ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности, к электромеханическим трансмиссиям гусеничных тракторов и может быть использована в гусеничных дорожно-строительных машинах.
Известна полнопоточная электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, состоящая из двухмашинного электропривода постоянного тока, силовой электрогенератор которого через ускоряющий редуктор и фрикционную муфту соединен с двигателем трактора, а тяговый электродвигатель через главную передачу, планетарные механизмы поворота и бортовые редукторы связан с ведущими колесами трактора, см., например, Исаков П.П., Кавьяров И.С., Большухин B.C. и др. Трактор ДЭТ-250 и его модификации. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975, с.20, рис.6.
Трансмиссия-аналог работает следующим образом.
При движении трактора механическая мощность, вырабатываемая дизельным двигателем, преобразуется в электрическую силовым генератором, который питает тяговый электродвигатель. Тяговый электродвигатель, получая электропитание от силового генератора, трансформирует электрическую мощность в механическую, развивая при этом на своем валу необходимые по условиям движения крутящий момент и скорость вращения, которые через главную передачу, являющуюся редуктором электродвигателя, двухступенчатый планетарный механизм поворота и бортовой редуктор передаются ведущим колесам трактора. Планетарный механизм поворота при прямолинейном движении трактора используется как двухступенчатая механическая передача, что обеспечивает необходимый для трактора диапазон изменения тяговых усилий и скоростей движения. Реверсирование направления движения трактора осуществляется электрическим способом за счет изменения направления тока в обмотке независимого возбуждения электродвигателя. Включение передач, поворот и торможение трактора производится с помощью соответствующих
элементов управления планетарного механизма поворота - путем включения тормозов и блокировочных муфт.
Недостатком аналога является необходимость применения в трансмиссии трактора тяговых электрических машин со значительной установочной (паспортной) мощностью, составляющей суммарно приблизительно 200% мощности приводного теплового двигателя, так как полный поток мощности проходит сначала через генератор и затем через электродвигатель к ведущим колесам трактора. Это обстоятельство предопределяет весьма высокие габаритные и массовые показатели основного электрооборудования (тяговых электромашин) и, как следствие, большое количество цветного металла, что существенно повышает себестоимость трансмиссии трактора.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, по совокупности схемных признаков и достигаемому техническому результату является многоступенчатая электромеханическая трансмиссия промышленного трактора, содержащая непрерывную электромеханическую передачу (электромеханический привод) с параллельными потоками мощности в ветвях, включающую в себя четырехзвенный планетарный механизм с двумя степенями свободы, две согласующие передачи электрических машин и сами электромашины постоянного тока, механическую ступенчатую передачу с фрикционными управляющими элементами, главную передачу трактора, двухступенчатый планетарный механизм поворота с бортовыми редукторами, см. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов. Л.: Машиностроение, 1981, с.20, рис.2.2.
Трансмиссия-прототип работает следующим образом.
При движении трактора мощность от первичного теплового двигателя передается на входной вал четырехзвенного планетарного механизма, который обеспечивает параллельную передачу мощности двумя потоками - механическим, посредством механизма передачи, и электрическим, при помощи двухмашинного электропривода, что позволяет существенно снизить установочную мощность тяговых электромашин. Согласующие зубчатые передачи
электрических машин обеспечивают согласование работы электропривода с основным планетарным механизмом. На выходном звене - водиле планетарного механизма осуществляется суммирование двух потоков мощности. Далее общий поток мощности с выходного звена передается на входной вал механической передачи, которая обеспечивает две передачи переднего хода и одну передачу заднего хода. Переключение ступеней осуществляется автоматизировано фрикционными муфтами сцепления. С механической передачи поток мощности через главную передачу, планетарный механизм поворота и бортовые редукторы передается на ведущие колеса трактора.
