НЕПРЕРЫВНО ИЗМЕНЯЕМОЕ ПЕРЕДАТОЧНОЕ ЧИСЛО
CONTINUOUSLY VARIABLE REDUCTION RATE

Настоящее изобретение относится к механической коробке передач с непрерывно изменяемым передаточным числом, что обеспечивается посредством использования соответствующей комбинации последовательности механизмов, раскрытых в этом описании, в которой объединяется действие вариатора скорости с различными фиксированными передаточными числами и механизмов дифференциала так, чтобы мощность, которая циркулирует через вариатор скорости, можно было понизить до желательной степени. Кроме того, описано, каким образом можно достигнуть этого при минимальном количестве компонентов и так, чтобы мощность передавалась, насколько это возможно, прямо от ведущего вала на ведомый вал, также обеспечивая передачу вращающего момента на ведомый вал без перерыва в любое время.
Когда механическую мощность вращения при определенной угловой скорости ω1 преобразуют в другую мощность при другой угловой скорости ω2, частное между этими значениями называют передаточным числом. Механизмы изменения скорости, или бесступенчатая передача, должны изменять передаточное число непрерывно и поступательно.
Бесступенчатые передачи могут быть классифицированы на три большие группы:
A) Механизмы, которые передают вращение прямо от ведущего вала на ведомый вал через промежуточный элемент, который под действием трения приводится ведущим валом и, в свою очередь, приводит ведомый вал; эта группа включает вариаторы скорости на основе клинового ремня, тороидальные вариаторы, конические роликовые вариаторы, и т.д.;
B) Системы, которые преобразуют механическую мощность вращения ведущего вала в другую форму энергии, которой проще управлять, и затем снова преобразуют ее в механическую мощность вращения на ведомом валу; эта группа включает гидростатические вариаторы, инверторы крутящего момента, пары электрических машин, одна из которых работает как генератор и другая как двигатель, системы, которые преобразуют вращательное движение в другое колебательное движение и затем из него снова генерируют вращательное движение;
C) Системы, которые объединяют механизмы предыдущих групп с одним или несколькими механизмами дифференциала.
Механизмы группы А обеспечивают непрерывное последовательное изменение передаточного числа от минимального значения до максимального значения того же знака, то есть они не позволяют изменять направление вращения на обратное, поскольку при переходе через нулевое передаточное число элемент трения должен обеспечивать привод одного из валов с нулевым радиусом и с бесконечным напряжением; при этом на практике существует минимум, близко к которому элемент трения начинает проскальзывать, и механизм прекращает работу. При этом обеспечивается плохой выход энергии по сравнению с этим показателем для зубчатых передач из-за наличия элемента трения.
Механизмы группы В, если они правильно разработаны, позволяют изменять направление вращения на обратное, но также имеют плохой механический выход по сравнению с зубчатыми передачами вследствие того, что при каждом преобразовании энергии в другую форму накапливаются потери.
Механизмы группы С, то есть комбинация одного или нескольких механизмов дифференциала с вариатором скорости, используются с двумя возможными целями: получить механизм, который позволяет изменять на обратное направление вращения вариатора, начиная от вариатора, который изначально не позволяет это. Благодаря разделению мощности на две части, одну из которых передают через вариатор, и другую через шестерни, обеспечивают возможность использования вариатора с меньшими размерами и большим механическим выходом механизма в целом.
Эти механизмы, в свою очередь, могут быть классифицированы на две подгруппы: те, что просто объединяет вариатор с одним или несколькими дифференциалами, и те, в которых добавлено внешнее переключение передачи, чтобы увеличить диапазон изменения основного механизма.
Среди механизмов, ограниченных объединением вариатора с дифференциалом, есть несколько патентов, которые раскрывают способ понижения мощности, передаваемой вариатором, например US 1762199; эти механизмы известны как механизмы "с разделением мощности". В других патентах, таких как, например, US 1833475, FR 091705, US 2745297, ES 2142223, раскрыты механизмы, которые позволяют изменять направление вращения на обратное, эти механизмы известны как механизмы "с рециркуляцией мощности".
Одни из этих патентов отличаются от других типом вариатора, типом дифференциала и передач, используемых для их соединения.
Невозможно обеспечить оба эффекта одновременно. Механизмы, которые изменяют направление вращения на обратное ("с рециркуляцией мощности"), усиливают мощность, которая циркулирует через вариатор; механизмы, которые понижают мощность, которая циркулирует через вариатор ("с разделением мощности"), не позволяют изменять направление вращения на обратное.
Механизмы, такие как раскрытые в предыдущих патентах, обеспечивают достижение общего передаточного числа механизма в функции передаточного числа вариатора в соответствии с уравнением:
τ=a+b·r
min
max
r≤r≤r
где:
τ - общее передаточное число механизма, то есть угловая скорость ведомого вала, разделенная на угловую скорость ведущего вала.
min
mах
r - передаточное число вариатора скорости; это передаточное число изменяется между минимальным значением r и максимальным значением r, оба с одним знаком, когда вариатор не имеет характеристики, обеспечивающей возможность изменения направления вращения на обратное.
а и b - константы, которые зависят от фиксированных передаточных чисел, характеристик дифференциала и способа соединения разных компонентов.
В этих условиях мощность, передаваемая вариатором, постоянно представляет собой функцию передаточного числа механизма, если константы а и b выбраны так, чтобы в точке, в которой эта мощность является максимальной, ее значение было минимально возможным, так чтобы:
Для механизмов с вариатором группы А:
И для механизмов с вариатором группы В:
где:
max
γ - фракция мощности, передаваемая механизмом, которая проходит через вариатор, то есть мощность, передаваемая вариатором, разделенная на полную мощность, передаваемую механизмом, когда передаточное число делает это значение максимальным.
β - степень изменения передаточного числа механизма, то есть максимальное передаточное число, которое может быть получено, разделенное на минимальное его значение.
max
min
rang - диапазон изменения вариатора, то есть r/r.
Также были предложены механизмы, которые объединяют два или больше дифференциалов с вариатором и большим или меньшим количеством модулей передаточных чисел промежуточного вала между этими элементами; примеры механизма этого типа раскрыты в патентах US 2384776, US 4936165, ES 2190739, где на фигурах 17, 18 и 19 представлены блок-схемы этих механизмов, соответственно предложенные в каждом из указанных патентов. Все они позволяют получать общее передаточное число механизма в соответствии с передаточным числом вариатора, таким как:
где τ - общее передаточное число механизма, r - передаточное число вариатора и а, b, с, и d принимают значения в соответствии с характеристиками передаточных чисел промежуточного вала и дифференциалов.
Несмотря на преимущества по сравнению с механизмами, в которых используют один дифференциал, эти механизмы имеют недостаток, связанный с потерями, возникающими на промежуточных валах.
Известно решение, в котором устранены промежуточные валы и которое раскрыто в патенте US 6595884 (блок-схема механизма, заявленного в нем, показана на фиг.20). Несмотря на устранение промежуточных валов этот механизм также имеет недостаток, связанный с тем, что только часть мощности передается прямо от ведущего вала на ведомый вал, пересекая один дифференциал, остальная часть должна пересечь два дифференциала, что означает накопление потерь.
Механизмы, в которых добавлено внешнее переключение передачи, позволяют расширить полную степень изменения передаточного числа механизма, и аналогично они должны понижать степень изменения передаточного числа основного механизма до минимума, что означает, что при соответствующем выборе компонентов фракцию мощности, которая циркулирует через вариатор, можно понизить, насколько это желательно, добавляя достаточное количество шестерен во внешнем переключении передач.
