ГИРОСКОПИЧЕСКАЯ ПРЕЦЕССИОННАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ
GYROSCOPIC PRECESSION AUTOMATIC TRANSMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к автоматической трансмиссии, требующей того, чтобы скорость варьировалась при изменениях нагрузки, а более конкретно к автоматической трансмиссии, состоящей из планетарного редуктора с гироскопом.
Уровень техники
Автоматические трансмиссии широко известны, в частности, в автомобильной промышленности.
Гидравлические автоматические трансмиссии составляют большую часть автоматических трансмиссий автомобилей из-за их плавного хода, легкости в обращении и хороших характеристик по мощности, а также за гарантированную надежность. Тем не менее, использование гидравлических приводов снижает КПД трансмиссии и увеличивает затраты.
Электромеханические автоматические трансмиссии просто используют шестерню, поэтому они имеют высокий КПД и требуют относительно небольших затрат. Тем не менее, они имеют проблемы, связанные с комбинацией переключения передач и передачей энергии, и имеются определенные погрешности в их гибких элементах. Следовательно, они не могут считаться подходящими для того, чтобы получить правильный ход.
Бесступенчатые автоматические трансмиссии или непрерывно изменяемые трансмиссии рассматривались как оптимальные с момента появления и сегодня достигли высокой степени развития. С помощью электронных управляющих систем они преодолевают такие проблемы, как перегрузочная способность по крутящему моменту, шум и безотказность. Тем не менее, проблема затрат по-прежнему остается неразрешенной.
В гибридных автоматических трансмиссиях с двумя потоками мощности, состоящих из двух потоков мощности, т.е. потока мощности через планетарный привод и потока мощности через привод типа "генератор-электродвигатель", таких как, например, описанных в патентах США 6,416,437 B2, 2003/0176955 A1 и Международной публикации WO 242658, а также в гибридной системе Toyota (THS), планетарный привод имеет высокий КПД, поскольку прямой перенос мощности осуществляется в нем посредством зубчатых передач, а привод типа "генератор-электродвигатель" имеет малый КПД вследствие передачи мощности посредством нескольких преобразований энергии, и еще упомянутые трансмиссии становятся более сложными по структуре из-за их усложненного процесса управления, что приводит к высоким совокупным затратам.
В автоматических трансмиссиях с шестью или семью ступенями диапазоны передаточных чисел сближены на каждой ступени и расширены между высшей и низшей ступенью, и таким образом, достижимо более ровное изменение скорости с помощью электронных средств управления. Следовательно, расход топлива небольшой, а скорость срабатывания высокая, что повышает подвижность и возможность разгона автомобилей. Тем не менее, те же трансмиссии становятся более сложными по структуре и требуют усложненной системы управления, что приводит к увеличению затрат. Кроме того, использование гидравлических преобразователей приводит к значительным потерям при переносе мощности, и непрерывные действия по управлению образуют множество точек перегиба на характеристических кривых коробок передач. Следовательно, эти трансмиссии не могут считаться механически совершенными.
Следовательно, проблемы, связанные с автоматическими трансмиссиями предшествующего уровня техники, включают в себя передаточный процесс, отказоустойчивость, затраты, управление, скорость срабатывания и эффективность и т.д.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в создании автоматической трансмиссии для общего пользования с зубчатыми передачами, полностью удовлетворяющей механически обязательным и достаточным условиям для собственного применения, которая работает с передаточными числами, самопроизвольно изменяющимися с изменением нагрузки без изменения передачи (с комбинацией без изменения шестерен и зацепления шестерен), при этом передаточное отношение поддерживается равным пропорции выходного крутящего момента к входному крутящему моменту.
Аспектом раскрытого изобретения является автоматическая трансмиссия, состоящая из планетарного редуктора, который представляет собой конический редуктор, предпочтительно имеющий один планетарный вал, причем планетарный вал представляет собой ротор с заданным моментом инерции, и при этом ось вращения планетарного вала перпендикулярна его оси вращения. В альтернативном варианте планетарный редуктор имеет множество планетарных валов, которыми являются роторы с заданным моментом инерции.
Поскольку планетарный вал представляет собой ротор с заданным моментом инерции, он выступает в качестве гироскопа, и его вращение эквивалентно прецессии гироскопа, при этом внешней силой, генерирующей прецессию, является нагрузка, прикладываемая к выходному валу. Следовательно, скорость вращения планетарного вала варьируется с изменением выходной нагрузки, и то же самое применимо к скорости вращения выходного вала. Это позволяет трансмиссии работать при передаточных числах, самопроизвольно изменяющихся при изменении выходной нагрузки без каких-либо управляющих операций для изменения скорости.
