МНОГОДИАПАЗОННАЯ ТРЕХПОТОЧНАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ НА ОСНОВЕ ПЯТИЗВЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО МЕХАНИЗМА
MULTI-RANGE THREE-TRAIN STAGELESS TRANSMISSION BASED ON FIVE-LINK DIFFERENTIAL GEAR

Область техники. Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве бесступенчатой механической трансмиссии как стационарных, так и транспортных машин, в том числе с гибридными силовыми установками.
Уровень техники
Известны многочисленные варианты трехпоточных трансмиссий, содержащие по две электрические машины и по два элементарных дифференциальных механизма, соединенные по одной из возможных 144 схем (YUAN Shi-hua и др. Analysis of the compound split transmission based on the four-port power split device. Journal of Beijing Institute of Technology, 2012, vol.21, №1, c.50-57). Недостатком всех указанных схем является то, что на основе двух элементарных дифференциальных механизмов невозможно реализовать более двух бесступенчатых диапазонов, которые могут переключаться при синхронных угловых скоростях соединяемых и разъединяемых звеньев.
Известны сложные планетарные механизмы с четырьмя и более основными звеньями (Н.В. Филичкин. АНАЛИЗ ПЛАНЕТАРНЫХ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ ТРАНСПОРТНЫХ И ТЯГОВЫХ МАШИН. ЮУрГУ, Челябинск, 2008, с.13-14). Один многозвенный планетарный механизм, содержащий многовенцовые и (или) сцепленные сателлиты, способен заменить два соединенных между собой элементарных механизма; общее количество деталей при этом уменьшается.
Известна многопоточная трансмиссия по патенту US 8371983, содержащая входной вал, выходной вал, две электрические машины, один четырехзвенный планетарный механизм, один трехзвенный планетарный механизм и управляющие механизмы (муфты, тормоза), причем два звена четырехзвенного планетарного механизма постоянно попарно соединены с двумя звеньями трехзвенного планетарного механизма. Это устройство принято за аналог предлагаемого изобретения. Недостатком указанного устройства является то, что его выходной вал постоянно непосредственно соединен с одним из звеньев четырехзвенного дифференциального механизма, что делает возможным реализацию только одного диапазона передачи мощности между входным и выходным валами с бесступенчатым регулированием по трехпоточной схеме.
Известна также многодиапазонная многопоточная объемная гидромеханическая передача (патент RU №2269707), содержащая входной и выходной валы, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины, четырехзвенный дифференциал и четыре переключающих механизма. Это устройство также является аналогом предлагаемого изобретения. Недостатком указанного устройства является то, что на низшем диапазоне в нем реализуется двухпоточная схема с входным дифференциалом, а на высшем диапазоне - двухпоточная схема с выходным дифференциалом.
Известна также многодиапазонная многопоточная бесступенчатая трансмиссия (US 20080171625), включающая две электрические машины, механизмы переключения и четыре планетарных механизма, один из которых в части вариантов устройства выполнен четырехзвенным. Это устройство также является аналогом предлагаемого изобретения. Его недостатком также является то, что низший и высший диапазоны выполнены по двухпоточной схеме с одним дифференциалом.
Касательно приведенных аналогов предлагаемого изобретения следует заметить, что двухпоточные схемы, по сравнению с трехпоточными, не позволяют эффективно использовать установленную мощность бесступенчато-регулируемого звена (электрической, гидрообъемной или фрикционной передачи), поскольку при остановке одного из подвижных звеньев бесступенчато-регулируемого звена останавливается или входной (в схемах с выходным дифференциалом) или выходной (в схемах с входным дифференциалом) валы. По этой причине ширина диапазона двухпоточной передачи в области оптимальных режимов бесступенчато-регулируемого звена всегда оказывается завышенной (вплоть до бесконечности) в направлении повышения либо понижения передаточного отношения. При одинаковой ширине диапазона установленная мощность бесступенчато-регулируемого звена в двухпоточных трансмиссиях всегда оказывается выше, чем в трехпоточных трансмиссиях, а КПД трансмиссии, наоборот, ниже.
Известны несколько многодиапазонных трехпоточных трансмиссий (патенты РФ №2460918, №2460919, №2460921), включающих бесступенчато-регулируемое звено, элементарный дифференциальный механизм первого разделения постоянного зацепления, два элементарных дифференциальных механизма второго разделения (прямых и обратных режимов) постоянного зацепления и переключаемую согласующую коробку передач. Их общими недостатками являются большое количество планетарных механизмов в дифференциальном блоке и сопряженные с этим большое количество деталей, значительные габариты дифференциального блока и высокие постоянные потери на трение (не зависящие от нагрузки).
