ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД (СУПЕРВАРИАТОР)
WIDE-RANGE CONTINUOUSLY RATED DRIVE (SUPER VARIATOR)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в транспортном машиностроении, в частности, в качестве бесступенчатой коробки передач автомобилей и других транспортных средств, а также бесступенчатой трансмиссии гибридных силовых агрегатов с маховичным накопителем энергии.
Из уровня техники известны рассмотренные ниже широкодиапазонные бесступенчатые приводы с разделением потоков мощности, в технической и патентной литературе кратко называемые супервариаторами.
Известен широкодиапазонный бесступенчатый привод с вариатором, преимущественно симметричным по передаточному отношению - клиноременным или тороидальным, позволяющий использовать для расширения диапазона варьирования передаточного отношения обе фазы регулирования передаточного отношения. Одна фаза, например, уменьшающая передаточное отношение вариатора, используется непосредственно, а вторая, увеличивающая его, используется с циркуляцией мощности в замкнутом режиме с дифференциальной конической зубчатой передачей, преобразующей увеличение передаточного отношения вариатора в дальнейшее уменьшение передаточного отношения всего привода. Таким образом, диапазон варьирования передаточного отношения привода существенно расширяется по сравнению с диапазоном варьирования передаточного отношения вариатора (см. Пронин Б.А., Ревков Г.А. «Вариаторы», М., Машиностроение, 1980, с.298, рис.184-185).
Этому устройству-аналогу присущи недостатки, заключающиеся в том, что вариатор выполняется не по планетарной схеме, является симметричным по передаточному отношению, привод содержит большое число вспомогательных передач, в том числе и дифференциальную коническую зубчатую передачу, что усложняет привод и существенно снижает его КПД.
Известно также устройство «Бесступенчатая многодиапазонная передача с кинематической нейтралью», включающее вариатор, преимущественно торовый двухрядный, планетарные передачи, кинематически связанные с валом двигателя, входом и выходом вариатора и выходным валом передачи. Эта передача позволяет получить передний и задний ходы машины с небольшими скоростями с переходом через нейтраль без разрыва кинематической связи, а также движение машины вперед только на вариаторе и два диапазона с повышенными скоростями, использующие обе фазы регулирования передаточного отношения вариатора (см. US Patent №6045477, Apr.4, 2000, F16H 37/02, 475/207).
Недостатком этого устройства, принятого за аналог, являются: 1) выполнение вариатора не по планетарной схеме, что существенно снижает КПД передачи на режимах минимальных передаточных отношений вариатора; 2) наличие большого числа вспомогательных зубчатых передач, КПД которых в замкнутой схеме входит в КПД вариатора и существенно снижает КПД всей передачи; 3) недостаточная универсальность устройства, не позволяющая без существенных изменений использование в нем вариаторов другого типа, например планетарных; 4) наличие всего двух достаточно узких диапазонов работы передачи с высоким КПД, которых, согласно расчетам и практическим исследованиям авторов в этой сфере, недостаточно для весьма широкого диапазона передаточных отношений с высоким КПД, необходимого эффективному транспортному средству.
Известен также привод, содержащий варьируемое звено, включающее две обратимые электромашины, а также первичный источник вращения, в данном случае двигатель внутреннего сгорания с маховиком, валы которых кинематически соединены с элементами зубчатого дифференциального механизма с двумя степенями свободы. В частности, вал первичного источника вращения (первичный вал) соединен с водилом дифференциального механизма, вал одной из электромашин - с центральным внутренним (солнечным) колесом дифференциального механизма, а вал второй электромашины - с центральным внешним колесом (эпициклом) дифференциального механизма и с ним же соединен выходной (вторичный) вал привода. Это устройство, принятое за аналог, используется в гибридной трансмиссии автомобилей Toyota Prius и описано в Википедии на сайте http://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive.
Преимуществом этого привода, содержащего немеханическое варьируемое звено, включающее две обратимые машины (которые могут быть выполнены также в виде обратимых гидромашин, в общем случае - обратимых энергетических машин), состоит в том, что по сравнению с механическим варьирующим звеном (вариатором), через энергетические обратимые машины проходит лишь часть мощности от первичного вала (в частности, до 75% ее), а остальная часть идет на вторичный вал через зубчатые передачи дифференциального механизма с гораздо большим КПД. То есть разделение потока мощности происходит уже в самом варьирующем звене, что повышает КПД привода.
