УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ТРАНСМИССИЕЙ
DEVICE FOR CONTROL OF STEPLESS TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к управлению бесступенчатой трансмиссией.
Обычная трансмиссия автомобиля с ручной ступенчатой коробкой передач, в типичном случае, имеет приводимое в действие пользователем сцепление между двигателем и коробкой передач, служащее для их сцепления/расцепления. Когда транспортное средство трогается, то есть когда оно начинает движение от состояния покоя, существует неизбежное первоначальное рассогласование скоростей между входом трансмиссии и выходом двигателя, и, допуская проскальзывание сцепления на этом этапе, водитель вызывает приложение вращающего момента к трансмиссии для разгона транспортного средства, не применяя неприемлемой нагрузки к двигателю, которая могла бы вызвать его остановку. В случае с обычными автоматическими ступенчатыми трансмиссиями первоначальное рассогласование скоростей урегулируется преобразователем вращающего момента. Сцепление и преобразователь вращающего момента являются примерами того, что будет называться здесь "стартовыми устройствами".
В некоторых бесступенчатых трансмиссиях стартовое устройство не требуется. Вместо этого такие бесступенчатые трансмиссии способны обеспечивать бесконечное понижение скорости. То есть посредством регулирования передаточного числа и без физического отсоединения двигателя от выхода трансмиссии они могут достигать состояния, в котором выход трансмиссии неподвижен, в то время как двигатель работает.
Это состояние упоминается как "сцепленное нейтральное состояние". Старт может быть достигнут просто смещением передаточного числа бесступенчатой трансмиссии от сцепленного нейтрального состояния, и нет необходимости в отсоединении трансмиссии от двигателя для остановки транспортного средства.
Однако изобретатели обнаружили, что было бы предпочтительно, если такая трансмиссия могла бы быть выполнена так, чтобы она имитировала в некоторых отношениях функциональные возможности ручной трансмиссии, имеющей приводимое в действие пользователем сцепление. Использование сцепления очень знакомо многим водителям. Оно дает стабильную гарантию того, что вращающий момент проскальзывания не будет прилагаться к колесам транспортного средства. Оно также полезно, например, при некоторых маневрах с малой скоростью.
Следует отметить, что слово "двигатель" используется здесь для краткости для ссылки на любую форму вращательного привода и должно рассматриваться как охватывающее не только двигатели внутреннего сгорания, но также и электродвигатели, двигатели внешнего сгорания и т.д.
Слово "вариатор" будет использоваться здесь для ссылки на устройство, которое имеет вращательный вход и вращательный выход и которое передает приводное усилие от одного другому с передаточным числом, которое может непрерывно изменяться. Такое устройство можно обнаружить в любой бесступенчатой трансмиссии. Большинство, если не все, вариаторы имеют некоторую подвижную часть для передачи вращающего момента, которая участвует в передаче приводного усилия, и положение которой соответствует передаточному отношению вариатора. В известном случае с вариатором с тороидальной дорожкой качения и тягой качения ролики служат подвижными частями передачи вращающего момента. Они передают приводное усилие от одной тороидальной утопленной дорожки качения к другой, и их движение вызывает изменение наклона роликов, который связан с изменением приводного передаточного числа вариатора. Сила применяется к подвижной части для передачи вращающего момента для влияния на ее положение и, таким образом, для влияния на приводное передаточное число вариатора. В принципе эта сила могла бы передаваться через некоторое прямое соединение со средством управления пользователя, таким как рычаг или педаль. На практике, за исключением случая с очень легкими транспортными средствами, требуемая сила, которая связана с вращающими моментами, воздействующими на вариатор, оказывается слишком большой для комфортабельного применения пользователем. Достижение сцепленного нейтрального состояния с таким устройством также может быть проблематичным, так как любое незначительное отклонение положения части для передачи вращающего момента от положения, требуемого для сцепленного нейтрального состояния, заставит трансмиссию принимать очень низкое приводное передаточное число, потенциально приводящее к большому "вращающему моменту проскальзывания", хотя и при низкой скорости вращения колеса.
Современные бесступенчатые трансмиссии, в типичном случае, основаны на сложных электронных контроллерах для управления двигателем и трансмиссией. Однако на рынке есть потребность в простых физических устройствах для управления бесступенчатыми трансмиссиями. Они были бы, в частности, привлекательны для использования, например, в базовых моделях тракторов.
