одноколейное транспортное средство

Формула изобретения

1. Одноколейное транспортное средство, имеющее раму, двигатель, установленный на раме и снабженный ведущей звездочкой, ведущее колесо, снабженное ступицей и ведомой звездочкой, закрепленной на ступице, механическую трансмиссию, соединяющую между собой ведущую и ведомую звездочки с возможностью изменения передаточного отношения, тормоз и систему управления режимом движения, отличающееся тем, что система управления выполнена двухпедальной, связанной с двигателем и тормозом, а трансмиссия содержит саморегулируемый трансформатор вращающего момента, корпус которого выполнен в виде ступицы ведущего колеса, закреплен на раме в подшипниковых опорах и снабжен двухпоточным механизмом преобразования момента, имеющим входное и выходное звенья, связанные соответственно с ведомой звездочкой и ведущим колесом, причем выходное звено выполнено в виде барабана, жестко связанного с ведущим колесом и имеющего крышки с цапфами, снабженными наружными и внутренними подшипниковыми опорами, из которых первые установлены на раме, входное звено выполнено в виде двухопорного коленчатого вала, который установлен во внутренних подшипниковых опорах цапф и имеет две пары кривошипов, в каждой из которых кривошипные шейки наклонены к оси вала и соосны между собой при угловом сдвиге между ними 180^o, а механизм преобразования момента содержит пару прецессирующих сателлитов, установлен на соосных кривошипных шейках вала с возможностью вращения и имеет зубчатый венец и пару зубчатых венцов, которые жестко связаны с крышками барабана и зацеплены с зубчатыми венцами прецессирующих сателлитов.

2. Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что кривошипы входного вала выполнены одинаковыми по наклону и размерам шеек и имеют оси, размещенные в одной плоскости.

3. Одноколейное транспортное средство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что трансформатор вращающего момента выполнен однопоточным, а прецессирующие сателлиты снабжены коническими зубчатыми венцами для зацепления между собой, один из сателлитов установлен свободно относительно крышки барабана.

4. Транспортное средство по п. 1, отличающееся тем, что трансформатор вращающего момента содержит один прецессирующий сателлит, кинематически связанный с крышкой барабана зубчатой передачей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а точнее, к механическим транспортным средствам и может быть использовано преимущественно в производстве одноколейных транспортных средств типа мотоцикла.

Известны [1] одноколейные транспортные средства (0ТС), имеющие раму, двигатель, снабженный ведущим звеном (звездочкой), ведущее колесо, связанное с рамой, трансмиссию, кинематически связывающую ведущую звездочку и ведущее колесо с возможностью ступенчатого изменения передаточного отношения, и систему управления, связанную с двигателем, трансмиссией и тормозом.

Известным 0ТС характерны такие недостатки, как сложность конструкции и управления, благодаря чему снижается надежность и повышается опасность дорожно-транспортных происшествий.

Среди известных OТC наиболее простую конструкцию имеют такие, у которых в трансмиссии цепная передача, соединяющая ведущую и ведомую звездочки. Однако и они остаются достаточно сложными по конструкции и в управлении, поскольку имеют механизм сцепления, многоступенчатую коробку передач, цепную передачу и органы управления двигателем, сцеплением, коробкой передачи и тормозом.

Таково принятое за прототип OТC типа мотоцикла (см. например, книгу: Бюссиен Р. Автомобильный справочник, М. Машиностроение, 1960, стр. 668, т. 2).

По прототипу OТC имеет раму, двигатель, установленный на раме и снабженный ведущей звездочкой, ведущее колесо, снабженное ступицей и ведомой звездочкой, закрепленной на ступице, механическую трансмиссию, соединяющую между собой ведущую и ведомую звездочки с возможностью изменения передаточного отношения, тормоз и систему управления режимом движения.

Основными недостатками прототипа являются сложность конструкции и управления в связи с использованием трансмиссии со ступенчатой коробкой передач. По этой же причине низкие динамика и надежность.

Желательны OТC простые по конструкции и в управлении, высокодинамичные и надежные.

Изобретение выполнено с целью упрощения конструкции, повышения динамики и облегчения управления OТC.

