СИСТЕМА РЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПЕРЕДАТОЧНЫМ ОТНОШЕНИЕМ
VARIABLE TRANSMISSION RATIO BELT TRANSMISSION SYSTEM

Ссылка на родственную заявку
Данная заявка является частично продолжающей для находящейся в стадии рассмотрения не носящей временный характер заявки на патент США №10/807937, поданной 24 марта 2004 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе ременной передачи с двумя передаточными отношениями для приведения в движение вспомогательных агрегатов (устройств) двигателя транспортного средства с первым кинематическим передаточным отношением и со вторым кинематическим передаточным отношением.
Уровень техники
Двигатели транспортных средств, как правило, содержат вспомогательные агрегаты, которые используются в работе двигателя и транспортного средства. Такие вспомогательные агрегаты могут включать в себя насос усилителя руля, компрессор системы кондиционирования воздуха, генератор переменного тока, масляный насос, топливный насос и т.д. Эти вспомогательные агрегаты, как правило, приводятся в движение посредством так называемого «серпантинного» ремня (т.е. ремня, идущего по извилистой (изгибающейся) траектории). Серпантинный ремень зацепляется со шкивом на каждом вспомогательном агрегате, а также на коленчатом валу двигателя. Коленчатый вал двигателя обеспечивает вращающий момент для приведения в движение вспомогательных агрегатов.
Так как ремень приводится в движение коленчатым валом, он обязательно подвергается воздействию изменений частоты вращения двигателя во время ускорения и замедления транспортного средства. Другими словами, рабочая частота вращения вспомогательных агрегатов прямо пропорциональна частоте вращения двигателя.
Изменения частоты вращения двигателя, в частности частот вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, ведут к неэффективной работе вспомогательных агрегатов, так как каждый вспомогательный агрегат должен быть приспособлен для удовлетворительной работы во всем диапазоне частот вращения двигателя. Это неизбежно означает, что эффективность их работы будет меньше оптимальной для большей части диапазона частот вращения двигателя. Далее, при более высоких скоростях двигателя для приведения в движение вспомогательных агрегатов требуется больше мощности, что ведет к уменьшению эффективности использования топлива и уменьшению полезного вращающего момента. Поэтому желательно отсоединить некоторые или все вспомогательные агрегаты от коленчатого вала двигателя так, чтобы они могли приводиться в движение при более низком и более узком оптимальном диапазоне частот вращения.
Типичным для известного уровня техники является патент США №5700121 (1997, Meckstroth), который раскрывает систему для приведения в движение различных вращающихся вспомогательных агрегатов транспортного средства.
Известный уровень техники требует отсоединения вспомогательных агрегатов от двигателя при пуске двигателя с целью «помощи» имеющему минимальные размеры стартеру. Кроме того, известный уровень техники не указывает на узел муфты сцепления, скомбинированный с демпфером коленчатого вала для уменьшения влияния вибрации двигателя.
Необходима система ременной передачи с двумя передаточными отношениями для вспомогательных агрегатов двигателя транспортного средства с первым кинематическим передаточным отношением и со вторым кинематическим передаточным отношением. Настоящее изобретение удовлетворяет этой потребности.
Раскрытие изобретения
Основной целью настоящего изобретения является создание системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями для приведения в движение вспомогательных агрегатов двигателя транспортного средства с первым кинематическим передаточным отношением и со вторым кинематическим передаточным отношением.
Другие цели изобретения будут указаны или станут очевидными при помощи нижеследующего описания изобретения и прилагаемых чертежей.
Изобретение содержит систему ременной передачи для вспомогательного агрегата двигателя с передаточным отношением больше 1:1 при холостом ходе двигателя, содержащую ведущий элемент, причем ведущий элемент соединен с возможностью вращения с первым ведомым элементом посредством первого бесконечного элемента, второй бесконечный элемент, присоединенный с возможностью вращения между ведущим элементом и вторым ведомым элементом, первую муфту сцепления, расположенную между первым бесконечным элементом и вторым бесконечным элементом, для передачи по выбору вращающего момента от первого бесконечного элемента ко второму бесконечному элементу и вторую муфту сцепления, расположенную между вторым бесконечным элементом и ведущим элементом, для отсоединения по выбору второго бесконечного элемента от ведущего элемента. Отличием данной системы является то, что она дополнительно содержит третью муфту сцепления, размещенную между первым бесконечным элементом и вторым бесконечным элементом для передачи по выбору вращающего момента от первого бесконечного элемента ко второму бесконечному элементу. Бесконечными элементами в данном случае являются ремни, ведомыми элементами - шкивы. Далее в описании употребляются эти термины.
Предпочтительно первая муфта сцепления дополнительно содержит первый шкив и второй шкив, причем первый шкив и второй шкив имеют неодинаковые диаметры, и вторая муфта сцепления представляет собой одностороннюю муфту.
Второй ведомый элемент предпочтительно содержит генератор переменного тока.
Первая муфта сцепления предпочтительно представляет собой электромагнитную муфту сцепления.
В предпочтительном варианте первая муфта сцепления сцеплена при предварительно заданной частоте вращения холостого хода, а вторая муфта сцепления расцеплена, чтобы не передавать вращающий момент. Когда первая муфта сцепления расцеплена, вторая муфта сцепления сцеплена для передачи вращающего момента ко второму ведомому элементу.
Третья муфта сцепления также предпочтительно представляет собой электромагнитную муфту сцепления. Когда третья муфта сцепления расцеплена, вторая муфта сцепления сцеплена для передачи вращающего момента ко второму ведомому элементу. Когда первая муфта сцепления расцеплена, вторая муфта сцепления сцеплена для передачи вращающего момента ко второму ведомому элементу.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, включенные в описание изобретения и образующие его часть, иллюстрируют предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения и, вместе с описанием, служат для пояснения принципов изобретения.
Фиг.1 - схематический вид системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями.
Фиг.2 - схематический вид в плане системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями.
Фиг.3 - вид в разрезе половины узла муфты сцепления.
Фиг.4 - вид в разрезе половины двойного шкива.
