БЕССТУПЕНЧАТАЯ ТРАНСМИССИЯ
STEPLESS TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к бесступенчатым трансмиссиям («БТ») и более конкретно к БТ, которые используют планетарную зубчатую передачу-мостик.
Одна такая БТ, хорошо известная специалистам в данной области, представлена в сильно схематичном виде на фиг.1. Двигатель 10 приводит в движение входной вал 12 трансмиссии. Выходной вал 14 трансмиссии соединен с колесами 16 автомобильного транспортного средства. Бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии обеспечивается посредством вариатора 18. Термин «вариатор» будет использоваться здесь для ссылки на устройство, которое передает движение между первым вращающимся элементом (таким, как входной вал 20 вариатора) и вторым вращающимся элементом (таким, как выходной вал 22) с бесступенчато регулируемым передаточным отношением. Трансмиссия также имеет планетарную зубчатую передачу-мостик 24 (конструкция которой не показана на этом чертеже), имеющую три вала. Первый вал 26 мостика непосредственно соединен с двигателем 10, например, посредством зубчатого колеса с неизменным передаточным отношением. Вал 28 мостика соединен с выходным валом 22 вариатора 18. Третий вал 30 вращается с частотой вращения, которая является функцией частот вращения первого и второго валов, и соединен с выходным валом 14 трансмиссии.
Трансмиссия этого типа может обеспечить бесконечное уменьшение скорости, называемое в данной области техники «нейтральным положением с зацеплением». При некотором передаточном отношении вариатора частоты вращения первого и второго вращающихся валов 26, 28 мостика 24 нейтрализуют друг друга, оставляя третий вал 30 и выход трансмиссии неподвижными, несмотря на то, что выход не является физически отсоединенным от движущего двигателя. Обычно передаточные отношения зубчатых колес в трансмиссии выбираются таким образом, чтобы только с помощью изменения передаточного отношения вариатора передаточное отношение, обеспечиваемое трансмиссией в целом, могло быть изменено посредством набора зубчатых колес обратного и прямого хода, включая нейтральное положение с зацеплением.
Мощность рециркулирует через вариатор 18 от мостика 24 в направлении против потока мощности от двигателя к колесам (или наоборот во время торможения двигателем). Эта рециркуляция мощности уменьшает общий силовой поток через вариатор, который, таким образом, должен передавать только часть общей мощности, передаваемой трансмиссией. Вариатор обычно является элементом трансмиссии с наименьшим кпд по энергии. Следовательно, является желательным уменьшить до минимума силовой поток через него.
В настоящее время в некоторых автомобильных транспортных средствах, имеющих традиционную ступенчатую основную коробку передач, вспомогательная коробка передач предусмотрена между основной коробкой передач и колесами. Тракторы часто имеют этот тип конструкции. Для работ с малой скоростью, таких как вспашка, вспомогательная коробка передач устанавливается на низкое передаточное отношение. Когда требуются более высокие скорости, например при езде по дороге, вспомогательная коробка передач устанавливается на высокое передаточное отношение. Вспомогательная коробка передач может быть подобным образом использована с БТ. На фиг.1 такая коробка передач обозначена позицией 32 и является переключаемой между низким и высоким диапазонами.
Оптимизация эффективности такой БТ представляет проблему. Предполагается, что низкий диапазон предназначен для обеспечения скоростей транспортного средства от 15 км/час обратного хода до 15 км/час прямого хода и что высокий диапазон предназначен для обеспечения скорости прямого хода до 40 км/час. Очевидно, что это может быть достигнуто с помощью выбора соответствующих передаточных отношений для вспомогательной коробки 32 передач в типе конструкции, показанной на фиг.1. При высоком диапазоне трансмиссия тогда была бы способна обеспечить скорости транспортного средства от 40 км/час прямого хода до 40 км/час обратного хода. Однако такая высокая скорость обратного хода не требуется для большинства применений, и эффективность трансмиссии с таким устройством была бы меньше, чем оптимальная. Часть общей мощности, передаваемая вариатором, увеличивается с увеличением диапазона передаточных отношений трансмиссии. Следовательно, в трансмиссии на фиг.1 и при высоком диапазоне излишне большая часть мощности передается вариатором, уменьшая эффективность трансмиссии.
