БЕССТУПЕНЧАТАЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ МОТОР-ТРАНСМИССИЯ

Полезная модель относится к машиностроению. Может быть использована в транспортном машиностроении (например, автомобили, корабли, подъемные краны, авиация).
Известные комплексы представляют модели, содержащие как составляющие электрические и ДВС или двигатель и механические аккумуляторы энергии и их соединения в единое целое.
Аналогами можно принять разработанные фирмой «Кларк» (Англия) рекуперативные тормоза и двигатель «Гиректа» и «Гидректа»; экспериментальные автобусы типа «АА3695, разработанные лабораторией аккумулирования и рекуперации механической энергии Курского политехнического института совместно с ГСКБ по автобусам (Н.В.Гулиа» Инерционные двигатели для автомобилей, «Москва, «Транспорт,» 1974 г., стр.37-43);
поглотитель энергии торможения автомобиля системой шестеренчатого насоса, описанного в журнале «Наука и Жизнь» №4, за 2008 год (стр.48, заметка «Прощайте тормозные колодки,» изложение идеи М.Г. Середы); а также импульсная трансмиссия и импульсная муфта защищенные патентами на полезные модели соответственно №72520 и №75441.
Прототипа не имеется.
Предлагаемая модель отличается от приведенных выше тем, что в ней объединены в единое целое импульсная трансмиссия, содержащая импульсные муфты (тактовою и колесных редукторов) и инерционный маховик, способный запасать механическую энергию и распределять через импульсные муфты по движителям транспортной системы в соответствии с командами управляющего контроллера, гидравлические насосы и турбина, способные преобразовать кинетическую энергию торможения транспортного средства во вращательное движение, запасаемое тем же маховиком и собственно двигатель (внутреннего сгорания или электрический),
превращающий химическую или электромагнитную энергию в механическую.
Маховик трансмиссии связан с двигателем и турбиной через импульсные муфты, осуществляющие между ними разрывы потоков мощности. Ведущее звено муфты вращается двигателем или гидротурбиной. На ведущем звене закреплены рама ведомого звена, способная качаться относительно той же оси, что и ось вращения рамы ведущего звена. Возможность качания обеспечивается тарельчатыми двухчашечными пружинами, соединяющими рамы по концам: жестко через шток с тарелкой ведущей рамы и, через комбинированный шарнир (компенсирующий изменение расстояния от оси тарелки до оси вращения рамы при движении штока), с тарелкой ведомой рамы. Количество рам определяется передаваемой мощностью, а их расположение должно быть осесиммитричным в целях взаимного гашения изгиба от центробежных сил, возникающих при вращении муфты. Это же вынуждает использовать в пружине только две тарелки. Концы ведомой рамы укреплены на кольце трения с одной стороны и через компенсационный шарнир с тарелкой пружины ведомой рамы.
Ведущий и ведомый узлы муфты способны вращаться независимо друг от друга до тех пор, пока не создастся давление в цилиндре управляющего механизма, которое за счет упругих деформаций его стенок выберет зазор между этим цилиндром и кольцом трения, а затем обеспечит появление такого момента трения, что между ними возникнет связь без проскальзывания. Во избежание интенсивного износа соприкасающихся поверхностей нарастание момента сил от давления должно опережать нарастание момента сил от деформации тарелок пружины. Изменение давления в цилиндре управляющего механизма обеспечивается перемещением иглы соленоида внутри гидравлического рабочего тела по сигналу контроллера, задающего частоту импульсов давления-сброса в соответствии с требуемым режимом движения транспортного средства.
Снижение давления прекращает силовую связь между ведущим и ведомым звеньями муфты и завершает цикл передачи энергии. Таким образом осуществляется передача импульсов энергии, при нарастании ее в импульсе от нуля до заданного предела в соответствии с нарастанием силы пружины при ее деформации между ведущей и ведомой рамами.