Фиг.4А - вид в разрезе половины двойного шкива по альтернативному варианту воплощения.
Фиг.5 - схематический вид системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по первому альтернативному варианту воплощения.
Фиг.6 - схематический вид в плане системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по первому альтернативному варианту воплощения.
Фиг.7 - схематический вид системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по второму альтернативному варианту воплощения.
Фиг.8 - схематический вид в плане системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по второму альтернативному варианту воплощения.
Фиг.9 - вид в разрезе половины узла муфты сцепления системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по второму альтернативному варианту воплощения.
Фиг.9А - альтернативный вариант воплощения узла муфты сцепления на фиг.9.
Фиг.10 - вид в разрезе половины двойного шкива для узла муфты сцепления системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями по второму альтернативному варианту воплощения.
Фиг.10А - вид в разрезе половины альтернативного варианта воплощения двойного шкива на фиг.10.
Фиг.11 - схематический вид альтернативной структуры системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями, включающей в себя мотор-генератор.
Фиг.12 - схематический вид в плане альтернативного варианта воплощения, включающего в себя мотор-генератор на фиг.11.
Фиг.13 - схематический вид альтернативной структуры системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями.
Фиг.14 - схематический вид в плане альтернативного варианта воплощения на фиг.13.
Фиг.15 - схематический вид альтернативной структуры системы ременной передачи с несколькими передаточными отношениями.
Фиг.16 - схематический вид в плане альтернативного варианта воплощения на фиг.15.
Осуществление изобретения
Система ременной передачи с двумя передаточными отношениями показана на фиг.1. Система по изобретению работает с первым или вторым передаточным отношением шкивов, которое выбирается с помощью узла 11 муфты сцепления. При первой частоте вращения двигателя используется первое передаточное отношение шкивов. При второй частоте вращения двигателя используется второе передаточное отношение шкивов.
Система содержит два ремня. Ремень, используемый для передачи вращающего момента, задается состоянием узла муфты сцепления. Первое передаточное отношение шкивов или второе передаточное отношение шкивов выбираются путем сцепления или расцепления электромагнитной муфты сцепления узла 11 муфты сцепления. Сцепление узла муфты сцепления приводит в движение систему с ремнем, зацепленным с первым шкивом на узле муфты сцепления.
В первом режиме работы (частота вращения двигателя приблизительно равна частоте вращения холостого хода) второй ремень системы не передает вращающий момент непосредственно от коленчатого вала двигателя, но передает вращающий момент к вспомогательным агрегатам двигателя от двойного шкива, который также зацеплен с первым ремнем.
Во втором режиме работы (частоты вращения двигателя превышают частоту вращения холостого хода) муфта сцепления расцепляется, что приводит к отсоединению первого шкива и первого ремня от системы. Вспомогательные агрегаты в этом случае приводятся в движение с помощью второго ремня, который зацеплен с помощью односторонней муфты с коленчатым валом. Во втором режиме работы вспомогательные агрегаты приводятся в движение с относительно меньшей частотой вращения, чем та, которая бы создавалась первым ремнем, так как второе передаточное отношение шкивов меньше первого передаточного отношения шкивов. Это связано с тем, что второй шкив для второго режима работы имеет меньший диаметр, чем первый шкив для первого режима работы.
Система содержит узел 11 муфты сцепления, установленный на ведущем вращающемся валу, таком как коленчатый вал двигателя (CRK).
Узел 11 муфты сцепления содержит первый и второй шкивы, а также демпфер коленчатого вала, изолятор или оба средства, и электромагнитную муфту сцепления. Узел 11 также содержит одностороннюю муфту.
Узел 11 муфты сцепления соединен с возможностью передачи приводного усилия с вспомогательными агрегатами двигателя: водяной насос W_P (шкив 17), насос P_S усилителя руля (шкив 13), генератор ALT переменного тока (шкив 15), холостой шкив IDL (шкив 18) и компрессор A_C системы кондиционирования воздуха (шкив 19), с помощью поликлинового серпантинного ремня 16. Механизм TEN натяжения (шкив 14) располагается после двойного шкива 13 насоса усилителя руля, если идти в направлении по часовой стрелке от коленчатого вала. Ремень 16 представляет собой поликлиновой ремень, известный в данной области техники.
Второй поликлиновой ремень 12 соединяет узел 11 муфты сцепления с двойным шкивом 13, соединенным с насосом P_S усилителя руля. В данном варианте воплощения ремень 12 установлен на двухточечном приводном устройстве. Как показано на фиг.2, ремень 16 физически располагается между двигателем и ремнем 12.
Узел 11 муфты сцепления, как показано на фиг.3, содержит втулку 40 и одностороннюю муфту 42, установленную на ней. Фиг.3 изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. В данном варианте воплощения втулка 40 непосредственно соединена с коленчатым валом (CRK) двигателя. Шкив 66 содержит внутреннюю втулку 44, несущую ремень наружную часть 660 и демпфирующий элемент 68, который располагается между втулкой 44 и наружной частью 660. Внутренняя втулка 44 зацеплена с односторонней муфтой 42. Демпфирующий элемент 68 содержит эластомерный материал, известный в области демпферов коленчатого вала. Часть 660 имеет поликлиновой профиль, но может также содержать любой профиль, известный в области шкивов.
Второй шкив 62 соединен с ротором 48 электромагнитной муфты 60 сцепления. Ротор 48, и тем самым шкив 62, зацеплены с возможностью вращения с втулкой 40 посредством подшипников 46. Подшипники 46 известны в данной области техники и включают в себя подшипники качения, скольжения, игольчатые или любые другие подшипники, пригодные для этой работы. Катушка 50 электромагнитной муфты 60 сцепления прикрепляется к блоку двигателя с помощью опорной пластины 64.
Втулка 40 присоединяется к диску 56 электромагнитной муфты сцепления с помощью выступа 52 втулки и пружинных пластин 54. Узел 11 муфты сцепления закрывается крышкой 58, которая препятствует проникновению в узел пыли и грязи. Диск 56 муфты сцепления зацепляется с ротором 48 в зависимости от состояния возбуждения катушки 50. Катушка 50 соединяется с электрической системой двигателя. Как можно увидеть, муфта сцепления имеет компактный размер, так как катушка 50 содержится в пределах ширины шкива 62.
