Бесступенчатая гидродинамическая автоматическая коробка передач
CONTINIOUSLY VARYING HYDRODYNAMIC AUTOMATIC TRANSMISSION

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и касается конструкции элементов бесступенчатой коробки передач, используемой в автоматических трансмиссиях транспортных средств.
Известны автоматические и гидромеханические коробки передач, в которых переключение передач осуществляется посредством шестерен (RU 2341384, RU 2585093, RU 2659163, RU 2481511). Недостатками известных коробок передач являются: их большая масса и габариты, сложность конструкции, содержащей большое количество шестерен и переключающих механизмов, сложность в обслуживании и ремонте. Кроме того, включение в конструкцию гидротрансформатора в известных автоматических коробках передач приводит к дополнительному увеличению массогабаритных характеристик трансмиссии транспортного средства.
Известна также Гидродинамическая автоматическая коробка передач, наиболее близкая к предлагаемой (RU 2700106), содержащая, по меньшей мере, два насосных колеса, представляющих из себя круглые плоские диски, на фронтальной периферийной части которых прочно установлены радиально направленные лопасти, причем первое колесо жестко связано с входным валом, второе и последующие насосные колеса, диаметр каждого из которых больше диаметра предыдущего, установлены своими ступицами на ступицах предыдущих насосных колес с возможностью свободного вращения на них, но без возможности аксиального взаимного перемещения так, что на тыльной стороне каждого насосного колеса установлено устройство для блокирования его со следующим насосным колесом, а последнего насосного колеса - с турбинным колесом; на фронтальной части второго и последующих насосных колес и на турбинном колесе установлены цилиндрические кольца с внутренними зубьями для сцепления с блокирующим устройство; лопасти турбинного колеса со стороны, обращенной к лопастям насосных колес, закрыты конусообразным кольцевым диском, больший диаметр которого равен диаметру диска последнего насосного колеса, а меньший диаметр равен меньшему диаметру лопастей первого насосного колеса, причем турбинное колесо установлено на входном валу и в картере приводного устройства на подшипниках и соединено с механизмом реверса, устройством изменения режимов и ходовой частью транспортного средства. Недостатками упомянутой коробки являются: наличие нескольких насосных колес, что усложняет конструкцию коробки, необходимость переключения передач, сложность настройки механизма автоматического переключения передач.
Задачей предлагаемого изобретения и достигаемым техническим результатом являются: упрощение конструкции автоматической коробки передач и улучшение массогабаритных характеристик транспортного средства за счет уменьшения количества насосных колес и сложных механизмов их блокировки; улучшение характеристик коробки и комфортности езды за счет придания плавности перехода от низких скоростей к высоким и обратно.
Для получения данного технического результата предлагается Бесступенчатая гидродинамическая автоматическая коробка передач (БГДАКП), состоящая из: входного вала, на котором жестко закреплен центральный диск определенного диаметра с радиально направленными пазами, расположенными по концентрическим окружностям, отдаленным от центра на определенные расстояния; двух зеркально одинаковых насосных колес, размещенных на входном валу по обе стороны от центрального диска с возможностью ограниченного вращения на нем, но без возможности аксиального перемещения, имеющих форму сковородок с установленными в их центрах ступицами с обращенными к центральному диску плоскими доньями. Диаметры насосных колес больше диаметра центрального диска и они жестко закреплены друг с другом через пространство за центральным диском в сторону периферии осями, на которых установлены Г-образные управляющие грузики определенной массы, массивные части которых направлены против часовой стрелки, если смотреть со стороны входного вала, и имеют возможность, ограниченно вращаясь на них, перемещаться от центрального диска до корпуса коробки. На сторонах управляющих грузиков, обращенных к корпусу коробки, установлены фрикционные накладки. Вторые части управляющих грузиков, направленные от осей вращения к центральному диску, своими концами входят во внешние пазы на центральном диске. Установленная между центральным диском и