ГИДРОПЕРЕДАЧА С РАЗВЕТВЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ
POWER-DISTRIBUTED HYDRAULIC TRANSMISSION

Изобретение относится к гидропередаче с разветвлением мощности в различных вариантах и выполнениях с гидростатично-механическим или электромеханическим разветвлением мощности для использования в транспортных средствах и рабочих машинах, таких как транспортные средства для нужд коммунального хозяйства, погрузочно-разгрузочных устройствах, таких как телескопические погрузчики или вилочные автопогрузчики, колесные погрузчики, тракторы и подобные устройства, в которых желательно бесступенчатое согласование передаточного числа передачи независимо от скорости вращения приводного двигателя.
Из US 3979972 известна гидромеханическая коробка передач в виде коробки передач с разветвлением мощности, которая содержит соединенный с двигателем внутреннего сгорания входной вал и выходной вал. При этом в первой ветви между входным валом и выходным валом предусмотрены сцепления и планетарные передачи, в то время как во второй ветви работает гидростатический привод, который соединен с цилиндрическими зубчатыми передачами и имеет два находящихся друг за другом гидростатических блока.
Из DE 19954894 известна коробка передач с разветвлением мощности, которая пригодна для тракторов, колесных и цепных рабочих машин и транспортных средств промышленного назначения. Раскрытая здесь коробка передач с разветвлением мощности имеет механическую ветвь, гидростатическую ветвь и одну или несколько планетарных передач, с помощью которых снова сводятся вместе механическая часть мощности и гидростатическая часть мощности.
В DE 101 28853 приведено описание транспортного средства, которое имеет приводную цепь с приводным блоком, коробкой передач и устройством сцепления для передачи момента между приводным блоком и коробкой передач. Устройство сцепления выполнено в виде многодискового сцепного устройства, в частности двухдискового сцепного устройства, с согласованной с первым входным валом коробки передач первой системой сцепления и согласованной со вторым входным валом коробки передач второй системой сцепления.
В US 3918325 приведено описание разветвляющей мощность коробки передач с приводным валом, первой планетарной передачей для тихого хода, второй планетарной передачей для быстрого хода и соединенным с общей планетарной передачей выходным валом. Кроме того, предусмотрена бесступенчато управляемая гидравлическая ветвь коробки передач с двумя работающими в качестве насоса и мотора гидравлическими блоками, из которых один блок воздействует на выходной вал.
Однако все эти указанные системы имеют ряд недостатков. Так, их конструкция является сложной и поэтому связана с большими затратами на изготовление. В главных рабочих диапазонах двигателя и, в частности, при высоких скоростях, неизбежными являются частично значительные потери коэффициента полезного действия.
Для исключения этих недостатков в ЕР 2034221 приведено описание силового агрегата и трансмиссии транспортного средства, в частности мотоцикла, где за счет комбинации гидростатического устройства и суммирующей планетарной передачи можно отказаться от отдельного устройства заднего хода. Недостатком этого выполнения является то, что переключение с чисто гидростатического привода к передаче с разветвлением мощности всегда должно происходить через пробуксовывающее сцепление.
Поэтому в основу данного изобретения положена задача максимального предотвращения указанных недостатков известных устройств и обеспечения возможности создания простой, недорогой в изготовлении коробки передач. Кроме того, должна обеспечиваться возможность бесступенчатого согласования передаточного числа коробки передач независимо от скорости приводного двигателя без ощущаемых потерь коэффициента полезного действия.
Эта задача решена с помощью передачи с признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Передача согласно изобретению основывается на принципе разветвления мощности, при этом пригодны все вариаторные системы, в которых возможно изменение выходной скорости вращения в обоих направлениях вращения, т.е. как гидростатические вариаторы с регулируемым насосом и нерегулируемым мотором или с регулируемым насосом и регулируемым мотором, при этом регулируемый двигатель может быть выполнен как в виде аксиально-поршневых машин или пластинчатых (лопастных) блоков, так и в виде электрических вариаторов как комбинации генератора с электромотором, возможно также с включением электрических накопительных систем.