Поставленная цель достигается тем, что система управления режимом движения выполнена двухпедальной, связанной с двигателем и тормозом, а трансмиссия содержит саморегулируемый трансформатор вращающего момента, который размещен по месту расположения ступицы ведущего колеса, жестко связан с ведущим колесом, закреплен на раме в подшипниковых опорах и снабжен двухпоточным механизмом преобразования момента, имеющим входное и выходное звенья, связанные соответственно с ведомой звездочкой и ведущим колесом, причем выходное звено выполнено в виде барабана, жестко связанного с ведущим колесом и имеющего крышки с цапфами, снабженными наружными и внутренними подшипниковыми опорами, из которых первые установлены на раме, входное звено выполнено в виде двухопорного коленчатого вала, который установлен во внутренних подшипниковых опорах цапф и имеет две пары кривошипов, в каждой из которых кривошипные шейки наклонены к оси вала и соосны между собой при угловом сдвиге между ними 180^o, а механизм преобразования момента содержит пару прецессирующих сателлитов, каждый из которых несет инерционную массу, распределенную по ободу, установлен на соосных кривошипных шейках вала с возможностью вращения и несет зубчатый венец, и пару зубчатых венцов, которые жестко связаны с крышками барана и входят в зацепление с зубчатыми венцами прецессирующих сателлитов.

Поставленная цель достигается также тем, что кривошипы выполнены одинаковыми по наклону и размерам шеек и имеют оси, размещенные в одной плоскости.

Поставленная цель достигается также тем, что трансформатор вращающего момента выполнен однопоточным так, что прецессирующие сателлиты снабжены коническими зубчатыми венцами, входящими в зацепление между собой, а один из сателлитов установлен свободно относительно крышки барабана.

Поставленная цель достигается тем, что трансформатор вращающего момента содержит один прецессирующий сателлит, кинематически связанный с барабаном зубчатой передачей.

Указанные признаки OТC являются существенными, поскольку использование саморегулируемого трансформатора вращающего момента исключает из конструкции механизм сцепления и ступенчатую коробку передач, имеющие большое число деталей и поверхностей трения, упрощает систему управления и процесс управления, что служит снижению возможности ДТП, повышает динамику OТC ввиду безразрывности силового потока при смене режима движения, а размещение трансформатора вращающего момента вместо ступицы в ведущем колесе уменьшает габариты и дополнительные упрощает конструкцию. Остальные существенные признаки служат повышению уравновешенности силового блока и всего OТC и дополнительному упрощению конструкции применительно к отдельным типам OТC.

Сопоставление заявленного OТC с прототипом, аналогами и другими машинами транспортного и иного назначения, имеющими механическую трансмиссию, показало, что предложенное техническое решение не следует из уровня техники и является новым. Это обусловлено тем, что известные механические [3, 4] трансформаторы вращающего момента громоздки, сложным и тяжелы для OТC и не имеют перспектив практического применения на мотоциклах, мотороллерах, минитракторах с одним ведущим колесом и др. Предложенное OТC имеет трансформатор вращающего момента нового типа, действие которого основано на использовании прецессирующего сателлита, образующего гироскопический момент, передаваемый в качестве вращающего момента выходному звену трансмиссии. Использование гироскопического момента в трансмиссии машин решение новое и может представлять интерес не только для одноколейной транспортной техники. Значит, техническое решение имеет изобретательский уровень.

Изобретение промышленно применимо, поскольку предназначено для использования в промышленности и способно обеспечить достижение усматриваемого результата.

Сущность изобретения поясняется на примерах его реализации.

На фиг. 1 показан фрагмент общего вида одноколейного транспортного средства типа мотоцикла с продольным горизонтальным разрезом по оси ведущего колеса.

На фиг. 2 показан однопоточный трансформатор вращающего момента, продольный разрез.

На фиг. 3 то же при одном прецессирующем сателлите.

Одноколейное транспортное средство (фиг. 1) имеет раму 1. На раму установлены двигатель 2, снабженный ведущей звездочкой 3, и ведущее колесо 4, снабженное ступицей 5 в виде трансформатора вращающего момента. Последний имеет входной вал 6, который снабжен ведомой звездочкой 7 и бесконечной цепью 8 связан с двигателем, и выходное звено в виде барабана 9, связанного жестко спицами 10 с ведущим колесом. Барабан имеет торцевые крышки 11 и 12 с наружными цапфами 13 и 14, снабженными наружными 15 и внутренними 16 подшипниковыми опорами. Через опоры 15 барабан и ведущее колесо связаны с рамой с возможностью вращения. Входной вал двухопорный, что служит повышению жесткости, он установлен соосно барабану на двух внутренних опорах 16 цапф, выполнен коленчатым с двумя парами кривошипов 17 и 18.

