БЕССТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ
CONTINUOUS TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для плавного изменения передаточного отношения механической части привода промышленных установок и транспортных средств, в частности электромобилей.
Известен широкодиапазонный клиноременный вариатор, включающий входной и выходной валы, базовый вариатор, дифференциал и зубчатую передачу (см. патент РФ на изобретение № 2071577, МПК F16H 9/00 (1995.01), опубл. 10.01.1997). В данной конструкции между входным и выходным валами установлен промежуточный вал, базовый вариатор выполнен клиноременным с раздвижными коническими шкивами, дифференциал выполнен коническим, а зубчатая передача состоит из цилиндрических шестерен и паразитной шестерни. Одна пара шкивов установлена на входном валу, а другая связана с корпусом (водилом) дифференциала. Одно центральное колесо дифференциала связано с выходным валом, другое - с промежуточным валом. При изменении передаточного отношения ϕ базового вариатора от 1/3 до 2 скорость вращения выходного вала плавно меняется «вниз» от 5-кратной до 0, а затем, при дальнейшем росте ϕ от 2 до 3, реверсируется до -1/3 скорости вращения входного вала.
Недостатками аналога являются, во-первых, повышенная скорость вращения выходного вала «вперед», которая при передаче к рабочему органу, например, колесам автомобиля, должна понижаться дополнительным редуктором, но тогда становится недостаточной скорость хода «назад», что требует подключения дополнительного мультипликатора. Во-вторых, водило и сателлиты дифференциала и ведомые шкивы базового вариатора передают удвоенный крутящий момент (относительно момента нагрузки на выходном валу), что либо повышает риск механической поломки этих деталей, либо увеличивает габарит конструкции ввиду необходимости их усиления и упрочнения. В-третьих, КПД трансмиссии снижен из-за наличия в конструкции паразитной шестерни. В-четвертых, для регулярного сдвижения - раздвижения шкивов вариатора требуется дополнительное гидравлическое оборудование со своей электронной системой управления и соответствующими датчиками. В-пятых, элементы конструкции расположены на разнесенных в пространстве осях, что увеличивает размеры устройства. В результате этот комплекс недостатков существенно усложняет конструкцию вариатора и делает ее громоздкой.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является широкодиапазонная реверсивная трансмиссия, включающая корпус, входной и выходной валы, дифференциал, включающий центральные колеса, сателлиты и водило, и базовый вариатор, состоящий из ведущего и ведомого фрикционов и промежуточных элементов (см. патент РФ на изобретение № 2729847, МПК (2021.01) F16H 15/50, опубл. 12.08.2020). В данной конструкции базовый вариатор выполнен многодисковым планетарным и включает внешний фрикцион-эпицикл, внутренний центральный фрикцион и промежуточные элементы - сателлиты, выполненные в виде сдвоенных плоских дисков и установленные на оси вращения с возможностью углового перемещения (покачивания) соответственно наклонным контактным поверхностям дисков фрикционов. Трансмиссия снабжена реверсором, установленным между базовым вариатором и планетарным дифференциалом, эпицикл которого соединен с выходным валом.
Недостатками прототипа являются громоздкость, сложность конструкции и пониженный КПД. Это связано с тем, что базовый многодисковый планетарный вариатор, сам по себе достаточно сложный в реализации, реализует только понижающие передаточные отношения, начиная с ϕ ≥ 2÷2,5. Поэтому чтобы трансмиссия обеспечивала заданный диапазон изменения скорости вращения выходного вала, она вынужденно должна содержать реверсор и планетарный дифференциал с заявленной схемой соединения элементов. Трение в зубчатых парах реверсора снижает общий КПД трансмиссии, а центральные диски базового вариатора, зубья солнечной шестерни дифференциала и участок входного вала между ними нагружены дополнительным циркуляционным моментом, кратно превышающим выходной момент нагрузки. Следовательно, их габариты по условию прочности увеличиваются, что увеличивает габариты всего устройства.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в упрощении конструкции и управления, повышении КПД, надежности и компактности устройства.
