Гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного транспортного средства
HYDROSTATIC-MECHANICAL TRANSMISSION OF HEAVY-DUTY VEHICLE

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к трансмиссиям наземных транспортных средств. Преимущественная сфера использования - тяжеловозные транспортные средства и седельные тягачи на их базе, где механическая трансмиссия и гидромеханические передачи не обладают требуемой эффективностью [1].
Известна выполненная по двухпоточной схеме гидромеханическая трансмиссия [2], содержащая входной и выходной валы, две гидравлически связанные регулируемые гидромашины, четырехзвенный планетарный механизм, включающий водило с сателлитами, два центральных колеса с наружными зубьями и центральное колесо с внутренними зубьями, управляемые муфты и зубчатые передачи, при этом первая гидромашина кинематически связана через зубчатую передачу с первым центральным колесом с наружными зубьями, вторая гидромашина соединена через первые зубчатую передачу и управляемую муфту с центральным колесом с внутренними зубьями. Трансмиссия отличается тем, что планетарный механизм содержит парные зацепляющиеся сателлиты, вторая гидромашина соединена через вторые зубчатую передачу и управляемую муфту со вторым центральным колесом с наружными зубьями, входной вал связан с водилом планетарного механизма, выходной вал кинематически соединен с центральным колесом с внутренними зубьями. Данная трансмиссия обеспечивает два диапазона переднего хода и один диапазон заднего хода с бесступенчатым регулированием передаточного отношения и двухпоточной передачей мощности, при этом гидравлическая мощность не превышает 25% от передаваемой мощности.
Известна выполненная по двухпоточной схеме объемная гидромеханическая передача [3], содержащая входной и выходной валы, две гидравлически связанные обратимые регулируемые гидромашины, четырехзвенный дифференциал, имеющий две солнечные шестерни, большая из которых соединена с входным валом, сателлиты, водило, соединенное с выходным валом, и центральное колесо с внутренним зацеплением, четыре переключающих устройства, два из которых соединяют вал одной гидромашины с входным валом передачи и центральным колесом с внутренним зацеплением, а два других переключающих устройства соединяют вал другой гидромашины с выходным валом передачи и малой солнечной шестерней дифференциала. Трансмиссия отличается тем, что сателлиты выполнены парными зацепляющимися между собой, причем один из них выполнен широким и установлен между большой солнечной шестерней и центральным колесом с внутренним зацеплением, а другой сателлит выполнен узким и находится в зацеплении с малой солнечной шестерней.
Известна выполненная по двухпоточной схеме гидрообъемно-механическая трансмиссия транспортного средства [4], содержащая ведущий вал, кинематически связанный с двигателем, выходной вал, кинематически связанный с ведущими колесами транспортного средства, гидрообъемную передачу, включающую две гидравлически связанные между собой регулируемые объемные гидромашины, механическую передачу, содержащую планетарный механизм, включающий водило с сателлитами, солнечные шестерни, зубчатые передачи и устройство переключения диапазонов. Трансмиссия  отличается тем, что двигатель соединен через фрикционную муфту и первую зубчатую передачу с первой солнечной шестерней планетарного механизма, через вторую зубчатую передачу с приводным валом гидронасоса, приводной вал гидромотора соединен со второй солнечной шестерней, водило планетарного механизма, имеющее сателлиты, соединенные между собой, соединено с устройством переключения диапазонов, которое через выходной вал кинематически связано с ведущими колесами транспортного средства.
Недостатками указанных трансмиссий, выполненных по двухпоточной схеме, являются: сравнительно малый диапазон бесступенчатого регулирования крутящего момента, который в двухпоточных передачах уменьшается пропорционально снижению доли гидравлической мощности [2], что снижает проходимость транспортного средства в тяжелых дорожных условиях, отсутствие возможности автоматического регулирования подводимого к ведущим колесам крутящего момента в зависимости от текущих значений пробуксовки колес и нагрузки на мосты, наличие одного выходного вала позволяет подводить мощность к одной группе ведущих колес или требует наличия раздаточной коробки, отсутствие возможности торможения транспортного средства трансмиссией.