Недостатком прототипа является то, что при переключении передач характеристики частот вращения и крутящих моментов обеих электрических машин в конце каждой ступени не совпадают с характеристиками следующей ступени. Поэтому во время и после переключения передачи должен пройти определенный процесс изменения частот вращения, а значит и крутящих моментов электромашин. Частоты вращения и моменты должны перейти от значений, соответствующих характеристикам в конце каждой предыдущей ступени, к значениям, соответствующим характеристикам в начале каждой последующей ступени. В результате, процесс переключения передачи растягивается во времени, а в главных цепях электропривода возникают существенные скачки напряжения и тока. При обращении режима работы электропривода на каждой ступени в нем возникает циркулирующий поток мощности, который дополнительно загружает механическую ветвь электромеханической передачи. Кроме того, переключение передач в механической ступенчатой передаче осуществляется автоматически без разрыва потока мощности с перекрытием за счет введения автоматизированной электрогидравлической системы управления переключения передач, что существенно усложняет и удорожает систему управления трансмиссией трактора, делает ее громоздкой и малонадежной, затрудняет техническое обслуживание и ремонт. При переключении передач без разрыва потока мощности с перекрытием возникает неустранимая внутренняя циркуляция мощности в механической передаче,
возникающая при одновременной работе с пробуксовкой фрикционных управляющих элементов смежных передач. Эта мощность дополнительно загружает основную электромеханическую передачу, зубчатые механизмы и фрикционные управляющие элементы механической передачи, уменьшая при этом коэффициент полезного действия и увеличивая их нагрев и износ. Еще одним недостатком такого способа переключения передач является большая работа буксования выключаемых и включаемых фрикционных управляющих элементов, обусловленная необходимостью при каждом переключении выключить один и включить другой управляющий элемент. Кроме того, на любой передаче всегда имеются в наличии длительно выключенные многодисковые фрикционные элементы, имеющие зачастую достаточно высокие внутренние относительные угловые скорости и даже находящиеся в режиме противовращения, что провоцирует высокий уровень потерь мощности, нагрев и износ этих формально неработающих и ненагруженных элементов.
Отмеченные недостатки прототипа устраняются предлагаемой в качестве полезной модели электромеханической трансмиссией трактора.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является снижение себестоимости изготовления и обеспечение высокой надежности электромеханической трансмиссии гусеничного трактора путем передачи механической энергии от первичного теплового двигателя к ведущим колесам на всех режимах работы одновременно двумя параллельными потоками - механическим и электрическим, что позволит использовать электромашины с существенно меньшей установочной мощностью, а значит, с меньшей массой и габаритами, и использовать малогабаритные и долговечные управляющие элементы со сравнительно простыми средствами автоматизации переключения ступеней для обеспечения непрерывного изменения тяговых усилий и скоростей движения в зависимости от внешних условий работы трактора.
Указанная задача решается тем, что электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, содержащая электромеханическую передачу, управляемый реверс-редуктор, главную передачу, двухступенчатый планетарный
механизм поворота, а также два бортовых редуктора, в которой, согласно полезной модели, электромеханическая передача представляет собой основной трехзвенный планетарный механизм с двумя степенями свободы со встроенным в него двухмашинным электроприводом постоянного тока, вал одной из электромашин которого соединен с солнечным зубчатым колесом планетарного механизма с возможностью полной остановки этого вала фрикционным тормозом, а вал другой электромашины через две согласующие механические передачи с фрикционными управляющими элементами и механизмом свободного хода присоединяется либо к выходному звену (водилу) планетарного механизма, либо к входному звену (эпициклу) планетарного механизма в зависимости от того, какой фрикционный управляющий элемент включен, причем ведомые колеса двух согласующих зубчатых передач установлены на валу электромашины с возможностью относительного вращения, а ведомые диски одного из фрикционных управляющих элементов соединены с валом электромашины через механизм свободного хода.
Благодаря наличию планетарного механизма в электромеханической передаче обеспечивается возможность двухпоточной передачи мощности от приводного теплового двигателя к ведущим колесам на подавляющем большинстве режимов движения трактора. Установка между электромеханической передачей и главной передачей трактора управляемого реверс-редуктора, выполненного в виде четырехзвенного планетарного механизма со сдвоенными сателлитами, снабженного фрикционными тормозами переднего и заднего ходов, позволяет переходить от движения передним ходом к движению задним ходом и наоборот, причем передаточные числа в реверс-редукторе подбираются таким образом, чтобы обеспечивалось ускоренное движение задним ходом, что желательно для промышленного трактора, в большинстве случаев снабжаемого бульдозерно-рыхлительным оборудованием и работающего, преимущественно, с циклическими возвратно-поступательными движениями.
В графической части представлена электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора, предлагаемая в качестве полезной модели, включающая в себя электромеханическую передачу 1, входное эпициклическое зубчатое колесо 2 планетарного механизма которой связано с приводным тепловым двигателем 3, боковое солнечное колесо 4 планетарного механизма соединено с электромашиной 5 и оснащено остановочным фрикционным тормозом 6, а выходное звено - водило 7 планетарного механизма соединено с реверс-редуктором 8, который, в свою очередь, присоединен к главной передаче 9. На валу ведомой шестерни главной передачи установлен планетарный механизм поворота 10 с бортовыми редукторами 11, связанными с ведущими колесами 12 трактора. Переключение ступеней в электромеханической передаче осуществляется фрикционными управляющими элементами 13, 14 и механизмом свободного хода 15, которые через согласующие зубчатые передачи 16, 17 обеспечивают кинематическую связь выходного либо входного валов электромеханической передачи с электромашиной 18 в зависимости от того, какой из фрикционных управляющих элементов включен. Якорные обмотки электрических машин 5 и 18 связаны между собой гибкой электрической связью 19. Реверс-редуктор 8 оснащен фрикционными тормозами 20, 21. Двухступенчатый планетарный механизм 10 имеет в своем составе блокировочные фрикционные муфты 22, ленточные тормоза 23 и 24.
