Принцип действия высокомоментный вариатор

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в механизмах зубчатых бесступенчатых передач. Вариатор состоит из двух последовательно соединенных дифференциальных ступеней. Первая дифференциальная ступень представляет собой механический дифференциальный механизм. Вторая дифференциальная ступень представляет собой гидромеханический дифференциальный преобразователь, имеющий два планетарных ряда. Один планетарный ряд образован кинематическими звеньями многошестеренного гидронасоса (9). Второй планетарный ряд образован кинематическими звеньями многошестеренного гидромотора (10). Входным валом гидронасоса (9) является коронное колесо первого планетарного ряда. Выходным валом гидромотора является центральная солнечная шестерня второго планетарного ряда (8). Корпус (12) установлен на подшипниках в картере (20) вариатора и служит для обеих дифференциальных ступеней общим водилом, на котором установлена муфта свободного хода (11). В контур динамической гидравлической связи гидромеханического дифференциального преобразователя установлены автоматический перепускной и регулируемый клапаны. Изобретение позволяет увеличить КПД, максимальное значение коэффициента трансформации, диапазон автоматического регулирования, повысить топливно-экономические и экологические характеристики двигателя, плавности хода и постоянство тягового усилия на ведущих колесах. 4 ил.

Изобретение относится к механизмам зубчатых бесступенчатых передач и может быть использовано в машиностроении, в частности транспортном машиностроении.

Известно устройство, наиболее близкое по совокупности признаков к заявленному изобретению, для бесступенчатого изменения крутящего момента и плавной передачи его на ведущие колеса.

Мощность с ведущего на ведомый вал объемная гидромеханическая передача передает двумя потоками. Первый поток мощности передается через солнечную шестерню на сателлиты и далее на водило. Здесь существуют только механические потери мощности. Второй поток мощности передается на регулируемый гидронасос, далее на нерегулируемый или регулируемый гидромотор и через сателлиты на водило. Здесь мощность теряется в гидрообъемной передаче.

imin — минимальное передаточное отношение объемной гидромеханической передачи.

Во избежание циркуляции мощности передаточное отношение всей передачи i находится в пределах между i02 и i01, где i01, i02 — передаточное отношение соответственно первого и второго дифференциалов при заторможенном звене, связанном с гидропередачей. При |i01|>|i02|, т.е. i01=imax, i02=imin, диапазон регулирования R=imax/imin=i01/i02.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются увеличение максимального значения передаваемого трансформированного крутящего момента, повышение КПД механизма и уменьшение габаритных размеров за счет возможности работы при высоких значениях давления, обеспечение автоматического, без использования систем управления, регулирования вращающего момента на выходном валу в зависимости от изменения внешней нагрузки и диапазоне регулирования вариатора

где ivar — передаточное отношение вариатора;

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты:

— увеличение максимального значения коэффициента трансформации за счет использования гидростатического момента, направленного в сторону вращения входного вала, возникающего вследствие давления жидкости на криволинейные поверхности зубчатого зацепления при использовании гидромашин с внутренним зацеплением;

— повышение топливно-экономических и экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания при совместной работе его с гидромеханическим дифференциальным вариатором;

— возможность торможения двигателем;

— возможность быстрой смены режимов работы;

Поставленная задача решается тем, что устройство состоит из двух последовательно соединенных дифференциальных ступеней. Дифференциальная ступень, входной вал которой связан с двигателем и является входным валом вариатора, представляет собой механический дифференциальный механизм со смешанным зацеплением, внутреннее передаточное число которого может иметь различные значения. Вторая дифференциальная ступень представляет собой гидромеханический дифференциальный преобразователь, имеющий два планетарных ряда, один из которых образован кинематическими звеньями многошестеренного гидронасоса, состоящего из коронного колеса соединенного внутренним зацеплением с сателлитами, а второй — кинематическими звеньями многошестеренного гидромотора с двухвенцовыми сателлитами, шестерни одного венца которых внутренним зацеплением связаны с коронным колесом, образуя гидромоторы, а второго венца — наружным зацеплением с центральной солнечной шестерней. Входным валом гидронасоса является коронное колесо первого планетарного ряда, соединенное с водилом механического дифференциального механизма, направление вращения которого совпадает с направлением вращения входного вала вариатора, а выходным валом гидромотора является центральная солнечная шестерня второго планетарного ряда. Оси сателлитов гидромеханического дифференциального преобразователя установлены в общем корпусе. Корпус установлен на подшипниках в картере вариатора и служит для обоих планетарных рядов дифференциального преобразователя общим водилом, на котором установлена муфта свободного хода и с которым связано коронное колесо механического дифференциального механизма первой дифференциальной ступени. Кроме механической связи, обусловленной наличием общего водила, между планетарными рядами гидромеханического дифференциального преобразователя действует динамическая гидравлическая связь, в контур которой установлены автоматический перепускной и регулируемый клапаны.

В отличие от прототипа, у которого преобразователь двух потоков мощности входного дифференциала состоит из кинематически связанных гидрообъемной и дифференциальной передач, предлагаемое изобретение решает задачу преобразования потоков мощности входного дифференциала с помощью гидромеханического дифференциального преобразователя, что позволяет достигнуть вышеуказанные технические результаты.