Как показано на фиг.2, шкив 66 узла 11 муфты сцепления соединяется с первым шкивом 49 двойного шкива 14 насоса усилителя руля с помощью ремня 16. На фиг.4 показан вид в разрезе двойного шкива 13. Фиг.4 изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. Двойной шкив 13 содержит шкив 45 и шкив 49, которые объединены с помощью перегородки 41. Шкив 62 узла 11 муфты сцепления соединяется со шкивом 45 двойного шкива 13 с помощью ремня 12.
Система по изобретению каждого из последующих вариантов воплощения работает в двух режимах. Режим работы номер один предназначен для относительно низких частот вращения двигателя, включая частоту вращения холостого хода. Режим работы номер два предназначен для всех других рабочих частот вращения, а именно частот вращения, превышающих частоту вращения холостого хода.
В режиме работы номер один катушка 50 электромагнитной муфты 60 сцепления возбуждается, и в результате этого при пуске двигателя муфта сцепления сцепляется, позволяя запустить вспомогательные агрегаты вместе с двигателем с помощью ремня 12. Этот способ устраняет проблему падения частоты вращения двигателя, если вспомогательные агрегаты приводятся во вращение после пуска двигателя, при сцеплении муфты сцепления. В режиме работы номер один шкив 62 и втулка 40 вращаются вместе, так как электромагнитный диск 56 зацеплен с муфтой 60 сцепления, тем самым фиксируя шкив 62 относительно втулки 40 с возможностью его вращения. Диск 56 с помощью выступа 52 втулки непосредственно соединен с втулкой 40 и тем самым с коленчатым валом CRK.
Шкив 62 передает вращающий момент от коленчатого вала через ремень 12 к шкиву 45, установленному на насосе P_S усилителя руля. На фиг.4 показан вид в разрезе двойного шкива. Шкив 49 вращается с той же частотой вращения, что и шкив 45. Шкив 49 передает вращающий момент ко всем другим вспомогательным агрегатам через ремень 16.
В режиме работы номер один шкив 66 приводится в движение ремнем 16 с частотой вращения, которая выше частоты вращения шкива 62, поэтому односторонняя муфта 42 расцеплена. В режиме работы номер один все вспомогательные агрегаты, исключая насос усилителя руля, приводятся в движение последовательно с помощью ремней 12 и 16, хотя от шкива 66 к втулке 40 вращающий момент не передается.
Ниже приведены примерные диаметры (мм) шкивов системы по изобретению для случая восьмицилиндрового двигателя объемом 5,3 л.
Таблица 1
Диаметры шкивов в системе ременной передачи с двумя передаточными отношениями
Коленчатый вал
Усилитель руля
ALT
W_P
A_C
Первый (66)
Второй (62)
Первый (49)
Второй (45)
128
165
163
140
59
150
112
Передаточные отношения шкивов коленчатый вал/ усилитель руля в системе в таблице 1 следующие:
165/140=1,17 (Режим работы номер один (Первое передаточное отношение)).
128/163=0,78 (Режим работы номер два (Второе передаточное отношение)).
В режиме работы номер один вспомогательные агрегаты вращаются с относительно той же частотой вращения, какую бы они имели в случае системы по известному уровню техники с непосредственно подсоединяемыми вспомогательным агрегатами.
Для сравнения ниже приведены диаметры (мм) шкивов по известному уровню техники.
Таблица 2
Диаметры шкивов по известному уровню техники
Коленчатый вал
Усилитель руля
ALT
W_P
A_C
193
163
59
150
112
Передаточное отношение шкивов коленчатый вал/ усилитель руля в системе по известному уровню техники в таблице 2 следующее:
193/163=1,18.
Данное передаточное отношение по существу такое же, что и передаточное отношение в режиме работы номер один (Первое передаточное отношение), вычисленное выше для таблицы 1. Это показывает, что передаточные отношения привода вспомогательных агрегатов по существу одинаковы у систем в таблице 1 и таблице 2. Однако относительные диаметры шкивов вспомогательных агрегатов могут различаться в системе по изобретению, в зависимости от веса, себестоимости, частоты вращения и других требований к системе.
Соотношение между диаметром шкива коленчатого вала в таблице 2 и диаметром шкива (66) коленчатого вала в таблице 1 составляет:
193/128=1,5.
Это иллюстрирует общее уменьшение частоты вращения вспомогательного агрегата, обеспечиваемое системой по изобретению в сравнении с системой по известному уровню техники при частотах вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода.
Шкив 62 может иметь диаметр как в системе по известному уровню техники, т.е. 193 мм вместо 165 мм. Диаметр шкива 62 может быть уменьшен до 165 мм в системе по изобретению из-за меньшего диаметра шкива 45, а именно 140 мм вместо 163 мм. В режиме работы номер один передаточное отношение между коленчатым валом и насосом усилителя руля остается тем же:
193/163=165/140=1,17.
В режиме работы номер два электромагнитная муфта 60 сцепления расцеплена, а муфта 42 сцеплена. При переходе из режима работы номер один в режим работы номер два муфта сцепления может быть расцеплена в течение некоторого периода времени, например три секунды, чтобы уменьшить ударную нагрузку на ремни и систему. Катушка 50 электрически соединена с источником энергии, таким как аккумулятор транспортного средства или генератор переменного тока, и управляется с помощью ЦПУ двигателя. ЦПУ содержит компьютер, память и соединительные рабочую шину и проводку. ЦПУ определяет заданные условия работы двигателя и вычисляет заданную величину для сцепления или расцепления узла муфты сцепления на основе по меньшей мере одного из множества измеряемых условий работы, причем указанные измеряемые условия включают в себя нагрузку агрегата, частоту вращения двигателя, заряд аккумулятора, положение дроссельной заслонки, температуру охлаждающей жидкости двигателя, выбор передачи транспортного средства, скорость транспортного средства, абсолютное давление во впускном коллекторе, температуру окружающего воздуха, массовый расход воздуха и положение акселератора. Поскольку выбранное рабочее условие пересекается или ускорением двигателя или замедлением двигателя, муфта сцепления возбуждается или выключается соответственно.