Тактовая муфта передает энергию от маховика двигателя к маховику трансмиссии при потребности в увеличении ее запаса в последнем. Сигналом к пополнению служит достижение маховиком трансмиссии наименьшей расчетной угловой скорости. При достижении ее включается на рабочий режим двигатель и тактовая муфта. При достижении маховиком трансмиссии максимальной угловой скорости двигатель переходит на холостой ход а муфта отключается: ее частота становится нулевой. Это такт работы тактовой муфты, повторяющийся в течении всей работы транспортной машины.
Импульсная муфта механизма аккумулирования энергии торможения приводится в действие от сигнала при начале вращения колеса турбины.
При нажатии педали тормоза зубчатый венец шестеренчатых насосов за счет сил трения, создаваемых пружиной, соединяется с валом колесного редуктора и создает вращение ведомых шестерен насосов.
Количество шестеренчатых насосов в секции корпуса определяется предельной силой, допустимой при торможении, зависящей, как правило, от нагрузок на соответствующий мост или колесо транспортной машины. Поэтому сопротивление движению, создаваемое насосами для каждого колеса, должно быть различным, а значит при унификации насосов их число в секциях должно быть разным.
При работе насосов рабочая жидкость подается к соплам турбины. Они, за счет изменения сечения специальными регуляторами, обеспечивают постоянство скорости истечения жидкости, попадающей на лопатки турбины. Это обеспечивает постоянную скорость вала турбины для необходимого при подаче энергии от ведущего звена к ведомому перепада
скоростей между ведущим звеном импульсной муфты системы аккумулирования тормозной энергии и ее ведомым звеном в течении всего времени торможения. Регулирования частоты импульсов энергии, необходимых для передачи ее маховику трансмиссии, осуществляется контроллером по сигналам о чрезмерном числе оборотов турбины (повышение частоты) или пониженном числе ее оборотов (понижение частоты). Рабочая жидкость на выходе из насосов находится под постоянным давлением, что необходимо для постоянного замедления машины (либо предельно допустимого, либо служебного). Это обеспечивается уменьшением или увеличением проема проходного сечения нагнетательных клапанов. Шторки клапанов перемещаются водителем при служебном торможении или сервомотором при экстренном и торможении при управлении устойчивостью движения машины.
Отбор энергии с маховика импульсной трансляции к колесным редукторам осуществляется через их импульсные муфты. Количество этой энергии в импульсе задается водителем с помощью контроллера путем задания характеристик, определяющих порцию энергии: частоты, периода времени активной работы в общем времени импульса и силы деформации пружины. Команды реализуются соответствующими движениями иглы создающей давление в управляющем механизме.
Все импульсные муфты выполняют функции разрыва потока мощности необходимого для обеспечения независимого управления каждой составной частью системы: мотором, маховиком, движителями, системой аккумулирования энергии торможения.
Управление транспортной машиной ведется через контроллер - скоростью и поворотами (за счет разности оборотов колес по правому и левому бортам) и в автоматическом режиме непосредственно контроллером, использующим сведения датчиков, контролирующих характеристики параметров движения, при обеспечении устойчивости движения.
На фигурах, приведенных ниже, в качестве примера изображены:
Фиг.1. Общая схема компоновки бесступенчатой энергосберегающей мотор-трансмиссии в составе бесступенчатой трансмиссии, движителей, двигателя и системы торможения. В виде примера принят автомобиль.
Фиг.2. Механизм привода колеса от импульсной муфты и торможения от энергии колеса, через использование тормозной жидкости, как среды сопротивления, в шестеренчатых насосах.
Фиг.3. Корпус и крышки секции шестеренчатых насосов переднего колеса (снабженного тремя шестеренчатыми насосами); корпус и крышки заднего колеса, снабженного двумя насосами - не показан.
Фиг.4. Гидравлическая турбина запитанная независимыми соплами (от трех насосов левого и правого бортов переднего моста и от двух насосов правого и левого бортов заднего моста) и их сопловые крышки, муфты тактовая и импульсная системы аккумулирования тормозной энергии, и маховик импульсной трансмиссии.