Были раскрыты две формы увеличения диапазона с помощью внешнего переключения передачи, первая раскрыта в патенте US 5167591, работа которой может быть кратко описана следующим образом. Предположим, что начинают с минимального передаточного числа, если оно вначале поступательно изменяется до максимума, в этой точке передачу разъединяют посредством сцепления, в течение этого разъединения передаточное число изменяется до минимального значения и включается следующая передача, после чего цикл повторяется.
Недостаток этой системы состоит в том, что во время переключения передачи система какое-то время остается отсоединенной (от коробки передач); этим временем нельзя пренебречь, поскольку вариатор должен перейти от своего максимального передаточного числа до минимума или, наоборот, до того, как его можно будет повторно соединить (включить передачу); с другой стороны, это решение позволяет разработать систему с любым желаемым количеством передач и обеспечить возможность любой последовательности переключения между ступенями передачи.
Другое решение раскрыто в патенте US 5643121; идея состоит в поочередном соединении одного из двух валов дифференциала с ведомым валом (третий вал представляет собой вход механизма), при этом во время чередования изменяется передаточное число. Передаточные числа определены так, чтобы в течение перехода оба передаточных числа можно было поддерживать в зацеплении посредством одновременного использования разных сцеплений (синхронное переключение), что означает, что время перехода может быть незначительным и, кроме того, передача мощности на ведомый вал не будет потеряна во время переключения. Система будет также функционировать, если ведущий вал поменять с ведомым и наоборот. Могут быть подключены больше чем две ступени передачи (как описано в патенте), они все еще остаются взаимозависимыми, и система может быть оптимизирована только для первых двух.
2
Таким образом, в системе с двумя ступенями передачи такой как, например, представлена в патентах, через вариатор может быть получена степень изменения 6,25=2,5 при одинаковой максимальной фракции мощности вместо степени изменения 2,5 (71,4%). Но при увеличении количества ступеней передачи до бесконечности можно получить только 50% понижение фракции мощности, передаваемой через вариатор.
В патенте US 5643121 также раскрыта форма переключения направления вращения на обратное, для чего добавлен второй дифференциал; этот второй дифференциал работает вхолостую во всех режимах кроме режимов, в которых разрешено изменение направления вращения, при этом второй дифференциал вычитает скорости двух рычагов первого дифференциала, что позволяет изменять передаточное число от положительного значения до отрицательного значения с проходом через нуль. Во время режима, в котором разрешено изменение направления вращения на обратное, система соответствует схеме, такой как представлена на фиг.21. Входная мощность проходит на выход, пересекая два дифференциала и с рециркуляцией через вариатор.
Все эти системы требуют для их выполнения системы управления, которая начиная с требуемого в любой момент времени передаточного числа воздействует на элемент вариатора. Это воздействие выполняется с использованием механизмов, приводимых в действие электродвигателями или пневматическими или гидравлическими цилиндрами, и т.д.
Техническая проблема, связанная с механизмами изменения скорости, состоящими из вариатора и дифференциалов, состоит в сокращении до минимума мощности, которая циркулирует через элемент изменения скорости, с одновременным получением широкого диапазона изменения скорости во всем механизме с возможным изменением направления вращения на обратное.
Аналогично задача изобретения состоит в том, чтобы свести к минимуму количество шестерен, режимов или ступеней передачи.
Также предпочтительно, чтобы переключение с одной ступени передачи на другую выполнялось без разъединения механизма, то есть без остановки передачи вращающего момента на ведомый вал.
Также предпочтительным является возможность передачи мощности от ведущего вала на ведомый вал, насколько это возможно, прямо, по возможности не пересекая передачи промежуточного вала, и если возможно, с прохождением через один дифференциал.
Настоящее изобретение решает проблему, представленную комбинацией нововведений относительно текущего уровня техники, описанного ниже.
Механизм, схема которого представлена на фиг.1, состоит из двух дифференциалов (Da и Db) и вариатора (V) скорости. Как ведущий вал (вал i), так и ведомый вал (вал о) одновременно соединены с одним из валов каждого из дифференциалов Da и Db, в то время как вариатор включен между валом дифференциала Da, не соединенным с входом, или ведомым валом (валом 6), и валом Db дифференциала, не соединенным с входом, или ведомым валом (валом 7).
Этот механизм позволяет получить следующее общее передаточное число механизма в соответствии с передаточным числом вариатора:
где τ - общее передаточное число механизма, r - передаточное число вариатора и а, b, с, и d принимают следующие значения:
а
-Db
b
Da
с
-Db·(1-Da)
с
Da·(1-Db)
где Da - передаточное число между валом 6 и ведущим валом, которое было бы у дифференциала Da, если бы ведомый вал был заблокирован, и Db - передаточное число, которое было бы у дифференциала Db между ведущим валом и валом 7, если бы ведомый вал был заблокирован.
В этом механизме посредством соответствующего выбора Da и Db достигается то, что максимальная мощность, проходящая через вариатор, не превышает:
В случае использования вариаторов группы А и максимальной мощности:
В случае использования вариаторов, которые позволяют изменять направление вращения на обратное.
Кроме того, здесь отсутствуют промежуточные валы, и выход не снижается из-за наличия двух дифференциалов вместо одного, так как входная мощность разделяется, при этом одна часть проходит через один из дифференциалов, и остальная - через другой, потери энергии в данном случае не больше, чем если бы использовался один дифференциал.
Такие два дифференциала действуют симметрично, при этом существуют режимы, в которых большинство мощности проходит через Da и остальная ее часть через Db, и наоборот, существует также режим, в котором она точно разделена по 50%.
Следующий элемент, включенный в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой многоступенчатый механизм, схема которого представлена на фиг.2. Этот механизм увеличивает диапазон изменения основной части системы.
2n
2n+i
2n
2n+i
o
0
min
mах
1
1
0
0
mах
min
2
2
Такой механизм состоит из основной части, представленной черным ящиком, обозначенным символом V, который представляет собой реверсивный механизм изменения скорости с ведущим валом i и ведомым валом о; эта основная часть может быть выполнена в соответствии с описанной выше системой или с использованием любой другой известной системы. Механизм имеет четыре множества передаточных чисел, модули R, R, S и S передаточных чисел, при этом ведущий вал механизма i' поочередно соединяют с ведущим валом i основной части и с его ведомым валом о, в то время как ведомый вал механизма о' поочередно соединяют с ведомым валом о основной части и с ведущим валом i'. Этот механизм работает следующим образом: Вначале ведущий вал i' соединяют через первый модуль передаточного числа R с валом i и ведомый вал о' соединяют через S с валом о, вариатор V изменяет свое передаточное число от τ до τ, в этой точке R и S соединены и R и S разъединены, вариатор V снова изменяет свое передаточное число от τ до τ в точке, когда R и S соединены, и так далее. Передаточные числа выбираются следующим образом:
2n
0
n
R=R·β
2n
0
n
S=S·β
2n+l
0
n
max
R=R·βτ
2n+i
0
n
min
S=S·β-τ
где:
Переключения могут быть выполнены при поддержании этих четырех передаточных чисел соединенными одновременно.
В этом механизме получена следующая полная степень изменения:
1
m
β=β
где m - количество ступеней передачи. Этот механизм гарантирует передачу вращающего момента в течение переключения и позволяет понизить для всего механизма степень изменения передаточного числа основной части, насколько это требуется.
В данном механизме предпочтительно, чтобы основная часть была сформирована из механизма в соответствии со схемой по фиг.1, поскольку она обеспечивает наименьшее количество возможных ступеней передачи и максимальный выход для данного вариатора, но также возможно воплотить основную часть в соответствии с любой другой известной системой и получить преимущество увеличения диапазона изменения.
