Автоматическая бесступенчатая коробка передач (варианты)

(51)60 17/10 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКАЯ БЕССТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ(71) Заявитель Корчик Александр Михайлович(72) Автор Корчик Александр Михайлович(73) Патентообладатель Корчик Александр Михайлович(57) 1. Автоматическая бесступенчатая коробка передач, содержащая электрогенератор и дифференциал, водило которого связано с тяговым двигателем, отличающаяся тем, что в электрическую цепь электрогенератора последовательно включены два резистора с регулируемым сопротивлением и третий резистор с постоянным сопротивлением, первая центральная шестерня дифференциала установлена на одной оси с ротором электрогенератора и соединена с ним, а вторая центральная шестерня соединена с приводным валом ведущих колес, причем водило дифференциала соединено с тяговым двигателем через блок-шестерню, один венец которой входит в зацепление с шестерней переднего хода, а второй ее венец входит в зацепление с шестерней заднего хода, установленными с возможностью свободного вращения на приводном валу тягового двигателя и соединенными с ним с помощью фрикционных муфт. 2. Автоматическая бесступенчатая коробка передач, содержащая гидротрансформатор и дифференциал, отличающаяся тем, что первая центральная шестерня дифференциала закреплена на входном валу гидротрансформатора, вторая центральная шестерня дифференциала соединена с приводным валом ведущих колес, а водило дифференциала соединено с выходным валом гидротрансформатора, при этом выходной вал гидротрансформатора соединен с приводным валом тягового двигателя при помощи фрикционной муфты. 8136 1 2006.06.30 Изобретение относится к области машиностроения для передачи энергии от двигателя к потребителю мощности с одновременным автоматическим и бесступенчатым изменением крутящего момента и частоты вращения и может найти применение для механических транспортных средств (легковых и грузовых автомобилей, автобусов, тракторов, тепловозов и т.д.), использующих для передвижения двигатели внутреннего сгорания. Известны бесступенчатые трансмиссии и коробки передач 1, которые имеют множество недостатков, что ограничивает их применение на механических транспортных средствах. Гидротрансформатор может передавать большие мощности - сотни киловатт и более, но изменять передаточное отношение способен не более чем в два раза, КПД не превышает 90 . Поэтому на механических транспортных средствах гидротрансформатор применяется вместе со ступенчатой коробкой передач. Электропередача проста по устройству двигатель - электрогенератор - электродвигатель. Но КПД у нее ниже даже, чем у гидромеханической. Электропередачу целесообразно применять при мощности двигателя 500 кВт и более. Известны бесступенчатые трансмиссии и коробки передач 2, содержащие дифференциальные механизмы и электрическую часть, состоящую из электрогенератора и электродвигателя, и содержащие дифференциальные механизмы и гидрообъемные вариаторы. В первых изобретениях наличие электродвигателя и электрогенератора усложняет конструкцию и понижает КПД. В других изобретениях водило дифференциала имеет привод на ведущие колеса, и при изменении параметров регулирования гидромашины КПД не постоянный, он то резко возрастает, то падает. Изобретение направлено на расширение возможностей бесступенчатой коробки передач для передачи больших мощностей (сотни киловатт и более) при КПД свыше 90 с одновременной возможностью увеличения изменения передаточного отношения до десяти-двадцати раз и более, автоматического и бесступенчатого его изменения в зависимости от дорожных условий, что позволяет выбрать наивыгоднейший и экономичный режим работы двигателя внутреннего сгорания, тем самым увеличивая его моторесурс. Решение поставленной задачи достигается объединением в один агрегат а) первый вариант - электрогенератора и дифференциала, водило которого связано с тяговым двигателем, в электрическую цепь электрогенератора последовательно включены два резистора с регулируемым сопротивлением и третий резистор с постоянным сопротивлением, первая центральная шестерня дифференциала установлена на одной оси с ротором электрогенератора и соединена с ним, а вторая центральная шестерня соединена с приводным валом ведущих колес, причем водило дифференциала соединено с тяговым двигателем через блок-шестерню, один венец которой входит в зацепление с шестерней переднего хода, а второй ее венец входит в зацепление с шестерней заднего хода, установленными с возможностью свободного вращения на приводном валу тягового двигателя и соединенными с ним с помощью фрикционных муфт б) второй вариант - гидротрансформатора и дифференциала, первая центральная шестерня дифференциала закреплена на входном валу гидротрансформатора, вторая центральная шестерня дифференциала соединена с приводным валом ведущих колес, а водило дифференциала соединено с выходным валом гидротрансформатора, при этом выходной вал гидротрансформатора соединен с приводным валом тягового двигателя при помощи фрикционной муфты. Дифференциал, входящий в состав автоматической бесступенчатой коробки