ОБЪЕМНАЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА
HYDRO MECHANICAL DISPLACEMENT TRANSMISSION

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к силовым передачам, предназначенным для трансмиссий различных транспортных средств, преимущественно наземных: разнотипных автомобилей (легковых, грузовых, специального назначения) и тракторов гусеничных или колесных, в частности сельскохозяйственных. Наиболее целесообразным является его использование при создании разнообразных многопоточных коробок передач - центральных или бортовых - для трансмиссий транспортных средств с расширенным числом (двумя и более) гидромеханических диапазонов, когда требуется обеспечение как гидромеханического, так механического режимов, а также быстрый переход с одного диапазона на другой, и работа на чисто механических передачах, как наиболее эффективных по КПД, чем гидромеханическая передача.
Известны многопоточные объемные гидромеханические передачи транспортного средства с двумя и более диапазонами, в состав которых входит ведущий и ведомый валы, механическая коробка передач с возможностью выбора передаточных чисел, планетарные ряды, управляемые муфты переключения и две гидравлически связанные между собой гидромашины, одна из которых является управляемой и используется как регулируемый насос, а другая - нерегулируемый гидромотор (например, патенты DE 102008015276 А1, 2009 г. и RU 2148503 С1, 2000 г.).
Так, в объемной гидромеханической передаче, известной из патента DE 102008015276, обеспечивается два однопоточных и два двухпоточных режима передачи мощности. В ней один суммирующий планетарный ряд размещен со стороны насоса, подключен к нему, дополнительным валом связан с механической коробкой передач и обеспечивает гидромеханическую двухпоточную передачу мощности, а в сочетании с коробкой диапазонов - явление циркуляции мощности. К выходному валу гидромотора подключен второй суммирующий планетарный ряд с двумя элементами привода (эпициклическая шестерня, солнечная шестерня) и водилом в качестве выходного элемента передачи.
Многопоточная объемная гидромеханическая передача (ОГМП), известная из патента RU 2148503, обладает более расширенным рядом реализуемых диапазонов и ступеней и имеет входной и выходной валы, кинематически связанные с гидромашинами, механическую коробку согласующих передач, два планетарных дифференциала, образующих планетарный четырехзвенник, первое звено которого - это соединенные между собой и далее через зубчатый привод с гидромотором солнечные шестерни дифференциалов; второе звено - водило одного из дифференциалов, соединенное с ведомым валом; третье звено - эпициклическая шестерня этого дифференциала, соединенная с коробкой согласующих передач и далее с ведущим валом; четвертое звено - водило другого дифференциала, соединенное также с коробкой согласующих передач и далее с ведущим валом. Кинематическая схема этой ОГМП обеспечивает объемно гидромеханические: один однопоточный и три двухпоточных диапазона.
В этих двух аналогах можно получать чисто гидравлический поток мощности, но отсутствует возможность работы на чисто механическом режиме передачи мощности, что приводит к повышению в передаче доли гидравлической мощности. К тому же в первом аналоге при жесткой (нерегулируемой) связи между первым планетарным рядом и механической коробкой передач, а во втором аналоге при сочетании с планетарным рядом дополнительного вала на привод коробки диапазонов возможно возникновение дополнительного момента, догружающего планетарный ряд и гидравлические машины. Все это приводит к значительным потерям: механическим и гидравлическим, снижающим КПД трансмиссии, и, как следствие, к ограничению использования таких передач.
Эти недостатки частично устранены в ОГМП, известных из описаний к патентам RU №№2238457 С2, 2004 г. и 2328641 С2, 2008 г., содержащих ведущий и ведомый валы, механическую коробку согласующих передач с возможностью выбора передаточных чисел посредством управляемых муфт переключения, планетарный механизм (в частности, четырехзвенник), и две гидравлически связанные между собой гидромашины. В этих аналогах повышение КПД обеспечивается за счет возможности передачи мощности чисто механическим путем (снижена доля использования гидравлической мощности «до 20-25% от передаваемой мощности» в первом из них и «не менее 50%» во втором); устранения циркуляции мощности в передаточных звеньях и снижения нагруженности гидромашин, что достигается использованием в этих ОГМП двух регулируемых гидравлических машин, попеременно работающих либо в режиме насоса, либо в режиме гидромотора, и блокировкой работы гидромотора путем вывода в ноль рабочего объема насоса. Недостатком этих аналогов является то, что передача мощности чисто механическим путем в них возможна только в очень узком диапазоне работы из-за останова вала гидромотора путем вывода в ноль рабочего объема насоса.