В соответствии с настоящим изобретением предложена бесступенчатая трансмиссия, содержащая вход трансмиссии, выход трансмиссии, вариатор, который приспособлен для передачи движения между входом вариатора и выходом вариатора с бесступенчато регулируемым передаточным отношением вариатора, и конструкцию планетарной зубчатой передачи, включающую в себя соединяющее устройство, при этом конструкция планетарной зубчатой передачи имеет три вращающихся элемента, причем один из вращающихся элементов соединен с водилом планетарного ряда, несущим на себе, по меньшей мере, один сателлит планетарной зубчатой передачи, один из вращающихся элементов соединен с главным зубчатым колесом, зацепляющимся с сателлитом планетарной зубчатой передачи, и соединяющее устройство предусмотрено для соединения оставшегося вращающегося элемента с любым из первого и второго альтернативных зубчатых колес, оба из которых зацепляются с сателлитом планетарной зубчатой передачи и которые вращаются с различными скоростями, при этом один из вращающихся элементов соединен с входом трансмиссии с неизменным передаточным отношением, один из вращающихся элементов соединен с выходом вариатора и один из вращающихся элементов соединен с выходом трансмиссии таким образом, что посредством соединяющего устройства трансмиссия может меняться между первым и вторым диапазонами передаточных отношений.
Вращающиеся элементы могут, например, иметь форму валов, причем их функция - передавать вращательное движение к/от соответствующих элементов планетарной зубчатой передачи, так что может быть использован любой элемент, способный выполнять это. Например, в трансмиссиях, описываемых ниже, выходной диск вариатора непосредственно соединен с водилом планетарного ряда посредством стержней или осей, и они образуют соответствующий вращающийся элемент. Когда имеется ссылка на «соединение», подразумевается, что имеется путь для передачи движения между определенными элементами, и это может быть осуществлено с помощью непосредственного физического соединения одного к другому или может быть осуществлено с помощью зубчатой передачи или некоторого другого подходящего устройства, такого как цепная передача.
Конкретные варианты осуществления настоящего изобретения сейчас будут описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематическое представление БТ типа с рециркуляцией мощности;
фиг.2 - упрощенное представление трансмиссии, воплощающей настоящее изобретение;
фиг.3 - вид в перспективе трансмиссии, показанной на фиг.2; и
фиг.4 - упрощенное представление второй трансмиссии, воплощающей настоящее изобретение.
В трансмиссии, показанной на фиг.2 и 3, двигатель 50 соединен с колесами 52 транспортного средства посредством БТ 54, содержащей вариатор 56 и планетарный мостик 58.
Двигатель 50 может представлять собой двигатель внутреннего сгорания. Показанная трансмиссия является особенно хорошо подходящей для использования с дизельными двигателями с регулированием скорости, обычно установленными, например, в сельскохозяйственных транспортных средствах, таких как тракторы, и в транспортных средствах, использующихся в строительной промышленности. В транспортном средстве, имеющем это сочетание двигателя и трансмиссии, водитель может установить выбранную частоту вращения двигателя и затем осуществлять управление скоростью транспортного средства посредством регулирования передаточного отношения вариатора. По меньшей мере, при малом режиме работы водитель, таким образом, может выбрать из пределов бесступенчатого регулирования скорости прямого и обратного хода и может осуществить остановку транспортного средства посредством выбора нейтрального положения с зацеплением. Однако следует отметить, что БТ в соответствии с настоящим изобретением не являются только подходящими для использования с двигателями с регулированием скорости и могут быть использованы с любыми подходящими вращательными приводными устройствами, например электродвигателями, двигателями внешнего сгорания и так далее. Вал 60 соединяет двигатель с входом вариатора и образует входной вал трансмиссии. Несомненно, на практике зубчатая передача может быть помещена между двигателем и вариатором.
Вариатор 56 в показанном примере представляет собой вариатор с тороидальной дорожкой качения и сцепления роликов. Более конкретно, он представляет собой вариатор, известный в данной области техники как «полный тороидный». Такие вариаторы являются общеизвестными и будут здесь описаны только вкратце. Изобретение может быть осуществлено, используя вариаторы других типов, включая (но не ограничиваясь ими) ременные и роликовые вариаторы и гидростатические вариаторы.
