механическая передача для транспортного средства

Формула изобретения

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащая связанный через сцепление с приводным двигателем ведущий вал, вариатор, одно звено которого кинематически связано с ведущим валом, механическую коробку передач, ведущая шестерня которой связана с ведущим валом, а вторичный ее вал - с движителями транспортного средства, а также орган управления вариатором, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности путем обеспечения рекуперативных режимов и увеличения ресурса тормозной системы транспортного средства, она снабжена маховиками и дополнительным вариатором, оба вариатора представляют собой каждый ведущий и ведомый шкивы с лентами перематывания с одного шкива на другой, концы лент закреплены на шкивах, при этом одни из шкивов свободно установлены на ведущем валу и связаны с ним управляемыми муфтами, а другие шкивы свободно установлены на ведомом валу, имеющем связь в виде передачи с вторичным валом коробки передач, маховики, кинематически связанные между собой кинематической передачей, свободно размещены на ведущем валу, связанном через муфту с ведущим шкивом одного из вариаторов, причем ведомые шкивы вариаторов связаны между собой передачей, а органы управления муфтами вариатора для обеспечения разгонного режима сблокированы между собой, каждый из вариаторов имеет тормозное устройство шкивов, вариатор для обеспечения разгонного режима имеет автоматический выключатель, разъединяющий кинематическую связь его шкивов с ведущим и ведомым валами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено в транспортных средствах, а также в других объектах, где может быть применена энергия торможения для последующего разгона этих объектов.

Аналогами предлагаемой механической передачи с голономными вариаторами непрерывного действия могут быть вариаторы неголономного типа, например фрикционные (Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи. М.: Машиностроение, 1980, с. 118, 119).

Их недостатки - малая долговечность, низкий КПД, высокие точности изготовления.

Известна механическая передача, включающая фрикционный торовый вариатор и планетарную передачу, выбранная за прототип.

Недостатками известной механической передачи являются: низкий КПД и долговечность за счет передачи энергии силами трения; фрикционная передача работает постоянно, что ведет к повышенному ее износу за счет значительных нагрузок на фрикционы и валы, пробуксовки (скольжения) фрикционов относительно друг друга; ограниченная передаваемая мощность; высокая точность изготовления; отсутствие возможности рекуперации энергии, выделяемой при торможении транспортного средства, ведет к лишнему расходу топлива и уменьшению ресурса тормозной системы.

Предлагаемая механическая передача с двумя голономными вариаторами непрерывного действия и маховиком для транспортного средства, связанный через сцепление с приводным двигателем ведущий вал, вариатор, одно звено которого кинематически связано с ведущим валом, механическую коробку передач, ведущая шестерня которой связана с ведущим валом, а вторичный ее вал - с движителями транспортного средства, а также орган управления вариатором, отличающаяся тем, что с целью повышения эффективности за счет обеспечения рекуперативных режимов и увеличения ресурса тормозной системы транспортного средства, она снабжена маховиками и дополнительным вариатором. Оба вариатора представляют собой каждый ведущий и ведомый шкивы с лентами перематывания с одного шкива на другой. Концы лент закреплены на шкивах. Одни шкивы свободно установлены на ведущем валу и связаны с ним управляемыми муфтами, а другие шкивы свободно установлены на ведомом валу, имеющем связь в виде передачи с вторичным валом коробки передач. Маховики, кинематически связанные между собой конической передачей, свободно размещены на ведущем валу, связанном через муфту с ведущим шкивом одного из вариаторов. Ведомые шкивы вариаторов связаны между собой передачей. Органы управления муфтами вариатора для обеспечения разгонного режима сблокированы между собой. Каждый вариатор имеет тормозное устройство шкивов, вариатор для обеспечения разгонного режима имеет автоматический выключатель, разъединяющий кинематическую связь его шкивов с ведущим и ведомым валами.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема механической передачи с двумя голономными вариаторами непрерывного действия и маховиком; на фиг. 2 - конструкция голономных вариаторов непрерывного действия; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - конструкция автоматического выключателя вариатора разгона; на фиг. 6 - графики зависимости передаточного отношения вариатора непрерывного действия от количества оборотов ведущего вала с начала разгона; на фиг. 7 - графики функций мощности, развиваемой двигателем и скорости движения N₁ = f₁(t); N_1ср; V₁ = f₂(t); V_1ср = f₂(t) при разгоне транспортного средства с помощью ступенчатой коробки передач, а также графики функций мощности двигателя и скорости движения N₂ = f₃(t); V₂ = f₄(t) при разгоне транспортного средства с помощью предлагаемого вариатора непрерывного действия; на фиг. 8 - положения рычага переключения передач и вариатора.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема механической передачи с двумя голономными вариаторами, один из которых служит для разгона транспортного средства, другой - для разгона маховика при торможении транспортного средства.