В режиме работы номер два шкив 62 свободно вращается с ротором 48 на подшипниках 46 качения, в результате между втулкой 40 и шкивом 62 не передается никакого вращающего момента. Никакого вращающего момента не передается между шкивом 45 и шкивом 62 с помощью ремня 12. Вспомогательные агрегаты приводятся в движение только ремнем 16, так как муфта 42 расцеплена. Муфта 42 вызывает приведение в движение шкива 66 втулкой 40. Двигатель передает вращающий момент через шкив 66 к вспомогательным агрегатам.
В случае быстрого замедления двигателя, когда вспомогательные агрегаты из-за их инерции могут передать вращающий момент по направлению к двигателю, муфта 42 расцепляется, позволяя вспомогательным агрегатам замедлять вращение с темпом, меньшим, чем темп замедления двигателя. Это уменьшает износ ремня 16.
Диаметр шкива 66 относительно меньше диаметра шкива 62. Например, диаметр шкива 66 составляет 128 вместо 165 мм. Это уменьшенное передаточное отношение шкивов уменьшает относительную частоту вращения всех приводимых вспомогательных агрегатов в 1,5 раза.
Первый описываемый здесь вариант осуществления требует минимального пространства в осевом направлении для системы ременной передачи, однако узел 11 все еще требует некоторого дополнительно пространства в осевом направлении для электромагнитной муфты 50 сцепления, которое составляет приблизительно 20-25 мм.
На фиг.4А показан вид в разрезе двойного шкива по альтернативному варианту воплощения. Фиг.4А изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. В данном варианте воплощения между перегородкой 41 и шкивом 45 располагается эластомерный элемент 226. Двойной шкив 13 соединяется с вспомогательным агрегатом, в данном случае насосом P_S усилителя руля. Эластомерный элемент 226 действует как изолятор вибрации для уменьшения амплитуды вибраций двигателя, которые иначе могут быть переданы от коленчатого вала к вспомогательному агрегату через ремень 12. Изолятор, прежде всего, функционирует при холостом ходе двигателя, так как при частотах вращения, превышающих частоту вращения холостого хода, узел 11 муфты сцепления отсоединяет шкив 45 и исключает прием им вращающего момента от коленчатого вала. Эластомерный элемент может содержать любой натуральный или синтетический каучук, или их комбинацию, известные в данной области техники.
Фиг.5 и фиг.6 показывают первый альтернативный вариант воплощения, в котором узел 11 муфты сцепления содержит узел 29 двойного шкива, соединенный с компрессором системы воздушного кондиционирования.
Ниже приведены диаметры шкивов для этого случая.
Таблица 3
Диаметры шкивов для системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями
Коленчатый вал
A_C
ALT
W_P
P_S
Первый (66)
Второй (62)
Первый
Второй
128
193
112
112
59
150
163
Передаточные отношения шкивов коленчатый вал/A_C в системе в таблице 3 следующие:
193/112=1,72 (Режим работы номер один (Первое передаточное отношение)).
128/112=1,14 (Режим работы номер два (Второе передаточное отношение)).
Работа системы аналогична описанной для варианта воплощения на фиг.1 и 2. Преимуществом установки двойного шкива на компрессоре системы воздушного кондиционирования является использование пространства, доступного благодаря тому, что электромагнитная муфта сцепления обычно встраивается в шкив компрессора системы воздушного кондиционирования.
Эксплуатация предусматривает замену ремня. Однако, принимая во внимание, что ремень 12 используется 5-10% времени и что ремень 16 используется все время, замена будет наиболее вероятно необходима более часто для ремня 16, который является наиболее глубоко внутри располагающимся ремнем относительно двигателя. В описываемых вариантах воплощения оба ремня должны будут быть извлечены, даже если может требоваться замена только одного.
Для решения этих проблем описывается еще один вариант воплощения.
На фиг.7 и 8 показан второй альтернативный вариант воплощения. Ремень 32 двухточечного привода располагается относительно ближе к двигателю, чем серпантинный ремень 36. Ремень 36 отнесен от двигателя наружу от ремня 32.
Хотя замысел и функционирование всех элементов данного варианта воплощения аналогичны вышеописанным вариантам воплощения, конструкция и расположение компонентов несколько отличаются. Основное отличие в данном втором альтернативном варианте воплощения состоит в том, что узел 33 электромагнитной муфты сцепления устанавливается на узле P_S усилителя руля, см. фиг.9, вместо коленчатого вала. В данном варианте воплощения узел 31 двойного шкива устанавливается на коленчатом валу, см. фиг.10.
Обращаясь снова к фиг.9, узел 33 муфты сцепления содержит электромагнитную муфту сцепления с катушкой 57. Фиг.9 изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. Катушка 57 прикреплена к стационарному корпусу 77 с помощью опорной пластины 75. Корпус 77 не вращается и используется для крепления муфты сцепления на некоторой поверхности, например поверхности двигателя. Ротор 73 со шкивом 71 установлен с возможностью вращения в подшипник 55 качения в корпусе 77. Подшипник 55 является подшипником качения, но может представлять собой любой пригодный подшипник, известный в данной области техники. Диск 61 муфты сцепления прикреплен с возможностью перемещения ко второму шкиву 69 с помощью валов 67, например три вала 67, симметрично расположенные по окружности на шкиве 69. Резиновые подушки 65 смещают диск 61 от ротора 73, когда катушка 57 не возбуждена. Данный способ крепления позволяет диску 61 перемещаться в осевом направлении от шкива 69 в направлении ротора 73, когда катушка 57 возбуждена, и тем самым муфта сцепления сцепляется. Шкив 69 также содержит втулку 53, посредством которой шкив 69 непосредственно соединяется с вспомогательным агрегатом, таким как вал насоса усилителя руля. Можно увидеть, что муфта сцепления имеет компактный размер, так как катушка 57 размещается в пределах ширины шкива 71, и диск 61 размещается в пределах ширины шкива 69.
