Многодиапазонная бесступенчатая передача (варианты)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве бесступенчатой трансмиссии транспортных средств, в том числе с гибридными силовыми установками. Изобретение представлено в двух вариантах. В обоих вариантах мощность от двигателя (2) через муфту сцепления (3) поступает на входной вал (1). С входного вала (1) она распределяется на потоки, проходящие через дифференциальный механизм (7), где поток мощности разделяется первый раз, а также через дифференциальные механизмы (9) и (10), где поток мощности разделяется второй раз, образующие вместе дифференциальный блок (11), и через энергетические машины (5) и (8) электрического или гидрообъемного типа, образующие вместе с дифференциальным механизмом (7) варьирующее звено. Планетарная согласующая передача (16) позволяет экономично согласовать частоты вращения, выдаваемые дифференциальным блоком (11), без разрыва потока мощности. При этом две передачи из четырех или шести в согласующей передаче - прямые, что существенно упрощает устройство передачи и увеличивает ее КПД. В первом варианте изобретения передача позволяет получить общий диапазон варьирования около 10 при КПД не менее 0,95. Во втором варианте этот диапазон стремится к бесконечности, т.е. частота вращения выходного вала начинается от нуля. Достигаются увеличение КПД трансмиссии, снижение массы и стоимости силового агрегата. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве бесступенчатой трансмиссии транспортных средств, в том числе с гибридными силовыми установками.
Из уровня техники известны бесступенчатые передачи, содержащие варьирующее звено - механическое или немеханическое, а также дифференциальные механизмы для разделения потоков мощности, идущих от двигателя к исполнительному механизму.
Одним из первых подобных устройств была бесступенчатая передача на основе механического варьирующего звена (вариатора) клиноременного или тороидального типа и дифференциального механизма, позволяющего изменять передаточное отношение передачи однонаправлено, например понижать его, при двунаправленном изменении передаточного отношения варьирующего звена, например, как при понижении, так и при повышении его. Это свойство подобных устройств - основополагающее для целого класса бесступенчатых передач, появившихся позже, где варьирующее звено как механическое (вариатор), так и немеханическое (например, мотор-генератор с системой управления) поочередно уменьшает и увеличивает свое передаточное отношение, а вся передача плавно либо уменьшает, либо увеличивает его (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. «Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы)», М., Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185). Этому устройству, принятому за аналог, свойственны недостатки, заключающиеся в отсутствии разделения потока мощности в самом варьирующем звене - вариаторе непланетарного типа, а также в наличии большого числа вспомогательных передач, усложняющих конструкцию и снижающих ее КПД.
Известна также бесступенчатая передача, включающая планетарный дисковый вариатор в качестве бесступенчатого звена, а также механизм, содержащий дифференциальную и согласующую передачи. Эта передача позволяет осуществлять двукратное разделение потока мощности, проходящего через него, как при понижении, так и при повышении передаточного отношения варьирующего звена, что повышает КПД передачи и уменьшает долю мощности, проходящей через бесступенчатое звено (см. патент РФ №2311575, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)», автор - Н.В.Гулиа, 27.11.07). Недостатком этого устройства, принятого также за аналог, является наличие повышающей согласующей передачи, что требует установки дополнительной понижающей передачи, усложняющей привод и снижающей КПД. К тому же это устройство позволяет осуществить только два чередующихся друг с другом режима (диапазона) работы передачи с разделением потока мощности, что недостаточно для осуществления широкого общего диапазона изменения передаточного отношения передачи при высоком КПД для применения в качестве трансмиссии транспортных средств.