Двигатель внутреннего сгорания 1 (или любой другой двигатель) через сцепление 2 приводит во вращение ведущий (первичный) вал 3. На сцеплении 2 жестко закреплен дополнительный фрикцион 4. На валу 3 жестко закреплены шестерня 5 и ведущая шестерня 6 коробки передач 7. Коробка передач 7 используется стандартная, без каких-либо изменений. Ее кинематическая схема составлена по книге Автомобиль "Волга" ГАЗ-24 под редакцией А.Д.Просвирина, издание 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1975, с. 120, рис. 86 (синхронизаторы, передача заднего хода и механизм переключения передач не показаны). Шестерня 5 через зубчатую муфту 8 включения и отключения ведущего шкива 9 вариатора, перемещаемую рычагом 10 переключения передач, может соединяться с редуктором (зубчатые колеса 11, 12, 13, 14 и 15). Зубчатое колесо 15 жестко связано со шкивом 9, свободно установленном на ведущем валу 3. Муфта 8 включения и отключения ведущего шкива 9 вариатора через рычаг 16 соединена с зубчатой муфтой 17 включения и выключения ведомого шкива 18 вариатора. Шкив 18 с жестко установленном на нем зубчатым венцом 19 свободно установлен на валу 20. На шкив 9 и 18 намотана лента 21, концы которой жестко закреплены на шкивах. На валу 20 жестко закреплены зубчатые колеса 22 и 23. Колесо 22 через муфту 17 может соединяться или разъединяться со шкивом 18. Колесо 23 входит в зацепление с зубчатым колесом 24, жестко установленном на вторичном валу 25 стандартной коробки передач. С валом 25 жестко соединен карданный шарнир 26, с другим концом которого жестко соединен карданный вал 27.

На валу 20 жестко закреплены зубчатые колеса 22 и 23. Колесо 22 через муфту 17 может соединяться или разъединяться со шкивом 18. Колесо 23 входит в зацепление с зубчатым колесом 24, жестко установленном на вторичном валу 25 стандартной коробки передач. С валом 25 жестко соединен карданный шарнир 26, с другим концом которого жестко соединен карданный вал 27. На валу 20 на шлицах 28 установлен диск 29 с жестко установленном на нем фрикционом 30. Диск 29 может перемещаться вдоль оси вала 20 за счет перемещения штока гидроцилиндра 31. На валу 20 свободно установлен ведущий шкив 32 другого вариатора с жестко установленным на нем зубчатым колесом 33, с которым входит в зацепление шестерня 34 электромеханизма 35.

На шкиве 32 намотана лента 36, один конец которой закреплен на шкиве 32, а второй ее конец закреплен на ведомом шкиве 37 другого вариатора. Порядок намотки ленты 36 указан на фиг. 2. Шкив 37 свободно установлен на валу 3. На шкиве 37 жестко закреплено зубчатое колесо 38, входящее в зацепление с шестерней 39, жестко установленной на одном валу с шестерней 40, в свою очередь входящей в зацепление с зубчатым колесом 41, жестко установленном на шкиве 18. На втулке 42 шкива 37 на шлицах 43 установлен диск 44 с закрепленным на нем фрикционом 45. Диск 44 имеет возможность перемещаться вдоль оси за счет перемещения штока гидроцилиндра 46 так, что он соприкасается с диском 47, на котором установлена муфта свободного хода 48. Диск 47 свободно установлен на валу 3. На наружной обойме муфты свободного хода 48 жестко установлено коническое зубчатое колесо 51, с которым входит в зацепление коническое колесо 53, жестко установленное на маховике 54, свободно установленном на валу 3. На наружной обойме муфты свободного хода 48 жестко установлена шестерня 50, входящая в зацепление с зубчатым колесом 55, входящим в зацепление с зубчатым колесом 56, жестко установленным на диске 57, свободно установленном на валу 3. С диском 57 может соприкасаться фрикцион 4.

Над шкивом 9 установлен автоматический выключатель 58 (фиг. 5).