В соответствии с первым объектом настоящего изобретения предложено устройство управления вариатором, причем устройство содержит управляемую пользователем часть для регулирования передаточного числа, средство соединения в рабочем положении части для регулирования передаточного числа с подвижной частью для передачи вращающего момента вариатора, позволяющее пользователю осуществлять управление передаточным отношением вариатора, и средство отключения вращающего момента, приводимое в действие пользователем для отсоединения части для регулирования передаточного числа от подвижной части для передачи вращающего момента.
Частью для регулирования передаточного числа может быть, например, педаль или рычаг, приводимые в действие пользователем. Рабочее соединение части для регулирования передаточного числа с частью для передачи вращающего момента предпочтительно таково, что положение части для передачи вращающего момента определяется положением части для регулирования передаточного числа.
В соответствии со вторым объектом настоящего изобретения предложено устройство управления вариатором, причем устройство содержит приводимую в действие пользователем часть для регулирования передаточного числа, средство соединения в рабочем положении части для регулирования передаточного числа с подвижной частью для передачи вращающего момента вариатора, позволяющее пользователю осуществлять управление передаточным отношением вариатора, и средство приложения к части для регулирования передаточного числа усилия, которое изменяется в соответствии с силой, испытываемой подвижной частью для передачи вращающего момента.
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны только для примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - очень упрощенный и схематический вид вариатора, пригодного для использования при осуществлении настоящего изобретения;
фиг.2 - схематический вид бесступенчатой трансмиссии, пригодной для использования при осуществлении настоящего изобретения; и
фиг.3 - схематический вид устройства управления, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 показан вариатор известного типа с тороидальной дорожкой качения с тягой качения. Настоящее изобретение было разработано в связи с бесступенчатой трансмиссией с использованием этого типа вариатора, который особенно хорошо пригоден для этой цели, но, в принципе, могут использоваться вариаторы других типов.
Вариатор 10 включает соосно установленные входную и выходную дорожки 12, 14 качения, смежные поверхности 6, 8 которых имеют полутороидальные выемки и совместно образуют в целом тороидальную полость 16, содержащую подвижную часть для передачи вращающего момента в форме ролика 18. Фактически, существующий на практике вариатор, в типичном случае, имеет два или три таких ролика, разнесенных с интервалами по окружности полости 16. Каждый ролик 18 катится по поверхностям 6, 8 соответствующих дорожек 12, 14 качения и, таким образом, служит для передачи приводного усилия от одной другой. Ролик 18 способен двигаться назад и вперед в направлении по окружности вокруг общей оси 20 дорожек 12, 14 качения. Он также способен прецессировать. То есть, ось ролика способна поворачиваться, изменяя отклонение оси ролика относительно оси диска. В показанном примере эти движения предусмотрены благодаря установке ролика 18 с возможностью вращения в носителе 22, соединенном штоком 24 с поршнем 26 привода 28. Линия 19 от центра поршня 26 к центру ролика 18 составляет ось прецессии, вокруг которой может вращаться весь узел. Прецессия ролика приводит к изменениям радиусов траекторий, проходимых роликом по дорожкам 12, 14 качения, и, следовательно, к изменению передаточного числа привода вариатора.
Следует отметить, что в этом примере ось 19 прецессии не лежит точно в плоскости, перпендикулярной общей оси 20, но вместо этого наклонена относительно этой плоскости. Угол отклонения обозначен ссылочной позицией СА на чертеже и известен как "угол самоориентации ролика". Когда ролик движется назад и вперед, он следует круговой траектории с центром на общей оси 20. Кроме того, воздействие дорожек 12, 14 качения на ролик создает правящий момент, который имеет тенденцию сохранять его с таким отклонением, чтобы ось ролика пересекала общую ось 20. Это пересечение осей может поддерживаться, несмотря на перемещение ролика назад и вперед по его круговой траектории, на основании угла самоориентации ролика. Когда ролик перемещается по его траектории, он также направляется действием дорожек качения, вызывающих его прецессию таким образом, чтобы сохранять пересечение осей. В результате положение ролика на его траектории соответствует определенному отклонению ролика и, следовательно, определенному приводному передаточному числу вариатора.
Привод 28 принимает противодействующие давления рабочей жидкости по линиям 30, 32. Сила, таким образом созданная приводом 28, вызывает движение ролика по его круговой траектории вокруг общей оси 20, и в состоянии равновесия он балансируется силами, прилагаемыми к ролику дорожками 12, 14 качения. Сила, прилагаемая дорожками качения, пропорциональна сумме вращающих моментов, прилагаемых извне к дорожкам качения вариатора. Эта сумма, представляющая собой сумму входного вращающего момента вариатора и выходного вращающего момента вариатора, является эффективным крутящим моментом, который должен воздействовать на крепежные средства вариатора и упоминается как реактивный момент.