Показанный вариатор 56 имеет первый и второй входные диски 62, 64 качения, между которыми имеется один выходной диск 74 качения. Входные диски 62, 64 качения имеют соответствующие полутороидально углубленные дорожки 66, 68 качения, обращенные по направлению к имеющим аналогичную форму дорожкам 70, 72 качения, образованным на противоположных сторонах выходного диска 74 качения. Входные и выходной диски 62, 64, 74 качения установлены с возможностью вращения вокруг общей оси, заданной валом 75, который в этом примере просто является продолжением входного вала 60 трансмиссии. Входные и выходной диски качения вместе определяют две в общем смысле тороидальные полости 76, 78, каждая из которых размещает соответствующий ряд роликов 80, 82. Ролики катятся по дорожкам качения и таким образом передают движение между внешними дисками 62, 64 качения (которые соединены для того, чтобы вращаться вместе) и внутренним диском 74 качения. Каждый ролик установлен с возможностью вращения вокруг своей собственной оси, одна из которых обозначена позицией 84 и видна на чертеже под наклоном к валу 75. Угол наклона роликов является изменяемым и соответствует передаточному отношению вариатора. Изменение наклона ролика изменяет длины окружностей траекторий, проходимых роликами по дискам качения, и таким образом изменяет отношение частоты вращения внутреннего диска качения к частоте вращения внешних дисков качения - т.е. оно изменяет передаточное отношение вариатора.
Входная сторона вариатора 56 приводится в движение от двигателя 50 с неизменным передаточным отношением (следует отметить, что, хотя является удобным ссылаться на случай, когда трансмиссия и колеса приводятся в движение двигателем, силовой поток, несомненно, может быть в другом направлении в ситуации «разноса двигателя» или «торможения двигателем»). В показанном варианте осуществления двигатель приводит в движение вал 60, 75, и первый входной диск 62 качения установлен на вале 75 с тем, чтобы вращаться вместе с ним. Вал 75 проходит через все из дисков качения и выступает наружу из второго входного диска 64 качения, где он несет на себе водило 86 планетарного ряда. Водило планетарного ряда соединено посредством осей 88 с внешней поверхностью второго входного диска качения таким образом, что второй входной диск 64 качения должен вращаться вместе с валом 75.
Выходная сторона вариатора соединена с главным зубчатым колесом 90. В показанном варианте осуществления это соединение осуществлено посредством втулки 92, которая является соосной с валом 75 и размещена вокруг вала 75 и которая проходит от выходного диска 74 качения через второй входной диск 64 качения в область снаружи второго входного диска качения. Подшипник между вторым входным диском 64 качения и втулкой 92 позволяет вращаться одному относительно другого. Оси 88 водила 86 планетарного ряда несут на себе сателлиты 94 планетарной зубчатой передачи, которые зацепляются с главным зубчатым колесом 90. Сателлиты 94 планетарной зубчатой передачи способны и вращаться вокруг своих собственных осей, и перемещаться по круговой траектории вокруг оси планетарной зубчатой передачи.
Сателлиты планетарной зубчатой передачи дополнительно зацепляются с первым и вторым альтернативными выходными зубчатыми колесами 96, 98. В варианте осуществления на фиг.2 видно, что сателлиты планетарной зубчатой передачи имеют три отдельные головки 100, 102, 104 зубчатого колеса, зацепляющиеся соответственно с главным зубчатым колесом 90 и с первым и вторым выходными зубчатыми колесами 96, 98. Эта конструкция обеспечивает возможность индивидуального выбора количества зубьев, посредством которых сателлиты 94 планетарной зубчатой передачи зацепляются с другими зубчатыми колесами, для обеспечения требуемых передаточных отношений, хотя в других вариантах осуществления сателлиты планетарной зубчатой передачи, каждый, могут иметь единственный ряд зубьев зубчатого колеса, зацепляющийся со всеми тремя из связанных зубчатых колес 90, 96, 98. Также на практике сателлиты 94 планетарной зубчатой передачи могут быть выполнены из многочисленных соединенных составных частей, например, с целью удобства при изготовлении или сборке. Два выходных зубчатых колеса 96, 98 приводятся в движение сателлитами 94 планетарной зубчатой передачи с различными скоростями. В показанном варианте осуществления это связано с тем, что первое выходное зубчатое колесо 96 меньше, чем второе выходное зубчатое колесо 98, а головка 102 зубчатого колеса, с которой оно зацепляется, соответственно больше, чем ее аналогичная головка 104 зубчатого колеса. Оба выходных зубчатых колеса приводятся в движение сателлитами 94 планетарной зубчатой передачи в любой момент времени, и одно или другое обычно соединено с выходом трансмиссии и, следовательно, с колесами 52 транспортного средства посредством соединяющего устройства 106.