В каждой паре кривошипные шейки наклонены к оси входного вала на угол около 20^o и соосны между собой при угловом сдвиге между ними 180^o>. Не обязательным, но желательным для улучшения свойств OТC, является условие выполнения кривошипов одинаковыми по наклону и размерам шеек, оси которых размещены в одной плоскости, благодаря чему конструкция технологичнее. В общем случае наклон шеек принимают в пределах от 0,5 до 45^o ориентировочно, причем с ростом оборотности двигателя наклон может быть уменьшен, что благоприятно сказывается на уменьшении длины барабана.

На шейках кривошипа 17 установлен с возможностью вращения прецессирующий сателлит 19, который на ободе несет распределенную массу 20, а на диске имеет зубчатый конический венец 21. На крышке 12 жестко закреплен зубчатый конический венец 22, входящий в зацепление с зубчатым венцом 21 прецессирующего сателлита.

Аналогично на шейках кривошипа 18 установлен прецессирующий сателлит 23, несущий инерционную массу 24 и зубчатый венец 25, на крышке 11 жестко закреплен зубчатый венец 26, а зубчатые венцы 25 и 26 находятся в зацеплении. Благодаря применению двух прецессирующих сателлитов суммарная инерционная масса трансформатора вращающего момента получается достаточной для получения необходимого момента инерции при меньшем диаметре барабана, умещающемся внутри ведущего колеса, и обеспечивается внутренняя уравновешенность.

На барабане размещен дисковый тормоз 27, соединенный с педалью 28 тормоза двухпедальной системы управления режимом движения. Вторая педаль 29 этой системы связана с двигателем. Трансформатор вращающего момента снабжен уплотнениями (не показаны) и содержит смазочное трансмиссионное масло в полости барабана.

Для ориентировочной оценки приняты диаметр прецессирующих сателлитов 160 мм, их общая масса 5,5 кг, угол наклона шеек 15^o, тогда осевая длина барабана около 160 мм, т.е. в допустимых пределах.

Работает одноколейное транспортное средство следующим образом.

Пуск двигателя 2 производят, включив тормоз 27 педалью 28 и ограничивая сверху возможную скорость вала двигателя выбором положения педали 29. При вращении ведущей звездочки 3 цепь 8 приводит ведомую звездочку 7 и жестко связанный с ним входной вал 6, который вращается во внутренних подшипниковых опорах 16 цапф 13 и 14 крышек 11 и 12 барабана 9 трансформатора вращающего момента 5.

Вследствие наклона кривошипных шеек кривошипов 17 и 18 к оси входного вала прецессирующие сателлиты 19 и 23 совершают прецессию (коническую), при которой оси сателлитов описывают боковые поверхности конусов, вершины которых находятся в точках пересечения этих осей с осью вращения входного вала. При ограниченных сверху оборотах двигателя прецессия происходит с малой скоростью, вращающий момент на барабане невелик и тормоз удерживает OТC на месте. При этом зубчатые венцы 21 и 25 обкатывают зубчатые венцы 22 и 26 без значительных затрат на трение, смазываясь разбрызгиванием.

Чтобы задать движение, производят растормаживание педалью 28 и плавное увеличение подачи топлива педалью 29, задавая повышенную скорость вращения входному валу. Это увеличивает скорость прецессии сателлитов 19 и 23.

Прецессия состоит из двух одновременно протекающих вращений сателлита, каждое из которых происходит относительно одной оси координат неподвижной системы координат, у которой третья ось координат направлена вдоль оси вращения входного вала. Этим вращениям соответствуют моменты сил инерции движущихся масс, сосредоточенных на ободе сателлита и увеличенных за счет инерционной массы 20 и 24. Подобно тому, как в радиально-упорном подшипнике одновременное вращение шарика относительно двух осей вызывает образование гироскопического момента, действующего относительно третьей оси координат и вызывающего вращение шарика относительно этой третьей оси, прецессия сателлита вызывает образование гироскопического момента, действующего относительно оси входного вала по ходу последнего. Величина гироскопического момента определяется (5) произведением момента инерции сателлита, двух составляющих скорости прецессии и синуса угла наклона шейки кривошипа входного вала. Поскольку составляющие скорости прецессии прямо зависят от скорости входного вала, то прирост оборотов вала двигателя отображается квадратичной зависимостью гироскопического момента от заданных оборотов и этот момент возрастает более существенно. Этот момент действует на каждый из сателлитов, передается через пары зубчатых венцов 21-22 и 25-26 на крышки 12 и 11 и далее на барабан 9 и ведущее колесо, соединенные спицами 10. Это вызывает вращение колеса 4 в подшипниковых опорах 15 на раме 1 и движение OТC при уменьшении разности скоростей входного вала и барабана и уменьшении скорости и прецессии.