На ведущем валу 3 свободно установлен шкив 9, на втулке 59 которого частично намотана лента 21. Конец ленты 21 закреплен на втулке 59. Большая часть ленты 21 намотана на другой шкив 18, на втулке 60 которого закреплен другой конец ленты 21. Шкив 18 свободно установлен на ведомом валу 20. К торцам щек шкивов 9 и 18 прилегают тормозные колодки 61 и 62, стянутые между собой винтами 63 так, чтобы между шкивами и тормозными колодками обеспечивался зазор . Гайки 64 после регулировки зазора штифтуются. На шкиве 18 жестко установлено зубчатое колесо 41 с внутренним зацеплением. На ведомом валу 20 свободно установлен шкив 32, на втулке 65 которого частично намотана лента 36. Конец ленты 36 закреплен на втулке 65. Большая часть ленты 36 намотана на другой шкив 37, на втулке 66 которого закреплен другой конец ленты 36. Шкив 37 свободно установлен на валу 3. К торцам щек шкивов 32 и 37 прилегают тормозные колодки 67 и 68, стянутые между собой винтами 69 так, чтобы между шкивами и тормозными колодками обеспечивался зазор . Гайки 70 после регулировки зазора штифтуются. На шкиве 37 жестко установлено зубчатое колесо 38, которое входит в зацепление с шестернями 39 и 40, жестко установленными на одном валу. Шестерня 39 входит в зацепление с зубчатым колесом 41. Над шкивом 9 установлен автоматический выключатель 58, конструкция которого дана на фиг. 3. С самоориентирующимся сухарем 71 жестко соединены штифты 72, входящие в прорези 73 рычага 74, установленного на шарнире 75. Рычаг 74 соприкасается с рычагом 76, установленном на шарнире 77. Пружина 78 шарнирно закреплена на конце рычага 76, другой конец пружины 78 закреплен на корпусе. Рычаг 76 создает осевое перемещение зубчатой муфте 8.

Рассмотрим работу предлагаемой механической передачи.

Двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг. 1) или любой другой двигатель приводит во вращение ведущий вал 3 (против часовой стрелки, если смотреть со стороны сцепления), на котором жестко закреплены зубчатое колесо 5 и ведущая шестерня 6 коробки передач 7. Перед началом движения водитель устанавливает рычаг 10 переключения передач в положение В (фиг. 8). После включения сцепления 2 движение передается от колеса 5 через зубчатую муфту 8 и редуктор (зубчатые колеса 11, 12, 13, 14, 15) на ведущий шкив 9, который, вращаясь, наматывает ленту 21, сматывая ее со шкива 18. Шкив 18 с помощью зубчатой муфты 17, включаемой и выключаемой с помощью рычага 16 одновременно с включением и выключением зубчатой муфты 8, передает вращение на вал 20 и зубчатое колесо 23, которое вращает зубчатое колесо 24, жестко установленное на вторичном валу 25 стандартной коробки передач ( числа зубьев Z₂₃ и Z₂₄равны). Далее вращение передается на шарнир 26 и карданный вал 27, затем на дифференциал и колеса (не показаны). Коробка 7 при этом находится на холостом ходу, ни одна передача не включена.

При перемотке ленты на шкивах 9 и 18 передаточное отношение вариатора изменяется за счет изменения радиусов ее намотки по закону, представленному на графике 1 фиг. 6, а с учетом передаточного отношения редуктора (зубчатые колеса 11, 12, 13, 14, 15) передаточное отношение механической передачи изменяется по закону, представленному на графике 2 фиг. 6.

Максимальное передаточное отношение вариатора и передаточное отношение редуктора выбраны равными 3,5, при этом общее передаточное отношение механической передачи будет изменяться от 12,25 до единицы.

После окончания разгона срабатывает автоматический выключатель 58 (фиг. 5) за счет наполнения лентой шкива 9. Лента 21 нажимает на самоориентирующийся сухарь 71 с жестко установленными в нем штифтами 72, перемещающимися в прорезях 73 рычага 74. Рычаг 74, поворачиваясь в шарнире 75, нажимает на рычаг 76, который поворачивается в шарнире 77 и перемещает в осевом направлении зубчатую муфту 8, выводя ее из зацепления с зубчатым венцом 11, с колесом 5 муфта 8 при этом не разъединяется. Рычаг 10 автоматически переходит из положения В в нейтраль (фиг. 8), после чего водитель переводит его на прямую передачу, а тормозные колодки одновременно останавливают шкивы 9 и 19 (фиг. 2).

Дальнейшее движение транспортного средства производится с помощью коробки передач.

Разница в мощностях двигателя, скоростях движения и времени разгона от коробки передач и с помощью вариатора представлена на фиг. 7.

Одновременно с вариатором для разгона используется такой же вариатор непрерывного действия для обеспечения раскрутки маховика при торможении транспортного средства с последующим использованием кинетической энергии маховика при разгоне. Оба вариатора по своим размерам и устройству одинаковы, разница лишь в порядке намотки лент на шкивы (фиг. 2-4). При такой разнице происходит следующее (фиг. 1): в период разгона лента со шкива 18 перематывается на шкив 9. За счет зубчатого колеса 41, жестко установленного на шкив 18, вращение передается на одинаковые шестерни 40 и 39, установленные жестко на одном валу и, затем, на зубчатое колесо 38, жестко установленное на шкиве 37. При вращении шкива 37 происходит перемотка ленты 36 со шкива 32 на шкив 37, подготавливая второй вариатор для раскрутки маховика при торможении транспортного средства. Зубчатые колеса 41 и 38 имеют одинаковые числа зубьев.