Другим предпочтительным вариантом изобретения является автоматическая трансмиссия, состоящая из планетарного редуктора, который в предпочтительном варианте представляет собой конический редуктор, содержащий предпочтительно три планетарных вала, установленных внутри на вращающейся раме, которая расположена между входной и выходной шестерней таким образом, что планетарные валы являются перпендикулярными оси, проходящей между входным и выходным валами, и дополнительно содержащая три ротора с заданным моментом инерции, которые расположены снаружи между планетарными валами на вращающейся раме. В альтернативном варианте планетарный редуктор представляет собой кольцевой цилиндрический редуктор или два цилиндрических редуктора.
Каждый из роторов имеет шестерню ротора, предназначенную для его вращения относительно вращающейся рамы посредством шестерни вспомогательного привода, установленной на входном валу. Если входной вал вращается на определенной скорости, тогда роторы вращаются с помощью шестерни вспомогательного привода, и тем самым вращающаяся рама удерживается от вращения посредством гироскопического момента. Следовательно, мощность передается на выходную шестерню посредством входной шестерни и планетарных зубчатых передач. Если нагрузка, которой может подвергаться выходная шестерня, действует на вращающуюся раму посредством планетарных валов, то вращающаяся рама вращается, посредством чего роторы входят в прецессию. Соответственно, скорость вращения вращающейся рамы варьируется в зависимости от изменений выходной нагрузки, и трансмиссия работает с передаточными числами, самопроизвольно изменяющимися с изменением выходной нагрузки.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой конический редуктор, имеющий один планетарный вал, который представляет собой ротор.
Фиг.2 представляет собой схематичный вид, показывающий баланс в планетарной шестерне между моментом относительно мгновенного центра вращения посредством входного крутящего момента и баланс посредством выходного крутящего момента.
Фиг.3 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой конический редуктор, имеющий множество планетарных валов, которые представляют собой роторы, поддерживаемые с возможностью скольжения.
Фиг.4 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой конический редуктор, имеющий множество планетарных валов, которые представляют собой роторы, поддерживаемые с возможностью вращения.
Фиг.5 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой конический редуктор, имеющий множество планетарных валов и множество роторов, соответственно, закрепленных на вращающейся раме.
Фиг.6 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой кольцевой цилиндрический редуктор, имеющий множество планетарных валов и множество роторов, соответственно, закрепленных на вращающейся раме.
Фиг.7 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению, показывающий работу и структуру, при этом планетарный редуктор представляет собой два цилиндрических редуктора, имеющих множество планетарных валов и множество роторов, соответственно, закрепленных на вращающейся раме.
Фиг.8 представляет собой график, показывающий характеристики согласно настоящему изобретению.
Фиг.9 представляет собой схематичный вид автоматической трансмиссии согласно настоящему изобретению для автомобиля, показывающий структуру в собранном состоянии.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Один вариант осуществления согласно настоящему изобретению показан на Фиг.1.
Трансмиссия состоит из планетарного редуктора, предпочтительно имеющего четыре конических шестерни и один планетарный вал, который представляет собой ротор с заданным моментом инерции. В альтернативном варианте планетарный редуктор имеет множество планетарных валов, которые представляют собой роторы с заданным моментом инерции (Фиг.3 и 4).
Со ссылкой на Фиг.1, входная шестерня 2, установленная на входном валу 1, размещается вдоль идентичной оси напротив выходной шестерни 4, установленной на выходном валу 5, между которыми ротор 8, выступающий в качестве планетарного вала, размещается перпендикулярно той же оси. Ротор 8 имеет ключевую планетарную шестерню 3 и подшипниковую планетарную шестерню 6 и с обоих концов поддерживается во вращающейся раме 7, предпочтительно, посредством подшипников, таких как гироскоп, установленный на карданном валу. Ключевая планетарная шестерня 3 неподвижно установлена на роторе 8 посредством ключа, чтобы выполнять две функции: передавать мощность от входной шестерни 2 к выходной шестерне 4 и заставлять ротор 8 вращаться, а подшипниковая шестерня 6 подвижно установлена на роторе 8 посредством подшипников, чтобы просто выполнять функцию передачи мощности от входной шестерни 2 к выходной шестерне 4.
При прецессии прецессионный центр ротора 8 находится в центре вдоль его оси вращения (в точке 0 на Фиг.1) таким образом, чтобы пара осевых сил вращения (сформированных прецессией центробежных сил) была сбалансирована друг с другом. Если входной вал 1 вращается при определенной скорости без нагрузки на выходной вал 5, то ротор 8 вращается без поворота вокруг центра вдоль своей оси. При вращении входного вала 1, если к выходному валу 5 прикладывается нагрузка, ротор 8 проворачивается, и постепенное возрастание нагрузки увеличивает скорость поворота соответствующим образом. Это означает, что ротор 8, вращающийся при определенной скорости, входит в прецессию посредством приложения внешней силы. Так сказать, поворот ротора 8 является его прецессией как гироскопа, которая создается посредством внешней силы, а именно выходной нагрузки, прилагаемой к ротору 8, вращающемуся при определенной скорости.