В механических коробках передач с непрерывно изменяемым передаточным числом различают две рабочие зоны: зона нижнего диапазона и зона высокого диапазона. Так как эти системы позволяют получать передаточное число, равное нулю, вращающий момент на выходе может быть увеличен до очень высокого значения (теоретически до бесконечности, если бы механический выход был 100%); поэтому существует зона передаточного числа, близкого к нулю, в которой необходимо ограничить вращающий момент, который механизм прикладывает к ведомому валу. Эта зона представляет собой зону нижнего диапазона, а другие передаточные числа - зону высокого диапазона. Зона нижнего диапазона более точно определена как
eq
eq
-τ≤τ≤τ
eq
mах eng
mах mec
где τ - передаточное число, которое ограничивает зону нижнего диапазона и зону высокого диапазона. T - максимальный вращающий момент, который может передать двигатель, который будет соединен с входом механизма. Т - максимальный вращающий момент, разрешенный на выходе механизма.
В зоне нижнего диапазона мощность, которая проходит через механизм, меньше, чем номинальная мощность двигателя, она линейно понижается от 100% в соответствии с передаточным числом, которое ограничивает нижний диапазон и высокий диапазон, устанавливаясь в нуль при нулевом передаточном числе.
Анализ математических выражений, которые определяют мощность, проходящую через вариатор в зоне нижнего диапазона и в зоне высокого диапазона, демонстрирует, что для многоступенчатой системы, работающей в зоне высокого диапазона, оптимально распределение ступеней передачи для последовательности передаточных чисел, которые следуют в геометрической прогрессии, в то время как в зоне нижнего диапазона оптимальное распределение представляет собой последовательность, которая следует в арифметической прогрессии.
Все известные многоступенчатые системы, которые непрерывно передают вращающий момент на ведомый вал, как и описанная выше, генерируют последовательность ступеней передачи, которые следуют в геометрической прогрессии.
Ниже описаны два механизма, решающие задачи настоящего изобретения, которые генерируют последовательность ступеней передачи, которые могут следовать в арифметической прогрессии, и по этой причине они предпочтительно предназначены для применения в зоне нижнего диапазона.
1i
2j
Механизм, схема которого представлена на фиг.3, состоит из двух дифференциалов Dc и Dd и вариатора V скорости, который обеспечивает возможность вращения в обратном направлении (или, по меньшей мере, остановки) любого из этих двух валов во время вращения другого вала. Ведущий вал i соединен с одним из валов дифференциала Dc, и ведомый вал соединен с одним из валов дифференциала Dd. Вариатор скорости соединен между валом 6 и валом 7, в то время как между валами 8 и 7 возможно подключать и разъединять (посредством соответствующего механического соединения или сцеплениями) любой из множества модулей R, передаточных чисел. Аналогично между валами 6 и 9 можно подключать и разъединять любое из множества модулей Rпередаточных чисел. В качестве альтернативы они могут также быть соединены в соответствии со схемами, такими как представлены на фиг.7 и 8, единственное отличие которых состоит в том, что вариатор соединен между валами 8 и 6 в случае фиг.7 и между валами 7 и 9 в случае фиг.8.
11
21
22
21
12
21
Система работает следующим образом. Первоначально модули R и R передаточных чисел и вариатор соединены, и это изменяет его передаточное число от ∞ (вал 6 остановлен и вал 7 вращается со скоростью, приложенной дифференциалом Dc, и передаточным числом R до 0 (вал 7 остановлен и вал 6 вращается со скоростью, приложенной Dc), в этой точке оба вала 6 и 9 остановлены, модуль R передаточного числа соединен, и модуль R разъединен, вариатор затем снова изменяет свое передаточное число от 0 до ∞, в этой точке оба вала 8 и 7 остановлены, модуль R соединен, и R разъединен, и так далее.
В этих механизмах (для варианта по фиг.3) полученное передаточное число представляет собой:
Для механизма по фиг.7 (механизм по фиг.8 симметричен механизму по фиг.7 с изменением на обратное направления вращения ведущего вала для ведомого вала), передаточное число представляет собой:
где Dc - передаточное число, которое дифференциал Dc будет прикладывать между валами 6 и 8, если вал i заблокирован, и Dd - передаточное число, которое дифференциал Dd будет прикладывать между валами i и 7, если вал о заблокирован.
В обоих случаях, когда r равно нулю:
И когда r равно ∞:
Поэтому если требуется разработать систему, передаточные числа которой изменяются между:
Ступень передачи
Минимальное передаточное число
Максимальное передаточное число
1
τ<sub>1min</sub>
τ<sub>1max</sub>
2
τ<sub>1max</sub>
τ<sub>2mах</sub>
…
…
…
y
τ<sub>y-1max</sub>
τ<sub>1max</sub>
при:
Достаточно выбрать:
21
2
1min
11
1
1max
22
2
2mах
R=R·τ, R=R·τ, R=R·τ
12
1
3max
23
2
4max,
13
1
5max
R=R·τ, R=R·τ R=R·τ
И так далее. В частности, в случае Dc=Dd, R1=R2=1, предыдущие выражения принимают вид:
21
1min
11
1max
22
2mах
12
3max
23
4mах
13
5mах
R=τ, R=τ, R=τ, R=τ, R=τ, R=τ.
Поэтому этот механизм позволяет получить многоступенчатую систему, которая может генерировать последовательности ступеней передачи, следующие с арифметической, геометрической или любой другой прогрессией. Тот факт, что обеспечивается возможность получить арифметическую прогрессию, делает его особенно предпочтительным для режима нижнего диапазона, и по этой причине его рассматривают как предпочтительный вариант применения, хотя его также можно использовать в режиме высокого диапазона или в обоих диапазонах одновременно.
Описанный выше механизм решает проблему получения арифметической прогрессии при минимальном количестве компонентов, но имеет недостаток, состоящий в том, что мощность целиком пересекает вначале дифференциал Dc и затем дифференциал Dd. Для вариантов применения, в которых требуется обеспечить больший выход при увеличении стоимости, ниже будет описан механизм, который также может обеспечить получение арифметической прогрессии.
j
2n+i
2n
Механизм, схема которого представлена на фиг.4, состоит из последовательности дифференциалов, вариатора, который обеспечивает возможность вращения в обратном направлении (или, по меньшей мере, остановки) любого из двух валов, в то время как другой вращается, и последовательности модулей R передаточных чисел; причем один из валов каждого дифференциала соединен с ведущим валом и другой из валов каждого дифференциала соединен с ведомым валом; валы нечетных дифференциалов, не соединенных с входом или выходом, могут быть соединены посредством сцепления или любого другого типа механического соединения с одним из валов вариатора (вал 6) через один из модулей R передаточных чисел; валы четных дифференциалов, не соединенные с входом или выходом, могут быть соединены посредством сцепления или любого другого типа механического соединения с другим валом вариатора (вал 7) через один из модулей R передаточных чисел.
1
2
1
2
1
2
1
2
3
1
4
2
Механизм работает следующим образом. Вначале дифференциалы D и Dсоединены с валами 6 и 7 соответственно через модули R и R передаточных чисел, вариатор изменяет свое передаточное число от 0 (когда вал 7 остается неподвижным, и вал 6 вращается со скоростью, приложенной D и D) до ∞ (когда вал 6 остается неподвижным и скорость определяется D и D), в этой точке D соединен и Dразъединен, тогда вал 7 вращает вариатор, который изменяет свое передаточное число от ∞, пока снова не достигнет 0, когда D соединен и D разъединен.
i
Таким образом, чтобы одновременно поддерживать три дифференциала соединенными в течение короткого интервала времени во время переключения, необходимо выбрать передаточные числа R (для i больше 2) так, чтобы выполнялось следующее уравнение:
1
2
Значения R и R могут быть выбраны свободно, чтобы упростить для остальных получение самых соответствующих угловых скоростей разных валов механизма. Когда результат предыдущего выражения представляет собой отрицательную величину, это означает, что передаточное число должно изменить направление вращения на обратное.