При торможении, при нажатии педали тормоза, одновременно срабатывают дополнительные гидроцилиндры 31 и 46 (до срабатывания основного гидроцилиндра тормозов) и перемещают: гидроцилиндр 31 - диск 29 по шлицам 28 до соприкосновения фрикциона 30 со щекой шкива 32, а гидроцилиндр 46 одновременно перемещает по шлицам 43 диск 44 до соприкосновения фрикциона 45 с диском 47. Муфта свободного хода 48 заклинивает и начинается раскрутка маховика 49 через зубчатые колеса 23, 24, вал 20 диск 29, шкив 32, ленту 36, шкив 37, диск 44, диск 47, при этом передаточное отношение изменяется от 3,5 до 1/3,5 , т.е. в 12,25 раза (график 1 на фиг. 6).

Одновременно с маховиком 49 через зубчатые колеса 51, 52 и 53 раскручивается маховик 54.

Маховики 49 и 54 вращаются в разные стороны для того, чтобы уравнять их реактивные моменты и исключить их влияние на транспортное средство при раскрутке маховиков и при снятии с них кинетической энергии.

Когда частота вращения диска 47 при торможении транспортного средства станет меньше набранной маховиком, муфта свободного хода 48 срабатывает и разъединяет маховик 49 с диском 47. Шкив 37 в процессе перемотки ленты 36 вращает шкив 18 через зубчатое колесо 38 шестерни 39 и 40, зубчатое колесо 41 и перематывает ленту 21 со шкива 9, тем самым подготавливая вариатор разгона к работе.

Шестерня 50 маховика 49 через паразитное колесо 55 вращает зубчатое колесо 56, жестко установленное на диске 57 с редукцией 4-6.

При необходимости начала движения с разгоном достаточно рычаг переключения передач 10 перевести в положение В, предварительно выжав сцепление 2, затем нажимать педаль сцепления до тех пор, пока фрикцион 4 не прижмется к диску 57, что ведет к началу движения с разгоном через вал 3, колесо 5, муфту 8 и так далее, как это было описано выше. После разгона отпускается педаль сцепления и дальнейшее движение производится от двигателя.

Если в процессе торможения за счет передачи энергии маховику транспортное средство останавливается не достаточно быстро, то следует сильнее нажать педаль тормоза и тогда сработает основная тормозная система.

Если в процессе торможения по каким-либо причинам не произошло полной перемотки ленты 36, а, следовательно, и ленты 21, то можно начинать движение, но конечная скорость разгона не достигнет скорости прямой передачи и тогда после срабатывания автомата 58 водитель переводит рычаг 10 на передачу, соответствующую достигнутой скорости.

Имеется также возможность домотать ленты 36 и 21 в исходное состояние для разгона с помощью электромеханизма 35, шестерню 34 и колесо 33.

При необходимости докрутка лент может осуществляться автоматически с помощью концевого выключателя (на чертеже не показан), устанавливаемого над шкивом 32.

Итак, вся предлагаемая система организована так, чтобы не увеличить количество органов управления.

Следует также отметить, что т.к. большая часть энергии транспортного средства при торможении поглощается маховиком, то на долю тормозной системы приходится лишь малая часть кинетической энергии, что повышает ресурс и надежность тормозной системы.

Кроме того, отказ вариатора с маховиком не ведет к отказу тормозной системы.

Можно использовать маховик и для накопления энергии при движении транспортного средства под уклон. Для этого достаточно нажать педаль тормоза так, чтобы тормоза еще не сработали. При этом сработают гидроцилиндры 31 и 46 и начнется раскрутка маховика. Энергию, накопленную им, можно использовать после окончания уклона на прямом или на подъеме. Для этого достаточно включить прямую передачу и нажать педаль сцепления до упора так, чтобы фрикцион 4 прижался к диску 57 и держать ее в нажатом положении, пока не израсходуется энергия маховика.

Для перемотки лент на ходу для подготовки к запасению энергии при очередном спуске, достаточно включить такой же (не показан) электромеханизм, как указанный на позиции 35 (фиг. 1), но соединенный со шкивом 9.

Таким образом можно получить экономию топлива и на трассе с улучшением экологии, т.к. это топливо не будет израсходовано.