Наиболее близкой по совокупности признаков и достигаемому эффекту к заявляемой трансмиссии является принятая за прототип гидрообъемная трансмиссия гусеничного трактора [5], выполненная по полнопоточной схеме и содержащая разветвляющий редуктор, две параллельные бортовые гидрообъемные передачи с насосами регулируемой производительности и нерегулируемыми моторами, а также два бортовых редуктора. Трансмиссия отличается тем, что между моторами и бортовыми редукторами установлены два планетарных механизма, солнечные зубчатые колеса которых соединены с каждым из гидромоторов двумя одинаковыми зубчатыми передачами, водило каждого суммирующего планетарного механизма соединено с эпициклическим зубчатым колесом другого планетарного механизма и затем с бортовым редуктором.
Данная трансмиссия позволяет перераспределять крутящий момент между ведущими колесами транспортного средства.
Недостатками гидрообъемной трансмиссии гусеничного трактора являются: большое количество гидравлических машин, значительные габариты ввиду несоосности гидромоторов с суммирующими планетарными рядами, значительная масса трансмиссии ввиду наличия дополнительных зубчатых передач, разветвляющего редуктора и применения нерегулируемых гидромоторов [6], отсутствие разобщающего механизма между двигателем и трансмиссией приводит к повышенному износу двигателя при пуске в условиях низких температур, невозможность полного отключения гидронасосов от гидромоторов (полного разрыва силового потока) при необходимости отключения одного из ведущих колес от двигателя, сравнительно низкий диапазон регулирования подводимого к ведущим колесам крутящего момента ввиду отсутствия в суммирующих планетарных рядах и бортовых редукторах механических поддиапазонов его изменения, отсутствие возможности автоматически регулировать подводимый к ведущим колесам транспортного средства крутящий момент в зависимости от текущих значений пробуксовки колес и нагрузки на мосты, что снижает проходимость транспортного средства, отсутствие возможности торможения транспортного средства трансмиссией.
Технический результат направлен на снижение массы и габаритов гидропередачи, снижение износа двигателя внутреннего сгорания при пуске в условиях низких температур, обеспечение возможности отключения привода ведущих колес переднего моста, расширение диапазона регулирования подводимого к ведущим колесам крутящего момента и обеспечение возможности его автоматического регулирования в зависимости от текущих значений пробуксовки колес и нагрузки на мосты, обеспечение возможности торможения транспортного средства трансмиссией.
Технический результат достигается тем, что гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного транспортного средства, содержащая один регулируемый обратимый аксиально-поршневой гидронасос с наклонным диском, напорные гидролинии, аксиально-поршневые гидромоторы привода передних и задних колес, сливную гидролинию, выходные планетарные передачи, выполненные по одинаковой кинематической схеме и состоящие из связанных с выходными валами гидромоторов солнечных шестерен, сателлитов, установленных на водилах, эпициклических шестерен, карданные валы, межколесные дифференциалы, полуоси, при этом аксиально-поршневые гидромоторы привода передних и задних колес выполнены регулируемыми (за счет наклона дисков), выходные планетарные передачи не имеют кинематической связи между собой, трансмиссия дополнительно снабжена управляемой муфтой, связывающей двигатель внутреннего сгорания с гидронасосом, гидрораспределителем управления, предохранительными клапанами, дренажными гидролиниями, баком гидросистемы, электронным блоком управления движением транспортного средства, проводами передачи сигналов, фрикционами и тормозами, установленными в выходных планетарных передачах.
Отличительными признаками от прототипа является то, что в предлагаемой трансмиссии применен один связанный с двигателем внутреннего сгорания аксиально-поршневой гидронасос, аксиально-поршневые гидромоторы привода передних и задних колес выполнены регулируемыми (за счет наклона дисков), выходные планетарные передачи не имеют кинематической связи между собой, трансмиссия дополнительно снабжена управляемой муфтой, связывающей двигатель внутреннего сгорания с гидронасосом, гидрораспределителем управления, предохранительными клапанами, дренажными гидролиниями, баком гидросистемы, электронным блоком управления движением транспортного средства, проводами передачи сигналов, фрикционами и тормозами, установленными в выходных планетарных передачах.
Схема гидрообъемно-механической трансмиссии тяжеловозного транспортного средства представлена на фиг. 1, кинематическая схема выходной планетарной передачи - на фиг. 2.
