УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ПРИВОДНОГО УСИЛИЯ С ПОМОЩЬЮ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ РЕВЕРСИВНОЙ МУФТЫ
DEVICE FOR TRANSFER OF DRIVING FORCE BY MEANS OF HYDRODYNAMIC REVERSE CLUTCH

Изобретение относится к устройству передачи приводного усилия для передачи приводного усилия между двумя валами, в частности, в приводной линии автомобиля. Согласно варианту выполнения изобретение относится к так называемой турбокомпаунд-системе с таким устройством передачи приводных усилий между коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и турбиной, работающей на отходящих газах.
Устройство передачи приводных усилий с признаками, которые сформулированы в ограничительной части п.1 формулы изобретения, опубликовано, например, в патенте США №4748812. Представленное там устройство передачи приводного усилия имеет два места сопряжения для передачи приводного усилия от устройства передачи приводного усилия или на устройство передачи приводного усилия. Одно место сопряжения связано с коленчатым валом двигателя, а другое место сопряжения связано с турбиной, работающей на отходящих газах. Показанное устройство передачи приводного усилия имеет гидродинамическую муфту для передачи мощности от турбины, работающей на отходящих газах, на коленчатый вал в так называемом турбинном режиме и от коленчатого вала двигателя на турбину, работающую в так называемом тормозном режиме. При этом в тормозном режиме направление вращения турбины, работающей на отходящем газе, становится обратным, чтобы турбину, работающую на отходящем газе, привести в действие в качестве насоса и таким образом создать тормозной момент. Перемена направления вращения имеет то преимущество, что можно создать сравнительно больший тормозной момент, чем в таких турбокомпаундных системах, в которых турбина, работающая на отходящих газах, постоянно вращается в одном направлении, как это описано, например, в патенте США №5884482.
Для того чтобы достичь изменения направления вращения турбины, работающей на отходящем газе, в режиме торможения между коленчатым валом двигателя и гидродинамической муфтой установлена реверсивная передача с двумя параллельными кинематическими цепями, причем одна кинематическая цепь выполнена с дополнительным промежуточным зубчатым колесом, чтобы на выходной стороне вызвать противоположное направление вращения, по сравнению с другой кинематической цепью. Обе кинематические цепи благодаря применению механических муфт включаются таким образом, что всегда только одна кинематическая цепь в приводной связи передает приводное усилие.
Показанная система вследствие необходимых переключений между кинематическими цепями и применения механических муфт, в частности пластинчатых муфт, имеет недостатки, связанные с тем, что она является сравнительно затратной и, тем самым, дорогостоящей в изготовлении, а также благодаря многочисленным механическим переключаемым компонентам подвержена опасности нарушений в работе и требует повышенного ухода.
В основе изобретения лежит задача представить устройство передачи приводного усилия, которое усовершенствовано по сравнению с уровнем техники. В частности, следует обеспечить в достаточной степени не подверженное износу функционирование подключающих компонентов и снизить конструктивные издержки. При этом устройство передачи приводного усилия согласно изобретению должно иметь возможность применяться в турбокомпаундных системах.
Устройство передачи приводного усилия согласно изобретению отличается гидродинамической муфтой, которая имеет два расположенных отдельно друг от друга рабочих пространства, которые соответственно независимо друг от друга могут заполняться рабочей средой для передачи момента вращения от облопаченного первичного колеса на облопаченное вторичное колесо. Чтобы образовать оба рабочих пространства, предусмотрены два первичных колеса и, по меньшей мере, одно вторичное колесо, причем вторичное колесо предпочтительно имеет два набора лопаток, а именно по одному набору лопаток для каждого из двух рабочих пространств. Оба набора лопаток могут располагаться, например, в порядке «спина к спине» в общем вторичном колесе.
Соответственно лопатки первичного колеса и соответствующие наборы лопаток, по меньшей мере, одного вторичного колеса расположены - как это является обычным для гидродинамических муфт - напротив друг друга, чтобы таким образом образовать тороидальное рабочее пространство.
Предусмотрены две параллельные кинематические цепи, которые постоянно находятся в приводной связи с обоими местами сопряжения. Первая кинематическая цепь находится, далее, в приводной связи с первым первичным колесом, а вторая кинематическая цепь находится в постоянной приводной связи со вторым первичным колесом.