В дальнейшем для упрощения приводится описание, в частности, лишь гидростатических вариаторных блоков, и они показаны на чертежах, однако изобретение применимо также для аналогичных выполнений с подходящими альтернативными вариаторами.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - коробка передач с двухрядным планетарным комплектом, гидравлическим блоком и сцеплением для переключения в синхронный ход из чисто гидростатического отбора мощности при отборе мощности с разветвлением мощности для движения вперед;
фиг. 2 - коробка передач согласно фиг. 1 с одной передачей переднего хода и одной передачей заднего хода;
фиг. 3 - коробка передач согласно фиг. 2 с двумя передачами, при этом вторая передача переднего хода включается через пробуксовывающее сцепление;
фиг. 4 - коробка передач согласно фиг. 1 с вытянутой конструкцией;
фиг. 5 - коробка передач согласно фиг. 2 с вытянутой конструкцией;
фиг. 6 - коробка передач с вариатором с компактной конструкцией с параллельно лежащими гидронасосом и гидромотором в виде Z;
фиг. 7 - коробка передач согласно фиг. 3 с вариатором из раздельных блоков;
фиг. 8 - график скоростей вращения в коробке передач согласно фиг. 1 или 4;
фиг. 9 - график скоростей вращения в коробке передач согласно фиг. 3;
фиг. 10 - коробка передач согласно фиг. 3, при этом первая коронная шестерня соединена через две ступени цилиндрических зубчатых колес и два сцепления, а вторая коронная шестерня через одну ступень цилиндрических зубчатых колес и одно сцепление - с входным валом коробки передач, и переключение с одной передачи в примыкающую передачу осуществляется при соответствующей синхронной скорости вращения;
фиг. 11 - коробка передач согласно фиг. 1, при этом положение реверсивного планетарного ряда и прямого планетарного ряда заменено, за счет чего гидростатический привод показан через прямой планетарный ряд, а привод с разветвлением мощности - через реверсивный планетарный ряд;
фиг. 12 - коробка передач согласно фиг. 11 с одной передачей переднего хода и одной передачей заднего хода;
фиг. 13 - коробка передач согласно фиг. 11 с двумя передачами переднего хода и одной передачей заднего хода, при этом вторая передача переднего хода включается через пробуксовывающее сцепление;
фиг. 14 - коробка передач согласно фиг. 11 с вытянутой конструкцией;
фиг. 15 - коробка передач согласно фиг. 12 с вытянутой конструкцией;
фиг. 16 - коробка передач с вариатором с компактной конструкцией с параллельно лежащими гидронасосом и гидромотором в виде Z;
фиг. 17 - коробка передач согласно фиг. 13 с вариатором из раздельных блоков;
фиг. 18 - график скоростей вращения в коробке передач согласно фиг. 11 и 14;
фиг. 19 - график скоростей вращения в коробке передач согласно фиг. 13;
фиг. 20 - коробка передач согласно фиг. 13, при этом первая коронная шестерня соединена через две ступени цилиндрических зубчатых колес и два сцепления, а вторая коронная шестерня - через одну ступень цилиндрических зубчатых колес и одно сцепление с входным валом коробки передач, и переключение с одной передачи в примыкающую передачу осуществляется при соответствующей синхронной скорости вращения;
фиг. 21 - коробка передач согласно фиг. 20, в которой предусмотрены два диапазона разветвления мощности для переднего хода и для заднего хода, и все переключения осуществляются при синхронной скорости вращения;
фиг. 22 - график скоростей вращения коробки передач согласно фиг. 20.
Как показано на фиг. 1, входной вал 1 коробки передач или просто передачи приводит в движение через ступень 2 цилиндрических зубчатых колес и через вал 3 регулируемый насос 4 вариаторной системы 5. С помощью подаваемого регулируемым насосом 4 масла приводится в действие гидромотор 6. Состоящая из регулируемого насоса 4 и гидромотора 6 вариаторная система 5 служит для бесступенчатого управления и обеспечивает возможность при небольших скоростях также движения задним ходом без необходимости иметь для этого механическую передачу заднего хода. Вариаторная система 5 в качестве управляющего устройства изменяет при трогании с места автомобиля, с одной стороны, направление вращения вариаторного выходного вала 7 для движения вперед или назад, с другой стороны, с помощью вариаторной системы 5 можно в процессе трогания с места бесступенчато регулировать выходной вал 8 вплоть до первой максимальной скорости. Вариаторный выходной вал 7 соединен непосредственно или через ступень 9 цилиндрических зубчатых колес с центральными колесами 10 и 11 двух расположенных параллельно друг другу суммирующих планетарных передач 12 и 13. Оба центральных колеса 10 и 11 соединены через вал 14 друг с другом без возможности проворачивания. Планетарные колеса 15 суммирующей планетарной передачи 12 и планетарные колеса 16 и 17 суммирующей планетарной передачи 13 установлены с возможностью вращения на водиле 18 планетарной передачи.