1
2
1
2
Гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного транспортного средства включает (фиг. 1): управляемую муфту 2, соединенную с регулируемым обратимым аксиально-поршневым гидронасосом с наклонным диском 3, гидрораспределитель управления 4 с электрическим управлением, напорные гидролинии 5, параллельно подключенные регулируемые обратимые аксиально-поршневые гидромоторы с наклонными дисками привода передних 6 и задних колес 7, радиатор охлаждения рабочей жидкости 8, сливную гидролинию 9, бак гидросистемы 10, предохранительные клапаны 11 и 12, дренажные гидролинии 13 и 14, всасывающую гидролинию 30, выходные планетарные передачи 15 и 16, карданные валы 17, межколесные дифференциалы 18, полуоси 19, электронный блок управления движением транспортного средства 21, провода передачи сигналов 22. Выходные планетарные передачи (фиг. 2) выполнены по одинаковой кинематической схеме и состоят из связанных с выходными валами гидромоторов 6 и 7 солнечных шестерен 24, сателлитов 25, установленных на водилах 26, эпициклических шестерен 27, фрикционов (Ф и Ф) 28, тормозов (T и Т) 29.
Гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного
транспортного средства работает следующим образом.
При движении транспортного средства крутящий момент от двигателя внутреннего сгорания 1 (фиг. 1) через управляемую муфту 2 передается на входной вал гидронасоса 3, рабочая жидкость под давлением поступает в гидрораспределитель управления 4, который путем открытия-закрытия золотников, регулирующих величину расхода рабочей жидкости в напорных гидролиниях 5, распределяет мощность, передаваемую гидронасосом 3 к гидромоторам привода передних 6 и задних колес 7 в соответствии с колесной формулой транспортного средства и текущим распределением нагрузки на колеса транспортного средства. При этом осуществляется регулирование производительности гидромоторов 6 и 7 за счет изменения положения их наклонных дисков. Команды на открытие-закрытие золотников гидрораспределителя управления 4 и изменения производительности гидромоторов 6 и 7 подаются электронным блоком управления движением 21 по проводам передачи сигналов 22.
1
2
2
1
Далее крутящий момент с выходных валов гидромоторов 6 и 7 через карданные валы 17 передается на солнечные шестерни 24 (фиг. 2) выходных планетарных передач 15 и 16. В выходных планетарных передачах включены фрикционы Ф и Ф 28, выключены тормоза Т и T 29, поэтому крутящий момент без преобразования передается с солнечных шестерен 24 на водила 26 (в выходных планетарных передачах включена прямая передача). С водила 26 крутящий момент через карданные валы 17 (фиг. 1) передается на межколесные дифференциалы 18, где преобразуется по величине и направлению и через полуоси 19 передается на ведущие колеса 20. После гидромоторов 6 и 7 рабочая жидкость по сливной гидролинии 9 поступает в радиатор охлаждения рабочей жидкости 8 и далее в бак гидросистемы 10, откуда по всасывающей гидролинии 30 подается в гидронасос 3.
В случае пробуксовки колес, изменения динамической нагрузки на колеса задних мостов при развитии транспортным средством максимальных тяговых усилий [7] или при движении на подъем (спуск) датчики 23 регистрируют несоответствие угловой скорости колес и поступательной скорости движения транспортного средства или изменение нагрузки на колеса транспортного средства. При этом по команде электронного блока управления движением 21 за счет регулирования расхода рабочей жидкости в напорных гидролиниях 5 гидрораспределителем управления 4, а также путем изменения производительности гидромоторов 6 и 7 автоматически уменьшается крутящий момент, передаваемый к буксующим или разгруженным колесам при одновременном увеличении крутящего момента на работающих без буксования или загруженных колесах. Таким образом, за счет автоматического перераспределения крутящего момента в соответствии с текущими значениями пробуксовки колес и нагрузкой на мосты транспортного средства осуществляется управляемая гидродифференциальная связь между передними и задними колесами с автоматически регулируемой степенью несимметрии, что существенно повышает проходимость транспортного средства в тяжелых дорожных условиях, особенно при движении с прицепной нагрузкой по деформируемым грунтам с низким коэффициентом сцепления [1].