В смысле настоящего изобретения под понятием «заполняемый» или «заполненный» подразумевается как полное заполнение, так и частичное заполнение. Под понятием «опорожняемый» или «опорожненный» подразумевается полное опорожнение или опорожнение до заданного остаточного количества рабочей среды в рабочем пространстве.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, по меньшей мере, одно вторичное колесо, в частности общее вторичное колесо, находится в постоянной приводной связи с первым местом сопряжения, и обе кинематические цепи находятся в постоянной приводной связи непосредственно со вторым местом сопряжения. При этом, например, первичные колеса могут располагаться на общей оси, причем предпочтительно одно из первичных колес установлено на совместной оси без возможности проворачивания, а другое первичное колесо установлено на общей оси с возможностью вращения. Предпочтительно на общей оси установлено, далее, без возможности проворачивания зубчатое колесо одной из двух кинематических цепей.
По меньшей мере, одно вторичное колесо, в частности общее вторичное колесо, предпочтительно тоже может быть расположено на общей оси, а именно в осевом направлении между обоими первичными колесами. По меньшей мере, одно вторичное колесо при этом установлено на общей оси с возможностью вращения, т.е. с помощью, так называемой относительной опоры.
Также по одному зубчатому колесу обеих кинематических цепей может располагаться на общей оси, причем в этом случае предпочтительно зубчатое колесо кинематической цепи, которая находится в непосредственной приводной связи с расположенным на общей оси с возможностью вращения первичным колесом, расположено на общей оси с возможностью вращения, а зубчатое колесо второй кинематической цепи, которая находится в непосредственной приводной связи с первичным колесом, которое установлено на общей оси без возможности проворачивания, расположено на общей оси также без возможности проворачивания так, чтобы соответствующий момент передавался через общую ось между первичным колесом и кинематической цепью.
Предпочтительно лопатки первичных колес и, по меньшей мере, одного вторичного колеса расположены под углом относительно центральной оси гидродинамической муфты, т.е. они установлены неперпендикулярно к плоскости радиального сечения через рабочее пространство гидродинамической муфты.
При таких расположенных под углом лопатках в отношении относительного движения относительно друг друга различают расположение с силовым замыканием и расположение без силового замыкания. При обоих расположениях установленные против друг друга лопатки находятся на одной линии. При расположении с силовым замыканием лопатки ведущего колеса, исходя от обращенного к ведомому колесу осевого конца, наклонены против направления вращения ведущего колеса, в то время, как при расположении без силового замыкания лопатки ведущего колеса, исходя от обращенного к ведомому колесу осевого конца, наклонены в направлении вращения ведущего колеса.
Согласно предпочтительному варианту выполнения лопатки обоих рабочих пространств расположены под углом таким образом, что при направлении вращения, которое устанавливается в режиме опорожненного соответствующего рабочего пространства, расположенные напротив друг друга лопатки вращаются относительно друг друга без силового замыкания.
Общее вторичное колесо вместе с корпусом гидродинамической муфты может, по меньшей мере частично, охватить оба первичных колеса, что становится более понятным с помощью описанного ниже и представленного на чертежах примера выполнения.
Турбокомпаундная система включает в себя двигатель внутреннего сгорания с коленчатым валом и турбину, работающую на отходящем газе, которая расположена в потоке отходящего газа двигателя внутреннего сгорания и может включаться в приводную связь с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. В этом отношении турбокомпаундная система согласно изобретению обладает обычными признаками известных турбокомпаундных систем.
В турбокомпаундной системе согласно изобретению, однако, включается в приводную связь между турбиной, работающей на отходящем газе, и коленчатым валом устройство передачи приводного усилия с признаками согласно изобретению, описанными выше. Одно место сопряжения находится в постоянной приводной связи с коленчатым валом, в то время как другое место сопряжения находится в постоянной приводной связи с турбиной, работающей на отходящем газе. Благодаря подключению устройства передачи приводного усилия согласно изобретению путем целенаправленного заполнения одного или другого рабочего пространства валы в обоих местах сопряжения вращаются либо в одном направлении, либо в противоположном направлении вращения, благодаря чему обеспечивается соответствующий поток энергии от коленчатого вала на турбину, работающую на отходящем газе, или от турбины, работающей на отходящем газе, на коленчатый вал.
