МНОГОДИАПАЗОННАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ (ВАРИАНТЫ)
MULTIRANGE CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве бесступенчатой механической трансмиссии как стационарных, так и транспортных машин, в том числе с гибридными силовыми установками.
Из уровня техники известны бесступенчатые передачи, содержащие варьирующее звено - механическое или немеханическое, а также дифференциальные механизмы для разделения потоков мощности, идущих от двигателя к исполнительному механизму.
Одним из первых подобных устройств была бесступенчатая передача на основе механического варьирующего звена (вариатора) клиноременного или тороидального типа и дифференциального механизма, позволяющего изменять передаточное отношение передачи однонаправлено, например понижать его, при двунаправленном изменении передаточного отношения варьирующего звена, например как при понижении, так и при повышении его. Это свойство подобных устройств - основополагающее для целого класса бесступенчатых передач, появившихся позже, где варьирующее звено, как механическое (вариатор), так и немеханическое (например, мотор-генератор с системой управления), поочередно уменьшает и увеличивает свое передаточное отношение, а вся передача плавно либо уменьшает, либо увеличивает его (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы). М.: Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185). Этому устройству, принятому за аналог, свойственны недостатки, заключающиеся в отсутствии разделения потока мощности в самом варьирующем звене - вариаторе непланетарного типа, а также в наличии большого числа вспомогательных передач, усложняющих конструкцию и снижающих ее КПД.
Известна также бесступенчатая передача, включающая планетарный дисковый вариатор в качестве бесступенчатого звена, а также механизм, содержащий дифференциальную и согласующую передачи. Эта передача позволяет осуществлять двукратное разделение потока мощности, проходящего через него, как при понижении, так и при повышении передаточного отношения варьирующего звена, что повышает КПД передачи и уменьшает долю мощности, проходящей через бесступенчатое звено (см. патент РФ №2311575, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)», автор - Н.В.Гулиа, 27.11.07). Недостатком этого устройства, принятого также за аналог, является наличие повышающей согласующей передачи, что требует установки дополнительной понижающей передачи, усложняющей привод и снижающей КПД. К тому же, это устройство позволяет осуществить только два чередующихся друг с другом режима (диапазона) работы передачи с разделением потока мощности, что недостаточно для осуществления широкого общего диапазона изменения передаточного отношения передачи при высоком КПД для применения в качестве трансмиссии транспортных средств.
В качестве уровня техники следует отметить также многодиапазонные бесступенчатые передачи с разделением потока мощности, содержащие в качестве варьирующего звена непланетарные вариаторы, а также постоянно вращающиеся дифференциальные и согласующие передачи с их переключением сцепными муфтами (см., например, патент US 6056661). К недостаткам этих устройств можно отнести наличие непланетарных вариаторов, что исключает первое разделение потока мощности в самом вариаторе, характерное для планетарных вариаторов. Кроме того, наличие в согласующей передаче нескольких дополнительных цилиндрических передач повышает ее сложность и понижает КПД. Первый поддиапазон подобных передач выполняется таким образом, что при промежуточном передаточном отношении варьирующего звена передаточное отношение всей передачи равно бесконечности (режим кинематической нейтрали). Подобная мера позволяет расширить общий диапазон передачи, но ведет к высокой циркуляции мощности на первом поддиапазоне, ограничивая передаваемый на нем крутящий момент и резко снижая КПД передачи. Эти устройства также приняты за аналог.
В качестве аналогов следует также отметить передачи с электромеханическим или гидрообъемным варьирующим звеном, состоящим из двух обратимых энергетических машин электрического или гидравлического типа, связанных с источником вращения, последующей трансмиссией и друг с другом посредством дифференциального механизма, позволяющего снизить массу энергетических машин за счет разделения потоков мощности в самом варьирующем звене и прохождения через энергетические машины лишь части мощности и энергии от источника вращения (двигателя) до исполнительного механизма - ведущих колес. Наиболее известными устройствами этого типа являются гибридный силовой агрегат автомобиля Toyota Prius на базе электрических машин, (см., например публикацию http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive) и тракторная трансмиссия Fendt Vario на базе гидрообъемных машин (см., например, публикацию Karl Th. Renius. Hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen. WISSENSPORTAL baumaschine.de, Ausgabe 1(2004)). Недостатком этого класса устройств является отсутствие двух режимов работы варьирующего звена с дифференциальным механизмом (прямых и обратных режимов разделения потока мощности), где варьирующее звено чередует повышение и понижение передаточных отношений в процессе разгона или замедления транспортного средства, а выходное звено передачи только повышает или понижает его однонаправленным образом. Это существенно понижает КПД передачи и увеличивает установленную мощность электрических или гидравлических машин варьирующего звена.