В этом механизме полученное передаточное число представляет собой:
i
j
i
j
Где R - передаточное число между валом 6 и валом нечетного дифференциала, который не соединен с входом или с выходом, R - передаточное число между валом 7 и валом четного дифференциала, который не соединен с входом или выходом, D - передаточное число, которое нечетный дифференциал приложил бы между ведущим валом и ведомым валом, если бы вал, соединенный с вариатором, был остановлен, и D - передаточное число, которое четный дифференциал приложил бы между ведущим валом и ведомым валом, если бы вал, соединенный с вариатором, был остановлен.
Если требуется получить последовательность передаточных чисел:
1min
1max
1max
2min
2max
3max
[τ, τ], [τ, τ], [τ, τ] …,
достаточно выбрать:
1
1min
2
1max
3
2max
4
3max
D=τ, D=τ, D=τ, D=τ …
1
1
2
2
Если какое-нибудь значение равно 0, вместо дифференциала обеспечивается возможность прямого соединения вала 6 или 7 (в зависимости от того, является ли дифференциал нечетным или четным) с выходом через соответствующее передаточное число; на фиг.9 показан этот конкретный случай для дифференциала D, на первой ступени передачи вал 6 соединен прямо с выходом через модуль R передаточного числа и вал 7 с дифференциалом D через модуль R передаточного числа.
Этот механизм, как и предыдущий, позволяет получить ступени передачи, соответствующие арифметической, геометрической или любым другим прогрессиям, поэтому его рекомендуют как для режимов нижнего диапазона, так и для высокого диапазона.
Во всех многоступенчатых механизмах каждая ступень передачи требует, по меньшей мере, установки одного модуля передаточного числа и поэтому по меньшей мере, одной пары зубчатых колес; когда эти механизмы должны пройти через нулевое передаточное число и изменить направление вращения на обратное, возможно уменьшить количество необходимых механизмов для генерирования ступени передачи в одном из направлений (например, обратном), пока оно совпадает с подмодулем другого направления (вперед), за счет снижения выхода в первом (обратном) направлении. Механизм, схема которого представлена на фиг.5, позволяет обеспечить возможность воспроизведения в обратном направлении всех или части ступеней передачи прямого направления. Прямоугольник V представляет многоступенчатый механизм (в предельном случае он может иметь только одну ступень передачи), который позволяет изменять передаточное число от нуля до определенного максимального значения, вал о может быть соединен с s' либо посредством прямого соединения, или через модуль передаточного числа, который изменяет направление вращения на обратное, когда механизм V достигает передаточного числа, равного нулю, и оба вала о и s' остановлены, передаточное число -1 соединено и прямое соединение разъединено, поэтому вариатор V изменяет свою функцию на обратную.
Объединяя преимущества каждого из предварительно описанных механизмов, может быть составлен такой механизм изменения скорости, который позволяет понижать мощность, циркулирующую через вариатор, настолько, насколько это желательно, при минимальном количестве ступеней передачи.
На схеме по фиг.6 представлен механизм, состоящий из трех модулей: высокого диапазона, низкого диапазона и инвертора. Модуль высокого диапазона получен с использованием механизма (основной части), такого, как показан на фиг.1, диапазон которого был расширен посредством механизма, такого, как представлен на фиг.2. Модуль нижнего диапазона получен посредством механизма, такого как представлен на фиг.3. Здесь используется один вариатор, который работает как в нижнем диапазоне, так и в высоком диапазоне. Наконец, инвертор позволяет получить передачу обратного хода, которая будет составлена теми же самыми шестернями, которые работают при вращении вперед, не дублируя ступени передачи других двух модулей.
Характеристики компонентов определены так, чтобы максимальное передаточное число модуля нижнего диапазона было больше или равно минимальному передаточному числу модуля высокого диапазона; таким образом, существует зона передаточного числа, в которой возможно одновременно активировать соединения или сцепления, которые соединяют оба модуля, и поэтому возможно пройти от нижнего диапазона до высокого диапазона и наоборот, не останавливая передачу вращающего момента на ведомый вал. Если параметры, кроме того, выбраны так, чтобы в точке этой зоны передаточное число вариатора модуля нижнего диапазона совпало с передаточным числом вариатора модуля высокого диапазона, то может быть построен механизм с одним вариатором для обоих модулей.
Схема на фиг.6 соответствует предпочтительному варианту применения для этой функции; в этом варианте выполнения найден компромисс между выходом и количеством компонентов, не исключающий все другие возможные комбинации, в частности:
- модуль нижнего диапазона построен с таким механизмом, как показан на фиг.4;
- инвертор отсутствует и механизм охватывает весь диапазон последовательными ступенями передачи;
- модуль нижнего диапазона отсутствует и вместо него используют сцепление или инвертор крутящего момента для перевода ведомого вала из состояния покоя до переходного передаточного числа и для работы от этой точки с модулем высокого диапазона;
- основная часть модуля высокого диапазона выполнена на основе любого механизма;
- модуль высокого диапазона отсутствует и механизм, такой как показан на фиг.3 или на фиг.4, охватывает весь диапазон степени изменения;
- расширение отсутствует и механизм состоит только из основной части модуля высокого диапазона;
- механизм нижнего диапазона содержит только одну ступень передачи.
Как пояснялось выше, настоящее изобретение позволяет при обоснованном количестве ступеней передачи уменьшить мощность, которая проходит через вариатор, до достаточно малых значений, что позволяет выполнить вариатор на основе пары электрических машин, одна из которых, произвольно, работает как двигатель и другая как генератор. Это соответствует предпочтительному варианту выполнения и даже без исключения возможности любого другого типа вариатора скорости имеет следующие преимущества:
a) Любой другой тип вариатора требует установки гидравлических, пневматических или электрических приводов для управления им, которые требуют использовать механические крепления и клапаны, которыми, в свою очередь, управляют с использованием электронных и силовых сигналов. Если вариатор выполнен на основе электрических машин, электронные и силовые сигналы непосредственно воздействуют на эти машины и все другие элементы исключаются.
b) В вариантах выполнения на транспортных средствах с тепловыми двигателями эти же электрические машины можно использовать как пусковой двигатель и генератор для заряда батареи, что фактически не приводит к добавлению дополнительных двух компонентов, но обеспечивает возможность лучшего использования компонентов, которые и так должны быть установлены.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, причем представлено четыре класса чертежей: схемы, представляющие типовые механизмы, схемы, представляющие конкретные механизмы, блок-схемы и график угловой скорости. Фиг.1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 17, 18, 19 и 20 соответствуют схемам, представляющим типовые механизмы. Фиг.10, 12, 13, 14 и 15 соответствуют схемам, представляющим конкретные механизмы. На фиг.16 показана блок-схема. И на фиг.11 представлен график угловой скорости.
В схемах, представляющих типовые механизмы, использованы следующие условные обозначения: линия независимо от того, является ли она прямой, кривой или ломаной линией, обозначает вал, который может вращаться. Прямоугольник, из которого выходят две прямые линии, обозначает любой модуль передаточного числа (независимо от того, воплощен ли он на основе блока цилиндрических шестерен, блока конических шестерен, планетарных передач и т.д.) между валами, представленными этими линиями. Прямоугольники могут представлять как фиксированные, так и изменяемые передаточные числа; когда они представляют фиксированные передаточные числа, они соответствуют обозначениям, начинающимся с символов R или S, когда они представляют изменяемые передаточные числа, они обозначены символом V, указывающим на то, что механизм может иметь множество передаточных чисел между одной и той же парой валов, причем только один представлен и обозначен буквой, сопровождаемой нижним индексом. Пунктирные линии обозначают возможность управления посредством подключения и разъединения передаточных чисел к валу, на котором они заканчиваются, независимо от того, как это подключение и разъединение реализовано (механическое соединение, сцепление и т.д.). Чтобы получить более компактное представление, на фиг.4, 5 и 9 следующий модуль был представлен пунктирной стрелкой: пунктирные линии плюс передаточное число. Кругами обозначены механизмы дифференциала, то есть механизмы, накладывающие ограничение между тремя валами типа:
1
2
3
ω=k·ω+(1-k)≥ω
1
2
3
где ω, ω и ω - угловые скорости этих трех валов, пронумерованных произвольно, и k - постоянная характеристика механизма и того, как были пронумерованы валы. Они обозначают типовой механизм дифференциала независимо от того, как он выполнен (цилиндрические планетарные передачи, сферические планетарные передачи, гидравлические цепи).