Обращаясь снова к фиг.8, в данном втором варианте воплощения в режиме работы номер один электромагнитная муфта 57 сцепления сцеплена. Диск 61 входит во фрикционное зацепление с ротором 73, тем самым заставляя шкив 71 и шкив 69 вращаться синхронно. Шкив 90, который жестко соединен с коленчатым валом, передает вращающий момент к шкиву 71. Ремень 32 находится под нагрузкой. Шкив 69 передает вращающий момент ко всем вспомогательным агрегатам, включая шкив 86, однако односторонняя муфта 82 расцеплена, так что от шкива 86 к втулке 80 не передается вращающий момент. В данном режиме работы односторонняя муфта 82 расцеплена. Весь вращающий момент передается от шкива 90 через ремень 32.
В режиме работы номер два, когда катушка 57 не возбуждена, шкив 71 вращается свободно и не передает вращающий момент, так как ремень 32 отсоединен от системы. Муфта 82 сцеплена и передает вращающий момент к вспомогательным агрегатам. Шкив 69 передает вращающий момент, так как он соединен с втулкой 53, которая непосредственно соединена с валом вспомогательных агрегатов.
Ниже приведены диаметры (мм) всех шкивов, описанных выше.
Таблица 4
Диаметры шкивов для системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями
Коленчатый вал
Усилитель руля
ALT
W_P
A_C
Первый (86)
Второй (90)
Первый (69)
Второй (71)
128
165
163
140
59
150
112
Передаточные отношения шкивов коленчатый вал/ усилитель руля в системе в таблице 4 следующие:
165/140=1,18 (Режим работы номер один (Первое передаточное отношение)).
128/163=0,78 (Режим работы номер два (Второе передаточное отношение)).
Диаметр первого шкива 86 задается аналогично тому, как было описано в первом варианте воплощения. Частота вращения всех вспомогательных агрегатов в данном режиме работы приблизительно в 1,5 раза меньше, чем в системе по известному уровню техники с непосредственным соединением.
В данном варианте воплощения пространство в осевом направлении, требуемое для электромагнитной муфты 33 сцепления, выделяется между насосом усилителя руля и его узлом двойного шкива. Чтобы обеспечить данную дополнительную длину, может потребоваться переместить насос усилителя руля вдоль продольной оси двигателя в направлении маховика двигателя.
Компоненты всех описанных вариантов воплощения представляют собой компоненты, известные в данной области техники. Например, односторонние муфты сцепления могут быть приобретены у фирмы Formsprag. Электромагнитные муфты сцепления могут быть приобретены у фирмы Ogura. Например, фиг.3 и 9 показывают стандартные муфты сцепления, тип 6 557162, максимальный вращающий момент 128 Н·м (фиг.3), и тип 10 515376, максимальный вращающий момент 120 Н·м.
Фиг.9А показывает альтернативный вариант воплощения узла муфты сцепления на фиг.9. Фиг.9А изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. В данном варианте воплощения между шкивом 71 и ротором 73 располагается эластомерный элемент 246. Эластомерный элемент 246 содержит демпфер, когда узел 33 присоединяется непосредственно к коленчатому валу. В данном варианте воплощения элемент 246 содержит изолятор вибрации, когда узел 33 муфты сцепления непосредственно присоединяется к валу вспомогательных агрегатов, как показано на фиг.8. Эластомерный элемент 246 может содержать любой натуральный или синтетический каучук, или их комбинацию, известные в данной области техники.
Фиг.10 представляет собой вид в разрезе двойного шкива для второго альтернативного варианта воплощения узла муфты сцепления системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями. Фиг.10 изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. Двойной шкив 31 показан в системе на фиг.8. Шкив 90 соединен с втулкой 80. Шкив 86 зацепляется с возможностью вращения с втулкой 80 через одностороннюю муфту 82. Между шкивом 86 и ротором 84 располагается эластомерный демпфирующий элемент 330. Элемент 330 гасит крутильные колебания коленчатого вала. Эластомерный демпфирующий элемент может содержать любой натуральный или синтетический каучук, или их комбинацию, известные в данной области техники. Ротор 84 зацепляется с односторонней муфтой 82. Шкив 86 также содержит инерциальный элемент 88, который помогает уменьшить частоту вращения и крутильные переходные силы, вызываемые пуском двигателя. Он также дает преимущество использования инерции вспомогательных агрегатов, когда действие муфты 82 сцепления преодолевается. Инерциальный элемент 88 содержит массу, величина которой выбирается в соответствии с вибрационными и инерционными характеристиками коленчатого вала двигателя и требованиями по демпфированию системы.
Фиг.10А представляет собой вид в разрезе альтернативного варианта двойного шкива на фиг.10. Фиг.10А изображает верхнюю половину вида в разрезе, причем нижняя половина представляет собой ее зеркальное отображение и симметрична относительно верхней половины. В данном варианте воплощения между шкивом 90 и втулкой 80 располагается эластомерный демпфирующий элемент 302. В данном варианте воплощения двойной шкив 31 соединен с коленчатым валом двигателя. Элемент 302 действует как демпфер для изоляции вибраций коленчатого вала, которые иначе были бы переданы через ремень 16 к агрегату. Полезное действие демпфера 302 наиболее велико при частотах вращения, превышающих частоту вращения холостого хода двигателя, когда демпфер 302 поглощает инерциальные нагрузки, а не вращающие нагрузки, так как муфта 60 сцепления расцеплена при частотах вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода. Эластомерный элемент может содержать любой натуральный или синтетический каучук, или их комбинацию, известные в данной области техники.