Известны многодиапазонные бесступенчатые передачи с двукратным разделением потока мощности, содержащие две обратимые электромашины, по меньшей мере, два дифференциальных механизма, а также несколько согласующих передач планетарного типа (см., например, заявки и патенты US 2008/0171625, US 6551208, а также сведения о серийно выпускаемой трансмиссии GM-Allison EP). Недостатком этих передач является то, что только один поддиапазон осуществляется со сложным (двукратным) разделением потока мощности, что не позволяет обеспечить высокий КПД на остальных поддиапазонах. Другим недостатком является резко увеличивающееся количество управляющих фрикционных элементов (муфт и тормозов) при увеличении числа поддиапазонов свыше трех.
Известна двухдиапазонная бесступенчатая трансмиссия по патенту РФ №2373445, «Двухрежимный бесступенчатый привод - супервариатор (его варианты)». Устройство включает корпус с базовым вариатором - варьирующем звеном с его входными и выходными кинематическими звеньями, а также управляющий механизм, кинематически связанный с варьирующим звеном и включающий дифференциальную передачу, разделяющую потоки мощности, и согласующую передачу, обеспечивающую равенство частот вращения на выходном кинематическом звене передачи при изменении режимов работы передачи. Этих режимов при разделении потоков мощности в передаче два: прямой, названный в прототипе редукторным, когда характер изменения передаточного отношения варьирующего звена совпадает с таковым у всей передачи, т.е. его выходного звена, и обратный, названный в прототипе мультипликаторным, когда упомянутый характер противоположный. Например, в прямом режиме при понижении передаточного отношения варьирующего звена, т.е. ускорении его выходного вала, выходное звено всей передачи тоже ускоряется, а при замедлении - замедляется. В обратном же режиме при замедлении выходного вала варьирующего звена выходной вал всей передачи ускоряется, а при ускорении - замедляется. Чередованием режимов понижения и повышения передаточного отношения варьирующего звена (диапазонов передачи), совместно с изменением режимов работы передачи с прямого на обратный происходит изменение частоты вращения выходного звена передачи - его замедление или ускорение. Причем благодаря наличию согласующей передачи эти процессы происходят без разрыва потока мощности, и режимы плавно переходят друг в друга, какое-то небольшое время (доли секунды) оставаясь включенными вместе. Это позволяет получить широкий общий диапазон изменения передаточных отношений, причем при высоком его КПД. Важно, что согласующая передача в прототипе выполнена, как и в предлагаемом устройстве, планетарной, что обеспечивает компактность передачи и ее высокий КПД. Следует отметить, что чем более узок каждый поддиапазон, тем выше КПД передачи и тем меньшая мощность протекает через бесступенчатое звено, в данном случае - электромашины. Чем больше этих поддиапазонов, тем шире общий диапазон изменения передаточных отношений передачи.
Недостатками аналога являются:
1. Наличие всего одного дифференциального механизма в дифференциальной передаче, что вызывает необходимость переключений в ней.
2. Невозможность чередования более двух режимов работы передачи - прямого и обратного (первого и второго поддиапазонов), что снижает общий диапазон изменения передаточного отношения передачи.
3. Отсутствие наиболее экономичной непосредственной связи дифференциальной передачи с выходным звеном передачи («прямой» передачи) на наиболее востребованных для потребителя диапазонах изменения передаточного отношения, что снижает КПД передачи.
В качестве прототипа обоих вариантов изобретения принято наиболее близкое к предлагаемому техническое решение, обладающее и максимальной совокупностью общих с предлагаемым техническим решением признаков, изложенное в патенте РФ №2428607, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)». Устройство-прототип включает варьирующее звено на основе двух обратимых регулируемых энергетических машин, три дифференциальных механизма и согласующую передачу. Существенной особенностью прототипа является применение двухвальной согласующей передачи, которая определяет его основные недостатки:
1. Отсутствие как планетарных, так и прямых передач в согласующем механизме, что снижает КПД на 2..3% на всех поддиапазонах.