насосными колесами возвратная пружина в свободном состоянии удерживает центральный диск в крайнем, повернутом против часовой стрелки положении относительно насосных колес в пределах его ограничения. На вогнутых периферийных частях и на частях насосных колес, прилегающих к их ступицам, жестко закреплены радиально направленные лопасти. В пространствах между лопастями, прилегающими к ступицам, и периферийными лопастями каждого насосного колеса по концентрическим окружностям, находящимся на определенном расстоянии от центра насосного колеса, расположены отверстия, в которые вставлены оси подвижных, изогнутых по определенной дуге лопастей, с возможностью вращения в них. Концы осей лопастей выступают на тыльной стороне насосных колес и имеют шлицы, на которых перпендикулярно осям лопастей жестко закреплены ножки лопастей, вторые концы ножек на определенном расстоянии от первых концов имеют выступы, параллельные осям лопастей, вставленные в соответствующие пазы на центральном диске. С обеих сторон насосных колес размещены два турбинных колеса с жестко закрепленными на них радиально направленными лопастями, обращенными к лопастям насосных колес, являющиеся одновременно двумя половинками разборного корпуса коробки. Со сторон, обращенных к насосным колесам, лопасти турбинного колеса закрыты кольцевыми тороидальными дисками, меньший диаметр которых равен диаметру окружности, проходящей по отдаленным от центра концам жестко закрепленных у ступиц насосных колес лопастей, а больший диаметр на определенную величину меньше диаметра окружности, проходящей по отдаленным от центра концам жестко закрепленных периферийных лопастей. Корпус коробки установлен на подшипниках на приводном валу и в картере маховика приводного устройства и заполнен рабочей жидкостью (маслом) и соединен с механизмом реверса и ходовой частью транспортного средства.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид Бесступенчатой гидродинамической автоматической коробки передач, где:
1 - Корпус
2 - Насосные колеса
3 - Центральный диск
4 - Входной вал
5 - Периферийные лопасти насосных колес
6 - Подвижные лопасти насосных колес
7 - Лопасти насосного колеса, прилегающие к ступице
8 - Лопасти турбинного колеса
9 - Ножки подвижных лопастей
10 - Пазы на центральном диске
11 - Подшипники
12 - Оси подвижных лопастей
13 - Тороидальные кольцевые диски
14 - Сальники
15 - Выступы ножек лопастей
16 - Выходной вал
17 - Управляющие грузики
18 - Оси управляющих грузиков
19 - Г-образный выступ грузика
20 - Внешние пазы центрального диска
21 - Пружина сервомеханизма
22 - Фрикционная пластина
Фиг. 2. Управляющие грузики
Фиг. 3. Насосное колесо.
Фиг. 4. Подвижная лопасть и управляющий грузик.
Фиг. 5. Насосные колеса в сборе.
Бесступенчатая гидродинамическая автоматическая коробка передач работает следующим образом: в начальный момент, при отсутствии крутящего момента на входном валу 16, под действием возвратной пружины (не показана) центральный диск 3 находится в крайнем положении против часовой стрелки (левом) относительно насосных колес 2, если смотреть со стороны входного вала. При таком положении центрального диска относительно насосных колес, ножки 9 подвижных лопастей 6, выступы 15 которых находятся в пазах 10 центрального диска 3, переводят подвижные лопасти 6 в радиально направленное состояние, как показано на Фиг. 1 основными линиями. Управляющие грузики при этом будут находиться в крайнем верхнем (около корпуса коробки) положении. При начале вращения входного вала 4 появится усилие между жестко связанным с ним центральным диском 3 и насосными колесами 2 из-за сопротивления рабочей жидкости вращению насосных колес и из-за их инертности. Центральный диск, преодолевая сопротивление возвратной пружины, перейдет в крайнее (правое) положение по часовой стрелке относительно насосных колес. Соответственно, выступы ножек подвижных лопастей 15, находящиеся в пазах центрального диска 3 и Г-образные выступы 19 управляющих грузиков 17 займут крайнее правое положение, что переведет лопасти и управляющие грузики в лежачее положение, как показано на Фиг. 1 пунктирными линиями. При таком положении подвижных лопастей в процессе перекачивания рабочей жидкости из центральной части к периферии и дальше к турбинному колесу участвуют лишь лопасти, жестко закрепленные около ступиц и на периферии насосных колес, и создаваемый ими поток жидкости будет небольшим.