В схемах, представляющих конкретные механизмы, использованы символы, типично применяемые в механике для обозначения валов, шестерен и планетарных передач, для простоты валы сателлитной шестерни были вычерчены так, что они пересекают сателлитные шестерни, хотя очевидно, что все сателлитные шестерни могут вращаться свободно вокруг соответствующего несущего вала сателлитной шестерни.
В описаниях чертежей указывается, что компонент соединяет вал, когда один из составных валов присоединен к рассматриваемому валу, и указывается, что он может соединять вал, если один из составных валов можно присоединить к рассматриваемому валу управляемым образом.
Фиг.1: Схема типового механизма, состоящего из двух дифференциалов Da и Db и вариатора V с изменяемым передаточным числом V. Ведущий вал i присоединен к одному из валов каждого из дифференциалов Da и Db. Ведомый вал о соединен с другим валом каждого их дифференциалов Da и Db. Вариатор V с изменяемым передаточным числом соединен между другим валом Da (вал 6) и другим валом Db (вал 7).
2n
2n+1
2n
2n+i
2n
2n+i
2n
2n+i
Фиг.2: Схема типового механизма, состоящего из вариатора V с изменяемым передаточным числом и четырех множеств модулей R, R, S и S передаточных чисел. Вариатор V соединяет валы i и о, причем любой из модулей передаточных чисел множества модулей R передаточных чисел, может быть соединен или может не быть соединен управляемым образом между валами i и i', любой из модулей передаточных чисел из множества модулей R передаточных чисел может быть соединен или может не быть соединен управляемым образом между валами о и i', любое из модулей передаточных чисел из множества модулей S передаточных чисел может быть соединен или может не быть соединен управляемым образом между валами о и о', любое из модулей передаточных чисел из множества передаточных чисел S может быть соединен или может не быть соединен управляемым образом между валами i и о'.
1i
2j
1i
2j
Фиг.3: Схема типового механизма, состоящего из вариатора V с изменяемым передаточным числом, двух множеств модулей R и R фиксированных передаточных чисел и двух дифференциалов Dc и Dd. Вариатор установлен между валами 6 и 7, любое из передаточных чисел множества модулей R передаточных чисел может быть соединено или может не быть соединено управляемым образом между валами 8 и 7, любое из передаточных чисел множества модулей R передаточных чисел может быть соединено или может не быть соединено управляемым образом между валами 6 и 9. Дифференциал Dc соединен с валами i, 6 и 8, и дифференциал Dd, соединен с валами 7, 9 и о.
1
2
2n-i
2n
1
2
2n-i
2n
Фиг.4: Схема типового механизма, состоящего из вариатора V с изменяемым передаточным числом, последовательности дифференциалов D, D, … D, D и последовательности модулей R, R, … R, R передаточных чисел. Вариатор скорости соединен между валом 6 и валом 7, вал i присоединен к одному из валов каждого дифференциалов, вал о присоединен к другому из валов каждого дифференциалов, каждый из модулей передаточных чисел с нечетным нижним индексом может соединять вал 6 с третьим валом дифференциала с таким же нижним индексом и каждый из четных модулей передаточных чисел может соединять вал 7 с третьим валом дифференциала с таким же нижним индексом.
Фиг.5: Схема типового механизма, состоящего из вариатора V с изменяемым передаточным числом и двух фиксированных модулей передаточных чисел. Вариатор установлен между валами i и о, модули с фиксированными передаточными числами могут быть соединены между валами о и о'. Верхняя стрелка представляет передаточное число от 1 до 1, то есть оно может быть получено с использованием прямого соединения между валом о и о', в то время как нижняя стрелка представляет передаточное число, которое изменяет на обратное направление вращения, как представлено пунктирными стрелками, указывающими, что они могут быть или могут не быть соединены управляемым образом.
2n
2n+i
2n
2n+1
1i
2j
2n
2n+1
2n
2n+i
1i
2j
Фиг.6: Схема типового механизма, который содержит: вариатор V с изменяемым передаточным числом, четыре дифференциала Da, Db, Dc, Dd и шесть модулей R, R, S, S, R и R передаточных чисел. Вал каждого из дифференциалов Da и Db вращается, будучи присоединенным к основному ведущему валу, другой вал каждого из дифференциалов Da и Db вращается, будучи присоединенным к основному ведомому валу, и третий вал каждого из этих двух дифференциалов соединен соответственно с валом 6 и с валом 7. Вариатор V установлен между валами 6 и 7. Множества модулей R, R, S, S передаточных чисел позволяют соответственно соединять любой из модулей передаточных чисел между валами: вход и основной вход; вход и основной выход; основной выход и промежуточный вал; основной вход и промежуточный вал. Дифференциал Dc соединен между ведущими валами 6 и 8. Дифференциал Dd соединен между валами 7, 9 и промежуточным валом. Множества модулей R и R передаточных чисел позволяют соединять любой из них между валами 8 и 7, или 6 и 9 соответственно. Пунктирные стрелки указывают, что промежуточные валы и ведомые валы могут быть прямо соединены друг с другом или с изменением их направления вращения на обратное.
Фиг.7: Аналогично варианту выполнения механизма по фиг.3, в котором вариатор V скорости соединен между валами 6 и 7, другие символы имеют то же значение, которое пояснялось при описании фиг.3.
Фиг.8: Аналогично варианту выполнения механизма по фиг.3, в котором вариатор V скорости соединен между валами 7 и 9, другие символы имеют то же значение, которое пояснялось при описании фиг.3.
1
1
Фиг.9: Аналогично варианту выполнения механизма по фиг.4, в котором дифференциал D отсутствует и модуль R передаточного числа позволяет соединить вал 6 с валом о, другие символы имеют то же значение, которое пояснялось при описании фиг.4.
Фиг.10: Схема представляет конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.1. Он состоит из двух дифференциалов и вариатора скорости. Первый дифференциал сформирован планетарной шестерней 1, множеством сателлитных шестерен 2 и кольцом 3. Второй дифференциал состоит из планетарной шестерни 8, множества сателлитных шестерен 5 и кольца 4. Вал i одновременно присоединен к несущему валу сателлитной шестерни, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 2, и также присоединен к кольцу 4. Вал о одновременно присоединен к несущему валу сателлитной шестерни, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 5, и также присоединен к кольцу 3. Вариатор V скорости приводит во вращение валы 6 и 7, к которым присоединены планетарные шестерни 1 и 8 с передаточным числом от 1 до 1.
i
0
6
7
Фиг.11: График представляет в прямоугольных координатах изменение угловых скоростей валов i, о, 6 и 7 (ω, ω, ω и ω) механизма фиг.10, когда скорость вала i поддерживают равной 3000 оборотов в минуту и когда разные шестерни имеют определенное количество зубьев, как подробно описано при пояснении варианта выполнения изобретения. Угловые скорости в оборотах в минуту представлены по оси х и передаточное число между валом i и валом о обозначено по оси у; направление вращения вала i было принято произвольно как положительное, угловые скорости с отрицательным знаком указывают на вращение, противоположное направлению вращения вала i.