2. Несоосность и разнонаправленное вращение входного и выходного валов на поддиапазонах переднего хода, что затрудняет компоновку агрегата в автомобилях с продольным расположением двигателя.
3. Невозможность получения достаточно широкого диапазона варьирования передаточного отношения, поскольку минимальный диаметр ведущих зубчатых колес согласующего механизма ограничен условием обеспечения достаточной жесткости трех соосных валов, проходящих друг через друга насквозь и подверженных радиальной нагрузке от сил зацепления.
Задачей изобретения является создание многодиапазонной бесступенчатой коробки передач, позволяющей существенно повысить КПД, снизить размеры и массу, обеспечить рациональную компоновку для различных типов транспортных средств.
Указанная задача решается тем, что предложена многодиапазонная бесступенчатая коробка передач, включающая входной вал, варьирующее звено, дифференциальный блок первого разделения, дифференциальный блок второго разделения, согласующую передачу, выходной вал, характеризующаяся тем, что варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, дифференциальный блок первого разделения включает дифференциальный механизм первого разделения и уравнительную передачу, дифференциальный блок второго разделения включает дифференциальный механизм обратных режимов второго разделения и дифференциальный механизм прямых режимов второго разделения, а согласующая передача включает по меньшей мере один планетарный механизм, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального блока первого разделения, которое посредством уравнительной передачи связано с другим звеном дифференциального механизма первого разделения, а также жестко связано с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом согласующей передачи, а согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения выходного вала с выходными звеньями дифференциального блока - на, по меньшей мере, одном поддиапазоне - с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения и на, по меньшей мере, одном поддиапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух поддиапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока второго разделения.
Указанная задача также решается тем, что предложена многодиапазонная бесступенчатая коробка передач, включающая входной вал, варьирующее звено, дифференциальный блок первого разделения, дифференциальный блок второго разделения, согласующую передачу, выходной вал, характеризующаяся тем, что варьирующее звено выполнено в виде двух обратимых управляемых энергетических машин, дифференциальный блок первого разделения включает дифференциальный механизм первого разделения и уравнительную передачу, дифференциальный блок второго разделения включает дифференциальный механизм обратных режимов второго разделения и дифференциальный механизм прямых режимов второго разделения, а согласующая передача включает по меньшей мере один планетарный механизм, причем первая энергетическая машина кинематически связана с одним из звеньев дифференциального механизма первого разделения, вторая энергетическая машина кинематически связана с выходным звеном дифференциального блока первого разделения, которое посредством уравнительной передачи связано с другим звеном дифференциального механизма первого разделения, а также жестко связано с центральными колесами дифференциальных механизмов второго разделения, входной вал связан с третьим звеном дифференциального механизма первого разделения, с водилом дифференциального механизма обратных режимов второго разделения и с центральным колесом дифференциального механизма прямых режимов второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, выходной вал связан с водилом согласующей передачи, а согласующая передача выполнена с возможностью поочередного кинематического соединения выходного вала с выходными звеньями дифференциального блока - на, по меньшей мере, одном поддиапазоне - с водилом дифференциального механизма прямого режима второго разделения, на, по меньшей мере, одном поддиапазоне - с центральным зубчатым колесом дифференциального механизма обратного режима второго разделения, свободным от связи с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, и на одном поддиапазоне - с выходным звеном дифференциального механизма первого разделения, причем все упомянутые поочередные кинематические соединения звеньев дифференциального блока с водилом согласующей передачи выполнены с перекрытиями, когда два смежных соединения до отсоединения одного из них включены вместе, а на двух поддиапазонах водило непосредственно соединяется с одним из выходных звеньев дифференциального блока второго разделения.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что как минимум, один из дифференциальных механизмов второго разделения выполнен с возможностью кинематических соединений с водилом согласующей передачи на разных поддиапазонах коробки передач, причем эти соединения выполнены с различным передаточным отношением.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством цилиндрической зубчатой передачи.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что входной вал передачи выполнен проходящим соосно через роторы обеих энергетических машин, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством планетарной зубчатой передачи.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что дифференциальный механизм первого разделения и уравнительная передача имеют общее водило.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что дифференциальный механизм первого разделения и уравнительная передача имеют общий эпицикл.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что выходное звено дифференциального блока первого разделения связано с общим солнечным колесом дифференциальных механизмов второго разделения.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что выходное звено дифференциального блока первого разделения связано с общим эпициклом дифференциальных механизмов второго разделения.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что управляющие механизмы согласующей передачи выполнены с возможностью торможения внешних центральных зубчатых колес на планетарных рядах согласующей передачи.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что энергетические машины выполнены в виде электрических машин, электрически связанных друг с другом с возможностью обмена мощностью.