При увеличении числа оборотов входного вала 4, с жестко закрепленным на нем центральным диском 3 и ограниченно вращающимися на нем насосными колесами 2, управляющие грузики 17 под действием центробежных сил, преодолевая усилие со стороны входного вала, передаваемое к ним через внешние пазы 20 на центральном диске, начнут перемещаться к периферии, а их Г-образные выступы 19, находящиеся во внешних пазах центрального диска 20, начнут возвращать центральный диск к исходному положению относительно насосных колес 2. В свою очередь, центральный диск 3, в пазах 10 которого находятся выступы ножек подвижных лопастей 15, начнет вращать ножки 9 против часовой стрелки на своих осях, что вызовет подъем подвижных лопастей из лежачего положения. Поднявшиеся подвижные лопасти (изменившийся угол атаки), увеличат поток перекачиваемой жидкости, что увеличит усилие, передаваемое на турбинное колесо, т.е. на выходной вал, но при этом будет расти и обратное усилие на подвижные лопасти со стороны перекачиваемой жидкости, стремящееся уложить их.
Увеличение нагрузки со стороны трансмиссии при неизменной величине крутящего момента на входном валу приведет к увеличению сопротивления вращению насосных колес, сила давления со стороны центрального диска на выступы ножек подвижных лопастей в направлении часовой стрелки увеличится, что приведет к определенной укладке лопастей и уменьшению нагрузки на входной вал, что, в свою очередь, позволяет сохранить числа оборотов входного вала и насосных колес близкими к первоначальным.
При снятии усилия со стороны входного вала, при продолжающемся движении транспортного средства, возвратная пружина и центробежная сила вращающихся управляющих грузиков и лопастей переведет центральный диск в исходное (повернутое против часовой стрелки) положение относительно насосных колес, лопасти займут крайнее, радиально направленное положение, управляющие грузики заблокируют насосные и турбинные колеса и начнется торможение транспортного средства приводным устройством, аналогично торможению двигателем при использовании механической коробки передач.
∧
Таким образом, все время противодействуют две силы: первая - суммарная сила со стороны входного вала и сила давления жидкости, стремящиеся уложить подвижные лопасти и управляющие грузики, и вторая - центробежная сила, действующая на управляющие грузики и лопасти, равная произведению их суммарных масс, радиусов их центров масс и квадрата угловой скорости вращения насосных колес (F=mrω2), стремящаяся поднять подвижные лопасти.
При этом будет автоматически регулироваться и сохраняться баланс между прилагаемым усилием со стороны приводного вала, углом поворота подвижных лопастей, скоростью вращения насосных колес, и, следовательно, соответствующей этим параметрам скоростью вращения выходного вала.
Для блокирования насосных колес с турбинным колесом, при достижении заданных чисел оборотов, применяются сервомеханизмы, состоящие из пружин, одни концы которых шарнирно закреплены на насосных колесах, а другие шарнирно закреплены на специальных выступах Г-образных грузиков, как показано на Фиг. 2. Массы, размеры и количество управляющих грузиков, жесткость пружин сервомеханизмов подбираются исходя из размеров и класса транспортного средства, типа применяемого двигателя. Например, для бензиновых двигателей они выбираются так, чтобы при достижении 2200-2400 оборотов в минуту, покрытая фрикционным материалом поверхность управляющих грузиков достигала внутренней поверхности кольца, установленного на одной из половинок корпуса, а сервомеханизм дополнительным усилием к центробежным силам, растущим пропорционально увеличению радиуса центров масс управляющих грузиков и пропорционально квадрату их угловой скорости, блокировал насосные колеса с корпусом коробки передач, причем на управляющих грузиках можно применить синхронизатор и зубчатое блокирующее устройство для исключения возможного скольжения. После блокировки насосных колес с корпусом коробки, вся коробка передач вращается в подшипниках как цельное твердое тело, исключается скольжение между насосными и турбинными колесами, прекращается движение рабочей жидкости внутри коробки.
Для увеличения передаваемой мощности от приводного устройства к трансмиссии, учитывая небольшие размеры коробки в аксиальном направлении, не увеличивая диаметральный размер места установки, на одном приводном валу можно последовательно установить несколько таких коробок, соединяя их корпусы между собой, или можно увеличить диаметр коробки.
Такая автоматическая коробка передач может быть установлена на различных видах транспортных средств, включая легковые и грузовые автомобили, сельскохозяйственную технику, морской и железнодорожный транспорт, на мощных инертных установках с электрическим приводом для уменьшения пускового тока, на мотоциклах и других самоходных транспортных средствах.