Одно из устройств, описанное в патенте №2460921 и включающее корпус, входной и выходной валы, варьирующее звено, дифференциальную передачу первого разделения, дифференциальную передачу второго разделения и согласующую передачу, характеризуется тем, что дифференциальная передача первого разделения состоит из одного дифференциального механизма, дифференциальная передача второго разделения состоит из двух дифференциальных механизмов - прямых и обратных режимов, а согласующая передача выполнена по трехвальной схеме с как минимум одним промежуточным валом, закрепленным в опорах вращения в корпусе, причем входной вал бесступенчатой коробки передач соединен с входными звеньями дифференциальных передач первого и второго разделения, а промежуточный вал выполнен с возможностью периодического кинематического соединения с выходными звеньями дифференциальных механизмов прямых и обратных режимов второго разделения, а также с выходным валом согласующей передачи, выполняющим роль выходного вала всей коробки передач. Это устройство имеет наибольшее количество общих признаков с предлагаемым изобретением и принято за прототип.
Задача изобретения
Задачей изобретения является упрощение конструкции многодиапазонной трехпоточной трансмиссии, снижение массы и уменьшение потерь на трение в ней за счет уменьшения количества дифференциальных механизмов.
Сущность изобретения
Задача изобретения решается тем, что предложена многодиапазонная трехпоточная бесступенчатая трансмиссия, включающая корпус, входной вал, выходной вал, бесступенчато-регулируемое звено, планетарный дифференциальный механизм и многодиапазонную согласующую коробку передач, характеризующаяся тем, что планетарный дифференциальный механизм выполнен пятизвенным, причем входной вал соединен с любым одним входным звеном упомянутого дифференциального механизма, многодиапазонная согласующая коробка передач соединена с любыми двумя другими выходными звеньями дифференциального механизма и с выходным валом, бесступенчато-регулируемое звено соединено с корпусом и двумя звеньями дифференциального механизма, свободными от связи с входным валом и многодиапазонной согласующей коробкой передач, многодиапазонная согласующая коробка передач также соединена с корпусом и содержит управляющие элементы, подключающие выходные звенья дифференциального механизма к выходному валу с различными передаточными отношениями, а передаточное отношение от одного выходного звена дифференциального механизма к другому выходному звену дифференциального механизма при остановленном входном вале имеет отрицательный знак.
Другим отличием предложенного изобретения является то, что планетарный дифференциальный механизм содержит один ряд многовенцовых сателлитов.
Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что планетарный дифференциальный механизм содержит два ряда одновенцовых сателлитов, причем сателлиты одного ряда сцеплены с сателлитами другого ряда.
Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что планетарный дифференциальный механизм содержит один ряд одновенцовых сателлитов и один ряд многовенцовых сателлитов, причем сателлиты одного ряда сцеплены с сателлитами другого ряда.
Еще одним отличием предложенного изобретения является то, что планетарный дифференциальный механизм содержит два ряда многовенцовых сателлитов, причем сателлиты одного ряда сцеплены с сателлитами другого ряда.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что бесступенчато-регулируемое звено выполнено в виде фрикционной передачи.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что бесступенчато-регулируемое звено выполнено в виде последовательной электрической передачи, а электрические машины передачи энергетически соединены между собой.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что бесступенчато-регулируемое звено выполнено в виде последовательной гидрообъемной передачи, а гидравлические машины передачи энергетически соединены между собой.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что бесступенчато-регулируемое звено включает, по меньшей мере, один редуктор с постоянным передаточным отношением.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что устройство содержит управляющий элемент, непосредственно подключающий входной вал к выходному валу.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что управляющие элементы многодиапазонной согласующей коробки передач допускают одновременное подключение обоих выходных звеньев дифференциального блока к выходному с различными сочетаниями передаточных отношений.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что многодиапазонная согласующая коробка передач содержит, по меньшей мере, два диапазона переднего хода и, по меньшей мере, один диапазон заднего хода.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что многодиапазонная согласующая коробка передач выполнена по двухвальной кинематической схеме.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что многодиапазонная согласующая коробка передач выполнена по трехвальной кинематической схеме таким образом, что на одном из диапазонов одно из выходных звеньев дифференциального блока может непосредственно подключаться к выходному валу.