В качестве уровня техники следует отметить также многодиапазонные бесступенчатые передачи с разделением потока мощности, содержащие в качестве варьирующего звена непланетарные вариаторы, а также постоянно вращающиеся дифференциальные и согласующие передачи с их переключением сцепными муфтами (см., например, патент US 6056661). К недостаткам этих устройств можно отнести наличие непланетарных вариаторов, что исключает первое разделение потока мощности в самом вариаторе, характерное для планетарных вариаторов. Кроме того, наличие в согласующей передаче нескольких дополнительных цилиндрических передач повышает ее сложность и понижает КПД. Первый диапазон подобных передач выполняется таким образом, что при промежуточном передаточном отношении варьирующего звена передаточное отношение всей передачи равно бесконечности (режим кинематической нейтрали). Подобная мера позволяет расширить общий диапазон передачи, но ведет к высокой циркуляции мощности на первом диапазоне, ограничивая передаваемый на нем крутящий момент и резко снижая КПД передачи. Эти устройства также приняты за аналог.
В качестве аналогов следует также отметить передачи с электромеханическим или гидрообъемным варьирующим звеном, состоящим из двух обратимых энергетических машин электрического или гидравлического типа, связанных с источником вращения, последующей трансмиссией и друг с другом посредством дифференциального механизма, позволяющего снизить массу энергетических машин за счет разделения потоков мощности в самом варьирующем звене и прохождения через энергетические машины лишь части мощности и энергии от источника вращения (двигателя) до исполнительного механизма - ведущих колес. Наиболее известными устройствами этого типа являются гибридный силовой агрегат автомобиля Toyota Prius на базе электрических машин, (см., например, публикацию http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive) и тракторная трансмиссия Fendt Vario на базе гидрообъемных машин (см., например, публикацию Karl Th. Renius. Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen. WISSENSPORTAL baumaschine.de, Ausgabe 1(2004)). Недостатком этого класса устройств является отсутствие двух режимов работы варьирующего звена с дифференциальным механизмом (прямых и обратных диапазонов разделения потока мощности), где варьирующее звено чередует повышение и понижение передаточных отношений в процессе разгона или замедления транспортного средства, а выходное звено передачи только повышает или понижает его однонаправленным образом. Это существенно понижает КПД передачи и увеличивает установленную мощность электрических или гидравлических машин варьирующего звена.
Известны многодиапазонные бесступенчатые передачи с двукратным разделением потока мощности, содержащие две обратимые электромашины, по меньшей мере, два дифференциальных механизма, а также несколько согласующих передач планетарного типа (см., например, заявки и патенты US 2008/0171625, US 6551208, а также сведения о серийно выпускаемой трансмиссии GM-Allison ЕР). Недостатком этих передач является то, что только один диапазон осуществляется с двукратным разделением потока мощности, что снижает КПД. Другим недостатком является резко увеличивающееся количество муфт и тормозов при увеличении числа диапазонов свыше трех.
В качестве прототипа обоих вариантов изобретения принято наиболее близкое к предлагаемому техническое решение, обладающее и максимальной совокупностью общих с предлагаемым техническим решением признаков, изложенное в пат. РФ №2373445, «Двухрежимный бесступенчатый привод-супервариатор (его варианты)», автор - Н.В.Гулиа, 06.09. Техническое решение-прототип представлено в патенте РФ №2373445 в трех вариантах исполнения, причем наиболее общим является первое исполнение. Устройство-прототип включает корпус с базовым вариатором - варьирующем звеном с его входными и выходными кинематическими звеньями, а также управляющий механизм, кинематически связанный с варьирующим звеном и включающий дифференциальную передачу, разделяющую потоки мощности, и согласующую передачу, обеспечивающую равенство частот вращения на выходном кинематическом звене передачи при изменении режимов работы передачи. Этих режимов при разделении потоков мощности в передаче два: прямой, названный в прототипе редукторным, когда характер изменения передаточного отношения варьирующего звена совпадает с таковым у всей передачи, т.е. его выходного звена, и обратный, названный в прототипе мультипликаторным, когда упомянутый характер противоположный. Например, в прямом режиме при понижении передаточного отношения варьирующего звена, т.е. ускорении его выходного вала, выходное звено всей передачи тоже ускоряется, а при замедлении - замедляется. В обратном же режиме при замедлении выходного вала варьирующего звена выходной вал всей передачи ускоряется, а при ускорении - замедляется. Чередованием режимов понижения и повышения передаточного отношения варьирующего звена (диапазонов передачи), совместно с изменением режимов работы передачи с прямого на обратный происходит изменение частоты вращения выходного звена передачи - его замедление или ускорение. Причем, благодаря наличию согласующей передачи, эти процессы происходят без разрыва потока мощности, и режимы плавно переходят друг в друга, и какое-то небольшое время (доли секунды) оставаясь включенными вместе. Это позволяет получить широкий общий диапазон изменения передаточных отношений, причем при высоком его КПД. Важно, что согласующая передача в прототипе выполнена, как и в предлагаемом устройстве, планетарной, что обеспечивает компактность передачи и ее высокий КПД. Следует отметить, что чем более узок каждый диапазон, тем выше КПД передачи и тем меньшая мощность протекает через бесступенчатое звено, в данном случае - электромашины. Чем больше этих диапазонов, тем шире общий диапазон изменения передаточных отношений передачи.