Прецессионная скорость (угловая скорость вращения) может быть выражена посредством следующей формулы:
(1)
где
- угловая скорость вращения ротора,
- угловая прецессионная скорость ротора,
- собственная угловая скорость ротора (угловая скорость поворота),
J - момент инерции ротора,
out
F - сила, которой подвергается ротор вследствие выходной нагрузки,
R - вертикальное расстояние от точки приложения крутящего момента нагрузки к прецессионному центру,
out
M - крутящий момент нагрузки, действующий на выходной вал.
Из формулы (1) следует, что в трансмиссии вращение ротора 8 является его прецессией, которая зависит от выходной нагрузки. На Фиг.2 показан схематичный чертеж, на котором входная шестерня, выходная шестерня и планетарная шестерня для удобства показаны развернутыми на одной плоскости. В точке о' на Фиг.2:
где o' - это мгновенный центр вращения планетарной шестерни. Преобразуя вышеприведенное отношение:
(2)
Со ссылкой на формулу (2), мгновенный центр вращения планетарной шестерни варьируется в положении согласно изменениям скорости вращения планетарного вала. В трансмиссии, как показано на Фиг.2, момент относительно мгновенного центра вращения планетарной шестерни посредством входного крутящего момента и момент посредством выходного крутящего момента всегда сбалансированы.
in
out
F·a=F·b (3)
Умножая обе части вышеприведенной формулы на  (абсолютную угловую скорость планетарной шестерни):
in
out
F·a·=F·b·
Поскольку нет скольжения относительно друг друга в точках зацепления A и B шестерней,
pla,ab
in
pla,ab
out
a·ω=υ, b·ω=υ
Следовательно, получается следующая формула:
in
in
out
out
F·υ=F·υ
где
in
in
out
out
υ=R·ω, υ=R·ω
Следовательно, формула (3) становится
in
in
out
out
M·ω=M·ω(4)
Из формулы (4) получается следующая формула
Соответственно, передаточное число:
Как описано выше, трансмиссия имеет такие признаки, что при работе передаточное число варьируется непрерывно с изменениями в выходной нагрузке и всегда равно пропорции выходного крутящего момента к входному крутящему моменту. Прецессионная ось ротора 8 перпендикулярна его собственной оси вращения, поэтому прецессия ротора 8 генерирует пару центробежных сил с началом в прецессионном центре.
Как показано на Фиг.1, прецессионный центр ротора 8 расположен в центре вдоль его оси вращения и, в результате, прецессия ротора 8 создает пару центробежных сил, равных по величине, противоположных по направлению на одной прямой линии и, таким образом, сбалансированных друг с другом, и дополнительно создает гироскопический момент, заставляющий его собственную ось вращения наклоняться в направлении прецессионной оси. Следовательно, ротору 8 требуется поддержка против гироскопического момента для его прецессии, и таким образом, он поддерживается посредством вращающейся рамы 7, как показано на Фиг.1. В альтернативном варианте роторы поддерживаются с возможностью скольжения, предпочтительно посредством подшипников (см. Фиг.4) и поддерживаются с возможностью вращения предпочтительно посредством направляющих роликов 9, поддерживающих колпаков 10 и поддерживающих роликов 11 (см. Фиг.3) против созданной прецессией центробежной силы и гироскопического момента.
При прецессии ротор 8 подвергается гироскопическому моменту, заставляющему его собственную ось вращения наклоняться в направлении его прецессионной оси, и пара центробежных сил задается вдоль его оси вращения, все из которых располагаются в перпендикулярном направлении к прецессионной оси. Следовательно, в ходе прецессии работа не выполняется и потеря энергии не вызывается, и процесс прецессии не больше, чем процесс прецессии потенциального изменения силового поля для передачи мощности. В этом смысле с точки зрения эффективности передача мощности здесь является такой же, как в обычной шестерне. Кроме того, прецессия является неинерциальным движением и, таким образом, имеет точную синхронизацию с изменениями нагрузки, что повышает скорость срабатывания трансмиссии и обеспечивает оптимальную подвижность и возможность разгона автомобиля.
На Фиг.5 показан другой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Трансмиссия состоит из планетарного редуктора, содержащего входную шестерню 2, выходную шестерню 5, предпочтительно три планетарных шестерни 3, все из которых предпочтительно представляют собой конические шестерни, и дополнительно содержит предпочтительно три ротора 12 с заданным моментом инерции. В альтернативном варианте планетарный редуктор представляет собой кольцевой цилиндрический редуктор или два цилиндрических редуктора (Фиг.6 и Фиг.7).