Следующим отличием предложенного изобретения является то, что многодиапазонная согласующая коробка передач выполнена по планетарной кинематической схеме таким образом, что на одном из диапазонов одно из выходных звеньев дифференциального блока может непосредственно подключаться к выходному валу.
Описание фигур
Устройство представлено на 18 фигурах.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого изобретения.
На фиг.2-4 изображены три возможных варианта обобщенных структурных схем дифференциального блока предлагаемого изобретения.
На фиг.5 изображен пример кинематической схемы дифференциального блока, соответствующей обобщенной структурной схеме, изображенной на фиг.2.
На фиг.6 изображен план скоростей звеньев кинематической схемы, изображенной на фиг.5, при остановленном входном вале 1.
На фиг.7 изображен другой пример кинематической схемы дифференциального блока, соответствующей обобщенной структурной схеме, изображенной на фиг.2.
На фиг.8 изображен план скоростей звеньев кинематической схемы, изображенной на фиг.7, при остановленном входном вале 1.
На фиг.9 изображен третий пример кинематической схемы дифференциального блока, соответствующей обобщенной структурной схеме, изображенной на фиг.2.
На фиг.10 изображен план скоростей звеньев кинематической схемы, изображенной на фиг.9, при остановленном входном вале 1.
На фиг.11 изображен четвертый пример кинематической схемы дифференциального блока, соответствующей обобщенной структурной схеме, изображенной на фиг.2.
На фиг.12 изображен план скоростей звеньев кинематической схемы, изображенной на фиг.11, при остановленном входном вале 1.
На фиг.13 изображен пример кинематической схемы многодиапазонной согласующей коробки передач двухвального исполнения с четырьмя бесступенчатыми диапазонами движения вперед и одним бесступенчатым диапазоном движения назад.
На фиг.14 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач двухвального исполнения по фиг.13.
На фиг.15 изображен пример кинематической схемы многодиапазонной согласующей коробки передач трехвального исполнения с четырьмя бесступенчатыми диапазонами движения вперед и одним бесступенчатым диапазоном движения назад.
На фиг.16 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач трехвального исполнения по фиг.15.
На фиг.17 изображен, в виде половинного сечения, пример кинематической схемы многодиапазонной согласующей коробки передач планетарного исполнения с четырьмя бесступенчатыми диапазонами движения вперед, одним бесступенчатым диапазоном движения назад и прямой передачей.
На фиг.18 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач планетарного исполнения по фиг.17.
Описание устройства. Многодиапазонная трехпоточная бесступенчатая трансмиссия (фиг.1) включает входной вал 1, выходные звенья 2 и 3 дифференциального блока 4, в состав которого входит бесступенчато-регулируемое звено 5 с валами 6 и 7 и связью с неподвижным корпусом 8, а также согласующую коробку передач 9 и выходной вал 10. Входной вал 1 связан с дифференциальным блоком 4, выходные звенья 2 и 3 дифференциального блока 4 связаны с согласующей коробкой передач 9, а согласующая коробка передач 9 также связана с корпусом 8 и выходным валом 10. Многодиапазонная трехпоточная бесступенчатая трансмиссия также содержит управляющий механизм (муфту) 11 прямого соединения входного вала 1 и выходного вала 10. В любом варианте выполнения структурной схемы (фиг.2-4) дифференциальный блок 4 также содержит один пятизвенный планетарный дифференциальный механизм D1 (12).
Варианты кинематических схем, представленные на фиг.5, 7, 9 и 11, включают бесступенчато-регулируемое звено в виде двух регулируемых электрических машин Е1 и Е2, состоящих из роторов 13, 14 и статоров 15, 16. Ротор 13 соединен с валом 6, ротор 14 соединен с валом 7. В одном из вариантов осуществления изобретения между ротором (13 или 14) и соответствующим ему валом (6 или 7) размещен понижающий редуктор R2 (17) (фиг.3). В другом варианте осуществления изобретения между ротором 13 и валом 6 размещен понижающий редуктор R2 (17), а между ротором 14 и валом 7 размещен понижающий редуктор R3 (18) (фиг.4). Электрические машины энергетически соединены между собой посредством, например, двух автономных инверторов напряжения с промежуточным звеном постоянного тока (на фигурах не показаны).
