Двухпоточная трансмиссия
DOUBLE-FLOW TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к автомобилестроению, и может быть использовано для непрерывного изменения скорости вращения и крутящего момента выходного вала, при постоянных параметрах входной мощности на нем. Может быть  использовано в качестве привода, в котором передаточное число изменяется с помощью ручного управления, либо, автоматического управления по командам системы управления, работающей по алгоритму и по показаниям контролирующих датчиков.
При проектировании транспортных машин или промышленного оборудования, возникает задача выбора типа трансмиссии. Возможные варианты являются компромиссом между ресурсом, стоимостью, ремонтопригодностью, КПД, удобством, скоростью и качеством переключений.
Известна двухпоточная трансмиссия, обеспечивающая автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала (по патенту RU2398989, выбрано в качестве прототипа), выполненная в виде двух, последовательно установленных дифференциалов. Дифференциалы расположены и связаны между собой таким образом, что входным валом трансмиссии является входной вал первого дифференциала, выходные валы первого дифференциала являются входными валами второго дифференциала, выходным валом трансмиссии являлся выходной вал второго дифференциала. Дифференциалы выполнены с геометрическими и инерционными параметрами, обеспечивающими, при переменной внешней нагрузке на выходном валу трансмиссии, автоматическую трансформацию соотношения передаваемых потоков механической энергии между двумя дифференциалами, с целью изменения передаточного отношения трансмиссии.
Недостатками указанной трансмиссии являются: невозможность оперативного изменения передаточного отношения в ручном режиме, невозможность обеспечения полного останова выходного вала при вращении входного вала, невозможность реверсивного вращения вала при прямом направлении вращения входного вала, невозможность низких оборотов вращения выходного вала при высоких оборотах входного вала и малом сопротивлении, невозможность обеспечить постоянное передаточное отношение трансмиссии при колебании чисел оборотов входного и/или выходного валов, невозможность программно устанавливать алгоритмы изменения передаточного отношения.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей трансмиссии за счет принудительного изменения передаточного отношения трансмиссии, позволяющего: реализовать множество заданных передаточных отношений (передач); управляемо изменять передаточное отношение как непрерывно, так и ступенчато; иметь реверсивный ход, нейтральную передачу.
Технический результат достигается в двухпоточной трансмиссии, содержащей корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы, между которыми находятся механизм первого потока [механической энергии] и механизм второго потока [механической энергии], выполненный с возможностью управляемого изменения соотношения крутящих моментов между первым и вторым потоками, передаваемых на выходной дифференциал. Механизм первого потока выполнен в виде вала, передающего крутящий момент от первого выходного вала входного дифференциала на первый входной вал выходного дифференциала, связанного с дифференциалами посредством зубчатой передачи. Механизм второго потока состоит из: зубчатого венца, установленного в двух парах направляющих, позволяющих зубчатому венцу передвигаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях без изменения его ориентации относительно корпуса; оси с шестерней, установленной в корпусе зубчатого венца и находящейся в зацеплении одновременно с, ориентирующим в пространстве ось, линейным каналом в корпусе водила, передающего второй поток от второго выходного вала входного дифференциала, и спиральным каналом, выполненном во внутреннем диске  водила; ось с шестерней через подвижное звено соединено со вторым входным валом выходного дифференциала; спиральный канал соединен с системой управления, поворачивающей внутренний диск относительно корпуса водила. Механизм второго потока соединен с системой управления, которая состоит: из первой и второй пар последовательно расположенных солнечных шестерен, первая солнечная шестерня из первой пары неподвижно закреплена на втором выходном валу входного дифференциала, вторая солнечная шестерня из второй пары неподвижно соединена с внутренним диском водила; первой и второй пар малых шестерен, обращающих направления вращения в первой и второй парах солнечных шестерен, причем оси второй пары малых шестерен неподвижны относительно корпуса; червячной передачи, внутри червячного колеса которой установлена первая пара малых шестерен, соединенной с управляющим приводом, поворачивающим внутренний диск водила относительно его корпуса по сигналам от блока управления.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 - функциональная схема двухпоточной трансмиссии;
фиг. 2 – принципиальная схема двухпоточной трансмиссии;
фиг. 3 – дифференциалы с механизмом первого потока;
фиг. 4-6 – водило;
фиг. 7 – ось с шестерней, устанавливаемая в зубчатый венец;
фиг. 8 – ось с шестерней, расположенная в зубчатом венце и установленная в направляющих;
фиг. 9  - водило с осью с шестерней в зубчатом венце и в направляющих, с муфтой;
фиг. 10  - двухпоточная трансмиссия без системы управления;
фиг. 11  - входной дифференциал с шестерней, предназначенной для  системы управления;
фиг. 12-13  - система управления, без привода;
фиг. 14  - двухпоточная трансмиссия без элементов корпуса;
фиг. 15 – двухпоточная трансмиссия в корпусе.