Электромеханическая трансмиссия гусеничного трактора работает следующим образом.
Для обеспечения запуска приводного теплового двигателя 3 система пуска обеспечивает его раскрутку электрическими машинами 5 и 18, работающими от аккумуляторных батарей.
Трогание трактора с места передним ходом осуществляется включением фрикционного тормоза переднего хода 20 в реверс-редукторе 8 и фрикционного управляющего элемента 13 с автоматической самоблокировкой механизма свободного хода 15 в электромеханической передаче 1 для обеспечения первой ступени. При этом мощность от приводного теплового двигателя
3 передается двумя параллельными потоками: механическим, через планетарный механизм, и электрическим - посредством электропривода. По условиям прямого согласования связей в электромеханической передаче электромашина 5 начинает работать в генераторном режиме, а электромашина 18 - в режиме тягового электродвигателя, то есть электрический поток мощности передается от электромашины 5 к электромашине 18. На выходном звене 7 планетарного механизма оба потока мощности суммируются и передаются на реверс-редуктор 8, откуда общий поток мощности через главную передачу 9 передается на планетарный механизм поворота 10, в котором в зависимости от условий работы трактора включена либо понижающая передача за счет затяжки ленточных тормозов 23, либо прямая передача, включаемая блокировочными фрикционами 22. Пониженная передача в планетарном механизме поворота 10 включается в сложных условиях работы трактора, например, при разработке тяжелых грунтов. Далее происходит разгон трактора на первой ступени.
Переключение на вторую ступень электромеханической передачи осуществляется автоматически при условии достижения электромашиной 5 нулевой угловой скорости и максимального крутящего момента на первой ступени. Кинематическая характеристика планетарного механизма электромеханической передачи 1 и передаточное число согласующей зубчатой передачи 16 подбираются таким образом, чтобы в этот момент угловая скорость электромашины 18 достигала своего максимального значения, а крутящий момент на валу этой электромашины снизился до нулевого значения, то есть кинематический нулевой режим электромашины 5 совмещается с силовым нулевым режимом электромашины 18, имеющей наибольшую допустимую частоту вращения без нагрузки в режиме холостого хода. В этом случае происходит включение фрикционного управляющего элемента 14, ведомые и ведущие диски которого вращаются с одинаковой угловой скоростью за счет согласующей зубчатой передачи 17, передаточное число которой подбирается таким образом, чтобы обеспечивалась синхронизация фрикционного
управляющего элемента 14 в момент его включения. За счет включения фрикционного управляющего элемента 14 происходит автоматическое расклинивание механизма свободного хода 15, что обеспечивает разрыв кинематической связи выходного вала электромеханической передачи с валом электромашины 18 и замыкание его с входным валом электромеханической передачи через фрикционный управляющий элемент 14 и зубчатую передачу 17, причем, фрикционный управляющий элемент 13 не требует выключения. Во время переключения ступени происходит обращение режима работы электропривода: электромашина 18 путем изменения направления ее потока возбуждения переходит из режима электродвигателя в режим генератора, а электромашина 5, наоборот, из генераторного режима обращается в двигательный. После полного обращения режима работы электропривода мощность от приводного теплового двигателя 3 передается через электромеханическую передачу двумя параллельными потоками мощности: через механическую ветвь планетарного механизма и через электропривод, в котором электрический поток мощности передается уже от электромашины 18, работающей в генераторном режиме, к электромашине 5, которая начинает работать в двигательном режиме. На водиле 7 планетарного механизма происходит суммирование двух потоков мощности и дальнейшая передача его через реверс-редуктор 8, главную передачу 9, планетарный механизм поворота 10, бортовые редукторы 11 к ведущим колесам 12 трактора. Далее осуществляется разгон машины на второй ступени электромеханической передачи.
Переключение ступеней электромеханической передачи в нисходящем порядке осуществляется по такому же принципу, как и в восходящем, то есть при переключение со второй ступени на первую обеспечивается совмещение силового нулевого режима электромашины 18 с кинематическим нулевым режимом электромашины 5 при одновременной синхронизации ведущих и ведомых дисков фрикционных управляющих элементов 13, 14.