Недостатками устройства прототипа являются:
1. Наличие всего одного дифференциального механизма в дифференциальной передаче, что вызывает необходимость переключений в ней.
2. Невозможность чередования более двух режимов работы передачи - прямого и обратного (первого и второго диапазонов), что снижает общий диапазон изменения передаточного отношения передачи.
3. Отсутствие наиболее экономичной непосредственной связи дифференциальной передачи с выходным звеном передачи («прямой» передачи) на наиболее востребованных для потребителя диапазонах изменения передаточного отношения, что снижает КПД передачи.
Задачей изобретения является создание многодиапазонной бесступенчатой передачи, позволяющей существенно повысить КПД, снизить размеры и массу варьирующего звена, обеспечить простоту управления переключением диапазонов.
Указанная задача решается тем, что предложена многодиапазонная бесступенчатая передача, включающая дифференциальный блок, варьирующее звено, входной вал, выходной вал и планетарную согласующую передачу, характеризующаяся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде трех дифференциальных механизмов постоянного зацепления - первого разделения, обратных режимов второго разделения и прямых режимов второго разделения, варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, жестко связанным с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом планетарной согласующей передачи, а планетарная согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения ее водила с выходными звеньями дифференциального блока на, по меньшей мере, одном диапазоне - с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения, и, на, по меньшей мере, одном диапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух диапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что водило согласующей передачи выполнено с возможностью его кинематического соединения на первом диапазоне как с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, так и с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что как минимум один из дифференциальных механизмов выполнен с возможностью неоднократного кинематического соединения с выходным звеном согласующей передачи за полный рабочий цикл изменения передаточного отношения передачи, причем эти соединения выполнены с различным передаточным отношением.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что внешние центральные зубчатые колеса на планетарных рядах согласующей передачи выполнены с возможностью их торможения.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что энергетические машины выполнены в виде электрических машин.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи этого варианта является то, что энергетические машины выполнены в виде гидрообъемных машин.
Также предложена многодиапазонная бесступенчатая передача, включающая дифференциальный блок, варьирующее звено, входной вал, выходной вал и планетарную согласующую передачу, характеризующаяся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде трех дифференциальных механизмов постоянного зацепления - первого разделения, обратных режимов второго разделения и прямых режимов второго разделения, варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, жестко связанным с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом планетарной согласующей передачи, а планетарная согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения ее водила с выходными звеньями дифференциального блока на, по меньшей мере, одном диапазоне - с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения, на, по меньшей мере, одном диапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, и на одном диапазоне - с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух диапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что водило согласующей передачи выполнено с возможностью его кинематического соединения на первом диапазоне как с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, так и с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что как минимум один из дифференциальных механизмов выполнен с возможностью неоднократного кинематического соединения с выходным звеном согласующей передачи за полный рабочий цикл изменения передаточного отношения передачи, причем эти соединения выполнены с различным передаточным отношением.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что внешние центральные зубчатые колеса на планетарных рядах согласующей передачи выполнены с возможностью их торможения.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что энергетические машины выполнены в виде электрических машин.