передач(далее - АБКП), может быть следующих типов симметричный или несимметричный с коническими зубьями, или несимметричный планетарного типа. Но устройство и принцип работы АБКП приводится в описании на примере симметричного дифференциала с коническими зубьями. Перечень фигур графического изображения фиг. 1 - кинематическая схема первого варианта АБКП фиг. 2 - кинематическая схема второго варианта АБКП. 2 8136 1 2006.06.30 Первый вариант АБКП содержит электрогенератор 1 и дифференциал 6 (фиг. 1). Первая центральная шестерня 4 дифференциала 6 установлена на одной оси с ротором (не показан) электрогенератора 1 и соединена с ним. Вторая центральная шестерня 8 дифференциала 6 механически соединена с приводным валом 9 ведущих колес. Водило 5 дифференциала 6 механически соединено блок-шестерней 3, которая одним венцом входит в зацепление с шестерней 11 переднего хода, а другим венцом через промежуточную шестерню 16 входит в зацепление с шестерней 12 заднего хода. Шестерни 11 и 12 независимы между собой и свободно вращаются на валу 14 привода от тягового двигателя 15. Фрикционная муфта 10 включения переднего хода соединяет шестерню 11 с валом 14, а фрикционная муфта 13 включения заднего хода соединяет шестерню 12 с валом 14. Кроме того, должен быть механизм блокировки (не показан), который должен исключать возможность одновременного включения фрикционных муфт 10 и 13. В электрическую цепь электрогенератора 1 последовательно включены два резистора(не показаны) с регулируемыми сопротивлениями, а третий резистор (не показан) - с постоянным сопротивлением, который включается также последовательно только при включении заднего хода. Сопротивление первого резистора регулируется в зависимости от скорости транспортного средства чем больше скорость, тем меньше сопротивление, и наоборот. Сопротивление второго резистора регулируется в зависимости от нажатия педали газа (акселератора) или от положения открытия дроссельной заслонки карбюратора и т.д. (далее педали газа) чем больше нажата педаль газа, тем больше сопротивление и наоборот. Первый вариант АБКП работает следующим образом. При включении фрикционной муфты 10 переднего хода происходит соединение шестерни 11 переднего хода с валом 14, который, получая вращение от двигателя 15, через шестерню 11, приведет во вращение блок-шестерню 3 и водило 5, которое через сателлит 7 передает вращательный момент шестерням 4 и 8. Шестерня 8, испытывая сопротивление движению транспортного средства, будет оставаться в покое, а шестерня 4 начнет вращаться и вращать ротор электрогенератора 1. В результате этого вращения ротора в обмотках электрогенератора 1 возникает ток и электромагнитная сила, действие которой направлено против вращения ротора и тем самым, оказывая сопротивление вращению шестерни 4. Чем больше частота вращения ротора, тем больше токи и электромагнитная сила. Когда при увеличении частоты вращения ротора электромагнитная сила превысит силу сопротивления движению транспортного средства, тогда во вращение придет и шестерня 8, которая через вал 9 приведет во вращение ведущие колеса. Транспортное средство тронется с места. При движении транспортного средства силы сопротивления вращению шестерен 4 и 8 постоянно будут стремиться к равновесию (далее - равновесие двух сил), но частота вращений шестерен 4 и 8 от равновесия двух сил может быть различной, которая из закона сохранения энергии и условий равновесия 3 выражается уравнением-,(1) где- вращающийся момент водила 5- частота вращения водила 5 Ма - вращающийся момент шестерни 4- частота вращения шестерни 4 Мс - вращающийся момент шестерни 8- частота вращения шестерни 8. Из этой формулы видно, что если, например, при постоянных моментах и частоте вращения водила 5 частота вращения шестерни 4 будет увеличиваться, то частота вращения шестерни 8 будет уменьшаться, и наоборот. Это оказывает на передаточные отношения ,и , которые выражаются формулами/ 8136 1 2006.06.30 Передаточные отношения ,инаходятся в зависимости одно от другого они все или увеличиваются, или уменьшаются, или постоянны. Передаточное отношениеэто передаточное отношение АБКП. При нажатии педали газа происходит увеличение подаваемой мощности от двигателя 15 и оборотов вала 14 к водилу 5 и одновременное увеличение сопротивления второго резистора. Токи и электромагнитная сила электрогенератора 1 уменьшаются, и нарушается равновесие двух сил, которое восстанавливается увеличением частоты вращения ротора и шестерни 4, автоматически осуществляемым водилом 5. При этом увеличивается передаточное отношениеи передаточное отношение АБКП, и наоборот. При увеличении скорости транспортного средства сопротивление первого резистора будет уменьшаться, что приведет к постепенному увеличению токов и электромагнитной силы электрогенератора 1. Происходит нарушение равновесия двух сил, которое восстанавливается уменьшением частоты вращения ротора и шестерни 4 с одновременным увеличением частоты вращения шестерни 8, в результате чего передаточное отношениеи передаточное отношение АБКП постепенно будет уменьшаться, и наоборот. При включении фрикционной муфты 13 заднего хода происходит