В любом из вышеописанных вариантов воплощения или ремень 12, или ремень 16, или оба могут содержать ремень с низким модулем упругости, известный в данной области техники. Ремень с низким модулем упругости содержит ремень, имеющий растяжимый корд, содержащий нейлон 4,6 или нейлон 6,6 или их комбинацию. Модуль упругости ремня находится в диапазоне от приблизительно 1500 Н/мм до приблизительно 3000 Н/мм. Особенность ремня с низким модулем упругости состоит в том, что он может быть установлен в систему ременной передачи без механизма натяжения или приспособления с подвижным валом. Ремень с низким модулем упругости устанавливается простым образом, используя инструмент для установки ремня, известный в данной области техники. Инструмент используется для обертывания или натягивания в поперечном направлении ремня поверх края шкива передачи или шкива вспомогательного агрегата, без необходимости, в противном случае, регулировать центральное положение вала шкива. Ремень с низким модулем упругости особенно подходит для двухточечного ремня, т.е. ремня 12 и ремня 32, так как оборудование передачи таким образом, чтобы она, в ином случае, имела возможность перемещения для обеспечения установки и регулировки ремня 12, 32, может быть более дорогим, чем простая конструкция передачи, которая будет непосредственно соединена с установочной поверхностью двигателя, такой как блок двигателя. Далее, регулировка положения передаточного вала относительно коленчатого вала также потребовала бы больше времени на сборку.
В альтернативном варианте воплощения система по изобретению содержит мотор-генератор в комбинации с вспомогательными агрегатами. Фиг.11 представляет схему альтернативного варианта осуществления, включающего мотор-генератор. Мотор-генератор M/G зацепляется с ремнем 16 посредством шкива 150, который зацеплен с ремнем 16. Так как мотор-генератор M/G включает в себя генератор, генератор переменного тока, имеющийся в варианте осуществления, показанном на фиг.1, в данном случае исключен. Кроме того, чтобы обеспечить правильное натяжение ремня, механизм TEN натяжения (шкив 20) включен в систему в данном альтернативном варианте воплощения. Механизм TEN натяжения является известным в данной области техники. За исключением особенностей, описанных для фиг.12, система, показанная на фиг.11, такая же, что была описана для фиг.1.
Фиг.12 представляет схематический вид в плане альтернативного варианта осуществления, включающего в себя мотор-генератор. Альтернативная система работает в двух режимах.
Вначале, в первом режиме работы, мотор-генератор M/G работает как мотор, когда двигатель выключен. Когда он работает как мотор, мотор-генератор M/G приводит в движение вспомогательные агрегаты, например насос P_S усилителя руля и компрессор А_С системы кондиционирования воздуха, когда двигатель выключен. В данном режиме работы мотор-генератор M/G используется для запуска двигателя, в случае необходимости этого. После запуска двигателя мотор-генератор M/G действует во втором режиме работы как генератор для подачи питания на вспомогательные агрегаты транспортного средства и для обеспечения электрической энергии для зарядки аккумулятора 800.
Когда двигатель запускается из состояния, когда транспортное средство остановлено, мотор-генератор M/G в режиме мотора проворачивает коленчатый вал двигателя. Муфта 60 сцепления включается, тем самым зацепляя ремень 12 и шкив 62, тем самым передавая вращающий момент от мотора-генератора M/G через ремень 16 к шкиву 13, к ремню 12, к шкиву 62 и тем самым к коленчатому валу.
Во время процесса запуска двигателя контроллер 500 отслеживает частоту вращения мотора-генератора M/G. Контроллер 500 заставляет преобразователь 400 выполнить операцию переключения таким образом, чтобы получить вращающий момент и частоту вращения, требуемые для запуска двигателя. Например, если при запуске двигателя включен сигнал для переключения устройства А_С кондиционирования воздуха, требуется больший вращающий момент по сравнению с выключенным состоянием устройства А_С. Поэтому контроллер 500 подает к преобразователю 400 управляющий сигнал переключения для обеспечения вращения мотора-генератора M/G с более высоким вращающим моментом с большей частотой вращения.
Управляющий сигнал переключения может быть задан различными сигналами состояния двигателя и транспортного средства, которые подаются на контроллер 500 и таким образом сопоставляются с картой соответствия, хранящейся в памяти. Альтернативно, управляющий сигнал переключения может быть задан путем вычисления, выполняемого процессорным блоком (ЦПУ), размещенным в контроллере 500.
Когда двигатель запущен, мотор-генератор M/G работает как генератор, и выполняются рабочие режимы системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями, описанные в других местах данного описания. А именно, муфта 60 сцепления включена для запуска двигателя и первого диапазона рабочих частот вращения, близких частоте вращения холостого хода, и муфта 60 сцепления выключена, или расцеплена, для второго диапазона рабочих частот вращения, превышающих частоту вращения холостого хода, как было указано в данном описании. Вспомогательные агрегаты соединены с узлом муфты сцепления и односторонней муфтой таким образом, что, когда двигатель работает, вспомогательные агрегаты приводятся в движение с помощью узла муфты сцепления с первым передаточным отношением и приводятся в движение с помощью односторонней муфты со вторым передаточным отношением, причем первое передаточное отношение и второе передаточное отношение выбираются в соответствии с условием работы двигателя.
Применение мотора-генератора M/G в системе позволяет получить усовершенствование, заключающееся в двойной экономии горючего. Во-первых, экономия горючего обеспечивается за счет работы вспомогательных агрегатов с уменьшенным передаточным отношением для частот вращения выше частоты вращения холостого хода. Во-вторых, экономия горючего обеспечивается благодаря работе мотора-генератора, который позволяет остановить двигатель для предварительно заданных ситуаций работы транспортного средства, таких как остановка на красный свет светофора.
Более конкретно, когда мотор-генератор M/G используется как генератор и двигатель работает на частоте вращения, близкой к частоте вращения холостого хода, муфта 60 сцепления включена, как описывается для фиг.1. При частотах вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, муфта 60 сцепления выключается, и односторонняя муфта 42 находится в сцепленном состоянии, тем самым передавая вращающий момент от коленчатого вала через шкив 66 и через ремень 16 к вспомогательным агрегатам.