1
2
1
2
При движении в тяжелых дорожных условиях водителем принудительно включается понижающая передача. При этом по командам электронного блока управления движением 21 (фиг. 1), передаваемым по проводам передачи сигналов 22, управляемая муфта 2 кратковременно разобщает двигатель внутреннего сгорания 1 и гидронасос 3, открываются предохранительные клапаны 11 и 12, соединяя посредством дренажных гидролиний 13 и 14 гидролинии 5 и 9, в выходных планетарных передачах 15 и 16 (фиг. 2) выключаются фрикционы Ф и Ф 28, включаются тормоза Т и Т, и крутящий момент с солнечной шестерни 24 через обкатывающиеся по заторможенному эпициклическому колесу 27 сателлиты 25 передается на водило 26 и далее через описанные выше механические узлы и агрегаты трансмиссии к ведущим колесам 20 (фиг. 1).
Изменение скорости транспортного средства осуществляется в зависимости от положения педали акселератора (не показана) по команде электронного блока управления движением транспортного средства 21 за счет изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания 1, производительности гидронасоса 3 и гидромоторов 6, 7. При этом за счет изменения положения наклонного диска от минимального до максимального изменяется рабочий объем гидронасоса 3, а затем при максимальном рабочем объеме гидронасоса 3 от максимального до минимального изменяются рабочие объемы гидромоторов 6 и 7.
Задний ход транспортного средства реализуется за счет перевода наклонного диска гидронасоса 3 через нулевое положение. При этом открываются предохранительные клапаны 11 и 12, соединяя посредством дренажных гидролиний 13 и 14 гидролинии 5 и 9. При этом напорные гидролинии 5 работают в качестве сливных, а сливная гидролиния 9 - в качестве напорной, изменяется направление вращения выходных валов гидромоторов 6 и 7, вследствие чего транспортное средство движется задним ходом.
1
1
При движении транспортного средства без груза возможно принудительное отключение переднего моста. При этом управляемая муфта 2 (фиг. 1) кратковременно разобщает двигатель внутреннего сгорания 1 и гидронасос 3,открываются предохранительные клапаны 11 и 12, соединяя посредством дренажных гидролиний 13 и 14 гидролинии 5 и 9, гидрораспределитель управления 4 перекрывает соответствующую ветвь напорной гидролинии 5, что вызывает остановку гидромотора 6, в выходной планетарной передаче 15 (фиг. 2) выключаются фрикцион Ф 28 и тормоз T 29, вследствие чего солнечная шестерня 24, водило 26 и эпициклическое колесо 27 свободно вращаются, разобщая тем самым связь ведущих колес 20 (фиг. 1) с гидромотором 6. Движение транспортного средства осуществляется за счет работы гидромотора 7.
При пуске двигателя внутреннего сгорания в условиях низких температур управляемая муфта 2 разобщает двигатель 1 и трансмиссию, вследствие чего двигатель некоторое время работает на оборотах холостого хода, подготавливаясь к принятию нагрузки.
При применении гидрообъемно-механической трансмиссии в качестве трансмиссионного тормоза, в том числе при движении на затяжных спусках, наклонный диск гидромотора 3 (фиг. 1) устанавливается в нейтральное положение, рабочая жидкость под максимальным давлением перепускается через предохранительные клапаны 11 и 12 и по дренажным гидролиниям 13 и 14 поступает в сливную гидролинию 9. При этом рабочий объем гидромоторов 6 и 7 увеличивается, за счет чего создается тормозной момент, который через выходные планетарные передачи 15 и 16, карданные передачи 17, межколесные дифференциалы 18 и полуоси 19 передается к ведущим колесам 20, вследствие чего осуществляется торможение транспортного средства.
В случае повышения давления в напорных гидролиниях 5 выше допустимого предохранительные клапаны 11 и 12 открываются, соединяя гидролинии 5 и 9, вследствие чего происходит сброс избыточного давления.
Применение в качестве гидропередачи регулируемых аксиально-поршневых насоса и гидромоторов с наклонными дисками позволяет получить оптимальное сочетание низких массы и габаритов гидропередачи, легкости регулирования, быстроты изменения частоты вращения валов, высокой равномерности вращении на малых частотах при развитии высоких значений крутящего момента и позволяет наиболее полно использовать мощность двигателя при изменяющемся сопротивлении движению транспортного средства [8].