Согласно фиг.2 и 3 само соединяющее устройство использует выходную конструкцию 108 планетарной зубчатой передачи, таким образом конструкция может быть соосной с валом 75. Первое выходное зубчатое колесо 96 соединено с одной частью муфты 110 посредством вала 112. Другая часть муфты 110 соединена с выходным валом 114 трансмиссии. В одном из ее положений муфта, следовательно, соединяет первое выходное зубчатое колесо 96 с выходом 114 трансмиссии. Втулка 111, располагающаяся вокруг вала 112, служит для соединения второго выходного зубчатого колеса 98 с солнечным зубчатым колесом 116 планетарной передачи 108, чье водило 118 планетарного ряда соединено с дополнительной частью муфты 110. Выходная планетарная передача также имеет зафиксированное эпициклическое зубчатое колесо 120. В другом из ее положений муфта, следовательно, служит для соединения выхода 114 трансмиссии через посредство выходной планетарной передачи 108 со вторым выходным зубчатым колесом 98. Таким образом, переключение положения муфты меняет диапазоны между высоким и низким.
Важно понимать, что вариант осуществления, показанный на фиг.2 и 3, не является функционально эквивалентным трансмиссии, показанной на фиг.1. Обе способны обеспечить высокий и низкий диапазоны передаточных отношений. Однако вспомогательная коробка 32 передач по фиг.1 может только увеличивать выходную частоту вращения ее планетарной зубчатой передачи 24 на некоторый коэффициент (коэффициент, конечно, является разным для двух диапазонов). Таким образом, как было предложено выше, низкий диапазон может обеспечить скорости транспортного средства от 15 км/час обратного хода до 15 км/час прямого хода, а высокий диапазон - скорости от 40 км/час обратного хода до 40 км/час прямого хода. Часть общего диапазона с обеих сторон нейтрального положения с зацеплением не может быть изменена между низким и высоким диапазонами. Такое же ограничение не применяется к трансмиссии на фиг.2 и 3. Таким образом, например, передаточные отношения зубчатых колес могут быть выбраны для обеспечения скоростей от -15 км/час до +15 км/час при низком диапазоне и от -15 км/час до +40 км/час при высоком диапазоне. Благодаря тому что общее передаточное отношение, использующееся при высоком диапазоне, меньше, хотя по-прежнему обеспечивается требуемая максимальная скорость прямого хода, часть общей передаваемой мощности, проходящая через вариатор, может быть меньше и, в качестве результата, трансмиссия может быть более эффективной.
Трансмиссия, показанная на фиг.4, с многих точек зрения является аналогичной той, которая показана на фиг.2 и 3, и соответствующим элементам даны аналогичные числовые обозначения (хотя только основные элементы были обозначены таким образом), но вместо выходной планетарной передачи 108 вариант осуществления на фиг.4 имеет устройство, использующее промежуточный вал 150, смещенный относительно вала 75. Зубчатые колеса 152, 154 промежуточного вала зацепляются соответственно с зубчатыми головками двух выходных зубчатых колес 96, 98 и являются соосными с промежуточным валом, но способны вращаться вокруг него. Муфта 152 служит для выборочного соединения одного или другого из зубчатых колес 152, 154 промежуточного вала с промежуточным валом и, таким образом, для передачи вращения того зубчатого колеса на колеса 52.
Многочисленные возможные разработки и изменения показанных вариантов осуществления являются возможными, не отступая от объема настоящего изобретения. Например, планетарная зубчатая передача обычно имеет эпициклическое зубчатое колесо с внутренним зацеплением снаружи сателлитов планетарной зубчатой передачи, и такая конструкция может быть применена в трансмиссиях, воплощающих настоящее изобретение, например, посредством использования двух отдельных эпициклических зубчатых колес, зацепляющихся с соответствующими головками зубчатого колеса сателлитов планетарной зубчатой передачи, вместо выходных зубчатых колес 96, 98.