соединение вращающего двигателем 15 вала 14 с шестерней 12 заднего хода, которая через промежуточную шестерню 16 приводит во вращение водило 5 в обратном направлении, и транспортное средство начинает двигаться задним ходом. Одновременно с включением фрикционной муфты 13 в электрическую цепь электрогенератора 1 включается третий резистор с таким сопротивлением, чтобы при движении задним ходом транспортное средство не смогло бы развить большую скорость. Изменение передаточного отношения АБКП происходит аналогично, как при движении транспортного средства вперед. Из уравнения (1) выводим следующее-,(5) из которого следует вывод, что в АБКП происходит разделение передаваемой мощности от двигателя 15 на две составляющие водило 5 через сателлит 7 и шестерню 4 передает часть мощности электрогенератору 1 (электрическая составляющая), а оставшаяся часть мощности остается на водиле 5 (механическая составляющая) - и одновременное сложение этих двух составляющих на шестерне 8. Отношение частоты вращений этих двух составляющих шестерни 4 над водилом 5 - это передаточное отношение . Разделение передаваемой мощности на две составляющие позволяет осуществлять бесступенчатое изменение передаточного отношения АБКП в довольно больших пределах. Например, частота вращения водила 5 составит 5000 об/мин, а шестерни - 8-100 об/мин,тогда передаточное отношение АБКП согласно формуле (4) будет равно 50 единицам. Если частота вращения шестерни 8 увеличится до 500 об/мин, то передаточное отношение уменьшится до 10 единиц. Если частота вращения водила 5 составит 2400 об/мин, а частота вращения шестерни 8-3000 об/мин, то передаточное отношение будет равно 0,8 - меньше единицы. Эти цифры говорят о больших возможностях в изменении передаточного отношения АБКП при передаче крутящего момента от двигателя 15 к ведущим колесам. Из уравнения (5) следует второй вывод, что при одинаковом числе зубьев шестерен 4 и 8 и одинаковой частоте вращения трех звеньев дифференциала 6 электрогенератор 1 использует половину передаваемой мощности. Если, например, КПД электрогенератора 90 , а КПД дифференциала - 98 , то КПД АБКП будет равен 94 . Если же частота вращения шестерни 4 будет больше за частоту вращения водила 5, то потребление электрогенератором 1 мощности в процентном отношении уменьшится и составит меньше половины передаваемой мощности, что повышает КПД АБКП при увеличении передаточного отношения АБКП. При симметричном дифференциале, в котором шестерни 4 и 8 имеют одинаковое число зубьев, формула определения частоты вращения одного звена по заданным двум другим звеньям 3 будет иметь вид 2. 4 8136 1 2006.06.30 Из этой формулы видно, что при остановленной шестерне 8 передаточное отношение двух составляющихравно двум единицам, что позволяет сделать вывод о том, что для разделения передаваемой мощности от двигателя 15 на две составляющие электрогенератор 1 можно заменить гидротрансформатором (второй вариант АБКП), передаточное отношение которого может изменяться до двух раз. Второй вариант АБКП содержит гидротрансформатор 18 и дифференциал 6 (фиг. 2). Первая центральная шестерня 4 дифференциала 6 закреплена на входном валу 17 гидротрансформатора 18. Вторая центральная шестерня 8 дифференциала 6 соединена с валом 9. Водило 5 дифференциала 6 соединено с выходным валом 19 гидротрансформатора 18. Вал 19 при помощи фрикционной муфты 20 соединяется с валом 14 тягового двигателя 15. На валу 9 установлен понижающий редуктор 21 для переключения на задний ход. Вал 22 имеет привод на ведущие колеса. Второй вариант АБКП работает следующим образом. При включении переднего хода включается фрикционная муфта 20, соединяет вал 14,вращаемый двигателем 15, с выходным валом 19 гидротрансформатора 18. Получая вращение, выходной вал 19, через водило 5, сателлит 7 и шестерню 4, приводит во вращение входной вал 17 гидротрансформатора 18. При холостых оборотах вала 14 двигателя 15 устанавливается максимальное большое передаточное отношение гидротрансформатора 18,в результате чего шестерня 8 не вращается. В этом случае транспортное средство будет находиться в состоянии покоя. При увеличении оборотов вала 14 и увеличении передаваемой мощности от двигателя 15 возрастающие силы в гидротрансформаторе 18 уменьшают его передаточное отношение. В результате чего во вращение приводится шестерня 8, и транспортное средство тронется с места. Гидротрансформатор обладает автоматизмом и самостоятельно в зависимости от дорожных условий и подаваемой мощности устанавливает необходимое свое передаточное отношение, которое оказывает влияние на передаточное отношение АБКП. Гидротрансформатор не обладает обратимостью, поэтому для движения задним ходом в редукторе 21 включается задняя понижающая передача, которая меняет вращение вала 22 на противоположное относительно вращения вала 9. КПД АБКП второго варианта определяется аналогично, как и первом варианте. Источники информации 1. Нарбут А. За рулем. -6. - 1985. - С. 16. 2.2053895 С 1, 1996. 3. Кудрявцев В.Н. и Кирдяшев Ю.Н. Планетарные передачи Справочник. - Л. Машиностроение, 1977. - С. 5-27. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5