Функциональная схема предлагаемой трансмиссии с указанием направления вращения валов, показана на фиг. 1. Двухпоточная трансмиссия содержит корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы 1, 2, между которыми находятся механизм 3 первого потока, обеспечивающий передачу механической энергии, и механизм 4 второго потока, также обеспечивающий передачу механической энергии. Механизм 4 второго потока позволяет изменять соотношение крутящих моментов между дифференциалами 1, 2. Он выполнен с возможностью управляемого изменения соотношения крутящих моментов между первым и вторым потоками, передаваемых на выходной дифференциал 2. На диапазон передаточных чисел предлагаемой трансмиссии влияет соотношение размеров зубчатых колес дифференциалов.
Приводной вал 10 от двигателя, имеет:
n=const≠0 – число оборотов,
M=const≠0 – крутящий момент,
N=const≠0 – мощность.
Выходной вал 11 на движитель (колесо, гусеница, винт и т.п.) имеет:
n≠const=или≠0 – число оборотов,
M≠const=или≠0 – крутящий момент,
N≠const=или≠0 – мощность.
На фиг. 2 показана принципиальная схема: 13, 14 – водила входного и выходного дифференциалов 1, 2 соответственно; 15, 16 – солнечные колеса дифференциалов; 17, 18 – сателлиты дифференциалов; 19, 20 – эпициклические зубчатые колеса дифференциалов; 21, 22, 23, 24 – колеса, предназначенные для организации параллельного потока крутящего момента.  Дифференциалы 1, 2 могут быть полностью идентичными друг другу, разница в диаметрах колес 21, 24. Соотношения этих колес и зубчатых колес 22, 23 выбрано таким образом, чтобы скорость вращения вала механизма 3 первого потока, находилась в диапазоне регулирования механизма 4 второго потока. Система управления 12  расположена на валу с механизмом 4 второго потока. Число оборотов выходного вала 11 зависит от водила 14 выходного дифференциала, которое через сателлит 18 получает вращение от суммы чисел оборотов эпициклического колеса 20 и солнечного колеса 16. Направление вращения эпициклического колеса 20 и солнечного колеса 16 разностороннее, т.е. при равных числах их оборотов будет реализована нейтральная передача. Условно можно представить, что, если число оборотов эпициклического колеса 20 превысит число оборотов  солнечного колеса 16, то на выходном валу 11 мы получим прямой ход, в противном случае – реверсивный ход.
Входной вал 10 входного дифференциала 1 – это, например, приводной вал от двигателя - поток крутящего момента от двигателя попадает на вход несимметричного входного дифференциала 1, где делится в заданном соотношении, которое определяется соотношением размеров солнечного колеса 15 и эпициклического колеса 19. Первая часть механической энергии попадает через механизм 3 первого потока на первый входной вал 8 несимметричного выходного дифференциала 2. Механизм 3 первого потока (фиг. 3) выполнен в виде вала 5, передающего крутящий момент от первого выходного вала 6 входного дифференциала 1 на первый входной вал 8 выходного дифференциала 2. Вал 5 связан с дифференциалами 1, 2 посредством зубчатой передачи через шестерни 23, 22. Позиции 9, 41 – корпуса дифференциалов, предназначенные для крепления к корпусу двухпоточной трансмиссии.
Вторая часть идет на механизм 4 второго потока, позволяющий изменять соотношение крутящих моментов между дифференциалами, после чего попадает на второй входной вал 7 несимметричного выходного дифференциала 2. Выходной вал 11 выходного дифференциала 2 – приводной вал на движитель (колесо, гусеница, винт и т.п.). Выходной дифференциал 2, суммируя скорости и крутящие моменты, полученные от указанных двух потоков (механизмов 3 и 4), выдает на выходном валу 11 измененные, относительно входного вала 10 входного дифференциала 1, скорость вращения, крутящий момент и направление вращения.