Недостатком же устройства аналога является недостаточный ее КПД и высокая потребная мощность обратимых энергетических машин, так как через них проходит все-таки существенная мощность. Для гибридных же силовых агрегатов автомобилей КПД трансмиссии играет решающую роль, так как мощность дважды проходит через нее и значение КПД учитывается в квадрате, что существенно влияет на экономичность.
Известен также широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), содержащий корпус, в котором установлена бесступенчатая передача в виде фрикционного дискового планетарного вариатора с входным и выходным кинематическими звеньями-валами, управляющий механизм, кинематически связанный с вариатором и включающий согласующую и дифференциальную передачи, причем выходное кинематическое звено вариатора выполнено с возможностью его попеременного соединения с кинематическими звеньями управляющего механизма (см. патент РФ №2311575, F16Н 37/02, 27.11.2007, «Широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор)», автор - Гулиа Н.В.). Последнее техническое решение принято за прототип, так как обладает максимальной совокупностью общих с изобретением признаков.
Недостатком известного привода, принятого за прототип, является необходимость переключений кинематических связей как согласующей передачи с дифференциальной, так и дифференциальной передачи с входным и выходным валами всего привода, что усложняет конструкцию механизмов управления коробкой передач, а главное -конструкция рассчитана только на использование дискового планетарного вариатора, где входной вал проходит через весь вариатор по его оси вращения в ту же сторону, что и входное звено вариатора, что делает невозможным использовании вариатора других типов, например, немеханических варьирующих звеньев, включающих обратимые энергетические машины - электрические, гидравлические и другие, объединенные с дифференциальным механизмом для разделения потока мощности, а следовательно, повышения КПД варьирующего звена.
Задачей изобретения является разработка устройства, где были бы устранены указанные недостатки, а именно была бы устранена необходимость переключений кинематических связей дифференциальной передачи с входным и выходным валами привода, а также чтобы устройство подходило под различные типы варьирующих звеньев - бесступенчатых обратимых передач, в том числе электрических и гидравлических обратимых машин, объединенных с дифференциальным механизмом.
Указанная задача решается тем, что предложен широкодиапазонный бесступенчатый привод (супервариатор), включающий бесступенчатую передачу с входными и выходными кинематическим звеньями - валами, управляющий механизм супервариатора, кинематически связанный с упомянутыми звеньями и включающий дифференциальную и согласующую передачи, в котором, согласно изобретению, дифференциальная передача выполнена в виде двух дифференциальных механизмов, постоянно кинематически связанных с входными и периодически с выходными кинематическими звеньями бесступенчатой передачи, причем в первом из дифференциальных механизмов с входным звеном бесступенчатой передачи связано водило, а во втором дифференциальном механизме с упомянутым входным звеном бесступенчатой передачи связано внутреннее центральное зубчатое колесо, а выходное звено бесступенчатой передачи связано с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения с двумя внешними центральными зубчатыми колесами, периодически попеременно входящими в зацепление с сателлитами обоих дифференциальных механизмов, при этом согласующая передача, выходной вал которой является выходным звеном всего супервариатора, выполнена с постоянной кинематической связью ее вала с внутренним центральным зубчатым колесом первого дифференциального механизма дифференциальной передачи и с водилом другого ее дифференциального механизма и с периодической кинематической связью с выходным звеном бесступенчатой передачи, а передаточные отношения зубчатых пар, образованных кинематической связью дифференциальной передачи и выходного звена бесступенчатой передачи с согласующей передачей, выполнены такими, чтобы как при максимальном, так и при минимальном рабочих передаточных отношениях бесступенчатой передачи движение зубьев зубчатых колес, кинематически связанных с валом согласующей передачи и вступающих в периодическое одновременное соединение с этим валом, совпадало друг с другом по направлению и линейной скорости в зоне зацепления, при этом бесступенчатая передача включает две обратимые энергетические машины, объединенные дифференциальным механизмом бесступенчатой передачи с входными и выходными кинематическими звеньями - валами как бесступенчатой передачи, так и всего супервариатора, причем входное кинематическое звено бесступенчатой передачи является входным валом всего супервариатора, а вал одной из обратимых энергетических машин бесступенчатой передачи кинематически связан с одним из звеньев ее дифференциального механизма, с другим его звеном связано входное кинематическое звено бесступенчатой передачи - входной вал супервариатора, а с выходным звеном бесступенчатой передачи связан как вал другой обратимой энергетической машины, так и кинематически связанные с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения внешние центральные зубчатые колеса дифференциальных механизмов дифференциальной передачи.