Еще одним отличием многодиапазонной бесступенчатой передачи второго варианта является то, что энергетические машины выполнены в виде гидрообъемных машин.
Технический эффект, достигаемый изобретением, заключается в том, что многодиапазонная бесступенчатая передача обеспечивает простоту устройства приводов переключения диапазонов, неразрывность потока мощности при переключениях диапазонов и малую мощность, протекающую через варьирующее звено, что снижает его габариты и массу, а также повышает КПД всей передачи.
Изобретение представлено на чертежах, где на фиг.1 изображена общая схема многодиапазонной бесступенчатой передачи с четырьмя, а на фиг.2 - с шестью диапазонами.
Многодиапазонная бесступенчатая передача по фиг.1 включает входной вал 1, связанный с источником вращения (двигателем) 2 через муфту сцепления 3, и проходящий через полый ротор 4 обратимой энергетической машины 5 (электрического или гидравлического типа), и соединяющийся с водилом 6 дифференциального механизма первого разделения 7 (обведен штриховой линией), который первым разделяет поток мощности, поступающий от вала 1, причем часть мощности направляется в обратимые регулируемые энергетические машины 5 и 8, а оставшаяся часть направляется в дифференциальные механизмы 9 и 10 (обведены штриховой линией) для последующего (второго) ее разделения.
Дифференциальный механизм второго разделения прямого режима 9 и дифференциальный механизм второго разделения обратного режима 10 вместе с дифференциальным механизмом первого разделения 7 образуют дифференциальный блок 11 (обведен штриховой линией).
Ведущий вал 1 передачи кинематически соединен также с водилом 12 дифференциального механизма 10 и с центральным внешним зубчатым колесом 13 дифференциального механизма 9, водило 14 которого, как и центральное внешнее зубчатое колесо 15 дифференциального механизма 10, кинематически соединено с согласующей передачей 16 (обведена штриховой линией). Вал энергетической машины 8, закрепленной, как и энергетическая машина 5, на корпусе 17 всей передачи, соединен с зубчатым колесом 18, приводящим центральное зубчатое колесо 19 дифференциального механизма первого разделения 7, в свою очередь соединенное с общим центральным внутренним зубчатым колесом 20 дифференциальных механизмов 9 и 10. Центральное внутреннее зубчатое колесо 21 упомянутого дифференциального механизма 7 соединено с полым ротором 4 энергетической машины 5.
Часть мощности от колеса 19 после первого ее разделения в дифференциальном механизме 7 может в случае необходимости непосредственно подаваться в согласующую передачу 16 через муфты включения 23, 24 и соединяющее их звено 25. В первом варианте выполнения передачи мощность подается в согласующую передачу только после второго ее разделения, а во втором - может подаваться и после первого разделения через муфты включения 23, 24 и звено 25.
Согласующая передача 16 выполнена планетарной и состоит из планетарного ряда 26 (обведен штриховой линией) и планетарного ряда 27 (обведен штриховой линией), центральные внутренние колеса которых, соответственно 28 и 29, соединены, соответственно, с водилом 14 дифференциального механизма 9 и с центральным внешним зубчатым колесом дифференциального механизма 10. С этими же элементами дифференциальных механизмов 9 и 10, соответственно, соединены полумуфты включения 30 и 31, выполненные с возможностью соединения с соответствующими полумуфтами 32 и 33, расположенными на подвижных в осевом направлении элементах 34 и 35, связанных с возможностью передачи крутящего момента с водилом 36 согласующей передачи 16 и связанным с ее выходным валом 22. Элементы 34 и 35 перемещаются в осевом направлении вилками, соответственно, 37 и 38, центральные внешние зубчатые колеса 39 и 40 планетарных рядов 26 и 27 выполнены с возможностью их торможения тормозами, соответственно, 41 и 42. Энергетические машины 5 и 8 связаны между собой немеханической энергетической связью (электрической или гидравлической) с помощью системы управления 43.