На фиг.2 двигатель представлен блоком ENG, вариатор кружком V и планетарная параллельная передача блоком Е. Вход вариатора соединен с двигателем зубчатыми передачами R1, R2. Его выход соединен с первым входным валом S1 планетарной параллельной передачей Е. Второй входной вал S2 планетарной параллельной передачи Е соединен через передачи R1, R3 с постоянным передаточным отношением с двигателем. Выходной вал S3 планетарной параллельной передачи Е соединен через зубчатую передачу R4 с пунктом использования мощности, в данном случае, колесами W автомобиля. Действие и конструкция планетарной трансмиссии хорошо известны. Скорость выходного вала S3 может быть выражена как функция скоростей входных валов S1, S2. При определенном приводном передаточном числе вариатора скорости валов S1 и S2 уравновешивают друг друга, и выходная скорость вала S3 является нулевой независимо от скорости двигателя. Это представляет собой "сцепленное нейтральное" состояние, упомянутое выше. Приводные передаточные числа вариатора к одной стороне в сцепленном нейтральном состоянии для вала S3 выдают вращение в одном направлении, и приводные передаточные числа вариатора к другой стороне в сцепленном нейтральном состоянии для вала S3 выдают вращение в противоположном направлении.
Таким образом, посредством регулирования приводного передаточного числа вариатора можно переходить от движения вперед через сцепленное нейтральное состояние к движению назад.
Устройство управления, соответствующее настоящему изобретению, будет теперь описано со ссылками на фиг.3, где привод управления вариатором и поршень опять обозначены ссылочными позициями 28 и 26, соответственно. Устройство служит для управления гидравлическими давлениями, прилагаемыми к приводу, который, в свою очередь, управляет передаточным отношением вариатора.
Приводимая в действие пользователем часть для регулирования передаточного числа обозначена ссылочной позицией 50 на фигуре. Часть для регулирования передаточного числа в рабочем положении соединена с роликами вариатора. Пользователь перемещает эту часть для регулирования передаточного числа, принятого вариатором и, следовательно, трансмиссией в целом. Передаточное отношение вариатора является функцией положения части для регулирования передаточного числа. Часть для регулирования передаточного числа может перемещаться в непрерывном диапазоне, обозначенном стрелками на чертеже, от положения максимального передаточного числа для движения вперед через сцепленное нейтральное положение к положению максимального передаточного числа для движения назад. Диапазоны передаточных отношений вперед и назад, в типичном случае, будут разными, давая более высокие скорости движения вперед, чем назад. Часть для регулирования передаточного числа в этом варианте конструкции сформирована ручным рычагом. В альтернативном варианте ею может быть педаль. Механизмы педали известны, причем водитель, используя подушечки и пятку стопы, может качать педаль в обе стороны от нейтрального положения. Они были бы хорошо пригодны в этом контексте, но альтернативным вариантом может быть предоставление водителю двух педалей, то есть одну для движения вперед и одну для движения назад.
Средство, использованное для рабочего соединения части для регулирования передаточного числа с роликами вариатора, можно видеть на чертеже, и оно является гидромеханическим. Коротко, в числе его основных компонентов используется компаратор 52, который принимает и сравнивает (a) положение части для регулирования передаточного числа и (b) положение роликов вариатора и в результате модулирует силу для перемещения роликов в положение, указанное пользователем при помощи части для регулирования передаточного числа. Эта сила создается при помощи средства 54 регулирования гидравлического давления, подающего давление жидкости приводу 28. Средство также служит для приложения силы обратной связи, показательной для вращающего момента вариатора, к части для регулирования передаточного числа для снабжения пользователя информацией о вращающем моменте. Это осуществляется при помощи средства 56 силовой обратной связи. Пользователь снабжается средством 58 управления отключением вращающего момента, которое, действуя через средство 60 отключения вращающего момента, служит для рабочего отсоединения части 50 для регулирования передаточного числа от вариатора и, таким образом, для обнуления реактивного момента вариатора, таким образом создавая функциональные возможности, которые до некоторой степени подобны обеспечиваемым сцеплением в обычной ручной трансмиссии.
Эти объекты будут теперь описаны более подробно, начиная со средства 52 компаратора.