Другим отличием устройства является то, что между ближайшим в осевом направлении к согласующей передаче внешним центральным зубчатым колесом, связанным с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения с выходным звеном бесступенчатой передачи и зубчатым колесом, кинематически связанным с валом согласующей передачи и ближайшим в осевом направлении к согласующей передаче, размещены сателлиты дополнительной планетарной передачи, посаженные как с возможностью свободного вращения, так и стопорения на водиле, которое само выполнено как с возможностью свободного вращения вокруг своей оси, так и фиксации на неподвижном звене привода.
Следующим отличием устройства является то, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых электромашин.
Следующим отличием устройства является то, что обратимые энергетические машины бесступенчатой передачи выполнены в виде обратимых гидромашин.
Следующим отличием устройства является то, что валы двух обратимых энергетических машин выполнены кинематически связанными с соответствующими звеньями дифференциального механизма бесступенчатой передачи с помощью зубчатых передач.
Следующим отличием устройства является то, что ротор одной обратимой энергетической машины кинематически связан с центральным внутренним зубчатым колесом дифференциального механизма бесступенчатой передачи, а ротор другой - с водилом этого механизма, а центральное внешнее зубчатое колесо дифференциального механизма бесступенчатой передачи соединено с входным валом супервариатора и бесступенчатой передачи.
Благодаря вышеперечисленным отличиям достигается технический результат, заключающийся в упрощении управления супервариатором, а также повышении КПД супервариатора и уменьшении установочной мощности обратимых энергетических машин, а следовательно, их массы и массы устройств управления.
Техническое решение - устройство представлено на схемах фиг.1-5, где изображены кинематические схемы устройств в их продольном разрезе.
На фиг.1 представлена принципиальная схема привода на нейтральной передаче.
На фиг.2 изображена схема привода в режиме простой бесступенчатой передачи («прямой» режим) при отключенной дифференциальной передаче.
На фиг.3 изображена схема привода при включенном первом дифференциальном механизме («обратный» режим супервариатора).
На фиг.4 изображена схема привода при включении второго дифференциального механизма («прямой» режим супервариатора).
На фиг.5 изображена схема привода в режиме реверса.
Устройство (см. фиг.1) состоит из бесступенчатой передачи 1 (обведено штриховой линией), входного звена - вала 2 бесступенчатой передачи 1 и всего привода супервариатора и дифференциальной передачи 3 (обведено штриховой линией), соединенной своими звеньями с согласующей передачей 4 (обведено штриховой линией). Дифференциальная передача 3 состоит из первого дифференциального механизма 5 (обведен штриховой линией) и второго дифференциального механизма 6 (обведен штриховой линией. Бесступенчатая передача 1 включает с себя две обратимые энергетические машины 7 и 8 (например, обратимые электро - или гидромашины), соостветственно кинематически соединенные, например, зубчатыми колесами 9-10 с водилом 11 и зубчатыми колесами 12-13 с внутренним центральным зубчатым колесом 14 дифференциального механизма бесступенчатой передачи 1, внешнее центральное зубчатое колесо 15 которого соединено с входным звеном 2 бесступенчатой передачи 1, а следовательно, всего привода - супервариатора. Следует отметить, что отмеченное выше соединение обратимых энергетических машин 7 и 8 со звеньями дифференциального механизма бесступенчатой передачи 1 и ее входным звеном 2 является лишь одним из примеров выполнения бесступенчатой передачи 1. В общем случае вал одной из обратимых энергетических машин бесступенчатой передачи 1 кинематически связан с одним из звеньев ее дифференциального механизма, а с другим его звеном связано ее входное кинематическое звено 2, а с ее выходным звеном связан как вал другой обратимой энергетической машины, так и кинематически связанные с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения внешние центральные зубчатые колеса дифференциальных механизмов 5 и 6 дифференциальной передачи 3. Это достигается, например, путем размещения на выходном кинематическом звене бесступенчатой передачи 1 - водиле 11, с которым соединено, например, с помощью внутренних шлицев 16 на внутренней цилиндрической поверхности водила 11 и внешних шлицев 17 на подвижном блоке 18 центральных внешних зубчатых колес 19 и 20 дифференциальных механизмов 5 и 6. При передвижении подвижного блока 18 по шлицам 16 он может входить в попеременное зацепление как с сателлитами 21 и 22 дифференциальных механизмов 5 и 6, так и с сателлитами 23 дополнительной планетарной передачи 24 (обведена штриховой линией), водило 25 которой выполнено с возможностью блокировки как с сателлитами 23, так и с неподвижным звеном, например корпусом 26. Кроме того, водило 25 выполнено с возможностью периодического свободного вращения вокруг своей центральной оси на опорах 27. Это достигается благодаря размещенному на водиле 25 с возможностью осевого перемещения блоку 28 на шлицах 29 полумуфты включения 30 и 31 на обоих его торцах. Полумуфты 30 при перемещении блока 28 влево соединяются с рядом зубьев полумуфты 32 на сателлитах 23, и при этом блокируется вся дополнительная планетарная передача 24, вращаясь с водилом 25 и сателлитами 23 как одно целое. При перемещении блока 28 вправо полумуфты 31 соединяются с полумуфтами 33 на неподвижном звене, например корпусе 26; при этом дополнительная планетарная передача 24 играет роль реверса. При среднем положении блока 28 дополнительная планетарная передача 24 вращается свободно и играет роль нейтрали. Осевое перемещение блоков 18 и 28 осуществляется любыми типами механизмов и сервоприводов, применяемых, например, в механических коробках передач автомобилей; на чертежах они не представлены, так как принципиального значения не имеют.