Механизм 4 второго потока искусственно, без потерь мощности, создает нагрузку на одном из валов, для того чтобы изменить скорости вращения валов между дифференциалами. При постоянных оборотах, мощности, крутящем моменте обеспечивается возможность изменять скорость вращения, мощность, крутящий момент выходного вала трансмиссии; иметь возможность реверсивного вращения вала и возможность полной остановки выходного вала трансмиссии при работающем двигателе (нейтральная передача).
Механизм 4 второго потока состоит: из (фиг. 8,9) зубчатого венца 33, установленного в двух парах направляющих 35 и 50, позволяющих свободно передвигаться в горизонтальной и вертикальной плоскостях без изменения ориентации в пространстве относительно корпуса двухпоточной трансмиссии; оси 29 (фиг.7,8) с шестерней 30, установленных в корпусе 34 зубчатого венца 33 и находящейся в зацеплении одновременно с, ориентирующим в пространстве ось 29, линейным каналом 27 (фиг.5) в корпусе 40 водила 25 (фиг.4), передающего второй поток механической энергии от второго выходного вала 38 (фиг.2) входного дифференциала 1, и спиральным каналом 28 (фиг.6) внутреннего диска 39 водила 25, связанного с системой управления 12, а именно, зубчатой и червячной передачами с электродвигателем 53 (фиг.14), поворачивающим внутренний диск 39 относительно корпуса  40 водила 25 (внешние диски, образующие корпус 40 водила) для задания радиуса вращения оси 29 с шестерней 30 и регулирования передаточного отношения двухпоточной трансмиссии; шестерни 30, удерживаемой осью 29 внутри зубчатого венца 33, вращение которой возникает при провороте оси 29 относительно зубчатого венца 33 и усилие которой передается с помощью подвижного звена 36 (фиг.9) на второй входной вал 7 выходного дифференциала 2. Далее устройство механизма 4 второго потока поясняется подробней.
Второй выходной вал 38, передающий крутящий момент от несимметричного входного дифференциала 1 на механизм 4 второго потока, соединен с водилом 25 (фиг. 4-6). Водило 25 выполнено в виде сборного изделия, с внутренним диском 39 и наружными дисками 40 (корпусом 40), кроме того что оно передает крутящий момент, оно соединено с системой управления 12 (часть 26 (фиг.4) связана с системой управления 12) и непосредственно участвует в изменении крутящего момента. На фиг. 5, 6 сторона водила 15, обращенная к механизму 4 второго потока. Линейный канал 27 в корпусе 40 необходим для передачи вращательного движения через линейный выступ 32 оси 29 на механизм 4 второго потока и для ориентирования оси 29 вдоль радиального направления водила 25. Спиральный канал 28 во внутреннем диске 39 предназначен для позиционирования оси 29 механизма 4 второго потока вдоль радиального направления водила 25, через цилиндрический выступ 31.
Диск со спиральным каналом 28 в системе управления 12 выполняет силовую функцию, при его перемещении относительно водила 25 происходит перемещение оси 29 механизма 4 второго потока вдоль водила 25 в радиальном направлении.
Водило 25 позиционирует ось 29 с шестерней 30 (механизмы на фиг. 7, 8, являются элементами механизма 4 второго потока) в радиальном направлении. Ось 29 с шестерней 30 является сборной конструкцией. Со стороны водила 25, на оси 29 с шестерней находятся выступы: цилиндрический выступ 31 находится в зацеплении со спиральным каналом 28, линейный выступ 32 в зацеплении с линейным каналом 27. Ось 29 с шестерней 30 передает вращательное движение на зубчатый венец 33 и может свободно проворачиваться в корпусе 34 [зубчатого венца 33]. Ось 29 с шестерней 30 и зубчатый венец 33 образуют единый узел, который, под действием вращательного движения передаваемого водилом 25, движется по окружности. При вращении ось 29 с шестерней движется вокруг центра водила 25, увлекая за собой зубчатый венец 33, который, двигаясь по окружности, не меняет своей ориентации в пространстве за счет двух пар направляющих 35, 50. Вторая пара 50 направляющих неподвижно закреплена относительно корпуса двухпоточной трансмиссии.
Поэтому, когда водило 25 делает один полный оборот вокруг своего центра, ось 29 с шестерней также делает оборот вокруг центра водила 25 и, одновременно, делает оборот вокруг центра зубчатого венца 33. Шестерня 30, которую удерживает ось 29, проворачивается относительно зубчатого венца 33 и передает вращение на подвижное звено 36 [муфту 36], выходной вал 37 (фиг. 2,9) которой соединен с выходным дифференциалом 2.
