Двухпоточная вариаторная трансмиссия

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к автомобилестроению, и может быть использована для непрерывного изменения скорости вращения и крутящего момента выходного вала, при постоянных параметрах входной мощности на нем. Может быть  использована в качестве привода, в котором передаточное число изменяется с помощью ручного управления, либо, автоматического управления по командам системы управления, работающей по алгоритму и по показаниям контролирующих датчиков.
При проектировании транспортных машин или промышленного оборудования, возникает задача выбора типа трансмиссии. Возможные варианты являются компромиссом между ресурсом, стоимостью, ремонтопригодностью, КПД, удобством, скоростью и качеством переключений.
Известна двухпоточная трансмиссия, обеспечивающая автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала (по патенту RU2398989), выполненная в виде двух, последовательно установленных дифференциалов. Дифференциалы расположены и связаны между собой таким образом, что входным валом трансмиссии является входной вал первого дифференциала, выходные валы первого дифференциала являются входными валами второго дифференциала, выходным валом трансмиссии являлся выходной вал второго дифференциала. Дифференциалы выполнены с геометрическими и инерционными параметрами, обеспечивающими, при переменной внешней нагрузке на выходном валу трансмиссии, автоматическую трансформацию соотношения передаваемых потоков механической энергии между двумя дифференциалами, с целью изменения передаточного отношения трансмиссии.
Недостатками указанной трансмиссии являются: невозможность оперативного изменения передаточного отношения в ручном режиме, невозможность обеспечения полного останова выходного вала при вращении входного вала, невозможность реверсивного вращения вала при прямом направлении вращения входного вала, невозможность низких оборотов вращения выходного вала при высоких оборотах входного вала и малом сопротивлении, невозможность обеспечить постоянное передаточное отношение трансмиссии при колебании чисел оборотов входного и/или выходного валов, невозможность программно устанавливать алгоритмы изменения передаточного отношения.
Известна вариаторная трансмиссия. Механическая передача, основанная на передаче вращения (момента) трением через промежуточное элемент (ремень, ролик, шарик), которое можно переводить в любую точку переменного радиуса ведущего и/или ведомого колёс, получая изменение передаточного отношения. Тип трансмиссии, которая плавно передает крутящий момент от двигателя к движителю, не имеет передач, но может автоматически менять передаточное соотношение по заданной программе, либо в ручном режиме.
Недостатками указанной трансмиссии являются: ограничение по максимальному передаваемому крутящему моменту, меньший ресурс в сравнении с другими типами трансмиссии, изначальное отсутствие реверсивного хода.
)
Также известна двухпоточная трансмиссия, обеспечивающая возможность принудительного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала;  позволяющая реализовать множество заданных передаточных отношений (передач), управляемо изменять передаточное отношение как непрерывно, так и ступенчато; иметь реверсивный ход, нейтральную передачу (патент RU2705371, выбран в качестве прототипа.
Технической задачей полезной модели, в сравнении с прототипом, является снижение габаритных размеров и массы.
Технический результат достигается в двухпоточной вариаторной трансмиссии, содержащей корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы, между которыми находятся механизм первого потока [механической энергии] и механизм второго потока [механической энергии], выполненные с возможностью управляемого изменения соотношения крутящих моментов между первым и вторым потоками, передаваемых на выходной дифференциал. Механизм первого потока выполнен в виде вала передающего крутящий момент от первого выходного вала входного дифференциала на первый входной вал выходного дифференциала, связанного с дифференциалами посредством зубчатой передачи и закрепленного с первым шкивом вариатора. Механизм второго потока выполнен в виде вала непосредственно передающего крутящий момент от второго выходного вала входного дифференциала на второй входной вал выходного дифференциала и закрепленного со вторым шкивом вариатора. Шкивы вариатора связаны друг с другом посредством промежуточного элемента, в качестве которого могут выступать ремень, цепь, ролик и т.д. Промежуточный элемент передает крутящий момент между шкивами вариатора. Изменение передаточного отношения предлагаемой трансмиссии, как и в вариаторе, достигается за счет изменения радиусов на рабочих поверхностях шкивов, по которым перемещается промежуточный элемент. Система управления предлагаемой трансмиссии полностью идентична управлению обычным вариаторам.