Даже если предусмотреть возможность останова вала гидромотора двухсторонним гидроклапаном, выполняющий роль гидрозамка (например, как в устройстве по патенту RU 2351819 С1, 2009 г.), на валу отключенного мотора в какой-то отрезок времени будет сохраняться остаточный момент, прогнозировать который по величине и направлению затруднительно, что затрудняет нивелирование его отрицательного воздействия на общий КПД трансмиссии транспортного средства.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) изобретения определена передача, описанная в статье «Объемные гидромеханические трансмиссии гусеничных и колесных машин», журнал «Тракторы и сельскохозяйственные машины», №8, 1996 г., с.21-22, рис.1 (правая заштрихованная на схеме ОГМП), содержащая корпус, входной и выходной валы, планетарный механизм и коробку согласующих передач с управляемыми муфтами переключения, а также гидравлический контур, образованный двумя гидравлическими машинами с встроенным между ними шунтирующим клапаном, одна из которых является регулируемым насосом, кинематически подключенным через входной вал к источнику передаваемой на этот вал энергии, вторая является нерегулируемым мотором и его выходной вал кинематически связан с солнечной шестерней планетарного дифференциала. Наличие шунтирующего клапана в гидравлической линии «мотор-насос» позволяет при необходимости отсечь поступление питания на гидромотор и замкнуть циркуляцию жидкости на насос, но не решает проблем, связанных с остаточным моментом на валу мотора, особенно при рабочем объеме насоса, не равном нулю, что следует отнести к недостаткам прототипа, т.к. снижается эффективность передачи.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание функционально и экономически эффективных многопоточных объемных гидромеханических передач, обеспечивающих расширенный ряд диапазонов и скоростей, необходимых для движения и работы транспортных средств в различных дорожных и климатических условиях.
Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в повышении КПД передачи за счет снижения энергетических потерь в гидравлической ветви передачи путем разгрузки объемной гидропередачи и блокировки вала гидромотора для предотвращения остаточного момента при его останове.
Для достижения технического результата в объемной гидромеханической передаче, содержащей корпус, входной и выходной валы, планетарный механизм и коробку согласующих передач с управляемыми муфтами переключения, а также гидравлический контур, образованный двумя гидравлическими машинами с встроенным между ними шунтирующим клапаном, одна из которых является регулируемым насосом, кинематически подключенным через входный вал к источнику передаваемой на этот вал энергии, вторая является гидромотором и его выходной вал кинематически связан с планетарным механизмом, согласно изобретению гидравлический контур выполнен с возможностью управляемой блокировки выходного вала гидромотора на корпус устройства посредством дополнительно введенной в него соединительной муфты, управляемой в согласованном алгоритме с управлением работой шунтирующего клапана и регулированием рабочего объема, по меньшей мере, насоса. Дополнительные отличительные признаки состоят в том, что:
- гидромотор выполнен нерегулируемым;
- гидромотор выполнен регулируемым, при этом соединительная муфта блокировки выполнена управляемой в согласованном алгоритме с управлением работой шунтирующего клапана и совместным регулированием рабочего объема насоса и рабочего объема гидромотора;
- соединительная муфта блокировки выходного вала гидромотора на корпус устройства выполнена по типу зубчатой или фрикционной;
- планетарный механизм выполнен в виде планетарного четырехзвенника, состоящего из двух планетарных дифференциалов, соединенного через коробку согласующих передач с ведущим валом передачи, а через водило одного и эпициклическую шестерню другого планетарных дифференциалов - с ведомым валом;
- коробка согласующих передач содержит шестерни второго диапазона, шестерни первого и третьего диапазонов, шестерни четвертого диапазона и муфты переключения, причем, по меньшей мере, часть муфт переключения в ней выполнена зубчатыми или фрикционными.
В предлагаемой объемной гидромеханической передаче установкой в гидролинии «насос-мотор» шунтирующего клапана, который в режиме передачи мощности механическим путем выключает из работы гидромотор, и установкой в приводе гидромотора блокирующей муфты, замыкающей вал гидромотора на корпусе с полным его остановом, обеспечивается разгрузка объемной гидропередачи, что приводит к снижению общей рабочей температуры системы и снижению потерь в гидравлической магистрали. В свою очередь это способствует повышению КПД передачи и, как следствие, общего КПД трансмиссии.
