БЕССТУПЕНЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА С ПЛАНЕТАРНЫМ МЕХАНИЗМОМ С ВЫХОДОМ НА ЭПИЦИКЛИЧЕСКОЕ КОЛЕСО
INFINITELY VARIABLE TRANSMISSION WITH PLANETARY GEAR WITH THE OUTPUT TO THE EPYCYCLIC WHEEL

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. с. 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 трансмиссии, содержащие фрикционный вариатор и планетарный механизм, работающий в суммирующем (интегральном) режиме.
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).
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, расположенном 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 передачи - простого лобового вариатора, который передает только малую часть крутящего момента на солнечную шестерню, а основной поток мощности передается цилиндрической зубчатой передачей на водило 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 параллельно, на ведущем валу закреплен зубчатый венец с муфтой остановки ведущей цилиндрической шестерни, которая свободно установлена на ведущем валу и зацеплена с ведомым цилиндрическим колесом, закрепленным на водиле, на корпусе которого установлена муфта блокировки планетарного механизма, малое фрикционное колесо установлено по шпонке ведущего вала, прижато к большому фрикционному колесу ведомого вала, которое конической передачей и валом соединено с солнечной шестерней, на этом валу закреплен зубчатый венец муфты блокировки планетарного механизма, эпициклическое колесо установлено на выходном валу.
На фиг. 1 показана кинематическая схема бесступенчатой передачи с лобовым фрикционным вариатором и простым трехзвенным ПМ (планетарным механизмом) в режиме «a+h» с параллельным расположением входного и выходного валов.
На фиг. 2 показаны кинематические характеристики бесступенчатой передачи.
В опорах корпуса 1 бесступенчатой передачи (фиг. 1) расположен входной вал 2, на котором закреплен зубчатый венец 3 и свободно установлена ведущая цилиндрическая шестерня 4, на зубчатом венце 5 которой расположена муфта 6 для соединения с зубчатыми венцами 3 ведущего вала или 7 корпуса 1. На шпонке 8 входного вала 3 установлено ведущее малое фрикционное колесо 9, которое прижато к ведомому большому фрикционному колесу 10, закрепленному на ведомом валу 11. Ведущая коническая шестерня 12 закреплена на валу 11 и зацеплена с ведомым коническим колесом 13, которое закреплено на валу 14, на этом валу закреплена солнечная шестерня 15 (a) ПМ. Ведомое цилиндрическое колесо 16 закреплено на водиле 17 (h), на осях 18 которого установлены сателлиты 19, зацепленные с солнечной шестерней 15 (a) и эпициклическим колесом 20 (b) ПМ. Корпус 21 эпициклического колеса 20 (b) закреплен на выходном валу 22, установленном параллельно входному валу 2. На водиле 17 (h) расположен зубчатый венец 23 с муфтой блокировки ПМ 24, рядом с зубчатым венцом 23 водила 17 на валу 14 закреплен зубчатый венец 25.
b
a
b
a
Простой ПМ, состоящий из трех звеньев: солнечной шестерни (а), эпициклического колеса (b) и водила (h) с сателлитами, характеризуется внутренним параметром К=Z/Z=1,5-5, который равен отношению чисел зубьев Z эпициклического колеса и Z солнечной шестерни.
Суммирующие возможности ПМ для нашего случая описываются зависимостью
b
bh
h
ba
a
h
a
a
h
n=Un+Un=n(K+1)/K-n/K;
a
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.
ab
h
Редукторный режим U=-К
Верхний индекс «h» указывает на остановленное звено ПМ, индексы внизу - на звенья входа «a» и выхода «b» крутящего момента. Знак «минус» впереди внутреннего параметра «К» обозначает изменение направления вращения выходного звена по сравнению с входом. Если принять К=4,0, то частота вращения ведомого вала 22 будет в 4 раза меньше частоты вращения солнечной шестерни 15, которая определяется частотой вращения входного вала 2 и передаточным числом вариатора 9-10, ведомый вал 22 будет вращаться в направлении, противоположном вращению солнечной шестерни 15.
var
var
кон
A
var
ab
var
B
var
ab
var
C
var
ab
h
h
h
На фиг. 1 водило 17 (h) остановлено муфтой 6, замкнувшей зубчатые венцы 7 корпуса 1 и 5 ведущей цилиндрической шестерни 4 (см. нижнее положение муфты 6), которая останавливает ведомое цилиндрическое колесо 16, закрепленное на водиле 17 (h). Крутящий момент поступает от ведущего вала 2 по шпонке 8 на малое фрикционное колесо 9, затем на большое фрикционное колесо 10, далее конической передачей 12-13, валом 14, на солнечную шестерню 15 (a) и сателлиты 19. Сателлиты 19 вращаются на осях 18 остановленного водила 17 (h), они передают увеличенный крутящий момент с уменьшенной частотой вращения, при этом изменяют направление вращения эпициклического колеса 20 (b). Крутящий момент снимается с эпициклического колеса 20 (b) ПМ, по корпусу 21 эпициклического колеса передается на выходной вал 22. Перемещая малое фрикционное колесо 9 по шпонке 8 относительно большого фрикционного колеса 10, изменяем величину передаточного числа вариатора. В положении, приведенном на фиг. 1, вариатор работает в замедляющем режиме - U>1,0 и представлен нижней прямой 1 фиг. 2. При передаточном числе вариатора U=5,0 и U=1,0 передаточное число устройства составит U=UU=5×(-4)=-20; оно отмечено т. А на нижней прямой 1, знак «минус» указывает на изменение направления вращения выходного вала 22. При перемещении колеса 9 к центру колеса 10 происходит уменьшение величины передаточного числа - по прямой 1 вверх к т. 0. Например, при U=0,5 передаточное число устройства составит U=UU=0,5×(-4)=-2,0; оно отмечено т. В на нижней прямой 1. При дальнейшем перемещении колеса 9 и пересечении центра вращения колеса 10 произойдет изменение направления вращения вала 11, солнечной шестерни 15 и далее до выходного вала 22 - на фиг. 2 по верхней прямой 2 от т. 0 вверх. При U=4,0 передаточное число устройства составит U=UU=5×4=20; оно отмечено т. С на верхней прямой 2 фиг. 2.
