БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА С ПЛАНЕТАРНЫМ МЕХАНИЗМОМ "a+b"
CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION WITH PLANETARY MECHANISM “A+B”

Изобретение относится к трансмиссии НТС (наземных транспортных средств) и др.
Известны простые трехзвенные ПМ (планетарные механизмы), которые часто применяют как одноступенчатые колесные редукторы, когда одно звено остановлено, крутящий момент подается на солнечную шестерню, а снимается с другого звена, например - с водила (1. Автомобиль: Основы конструкции: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Н.Н. Вишняков и др. М.: Машиностроение, 1986. - 304 с. с. 158, рис. 123); как двухступенчатые редукторы (1. с. 123, рис. 95, б). Простые трехзвенные ПМ также находят применение в планетарных коробках передач, у которых крутящий момент поступает на солнечную шестерню, а снимается с эпициклического колеса (1. c. 122, рис. 94, г; с. 143, рис. 108).
Достоинствами планетарных КП (коробок передач) по сравнению с КП, имеющими неподвижные оси зубчатых колес являются возможность получения больших передаточных чисел при небольшом числе зубчатых колес, а также меньшие масса и габаритные размеры, но планетарные КП имеют более высокую стоимость (1. с. 123).
Простые трехзвенные ПМ могут обеспечить 7 передач в редукторных режимах и 3 передачи в суммирующих (интегральных) режимах, когда крутящий момент подается на два звена, а снимается с третьего. Использование ПМ в суммирующих режимах в сочетании с базовой ступенчатой КП позволяет существенно увеличить диапазон передаточных чисел полученного трансмиссионного агрегата по сравнению с базовой КП. Такое решение использовано в технических решениях для газоперекачивающих агрегатов по патентам RU (2: №2397344. Бюл. 23 от 20.08.2010. №2581269. Бюл. №11 от 20.04.2016. №2583476. Бюл. №13 от 10.05.2016. Авторы В.И. Некрасов и И.А. Иванов).
Рассмотренные конструкции реализуют ступенчатую трансформацию крутящего момента, что приводит к снижению эксплуатационных свойств НТС за счет разрыва потока мощности при переключении передач.
Известны бесступенчатые фрикционные передачи - лобовые вариаторы, состоящие из двух прижатых друг к другу фрикционных колес, одно из них можно перемещать по шпонке вала. (1. с. 130, рис. 100, б).
Известны бесступенчатые трансмиссии, содержащие фрикционный вариатор и планетарный механизм, работающий в суммирующем (интегральном) режиме.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является бесступенчатая трансмиссия (3. Патент №2166138; F16H 15/50). Бесступенчатая трансмиссия содержит корпус, первичный и вторичный параллельно расположенные валы, рычаг, механизм управления поворотом рычага, барабан с многодисковым фрикционным вариатором внутреннего контакта. В трансмиссию дополнительно введены выходной вал и планетарный сумматор. Солнечная шестерня планетарного сумматора установлена на выходном валу, расположенным соосно с первичным (входным) валом.
Этой бесступенчатой трансмиссии присущи недостатки: многодисковый фрикционный вариатор работает в режиме высоких нагрузок, так как через него на водило ПМ проходит основная часть крутящего момента. Нагрузки в ПМ распределяются пропорционально радиусам звеньев ПМ, при этом минимальная нагрузка должна приходить на солнечную шестерню (1. с. 123). В устройстве по патенту №2166138 солнечная шестерня ПМ закреплена на выходном валу и нагружена максимальным (суммарным) крутящим моментом. Многодисковый фрикционный вариатор имеет сложную конструкцию, он расположен в барабане 18, который кинематически связан с механизмом управления поворота рычага 19 (3. фиг. 2). ПМ используется только в суммирующем режиме, возможности ПМ значительно шире.
Задачей изобретения является расширение компоновочных и эксплуатационных характеристик НТС за счет упрощения конструкции бесступенчатого фрикционного вариатора, большей реализации возможностей ПМ при трансформации и передаче крутящего момента в редукторном и суммирующем режимах, как без разрыва потока мощности, так и при отключении вариатора.
Технический результат достигается за счет совершенствования технического решения по патентам №2166138; 2397344 и др. путем установки бесступенчатой фрикционной передачей - простого лобового вариатора, который передает только малую часть крутящего момента на солнечную шестерню, а основной поток мощности передается цилиндрической зубчатой передачей на эпициклическое колесо ПМ.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что бесступенчатая передача содержит фрикционный вариатор и простой трехзвенный планетарный механизм, состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами, при этом входной и выходной валы установлены перпендикулярно, на входном валу рядом с зубчатым венцом и муфтой включения свободно установлена ведущая коническая шестерня, которая ведомым коническим колесом, валом и цилиндрической зубчатой передачей взаимодействует с эпициклическим колесом, на входном валу также закреплено большое фрикционное колесо, малое фрикционное колесо установлено по шпонке вала привода солнечной шестерни и прижато к большому фрикционному колесу; водило закреплено на выходном валу, зубчатый венец этого вала расположен рядом с зубчатыми венцами трубчатого вала корпуса эпициклического колеса и корпуса бесступенчатой передачи.