Следующей особенностью предложенного изобретения является то, что энергетические машины выполнены в виде гидрообъемных машин, гидравлически связанных друг с другом с возможностью обмена мощностью.
Различные варианты присоединения звеньев в дифференциальных механизмах и уравнительной передаче не меняют сущности изобретения, а лишь позволяют добиться различных соотношений между частотами вращения входного вала, выходного вала и валов энергомашин в зависимости от конкретного применения предложенной коробки передач.
Устройство представлено на 18 фигурах.
На фиг.1 изображена общая структурная схема автомобильного варианта коробки передач со всеми поддиапазонами со сложным разделением потока мощности, в котором входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством цилиндрической зубчатой передачи.
На фиг.2 изображена общая структурная схема тракторного варианта коробки передач с первым поддиапазоном с простым разделением и остальными поддиапазонами со сложным разделением потока мощности, в котором входной вал передачи выполнен проходящим соосно через ротор первой энергетической машины, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством цилиндрической зубчатой передачи.
На фиг.3 изображена общая структурная схема автомобильного варианта коробки передач со всеми поддиапазонами со сложным разделением потока мощности, в котором входной вал передачи выполнен проходящим соосно через роторы обеих энергетических машин, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством планетарной зубчатой передачи.
На фиг.4 изображена общая структурная схема тракторного варианта коробки передач с первым поддиапазоном с простым разделением и остальными поддиапазонами со сложным разделением потока мощности, в котором входной вал передачи выполнен проходящим соосно через роторы обеих энергетических машин, а ротор второй энергетической машины связан с выходным звеном дифференциального блока первого разделения посредством планетарной зубчатой передачи.
На фиг.5 изображен вариант дифференциального блока первого разделения с общим водилом дифференциального механизма первого разделения и уравнительной передачи для вариантов коробки передач по фиг.1, 2.
На фиг.6 изображен вариант дифференциального блока первого разделения с общим эпициклом дифференциального механизма первого разделения и уравнительной передачи для вариантов коробки передач по фиг.1, 2.
На фиг.7 изображен вариант дифференциального блока первого разделения с общим водилом дифференциального механизма первого разделения и уравнительной передачи для вариантов коробки передач по фиг.3, 4.
На фиг.8 изображен вариант дифференциального блока первого разделения с общим эпициклом дифференциального механизма первого разделения и уравнительной передачи для вариантов коробки передач по фиг.3, 4.
На фиг.9 изображен вариант дифференциального блока второго разделения с общим солнечным колесом дифференциальных механизмов второго разделения.
На фиг.10 изображен вариант дифференциального блока второго разделения с общим эпициклом дифференциальных механизмов второго разделения.
На фиг.11 изображена согласующая передача коробки передач автомобильного варианта коробки передач (фиг.1, 3) на включенном поддиапазоне 1.
На фиг.12 изображена согласующая передача коробки передач автомобильного варианта коробки передач (фиг.1, 3) на включенном поддиапазоне 2.
На фиг.13 изображена согласующая передача коробки передач автомобильного варианта коробки передач (фиг.1, 3) на включенном поддиапазоне 3.
На фиг.14 изображена согласующая передача коробки передач автомобильного варианта коробки передач (фиг.1, 3) на включенном поддиапазоне 4.
На фиг.15 изображена согласующая передача коробки передач тракторного варианта коробки передач (фиг.2, 4) на включенном поддиапазоне 1.
На фиг.16 изображена согласующая передача коробки передач тракторного варианта коробки передач (фиг.2, 4) на включенном поддиапазоне 2.
На фиг.17 изображена согласующая передача коробки передач тракторного варианта коробки передач (фиг.2, 4) на включенном поддиапазоне 3.