Входная шестерня 2 размещается напротив выходной шестерни 5 коаксиально. Три планетарных вала, предпочтительно, с одинаковыми периферическими интервалами, установлены на вращающейся раме 9, которая расположена между входной шестерней 2 и выходной шестерней 5 таким образом, чтобы планетарные валы были перпендикулярны оси, проходящей между входным валом 1 и выходным валом 6. На вращающейся раме 9, предпочтительно, снаружи расположены три ротора 12 между планетарными валами с одинаковыми интервалами. Каждый из роторов 12 имеет шестерню 8 ротора, выполненную с возможностью вращения его относительно вращающейся рамы 9 посредством шестерни 7 вспомогательного привода, установленной на входном валу 1. Если входной вал 1 вращается с заданной скоростью, то роторы 12 вращаются с помощью шестерни 7 вспомогательного привода, и таким образом не допускается вращение вращающейся рамы 9 посредством гироскопического момента. В результате, мощность передается на выходную шестерню 5 через входную шестерню 2 и планетарную шестерню 3. Если нагрузка, которой может подвергаться выходная шестерня 5, прилагается к вращающейся раме 9 через планетарные валы, то вращающаяся рама 9 вращается, посредством чего роторы 12 входят в прецессию. Соответственно, скорость вращения вращающейся рамы 9 варьируется в зависимости от изменений нагрузки, и этот вариант осуществления также работает с передаточными числами, самопроизвольно изменяющимися с изменением нагрузки. Кроме того, поскольку прецессионные центры O роторов 12 расположены, как показано на Фиг.5, при прецессии роторы 12 подвергаются центробежным силам, против которых они поддерживаются, предпочтительно, посредством упорных подшипников 11 ротора, и гироскопическим моментам, против которых они поддерживаются, предпочтительно, посредством упорных подшипников 10 вращающейся рамы.
На Фиг.8 показаны характеристики трансмиссии согласно настоящему изобретению. Кривая A представляет собой график, сравнивающий крутящий момент с нагрузкой. Кривая B представляет собой график крутящего момента двигателя, кривая C представляет собой график крутящего момента трансмиссии при заданной скорости двигателя, и кривая D представляет собой крутящий момент нагрузки, приложенный к двигателю на заданной скорости. Ордината представляет собой ось крутящего момента, а абсцисса представляет собой ось числа оборотов двигателя.
На Фиг.9 показана гироскопическая прецессионная автоматическая трансмиссия для автомобилей.
Часть I представляет собой часть прямого/обратного/нейтрального преобразования, содержащая в комбинации приводной вал 1, зубчатый вал 2 с прямым соединением, угловую шестерню 3, входную храповую муфту 4, планетарную шестерню 5 для преобразования направления, вращающуюся раму 6 планетарной шестерни, преобразователь 7 направления, солнечную шестерню 8 для преобразования направления и входной вал 9.
Часть II представляет собой часть изменения скорости, содержащую во взаимодействии входную шестерню 10, планетарную шестерню 11, ротор 12, вращающуюся раму 13, внутреннюю вращающуюся раму 14, выходную шестерню 15 и выходной вал 16.
Часть III представляет собой часть прямого соединения, содержащую выходную храповую муфту 7, соединительную пружину 18, автоматическую муфту 19 критичного крутящего момента, червячную передачу 20 и приводной вал 21.
В части I мощность от приводного вала 1 передается на входной вал 9 через зубчатый вал 2 с прямым соединением и входную храповую муфту 4. Преобразователь 7 направления может выполнить преобразование направления на прямое/обратное/нейтральное. Число вращения в части I больше, чем в части II.
В части II мощность передается на выходную шестерню 15 через входную шестерню 10, при этом скорость изменяется с изменениями нагрузки.
В части III, когда скорость вращения выходного вала 16 меньше скорости вращения двигателя, мощность передается на приводной вал 21 через выходную храповую муфту 17, а когда больше, входная храповая муфта 4 и выходная храповая муфта 17 расцепляются с помощью червяной передачи 20, мощность напрямую передается на приводной вал 21 через зубчатый вал 2 с прямым соединением. Если крутящий момент нагрузки превышает заранее заданный предел, то автоматическая муфта 19 критичного крутящего момента приводится в действие, и посредством этого входная храповая муфта 4 и выходная храповая муфта 17 входят в зацепление, так что мощность проходит через часть II.
В автомобиле, оснащенном гироскопической прецессионной автоматической трансмиссией, намерения водителя могут быть реализованы только посредством педали газа и педали тормоза.