Внутреннее центральное зубчатое колесо 34 дифференциального механизма 5 кинематически соединено с выходным валом 35 согласующей передачи 4 зубчатой парой 36, а водило 37 дифференциального механизма 6 кинематически соединено с валом 35 зубчатой парой 38. Внутреннее центральное колесо 39 дополнительной планетарной передачи 24 кинематически соединено с валом 35 зубчатой парой 40. Внешнее центральное зубчатое колесо 15 дифференциального механизма бесступенчатой передачи 1, соединенное с валом 2, соединено с валом 41 дифференциального механизма 5, а то, в свою очередь, кинематически соединено с внутренним центральным зубчатым колесом 42 дифференциального механизма 6. Вал 2 может быть выполнен с выходом по обе стороны корпуса 26, а вал 35 является выходным валом всего привода - супервариатора.
Работа предложенной передачи рассматривается на примере управления с ее помощью скоростью движения городского автомобиля (например, городского автобуса) с двигателем внутреннего сгорания, коленчатый вал которого соединяется со входным валом 2 супервариатора. Движение начинается при максимальном передаточном отношении бесступенчатой передачи 1. Для получения минимальной скорости автомобиля с выходным валом 35 супервариатора соединяется через зубчатую пару 40, внутреннее центральное зубчатое колесо 39 и заблокированную дополнительную планетарную передачу 24 (см. фиг.2), подвижный блок 18, соединенные с возможностью передачи крутящего момента и осевого перемещения с помощью шлицев 16 с водилом 11, являющимся выходным кинематическим звеном бесступенчатой передачи 1. При этом вал 2 вращается с частотой вращения, соответствующей номинальному режиму работы двигателя внутреннего сгорания (например, режиму минимального расхода топлива), а частота вращения обратимых энергетических машин с помощью системы управления ими подбирается такой, чтобы передаточное отношение бесступенчатой передачи 1 было максимальным. Такие режимы работы бесступенчатой передачи 1, состоящей из двух обратимых энергетических машин, например электромашин, соединенных с помощью дифференциальной передачи с входным валом 2 и выходным звеном 11 бесступенчатой передачи 1, отработаны и хорошо известны, например, из гибридной трансмиссии автомобиля Toyota Prius, описанной, например, в цитированной выше ссылке на Векипедию. Автомобиль трогается с места на минимальной скорости и при понижении оператором (водителем) передаточного отношения бесступенчатой передачи 1 упомянутой системой управления разгоняется до скорости, соответствующей минимальному передаточному отношению бесступенчатой передачи 1. Для реально подобранных параметров привода это минимальное передаточное отношение бесступенчатой передачи 1 около 1,3, максимальное - свыше 10.