Таким образом, в предлагаемой трансмиссии изменение передаточного отношения происходит за счет изменения длины плеча (рычага) от центра водила 25 до точки приложения усилия от водила  25 на ось 29 зубчатого венца 33: чем больше это расстояние, то тем большее усилие требуется для передачи крутящего момента и наоборот. Изменение передаточного отношения обеспечивается смещением внутреннего диска 39 относительно корпуса 40 водила 25: внутренний диск 39 со спиральным каналом 28 проворачивается относительно корпуса 40 с линейным каналом 27 и происходит перемещение оси 29 с шестерней 30 вдоль радиального направления водила 25. Если работа двухпоточной трансмиссии происходит при одном передаточном отношении, внутренний и внешний диски 39, 40 водила 25 вращаются с одной скоростью.
Для передачи крутящего момента от шестерни 30 на выходной дифференциал 2, в качестве подвижного звена 36 возможно использовать муфту, как показано на фиг. 9. Она необходима, так как шестерня 30 и входной вал 7 выходного дифференциала 2, принимающий крутящий момент от шестерни 30, не находятся на одной осевой линии. Муфта 36 выполняет функцию подвижного звена – связующего механизма, передающего механическую энергию, между смещенными валами. Вместо муфты 36 могут быть использованы другие связующие  механизмы, например, карданный вал или гибкий вал.
На фиг. 10 показана двухпоточная трансмиссия без системы управления, в том числе: входной вал 10 (водило 13 входного дифференциала 1 показано на фиг. 3); выделен выходной вал 11 с водилом 14 выходного дифференциала 2.
Механизм 4 второго потока соединен с системой управления 12 (далее - СУ).  Система управления 12 предназначена для изменения передаточного отношения двухпоточной трансмиссии в заданном диапазоне путем перемещения оси 29 с шестерней вдоль радиального направления водила 25.
СУ 12 состоит: из первой и второй пар последовательно расположенных солнечных шестерен 43, 44 (фиг. 12,13), первая солнечная шестерня из первой пары 43 неподвижно закреплена на втором выходном валу 38 входного дифференциала 1 (фиг.11), вторая солнечная шестерня из второй пары 44 соединена с внутренним диском 39 водила 25 частью 26; две пары малых шестерен 45, 46, обращающих направления вращения в первой и второй парах солнечных шестерен 43, 44; червячную передачу 47, закрепленную в кронштейне 51 (фиг.14), удерживающую одну из пар малых шестерен и соединенную с управляющим приводом 53, поворачивающим внутренний диск 39 водила 25 относительно его корпуса 40. Это вращение изменяет передаточное отношение двухпоточной трансмиссии. На фиг.13 показан вид со стороны входного дифференциала 1, без первой солнечной шестерни первой пары солнечных шестерен.
На фиг. 12 видна первая солнечная шестерня первой пары 43 солнечных шестерен. Первая пара 45 малых шестерен располагается внутри червячного колеса 48. Оси второй пары 46 малых шестерен неподвижно закреплены на кронштейне 49 (неподвижная деталь относительно корпуса двухпоточной трансмиссии). Для того чтобы передать вращение от входного дифференциала 1 на корпус 40 водила 25 с линейным каналом 27 используется второй выходной вал 38, на котором установлена первая солнечная шестерня пары шестерен 43  (фиг. 11). Указанная шестерня имеет обороты равные оборотам второго выходного вала 38, соединяющего входной дифференциал 1 и водило 25; передает вращение через первую пару 45 малых шестерен. Червячная передача 47 с червячным колесом 48 необходимы для поворота первой пары 45 малых шестерен, чтобы кратковременно изменить скорость вращения второй солнечной шестерни из первой пары 43 солнечных шестерен. Далее, чтобы согласовать направление вращения внутреннего и внешнего дисков 39, 40 водила 25, пара солнечных шестерен 43 дублируется парой солнечных шестерен 44, только оси второй пары 46 малых шестерен неподвижны относительно корпуса – происходит обращение направления вращения  внутри второй пары солнечных шестерен 44.