Разница с вариатором заключается в том, что в вариаторе всегда один из шкивов является ведущим, другой ведомым. В предлагаемом типе трансмиссии оба шкива, одновременно, являются ведущими и ведомыми, так как здесь вариатор служит для перераспределения нагрузки между двумя потоками механической энергии. Этим достигается увеличение ресурса трансмиссии, появляется возможность передавать больший крутящий момент, появляется возможность иметь реверсивный ход без необходимости дополнительных механизмов. Вариатор искусственно, без потерь мощности, создает нагрузку на одном из валов, для того чтобы изменить скорости вращения валов между дифференциалами. При постоянных оборотах, мощности, крутящем моменте обеспечивается возможность изменять скорость вращения, мощность, крутящий момент выходного вала трансмиссии; иметь возможность реверсивного вращения вала и возможность полной остановки выходного вала трансмиссии при работающем двигателе (нейтральная передача).
Полезная модель поясняется рисунками:
фиг. 1 - функциональная схема двухпоточной вариаторной трансмиссии;
фиг. 2 – принципиальная схема двухпоточной вариаторной трансмиссии;
Функциональная схема предлагаемой трансмиссии с указанием направления вращения валов, показана на фиг. 1. Двухпоточная вариаторная трансмиссия содержит корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы 1, 2, между которыми находится вариатор. Вариатор состоит из шкивов 3,4, промежуточного элемента 5, системы управления 6. Позиция 7 – входной вал дифференциала 1, являющийся одновременно входным валом предлагаемой трансмиссии. Позиция 8 – выходной вал дифференциала 2, являющийся одновременно выходным валом предлагаемой трансмиссии. Шкив 3 совместно с первым выходным валом дифференциала 1 и первым входным валом дифференциала 2 образуют механизм первого потока [механической энергии] 9. Шкив 4 совместно со вторым выходным валом дифференциала 1 и вторым входным валом дифференциала 2 образуют механизм второго потока [механической энергии] 10. Система управления 6, воздействующая на шкивы 3,4 позволяет изменять соотношение крутящих моментов между дифференциалами 1, 2. На диапазон передаточных чисел предлагаемой трансмиссии влияет соотношение размеров зубчатых колес дифференциалов, размеры шкивов 3,4 и промежуточного элемента 5. В качестве управляющего привода системы управления 6 может использоваться шаговый электродвигатель, гидропривод, пневмопривод, ручной маховик.
Приводной вал 7 от двигателя, имеет:
n=const≠0 – число оборотов,
M=const≠0 – крутящий момент,
N=const≠0 – мощность.
Выходной вал 8 на движитель (колесо, гусеница, винт и т.п.) имеет:
n≠const=или≠0 – число оборотов,
M≠const=или≠0 – крутящий момент,
N≠const=или≠0 – мощность.
На фиг. 2 показана принципиальная схема: 11, 24 – водила входного и выходного дифференциалов 1, 2 соответственно; 13, 22 – солнечные колеса дифференциалов; 12, 23 – сателлиты дифференциалов; 14, 21 – эпициклические зубчатые колеса дифференциалов; 15, 16, 19, 20 – колеса, предназначенные для организации параллельного потока крутящего момента.  Дифференциалы 1, 2 могут быть полностью идентичными друг другу, разница в диаметрах колес 15, 20. Соотношения этих колес и зубчатых колес 16, 19 выбрано таким образом, чтобы скорости вращения валов 17,18 механизмов первого и второго потоков, находились в диапазоне регулирования системы управления 6. Система управления 6  расположена на валу с механизмом 4 второго потока. Число оборотов выходного вала 8 зависит от водила 24 выходного дифференциала, которое через сателлит 23 получает вращение от суммы чисел оборотов эпициклического колеса 21 и солнечного колеса 22. Направление вращения эпициклического колеса 21 и солнечного колеса 22 разностороннее, т.е. при равных числах их оборотов будет реализована нейтральная передача. Условно можно представить, что, если число оборотов эпициклического колеса 21 превысит число оборотов  солнечного колеса 22, то на выходном валу 8 мы получим прямой ход, в противном случае – реверсивный ход.