Фиг.5. Схема импульсной муфты (упрощенная по сравнению с аналогами.
Бесступенчатая энергосберегающая мотор-трансмиссия состоит из:
1. Маховика импульсной трансмиссии,
2. Тактовой импульсной муфты,
3. Колесного редуктора,
4. Импульсных муфт колесных редукторов,
5. Колес транспортной машины - в составе импульсной трансмиссии;
6. Гидравлической турбины,
7. Импульсной муфты системы аккумулирования тормозной энергии,
8. Многосекционных шестеренчатых насосов,
9. Нагнетательных трубопроводов,
10. Сливного трубопровода,
11. Коллекторов отвода жидкости от турбины к секциям шестеренчатых насосов - в составе системы аккумулирования энергии торможения;
12. Двигателя (внутреннего сгорания или электрического);
13. Сопел турбины,
14. Механизма включения торможения,
15. Механизма регулирования проходного сечения нагнетательных клапанов,
16. Механизма обеспечения постоянства скорости истечения струи жидкости,
17. Нагнетательных клапанов секций шестеренчатых насосов,
18. 3убчатых венцов шестеренчатых насосов,
19. Корпусов секций шестеренчатых насосов,
20. Ведомых шестерен насосов образующих систему аккумулирования тормозной энергии;
21. Рабочей жидкости;
22. Управляющего контроллера,
23. Корпуса гидротурбины,
24. Крышек секций шестеренчатых насосов нагнетательной стороны,
25. Крышек секций шестеренчатых насосов всасывающей стороны
26. Шторок ручного регулирования энергии торможения механизма (15)
27. Шторок регулирования энергии торможения сервомотором управляющего контроллера механизма (15),
28. Отверстий всасывания рабочей жидкости в шестеренчатый насос,
29. Рабочих колес гидротурбины,
30. Крышек гидротурбины с соплами от насосов передних колес,
31. Крышек гидротурбины с соплами от насосов задних колес - в составе системы аккумулирования энергии торможения;
32. Вала ведущего звена импульсной трансмиссии,
33. Вала ведомого звена импульсной трансмиссии,
34. Иглы, создающей давление в управляющем механизме,
35. Кольца трения,
36. Управляющего механизма,
37.Рамы ведущего звена,
38. Тарельчатых пружин,
39. Рамы ведомого звена,
40. Штоков тарельчатых пружин,
41. Компенсационных шарниров штоков,
42. Гидравлического рабочего тела,
43. Тарелок ведущей рамы,
44. Тарелок ведомой рамы в составе импульсных муфт:
тактовой,
колесных редукторов,
системы аккумулирования тормозной энергии.
Работа бесступенчатой энергосберегающей мотор-трансмиссии. При пуске двигателя (12) импульсная трансмиссия обеспечивает накопление энергии в своем маховике (1) через тактовую импульсную муфту (2) связывающую двигатель с маховиком.
Движение транспортной машины совершается при передаче энергии от маховика импульсной трансмиссии (1) колесам (5) импульсами постоянной величины энергии. Эти импульсы передаются через импульсные муфты (4) колесных редукторов (3).
Импульсная муфта колесного редуктора с расчлененной ведущей и ведомой сторонами передает энергию только в тот момент цикла, когда в управляющем механизме (37) повышение давления гидравлического рабочего тела (43) за счет ввода в нее иглы (35) управляемой соленоидом. При этом происходит захват наружной поверхностью цилиндра управляющего механизма внутренней
поверхности кольца трения (36). Кольцо трения через раму ведомого звена (40) воздействует на тарельчатую пружину (39). Тарелка ведомой рамы (45) отстает от тарелки ведущей рамы (44) при вращении вокруг их общей оси из-за нагрузки на ведомую раму от ее сцепления с ведомым звеном муфты в поверхностях трения деталей (37) и (36). Происходит сжатие тарельчатой пружины от нуля до заданного предела деформации и нарастание передающейся в цикле энергии, которые немедленно, после сброса давления в управляющем механизме прекращаются. Это вызывается началом вывода иглы (35) из гидравлической среды, при котором происходит ликвидация связи между ведущим и ведомым звеньями муфты (аннулируется причина, вызывающая силы трения между поверхностями деталей (37) и (36).