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства с шестью диапазонами. Отличие устройства по фиг.2 от четырехдиапазонного по фиг.1 заключается в конструкции согласующей передачи 16. Вместо двух планетарных рядов 26 и 27 выполнены четыре - 26, 27, 44 и 45, причем ряд 44 кинематически связывает водило 36 с водилом 14, а ряд 45 - водило 36 с внешним центральным зубчатым колесом 15. Вместо двух элементов - 34 и 35 на фиг.1, подвижных в осевом направлении и связанных с водилом 36 с возможностью передачи крутящего момента, на фиг.2 присутствует только один такой элемент 46. Этот элемент 46 содержит на себе две полумуфты включения 47 и 48, кинематически соединяющиеся с полумуфтами 49 и 50, закрепленными на центральных внутренних зубчатых колесах 51 и 52 планетарных рядов 44 и 45. Элемент 46 перемещается в осевом направлении вилкой 52 и при движении по фиг.2 влево он замыкает полумуфты 47 и 49, а вправо - полумуфты 48 и 50. Внешние центральные зубчатые колеса планетарных рядов 26, 27, 44 и 45 тормозятся, соответственно, тормозами 41, 42, 53 и 54. Дополнительные два планетарных ряда 44 и 45 в согласующей передаче 16 обеспечивают два дополнительных диапазона, доводя их общее число до шести.
В других вариантах выполнения изобретения входной вал 1 может быть подсоединен как к внешнему центральному колесу 19, так и к внутреннему центральному колесу 21 дифференциального механизма первого разделения 7.
Независимо от способа выполнения дифференциального механизма первого разделения 7, в других вариантах выполнения изобретения в дифференциальных механизмах 9 и 10 общим входным звеном, связанным с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения 7, могут быть внешние центральные колеса 13 и 15. В этом случае внутренние центральные колеса связываются с входным валом 1 и выходным звеном дифференциального механизма 9 обратных режимов второго разделения, соответственно.
Работа первого варианта многодиапазонной бесступенчатой передачи по фиг.1 происходит следующим образом. Вращение от двигателя 2 через муфту 3 и вал 1 подается на водило 6 дифференциального механизма 7 первого разделения потока мощности и водило 12 дифференциального механизма 10 второго разделения потока мощности прямого режима, а также связанное с водилом 12 центральное внешнее зубчатое колесо 13 дифференциального механизма 9 второго разделения потока мощности обратного режима. Далее вращение от центрального внешнего зубчатого колеса 19 подается на общее центральное внутреннее зубчатое колесо 20 дифференциальных механизмов 9 и 10 второго разделения потока мощности. Через упомянутый дифференциальный механизм 7 первого разделения - его центральные зубчатые колеса 21 и 19 - вал 1 связывается с валом 17 энергетической машины 8 и ротором 4 энергетической машины 5, при этом, благодаря дифференциальному механизму 7, только часть мощности направляется через энергетические машины 5 и 8. Благодаря второму разделению потока мощности в дифференциальных механизмах 9 и 10, эта часть мощности еще более уменьшается и при небольших диапазонах изменения частот вращения достигает около 15% на варьирующее звено. Водило 14 дифференциального механизма 9 и внешнее зубчатое колесо 15 дифференциального механизма 10 передают суммарную мощность, прошедшую частично через энергетические машины 5 и 8, играющие роль варьирующего звена, а частично через зубчатые передачи дифференциальных механизмов 7, 9 и 10 - на планетарную согласующую передачу 16. Назначение согласующей передачи 16 - преобразовывать достаточно узкие диапазоны частот вращения, выдаваемые упомянутыми выше водилом 14 и колесом 15, примерно равные 1,75, в непрерывно, без разрыва потока мощности, изменяющийся диапазон вращения выходного вала 22 передачи. Например, при частоте вращения вала 1, равной 2000 мин-1, и изменении передаточного отношения варьирующего звена от бесконечности до единицы, при КПД около 0,8, частота вращения водила 14 увеличивается от 1150 до 2000 мин-1 при КПД не менее 0,96, а колеса 15 уменьшается от 3450 до 2000 мин-1 при таком же КПД. Проходя через планетарный ряд 26 при заторможенном колесе 39 с передаточным отношением около 3 (первый диапазон), частоты вращения водила 14 изменяются до 380…670 на водиле 36 и, следовательно, выходном валу 22, при КПД около 0,95, а проходя через прямую передачу 