Пятизвенный дифференциальный механизм D1 (12) включает центральные колеса 19, 20, 21 и 22, водило 23 и два ряда сцепленных сателлитов 24 и 25 (фиг.5, 7, 9). В одном из вариантов реализации изобретения оба ряда сцепленных сателлитов 24 и 25 могут быть выполнены одновенцовыми (фиг.5). В других вариантах один из рядов (фиг.7, 11) или оба ряда (фиг.9) сателлитов могут быть выполнены многовенцовыми. С центральными колесами 19 и 20 кинематически соединены роторы электрических машин 13 и 14, соответственно. Соединение может быть как непосредственным (фиг.2, 5, 7, 9, 11), так и посредством редукторов R2 и R3 (фиг.3, 4). Редукторы R2 и R3 несколько усложняют конструкцию, но при этом делают диапазон регулирования частот вращения электромашин бесступенчато-регулируемого звена независимым по отношению к частоте вращения входного вала 1. В случае использования редукторов R2 и R3 в некоторых вариантах реализации изобретения дифференциальный механизм D1 может включать только один ряд сателлитов, причем многовенцовых.
Согласующая коробка передач 9 (фиг.1) имеет несколько возможных вариантов устройства, каждый из которых не меняет сущности изобретения и ведет к получению заявленного результата.
На фиг.13 изображена согласующая коробка передач двухвального типа, с четырьмя диапазонами движения вперед и одним диапазоном движения назад. Она включает два соосных первичных вала - внешний 26 и внутренний 27, соединенных, соответственно, с выходными звеньями 2 и 3 дифференциального блока 4 непосредственно либо кинематически, например, посредством промежуточных зубчатых передач с постоянным передаточным отношением. На внешнем первичном валу 26 установлены с возможностью свободного вращения ведущие зубчатые колеса заднего диапазона 28, первого диапазона 29 и третьего диапазона 30. При увеличении числа диапазонов на внешнем первичном валу 26 устанавливают ведущие зубчатые колеса всех последующих нечетных диапазонов. Колеса 28, 29 и 30 могут жестко соединяться с валом 26 соответственно посредством управляющих механизмов (муфт) 31 (M1), 32 (М2) и 33 (М3) кулачкового или фрикционного типа. На внутреннем первичном валу 27 установлены с возможностью свободного вращения ведущие зубчатые колеса второго диапазона 34 и четвертого диапазона 35. При увеличении числа диапазонов на внутреннем первичном валу 27 устанавливают ведущие зубчатые колеса всех последующих четных диапазонов. Колеса 34 и 35 могут жестко соединяться с валом 27 соответственно посредством управляющих механизмов (муфт) 36 (М4) и 37 (М5), также кулачкового или фрикционного типа. Ведущее зубчатое колесо заднего диапазона 28 входит с ведомым колесом 38 посредством паразитного вала-шестерни 39 либо в постоянное зацепление (на фиг.13), либо паразитный вал-шестерню вводят в зацепление отдельным приводом (на фигурах не показано). В этом случае муфта 31 (M1) отсутствует, а колесо 28 жестко соединено с валом 26. Ведущие зубчатые колеса диапазонов переднего хода 29, 30, 34 и 35 входят в постоянное зацепление с колесами 40, 41, 42 и 43 соответственно. Колеса 38, 40, 41, 42 и 43 жестко закреплены на вторичном валу 44, который является выходным валом 10 всей трансмиссии. Реакции сил в зацеплениях, передающиеся на валы 26, 27, 39 и 44, воспринимаются корпусом 8.
На фиг.14 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач двухвального типа по фиг.13, а также области передаточных отношений для каждого режима работы трансмиссии, соответствующие приведенному примеру реализации согласующей коробки передач. Практический смысл представляют 10 состояний управляющих механизмов. При разомкнутом состоянии всех муфт реализуется состояние "нейтрали" в трансмиссии. При замкнутой муфте 31 (M1) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 28 заднего диапазона, паразитного колеса 39 и ведомого колеса 38 связан с выходным валом 10, что реализует бесступенчатый диапазон заднего хода (реверс, R). При замкнутых одновременно двух муфтах 31 (M1) и 32 (М2) выходной вал 10 и одно из звеньев дифференциального блока 4, соединенное с валом 26, блокируются за счет избыточной кинематической связи. В этом режиме возможна стоянка транспортного средства (Р). При замкнутой муфте 32 (М2) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 29 первого диапазона и ведомого колеса 40 связан с выходным валом 10, что реализует первый бесступенчатый диапазон переднего хода (I). При замкнутой муфте 36 (М4) внутренний первичный вал 27 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 34 второго диапазона и ведомого колеса 42 связан с выходным валом 10, что реализует второй бесступенчатый диапазон переднего хода (II). При замкнутой муфте 33 (М3) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 30 третьего диапазона и ведомого колеса 41 связан с выходным валом 10, что реализует третий бесступенчатый диапазон переднего хода (III). При замкнутой муфте 37 (М5) внутренний первичный вал 27 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 35 четвертого диапазона и ведомого колеса 43 связан с выходным валом 10, что реализует четвертый бесступенчатый диапазон переднего хода (IV). Помимо бесступенчатых диапазонов движения вперед, согласующая коробка передач по фиг.13 обеспечивает три режима переднего хода с фиксированным передаточным отношением, при которых одновременно замыкаются две муфты смежных диапазонов. При одновременном замыкании муфт 32 (М2) и 36 (М4) реализуется первая фиксированная передача (I+II). При одновременном замыкании муфт 36 (М4) и 33 (М3) реализуется вторая фиксированная передача (II+III). При одновременном замыкании муфт 33 (М3) и 37 (М5) реализуется третья фиксированная передача (III+IV).