В данном варианте осуществления изобретения в компараторе используется система механических рычагов. Рычаг, формирующий часть 50 для регулирования передаточного числа, поворачивается вокруг фиксированной точки 62 опоры и проходит за точку опоры к шарнирному соединению со связующей частью 64, которая, в свою очередь, имеет первое шарнирное соединение 65 компаратора с тягой 66 компаратора. Следовательно, перемещение части 50 для регулирования передаточного числа перемещает первое соединение 65 тяги компаратора.
Поршень 26 в данном варианте конструкции соединен с тягой компаратора при помощи тросика 68 и средства 70 момента обратной связи (функция средства 70 момента обратной связи будет описана ниже). Средство момента обратной связи шарнирно соединено с тягой 66 компаратора через второе соединение 72 компаратора. Следовательно, положение второго соединения компаратора соответствует положению ролика вариатора и, таким образом, передаточному отношению вариатора.
Между первым и вторым соединениями 65, 72 компаратора тяга 66 компаратора имеет контрольное соединение 74 с тягой 76 управления клапаном, в свою очередь, ведущей к клапану 78 регулирования давления.
Действие рычажного средства состоит в установке состояния клапана 78 регулирования давления на основе сравнения передаточного числа вариатора с положением части 50 для регулирования передаточного числа.
Клапан 78 регулирования давления формирует часть средства 54 регулирования давления. Он имеет отверстие, которое принимает жидкость под давлением, поступающую по линии 80 для жидкости от насоса 82. Насос 82 всасывает из картера 84 и снабжен предохранительным клапаном 86. Клапан регулирования давления имеет отверстия, сообщающиеся с двумя подающими трубопроводами S1, S2, приспособленными для подачи жидкости, соответственно, к противоположным сторонам поршня 26 вариатора. Давление в линии S1 перемещает поршень 26 в одном направлении. Давление в линии S2 перемещает его в другом направлении. Клапан 78 регулирования давления является пропорциональным клапаном с тремя состояниями. В одном он подает жидкость под давлением от насоса в линию S1. В другом, он подает жидкость от насоса в линию S2. В третьем, промежуточном состоянии он изолирует линии S1 и S2 от давления насоса.
Рассмотрим, что происходит, когда в системе, бывшей в состоянии равновесия, пользователь перемещает часть 50 для регулирования передаточного числа. Это производит рассогласование между положением управляющей части и передаточным отношением вариатора. Первое соединение 65 компаратора перемещается. В этом примере предположим, что это перемещение влево при взгляде на фигуру. Контрольное соединение 74, таким образом, также перемещается влево, заставляя клапан регулирования давления принять его второе состояние, подавая давление насоса в линию S2 и сливая из S1 в картер. Результирующее давление на поршень 26 увлекает его влево, как видно на фигуре, перемещая поршень и изменяя передаточное отношение вариатора. Это движение передается через тросовое соединение 68, перемещая второе соединение компаратора вправо. Когда это движение вправо второго соединения компаратора достаточно для уравновешивания движения влево первого соединения компаратора, клапан 78 регулирования давления возвращается к его третьему положению для сохранения давления поршня и положения.
Фактически, это сервосистема для управления положением ролика с использованием гидравлического привода и механической обратной связи по положению.
Пользователь, в принципе, способен затребовать любое отношение в любой момент, и это может создавать трудности. Очень быстрое изменение требуемого передаточного отношения может привески, например, к чрезмерному вращающему моменту колеса. Система была разработана в связи с сельскохозяйственными транспортными средствами, имеющими низкие передаточные числа и высокие вращающие моменты двигателя, и в этом контексте вполне возможно из-за неосторожности пользователя вызвать движение транспортного средства на двух колесах, с его рулевыми колесами в воздухе. Для снабжения пользователя информацией о вращающих моментах, создаваемых в трансмиссии, средство 56 силовой обратной связи прилагает к части для регулирования передаточного числа пользователя силу, которая соответствует вращающему моменту. Как показано на фиг.3, средство силовой обратной связи содержит средство двойного действия поршня 88 и цилиндра 90. К противоположным сторонам поршня прилагаются давления, принятые прямо из соответствующих подающих трубопроводов S1, S2. Сила, таким образом прилагаемая к части для регулирования передаточного числа, таким образом, пропорциональна силе, прилагаемой к роликам вариатора поршнем 26 вариатора, хотя посредством пригодного подбора площадей поршня обеспечивается то, что первая меньше, чем последняя. Как описано выше, сила, воздействующая на ролики вариатора, пропорциональна реактивному моменту вариатора, в результате чего пользователь испытывает силу обратной связи, которая прямо связана с реактивным моментом.