Механическая энергия подводится к водилу 25 двумя потоками: входным валом 42 (соединен со вторым выходным валом 38 входного дифференциала 1) до корпуса 40 с линейным каналом 27; и, через механизм, образованный первой и второй парой 43, 44 солнечных шестерен, и малыми шестернями первой и второй пар 45, 46, в котором дважды меняется направление вращение. Поскольку есть возможность менять положение первой пары 45 малых шестерен с помощью червячного механизма, то, при работе трансмиссии, для смены передаточного отношения, внутренний диск 39 со спиральным каналом 28 либо обгоняет корпус 40 с линейным каналом 27, либо отстает от него. Вращение червячного механизма производится управляющим приводом 53 по сигналам от блока управления (не показан). В качестве управляющего привода 53 может использоваться шаговый электродвигатель, закрепленный на крышке корпуса. Вместо шагового электродвигателя быть установлен какой-либо другой тип управляющего привода 53: гидромотор, пневмопривод, ручной маховик.
Корпус двухпоточной трансмиссии с внутренними корпусными элементами 54 и внешними корпусными элементами 52, с установленными  в нем механизмами, показан на фиг. 15 (без боковых стенок и верхней крышки).
Рассмотрим работу двухпоточной трансмиссии. Основными режимами работы являются передача механической энергии в прямом направлении, нейтральная передача (т.е. при вращении входного вала трансмиссии обороты выходного вала равны нулю), передача механической энергии в обратном направлении. Все три режима находятся в одном диапазоне, который определяется соотношением размеров зубчатых колес входного и выходного дифференциалов 1, 2 и механизма 3 первого потока. За счет изменения размеров зубчатых колес, есть возможность сдвинуть диапазон передаточных чисел таким образом, что передача механической энергии будет возможна только в прямом направлении, или только в обратном. Либо подбирается такое соотношение, когда будут возможны все три режима. Внутри диапазона возможно множество передач, которое ограничивается возможностями управляющего привода 53 системы управления 12: чем на меньший угол может повернуться вал шагового электродвигателя, тем большее количество передач может быть реализовано.
Настройка двухпоточной трансмиссии осуществляется следующим образом. На линейном канале 27 корпуса 40 водила 25 выбирается реперная точка, в которой может находиться ответная часть оси 29 с шестерней. В блоке управления, который является частью системы управления, программно задается количество импульсов, подаваемых на шаговый электродвигатель, для проворота внутреннего диска 39 относительно корпуса 40. Т.е. блок управления «видит» конкретную передачу как количество и направление импульсов подаваемых на шаговый электродвигатель относительно реперной точки.
Смена передаточных чисел может производиться по трем вариантам. Первый вариант это условно ручное управление. Программное обеспечение блока управления шаговым электродвигателем определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи. Задачей оператора является своевременно менять передачу, путем подачи сигнала на блок управления, в зависимости от технологического процесса, в случае использования трансмиссии в качестве промышленного редуктора; либо режимов движения при использовании на транспортных машинах. Второй вариант это автоматическое управление. Программное обеспечение блока управления шаговым электродвигателем определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи, с алгоритмом переключения передач. Смена передач осуществляется блоком управления на основании показаний контролирующих датчиков. Это могут быть датчики числа оборотов входного и выходного валов, датчики нагрузки и т.д. Третий вариант это управление в режиме вариатора. Подразумевается работа трансмиссии аналогично режиму второго варианта, но по алгоритму без фиксированных передач. Общим для всех вариантов является последовательная смена передаточных отношений. Все варианты управления могут быть параллельно реализованы в одном блоке управления в качестве самостоятельных режимов, выбор между которыми определяется оператором.  В общем случае, момент переключения передач не зависит от состояния, в котором находится трансмиссия. Переключение может осуществляться на полностью остановленной трансмиссии, на трансмиссии работающей вхолостую и на работающей под нагрузкой.
При использовании на транспортных машинах возможен вариант установки двухпоточной трансмиссии без использования механизма сцепления. Трогание машины возможно путем плавного изменения передаточного отношения от режима нейтрали до первого фиксированного передаточного отношения. В движении имитация режима нейтрали обеспечивается включением адаптивного передаточного отношения позволяющего работать двигателю вхолостую при движении транспортной машины накатом.
Представленная выше двухпоточная трансмиссия показана для демонстрации её принципиальной работоспособности (стендовая модель для визуализации принципа действия). Для создания полноценной, работоспособной трансмиссии, она может быть снабжена системой смазки; относительные размеры элементов изготавливаются с учетом условия необходимой прочности. Применение различных алгоритмов работы, реализованных на программном обеспечении, и использование контрольно-измерительных приборов (датчиков и т.д.) позволяет решать широкий спектр задач при передаче механической энергии от двигателя до движителя.