На фиг.15 изображена согласующая коробка передач трехвального типа с четырьмя диапазонами движения вперед и одним диапазоном движения назад. Она включает два соосных первичных вала - внешний 26 и внутренний 27, соединенных, соответственно, с выходными звеньями 2 и 3 дифференциального блока 4 непосредственно либо кинематически, например, посредством промежуточных зубчатых передач с постоянным передаточным отношением. На внешнем первичном валу 26 установлены с возможностью свободного вращения ведущие зубчатые колеса заднего диапазона 28, первого диапазона 29 и третьего диапазона 30. При увеличении числа диапазонов на внешнем первичном валу 26 устанавливают ведущие зубчатые колеса всех последующих нечетных диапазонов. Колеса 28, 29 и 30 могут жестко соединяться с валом 26 соответственно посредством управляющих механизмов (муфт) 31 (M1), 32 (М2) и 33 (М3) кулачкового или фрикционного типа. На внутреннем первичном валу 27 установлено с возможностью свободного вращения ведущее зубчатое колесо второго диапазона 34. При увеличении числа диапазонов на внутреннем первичном валу 27 устанавливают ведущие зубчатые колеса всех последующих четных диапазонов. Колесо 34 может жестко соединяться с валом 27 посредством управляющего механизма (муфты) 36 (М4), кулачкового или фрикционного типа. Вал 27 может жестко соединяться с выходным валом 10 посредством управляющего механизма (муфты) 37 (М5), также кулачкового или фрикционного типа. Ведущее зубчатое колесо заднего диапазона 28 входит с ведомым колесом 38 посредством паразитного вала-шестерни 39 либо в постоянное зацепление (на фиг.15), либо паразитный вал-шестерню вводят в зацепление отдельным приводом (на фигурах не показано). В этом случае муфта 31 (M1) отсутствует, а колесо 28 жестко соединено с валом 26. Ведущие зубчатые колеса диапазонов переднего хода 29, 30 и 34 входят в постоянное зацепление с колесами 40, 41 и 42, соответственно. Колеса 38, 40, 41, и 42 жестко закреплены на промежуточном валу 45. На этом же валу жестко закреплено зубчатое колесо 46, находящееся в постоянном зацеплении с зубчатым колесом 47, жестко закрепленным на выходном валу 10. Валы 26, 27 и 10 в согласующей коробке передач трехвального типа соосны. Реакции сил в зацеплениях, передающиеся на валы 26, 27, 39, 45 и 10, воспринимаются корпусом 8.