Суммирующий режим работы ПМ
b
bh
h
ba
a
h
a
a
h
n=Un+ Un=n(K+1)/K-n/K
В отличие от предыдущего режима крутящий момент на ПМ передается двумя путями: к солнечной шестерне 15 как описано ранее, основной поток усилия поступает зубчатой передачей 4-16 на водило 17.
вх
2
var
цил
кон
h
h
a
вх
var
a
b
h
a
E
var
b
h
a
F
var
b
var
var
h
a
b
h
a
I
На фиг. 1 от входного вала 2 и зубчатого венца 3 муфтой 6 крутящий момент цилиндрической передачей 4-16 приходит на водило 17, оси 18 и сателлиты 19. От сателлитов 19 суммарное усилие солнечной шестерни 15 и водила 17 поступает на эпициклическое колесо 20 и по корпусу 21 на выходной вал 22. Если условно принять частоту вращения входного вала n=n=1000 об/мин; U=5,0; U=4,0; U=1,0, то частота вращения водила 17 n=1000/4=250 об/мин; n(K+1)/K=250(5/4)=312,5 об/мин; частота вращения солнечной шестерни n=n/U=1000/5=200 об/мин; n/K=200/4=50 об/мин. Частота вращения эпициклического колеса 20 и выходного вала 22 составит n=n(K+1)/K-n/K=[(1000/4)(5/4)-(1000/5×4)]=312,5-50=262,5. Передаточное число устройства U=1000/262,5=3,81; оно отмечено т. Е на верхней линии 3 фиг. 2. При смещении колеса 9 в сторону центра колеса 10 и уменьшении передаточного числа вариатора, например, до U=1,0; получим n=n(K+1)/K-n/K=[(1000/4)(5/4)-(1000/4)]=62,5; передаточное число устройства U=1000/62,5=16,0; оно отмечено т. F на верхней линии 3. При U=0,8 получим n=0, a U=∞, это состояние на фиг. 2 представлено вертикальной пунктирной линией на уровне U=0,8. При дальнейшем перемещении колеса 9 и пересечении центра вращения колеса 10 произойдет изменение направления вращения вала 11, солнечной шестерни 15 и далее до выходного вала 22. Если U=0,6, то в этом случае знаки перед n и n совпадают n=-n(K+1)/K-n/K=[-(1000/4)(5/4)-(1000/(0,6×4)]=-104,2; передаточное число устройства U=1000/(-104,2)=-9,6; оно отмечено т. I на нижней линии 4, знак «минус» указывает на изменение направления вращения выходного вала 22.
Аварийный режим - выход вариатора из строя
цил
Выводим малое фрикционное колесо 9 из контакта с большим фрикционным колесом 10, блокируем ПМ муфтой 24, замыкая зубчатые венцы 23 и 25. Работает только цилиндрическое зацепление 4-16 с U=4,0.
Редукторный режим целесообразно использовать только при малой нагрузке, например при порожнем НТС, так как весь крутящий момент реализуется фрикционным контактом колес 9 и 10. Суммирующий режим используем для груженого НТС.
Обозначения:
1 - корпус бесступенчатой передачи;
2 - входной вал;
3 - зубчатый венец, закрепленный на валу 2;
4 - ведущая цилиндрическая шестерня;
5 - зубчатый венец шестерни 4;
6 - муфта соединения с зубчатыми венцами: 3 входного вала 2 или 7 корпуса 1;
7 - зубчатый венец корпуса 1;
8 - шпонка;
9 - малое фрикционное колесо;
10 - большое фрикционное колесо;
11 - вал большого фрикционного колеса 10;
12 - ведущая коническая шестерня;
13 - ведомое коническое колесо;
14 - вал ведомого конического колеса 13;
15 (a) - солнечная шестерня ПМ;
16 - ведомое цилиндрическое колесо;
17 (h) - водило;
18 - оси сателлитов;
19 - сателлиты;
20 (b) - эпициклическое колесо ПМ;
21 - корпус эпициклического колеса 20;
22 - выходной вал;
23 - зубчатый венец водила 17 (h);
24 - муфта блокировки ПМ;
25 - зубчатый венец вала 14 привода солнечной шестерни 15(a).