Само собой разумеется, можно также оба рабочих пространства одновременно заполнять рабочей средой, чтобы таким образом создать дополнительный тормозной момент внутри муфты. Такая система работала бы тогда как так называемая турбокомпаунд-замедлительная система.
Изобретение описывается далее более подробно на основе примера выполнения с привлечением чертежей, где изображено:
Фиг.1 - схематически поток энергии в турбокомпаунд-системе с устройством передачи приводного усилия в номинальном режиме;
Фиг.2 - турбокомпаунд-система по фиг.1 в режиме торможения.
На фиг.1 видно первое место 1 сопряжения, которое образовано коленчатым валом 12 представленного схематически двигателя 11 внутреннего сгорания. В другом, противоположном в осевом направлении конце устройства 10 передачи приводного усилия показано второе место 2 сопряжения, образованное валом 11, который несет на себе шестерни 12 и 13 первой кинематической цепи 4 и второй кинематической цепи 5, а также жестко соединенное с ротором турбины 13, работающей на отходящем газе. Коленчатый вал 12 несет на себе дополнительно зубчатое колесо 14, которое через подсоединенное без возможности вращения к корпусу 3.6 или выполненное вместе с этим корпусом зубчатое колесо 15 приводит в действие вторичное колесо 3.5 гидродинамической муфты 3, которая подключена без возможности проворачивания к корпусу 3.6 или выполнена за одно целое с ним.
Общий вал 7 (вдоль центральной оси 6 гидродинамической муфты 3) расположен с возможностью вращения по обе стороны гидродинамической муфты и соответственно у осевых концов устройства 10 передачи приводного усилия и без возможности проворачивания соединен с первым первичным колесом 3.3, а также зубчатым колесом 16 первой кинематической цепи 4. Зубчатое колесо 17 второй кинематической цепи 5, которое находится в зацеплении с шестеренкой 13, относительно расположено на общем валу 7, т.е. оно опирается на общий вал 7 с возможностью совершения вращательного движения.
Общий вал 7 несет на себе, далее, общее вторичное колесо 3.5 с возможностью совершения вращательного движения, т.е. вторичное колесо 3.5 может вращаться относительно общего вала 7. Так как корпус 3.6 гидродинамической муфты 3 подключен к общему вторичному колесу 3.5 или выполнен за одно целое с ним, то таким образом также корпус 3.6 опирается на общий вал 7 с возможностью вращательного движения посредством подшипника вторичного колеса 3.5.
Гидродинамическая муфта 3 имеет два рабочих пространства 3.1 и 3.2, которые независимо друг от друга могут заполняться рабочей средой или опорожняться. Первое рабочее пространство 3.1 образуется первичным колесом 3.3 и первой частью вторичного колеса 3.5, а второе рабочее пространство 3.2 - первичным колесом 3.4 и второй частью вторичного колеса 3.5. Первичные колеса и соответствующие части вторичного колеса устанавливаются, как это известно для гидродинамических муфт, таким образом напротив друг друга, что каждое рабочее пространство образуется в форме тороидального кольца.
Облопачивание первичных колес или общего вторичного колеса представлено схематически, точно так же, как и направление вращения набора лопаток показано обозначенными в рабочих пространствах стрелками. При этом схематическое изображение следует считывать таким образом, что лопатки показаны на виде сверху, и направление вращения соответственно обозначено в осевом виде сверху. Первое первичное колесо 3.3 несет на себе набор 3.3.1 лопаток, второе первичное колесо 3.4 несет на себе набор 3.4.1 лопаток и общее вторичное колесо 3.5 несет набор 3.5.1 лопаток, а также набор 3.5.2 лопаток. Как видно, наборы 3.5.1 и 3.5.2 лопаток вторичного колеса 3.5 расположены в порядке «спина к спине».
Особенно компактное расположение достигается благодаря тому, что общее вторичное колесо 3.5 вместе с корпусом 3.6 охватывает оба первичных колеса 3.3 и 3.4 с трех сторон, причем четвертая сторона прикрывается общим валом 7. Таким образом, является возможной облегченная герметизация обоих рабочих пространств 3.1 и 3.2 относительно окружающей среды.