На фиг.16 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач трехвального типа по фиг.15, а также области передаточных отношений для каждого режима работы трансмиссии, соответствующие приведенному примеру реализации согласующей коробки передач. Практический смысл представляют 10 состояний управляющих механизмов. При разомкнутом состоянии всех муфт реализуется состояние "нейтрали" в трансмиссии. При замкнутой муфте 31 (M1) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 28 заднего диапазона, паразитного колеса 39, ведомого колеса 38 промежуточного вала 45, ведущего колеса 46 промежуточного вала 45, и ведомого колеса 47 связан с выходным валом 10, что реализует бесступенчатый диапазон заднего хода (реверс, R). При замкнутых одновременно двух муфтах 31 (M1) и 32 (М2) выходной вал 10 и одно из звеньев дифференциального блока 4, соединенное с валом 26, блокируются за счет избыточной кинематической связи. В этом режиме возможна стоянка транспортного средства (Р). При замкнутой муфте 32 (М2) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 29 первого диапазона, ведомого колеса 40 промежуточного вала 45, ведущего колеса 46 промежуточного вала 45 и ведомого колеса 47 связан с выходным валом 10, что реализует первый бесступенчатый диапазон переднего хода (I). При замкнутой муфте 36 (М4) внутренний первичный вал 27 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 34 второго диапазона, ведомого колеса 42 промежуточного вала 45, ведущего колеса 46 промежуточного вала 45 и ведомого колеса 47 связан с выходным валом 10, что реализует второй бесступенчатый диапазон переднего хода (II). При замкнутой муфте 33 (М3) внешний первичный вал 26 посредством зацепления ведущего зубчатого колеса 30 третьего диапазона, ведомого колеса 41 промежуточного вала 45, ведущего колеса 46 промежуточного вала 45 и ведомого колеса 47 связан с выходным валом 10, что реализует третий бесступенчатый диапазон переднего хода (III). При замкнутой муфте 37 (М5) внутренний первичный вал 27 непосредственно связан с выходным валом 10, что реализует четвертый бесступенчатый диапазон переднего хода (IV). Помимо бесступенчатых диапазонов движения вперед, согласующая коробка передач по фиг.15 обеспечивает три режима переднего хода с фиксированным передаточным отношением, при которых одновременно замыкаются две муфты смежных диапазонов. При одновременном замыкании муфт 32 (М2) и 36 (М4) реализуется первая фиксированная передача (I+II). При одновременном замыкании муфт 36 (М4) и 33 (М3) реализуется вторая фиксированная передача (II+III). При одновременном замыкании муфт 33 (М3) и 37 (М5) реализуется третья фиксированная передача (III+IV).
На фиг.17 изображена согласующая коробка передач планетарного типа с четырьмя диапазонами движения вперед, одним диапазоном движения назад и прямой передачей. Она включает три соосных первичных вала - внутренний ведущий вал 1, внешний вал 26 и средний вал 27. Валы 26 и 27 непосредственно соединены соответственно с выходными звеньями 2 и 3 дифференциального блока 4. Вал 1 может непосредственно подсоединяться к выходному валу 10 посредством управляющего механизма (муфты) 11 (М7), кулачкового или фрикционного типа. Вал 26 жестко связан с центральным колесом 48 планетарного редуктора диапазонов заднего, первого и третьего диапазонов (R, I, III), в состав которого входят также центральное колесо 49, жестко связанное с корпусом 8 и водило 50 с сателлитами 51. Водило 50 может подсоединяться к солнечному колесу 52 планетарного редуктора заднего, первого и второго диапазонов (R, I, II) посредством управляющего механизма (муфты) 53 (М3) и к водилу 54 упомянутого редуктора посредством управляющего механизма (муфты) 55 (M1). Вал 26 может подсоединяться к солнечному колесу 52 планетарного редуктора заднего, первого и второго диапазонов посредством управляющего механизма (муфты) 56 (М4). Солнечное колесо 52 входит в постоянное зацепление с сателлитом 57, ось которого закреплена в водиле 54. Водило 54 может подсоединяться к выходному валу 10 посредством управляющего механизма (муфты) 58 (М5), к солнечному колесу 52 посредством управляющего механизма (блокировочной муфты) 59 (М2), а также к корпусу 8 посредством управляющего механизма (тормоза) 60 (Т1). Сателлит 57 также находится в постоянном зацеплении с коронным колесом 61, которое может подсоединяться к корпусу 8 посредством управляющего механизма (тормоза) 62 (Т2) и к выходному валу 10 посредством управляющего механизма (муфты) 63 (М6).