34-36, включаемую полумуфтами 30 и 32 (третий диапазон), выдают 1150…2000 мин-1 при том же КПД - 0,96. При том же диапазоне изменения передаточных отношений варьирующего звена частота вращения колеса 15 изменяется в пределах 2000…3450 мин-1 при КПД порядка 0,96. Проходя через планетарный ряд 27 при заторможенном колесе 40 с тем же передаточным отношением 3 (второй диапазон), частоты вращения колеса 15 изменяются в пределах 670…1150 мин-1 на водиле 36 и валу 22 при КПД порядка 0,95, а проходя через прямую передачу 35-36, включаемую полумуфтами 31 и 33 (четвертый диапазон), выдают те же 2000…3400 мин-1. Таким образом, частота вращения выходного вала 22 бесступенчато изменяется с двукратным переходом с режимов прямого разделения на режимы обратного разделения, но при разных передаточных отношениях согласующей передачи соответственно равны 380…670, 670…1150, 1150…2000, 2000…3450 мин-1. В момент переключения между первым и вторым, а также между третьим и четвертым диапазонами, водило 14 и колесо 15 одновременно имеют частоту вращения 2000 мин-1, а в момент переключения между вторым и третьим диапазонами частоты вращения водила 14 и колесо 15 соотносятся как передаточное число планетарной согласующей передачи (около 3). Переключение производится с перекрытием, то есть следующая передача включается без выключения предыдущей, которая выключается лишь после кратковременного включения двух передач одновременно, что исключает разрыв потока мощности. При этом соответствующее передаточное отношение варьирующего звена достигается регулированием энергетических машин 5 и 8 посредством системы управления 43. Общий диапазон варьирования много диапазонной бесступенчатой передачи достигает порядка 10 при КПД не менее 0,95, что достаточно для трансмиссий большинства типов автомобилей. Следует отметить, что энергетические машины 5 и 8, выполненные в виде электрических машин, пригодны для выполнения ими также функции генератора и стартера автомобиля, что снижает массу и стоимость всего силового агрегата.
В работе второго варианта устройства по фиг.1 изменяется лишь то, что на первом диапазоне включения согласующей передачи к планетарному ряду 26, а именно к зубчатому колесу 28, кинематически подключается звено 25, соединенное непосредственно или муфтой 23 с центральным внешним зубчатым колесом 19; муфта 24 при этом отключена. Частота вращения звена 25 может меняться в пределах 0…2000 мин-1, а стало быть частота вращения водила 36 и выходного вала 22 будут меняться в диапазоне 0…670 мин-1. При этом максимальные частоты вращения водила 14 и звена 25 совпадают, поэтому переключение согласующей передачи с первого на второй диапазон будет протекать совершенно так же, как и в первом варианте устройства.
При наличии муфт включения 23 и 24 устройство может включаться на первом диапазоне как в режиме первого, так и второго варианта исполнения передачи. В режиме первого варианта исполнения передача работает на первом диапазоне в экономичном режиме и с протеканием минимальной мощности через энергетические машины 5 и 8. Однако минимальная частота вращения вала 22 будет отличаться от нуля, и общий диапазон варьирования передачи будет около 10.
Во втором варианте исполнения на первом диапазоне минимальная частота вращения выходного вала 22 будет равна нулю, т.е. диапазон варьирования электромеханической передачи будет стремиться к бесконечности, что удобно для трогания транспортного средства с места и «ползучих» скоростей движения. Но КПД передачи на «ползучих» скоростях и при трогании транспортного средства с места будет невелик, а при нулевой частоте вращения вала 22 и вовсе приближаться к тому, что имеет передача с троганием на буксовании сцепления, т.е. стремиться к нулю. Но все равно трогание с места машины будет более плавным и экономичным, чем на буксовании сцепления, аналогично троганию на трансмиссии с гидротрансформатором. Что касается доли мощности, протекающей через электромашины, то она будет больше, чем в первом варианте; однако, с учетом того, что на «ползучих» скоростях движения транспортное средство требует весьма небольшие мощности, ее абсолютная величина будет ограничена.