На фиг.18 изображена согласующая передача коробки передач тракторного варианта коробки передач (фиг.2, 4) на включенном поддиапазоне 4.
Многодиапазонная бесступенчатая коробка передач (фиг.1, 2, 3, 4) включает дифференциальный блок 1 первого разделения, дифференциальный блок 2 второго разделения, согласующую передачу 3, входной вал 4, выходной вал 5, корпус 6 и звено варьирования, состоящее из первой энергомашины 7 с преобразователем энергии 8 и второй энергомашины 9 с преобразователем энергии 10. Преобразователи энергии связаны между собой немеханической силовой связью. В варианте с электромеханическим варьирующим звеном энергомашины с преобразователями энергии могут быть выполнены, например, в виде электрических машин переменного тока с инверторами, связанными по звену постоянного тока. В варианте с гидромеханическим варьирующим звеном энергомашины с преобразователями энергии могут быть выполнены, например, в виде регулируемых гидрообъемных машин с общей гидравлической магистралью.
Дифференциальный блок 1 первого разделения (фиг.5, 6, 7, 8) состоит из дифференциального механизма 11 первого разделения, уравнительной передачи 12 и понижающего редуктора, который может быть выполнен в виде цилиндрической зубчатой передачи 13 (фиг.5, 6) или в виде планетарной передачи 14 (фиг.7, 8). Солнечное колесо 15 дифференциального механизма 11 первого разделения жестко связано с ротором первой энергомашины 7. Солнечное колесо 16 уравнительной передачи 12 жестко связано с корпусом 6. Понижающий редуктор (13 или 14) кинематически связывает ротор второй энергомашины 9 с выходным звеном 17 дифференциального блока 1 первого разделения, которое одновременно является входным звеном дифференциального блока 2 второго разделения. Общее входное звено 18 дифференциальных блоков 1 и 2 жестко связано с входным валом 4.
В одном из вариантов исполнения дифференциального блока 1 (фиг.5) общее входное звено 18 жестко соединено с эпициклом 19 дифференциального механизма 11 первого разделения, выходное звено 17 жестко соединено с эпициклом 20 уравнительной передачи 12, а водило 21 является общим для дифференциального механизма 11 и уравнительной передачи 12.
В другом варианте исполнения (фиг.6) общее входное звено 18 жестко соединено с водилом 22 дифференциального механизма 11, выходное звено 17 жестко соединено с водилом 23 уравнительной передачи 12, а эпицикл 24 является общим для дифференциального механизма 11 и уравнительной передачи 12.
Дифференциальный блок 2 второго разделения (фиг.9, 10) состоит из дифференциального механизма 25 прямых режимов второго разделения и дифференциального механизма 26 обратных режимов второго разделения. Общее входное звено 18 жестко связано с водилом 27 дифференциального механизма 25 прямых режимов второго разделения. Водило 28 дифференциального механизма 26 обратных режимов второго разделения жестко соединено с выходным звеном 29.
В одном из вариантов исполнения дифференциального блока 2 (фиг.9) общее входное звено 18 жестко связано с эпициклом 30 дифференциального механизма 25 прямых режимов второго разделения, эпицикл 31 дифференциального механизма 26 обратных режимов второго разделения жестко связан с выходным звеном 32, а звено 17 жестко связано с общим солнечным колесом 33 обоих дифференциальных механизмов 25 и 26.
В другом варианте исполнения дифференциального блока 2 (фиг.10) общее входное звено 18 жестко связано с солнечным колесом 34 дифференциального механизма 25 прямых режимов второго разделения, солнечное колесо 35 дифференциального механизма 26 обратных режимов второго разделения жестко связано с выходным звеном 32, а звено 17 жестко связано с общим эпициклом 36 обоих дифференциальных механизмов 25 и 26.
Согласующая передача 3 (фиг.11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) состоит из планетарного ряда 37 первого поддиапазона и планетарного ряда 38 второго поддиапазона с общим водилом 39, а также управляющего механизма (тормоза) 40 первого поддиапазона, управляющего механизма (тормоза) 41 второго поддиапазона, управляющего механизма (муфты) 42 третьего поддиапазона и управляющего механизма (муфты) 43 четвертого поддиапазона. Водило 39 непосредственно связано с выходным валом 5.