а
На фиг. 1 показана кинематическая схема бесступенчатой передачи с лобовым фрикционным вариатором и простым трехзвенным ПМ (планетарным механизмом) в режиме «+b» с перпендикулярным расположением входного и выходного валов.
var
вых
На фиг. 2 показаны кинематические характеристики бесступенчатых передач. По оси абсцисс отложены величины передаточных чисел вариатора - U, по оси ординат - передаточных чисел бесступенчатой передачи - U.
а
а
В опорах корпуса 1 бесступенчатой передачи (фиг. 1) расположен входной вал 2, на котором закреплен зубчатый венец 3 и свободно установлена ведущая коническая шестерня 4 с зубчатым венцом 5, муфта 6 расположена на зубчатом венце 3 входного вала 2 для соединения с зубчатым венцом 5 ведущей конической шестерни 4. На входном валу 2 закреплено ведущее большое фрикционное колесо 7, к нему прижато ведомое малое фрикционное колесо 8, которое подвижно установлено на шпонке 9 вала 10 привода солнечной шестерни 11 () ПМ. Ведущая коническая шестерня 4 зацеплена с ведомым коническим колесом 12, которое закреплено на валу 13, на этом валу закреплена ведущая цилиндрическая шестерня 14, которая находится в зацеплении с ведомым цилиндрическим колесом 15. Это колесо закреплено на корпусе 16 эпициклического колеса 17 (b), которое зацеплено с сателлитами 18, установленными на осях 19 водила 20 (h) и зацепленными с солнечной шестерней 11 (). Водило 20 (h) закреплено на выходном валу 21 с зубчатым венцом 22, установленными перпендикулярно входному валу 2. Корпус 16 эпициклического колеса 17 (b) закреплен на трубчатом валу 23 с зубчатым венцом 24, который расположен рядом с зубчатым венцом 22. На корпусе 1 бесступенчатой передачи рядом с зубчатым венцом 24 расположен зубчатый венец 25 с муфтой 26 блокировки ПМ или остановки эпициклического колеса 17 (b).
а
b
a
a
Простой ПМ, состоящий из трех звеньев: солнечной шестерни (), эпициклического колеса (b) и водила (h) с сателлитами, характеризуется внутренним параметром К=Z/Z=1,5-5, который равен отношению чисел зубьев Zb эпициклического колеса и Z солнечной шестерни.
Суммирующие возможности ПМ для нашего случая описываются зависимостью:
h
ha
a
hb
b
a
b
b
а
n = U n + U n = n / (K+1) + (n K)/(K+1);
а
h
b
где n, n, n - частота вращения солнечной шестерни, водила и эпициклического колеса в об/мин.
Работа редуктора осуществляется следующим образом. ПМ может работать в нескольких режимах. Начнем с простого режима.
ah
b
Редукторный режим U = К+1
а
а
а
Верхний индекс «b» указывает на остановленное звено ПМ - эпициклическое колесо 17 «b», индексы внизу - на звенья входа «» - солнечной шестерни 11 () и выхода «h» крутящего момента - водило 20 (h). Если принять К=4,0; то частота вращения водила 20 (h) и ведомого вала 21 будет в 5 раз меньше частоты вращения солнечной шестерни 11 (), которая определяется частотой вращения входного вала 2 и передаточным числом вариатора 7-8.
а
var
var
D
var
ah
b
На фиг. 1 привод на эпициклическое колесо 17 (b) от входного вала 2 отключен муфтой 6 (см. вид справа), эпициклическое колесо 17 (b) остановлено муфтой 26 (см. верхнее положение), замкнувшей зубчатые венцы 25 корпуса 1 и 24 трубчатого вала 23 корпуса 16 эпициклического колеса 17 (b). Крутящий момент от входного вала 2 поступает на большое фрикционное колесо 7, затем на малое фрикционное колесо 8, по шпонке 9 на вал 10, на солнечную шестерню 11 () и сателлиты 18. Если колесо 8 будет находиться в крайнем левом положении, то вариатор работает в ускоряющем режиме - U < 1,0. В положении, приведенном на фиг. 1, вариатор работает в замедляющем режиме - усилие передается с малого диаметра на большой диаметр. Если U = 1,5; то передаточное число устройства составит U = U U = 1,5×5 = 7,5; оно отмечено т. D на верхней прямой 1 фиг. 2. При дальнейшем перемещении колеса 8 и пересечении центра вращения колеса 7 произойдет изменение направления вращения вала 10, солнечной шестерни 11 (а) и далее до выходного вала 21.