На фиг.18 изображена таблица состояний управляющих элементов согласующей коробки передач планетарного типа по фиг.17, а также области передаточных отношений для каждого режима работы трансмиссии, соответствующие приведенному примеру реализации согласующей коробки передач. Практический смысл представляют 11 состояний управляющих механизмов. При замкнутой муфте 53 (М3) реализуется состояние "нейтрали". Замыкание муфты 53 (М3) необходимо для того, чтобы избежать лишних степеней свободы в трансмиссии и облегчить переход на смежные режимы работы за счет предварительной синхронизации скоростей сцепляющихся звеньев. При замкнутых муфтах 53 (М3), 63 (М6) и тормозе 60 (Т1) внешний первичный вал 26 связан с выходным валом 10 посредством планетарного редуктора (R, I, III) с заторможенным центральным колесом 49 и планетарного редуктора (R, I, II) с заторможенным водилом 54, что реализует бесступенчатый диапазон заднего хода (реверс, R). При замкнутых муфтах 53 (М3), 63 (М6) и тормозе 62 (Т2) выходной вал 10 связан с корпусом 8 трансмиссии. В этом режиме возможна стоянка транспортного средства (Р). При замкнутых муфтах 53 (М3), 58 (М5) и тормозе 62 (Т2) внешний первичный вал 26 связан с выходным валом 10 посредством планетарного редуктора (R, I, III) с заторможенным центральным колесом 49 и планетарного редуктора (R, I, II) с заторможенным коронным колесом 61, что реализует первый бесступенчатый диапазон переднего хода (I). При замкнутых муфтах 56 (М4), 58 (М5) и тормозе 62 (Т2) внутренний первичный вал 27 связан с выходным валом 10 посредством планетарного редуктора (R, I, II) с заторможенным коронным колесом 61, что реализует второй бесступенчатый диапазон переднего хода (II). При замкнутых муфтах 55 (M1), 56 (М4), 58 (М5) внешний первичный вал 26 связан с выходным валом 10 посредством планетарного редуктора (R, I, III) с заторможенным центральным колесом 49, что реализует третий бесступенчатый диапазон переднего хода (III). При замкнутых муфтах 59 (М2), 56 (М4) и 58 (М5) внутренний первичный вал 27 жестко связан с выходным валом 10 посредством водила 54, что реализует четвертый бесступенчатый диапазон переднего хода (IV). Помимо бесступенчатых диапазонов движения вперед, согласующая коробка передач по фиг.17 обеспечивает четыре режима переднего хода с фиксированным передаточным отношением, один из которых обеспечивает прямую передачу. При одновременном замыкании муфт 53 (М3), 56 (М4), 58 (М5) и тормоза 62 (Т2) реализуется первая фиксированная передача (I+II). При одновременном замыкании муфт 55 (M1), 56 (М4), 58 (М5) и тормоза 62 (Т2) реализуется вторая фиксированная передача (II+III). При одновременном замыкании муфт 55 (M1), 59 (М2), 56 (М4) и 58 (М5) реализуется третья фиксированная передача (III+IV). При замкнутой муфте 11 (М7) входной вал 1 непосредственно связан с выходным валом 10, реализуя четвертую (прямую) фиксированную передачу. Муфты 59 (М2), 56 (М4) и 58 (М5) на прямой передаче также остаются замкнутыми для блокирования избыточных степеней свободы трансмиссии.
Описание работы
Многодиапазонная трехпоточная бесступенчатая трансмиссия во всех вариантах исполнения работает следующим образом.
На всех режимах, кроме прямой передачи, механическая мощность приводного двигателя поступает на входной вал 1, передается от него в дифференциальный блок 4, затем посредством выходных звеньев 2 и 3 передается в согласующую коробку передач 9 и затем на выходной вал 10, соединенный с рабочим органом (движителем транспортного средства).
Дифференциальный блок осуществляет бесступенчатое регулирование передаточного отношения от входного вала 1 к выходным звеньям 2 и 3. Регулирование передаточного отношения происходит за счет изменения соотношения частот вращения входного вала 1 и роторов 16 и 17 электрических машин Е1 и Е2.
Соотношения чисел зубьев колес дифференциального механизма D1 в приведенных на фиг.5, 7, 9 и 11 вариантах исполнения подобраны таким образом, что при остановленном входном вале 1 относительные угловые скорости электрических машин Е1 и Е2 примерно равны по величине и противоположны по направлению, а угловые скорости валов 2 и 3 противоположны по направлению, приблизительно равны друг другу по величине и составляют примерно 1/3 скорости электрических машин. При регулировании передаточного отношения абсолютные угловые скорости электрических машин варьируются приблизительно в пределах (0..2)ω1 (в противофазе), а абсолютные угловые скорости валов 2 и 3 при этом изменяются приблизительно в пределах (2/3...4/3)ω1 (также в противофазе). Таким образом, ширина каждого диапазона в показанных на фиг.5, 7, 9 и 11 примерах составляет приблизительно 2.