В автомобильном варианте коробки передач (фиг.1, 3, 11, 12, 13, 14) звено 29 непосредственно связано с солнечным колесом 44 планетарного ряда 37 первого поддиапазона и ведущим элементом муфты 42 третьего поддиапазона, а звено 32 непосредственно связано с солнечным колесом 45 планетарного ряда 38 второго поддиапазона и ведущим элементом муфты 43 четвертого поддиапазона.
В тракторном варианте коробки передач (фиг.2, 4, 15, 16, 17, 18) звено 17 непосредственно связано с солнечным колесом 44 планетарного ряда 37 первого поддиапазона, звено 29 непосредственно связано с ведущим элементом муфты 42 третьего поддиапазона, а звено 32 непосредственно связано с солнечным колесом 45 планетарного ряда 38 второго поддиапазона и ведущим элементом муфты 43 четвертого поддиапазона.
Управляющие механизмы (тормоза 40, 41 и муфты 42, 43) могут быть как фрикционного типа (мокрыми многодисковыми), так и кинематического типа (кулачковыми или зубчатыми).
В предлагаемом устройстве не рассмотрен вопрос реверсирования, т.е. «заднего хода» транспортного средства, которое может осуществляться любым известным способом (в том числе и отдельным блоком - реверс-редуктором) и к устройству многодиапазонной бесступенчатой коробки передач и принципу ее работы прямого отношения не имеет.
Весь диапазон бесступенчатого регулирования передаточного отношения разделен на несколько поддиапазонов, которые в представленных на фигурах вариантах последовательно переключаются с первого по четвертый при уменьшении передаточного отношения, и с четвертого на первый при его увеличении. Процесс регулирования передаточного отношения в пределах каждого поддиапазона является непрерывным, а в моменты переключения между поддиапазонами передаточное отношение фиксируется на время процесса переключения (доли секунды). Количество поддиапазонов принципиально не ограничено и может превышать 4. При увеличении числа поддиапазонов можно, с одной стороны, уменьшать их ширину, тем самым уменьшая долю мощности, протекающую через энергомашины. С другой стороны, при увеличении числа поддиапазонов можно увеличивать общий силовой диапазон коробки передач.
Работа автомобильного варианта многодиапазонной бесступенчатой передачи (фиг.1, 3) происходит следующим образом. Вращение от двигателя через вал 4 подается на водило 22 (вариант по фиг.6, 8) или эпицикл 19 (вариант по фиг.5, 7) дифференциального механизма 11 первого разделения потока мощности и водило 27 дифференциального механизма 26 второго разделения потока мощности обратных режимов, а также солнечное колесо 34 (вариант по фиг.10) или эпицикл 31 (вариант по фиг.9) дифференциального механизма 25 второго разделения потока мощности прямых режимов.
В дифференциальном механизме 11 часть мощности (в среднем около 10% полной мощности коробки передач) через солнечное колесо 15 отводится в энергомашину 7. Величина и направление потока мощности определяется соотношением частот вращения энергомашин, связанным с текущим передаточным отношением коробки передач. Через преобразователи 8 и 10 поток мощности энергомашины трансформируется в поток мощности энергомашины 9, который через редуктор 13 или 14 возвращается в выходное звено 17 дифференциального блока 1 первого разделения. Другая часть мощности (в среднем 30%) передается через механическую ветвь дифференциального механизма 11 и уравнительную передачу 12 на общие центральные колеса дифференциальных механизмов 25 и 26 (солнечные колеса 33 или эпициклы 36, в различных вариантах выполнения). Оставшийся поток мощности складывается в дифференциальных механизмах 25 (первый и третий поддиапазоны) или 26 (второй и четвертый поддиапазоны) с потоком мощности от звена 17 и передается на звено 29 (первый и третий поддиапазоны) или звено 32 (второй и четвертый поддиапазоны), являющиеся входными звеньями согласующей передачи 3.
Назначение уравнительной передачи 12 - задавать такое передаточное отношение от звена 18 до звена 17, чтобы при остановленном солнечном колесе 15 (состоянии, соответствующем крайнему значению передаточного отношения на любом поддиапазоне) угловые скорости звеньев 17 и 18 были равны. В этом случае угловые скорости звеньев 17, 29 и 32 также становятся равными. За счет этого необходимые передаточные отношения согласующей передачи становятся попарно равными на первом-втором и третьем-четвертом поддиапазонах, что позволяет реализовать два поддиапазона с прямой передачей и два поддиапазона с унифицированными планетарными рядами с равным передаточным отношением.