Турбина, работающая на отходящем газе - как это является обычным для турбокомпаунд-систем - расположена в потоке 14 отходящего газа двигателя внутреннего сгорания. Само собой разумеется, можно использовать другие системы, работающие на отходящем газе, как, например, газотурбинный нагнетатель, включающий в себя другую турбину, работающую на отходящем газе, и компрессор.
Турбина 13, работающая на отходящем газе, которая посредством вала 11, который несет на себе установленные без возможности проворачивания обе шестеренки 12 и 13 первой и второй кинематической цепи 4 и 5, находится в постоянной приводной связи с обеими кинематическими цепями 4, 5, может приводиться в действие в двух противоположных направлениях вращения. Это достигается благодаря тому, что между шестеренкой 12 и зубчатым колесом 16 первой кинематической цепи 4 установлена еще одна паразитная шестерня 17.
Различные способы работы показанного устройства поясняются далее в деталях.
Стрелкой 100 обозначен поток энергии, т.е. направление передачи приводного усилия. Согласно фиг.1, в которой представлена работа в номинальном режиме, названная также турбинным режимом, приводное усилие передается от турбины 13, работающей на отходящем газе, на коленчатый вал 12. Турбина 13, работающая на отходящем газе, приводит в движение вал 11, а именно в направлении вращения, указанном стрелкой 105. Все направления вращения относятся при этом к направлению взгляда, которое изображено стрелкой 101. Вращательное движение вала 11 через вторую кинематическую цепь 5 передается на второе первичное колесо 3.4. Так как второе рабочее пространство 3.2 заполнено рабочей средой, то второе первичное колесо 3.4 приводит в движение вторичное колесо 3.5 в соответственно том же направлении вращения (см. стрелки в рабочем пространстве 3.2). Это направление вращения противоположно направлению вращения вала 11 на основе того, что лишь два зубчатых колеса находятся в зацеплении друг с другом - зубчатое колесо 5 и шестеренка 13, и показано стрелкой 104. Соответственно также корпус 3.6 вращается в том же направлении (см. стрелку 103). Так как корпус 3.6 посредством зубчатого колеса 13 находится в зацеплении с зубчатым колесом 14, то коленчатый вал 12 приводится в движение в противоположном направлении (см. стрелку 102).
За счет постоянной приводной связи между обеими кинематическими цепями 4 и 5 с выходным валом турбины 13, работающей на отходящем газе, приводится в движение также первая кинематическая цепь 4. С помощью первой кинематической цепи 4 вращается, таким образом, общий вал 7, а именно за счет дополнительного промежуточного колеса 17 в том же направлении, что и вал 11. Через общий вал 7 приводится в действие, таким образом, также первое первичное колесо 3.3, а именно в противоположном направлении по сравнению со вторым первичным колесом 3.4, как это показано стрелкой над набором 3.3.1 лопаток первого первичного колеса 3.3. Таким образом, первое первичное колесо 3.3 вращается в противоположном по сравнению с вторичным колесом 3.5 направлении и возникает пробуксовка на 200 процентов. Так как, однако, рабочее пространство 3.1 между первым первичным колесом 3.3 и вторичным колесом 3.5 не заполнено рабочей средой или не заполнено рабочей средой до заданного остаточного количества рабочей среды, то от первого первичного колеса 3.3 на вторичное колесо 3.5 не передается или почти не передается никакого момента вращения, и, тем самым, турбиной 13, работающей на отходящем газе, не вырабатывается никакой теряемой мощности в отношении привода коленчатого вала 12. Такое снижение до минимума теряемой мощности достигается, в частности, благодаря тому, что расположенные напротив друг друга лопатки первого первичного колеса и вторичного колеса 3.3.1 и 3.5.1 таким образом расположены под углом относительно продольной оси 6 гидродинамической муфты 3, что они в показанном способе работы приводятся в движение без силового замыкания относительно друг друга. Расположенные напротив друг друга лопатки второго первичного колеса и вторичного колеса 3.4.1 и 3.5.2 в противоположность лопаткам в первом рабочем пространстве 3.1 установлены под углом относительно продольной оси 6, так что они в показанном способе работы приводятся в движение с силовым замыканием относительно друг друга, что приводит к особенно эффективной передаче мощности между вторым первичным колесом 3.4 и общим вторичным колесом 3.5 и к соответственно сопровождаемой малыми потерями передаче приводной мощности от турбины 13, работающей на отходящем газе, на коленчатый вал 12.