Комбинированием переключения муфт коробки согласующих передач в комплексе с работой блокирующей вал гидромотора соединительной муфтой в предлагаемой ОГМП обеспечивается расширение реализуемого ряда диапазонов и скоростей. В ней возможно получение: однопоточного объемно гидромеханического диапазона, шести двухпоточных объемно гидромеханических диапазонов, двух однопоточных механических ступеней и четырех двух двухпоточных механических ступеней.
Основным преимуществом, существенно расширяющим диапазон регулирования передачи и обеспечивающим передачу мощности чисто механическим путем с высоким КПД, является возможность получения механической ступени передачи (в отличие от аналогов) при любом значении параметра регулирования насоса, изменяемом в диапазоне от (-1) до (+1), и в отдельных случаях дополнительным регулированием гидромотора.
Повышение КПД и снижение потерь в гидролинии способствует повышению тягово-скоростных и топливно-экономических показателей машины.
На представленном чертеже дана схема передачи (пример).
Предлагаемая ОГМП содержит корпус 1, входной 2, выходной 3 и промежуточный 4 валы, планетарный механизм 5, коробку согласующих передач 6 и гидравлический контур, образованный двумя гидравлическими машинами, объединенными гидравлической линией 7. Одна из машин является регулируемым насосом 8, подключенным приводом через вал 2 к источнику энергии, другая - гидромотором 9, регулируемым или нерегулируемым, к приводу которого подключен планетарный механизм 5. В гидролинию 7 встроен шунтирующий клапан 10, предназначенный для управляемого отсоединения питания мотора 9 от насоса 8 при необходимости его останова. На валу 11 мотора 9 установлена шестерня 13, которая через шестерню 12 взаимодействует с соединительной муфтой 14, предназначенной для блокировки вала 11 на корпус. Конструктивное исполнение механизма 5, коробки 6 и приводов насоса 8 и мотора 9 вариантно и выполняется в зависимости от типа и назначения транспортного средства.
В конкретном примере исполнения ОГМП, схема которого представлена на прилагаемом чертеже, планетарный механизм 5 выполнен в виде состоящего из двух планетарных дифференциалов 15 и 16 планетарного четырехзвенника, соединенного через коробку согласующих передач 6 с входным валом 2 передачи. Планетарный дифференциал 15 включает в себя солнечную шестерню 17, водило 18 с сателлитами 20 и эпициклическую шестерню 19. Планетарный дифференциал 16 - соответственно, солнечную шестерню 21, водило 24 с сателлитами 23 и эпициклическую шестерню 22. Через водило 18 одного и эпициклическую шестерню 22 другого дифференциала планетарный механизм связан с выходным валом 3.
Приводом насоса 8 являются расположенная на входном валу 2 шестерня 25 и шестерня 26, установленная на валу насоса.
Гидромотор 9 - нерегулируемый.
В состав коробки передач 6 входят шестерни четвертого и второго диапазонов 27, 28 и полумуфта 29 для включения третьего диапазона. На промежуточном валу 4 установлена зубчатая муфта 30 переключения первого и третьего диапазонов; неподвижная полумуфта 31 включения первого диапазона; шестерня 32 привода первого и третьего диапазонов, связанная с эпициклической шестерней 19 планетарного механизма. На выходном валу 3 расположены шестерня 33 привода первого и третьего диапазонов; шестерня 34 второго диапазона, шестерня 35 четвертого диапазона.
Шестерни 37, 12, 13 с муфтой 14, замыкающей вал мотора на корпус, образуют привод гидромотора 9, связанного с солнечными шестернями 21 и 17, соответственно дифференциалов 16 и 15.
Муфта включения 36 расположена на зубчатом венце водила 24 дифференциала 16.
Муфта 14 выполнена по типу зубчатой муфты включения, возможно ее выполнение любым другим целесообразным образом.
Все управляемые муфты переключения, или, по меньшей мере, часть их, могут быть выполнены зубчатыми или фрикционными.
Работа предлагаемой ОГМП поясняется на конкретном примере ее исполнения, описанном выше, и с ссылкой на нижеследующую таблицу, где показаны диапазоны работы, режимы работы и номер осуществляемой передачи с описанием в каждом из диапазонов, реализуемых предлагаемой передачей в этом исполнении, наиболее характерных передач, получаемых благодаря предлагаемой совокупности существенных (основных и дополнительных) признаков изобретения.