Таким образом, при переключении ступеней электромеханической передачи одновременно достигаются два важнейших свойства передач высокого
качества: переключение электромашины происходит при полной ее разгрузке, что обеспечивает отсутствие скачков напряжения и тока в главной цепи электропривода, и в момент переключения фрикционные управляющие элементы синхронизированы и разгружены. Такой тип передачи допускает автоматизацию переключения ступеней сравнительно простыми средствами, чем обеспечивается предельная простота, компактность и надежность системы управления. При переключении ступеней в электромеханической передаче за счет применения механизма свободного хода отпадает необходимость при каждом переключении выключить один и включить другой фрикционный управляющий элемент, что существенно снижает их работу буксования, повышая при этом надежность и эффективность переключающих устройств, что является одним из главных требований, предъявляемым к непрерывным многоступенчатым передачам.
В схеме можно создать фиксированную передачу переднего хода, когда весь поток мощности от приводного теплового двигателя 3 будет передаваться только механическим путем с максимальным коэффициентом полезного действия. Фиксированная передача осуществляется включением фрикционного тормоза 6 при включенном фрикционном управляющем элементе 13 на первой ступени электромеханической передачи, что обеспечивает полную остановку электромашины 5 и отключение цепи 19 всего электропривода, а остановленное солнечное колесо 4 обеспечивает получение фиксированной понижающей передачи переднего хода через планетарный механизм электромеханической передачи 1.
При необходимости может быть обеспечен режим ходоуменьшения, при котором трактор движется с замедленными скоростями. Такой режим осуществляется при совместной работе электромеханической передачи 1 и приводного двигателя 3 в области регулировочных характеристик (при малой подаче топлива).
Движение трактора задним ходом осуществляется аналогично движению передним ходом, только в реверс-редукторе 8 включен фрикционный
тормоз заднего хода 21, а фрикционный тормоз переднего хода 20 выключен.
Движение трактора свободным накатом осуществляется выключением фрикционного тормоза переднего хода 20 или фрикционного тормоза заднего хода 21 в реверс-редукторе 8 (нейтраль трансмиссии) и прекращением подачи топлива в двигатель 3.
Торможение поступательного движения трактора осуществляется прекращением подачи топлива в двигатель 3, выключением фрикционного тормоза 20 при движении передним ходом или выключением фрикционного тормоза 21 при движении задним ходом и включением обоих остановочных тормозов 24 в планетарном механизме поворота 10.
Режим длительного торможения трактора при помощи двигателя 3 осуществляется путем обращения режима работы электропривода в целом при одновременном прекращении подачи топлива в двигатель. Валы входа и выхода электромеханической передачи 1 меняются своим функциональным назначением: первый становится ведущим, приводящим во вращение от звена 2 планетарного механизма двигатель 3 и преодолевающим его сопротивление, а второй - ведомым, получающим кинетическую энергию через ведущие колеса 12, бортовые редукторы 11, планетарный механизм поворота 10, главную передачу 9 и реверс-редуктор 8 от массы корпуса трактора. Для полной остановки трактора необходимо пользоваться остановочными тормозами 24.
Криволинейное движение (поворот) трактора осуществляется двухступенчатым планетарным механизмом поворота 10. Для обеспечения поворота трактора с большими радиусами на одном из бортов выключается блокировочный фрикцион 22 и дозированной затяжкой ленточного тормоза 23 осуществляется подтормаживание ведущего колеса 12 этого борта, а угловая скорость ведущего колеса второго борта остается такой же, как была до входа трактора в поворот. Полной затяжкой ленточного тормоза 23 обеспечивается фиксированный радиус поворота, величина которого прямо пропорциональна величине кинематической характеристики планетарного механизма
поворота 10. Для обеспечения криволинейного движения трактора с еще меньшими радиусами поворота со стороны отстающего борта осуществляется дозированная затяжка остановочного тормоза 24 при отключенном блокировочном фрикционе 22 этого борта. При полной затяжке тормоза 24 обеспечивается поворот относительно этого борта с минимальным радиусом поворота, равным колее трактора.
Таким образом, предложенная электромеханическая трансмиссия обеспечивает: существенное снижение установочной мощности электрических машин, что ведет к уменьшению их массогабаритных показателей; переключение передач при полной разгрузке электропривода, что уменьшает время процесса переключения и исключает возникновение скачков напряжения и тока в главных цепях электропривода; автоматизацию переключения передач сравнительно простыми средствами, что позволяет использовать недорогие компактные и надежные системы управления; снижение работы буксования и повышение надежности и эффективности управляющих устройств; повышение общего коэффициента полезного действия трансмиссии машины.