Для дальнейшего увеличения скорости автомобиля, при минимальном передаточном отношении бесступенчатой передачи 1 неподвижный блок 18 перемещается влево в положение, представленное на фиг.3. Следует отметить, что внешнее центральное зубчатое колесо 20 этого блока, перемещаясь в положение по фиг.3, не выходит полностью из зацепления с сателлитами 23 заблокированной дополнительной планетарной передачи 24, входит в зацепление с сателлитами 21 дифференциального механизма 5. Такое положение элементов привода обеспечивает неразрывность потока мощности от вала 2 к валу 35; при таком положении элементов привода мощность фактически не проходит через обратимые энергетические машины 7 и 8, и это положение соответствует максимальному КПД привода при неизменном передаточном отношении. При передаточном отношении бесступенчатой передачи 1, равном 1,3, и реальных параметрах привода, например, для городского автомобиля минимальная скорость машины составит около 2,5 км/ч, что обеспечивает получение даже «ползучих» скоростей движения, необходимых, например, в «пробках». Скорость автомобиля при первом переключении подвижного блока 18 составит около 20 км/ч.
Для дальнейшего повышения скорости автомобиля подвижный блок 18, продолжая движение влево, размыкает связь зубчатых колес 20 и сателлитов 23, полностью вводит в зацепление внешнее центральное колесо 19 с сателлитами 21 дифференциального механизма 5, после чего оператор начинает изменять передаточное отношение бесступенчатой передачи 1 в сторону его увеличения. Но благодаря особенностям дифференциальных передач, известных из прототипа и описанных в нем, общее передаточное отношение привода - супервариатора начинает снова уменьшаться. При максимальном передаточном отношении бесступенчатой передачи 1 передаточное отношение супервариатора уменьшится примерно в 1,8 раз, а скорость автомобиля, при неизменной частоте вращения вала 2, достигнет около 36 км/ч. Такой режим работы супервариатора, когда с повышением передаточного отношения бесступенчатой передачи 1 его передаточное отношение уменьшается, называется «обратным».
Для дальнейшего повышения скорости автомобиля подвижный блок 18 снова продвигается влево, замыкая своими зубчатыми колесами 19 и 20 соответственно сателлиты 21 и 22, не прерывая потока мощности. Это второе положение супервариатора, когда мощность фактически не проходит через обратимые энергетические машины 7 и 8. При дальнейшем продвижении блока 18 влево зубчатое колесо 19 размыкается с сателлитами 21, и зубчатые колеса 20 переходят целиком в зацепление с сателлитами 22 дифференциального механизма 6. После этого оператор снова начинает уменьшение передаточного отношения бесступенчатой передачи 1, что на сей раз, благодаря особенностям дифференциального механизма 6, вызывает также уменьшение передаточного отношения всего супервариатора. Такой режим его работы называется «прямым», и при этом передаточное отношение супервариатора уменьшается примерно в 2 раза (см. фиг.4).
Следует отметить, что диапазон изменения передаточных отношений супервариатора при «прямом» и «обратном» режимах примерно в 4 раза меньше, чем бесступенчатой передачи 1 (соответственно 7,7 и 1,8…2), что обеспечивает повышение КПД всего привода - супервариатора до 0,93…0,97, по сравнению с КПД бесступенчатой передачи - 0,8…0,9. При этом через обратимые энергетические машины проходит всего около 15% энергии, проходящей через супервариатор от вала 2 до вала 35. Это обеспечивает не только высокую экономичность супервариатора, но и малые габаритно-массовые показатели обратимых энергетических машин 7 и 8.
Скорость автомобиля на «прямом» режиме работы супервариатора повысится примерно до 72 км/ч, что достаточно для регулярной работы в городе. Для дальнейшего повышения скорости автомобиля, например, при загородном движении или на перегонах, можно перевести двигатель внутреннего сгорания на режим более высоких частот вращения, менее экономичных, но необходимых для достижения высших скоростей.
Задний ход (реверс) автомобиля обеспечивается переводом блока 28 водила 25 вправо, сперва в нейтральное положение, когда вся силовая цепь разомкнута, благодаря разомкнутому положению полумуфт 30 и 31 с соответствующими полумуфтами 32 и 33, а затем в правое положение (см. фиг.5), когда полумуфты 31 замкнуты с неподвижными полумуфтами 33, расположенными, например, на корпусе 26. Водило 25 при этом остановлено, и дополнительная планетарная передача 24 играет роль реверса, вращая зубчатую пару 40, а следовательно, и вал 35 в противоположную сторону. Включение полумуфт 30-32 и 31-33 из нейтрального положения (см. фиг.1) производится при остановленной машине (автомобиле), что облегчает эту операцию.
Следует отметить, что описанное устройство наиболее эффективно при малом числе «прямых» и «обратных» режимов, в данном случае по одному. Большее число режимов требует большего числа переключений дифференциальных механизмов, что усложняет привод.