Обращаясь теперь к средству 58 управления отключением вращающего момента, отметим, что оно может быть, например, ручным рычагом или ножной педалью. При помощи средства 58 управления водитель способен установить на ноль силу, прилагаемую к роликам вариатора. Таким образом, реактивный момент вариатора аналогично устанавливается на ноль, и вариатор становится неспособным поддерживать выходной вращающий момент для привода колес транспортного средства. Эффект является родственным разъединению в обычной ручной трансмиссии в том, что он предотвращает приложение трансмиссией вращающего момента к колесам транспортного средства, но это достигается без какого-либо физического отсоединения двигателя от колес. Вместо этого он основан на рабочем отсоединении роликов вариатора от части 50 для регулирования передаточного числа. Часть 58 для управления отключением вращающего момента воздействует на средство 60 отключения вращающего момента, сформированное в этом варианте осуществления изобретения как клапан отключения вращающего момента, ведущий от одной линии S1 подачи жидкости к другой S2. Когда он открыт, клапан создает путь для уравнивания давлений в подающих трубопроводах. При небольшой или при отсутствии разности давлений на уровне поршня существенная сила не прилагается к роликам вариатора, и, таким образом существенный реактивный момент не может поддерживаться. Закрытие клапана 60 отключения вращающего момента восстанавливает реактивный момент. Клапан 60 представляет собой пропорциональный клапан, и пользователь может регулировать степень его открывания.
Средство управления отключением вращающего момента может использоваться аналогично типу стартового устройства, описанного выше, посредством сначала установки части 50 для регулирования передаточного числа для задания движения вперед или назад и затем прогрессивного закрывания клапана 60 отключения вращающего момента для доведения передаточного числа управляемым образом до требуемой величины, вызывая ускорение транспортного средства от состояния покоя. Средство управления отключением вращающего момента может использоваться для плавного медленного движения транспортного средства к желательному положению, как при парковке. В этом случае оно служит для ограничения вращающего момента колеса снова очень подобно обычному сцеплению. Средство управления отключением вращающего момента может также использоваться для отключения любого вращающего момента проскальзывания, например, когда транспортное средство припарковано с работающим двигателем. Однако следует отметить, что пользователь может также управлять трансмиссией без использования этого средства управления. Например, он/она может переключать от движения вперед на движение назад и наоборот с использованием только части 50 для регулирования передаточного числа.
Необходимо также описать средство 70 вращающего момента обратной связи. Оно служит для изменения передаточного отношения вариатора на основе реактивного момента. Оно содержит цилиндр 91, который может двигаться при помощи тросового соединения 68 и который содержит поршень 92, соединенный связующей частью 94 со вторым соединением 72 компаратора. Внутри цилиндра 91 расположены пружины с обеих сторон поршня 92, смещая его к определенному положению. Силы, прилагаемые к поршню при управлении клапаном 78 регулирования давления, не являются большими, и пружины достаточно жесткие, благодаря чему перемещение поршня 92 в его цилиндре, создаваемое этими силами, небольшое или отсутствует совсем. Однако поршень также подвергается воздействию через отсечной клапан 96 давлений в линиях S1/S2. В результате достаточный реактивный момент и, соответственно, достаточная разность давлений в линиях S1 и S2 заставляет поршень двигаться с противодействием пружинам, изменяя действительную длину соединения от троса 68 до тяги 66 компаратора. Результатом является изменение передаточного отношения вариатора таким образом, чтобы понижать реактивный момент, придавая системе некоторую податливость и предохранение от чрезмерного вращающего момента. Отсечной клапан устраняет эту возможность, изолируя средство вращающего момента обратной связи от давлений в линиях S1/S2, когда оно не требуется.
Ссылочными позициями 98 и 100 на фиг.3 обозначены гидравлические амортизаторы. Их функцией является гашение нежелательного колебательного поведения вариатора посредством создания некоторого сопротивления потоку в поршень 26 и из него. Ссылочной позицией 102 обозначен перепускной клапан для реверсирования давлений, прилагаемых к вариатору для выхода за установленные пределы.
Описанный выше вариант конструкции служит примером только возможного варианта осуществления настоящего изобретения. Возможны многие другие способы осуществления изобретения. Например, рычажное средство, используемое для сравнения положения ролика и требуемого передаточного отношения, может быть заменено клапаном известного типа, в котором золотник и втулка могут перемещаться роликами и частью для регулирования передаточного числа.