Когда вспомогательные агрегаты приводятся в движение с помощью мотора-генератора M/G в режиме мотора, в то время как двигатель и коленчатый вал остановлены, муфта 60 сцепления выключена. Так как муфта 60 сцепления выключена, в результате данная конфигурация действует, как если бы узел 11 муфты сцепления находился в «нейтрали», тем самым предотвращая передачу вращающего момента от шкива 150 и ремня 12 к коленчатому валу. Далее, в данном режиме работы односторонняя муфта 42 находится в обгонном режиме, так что от ремня 16 к коленчатому валу не передается вращающий момент. В результате этого вспомогательные агрегаты приводятся в движение мотором-генератором M/G без вращения коленчатого вала. В этом случае контроллер 500 подает к преобразователю 400 управляющий сигнал переключения, чтобы вращать M/G с частотой вращения и вращающим моментом, соответствующими нагрузкам требуемых вспомогательных агрегатов. Конечно, муфта 60 сцепления также расцепляется для частот вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, как описано для фиг.1 и 2.
При получении сигнала останова двигателя контроллер 500 останавливает двигатель путем передачи сигнала прекращения подачи горючего к двигателю, например к электрическому топливному насосу (не показан). Операция останова двигателя может быть выполнена при условии, когда, например, скорость транспортного средства равна нулю, тормоза частично или полностью включены, и рычаг переключения передач находится в положении D или N. Сигнал, который останавливает двигатель, используется для расцепления муфты 60 сцепления, тем самым отсоединяя ремень 12 от коленчатого вала.
Фиг.13 представляет схему альтернативной структуры для системы ременной передачи с двумя передаточными отношениями. Система по изобретению предлагает средства для работы вспомогательного агрегата или агрегатов двигателя с передаточным отношением больше 1:1 при холостом ходе двигателя. То есть вспомогательный агрегат или агрегаты могут приводиться в движение с частотой вращения, превышающей ту, которая была бы иначе получена при холостом ходе двигателя, в результате увеличивая кажущуюся частоту вращения холостого хода двигателя, если смотреть с точки зрения вспомогательного агрегата.
Известно, что генераторы переменного тока двигателей, как правило, имеют размеры, оптимальные для частот вращения двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, например при нормальной работе или скоростях установившегося движения. Они в целом не имеют достаточной зарядной емкости, когда частота вращения двигателя уменьшается до частоты вращения холостого хода. Проблема недостаточной зарядной емкости при холостом ходе двигателя может быть решена путем работы генератора переменного тока с более высокой частотой вращения, а именно с частотой вращения, соответствующей частоте вращения двигателя, превышающей частоту вращения холостого хода, когда двигатель находится в режиме холостого хода.
Система по изобретению обеспечивает возможность работы генератора переменного тока на двух частотах вращения, в результате частота вращения генератора переменного тока при холостом ходе двигателя по существу увеличивается, и частота вращения генератора переменного тока при скоростях двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, уменьшается каждый раз на предварительно заданный коэффициент.
Система ременной передачи вспомогательного агрегата содержит основную схему 500 ременной передачи и вспомогательную схему 701 ременной передачи. Основная схема 500 ременной передачи не включает в себя генератор ALT переменного тока. Вместо этого генератор переменного тока включен в состав вспомогательной схемы 701 ременной передачи.
В основной схеме 500 ременной передачи шкив 202 коленчатого вала прикреплен к приводному устройству и непосредственно приводится в движение от него, а именно к коленчатому валу 801 двигателя. Бесконечный элемент или ремень 1000 присоединен с возможностью вращения между шкивом 202 коленчатого вала и шкивом 1800 водяного насоса, шкивом 201 системы воздушного кондиционирования и шкивом 801 насоса усилителя руля. Ремень 1000 также зацепляется с холостым шкивом 1200. Ремень 1000 передает вращающий момент от шкива 202 приводного коленчатого вала к каждому из шкивов 801, 1800, 201 и 1200. Механизм TEN натяжения и холостой шкив IDL управляют натяжением ремня и используются для направления ремня в двигателе. Диаметр шкива 402 может быть таким же, что и шкива 202 коленчатого вала.
Вспомогательная схема 701 ременной передачи содержит шкив 402 коленчатого вала, зацепленный с приводным коленчатым валом 801 через одностороннюю муфту 601. Бесконечный элемент или ремень 260 присоединен между шкивом 402 коленчатого вала, шкивом 240 генератора переменного тока и шкивом 1400.
Шкивы 1200 и 1400 характеризуются как «холостые», так как они непосредственно не соединены валом с нагрузкой, такой как вспомогательный агрегат. Вспомогательный агрегат может быть непосредственно соединен со шкивом 1200, если это требуется. Соотношение между диаметрами шкивов 1200 и 1400 задает частично частоту вращения генератора ALT переменного тока при холостом ходе двигателя.
Электромагнитная муфта 1600 сцепления механически размещена между шкивами 1400 и 1200. Когда муфта 1600 сцепления сцеплена, шкивы 1200 и 1400 вращаются с одинаковой частотой вращения. Так как муфта 1600 сцепления не является односторонней муфтой, то когда муфта 1600 сцепления расцеплена, шкивы 1200 и 1400 не соединены механически, и поэтому между шкивом 1200 и шкивом 1400 не передается вращающий момент или мощность.
При частоте вращения холостого хода двигателя, например 900 об/мин, муфта 1600 сцепления сцеплена. Ремень 1000 приводит в движение шкив 1200. Шкив 1200 непосредственно соединен со шкивом 1400 через сцепленную муфту 1600 сцепления. Принимая во внимание, что шкив 1400 имеет диаметр больше диаметра шкива 1200, ремень 260 вспомогательной схемы 701 ременной передачи будет приводиться в движение с большей линейной скоростью ремня, чем ремень 1000, и поэтому генератор ALT переменного тока будет вращаться относительно быстрее, чем если бы он в ином случае непосредственно приводился в движение с линейной скоростью ремня 1000. В данном режиме работы шкив 402 под управлением односторонней муфты 601 находится в обгонном режиме, отсоединяя схему 500 от схемы 701, так как ремень 260 приводится в движение с большей линейной скоростью, чем ремень 1000. В данном режиме работы вращающий момент передается только от шкива 202 коленчатого вала к ремню 260 с помощью ремня 1000 через муфту 1600 сцепления.