Чем более резко происходит нарастание-падение давления в цилиндре управляющего механизма, тем менее работа сил трения при проскальзывании и износ трущихся поверхностей, а так же выше КПД муфты: момент сил трения всегда должны превышать рабочий момент, который передается муфтой. Это может быть обеспечено прямоугольной характеристикой диаграммы нарастания-падения тока в соленоиде и установкой на шток (41) слабосильного демпфера. После расцепки поверхностей трения тарельчатая пружина возвращается к свободному состоянию, а ведомая рама вращается как и рама ведущего звена.
Энергия в импульсе примерно равна произведению половины наибольшей силы пружин на величину их деформации (это работа муфты за цикл).
Поэтому регулирование мощности, передаваемой трансмиссией, может выполняться изменением частоты импульсов, ограничением предельной деформации пружин (ограничением давления в управляющем механизме, после которого производится его сброс) и изменением паузы в цикле. Эти манипуляции должны совершаться
контроллером в соответствии с заданными водителем требованиями по скорости движения и повороту, а также автоматически в соответствии с программой управления устойчивостью движения машины.
При потребности в торможении водитель или контроллер (в случае управления устойчивостью движения) воздействуют на механизм торможения, соединяя трением зубчатый венец (18) привода шестеренчатых насосов с колесным редуктором (3) соответствующего колеса. Рабочая жидкость через нагнетательные трубопроводы (9), отводящие ее от каждого насоса секции шестеренчатого насоса (8) отдельно к соплу (19), попадает на лопатки колеса турбины (6), общей для всех насосов, отдает им энергию и через коллекторы (11) возвращается к всасывающим отверстиям в крышках (25) шестеренчатых насосов, где опять вовлекается в оборот.
В целях обеспечения превышения скорости потока жидкости над скоростью лопаток турбинного колеса, что требуется для передачи энергии последним, сечение сопел регулируется с целью обеспечения постоянства скорости истечения в течении всего периода торможения. Это выполняется механизмом, следящим за постоянством перепада давления вне и внутри сопла (16) (например дифманометром). Струи рабочей жидкости из сопел вращают турбину, на валу которой закреплено ведущее звено импульсной муфты (7). Энергия колеса турбины через импульсную муфту (7) передается порциями маховику импульсной трансмиссии (1) с частотой, регулируемой контроллером от предельно допустимой по техническим возможностям для муфты при предельной скорости вращения турбины до полного прекращения импульсов при снижении или полного останова вращения колеса турбины.
При торможении машины двигатель продолжает работу в тактовом режиме, что обеспечивает экологическую стабильность выбросов.
Маховик должен быть расчитан на аккумулирование суммарной тактовой энергии и наибольшей энергии торможения с учетом потерь энергии в насосах и турбине.
Регулирование интенсивности торможения обеспечивается степенью перекрытия проходного сечения нагнетательных клапанов шестеренчатых насосов шторками (26) и (27). Управление шторками (26) производит водитель при служебном торможении, а также в случае отказа автоматики, и при аварийном, путем увеличения сопротивления рабочей жидкости вращению шестерен насосов с помощью перемещения шторок в сторону уменьшения просвета клапанов. Управление шторками (27) происходит от действия сервомеханизма при сигналах контроллера по обеспечению устойчивости или экстренному торможению.
Предлагаемая бесступенчатая энергосберегающая мотор-трансмиссия обладает следующими преимуществами перед аналогами:
1. Упрощение конструкции трансмиссии.
2. Снижение расхода топлива и вредных экологически выбросов.
3. Обеспечение автоматизации процессов управления движением и устойчивостью транспортного средства без использования промежуточных узлов-посредников между механическими и электронными системами, упрощение и удешевление систем автоматики.
4. Упрощение обслуживания и снижение эксплуатационных расходов.