согласно изобретению,
Технический результат достигается тем, что трансмиссия, включающая корпус, входной и выходной валы, дифференциал, включающий центральные колеса, сателлиты и водило, и базовый вариатор, состоящий из ведущего фрикциона, ведомого фрикциона и промежуточных элементов, фрикционы базового вариатора выполнены конусными и установлены на входном валу последовательно, причем ведущий фрикцион закреплен на входном валу жестко, а ведомый - с возможностью свободного вращения, между фрикционами установлен промежуточный элемент, состоящий из ролика, шарнирно-соединенных неповоротного и поворотного штоков и прижимного механизма, расположенного на поворотном штоке, дифференциал выполнен коническим, причем одно его центральное колесо соединено с ведомым фрикционом, второе центральное колесо с входным валом, а водило с выходным валом.
Базовый вариатор трансмиссии содержит, по крайней мере, три идентичных промежуточных элемента.
Данная трансмиссия позволит упростить конструкцию и управление, повысить КПД, надежность и компактность устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена заявляемая трансмиссия (вид сбоку), на фиг. 2 – фронтальный разрез ее базового вариатора в трехпоточном исполнении.
Трансмиссия включает корпус 1, входной 2 и выходной 3 валы, базовый вариатор 4, дифференциал 5. Базовый вариатор 4 состоит из ведущего фрикциона 6, ведомого фрикциона 7 и промежуточного элемента 8. Дифференциал 5 включает центральные колеса 9 и 10, сателлиты 11 и водило 12. Фрикционы 6 и 7 базового вариатора 4 выполнены конусными и установлены на входном валу 2 последовательно, причем ведущий фрикцион 6 закреплен на входном валу 2 жестко, а ведомый фрикцион 7 – с возможностью свободного вращения. Между фрикционами 6 и 7 установлен промежуточный элемент 8, состоящий из ролика 13, шарнирно-соединенных неповоротного штока 14, поворотного штока 15 и прижимного механизма 16, расположенного на поворотном штоке 15. Дифференциал 5 выполнен коническим, причем одно его центральное колесо 9 соединено с ведомым фрикционом 7, другое центральное колесо 10 – с входным валом 2, а водило 12 – с выходным валом 3. Базовый вариатор 4 содержит, по крайней мере, три идентичных промежуточных элемента.
Предлагаемая трансмиссия работает следующим образом.
1
1
2
1
2
/
Двигатель (на фигуре не показан) сообщает крутящий момент M входному валу 2, который начинает вращаться с угловой скоростью ω вместе с ведущим конусным фрикционом 6 базового вариатора 4 и вторым коническим центральным колесом 10 дифференциала 5. Ролик 13 промежуточного элемента 8, за счет силы трения, создаваемой прижимным механизмом 16, передает вращение ведомому конусному фрикциону 7 и центральному колесу 9 дифференциала 5 с угловой скоростью ω = -ωϕ и крутящим моментом M.
2
Передаточное отношение базового вариатора 4 варьируют перемещением промежуточного элемента 8 с помощью управляющего механизма (на фигуре не показан). В результате неповоротный шток 14 перемещается параллельно своему исходному положению, а поворотный шток 15 и ролик 13 еще и отклоняются соответственно конусным поверхностям фрикционов 6 и 7. Фрикцион 7 с центральным колесом 9 установлены на вал 2 через подшипники и приводятся роликом 13 во вращение с угловой скоростью ω в противоположном валу 2 направлении.
3
В дифференциале 5 полусумма скоростей вращения его центральных колес 9 и 10 определяет скорость ω вращения водила 12 и выходного вала 3:
3
1
2
1
1
тр
/
/
ω = 0,5(ω + ω) = 0,5ω(1 - 1ϕ) = ωϕ,
тр
/
/
где ϕ = 2(1 - 1ϕ) – передаточное отношение всей трансмиссии.