В тех режимах работы транспортного средства, на которых целесообразно передавать мощность только чисто механическим путем, включением шунтирующего клапана 10 уменьшается (отсекается) поток жидкости в гидролинии 7 на пути от насоса 8 к мотору 9, и частота вращения вала 11 мотора 9 уменьшается (вал тормозится). Поскольку в гидролинии 7 жидкость находится под давлением на валу 11 гидромотора, есть момент, который передается через планетарный механизм 5 на выходной вал 3 передачи.
При этом из-за остаточного момента в какой-то отрезок времени возможен доворот вала 11 на произвольную (непрогнозируемую) величину. Во избежание этого в предлагаемой ОГМП включением муфты 14 с одновременным включением шунтирующего клапана 10 и выводом насоса, например, в «нулевой» режим работы вал 11 мотора 9 блокируется на корпус 1. Установкой параметра регулирования насоса равным «нулю» обеспечиваются дополнительные меры по снижению гидравлических потерь и упрощается переход на следующую передачу в заданном диапазоне, т.к. работу насоса сразу можно начать с параметром регулирования от (0) до (1) или (-1).
На первом диапазоне реализуются две передачи: гидромеханическая и механическая.
В режиме гидромеханической передачи 1 (по таблице) включением зубчатой муфты 30 и полумуфты 31 обеспечивается блокировка эпициклической шестерни 19 дифференциала 15. Крутящий момент от входного вала 2 передается через шестерни 25 и 26 на гидронасос 8, подающий питание на гидромотор 9, с вала 11 которого через шестерни 13, 12 и 37 крутящий момент передается на солнечную шестерню 17 дифференциала 15. Далее момент через сателлиты 20 и водило 18 передается на вал 3. Шунтирующий клапан 10 и муфта блокировки 14 отключены и в работе не участвуют. Первый диапазон является однопоточным, параметр регулирования насоса «е» изменяется в пределах от 0 до (+1). Параметр «е» равен (+1), когда рабочий объем насоса равен максимальному, а поток рабочей жидкости в гидролинии направлен в сторону вращения вала насоса. Параметр «е» равен (-1), когда рабочий объем насоса также равен максимальному, а поток рабочей жидкости в гидролинии направлен в сторону, противоположную вращению вала насоса. При реверсировании насоса, т.е. при изменении параметра регулирования «е» от 0 до (-1) обеспечивается передача заднего хода. При этом обеспечивается бесступенчатое регулирование скорости вращения выходного вала 3 передачи.
Режим механической передачи 1-2 (по таблице) образуется тогда, когда в коробке согласующих передач 6 муфта 36 соединена с зубчатым венцом шестерни 34, зубчатая муфта 30 соединена с полумуфтой 31, в гидролинии 7 включен шунтирующий клапан 10, а муфта 14 соединена с зубчатым венцом шестерни 12. В результате поток мощности с входного вала 2 через шестерни 28 и 34 передается на водило 24 дифференциала 16, а далее через сателлиты 23 на эпициклическую шестерню 22 и через водило 18 дифференциала 15 на выходной вал 3 передачи. Здесь при заданной частоте вращения входного вала 2 обеспечивается постоянство скорости вращения выходного вала 3 передачи. Передача работает как однопоточная механическая с высоким КПД.
На втором диапазоне можно реализовать четыре передачи: две двухпоточные гидромеханические и две механические (однопоточную и двухпоточную). В качестве примера в этом диапазоне работа передачи дана в режиме двухпоточной гидромеханической передачи 2 (по таблице), при которой обеспечивается бесступенчатое изменение скорости вращения ее выходного вала.
Для его реализации необходимо муфту 36 соединить с зубчатым венцом шестерни 34 при выключенных остальных элементах управления (см. таблицу). В результате один поток мощности с входного вала 2 через шестерни 28 и 34 передается на водило 24 дифференциала 16, а далее через сателлиты 23 на эпициклическую шестерню 22 и через водило 18 дифференциала 15 на выходной вал 3 передачи. Второй поток мощности с входного вала 2 через шестерни 25 и 26 передается на привод насоса 8. Гидромотор 9 через шестерни 13, 12 и 37 передает крутящий момент на солнечную шестерню 21 дифференциала 16. Далее момент через сателлиты 23 и эпицикличекую шестерню 22 через водило 18 дифференциала 15 передается на вал 3. В результате на водиле 18, а следовательно, на выходном валу 3 передачи суммируются два потока мощности. Здесь бесступенчатое изменение скорости вращения выходного вала 3 обеспечивается за счет изменения параметра регулирования насоса «е» от (+1) до (0) и далее от (0) до (-1).