Установившаяся скорость движения определяется балансом мощности при равенстве суммы двух моментов гироскопических, подводимых от сателлитов 19 и 23, одному моменту внешних сопротивлений, приведенному к зубчатым венцам 22 и 26. Если баланса нет, то происходит автоматическое ускорение или замедление ведущего колеса в такой степени, чтобы при неизменной скорости звездочки 3, заданной педалью 29, установилась необходимая для баланса разность скоростей входного и выходного звеньев трансформатора. Очевидно, что при уменьшении внешних сопротивлений баланс наступает при более высокой скорости движения OТC. Когда разность скоростей равна нулю, то прецессии нет и гироскопический момент имеет нулевое значение. Наоборот, рост внешних сопротивлений приводит к замедлению барабана, росту разности скоростей и скорости прецессии и увеличению гироскопического момента до максимума при нулевой скорости барабана. Вследствие этого трансмиссия имеет такую же характеристику, какую обеспечивает механический инерционный трансформатор [3] В отличие от последнего гироскопический трансформатор заявленного OТC имеет на выходе движение без пульсации скорости, что благоприятно сказывается на условиях работы и долговечности последующих элементов трансмиссии и ходовой части.

Для изменения скорости в принудительном порядке с целью изменения режима движения управляют педалью 29, воздействуя на двигатель. Увеличению топливоподачи соответствует рост разности скоростей вала 6 и барабана 9, рост составляющих скорости прецессии увеличивает гироскопический момент и момент на ведущем колесе, а последнее приводит к увеличению скорости в такой степени, чтобы прирост момент и момент на ведущем колесе, а последнее приводит к увеличению скорости в такой степени, чтобы прирост момента сопротивления полностью компенсировался приростом гироскопического момента. Для уменьшения скорости топливоподачи уменьшают и баланс мощности достигается при новом более низком значении момента сопротивления. На дороге переменного сопротивления постоянство скорости достигается корректирующими воздействиями на педаль 29, как это делается обычно на OТC при движении на неизменной передаче. В отличие от последнего заявленный OТC обеспечивает весь диапазон скоростей без последнего разрыва силового потока, что повышает динамику и КПД, снижает расход топлива и выделение токсичных газов, повышает безопасность движения из-за отсутствия переключения передач, сопряженных с манипуляциями рычагом сцепления и переключателем скорости. Это свидетельствует о том, что трансформатор вращающего момента является саморегулируемым и обеспечивает повышение динамики и облегчение управления.

Сопоставляя конструкции трансмиссии и органов управления, видим, что заявленное OТC значительно проще, поскольку нет многодискового сцепления и его органов управления, нет многошестеренной коробки передач с ее органами управления, нет промежуточной цепной передачи, расположенной между двигателем и коробкой передач, и отдельной ступицы ведущего колеса. Заменитель их трансформатор вращающего момента гироскопического типа имеет в промежутке между входным валом и выходным звеном всего два подвижных элемента и содержит 4 зубчатых венца в механизме преобразования и передачи вращающего момента. По сравнению с аналогами, гидротрансформатором и механическим инерционным трансформатором. Гироскопический трансформатор несопоставимо прост, легок и надежен. Этим предопределяются широкие перспективы применения заявленного OТC в промышленности, выпускающей мотоциклы, мотороллеры и минитракторы. Дополнительные преимущества, обусловленные двухпоточной схемой трансформатора, при которой момент входного вала распределяется поровну на два сателлита и две зубчатых передачи, проявляются снижением нагруженности зубьев и повышению ресурса шестерен, являющихся наиболее быстро изнашивающимися элементами.

Для останова OТC действием на педаль управления двигателем снижают до холостого хода скорость двигателя и притормаживают. При этом трансформатор вращающего момента не обеспечивает возможность торможения двигателем, поскольку превышение скорости выходного звена над скоростью входного вала приводит лишь к обкатыванию зубчатых венцов 22 и 26 зубчатыми венцами 21 и 25, т. е. без передачи момента входному валу. Это недостаток, приводящий к увеличению нагруженности тормоза 27. Однако, он компенсируется возможностью более рационального использования режима движения накатом, поскольку на этом режиме ДВС может быть переведен на режим холостого хода, не зависящий от скорости колеса 4 и поэтому наиболее экономичный по расходу топлива.

По расчету трансформатор вращающего момента с упомянутыми характеристиками в комплексе с высокооборотным ДВС (ок. 60001/мин.) без повышения в цепной передаче обеспечивает вращающий момент на колесе 29,3 Нм при скорости OТC около 120 км/ч. Этому соответствует мощность около 3,5 кВт, что приемлемо для мотоцикла. Для увеличения мощности надо применить повышающую цепную передачу.