Таким образом, предлагаемая гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного транспортного средства по сравнению с прототипом имеет меньшую массу и габаритные размеры гидропередачи, позволяет повысить безопасность движения и проходимость транспортного средства, средние скорости движения в тяжелых дорожных условиях, снизить расход топлива при движении без груза и износ двигателя при пуске в условиях низких температур и может устанавливаться на автомобиле вместо механического сцепления, коробки передач и раздаточной коробки, при сохранении стандартных карданных валов и ведущих мостов, что дает возможность создания модификаций автомобиля, отличающихся конструктивным исполнением трансмиссии. Наличие электронного блока управления позволяет сопрягать предлагаемую трансмиссию с бортовой информационно-управляющей системой транспортного средства.
Технико-экономическое обоснование на изобретение «Гидрообъемно-механическая трансмиссия тяжеловозного транспортного средства»
Отсутствие в прототипе функций обеспечения возможности автоматического регулирования подводимого к ведущим колесам транспортного средства крутящего момента в соответствии с текущими значениями пробуксовки колес и нагрузкой на мосты, торможения транспортного средства трансмиссией, возможности отключения одного гидромотора и ведущих колес переднего моста, разобщения двигателя и трансмиссии при пуске в условиях низких температур приводит к снижению средних скоростей движения вплоть до застревания при движении в тяжелых дорожных условиях, риску совершения дорожно-транспортного происшествия с причинением ущерба перевозимому грузу и другим участникам дорожного движения, повышенному расходу топлива при движении транспортного средства без груза, повышенному износу двигателя при пуске в условиях низких температур.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить безопасность движения и проходимость транспортного средства, средние скорости движения в тяжелых дорожных условиях, снизить расход топлива при движении без груза и износ двигателя при пуске в условиях низких температур.
В экономическом выражении эксплуатация тяжеловозных транспортных средств, оснащенных гидрообъемно-механической трансмиссией, позволяет выбирать более короткие маршруты для перевозок (за счет возможности преодоления труднопроходимых участков), повысить производительность транспортных средств за счет увеличения средних скоростей движения в сложных дорожных условиях, снизить расход топлива при движении без груза, увеличить ресурс двигателя за счет уменьшения его износа при пуске в условиях низких температур, уменьшить вероятность дорожно-транспортных происшествий, вызванных недостаточной эффективностью тормозного управления, особенно на затяжных спусках, сокращая тем самым возможные расходы на ремонт, страховые выплаты и судебные издержки в случае совершения дорожно-транспортного происшествия.
Использованные литературные источники
1. Петров С.Е. Оценка перспективности использования гидрообъемных трансмиссий на автомобильном транспорте // Материалы 65 международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». Секция 1. «Автомобили, тракторы, их агрегаты и системы».
2. Пат.RU 2238457 Республика Российская Федерация. Гидромеханическая трансмиссия [Текст]/Айзикович В.М. и др.; заявитель и патентообладатель Республиканское унитарное предприятие «Минский тракторный завод». - опубл. 20.10.2004.
3. Пат. RU 2269707 Российская Федерация. Объемная гидромеханическая передача[Текст]/Фрумкин Л.А. и др.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-исследовательский тракторный институт «НАТИ». - опубл. 10.02.2006.
4. Пат. на полезную модель UA 130362. Гидрообъемно-механическая трансмиссия транспортного средства [Текст] / Рябиченко Е.А.; заявитель и патентообладатель частное акционерное общество «У.П.Э.К.». - опубл. 20.07.2013.
5. Пат.RU 2247037. Гидрообъемная трансмиссия гусеничного трактор [Текст]/Филичкин Н.В. и др.; заявитель и патентообладатель Южно-Уральский государственный университет. - опубл. 27.02.2005.
6. Петров В.А. Гидрообъемные трансмиссии самоходных машин: производственное издание. - М.: Машиностроение, 1988. - 248 с.
7. Материалы совещания по автомобильным автопоездам высокой проходимости. - НАМИ, 1960. - 117 с.
8. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. С.П. Стесина. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 336 с.