Назначение согласующей передачи 3 - соединять звенья 29 или 32 с выходным валом 5 с необходимым передаточным отношением. В рациональных режимах работы энергетических машин 7 и 9 угловые скорости их роторов должны изменяться от нулевой до максимальной без изменения направления вращения. Если при любом включенном поддиапазоне угловая скорость ротора энергомашины 7 изменяется от максимальной до нуля, то угловая скорость ротора энергомашины 7 изменяется в противофазе от нуля до максимальной. При этом передаточное отношение от звена 18 до звена 17 изменяется от бесконечности до 1, передаточное отношение от звена 18 до звена 29 изменяется приблизительно от 2 до 1, а передаточное отношение от звена 18 до звена 32 изменяется приблизительно от 1 до 0.5. Таким образом, чтобы получить непрерывное регулирование передаточного отношения коробки передач во всем диапазоне, необходимо обеспечить передаточное отношение планетарных рядов 37 и 38, приблизительно равное 4.
При регулировании передаточного отношения от максимального до минимального необходимо осуществлять управление коробкой передач в следующей последовательности:
1. Включить тормоз 40, начать движение.
2. Разгонять энергомашину 9, одновременно замедляя энергомашину 7. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 на первом поддиапазоне изменится от 8 до 4.
3. Включить тормоз 41. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 зафиксируется на величине 4.
4. Выключить тормоз 40.
5. Разгонять энергомашину 7, одновременно замедляя энергомашину 9. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 на втором поддиапазоне изменится от 4 до 2.
6. Включить муфту 42. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 зафиксируется на величине 2.
7. Выключить тормоз 41.
8. Разгонять энергомашину 9, одновременно замедляя энергомашину 7. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 на третьем поддиапазоне изменится от 2 до 1.
9. Включить муфту 43. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 зафиксируется на величине 1.
10. Выключить муфту 42.
11. Разгонять энергомашину 7, одновременно замедляя энергомашину 9. Передаточное отношение от вала 4 к валу 5 на четвертом поддиапазоне изменится от 1 до 0.5.
При регулировании передаточного отношения от минимального до максимального последовательность управляющих воздействий осуществляется в обратном порядке, заменяя включение соответствующих муфт и тормозов на их включение и наоборот, а также заменяя разгон соответствующих энергомашин на их торможение и наоборот.
Работа тракторного варианта многодиапазонной бесступенчатой передачи (фиг.2, 4) отличается от работы автомобильного варианта на первом поддиапазоне тем, что максимальное передаточное отношение на нем составляет бесконечность, поскольку солнечное колесо 44 непосредственно связано со звеном 17, передаточное отношение к которому от вала 4 изменяется в пределах от бесконечности до 1.
Работа на всех поддиапазонах выше первого происходит одинаковым образом как у автомобильного (фиг.1, 3), так и у тракторного (фиг.2, 4) вариантов многодиапазонной бесступенчатой коробки передач.
В тракторном варианте коробки передач (фиг.2, 4) равное бесконечности максимальное передаточное число на первом поддиапазоне обеспечивает возможность экономичного движения на сверхнизких скоростях по сравнению с известными типами трансмиссий, в которых подобных режим достигается, например, посредством сцепления в режиме пробуксовки или гидротрансформатора в режиме заторможенного турбинного колеса. Таким образом, тракторный вариант предпочтителен для сельскохозяйственной и специальной строительной техники.
В автомобильном варианте коробки передач (фиг.1, 3) максимальное передаточное число на первом поддиапазоне составляет конечную величину (около 8 в рациональном варианте выполнения) и для начала движения автомобиля необходимо применение фрикционного сцепления между двигателем и валом 4. Однако общий силовой диапазон, рационально достижимый в этой схеме (около 16 при 4 поддиапазонах) превышает рациональный силовой диапазон тракторного варианта (около 10 при 4 поддиапазонах). Увеличение силового диапазона сверх указанного требует переразмеривания энергетических машин, поскольку растут максимальные нагрузки на них. Таким образом, автомобильный вариант коробки передач предпочтителен для большегрузных автомобилей и автобусов, а также внедорожных транспортных машин с низкой энерговооруженностью.