В показанных на фиг. 1-7 и 10 вариантах выполнения коробки передач в суммирующей планетарной передаче 12 центральное колесо 10 находится в зацеплении с планетарными колесами 15, которые в свою очередь находятся в зубчатом зацеплении с коронной шестерней 22. Коронная шестерня 22 соединена через полый вал 24 со ступенью 23 цилиндрических зубчатых колес, которая ведет к сцеплению 25. В суммирующем планетарном ряду 13 центральное колесо 11 с относительно небольшим диаметром находится в зацеплении с планетарными колесами 16, которые в свою очередь находятся в зацеплении с планетарными колесами 17, при этом планетарные колеса 17 находятся в зацеплении с коронной шестерней 19.
В показанных на фиг. 11-20 и 21 вариантах выполнения коробки передач в суммирующей планетарной передаче 12 центральное колесо 10 находится в зацеплении с планетарными колесами 16, которые в свою очередь находятся в зацеплении с планетарными колесами 17, которые в свою очередь находятся в зацеплении с коронной шестерней 22. Коронная шестерня 22 соединена через полый вал 24 со ступенью 23 цилиндрических зубчатых колес, которая ведет к сцеплению 25. В суммирующем планетарном ряду 13 центральное колесо 11 находится в зацеплении с планетарными колесами 15, которые находятся в зацеплении с коронной шестерней 19.
Во время трогания с места коронная шестерня 19 суммирующей планетарной передачи 13 соединена без возможности проворачивания через сцепление, соответственно, тормоз 20 с корпусом 21. При этом на основании выбранного передаточного отношения достигается высокая сила тяги. Отбор мощности происходит от вариаторного выходного вала 7 либо через ступень 9 цилиндрических зубчатых колес, как показано на фиг. 1-3, либо непосредственно, как показано на фиг. 4 и 5, на центральное колесо 11, которое передает приводной момент на водило 18 и тем самым на выходной вал 8. При этом сцепление 20 замкнуто, коронная шестерня 19 не вращается.
Скорость вращения выходного вала 8 связана через передаточное отношение в планетарном ряду 13 со скоростью вращения вариаторного выходного вала 7 и ее можно бесступенчато изменять в обоих направлениях движения в рамках пределов скорости вращения вариатора.
При увеличивающемся регулировании регулируемого насоса 4 при движении вперед увеличивается скорость вращения центрального колеса 10 и тем самым коронной шестерни 22 до достижения точки синхронизации в сцеплении 25. В этом рабочем состоянии вариатор находится вблизи максимальной скорости вращения в одном направлении.
Аналогичным образом, на фиг. 2 и 12 при увеличивающемся регулировании регулируемого насоса 4 при движении назад увеличивается скорость вращения центрального колеса 10 и тем самым коронной шестерни 22 до достижения точки синхронизации в сцеплении 26. Реверсирование направления вращения происходит через ступень 27 цилиндрических зубчатых колес. В этом рабочем состоянии вариатор также находится вблизи максимальной скорости вращения в одном направлении.
Как показано на фиг. 1-7 и 10, применение реверсивных планетарных колес 16 и 17 приводит к тому, что направление вращения коронной шестерни 22 при фиксированной коронной шестерне 19 направлено противоположно направлению вращения центральных колес 10, соответственно, 11. В показанных на фиг. 11 - 20 и 21 вариантах выполнения направление вращения коронной шестерни 22 при фиксированной коронной шестерне 19 одинаково с направлением вращения центральных колес 10 и 11. Во всех случаях в сцеплении 25 при достаточно высокой скорости вращения достигается синхронная скорость вращения на центральных колесах 10, соответственно, 11.
При достижении синхронной скорости вращения в сцеплении 25 оно замыкается с перекрытием относительно сцепления 20, и после этого сцепление 20 размыкается, за счет чего начинает вращаться коронная шестерня 19. В этом рабочем состоянии вариатор находится вблизи максимальной скорости вращения в одном направлении. Коронная шестерня 22 соединена через ступень 23 цилиндрических зубчатых колес и через сцепление 25 с входным валом 1 коробки передач и тем самым приводится во вращение механически. После замыкания сцепления 25 скорость вращения на вариаторном выходном валу 7 снова уменьшается, и для дальнейшего повышения скорости вращения выходного вала 8 ускоряется в противоположном направлении. При достижении максимальной скорости вращения центрального колеса 10 достигается максимальная скорость вращения выходного вала в этой области разветвленной мощности. При этом отбор мощности происходит всегда через водило 18 к выходному валу 8.