Фиг.12: Схема, представляющая конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.2. Он состоит из вариатора V скорости, который соединен между валами i и о, и восьми пар зубчатых колес: 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'; 5, 5'; 6, 6'; 7, 7'; 8, 8'. Шестерни 1, 2, 3 и 4 вращаются вхолостую вокруг вала i', и их можно присоединять к активизирующему их одному или некоторым из соответствующих соединений S1, S2, S3 и S4. Шестерни 5, 6, 7 и 8 вращаются вхолостую вокруг вала о', и их можно присоединять к активизирующему их одному или некоторым из соответствующих соединений S5, S6, S7 и S8. Шестерни 8', 3', 6' и 1' соединены с валом i. И шестерни 5', 2', 7' и 4' соединены с валом о.
0
Фиг.13: Схема, представляющая конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.3. Он содержит два дифференциала и вариатор V скорости. Первый дифференциал сформирован из планетарной шестерни 1, множества сателлитных шестерен 2 и кольца 3, второй дифференциал сформирован из планетарной шестерни 4, множества сателлитных шестерен 5 и кольца 10. Вал i присоединен к несущему валу сателлитной шестерни, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 2. Вал о присоединен к несущему валу сателлитной шестерни, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 5. Валы 6, 8, 9 и 7 соответственно присоединены к кольцу 3, планетарной шестерне 1, планетарной шестерне 4 и кольцу 10. Вариатор V скорости соединен между валами 6 и 7. Шестерни b и d присоединены к валу 6, шестерни а и с присоединены к валу 7, шестерни b”' и d” присоединены к валу 9, шестерни а”' и с”' присоединены к валу 7. Пары зубчатых колес а', а”; b', b”; с', с” и d', d” вращаются вхолостую вокруг промежуточных валов, но могут быть независимым или присоединенными друг к другу соединениями, представленными S1, S2, S3, и S4 соответственно. Вращение вала 9 может также быть блокировано тормозом, представленным S, который установлен неподвижно на шасси механизма.
Фиг.14: Схема, представляющая конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.9. Он содержит четыре дифференциала, выполненные на основе планетарных шестерен 1, 4, 9 и 12, множество сателлитных шестерен 2, 5, 10 и 13 и колец 3, 8, 11 и 14. Он также содержит две электрические машины M1 и М2, любая из которых может работать как двигатель или генератор, машина M1 присоединена к валу 7 и М2 к валу 6. Вал i присоединен к планетарным шестерням 1, 4, 9 и 12. Вал о присоединен к несущим валам планетарной шестерни, вокруг которых вращаются планетарные шестерни 2, 5, 10 и 13. Шестерни 17, 18 и 20 вращаются вхолостую вокруг вала 6, но они могут быть присоединены к нему под действием соединений, представленных как S3, S5, и S1. Шестерни 22 и 25 вращаются вхолостую вокруг вала 7, но они присоединяются к нему под действием соединений, представленных как S2 и S4. Шестерня 17 зацеплена с шестерней 15, которая, в свою очередь, зацеплена с шестерней 16, которая присоединена к кольцу 8. Шестерня 18 зацеплена с шестерней 19, которая присоединена к кольцу 14. Шестерня 20 зацеплена с шестерней 21, которая присоединена к валу о. Шестерня 22 зацеплена с шестерней с 23, которая присоединена к кольцу 3. Шестерня 25 зацеплена с шестерней 24, которая, в свою очередь, зацеплена с шестерней 26, которая присоединена к кольцу 11.
Фиг.15: Схема, представляющая конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.5. Он содержит вариатор V скорости, соединенный между валами i и о, при этом прямое соединение S1 позволяет прямо соединять валы о и о', в то время как соединение S2 позволяет соединять их с вращением в обратном направлении.
Фиг.16: Блок-схема, представляющая конкретный механизм, который соответствует варианту выполнения схемы типового механизма по фиг.6. Блок "нижнего диапазона" представляет собой механизм, такой как показан на фиг.13. Блок "высокого диапазона" представляет собой механизм, такой как показан на фиг.12, где изменяемое передаточное число может быть реализовано посредством такого механизма, как показан на фиг.1. Блоки Ml и М2 представляют разные электрические машины, которые могут произвольно работать как двигатель или генератор и которые одновременно позволяют выполнить вариатор скорости по фиг.1 и фиг.13. Блок "инвертора" представляет такой механизм, как показано на фиг.15, между валами о и о'.
Фиг.17: Схема типового механизма, которому соответствует механизм, предложенный в патенте US 2384776. В этом патенте предложено использовать дифференциалы со сферическими планетарными передачами; между ведущим валом и дифференциалом Db реализовано переключение направления вращения на обратное, и между вариатором и дифференциалом Db также реализовано переключение направления вращения на обратное, которое представлено зубчатыми колесами вспомогательного привода, причем ведомый вал о одновременно приводится во вращение валом дифференциала Da и валом дифференциала Db.
Фиг.18: Схема типового механизма, которому соответствует механизм, предложенный в патенте US 4936165. Этот механизм содержит два дифференциала Da и Db, вариатор V скорости и три модуля R1, R2 и R3 фиксированных передаточных чисел. Ведущий вал i и ведомый вал о присоединены соответственно к валам дифференциала Da.
Фиг.19: Схема типового механизма, которому соответствует механизм, предложенный в патенте ES 2190739. Этот механизм содержит два дифференциала Da и Db, вариатор V скорости и два модуля R1 и R2 фиксированных передаточных чисел. Ведущий вал i и ведомый вал о присоединены соответственно к валам дифференциала Da и дифференциала Db.
Фиг.20: Схема типового механизма, которому соответствует механизм, предложенный в патенте US 6595884. Этот механизм содержит два дифференциала Da и Db, вариатор V скорости. Ведущий вал i присоединен одновременно к валу дифференциала Da и к одному дифференциалу Db. Ведомый вал присоединен к другому валу дифференциала Db. Вариатор скорости соединен между другими двумя валами дифференциала Da (валы 7 и 6). Вал 6 также соединен с третьим валом дифференциала Db.
Фиг.21: Схема типового механизма, которому соответствует механизм, предложенный в патенте US 5643121, когда он работает в режиме вращения в обратном направлении. Два дифференциала D1 и D2 работают в этом режиме, ведущий вал присоединен к валу дифференциала D1, и ведомый вал присоединен к валу дифференциала D2, другие два вала дифференциалов D1 и D2 соединены с друг другом и между ними, в свою очередь, последовательно установлен модуль R с фиксированным передаточным числом и вариатор V скорости.
В качестве примера, без ограничений, ниже раскрыт вариант выполнения каждого из предварительно описанных механизмов.
На фиг.10 представлен механизм, который соответствует схеме механизма по фиг.1. Дифференциалы Da и Db выполнены на основе планетарных передач, сформированных на основе планетарной шестерни 1, сателлитных шестерен 2 и кольца 3 для случая Da и планетарной шестерни 8, сателлитных шестерен 5 и кольца 4 для случая дифференциала Db. Ведущий вал присоединен к кольцу 4 и также приводит вал, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 2. Ведомый вал присоединен к кольцу 3 и также приводит вал, вокруг которого вращаются сателлитные шестерни 5. Вариатор V соединен через передаточные числа 6 и 7 с планетарными шестернями 1 и 8. Планетарные шестерни 1 и 8 выполнены с 13 зубьями, сателлитные шестерни 2 и 5 выполнены с 49 зубьями, и кольца 3 и 4 выполнены со 111 зубьями. В этой конфигурации получено передаточное число:
где r - передаточное число, которое вариатор прикладывает между валами 6 и 7. На фиг.11 показаны угловые скорости, которые должны быть приложены к валам 6 и 7 для получения изменения передаточного числа от 1/1,17 до 1,17, где также показана угловая скорость, получаемая на ведомом валу, если угловая скорость ведущего вала поддерживается постоянной и равна 3000 оборотам в минуту. В этой конфигурации мощность, которая циркулирует через вариатор, никогда не превышает 5,5% мощности, которая проходит через механизм от ведущего вала на ведомый вал.
