БЕССТУПЕНЧАТАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в приводах транспортных средств для бесступенчатого регулирования скорости вращения выходного вала, в частности, в трансмиссиях силовых установок вертолетов, где требуется передача большой мощности наряду с требованием по минимизации массы и габаритов механизмов.
Известна бесступенчатая трансмиссия транспортного средства, содержащая расположенные в корпусе ведущий вал, связанный с силовой установкой, ведомый вал, связанный с движителем транспортного средства - установленные соосно с ведомым валом двухрядный планетарный механизм, каждый ряд которого состоит из эпициклической шестерни, водила с сателлитами и солнечной шестерни, и вариатор, связанный со звеньями планетарного механизма (патент РФ №2487284)
В известной трансмиссии один фрикционный вариатор связан со звеньями планетарного механизма с помощью трех блокировочных муфт. В этой трансмиссии мощность проходит через параллельные потоки и существует возможность бесступенчато изменять передаточное отношение всей трансмиссии за счет регулирования передаточного отношения вариатора. Однако схема распределения потоков мощности в такой трансмиссии позволяет снизить величину проходящей через вариатор мощности лишь до 40% от мощности на входе в механизм. Конструкция механического вариатора, реализующего передачу большой мощности будет иметь размеры и вес, не позволяющие использовать ее в составе трансмиссии вертолета. Кроме того, данная трансмиссия имеет фрикционные элементы управления, что может являться также ограничением ее применения в составе трансмиссии вертолета.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является бесступенчатая механическая трансмиссия транспортного средства, содержащая расположенные в корпусе ведущий вал, связанный с силовой установкой, ведомый вал, связанный с движителем транспортного средства, установленный соосно с ведомым валом двухрядный планетарный механизм, каждый ряд которого состоит из эпициклической шестерни, водила с сателлитами и солнечной шестерни, и механический вариатор, входным звеном связанный с солнечной шестерней первого планетарного ряда, а выходным звеном - с одним из звеньев второго планетарного ряда, причем ведущий и ведомый валы каждый связаны с одним из звеньев планетарных рядов, а одно из звеньев первого планетарного ряда жестко связано с одним из звеньев второго планетарного ряда (патент РФ №2362927).
Эта трансмиссия состоит из двух планетарных рядов, все звенья которых замкнуты между собой и связаны с вариатором, образуя две ветви передачи мощности на ведомый вал, а связи звеньев обеспечивают механизму две степени свободы. При этом одна степень свободы используются для управления передаточным отношением путем установления переменной связи звеньев через вариатор.
Передаточное отношение известной бесступенчатой трансмиссии изменяется в пределах от 0,855 до 1,17, т.е. диапазон передачи составляет 1,37 при сохранении условия максимальной доли мощности, проходящей через вариатор не более 5,5%. При этом планетарные ряды имеют конструктивный параметр k=8,5, т.к. только при таком значении конструктивного параметра к в известной трансмиссии достигается минимальное значение проходимой через вариатор мощности.
Однако такое значение передаточного отношения планетарного ряда выходит за рамки сразу нескольких рекомендательных ограничений для планетарных механизмов. Так, например, при таком значении передаточного отношения велика вероятность интерференции зубьев солнечной шестерни и сателлитов, тем самым снижается надежность работы всей трансмиссии. Кроме того, при одинаковой пропускной мощности бесступенчатая передача с таким конструктивным параметром k будет иметь диаметральные размеры более чем в два раза превышающие диаметральные размеры передачи, в которой значение конструктивного параметра k будет находиться в рекомендуемых пределах.
К недостаткам известной трансмиссии следует также отнести изменение соотношения пропускаемых через ветви механизма мощностей в зависимости от передаточного отношения вариатора, что приводит к снижению надежности и долговечности работы вариатора и всей трансмиссии в целом.
Задачей, на решение которой направлено создание полезной модели является обеспечение минимизации массы и габаритов трансмиссии и снижение нагруженности элементов механического вариатора при высокой передаваемой мощности трансмиссии - до 6000 л.с.