При скоростях двигателя, превышающих частоту вращения холостого хода, муфта 1600 сцепления автоматически расцепляется, например под управлением электронного управляющего блока двигателя. Электронные управляющие блоки двигателя известны в данной области техники. В данном режиме работы шкив 240 генератора переменного тока приводится в движение с помощью вращающего момента, передаваемого через шкив 402, который приводится в движение сцепленной односторонней муфтой 601. Частота вращения генератора ALT переменного тока исходя из данного диаметра шкива 240 генератора переменного тока задается диаметром шкива 402. Если диаметр шкива 402 такой же, что и шкива 202, частота вращения генератора ALT переменного тока не будет изменяться при любом режиме работы.
Однако частота вращения генератора ALT переменного тока может быть уменьшена при частотах вращения двигателя вне частоты вращения холостого хода, например при частоте вращения установившегося движения, чтобы улучшить его эффективность, путем уменьшения диаметра шкива 402.
Ниже приведен пример вычислений для иллюстрации увеличения частоты вращения генератора ALT переменного тока при холостом ходе двигателя в 1,6 раз и уменьшения частоты вращения генератора ALT переменного тока при частотах вращения двигателя вне холостого хода в 1,25 раза. Точка переключения для управления муфтой 1600 сцепления и тем самым изменения частоты вращения генератора переменного тока находится при частоте вращения двигателя приблизительно 2000 об/мин, например.
Увеличение частоты вращения генератора переменного тока (SI) при холостом ходе двигателя:
SI=(Z1400/Z1200).
Уменьшение частоты вращения генератора переменного тока (SD) при холостом ходе двигателя:
SD=(Z402/Z202).
Здесь «Z» обозначает диаметр шкива.
SI=1,6,
SD=1/1,25=0,8.
Диаметры шкивов, удовлетворяющие этим условиям:
Z1400=96 мм,
Z1200=60 мм,
Z402=(0,8·Z202) мм, где Z202 - это исходный диаметр шкива 202 коленчатого вала, и он принимается равным единице в целях данного вычисления.
Фиг.14 представляет схематический вид в плане альтернативного варианта воплощения на фиг.13. Насос усилителя руля, водяной насос и компрессор системы воздушного кондиционирования, так как они находятся в основной схеме 500 ременной передачи, приводятся в движение шкивом 202 коленчатого вала с передаточным отношением 1:1 относительно частоты вращения двигателя.
Фиг.15 представляет схематический вид альтернативной структуры системы ременной передачи с несколькими передаточными отношениями. Вариант воплощения, показанный на фиг.15 и 16, такой же, что и на фиг.13 и 14, за исключением того, что добавлен вспомогательный узел шкив/ муфта сцепления, аналогичный шкивам 1200, 1400 и муфте 1600 сцепления, а именно шкивы 1201, 1401 и муфта 1601 сцепления.
Шкив 1401 зацеплен с ремнем 260. Шкив 1201 зацеплен с ремнем 1000. Муфта 1601 сцепления механически размещена между шкивом 1201 и шкивом 1401. Использование вспомогательного узла шкив/ муфта сцепления расширяет диапазон передаточных отношений, доступных для приведения в движение генератора ALT переменного тока.
Ряд режимов работы становятся возможными в данном варианте воплощения. Например, в режиме работы номер два муфта 1601 сцепления сцеплена. Ремень 1000 приводит в движение шкив 1201. Шкив 1201 соединен со шкивом 1401 через электромагнитную муфту 1601 сцепления. Электромагнитная муфта 1601 сцепления управляется электронным блоком управления двигателя, который известен в данной области техники.
Для этого режима работы предполагается, что диаметр шкива 1401 больше диаметра шкива 1201, поэтому ремень 260 вспомогательной схемы 701 ременной передачи будет иметь большую линейную скорость, и генератор ALT переменного тока будет вращаться быстрее. Односторонняя муфта 601 находится в обгонном режиме. В этом режиме работы частота вращения генератора ALT переменного тока ниже, чем частота вращения в режиме работы, описанном на фиг.13.
В режиме работы номер три муфта 1600 сцепления и муфта 1601 сцепления - обе расцеплены. Шкивы 1400 и 1401, каждый, работают как холостые шкивы. Односторонняя муфта 601 сцеплена и передает вращающий момент на ремень 260 через шкив 402. Генератор ALT переменного тока приводится в движение шкивом 402. Частота вращения генератора ALT переменного тока в этом режиме работы (предполагая, что диаметр шкива 240 не отличается от ситуации на фиг.14) задается диаметром шкива 402. Если диаметр шкива 402 такой же, что и шкива 202, частота вращения генератора ALT переменного тока не изменяется. Однако частота вращения генератора ALT переменного тока может быть уменьшена, чтобы улучшить его эффективность путем уменьшения диаметра шкива 402. В этом случае частота вращения генератора переменного тока в результате будет меньше, чем в системе по известному уровню техники при холостом ходе двигателя.
Пример
Предположим, что требуется увеличить частоту вращения генератора ALT переменного тока в режиме работы номер один в 2,0 раза, в режиме работы номер два в 1,2 раза и уменьшить частоту вращения генератора ALT переменного тока в режиме работы номер три в 1,25 раза.
В этом случае:
S1=2,0,
S2=1,2,
S3=1/1,25=0,8.
Используя уравнения для случая, описанного на фиг.13, пример диаметров шкивов, удовлетворяющих этим условиям:
Z1400=120 мм,
Z1200=60 мм,
Z1401=96 мм,
Z1201=80 мм,
Z402=0,8·Z202 мм,
где Z202 - оригинальный диаметр шкива 202 коленчатого вала из предыдущего примера.
Фиг.16 представляет схематический вид в плане альтернативного варианта воплощения на фиг.15.
Вышеприведенные описания не предназначены ограничивать область применения системы по изобретению. В каждом из вышеописанных вариантов воплощения диаметр каждого шкива в системе может быть выбран исходя из условия обеспечения требуемого передаточного отношения привода.
Хотя здесь были описаны варианты воплощения изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в конструкцию и взаимное расположение частей могут быть внесены изменения, не выходя при этом за пределы сущности и объема описываемого здесь изобретения.