тр
3
1
В исходном положении штоков 14 и 15 ролик 13 передает вращение фрикциона 6 на фрикцион 7 по равным контактным диаметрам их конусов, поэтому ϕ = 1, ϕ = ∞, а ω = 0 при любой скорости вращения двигателя, что позволяет исключить механизм сцепления и гидротрансформатор из схемы тягового привода транспортного средства и существенно упростить его конструкцию. При плавном смещении штока 14 вправо передаточное отношение базового вариатора 4 мультиплицируется от ϕ = 1 до ϕ = 0,5÷0,4, а скорость вращения выходного вала 3 также плавно меняется от 0 до -(0,5÷0,75)ω. Это дает возможность в полной мере использовать параметрический принцип управления скоростью транспортного средства (без регулирования скорости вращения двигателя), что в городском режиме движения в 2,5÷3 раза увеличивает пробег электромобиля на одной зарядке тягового аккумулятора, а автомобилям с ДВС или гибридам в 1,5÷2,5 раза снижает расход бензина. Электромобилю при этом не требуется и механизм заднего хода, так как его осуществляют реверсом напряжения питания электродвигателя.
3
Соединение водила 12 дифференциала 5 с выходным валом 3 трансмиссии, в отличие от прототипа (где выходной вал соединен с эпициклом планетарного дифференциала), позволяет исключить из конструкции реверсор, что повышает КПД и упрощает конструкцию устройства. Кроме того, в используемой схеме соединения элементов дифференциала 5 зубья его центральных колес 9, 10 и сателлитов 11 нагружены половиной выходного крутящего момента M:
2
1-2
3
M = M = -0,5M,
1-2
где M – часть крутящего момента приводного двигателя, передаваемая через центральное колесо 10 дифференциала 5.
Следовательно, размеры элементов дифференциала 5, по сравнению с прототипом, могут быть уменьшены, что повышает компактность устройства в целом.
2
1
2
1
Кроме того, в диапазоне скоростей движения машины скорость вращения ведомого фрикциона 7 меняется в пределах от ω = -ω до ω = -(2÷2,5)ω, а, как известно, контактные напряжения во фрикционном контакте с ростом окружной скорости элементов существенно падают. Все это разгружает детали базового вариатора 4 и позволяет уменьшить его габариты.
Момент, требуемый от приводного двигателя:
1
1-1
1-2
3
3
тр
/
/
M = M + M = 0,5M(1ϕ - 1) = - Mϕ.
3
1
Из выражений для ω и M следует, что заявляемая трансмиссия обладает свойством полной адаптивности, то есть моменты на входном 2 и выходном 3 валах всегда обратно пропорциональны их скоростям, и, следовательно, тяговый привод транспортного средства не требует установки не только механизма коробки перемены передач, но даже сцепления и путевого тормоза, что упрощает конструкцию транспортного средства в целом.
Конусные поверхности фрикционов 6 и 7 имеют прямолинейные образующие, что упрощает процесс их изготовления. Геометрические размеры фрикционов 6 и 7, а также диаметр ролика 13 выбирают с учетом требований по прочности, но так, чтобы одновременно обеспечивались и требуемый диапазон передаточного отношения базового вариатора 4, и чтобы при варьировании передаточного отношения неповоротный шток 14 перемещался продольно (строго параллельно входному валу, без поперечного сдвига). Это существенно упрощает механизм управления передаточным отношением. При этом поворотный шток 15 самопозиционируется так, что рабочая окружность ролика 13 всегда точно контактирует с трапецеидальными профилями обоих конических фрикционов 6 и 7. Тем самым стабилизируется еще и усилие прижимного механизма 16.
1-1
2
3
1-1
3
3
/
/
Часть крутящего момента двигателя, передаваемая через ведущий фрикцион 6 базового вариатора 4, равная M = -Mϕ = 0,5Mφ, изменяется от M = 0,5M (когда ϕ = 1, машина стоит) до (1÷1,25)M (когда ϕ = 0,5÷0,4, машина движется на максимальной скорости). Но заявляемый базовый вариатор может выполняться многопоточным, например, в трехпоточном исполнении (см. фиг. 2), поэтому и момент, передаваемый в каждом потоке, уменьшается в количество потоков раз.
Трансмиссия, по сравнению с прототипом, позволит упростить конструкцию и управление, повысить КПД, надежность и компактность устройства.