Функция этой граничащей непосредственно с чисто вариаторным приводом передачи хорошо применима как в вариантах выполнения коробки передач с одной передачей переднего хода, как показано на фиг. 11 и 11 и на фиг. 4 и 14, так и коробках передач с одной передачей переднего хода и одной передачей заднего хода, как показано на фиг.2 и 12 и на фиг. 5 и 15. Применение в конкретном случае короткой конструкции, как показано на фиг. 1, 2, 3, 11, 12 и 13, или длинной конструкции, как показано на фиг. 4, 5, 14 и 15, зависит лишь от того, как много конструктивного пространства имеется в распоряжении в конкретном случае применения. На основании простой и компактной конструкции коробки передач согласно изобретению возможны различные вариации.
Для случаев применения, в которых имеющееся в распоряжении конструктивное пространство все же представляет препятствие, можно также выполнять вариатор в виде компактного блока 5 с параллельно расположенными регулируемым насосом 4 и гидромотором 6 с U-образным или Z-образным расположением согласно фиг. 6 и 16 или из отдельных блоков в разнесенной конструкции согласно фиг. 7 и 17. Эти варианты также представляют короткую конструкцию. Однако эти оба варианта можно выполнять также в длинной конструкции, в зависимости от возможности оптимального использования имеющегося в распоряжении конструктивного пространства. Однако для простоты эти дополнительные варианты не изображены отдельно.
Для расширения возможностей коробки передач могут быть предусмотрены дополнительные передаточные ступени между входным валом 1 коробки передач и коронной шестерней 22, как показано на фиг. 3 и 13. Здесь показан вариант выполнения с одной передачей заднего хода и двумя передачами переднего хода. За счет дополнительной передаточной ступени можно расширить возможности коробки передач, однако переключение с первой передачи переднего хода на вторую передачу переднего хода происходит здесь через пробуксовывающее сцепление, поскольку в показанном варианте выполнения коробки передач в точке переключения не может быть достигнута синхронная скорость вращения в сцеплениях 25 и 28.
В качестве альтернативного решения к показанным на фиг. 3 и 13 вариантам выполнения коробки передач на фиг. 10, 20 и 21 показаны варианты выполнения коробки передач, в которых переключение из первой области разветвленной мощности во вторую область разветвленной мощности происходит при синхронной скорости вращения. Вследствие выбранных передаточных отношений и сцепления коронной шестерни 19 через полый вал 30 и ступень 29 цилиндрических зубчатых колес в сцеплении 28 достигается синхронная скорость вращения при достаточно высокой скорости водила 18 планетарной передачи, соответственно, центральных колес 10 и 11. За счет этого переключение из первой во вторую область разветвленной мощности и обратное переключение из второй в первую область разветвленной мощности происходит за счет перекрывающегося замыкания сцеплений 25 и 28 при синхронной скорости вращения.
При движении назад предусмотрен переход от чисто вариаторного отбора мощности к механическому отбору мощности в точке синхронизации с коронной шестерней 22 с помощью сцепления 26, исходя из вариантов выполнения, согласно фиг. 2, 3, 5, 12, 13 и 15.
На фиг. 8 показан график скорости вращения отдельных компонентов коробки передач в зависимости от скорости движения автомобиля в соответствии со схемами коробки передач на фиг. 1 и 4. При этом номера позиций на фиг. 8 соответствуют номерам позиций на фиг. 1 и 4.
На фиг. 18 показан график скорости вращения отдельных компонентов коробки передач в зависимости от скорости движения автомобиля в соответствии со схемами коробки передач на фиг. 11 и 14. При этом номера позиций на фиг. 18 соответствуют номерам позиций на фиг. 11 и 14.
На фиг. 9 и 19 показаны графики скорости вращения отдельных компонентов коробки передач в зависимости от скорости движения автомобиля в соответствии со схемами коробки передач на фиг. 3 и 13. При этом номера позиций на фиг. 9 соответствуют номерам позиций на фиг. 3, номера позиций на фиг. 19 соответствуют номерам позиций на фиг. 13.
Из графиков следует, что смена привода с коронной шестерни 22 вариаторного привода на механический привод через сцепление 25 и ступень 23 цилиндрических зубчатых колес, соответственно, через сцепление 26 и реверсивную ступень 27 цилиндрических зубчатых колес происходит при синхронной скорости вращения. Переключения в бесступенчатой коробке передач достигаются за счет перекрывающегося замыкания сцеплений 25, соответственно, 26 без прерывания силы тяги. Сцепления 25 и 26 могут быть выполнены как в виде многодисковой муфты, так и из элементов передачи с геометрическим замыканием, например, в виде кулачковых муфт. Однако должна обеспечиваться возможность передачи во время процесса переключения обоими участвующими сцеплениями крутящего момента и размыкания сцеплений также под нагрузкой.