Техническим результатом, полученным в результате решения поставленной задачи, является возможность использования бесступенчатой механической трансмиссии для передачи мощности до 6000 л.с., при существующем техническом уровне механических вариаторов с максимально возможной пропускной способностью 300 л.с.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в бесступенчатой механической трансмиссии транспортного средства, содержащей расположенные в корпусе ведущий вал, связанный с силовой установкой, ведомый вал, связанный с движителем транспортного средства, установленный соосно с ведомым валом двухрядный планетарный механизм, каждый ряд которого состоит из эпициклической шестерни, водила с сателлитами и солнечной шестерни, и механический вариатор, входным звеном связанный с солнечной шестерней первого планетарного ряда, а выходным звеном - с одним из звеньев второго планетарного ряда, причем ведущий и ведомый валы каждый связаны с одним из звеньев планетарных рядов, а одно из звеньев первого планетарного ряда жестко связано с одним из звеньев второго планетарного ряда, согласно полезной модели ведущий вал связан с эпициклической шестерней первого планетарного ряда, ведомый вал связан с эпициклической шестерней второго планетарного ряда, водило первого планетарного ряда жестко связано с солнечной шестерней второго планетарного ряда, водило второго планетарного ряда жестко связано с корпусом, а механический вариатор выполнен в виде, по меньшей мере, трех бесступенчатых передач с бесконечными гибкими элементами, установленных в корпусе так, что их оси вращения расположены аксиально относительно оси вращения ведомого вала, а выходное звено каждой передачи вариатора связано с эпициклической шестерней второго планетарного ряда.
Такое выполнение трансмиссии обеспечивает постоянное значение пропускаемой через вариатор мощности - около 5% от величины входной мощности, постоянство соотношения величин пропускаемой через ветви трансмиссии мощности, а также позволяет обеспечить выполнение планетарных рядов с конструктивным параметром k=4, т.е. в рекомендуемых пределах.
Существо полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема регулируемой части трансмиссии скоростного вертолета с бесступенчатым механическим вариатором;
на фиг. 2 представлена схема расположения бесступенчатых передач механического вариатора;
на фиг. 3 - силовая схема планетарного механизма со встроенным вариатором.
Бесступенчатая механическая трансмиссия транспортного средства, содержит расположенные в корпусе 1 ведущий вал 2, связанный с силовой установкой 3, ведомый вал 4, связанный с движителем транспортного средства 5, двухрядный планетарный механизм, установленный соосно с ведомым валом 4 и состоящий из первого планетарного ряда 6 и второго планетарного ряда 7, и механический вариатор 8, связанный с приводом управления 9. Первый планетарный ряд 6 состоит из эпициклической шестерни 10, связанной с ведущим валом 2, водила 11 с сателлитами 12 и солнечной шестерни 13, второй планетарный ряд 7 состоит из эпициклической шестерни 14, связанной с ведомым валом 4, водила 15 с сателлитами 16, жестко связанного с корпусом 1, и солнечной шестерни 17, жестко связанной с водилом 11 первого планетарного ряда.
Механический вариатор 8 выполнен в виде, по меньшей мере, трех бесступенчатых передач 18 с бесконечными гибкими элементами 19, установленных в корпусе 1 так, что их оси вращения 20 расположены аксиально относительно оси вращения ведомого вала 4.
Каждая из трех бесступенчатых передач 18 своим входным звеном 21 связана с солнечной шестерней 13 первого планетарного ряда 6, а выходным звеном 22 - с эпициклической шестерней 14 второго планетарного ряда 7. Между ведомым валом 4 и движителем транспортного средства 5 может быть установлена дополнительная ступень редукции 23.
При работе трансмиссии мощность от силовой установки 3 поступает на конический привод главного редуктора 24, который приводит эпициклическую шестерню 10 первого планетарного ряда 6. Передача мощности в планетарном механизме первого ряда 6 разделяется на два потока: основной поток (большая часть мощности) передается через звенья 10 и 11 первого планетарного ряда 6 и звенья 17, 16 и 14 второго планетарного ряда 7 на ведомый вал 4, а второй поток через регулируемую ветвь, состоящую из солнечной шестерни 13 и трех бесступенчатых передач 18 вариатора 8, передается на выходной вал 4. Система вариатора 8 устроена по схеме перебора, что позволяет часть мощности второго потока разделить на три части, каждая из которых проходит через одну из трех бесступенчатых передач 18, тем самым снижая ее нагруженность. В бесступенчатых передачах 18 вариатора 8 происходит изменение передаточного отношения от солнечной шестерни 13 к ведомому валу 4, что приводит к изменению соотношения частот вращения всех звеньев трансмиссии, и соответственно изменяется частота вращения движителя 5 при постоянных оборотах ведущего вала 2.