Режим двухпоточной механической передачи 2-3 обеспечивается соединением муфты 36 с зубчатым венцом шестерни 34, муфты 30 с полумуфтой 29, включением шунтирующего клапана 10 и соединением муфты 14 с зубчатым венцом шестерни 12. При этом параметр регулирования насоса равен (-1). При включении шунтирующего клапана 10 часть рабочей жидкости, подаваемой насосом 8 к гидромотору 9, через клапан 10 обратно направляется к насосу 8. В результате снижается давление жидкости, подводимой к гидромотору 9, и уменьшается величина крутящего момента на валу 11 гидромотора. При соединении муфты 14 с зубчатым венцом шестерни 12 вал 11 гидромотора блокируется на неподвижный корпус 1 передачи. Весь поток жидкости, подаваемый насосом 8, через шунтирующий клапан 10 обратно поступает в насос 8, образуя круг циркуляции рабочей жидкости. Шунтирующий клапан 10 лучше включать с некоторым опережением включения муфты 14, замыкающей вал 11 гидромотора на неподвижный корпус 1 передачи.
В результате первый поток мощности с входного вала 2 через шестерни 28 и 34 передается на водило 24 дифференциала 16, а далее через сателлиты 23 на эпициклическую шестерню 22 и через водило 18 дифференциала 15 на выходной вал 3 передачи. Второй поток мощности с вала 2 через шестерни 32 и 33 передается на эпициклическую шестерню 19 дифференциала 15, далее через сателлиты 20 и водило 18 на выходной вал 3. Таким образом, на выходном валу 3 суммируются два потока мощности, подводимые к валу механическим путем с высоким КПД.
Режим стояночного тормоза обеспечивается соединением зубчатой муфты 30 с полумуфтой 31 и установкой параметра регулирования насоса 8, равного (0). В результате у дифференциала 15 становятся неподвижными эпициклическая шестерня 19 и солнечная шестерня 17. При этом водило 18, а следовательно, и связанный с ним выходной вал 3 передачи также блокируются относительно неподвижного корпуса 1 передачи, выполняя роль тормоза.
В приведенной таблице указаны все возможные режимы работы передачи за исключением получения механических передач при промежуточных значениях параметра регулирования насоса «е», отличных от (+1), (0) и (-1). При параметре «е», равном (0), вал 11 гидромотора 9 гидравлически заторможен и передача становится однопоточной механической. Предлагаемая передача позволяет получить 4 диапазона переднего хода, обеспечивающие получение 13 передач, один диапазон заднего хода и режим стояночного тормоза.
Таким образом, как видно из приведенного описания, установка в гидролинию 7 шунтирующего клапана 10, который за счет уменьшения давления в гидролинии снижает величину крутящего момента на валу 11 гидромотора 9, а в приводе гидромотора 9 установка муфты 14, замыкающей вал гидромотора 11 на корпус 1 с полной его остановкой, необходимой для образования механических ступеней, и совокупный эффект от применения шунтирующего клапана 10 и блокирующей муфты 14 позволяют получить дополнительные одно- и двухпоточные механические передачи с высоким КПД.
Благодаря возможности блокировки вала 11 гидромотора 9 с помощью муфты 14 на неподвижный корпус 1 передачи при любой величине параметра регулирования насоса, который может изменяться в диапазоне от (+1) до (-1), обеспечиваются следующие преимущества передачи:
- расширяется диапазон регулирования передачи;
- возможно получение дополнительных режимов передачи, когда передача мощности осуществляется чисто механическим путем с высоким КПД;
- сокращается время на переключение передач.
Совместное применение шунтирующего клапана и блокирующей муфты позволяет обеспечить снижение энергетических потерь в гидроконтуре. В свою очередь это приводит к повышению общего КПД трансмиссии.
Возможности предлагаемой ОГМП дополнительно существенно расширяются при выполнении гидромотора 9 регулируемым и управлении при этом соединительной муфтой 14 в согласованном алгоритме с управлением работой шунтирующего клапана 10 и совместным регулированием насоса 8 и гидромотора 9. В результате существенно улучшаются тягово-динамические и топливно-экономические показатели машины при использовании такой передачи.