0
2
1
3
0
2
1
3
На фиг.12 показан в качестве примера механизм, который соответствует схеме механизма по фиг.2, для конкретного случая четырех режимов, шестерен или ступеней передачи. Модули R и R передаточных чисел, которые соединяют ведущий вал i вариатора V с ведущим валом i' механизма, выполнены на основе пар зубчатых колес 1,1' и 3, 3'. Модули r и R передаточных чисел, которые соединяют ведомый вал о вариатора V с ведущим валом i' механизма, выполнены на основе пар зубчатых колес 2, 2' и 4, 4'. Передаточные числа S и S, которые соединяют ведомый вал о вариатора V с ведомым валом о' механизма, выполнены на основе пар зубчатых колес 5, 5' и 7, 7'. Передаточные числа S и S, которые соединяют ведущий вал i вариатора V с ведомым валом о' механизма, выполнены на основе пар зубчатых колес 6, 6' и 8, 8'. Шестерни 1, 2, 3 и 4 вращаются вхолостую вокруг ведущего вала i' механизма, пока не будет приведен в действие один из селекторов S1, S2, S3 и S4, который обеспечивает присоединение каждой из них соответственно к ведущему валу i', что позволяет, таким образом, соединять или разъединять соответствующие модули передаточных чисел. Шестерни 5, 6, 7 и 8 вращаются вхолостую на ведомом валу механизма s', пока не будет приведен в действие один из селекторов S5, S6, S7 и S8, который обеспечивает присоединение каждой из них соответственно к ведомому валу о', что позволяет, таким образом, соединять или разъединять соответствующие модули передаточных чисел. Зубья каждой шестерни выбраны в этом примере следующим образом: шестерня 1 - 55 зубьев; шестерня 2 - 60 зубьев; шестерня 3 - 66 зубьев; шестерня 4 - 72 зуба; шестерня 5 - 95 зубьев; шестерня 6 - 90 зубьев; шестерня 7 - 84 зуба; шестерня 8 - 78 зубьев; шестерня 1' - 95 зубьев; шестерня 2' - 90 зубьев; шестерня 3' - 84 зубьев; шестерня 4' - 78 зубьев; шестерня 5' - 55 зубьев; шестерня 6' - 60 зубьев; шестерня 7' - 66 зубьев; шестерня 8' - 72 зуба. Форма соединения и разъединения селекторов S1-S8 для получения каждой из этих четырех ступеней передач и передаточных чисел, полученных в каждой из них, подробно представлены в следующей таблице.
Ступень передачи
Соединенные селекторы
Передаточные числа вариатора V
Передаточные числа механизма
Начальное
Конечное
Минимум
Максимум
1
S1, S5
0,848
1,152
0,284
0,386
Переход 1-2
S1, S5, S2, S6
1,152
0,386
2
S2, S6
1,152
0,848
0,386
0,524
Переход 2-3
S2, S6, S3, S7
0,848
0,524
3
S3, S7
0,848
1,175
0,524
0,725
Переход 3-4
S3, S7, S4, S8
1,175
0,725
4
S4, S8
1,175
0,848
0,725
1,005
В этой таблице начальное передаточное число вариатора - то, которое соответствует минимальному передаточному числу механизма, и конечное передаточное число соответствует максимуму. Как можно отметить, вариатор V работает, проходя поочередно от его максимального передаточного числа до его минимума и наоборот, при этом отсутствуют перерывы в его работе; при переключениях эти четыре передаточных числа могут оставаться одновременно соединенными, поскольку они производят одинаковое передаточное число между валами. В результате получен механизм, передача вращающего момента которого может постоянно изменяться без перерывов от передаточного числа 0,284 до 1,005 с использованиям вариатора, для которого требуется степень изменения только от 0,848 до 1,175; если этот вариатор выполнен на основе механизма, представленного на фиг.10, описанного выше, при этом мощность, которая должна пройти через вариатор, составляет 5,5% от полной мощности, передаваемой механизмом.
На фиг.13 показан механизм, который соответствует схеме механизма по фиг.3, для конкретного случая четырех ступеней передачи. Дифференциал Dc воплощен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 1, сателлитных шестерен 2 и кольца 3. Дифференциал Dd воплощен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 4, сателлитных шестерен 5 и кольца 10. Вариатор V скорости соединен разными модулями передаточных чисел на одной стороне с валом 6, который соединен с кольцом 3, и на другой стороне с валом 7, который соединен с кольцом 10. Ведущий вал i присоединен к несущему валу сателлитной шестерни дифференциала Dc (планетарные шестерни 2). Ведомый вал о присоединен к несущему валу сателлитной шестерни дифференциала Dd (планетарные шестерни 5). Передаточное число R равно 0, по этой причине оно было выполнено с возможностью блокирования вращения вала 9, который присоединен к планетарной шестерне 4; такое блокирование достигается при активации селектора SO. Между валом 6 (присоединен к кольцу 3) и валом 9 (присоединен к планетарной шестерне 4) установлены два возможных модуля R и R передаточных чисел, выполненные на основе зубчатой передачи b, b', b”, b′″ и d, d', d”, d′″ соответственно; селекторы S2 и S4 обеспечивают возможность соединения или разъединения колес b' с b” и d' с d” соответственно; если колесо b' соединено с b”, они оба вращаются совместно и зубчатая передача, сформированная b, b', b″, b″′ прикладывает передаточное число, определенное ее соответствующим количеством зубьев между валом 6 и валом 9; если колеса b' и b” разъединены, они оба работают вхолостую, будучи приводимыми соответственно от b и b”, не прикладывая никакого передаточного числа между валами 6 и 9, аналогично для случая соединения или отсутствия соединения колеса d' с d”. Между валом 8 (присоединен к планетарной шестерне 1) и валом 7 (присоединен к кольцу 10) установлены два возможных модуля R и R передаточных чисел, выполненные на основе зубчатой передачи а, а', а”, а″′ и с, с', с”, с″′ соответственно, селекторы Si и S3 обеспечивают возможность соединения или разъединения колес а' с а” и с' с с” соответственно; если колесо а' соединено с а”, они оба вращаются совместно, и зубчатая передача, сформированная а, а', а”, а″′, прикладывает передаточное число, определенное ее соответствующим количеством зубьев между валом 8 и валом 7; если колеса а' и а” разъединены, они оба работают вхолостую, будучи приводимыми соответственно от а и а”, не прикладывая никакого передаточного числа между валами 8 и 7, аналогично для случая соединения или отсутствия соединения колеса с' с с”. При этом для каждой из шестерен в примере выбрано следующее количество зубьев: планетарная шестерня 1 и планетарная шестерня 4 - 16 зубьев; сателлитные шестерни 2 и сателлитные шестерни 5 - 8 зубьев; кольцо 3 и кольцо 10-32 зуба, шестерни b и b” - 14 зубьев; шестерни b' и b” - 36 зубьев; шестерни d и d” - 18 зубьев; шестерни d' и d” - 32 зуба; шестерни а и а” - 11 зубьев; шестерни а' и а” - 39 зубьев; шестерни с и с” - 16 зубьев; шестерни с' и с” - 34 зуба. Вариатор скорости выполнен на основе механизма любого типа, который позволяет поступательно изменять скорости вращения этих двух валов, с которыми он соединен, с передаточными числами от 0 (вал 7 остановлен, в то время как вал 6 свободно вращается) до бесконечности (вал 6 остановлен, в то время как вал 7 свободно вращается); это может быть получено с использованием пары электрических машин (одна работает как генератор и другая как двигатель), пары гидравлических машин (одна работает как насос и другая как двигатель), механизма, полученного из комбинации вариаторов и дифференциалов и т.д. Форма соединения и разъединения селекторов S1-S8 для получения каждой из четырех ступеней передач и передаточные числа, полученные в каждой из них, подробно представлены в следующей таблице.