Примечание: о действительных значениях мощности, передаваемой с использованием гироскопического момента, свидетельствуют следующие наблюдения.

Известно [6] что под действием гироскопического момента, возникающего от вращений маховика ДВС судна, происходящих в работе двигателя и под действием поперечной качки судна на волнах, происходит "рыскание" судна относительно заданного направления движения. Поскольку направление рабочего вращения маховика неизменно, а повороты на волне знакопеременные, то повороты судна относительно вертикальной оси координат происходят влево и вправо попеременно в соответствии с колебаниями судна относительно горизонтальной поперечной оси координат и вызывают "рыскание". При этом ось рабочего вращения маховика ДВС направлена вдоль продольной оси судна. Заметим, что скорости, составляющие прецессию маховика, в этом примере невелики, а большое значение гироскопического момента достигается за счет большой массы маховика и его большого радиуса, определяющих момент инерции.

Опытная проверка идеи привода за счет гироскопического момента была проведена нами на бытовой стиральной машине с донным активатором, связанным с электродвигателем ременной передачей. Вал привода был снабжен шейкой, наклонной под углом 20^o к оси вала. Штатный активатор был снабжен ступицей с отверстием и и установлен на шейку с возможностью вращения. Пуск машины приводил к прецессии активатора и его вращению со скоростью, обеспечивающей раскрутку рабочей жидкости в моечном баке такой же интенсивности, как при штатном приводе активатора.

С помощью трехскоростного настольно-сверлильного станка и пружинного динамометра был измерен гироскопический момент для трех режимов вращения вала привода при остановленном активаторе. Установлена квадратичная зависимость этого момента от скорости, что подтверждает идею.

В варианте OТC трансформатор вращающего момента (фиг. 2) выполнен однотопочным так, что прецессирующие сателлиты 19 и 23 снабжены коническими зубчатыми венцами 30 и 31, входящими в зацепление между собой, а один из сателлитов, в частности 23, установлен свободно относительно крышки 11 барабана 9. Соответственно из конструкции исключен зубчатый венец 26. Остальные обозначения соответствуют фиг. 1.

Работает транспортное средство аналогично рассмотренному так, что гироскопический момент от сателлита 23 передается через зубчатые венцы 30 и 31 на сателлит 19, а от него суммарный гироскопический момент передается через зубчатые венцы 21 и 22 крышке 12, барабану 9 и ведущему колесу 4. Применение этой конструкции позволяет несколько сократить размер барабана вдоль оси или увеличить ширину и массу сателлитов при сохранении размера барабана. Последнее целесообразно для увеличения передаваемой мощности при сохранении неизменным диаметра барабана. Эти возможности обусловлены исключительно заменой зубчатого венца крышки венцами 30 и 31 меньшей высоты.

В варианте OТC трансформатор вращающего момента (фиг. 3) содержит один прецессирующий сателлит, кинематически связанный c барабаном конической зубчатой передачей, включающей в себя зубчатые венцы 21 и 22. Соответственно исключены из конструкции кривошип и пара зубчатых венцов, относящихся к исключенному сателлиту. Остальные обозначения соответствуют фиг. 1.

Работает OТC аналогично рассмотренным с той особенностью, что трансформация вращающего момента происходит в одном потоке через прецессирующий сателлит 19 и зубчатую пару 21 и 22. При этом момент сил инерции, действующий в плоскости осей вала 6 и шейки кривошипа 17 остается неуравновешенным и передается на раму 1, вызывая вибрацию с частотой вращения входного вала. Этот вариант проще по конструкции и требует увеличения диаметра барабана 9 для увеличения массы и момента инерции прецессирующего сателлита 19. Поэтому такая конструкция рекомендуется для быстроходных и менее комфортабельных транспортных средств, например спортивных мотоциклов, имеющих ведущее колесо увеличенного диаметра.

(56): Бекман В.В. Гоночные мотоциклы. Л. Машиностроение, 1983.

Бюссиент Р. Автомобильный справочник. Т. 2, М. Машиностроение, 1960 (прототип).

Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М. Машиностроение, 1987.

Сизов И.Д. Трансформатор вместо муфты сцепления и коробки передач /авт. пром. 1991, N 8.

Орлов П.И. Основы конструирования. Книга 2, М. Машиностроение, 1988.

Сахарный Н.Ф. Курс теоретической механики, М. Высшая школа, 1964.