Примеры выполнения в соответствии с графиками скорости вращения на фиг. 8, 9 и 18 показывают области передачи мощности чисто через вариаторный блок 5 в диапазоне скоростей от примерно -10 км/час до примерно +10 км/час. В примере в соответствии с графиком скорости вращения, согласно фиг. 9, этот диапазон скоростей лежит между -7 км/час и +7 км/час при предполагаемой максимальной входной скорости вращения.
На фиг. 11-17, а также 20 и 21 показаны варианты выполнения коробки передач, в которых расположение планетарных рядов изменено на противоположное по сравнению с показанными на фиг. 1-7 и 10 вариантами выполнения. Чисто гидростатический привод происходит в этих вариантах выполнения через прямой планетарный привод, в областях разветвленной мощности передача мощности происходит через реверсивный планетарный ряд. Функции в обоих показанных вариантах выполнения одинаковы.
На фиг. 10 и 20 показаны варианты выполнения, которые обеспечивают возможность бесступенчатого и беспрерывного привода во всем передаточном диапазоне. За счет сцепления коронной шестерни 19 через полый вал 30 и ступень 29 цилиндрических зубчатых колес достигается при соответствующем выборе передаточных отношений синхронная скорость вращения на сцеплении 28 при высоких скоростях на выходном валу в первой области разветвленной мощности, и переключение с первой во вторую область разветвленной мощности может происходить аналогично переключению из чисто вариаторного привода в примыкающие области разветвленной мощности при синхронной скорости вращения.
На фиг. 21 показано расширение по сравнению с показанным на фиг. 20 вариантом выполнения в виде реверсивной ступени 31, с помощью которой можно оказывать влияние на направление вращения вала 32 через синхронизирующий блок. Переключение направления вращения происходит при разомкнутых сцеплениях 25 и 28, когда коробка передач переключена в нейтральное положение или когда сцепление 20 замкнуто, и привод происходит лишь через вариатор 5. Направление вращения вала 32 согласовывается с помощью управляющего блока в соответствии с желаемым направлением движения. На фиг. 22 показаны в качестве примера скорости вращения существенных компонентов коробки передач при выполнении коробки передач в соответствии с фиг. 21. Номера позиций на фиг. 22 соответствуют номерам позиций на фиг. 21.
Главными достигаемыми с помощью этого изобретения преимуществами являются:
• В диапазоне трогания с места, соответственно, в нижнем диапазоне скоростей транспортное средство приводится в движение через вариатор 5. Тем самым обеспечивается возможность использования всех функциональных преимуществ гидростатических, электрических или подобных вариаторных систем, которые обеспечивают бесступенчатое согласование выходной скорости вращения в обоих направлениях вращения.
• Можно обеспечивать большое расширение в суммирующей планетарной передаче 12 в областях разветвленной мощности, за счет чего необходимо меньшее количество механических передаточных ступеней, чем это необходимо при применении лишь одного суммирующего планетарного ряда.
• Можно достигать высокого передаточного отношения в суммирующей планетарной передаче 13, за счет чего можно обеспечивать большую силу тяги уже в вариаторах с небольшими размерами.
• Конструкция коробки передач является более простой и тем самым более дешевой в изготовлении по сравнению со сравнимыми коробками передач согласно уровню техники.
• Чисто гидростатический, соответственно, электрический режим при небольших скоростях обеспечивает возможность плавного трогания с места, смену направления движения и работу транспортного средства при очень небольших скоростях движения без пробуксовывающего сцепления.
• Двигатель внутреннего сгорания может работать с благоприятными характеристиками за счет бесступенчатого согласования передаточного числа коробки передач.
• Достигается хороший общий коэффициент полезного действия за счет небольшой передачи мощности через вариатор 5 при работе в диапазонах разветвления мощности.
• В вариантах выполнения согласно фиг. 1 и 4 не требуется механическая передача заднего хода, поскольку реверсирование направления вращения выходного вала 8 может происходить чисто через вариатор 5. Аналогичным образом это справедливо для вариантов выполнения с двумя, тремя или более передачами переднего хода.
• В вариантах выполнения согласно фиг. 10, 20, 21 достигается, что все переключения можно осуществлять при синхронных скоростях вращения.