Бесступенчатая механическая трансмиссия работает в двух режимах. На постоянном режиме ведущий 2 и ведомый 4 валы трансмиссии имеют постоянную частоту вращения, определяемую фиксированным передаточным отношением всей трансмиссии, которое, в свою очередь, зависит от передаточного отношения, реализуемого в механическом вариаторе 8. На постоянном режиме управление частотой вращения ведомого вала 4 не происходит, а в бесступенчатых передачах 18 механического вариатора 8 соотношение между диаметрами рабочих колес остается постоянным и фиксированным. При необходимости изменения частоты вращения ведомого вала 4, связанного с движителем транспортного средства 5 при неизменном режиме работы силовой установки 3, трансмиссия переходит в переходный режим работы, при котором осуществляется управляемое изменение ее передаточного отношения. Управление передаточным отношением всей трансмиссии происходит за счет подачи управляемого сигнала на привод управления 9 механического вариатора 8. С помощью привода управления 9 производится регулирование положения и диаметров рабочих колес в бесступенчатых передачах 18, за счет чего осуществляется управляемое изменение передаточного отношения бесступенчатой части трансмиссии и всей трансмиссии в целом. При неизменной частоте вращения ведущего вала 2, связанного с силовой установкой 3, происходит изменение частоты вращения ведомого вала 4, определяющее изменение режима движения самого транспортного средства. При переходе на требуемый уровень частоты вращения ведомого вала 4, управление вариатором 8 прекращается и его передаточное отношение вновь становится фиксированным, трансмиссия переходит на постоянный режим работы, характеризуемый новым значением передаточного отношения.
Уравнения Виллиса для планетарных рядов данного механизма будут иметь вид:
11
I
13
I
10
ω·(1-i)=ω-i·ω
15
II
11
II
4
ω·(1-i)=ω-i·ω
I
I
II
II
Где i=-k и i=-k - передаточные отношения соответственно первого и второго планетарных рядов. Запишем для удобства уравнения Виллиса с использованием конструктивных параметров k и, выразив угловую скорость выходного звена вариатора через его передаточное отношение:
11
I
var
13
I
10
ω·(1+k)=i·ω+k·ω
15
II
11
II
4
ω·(1+k)=ω+k·ω
15
Так как водило 15 второго планетарного ряда заторможено, т.е. ω=0, имеем:
11
II
4
ω=-k·ω
Передаточное отношение всего механизма будет определяться отношением:
Условие силового равновесия звеньев механизма определяется соотношениями:
Мощность, проходящая в каждом из потоков в зависимости от конструктивных параметров:
Т.е. соотношение мощностей первого и второго потока будет зависеть от передаточных отношений каждого планетарного ряда в пропорции:
Такое соотношение величин мощностей по параллельным звеньям является наиболее выгодным и удобным, поскольку не зависит от передаточного отношения вариатора и остается постоянным при изменении частоты вращения несущих винтов. Это позволяет выбирать величину конструктивных параметров планетарных рядов исключительно из условия минимальной нагруженности звеньев регулируемой ветви.
I
II
11min
0
0
Как видно из выражения для соотношения величин мощностей в ветвях планетарного механизма, минимальной величины мощности в ветви, содержащей вариатор, можно добиться при максимальных значениях конструктивных параметров рядов. Их максимальные значения ограничены конструктивными соображениями с условием . Следовательно, при значениях k=4 и k=4 будем иметь минимальную величину N=0,05·N, где N - мощность на входе в механизм. Однако на условие минимальной нагруженности звеньев вариатора накладывается дополнительное ограничение, связанное с диапазоном изменения передаточного отношения.
var
var
П
бт
П
бт
var
var
Согласно сформированным требованиям к характеристикам и функционированию трансмиссии вертолета частота вращения несущих винтов с повышением скорости горизонтального полета должна изменяться не менее чем на 30-40%. Следовательно, от регулируемой части бесступенчатой трансмиссии требуется диапазон изменения передаточного отношения не уже чем i=1…1,4. Поскольку, оптимальным режимом работы для вариатора любого типа является режим прямой передачи со значением i=1, а общее передаточное отношение трансмиссии прямо пропорционально передаточному отношению регулируемой бесступенчатой части, зададимся диапазоном i=i=1…1,4 при котором в режиме i=i=1 вариатор работает как прямая передача - i=1. Диапазон вариатора, т.е. отношение максимального значения передаточного отношения к минимальному определяется также конструктивными параметрами планетарных рядов. Учитывая характеристика современных энергоемких механических вариаторов, возможно использование вариатора с передаточным отношением i=7. Тогда, учитывая описанные выше выкладки, передаваемая через вариатор часть мощности будет составлять 5-7% от входной мощности механизма. Учитывая разделение потока мощности в вариаторе 8 на три бесступенчатых передачи 18 и максимальную пропускаемую мощность механических вариаторов на уровне 300 л.с., получаем значение пропускаемой трансмиссией мощностью до 6000 л.с.