На фиг.2 представлен второй способ работы, а именно способ работы при торможении. В этом способе работы приводная мощность передается от коленчатого вала 12 на турбину 13, работающую на отходящем газе (см. направление стрелки 100), что, с одной стороны, приводит к торможению коленчатого вала 12, а с другой стороны, турбина 13, работающая на отходящем газе, может работать в качестве насоса со сравнительно высоким коэффициентом полезного действия благодаря изменению ее направления вращения по сравнению с работой в режиме турбины. В соответствии с обратным направлением вращения турбины 13, работающей на отходящем газе, турбина 13, работающая на отходящем газе, качает поток отходящего газа против направления потока отходящего газа в номинальном режиме, к месту 18 дросселирования (см. поворот стрелки 14, которая показывает поток отходящего газа).
Коленчатый вал 12 с помощью зубчатого колеса 14 приводит во вращение в неизмененном направлении вращения (см. стрелку 102) корпус 3.6 и тем самым вторичное колесо 3.5, а именно с направлением вращения 103, которое также является неизмененным по сравнению с работой в номинальном режиме, так как коленчатый вал 12 постоянно вращается в одном и том же направлении.
В режиме торможения согласно фиг.2, однако, рабочее пространство 3.1 заполнено рабочей средой, так что момент вращения передается от вторичного колеса 3.5 на первое первичное колесо 3.3. Соответственно теперь первичное колесо 3.3 вращается в том же направлении, что и вторичное колесо 3.5, так что общий вал 7 теперь вращается в противоположном направлении по сравнению с работой в номинальном режиме (см. стрелку 106). Посредством первой кинематической цепи 4 приводится в действие вал 11, а именно с направлением вращения, которое соответствует направлению вращения общего вала 7 (см. стрелку 105). Это направление вращения (стрелка 105) вала 11 является противоположным направлению вращения, которое установилось в номинальном режиме за счет привода с помощью турбины 13, работающей на отходящем газе, так что турбина, работающая на отходящем газе, приводится в действие в противоположном направлении.
За счет постоянной приводной связи между турбиной, работающей на отходящем газе, и второй кинематической цепью 5, далее приводится в действие второе первичное колесо 3.4, которое теперь вращается в противоположном вторичному колесу 3.5 направлении. Так как все же второе рабочее пространство 3.2 опорожнено или опорожнено до заданного остаточного количества рабочей среды, то не передается никакого или лишь очень малый момент вращения от второго первичного колеса 3.4 на вторичное колесо 3.5, соответствующая теряемая мощность незначительна. Второе первичное колесо 3.4 вращается по отношению к вторичному рабочему колесу 3.5 с пробуксовкой на 200 процентов. Как видно, благодаря выбранной установке под углом набора лопаток достигается движение между вторым первичным колесом 3.4 и вторичным колесом 3.5 без силового замыкания, что способствует уменьшению до минимума теряемой мощности.
Устройство передачи приводной мощности согласно изобретению или турбокомпаунд-система согласно изобретению дает различные преимущества: так, например, гидродинамической муфте придана функция переключения, обеспечивающая отсутствие износа. Требуемые дополнительно зубчатые колеса расположены на «быстрой» стороне и поэтому малы. В режиме торможения «активный контур», т.е. контур, который заполнен рабочей средой, приводится в действие без силового замыкания. Это имеет то преимущество, что благодаря целенаправленному изменению заполнения можно изменять пробуксовку муфты и, тем самым, число оборотов турбины, работающей на отходящем газе, выполняющей функцию насоса. Таким образом, можно, например, препятствовать превышению числа оборотов или превышению момента вращения на турбине, работающей на отходящем газе.
С помощью целенаправленного наполнения «инактивного» контура муфты, т.е. рабочего пространства, которое не заполнено рабочей средой или заполнено лишь заданным остаточным количеством рабочей среды, можно создавать дополнительный момент торможения внутри гидродинамической муфты.