со вторым шарниром 205 на конце соединения 202.

Линейное движение соединения 202 приводит к плотному зацеплению вторым шарниром 205 поверхности 25. Без направляющего элемента 203 второй шарнир 205 может быть выдвинут радиально наружу поверхностью 25 во время работы, что, в свою очередь, может уменьшить эффективность ленточного тормоза.

Основание 206 ленточного тормоза 200 прикреплено к монтажной поверхности, такой как двигатель, используя болты 207.

Вакуумный исполнительный элемент 201 соединен с вакуумной системой транспортного средства и управляется на основе частоты вращения двигателя.

Хотя здесь были описаны варианты осуществления изобретения, специалистам в данном уровне техники будет очевидно, что могут быть сделаны изменения в конструкции, соотношении частей и способе, не отступая от идеи и объема описанного здесь изобретения.

1. Планетарная трансмиссия, содержащая: входной элемент, выходной элемент, узел планетарной передачи, механически расположенный между входным элементом и выходным элементом, центробежную муфту, механически расположенную между входным элементом и выходным элементом, муфту свободного хода, механически расположенную между входным элементом и выходным элементом; при этом муфта свободного хода выполнена с возможностью прямого соединения входного элемента и выходного элемента от нулевой частоты вращения до первой частоты вращения, а центробежная муфта выполнена с возможностью прямого соединения входного элемента и выходного элемента от второй частоты вращения, которая больше нулевой частоты вращения, до третьей частоты вращения, которая превышает первую частоту вращения; и тормозной элемент для избирательного управления вращением узла планетарной передачи.

2. Планетарная трансмиссия по п.1, дополнительно содержащая солнечную шестерню, расположенную на выходном элементе.

3. Планетарная трансмиссия по п.1, в которой узел планетарной передачи содержит коронную шестерню, выполненную с возможностью остановки тормозным элементом.

4. Планетарная трансмиссия по п.1, в которой центробежная муфта содержит: первую массу и вторую массу, каждая из которых выполнена с возможностью радиального перемещения наружу от оси вращения, и фрикционный элемент, содержащий растяжимый материал и имеющий округлую форму; причем первая масса и вторая масса выталкивают фрикционный элемент радиально наружу, когда центробежная муфта вращается.

5. Планетарная трансмиссия по п.1, дополнительно содержащая инерционный элемент, жестко соединенный с входным элементом.

6. Планетарная трансмиссия по п.1, в которой тормозной элемент содержит ленточный тормоз.

7. Планетарная трансмиссия по п.6, в которой ленточный тормоз приводится в действие вакуумом.