Ступень передачи
Соединенные селекторы
Угловая скорость вала 6
Угловая скорость вала 7
Передаточные числа механизма
Начальная
Конечная
Начальная
Конечная
Начальное
Конечное
1
S0, S1
4500
0
0
358
0
0,080
Переход 1-2
S0, S1, S2
0
358
0,080
2
S1, S2
0
4500
358
0
0,080
0,151
Переход 2-3
S1, S2, S3
4500
0
0,151
3
S2, S3
4500
0
0
996,54
0,151
0,221
Переход 3-4
S2, S3, S4
0
996,54
0,221
4
S3,S4
0
4500
996,54
0
0,221
0,316
В этой таблице угловые скорости валов 6 и 7 выражены в оборотах в минуту и соответствуют случаю, когда ведущий вал вращается с постоянной угловой скоростью 3000 оборотов в минуту. Как можно отметить, во время переходов два модуля передаточных чисел могут оставаться одновременно соединенными между валами 6 и 9 или между валами 8 и 7, потому что переход происходит в то время, когда эти валы не вращаются.
На фиг.14 показан механизм, который соответствует схеме механизма, представленной на фиг.4, или более точно, его варианту представленному на фиг.9, для конкретного случая 10 из 4 ступеней передачи. Дифференциал D2 выполнен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 1, сателлитных шестерен 2 и кольца 3. Дифференциал D3 выполнен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 4, сателлитных шестерен 5 и кольца 8. Дифференциал D4 выполнен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 9, сателлитных шестерен 10 и кольца 11. Дифференциал D5 выполнен на основе планетарной передачи, состоящей из планетарной шестерни 12, сателлитных шестерен 13 и кольца 14. Дифференциал D1 имеет характеристику 0 и поэтому выполнен с возможностью прямого соединения ведомого вала о с валом 6 через соединение, активизированное селектором S1 (случай, более подробно представленный на фиг.9). Вариатор скорости между валами 6 и 7 в этом случае выполнен на основе двух электрических машин M1 и М2; они должны быть реверсивными машинами так, чтобы когда одна из них работает как генератор, другая могла работать как двигатель, и чтобы при этом энергия, которую потребляет двигатель, всегда равнялась энергии, генерируемой генератором, и они должны иметь систему управления, которая позволяет накладывать передаточное число между ними. Ведущий вал одновременно присоединен к планетарным шестерням 1, 4, 9 и 12 дифференциалов D2, D3, D4 и D5. Ведомый вал присоединен к несущим валам сателлитной шестерни сателлитных шестерен 2, 5, 10 и 13. Вал 6 может быть соединен с кольцом 8 (через шестерни 17, 15 и 16) или с кольцом 14 (через шестерни 18 и 19) посредством соединений, которые активизируются селекторами S3 и S5 соответственно, он также может быть соединен с ведомым валом посредством передаточного числа, полученного шестернями 20 и 21, которые активируются селектором S1. Вал 7 может быть соединен с кольцом 3 (через шестерни 22 и 23) или с кольцом 11 (через шестерни 25, 24 и 26) посредством соединений, которые активизируются селекторами S2 и S4 соответственно. Для каждого зубчатого колеса выбирают следующее количество зубьев: планетарная шестерня 1 - 9 зубьев; сателлитные шестерни 2 - 54 зуба; кольцо 3 - 117 зубьев; планетарная шестерня 4 - 12 зубьев; сателлитные шестерни 5 - 30 зубьев; кольцо 8 - 72 зуба; планетарная шестерня 9 - 18 зубьев; сателлитные шестерни 10 - 24 зуба; кольцо 11 - 66 зубьев; планетарная шестерня 12 - 16 зубьев; сателлитные шестерни 13 - 12 зубьев; кольцо 14 - 40 зубьев; шестерня 17 - 28 зубьев; шестерня 15 - 40 зубьев; шестерня 16 - 24 зуба; шестерня 18 - 77 зубьев; шестерня 19 - 55 зубьев; шестерня 20 - 66 зубьев; шестерня 21 - 66 зубьев; шестерня 22 - 66 зубьев; шестерня 23 - 66 зубьев; шестерня 25-26 зубьев; шестерня 24 - 42 зубьев; шестерня 26 - 22 зубьев. Форма соединения и разъединения селекторов Si-S4 для получения каждой из этих четырех ступеней передачи и передаточных чисел, полученных в каждой из них, подробно представлены в следующей таблице.
Ступень передачи
Соединенные селекторы
Угловая скорость вала 6
Угловая скорость вала 7
Передаточные числа механизма
Начальная
Конечная
Начальная
Конечная
Начальное
Конечное
1
S1, S1
0
-221
-238
0
0
1/14
Переход 1-2
S1, S1, S2
-221
0
1/14
2
S2, S3
-221
0
0
238
1/14
2/14
Переход 2-3
S2, S3, S4
0
238
2/14
3
S3, S4
0
-221
238
0
2/14
3/14
Переход 3-4
S3, S4, S5
-221
0
3/141
4
S4, S5
-221
0
0
-238
3/14
4/14
В этой таблице угловые скорости валов 6 и 7 выражены в оборотах в минуту и соответствуют случаю, в котором ведущий вал вращается с постоянной угловой скоростью 3094 оборотов в минуту. Как можно отметить, во время переходов три передаточных числа могут быть одновременно соединены, потому что передаточные числа и характеристики дифференциалов были выбраны так, чтобы передаточные числа, полученные до и после перехода, были одинаковыми. Таким образом, как описано выше, обеспечивается свобода выбора первых двух передаточных чисел, их можно выбрать так, чтобы максимальные угловые скорости валов 6 и 7 наиболее соответствовали работе машин, на основе которых построен вариатор скорости.
На фиг.15 показан пример, который соответствует механизму по фиг.5. Блок V представляет механизм, который позволяет непрерывно изменять передаточное число между валом i' и валом о от 0 до определенного максимального значения. Вал о может быть прямо соединен с ведомым валом о' посредством привода в действие соединителя S1, или он может быть соединен опосредованно через промежуточный вал и наборы шестерен, представленных на фиг.15, и это изменяет на обратное направление вращения, это второе соединение обеспечивается посредством привода в действие соединения S2. В точке, в которой передаточное число вариатора V равно 0, вал о остается неподвижным, и по этой причине S1 и S2 могут быть одновременно соединены; разъединение одного из двух выбирают в зависимости от того, будут ли с этого момента изменения передаточного числа, генерируемые механизмом и вращением вала о', происходить в том же направлении вала вращения о или в противоположном направлении.
На фиг.16 представлена блок-схема механизма, которая соответствует схеме, представленной на фиг.6. Блок "высокого диапазона" выполнен на основе механизма, представленного на фиг.12, в котором валы i и о на фиг.16 соответствуют валам i' и о' на фиг.12 и в котором блок V выполнен на основе механизма, представленного на фиг.1. Блок "короткого диапазона" выполнен на основе механизма, представленного на фиг.13. Вариатор скорости выполнен на основе двух электрических машин M1 и М2 (обе реверсивные и могут работать поочередно, одна как двигатель и другая как генератор или наоборот), и их валы соединены разными парами зубчатых колес с передаточным числом 1:1 с валами 6 и 7 как в механизме по фиг.1, так и в механизме по фиг.12. Блок "инвертора" выполнен на основе механизма, представленного на фиг.15.
Механизм работает следующим образом. Когда ведомый вал остановлен, соединители S1 или S2 инвертора соединены в соответствии с необходимостью движения назад или вперед (возможно оба соединять одновременно, если желательно не потерять передачу вращающего момента на ведомый вал).