Возможна реализация изобретения, когда оператор по желанию может перевести передачу в любой вариант исполнения, наиболее приемлемый для текущих условий работы транспортного средства.
В предлагаемом устройстве не затронут вопрос реверсирования, т.е. заднего хода, который может осуществляться любым известным способом (в том числе и отдельным блоком - реверс-редуктором) и к устройству многодиапазонной бесступенчатой передачи и принципу ее работы прямого отношения не имеют.
Работа устройства с шестью диапазонами, представленного на фиг.2, отличается лишь тем, что два дополнительных диапазона, появляющиеся при торможении тормозами 53 и 54 внешних центральных зубчатых колес планетарных рядов 44 и 45, позволяют, при том же общем диапазоне передаточных отношений, сузить каждый из диапазонов, тем самым снизив долю мощности, протекающей через энергетические машины 5 и 8. Это снижает их габаритно-массовые показатели и стоимость, а также повышает общий КПД передачи. Работа устройства по фиг.2 для первого и второго вариантов исполнения не отличается от работы в этих же исполнениях по фиг.1.
1. Многодиапазонная бесступенчатая передача, включающая дифференциальный блок, варьирующее звено, входной вал, выходной вал и планетарную согласующую передачу, отличающаяся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде трех дифференциальных механизмов постоянного зацепления - первого разделения, обратных режимов второго разделения и прямых режимов второго разделения, варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, жестко связанным с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом планетарной согласующей передачи, а планетарная согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения ее водила с выходными звеньями дифференциального блока - на, по меньшей мере, одном диапазоне - с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения, и, на, по меньшей мере, одном диапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух диапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока.
2. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что водило согласующей передачи выполнено с возможностью его кинематического соединения на первом диапазоне как с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, так и с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения.
3. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что, как минимум, один из дифференциальных механизмов выполнен с возможностью неоднократного кинематического соединения с водилом согласующей передачи за полный рабочий цикл изменения передаточного отношения передачи, причем эти соединения выполнены с различным передаточным отношением.
4. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины.
5. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что внешние центральные зубчатые колеса на планетарных рядах согласующей передачи выполнены с возможностью их торможения.
6. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что энергетические машины выполнены в виде электрических машин.
7. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.1, отличающаяся тем, что энергетические машины выполнены в виде гидрообъемных машин.
8. Многодиапазонная бесступенчатая передача, включающая дифференциальный блок, варьирующее звено, входной вал, выходной вал и планетарную согласующую передачу, отличающаяся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде трех дифференциальных механизмов постоянного зацепления - первого разделения, обратных режимов второго разделения и прямых режимов второго разделения, варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, жестко связанным с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом планетарной согласующей передачи, а планетарная согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения ее водила с выходными звеньями дифференциального блока - на, по меньшей мере, одном диапазоне с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения, на, по меньшей мере, одном диапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, и на одном диапазоне - с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух диапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока.
9. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что водило согласующей передачи выполнено с возможностью его кинематического соединения на первом диапазоне как с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, так и с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения.
10. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что, как минимум, один из дифференциальных механизмов выполнен с возможностью неоднократного кинематического соединения с водилом согласующей передачи за полный рабочий цикл изменения передаточного отношения передачи, причем эти соединения выполнены с различным передаточным отношением.
11. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины.
12. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что внешние центральные зубчатые колеса на планетарных рядах согласующей передачи выполнены с возможностью их торможения.
13. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что энергетические машины выполнены в виде электрических машин.
14. Многодиапазонная бесступенчатая передача по п.8, отличающаяся тем, что энергетические машины выполнены в виде гидрообъемных машин.