Общий диапазон бесступенчатого регулирования передаточного отношения трансмиссии составлен из нескольких частей (диапазонов), которые последовательно переключаются с низшего диапазона на высший при уменьшении передаточного отношения и с высшего на низший при его увеличении. Выходное звено 2 подключается к выходному валу 10 посредством согласующей коробки передач 9 на нечетных диапазонах (задний ход R, I, III), а выходное звено 3 - на четных диапазонах (II, IV). Передаточные отношения в согласующей коробке передач подобраны таким образом, что при достижении границ передаточного отношения между смежными диапазонами соответствующие этим диапазонам звенья согласующей коробки передач вращаются синхронно. В представленном на фиг.13 варианте передаточное отношение в согласующей коробке передач на диапазоне I равно 4 (от вала 26 к валу 10), на диапазоне II равно 2 (от вала 27 к валу 10), на диапазоне III равно 1 (от вала 26 к валу 10), на диапазоне IV равно 0.5 (от вала 27 к валу 10). Вал 10 вращается в противоположную сторону относительно валов 26 и 27 (на диапазонах и фиксированных передачах переднего хода). В представленных на фиг.15 и фиг.17 вариантах передаточное отношение в согласующей коробке передач на диапазоне I равно 8 (от вала 26 к валу 10), на диапазоне II равно 4 (от вала 27 к валу 10), на диапазоне III равно 2 (от вала 26 к валу 10), на диапазоне IV равно 1 (от вала 27 к валу 10). Вал 10 вращается сонаправленно относительно валов 26 и 27 (на диапазонах и фиксированных передачах переднего хода).
Указанные варианты передаточных отношений в согласующей коробке передач всех исполнений соответствуют ширине нечетных и четных диапазонов, приблизительно равной 2.
Количество диапазонов трансмиссии принципиально не ограничено и достигается увеличением числа зубчатых передач и управляющих механизмов в согласующей коробке передач 9 (фиг.1). При увеличении числа диапазонов, можно, с одной стороны, уменьшать ширину каждого диапазона, тем самым уменьшая долю мощности, протекающую через бесступенчато-регулируемое звено. С другой стороны, при увеличении числа диапазонов можно увеличивать общий силовой диапазон трансмиссии.
Независимое изменение ширины четных и нечетных диапазонов в зависимости от области применения трансмиссии осуществляется за счет изменения соотношений числа зубьев колес дифференциального механизма D1.
Переключение диапазонов осуществляют с перекрытием, то есть последующий диапазон включается до выключения предыдущего, поэтому разрыва силового потока при переключении не происходит. Возможна длительная работа при двух одновременно включенных смежных диапазонах. За счет добавления кинематической связи, передаточное отношение трансмиссии в этом режиме фиксируется, кинематическая схема преобразуется в двухпоточную и валы 6 и 7 бесступенчато-регулируемого звена 5 могут вращаться вхолостую, без передачи мощности. На фиксированных передачах КПД трансмиссии повышается, поскольку потери в бесступенчато-регулируемом звене устраняются.
В режиме прямой передачи механическая мощность приводного двигателя поступает на входной вал 1 и прямо передается на выходной вал 10 посредством включенного управляющего механизма (муфты) 11 (фиг.1). В этом режиме КПД трансмиссии приближается к 100%. Прямая передача может включаться без разрыва силового потока в момент времени, когда передаточное отношение на одном из бесступенчатых диапазонов равняется единице. В вариантах реализации изобретения с согласующей коробкой передач, представленной на фиг.17, включение прямой передачи осуществляется при движении на диапазоне IV.
Замена электрических машин бесступенчато-регулируемого звена 5 (фиг.1) на регулируемые гидрообъемные машины или на фрикционную передачу (вариатор) не меняет сущности изобретения и выполняет задачу изобретения в той же мере. Общим признаком бесступенчато-регулируемого звена любого типа является наличие реакции опоры (корпуса) 8 для преобразования величины крутящего момента. В представленных вариантах реакцию опоры обеспечивают неподвижным закреплением статоров 15 и 16 электрических машин Е1 и Е2.
Изменение кинематических схем путем изменения соединений звеньев дифференциальных механизмов, замены одновенцовых сателлитов на многовенцовые и (или) сцепленные и, наоборот, с сохранением соответствия структурным схемам, изображенным на фиг.2-4, также не меняет сущности изобретения и приводит к такому же техническому результату. Фиг.5, 7, 9 и 11 показывают, что одна и та же обобщенная структурная схема может быть реализована несколькими вариантами кинематических схем (в этом примере все четыре кинематические схемы соответствуют структурной схеме по фиг.2).
Таким образом, задача изобретения решается в полной мере при любых сочетаниях структурных схем дифференциального блока, приведенных на фиг.2-4, кинематических схем согласующей коробки передач, приведенных на фиг 13, 15 и 17, и при любом типе бесступенчато-регулируемого звена (фрикционном, электрическом, гидравлическом).