Входной вал 7 входного дифференциала 1 – это, например, приводной вал от двигателя - поток крутящего момента от двигателя попадает на вход несимметричного входного дифференциала 1, где делится в заданном соотношении, которое определяется соотношением размеров солнечного колеса 13 и эпициклического колеса 14. Первая часть механической энергии попадает через механизм 10 первого потока от выходного вала 25 дифференциала 1 на первый входной вал 26 выходного дифференциала 2. Механизм первого потока выполнен в виде вала 17, передающего крутящий момент от первого выходного вала 25 входного дифференциала 1 на первый входной вал 26 выходного дифференциала 2. Вал 17 связан с дифференциалами 1, 2 посредством зубчатой передачи через шестерни 16, 19. С валом 17 закреплен шкив 3. Вторая часть механической энергии попадает через механизм 9 второго потока от второго выходного вала 27 дифференциала 1 на второй входной вал 28 выходного дифференциала 2. Механизм второго потока выполнен в виде вала 18, связанного посредством соединительных муфт 29, 30 с дифференциалами 1, 2. С валом 18 закреплен шкив 4.
Рассмотрим работу двухпоточной трансмиссии. Основными режимами работы являются передача механической энергии в прямом направлении, нейтральная передача (т.е. при вращении входного вала трансмиссии обороты выходного вала равны нулю), передача механической энергии в обратном направлении. Все три режима находятся в одном диапазоне, который определяется соотношением размеров зубчатых колес входного и выходного дифференциалов 1, 2 и шкивов 3, 4 механизмов первого и второго потоков. За счет изменения размеров зубчатых колес, есть возможность сдвинуть диапазон передаточных чисел таким образом, что передача механической энергии будет возможна только в прямом направлении, или только в обратном. Либо подбирается такое соотношение, когда будут возможны все три режима. Внутри диапазона возможно множество передач, которое ограничивается возможностями системы управления 6. Смена передаточных чисел может производиться по трем вариантам. Первый вариант это условно ручное управление. Программное обеспечение блока управления системы управления определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи. Задачей оператора является своевременно менять передачу, путем подачи сигнала на блок управления, в зависимости от технологического процесса, в случае использования трансмиссии в качестве промышленного редуктора; либо режимов движения при использовании на транспортных машинах. Второй вариант это автоматическое управление. Программное обеспечение блока управления определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи, с алгоритмом переключения передач. Смена передач осуществляется блоком управления на основании показаний контролирующих датчиков. Это могут быть датчики числа оборотов входного и выходного валов, датчики нагрузки и т.д. Третий вариант это управление в режиме вариатора. Подразумевается работа трансмиссии аналогично режиму второго варианта, но по алгоритму без фиксированных передач. Общим для всех вариантов является последовательная смена передаточных отношений. Все варианты управления могут быть параллельно реализованы в одном блоке управления в качестве самостоятельных режимов, выбор между которыми определяется оператором.  В общем случае, момент переключения передач не зависит от состояния, в котором находится трансмиссия. Переключение может осуществляться на полностью остановленной трансмиссии, на трансмиссии работающей вхолостую и на работающей под нагрузкой. При использовании на транспортных машинах возможен вариант установки двухпоточной трансмиссии без использования механизма сцепления. Трогание машины возможно путем плавного изменения передаточного отношения от режима нейтрали до первого фиксированного передаточного отношения. В движении имитация режима нейтрали обеспечивается включением адаптивного передаточного отношения позволяющего работать двигателю вхолостую при движении транспортной машины накатом.
Представленная выше схема двухпоточной вариаторной трансмиссии показана для демонстрации её принципиальной работоспособности. Для создания полноценной, работоспособной трансмиссии, она может быть снабжена системой смазки; относительные размеры элементов изготавливаются с учетом условия необходимой прочности. Применение различных алгоритмов работы, реализованных на программном обеспечении, и использование контрольно-измерительных приборов (датчиков и т.д.) позволяет решать широкий спектр задач при передаче механической энергии от двигателя до движителя.