Суммирующий режим работы ПМ
h
ha
a
hb
b
a
b
b
а
n = U n + U n = n / (K+1) + (n K)/(K+1)
а
В отличие от предыдущего режима крутящий момент на ПМ передается двумя путями: к солнечной шестерне 11 (), как описано ранее, основной поток усилия поступает зубчатыми передачами на эпициклическое колесо 17 (b).
кон
var
a
вх
var
a
h
a
b
К
а
На фиг. 1 крутящий момент на эпициклическое колесо 17 (b) поступает по конической передаче 4-12, U=1,0; по валу 13, по цилиндрической передаче 14-15, при этом муфта 6 (см. левое положение) замыкает зубчатые венцы 3 входного вала 2 и 5 ведущей конической шестерни 11. Крутящий момент от входного вала 2 по зубчатому венцу 3 и муфте 6 поступает на зубчатый венец 5 и ведущую коническую шестерню 4, далее на ведомое коническое колесо 12, вал 13, ведущую цилиндрическую шестерню 4, ведомое цилиндрическое колесо 15, эпициклическое колесо 17 (b) и сателлиты 18. Также крутящий момент от входного вала 2 поступает на большое фрикционное колесо 7, затем на малое фрикционное колесо 8, по шпонке 9 на вал 10, солнечную шестерню 11 () и сателлиты 18, затем на водило 20 (h) и выходной вал 21. Если малое фрикционное колесо 8 находится в крайнем правом положении, то вариатор работает в ускоряющем режиме, при отношении диаметров колес 7 и 8 равном 5, U = 0,2; частота вращения солнечной шестерни: n = n / U = 1000/0,2 = 5000 об/мин; n / (К+1) = 5000/5 = 1000 об/мин; При этих условиях частота вращения водила 20 (h) и выходного вала 21 n = n / (K+1) + nК / (K+1) = 1000 + 200 = 1200 об/мин; U = 1000/1200 = 0,833; этот результат отмечен т. К на верхней пологой кривой 3 фиг. 2.
Аварийный режим - выход вариатора из строя
цил
Выводим малое фрикционное колесо 8 из контакта с большим фрикционным колесом 7, блокируем ПМ муфтой 26 (нижнее положение муфты), замыкая зубчатые венцы 22 и 24. Работает только цилиндрическое зацепление 14-15 с U = 4,0 (т. А на верхней прямой 1).
h
а
b
h
а
b
b
Редукторный режим целесообразно использовать только при малой нагрузке, например при порожнем НТС, так как весь крутящий момент реализуется фрикционным контактом колес 8 и 9. Суммирующий режим работы ПМ при изменении направления вращения солнечной шестерни 11 (а): n = - n / (K+1) + n К / (K+1) используем для груженого НТС (кривые линии 4 и 5). Работа устройства на фиг. 2 с изменением направления вращения в режиме: n = n / (K+1) + n К / (K+1) n не целесообразна - пологая линия 3 над осью абсцисс.
цил
кон
Изменение параметров К, U, U приведет к изменению зависимостей на фиг. 2.
Обозначения:
1 - корпус бесступенчатой передачи;
2 - входной вал;
3 - зубчатый венец, закрепленный на валу 2;
4 - ведущая коническая шестерня;
5 - зубчатый венец конической шестерни 4;
6 - муфта соединения с зубчатыми венцами: 3 входного вала 2 и 5 с ведущей конической шестерней 4.
7 - большое фрикционное колесо;
8 - малое фрикционное колесо; 9 - шпонка;
10 - ведомый вал малого фрикционного колеса 8 и привода солнечной шестерни 11 (а);
11 (а) - солнечная шестерня ПМ;
12 - ведомое коническое колесо;
13 - вал ведомого конического колеса 12;
14 - ведущая цилиндрическая шестерня;
15 - ведомое цилиндрическое колесо;
16 - корпус эпициклического колеса 17;
17 (b) - эпициклическое колесо ПМ;
18 - сателлиты; 19 - оси сателлитов;
20 (h) - водило;
21 - выходной вал;
22 - зубчатый венец вала 21 от водила 20 (h);
23 - трубчатый вал корпуса 16 эпициклического колеса 17;
24 - зубчатый венец трубчатого вала 23;
25 - зубчатый венец корпуса 1;
26 - муфта блокировки ПМ или остановки эпициклического колеса 17.