жёсткая бесступенчатая коробка передач на основе цилиндрического дифференциального механизма (механизм отбора скорости с "ловушкой" силового потока мощности)

Формула изобретения

Жесткая бесступенчатая коробка передач на основе цилиндрического дифференциального механизма (механизм отбора скорости с «ловушкой» силового потока мощности) представляет собой механизм, предназначенный для плавного изменения передаточного числа между валами, состоящий из цилиндрического дифференциального механизма, включающего солнечные шестерни и водило с хотя бы одним валом, на котором вращаются жестко связанные между собой сателлиты, находящиеся каждый в постоянном зацеплении с соответствующей солнечной шестерней, и, как минимум, из одного сервомеханизма, регулирующего вращение водила, причем при сонаправленном вращении солнечных шестерен в определенном конструкцией дифференциала диапазоне передаточных чисел регулирование вращения водила выводится из силового потока мощности в соответствии с условием вектора вращения и принципом наименьшего действия.

Описание изобретения к патенту

Механизм относится к зубчатым бесступенчатым трансмиссиям, в первую очередь, транспортных средств на двигателях внутреннего сгорания или мышечной силе.

Прямые аналоги автору неизвестны. В качестве обобщающих, сходных по назначению механизмов известны бесступенчатые коробки передач, вариаторы и валы отбора мощности на основе планетарного ряда либо конического дифференциального механизма, в которых изменение передаточного числа от одного валу к другому достигается оттормаживанием или блокировкой оставшегося вала. Поскольку в них поток мощности непосредственно (до активации дополнительных устройств: блокировочных, обгонных муфт и т.п.) во время изменения передаточных чисел в равной мере передается от любого вала к оставшимся, ее потери в это время существенны.

Известны также цилиндрические дифференциальные (планетарные) механизмы с обоими подвижными солнечными (соосными) шестернями (в отличие от цилиндрического планетарного механизма с одной глухой солнечной шестерней, где передача вращения от подвижного вала к водилу невозможна, но в котором, однако, заключено сущностное сходство с предлагаемой здесь схемой), которые могут применяться в качестве многофункционального редуктора с широким диапазоном передаточных чисел. Однако в них явным образом не используются достигаемые в предлагаемой здесь кинематической схеме режимы управления передаточным числом.

Заявляемое устройство представляет собой механизм, предназначенный для плавного изменения передаточного числа между валами, состоящий из цилиндрического дифференциального механизма, включающего солнечные шестерни (1 и 4 на схеме) и водило с хотя бы одним валом, на котором вращаются жестко связанные между собой сателлиты (шестерни 2 и 3 на схеме), находящиеся каждый в постоянном зацеплении с соответствующей солнечной шестерней (на схеме: 2 с 1, 3 с 4), и, как минимум, из одного сервомеханизма (элемент 5 на схеме), регулирующего вращение водила, причем при сонаправленном вращении солнечных шестерен в определенном конструкцией дифференциала диапазоне передаточных чисел регулирование вращения водила выводится из силового потока мощности в соответствии с условием вектора вращения и принципом наименьшего действия.

Суть этих режимов, свойственных только цилиндрическому дифференциалу с отличным от единицы передаточным числом при остановленном водиле, состоит в возможности выведения вращения водила из силового потока мощности, идущего от одного из валов, на котором жестко посажена солнечная шестерня (по аналогии с невозможностью передачи вращения к водилу в планетарном механизме с глухой солнечной шестерней). Благодаря этому вращение водила регулируется относительно маломощным сервоприводом, а потери мощности на изменение передаточного числа в связи с изменением вращения водила обусловлены только инерционностью самого водила, силами трения в зубцах и подшипниках валов.

Несиловой характер использования сервопривода для вращения водила с сателлитами соблюдается при сумме следующих условий. Во-первых, при сонаправленности вращения солнечных шестерен. Во-вторых, сервопривод дается к водилу, а не к какой-либо солнечной шестерне. В-третьих, водило подкручивается (или откручивается в противоположном направлении), а не подтормаживается. В-четвертых, существует развилка в зависимости от отрицательного или положительного передаточного значения в механизме при остановленном водиле: а) при повышающем значении (если считать шестерню 1 ведущей, а шестерню 4 - ведомой) несиловое вращение водила регулируется только от нейтрали до прямой передачи; б) при понижающем (при смене ролей солнечных шестерен) - только от заданного передаточного числа до нейтрали.

Поясним эту последнюю двоякую зависимость, именуемую (в том числе в формуле) в собирательном виде: «в определенном конструкцией дифференциала диапазоне передаточных чисел ». При повышающей передаче водило, предоставленное само себе, вынуждается без какой-либо блокировочной муфты к синхронному вращению с валами, на которых посажены солнечные шестерни, что представляет собой прямую передачу. При этом дифференциал вращается как единое целое с наивысшим кпд, условно равным кпд одного вала (с потерями против собственно одного вала только на инерционность водила с сателлитами).

В отличие от притормаживания одного из валов конического дифференциала или планетарного ряда (на что затрачивается энергия, сопоставимая с передаваемой), в данном случае водило, напротив, подкручивается сервоприводом вперед по ходу вращения валов с солнечными шестернями, обгоняя их вплоть до получения нейтрали. Даже при очень низком, близком к нейтрали передаточном значении скорость продолжает полностью преобразовываться в тяговое усилие (не считая инерционности, трения в зубцах шестерен и подшипниках). Самопроизвольное (не посредством сервопривода) изменение передаточного числа (то есть самопроизвольная остановка или самопроизвольное подкручивание водила сверх величины оборотов дифференциала в целом) под нагрузкой невозможно, что и делает передачу жесткой. Подкручивание водила с угловой скоростью, приводящей после достижения нейтрали к реверсу на выходе, уже является силовой передачей к последнему (как если бы это было оттормаживание). Как бы «стравливающая» «ловушка» потока мощности отбирает, по сути, лишь скорость, вплотную приближаясь к кпд обычного редуктора.

При понижающей передаче штатный режим регулирования вращения водила в определенном смысле обратный: предоставленное себе, оно (под нагрузкой) остается на месте. Отматыванию водила против вращения валов, на которых посажены солнечные шестерни, вплоть до получения нейтрали вектор вращения формально противоречит, но передаваемая силовая нагрузка, тем не менее, не препятствует. В данном варианте кпд механизма меньший и равный кпд редуктора (нет кпд «одного вала» при прямой передаче). Его применение (преимущественно с высокооборотистыми двигателями) может обусловливаться лишь отказом в кинематической цепи от еще одного понижающего редуктора, функцию которого вбирает понижающий вариант механизма.

Сервомеханизм, обеспечивающий независимое вращение водила, может быть реализован по-разному, но, прежде всего, на основе фрикционного или электропривода. Механизм в целом может входить во взаимодействие с другими внешними по отношению к нему элементами, а также вбирать в себя функции сцепления, реверс-редуктора, демультипликатора и т.п.

Технический результат: изобретение предлагает кардинально упростить конструкцию бесступенчатой зубчатой коробки передач с повышением ее кпд, содействует расширению экономичных режимов работы двигателя и позволяет концептуально пересматривать трансмиссионные схемы в целом. Попутно обеспечивается простота в управлении.