На фиг.1 представлена кинематическая схема конструкции предлагаемого высокомоментного гидромеханического дифференциального вариатора.

На фиг.3 представлена безразмерная характеристика изменения расхода жидкости Q и давления p в функции

На фиг.3 Qmax раб — максимальный расход;

р0 — давление при ivar=1;

На фиг.4 представлена схема для определения гидростатического момента на водиле.

А1 — механический дифференциальный механизм; А2 — гидромеханический дифференциальный преобразователь; 1 — входное звено дифференциального механизма, оно же входной вал вариатора; 2 — сателлиты; 3 — коронное колесо дифференциального механизма A1, 4 — водило дифференциального механизма A1, оно же входное звено гидромеханического дифференциального преобразователя; 4′ - ведущее коронное колесо гидронасоса; 5 — сателлиты гидронасоса; 6 — коронное колесо гидромотора; 7-7′ - двухвенцовый сателлит; 8 — центральная солнечная вал-шестерня; 9 — гидронасос; 10 — гидромотор; 11 — муфта свободного хода; 12 — водило (корпус) вариатора; 13 — фильтр; 14 и 19 — соответственно выпускные окна гидромотора и гидронасоса; 15 и 18 — соответственно впускные окна гидромотора и гидронасоса; 16 — автоматический перепускной клапан; 17 — управляемый клапан; 20 — картер вариатора; 21 — расширительный бачок; 22 — кольцевой канал; 23 — теплообменник.

В гидравлический кольцевой канал 22 установлен автоматический перепускной клапан 16 и управляемый клапан 17. Между водилом 12 и картером 20 установлена муфта свободного хода 11, на впускных окнах гидронасоса установлен фильтр 13, в нижней части картера 20 установлен теплообменник 23.

рн — давление жидкости, МПа;

Из теории рабочих процессов шестеренных гидромашин известно, что в них происходит перераспределение подведенного момента [2]. Отношение моментов сопротивления на ведущей и ведомой шестернях равно .

МГС=FH,

В то же время на коронном колесе момент равнодействующих сил давления равен нулю, так как вектор равнодействующих сил давления проходит через ось вращения коронного колеса.

F=pнS=pнLb,

Окончательно значение гидростатического момента на водиле равно При ведущей коронной шестерни МГСГН.

При использовании зубчатого насоса с шестернями внутреннего зацепления с двумя и более ведомыми колесами момент, подведенный к шестерне 4′ (момент гидронасоса), воспринимается моментами сопротивления, действующими на шестернях гидронасоса 4′ и 5. При этом момент сопротивления на звене 5 определяет значение реактивного момента на водиле 12, который равен На водило 12 также действует неуравновешенный гидростатический момент, образующийся давлением потока рабочей жидкости, равный MГCA2=MГН=-M1(1-i13).

. т.е. .

Поток рабочей жидкости через выпускные окна гидронасоса 19 попадает в кольцевой канал 22 и через впускные окна гидромотора 18 в его рабочие полости, образованные впадинами шестерен 6 и 7. Крутящий момент на выходном валу гидромотора равен

где рн — давление жидкости, МПа;

— гидравлическое передаточное число;

MII — момент на выходном валу вариатора, Н·м;

При наличии сопротивления на выходном валу гидромотора возникают реактивные моменты на водиле, направленные в сторону, противоположную вращению входного вала. При подаче рабочей жидкости в рабочие полости зубчатого гидромотора с шестернями внутреннего зацепления с двумя и более сателлитами так же, как и в гидронасосе, возникают моменты сопротивления на шестернях 6 и 7. При этом момент сопротивления на звене 6 определяет значение реактивного момента от гидромотора на водиле 12, который равен При дальнейшей передаче крутящего момента с зубчатого венца 7′ на центральную солнечную шестерню 8 возникает реактивный момент, равный М12ГМ2ГМ(1-i7′8). Аналогично гидронасосу, в гидромоторе с шестернями внутреннего зацепления так же действует неуравновешенный гидростатический момент, образующийся давлением потока рабочей жидкости, направленный в сторону вращения входного вала и равный MГС2=-M7-7′i76. В результате действия этого момента суммарный реактивный момент со стороны гидромотора на водиле 12 уменьшается на эту величину и равен

Корпус 12, являясь общим водилом дифференциального преобразователя, одновременно соединен с коронным колесом 3 механического дифференциального механизма, при наличии момента сопротивления на выходном валу 8 МС=-MII, находится в состоянии равновесия и число оборотов его n12=0, а число оборотов выходного вала вариатора (K — коэффициент трансформации). При |МC|>|-MII| разница моментов на водиле 12 воспринимается муфтой свободного хода 11. При уменьшении числа оборотов выходного вала под действием нагрузки, превышающей расчетную, до nII=0 давление в кольцевой полости растет до величины давления срабатывания автоматического перепускного клапана 16 и разность расходов жидкости через гидронасос и гидромотор перетекает из кольцевого канала 22 во внутреннюю полость картера 20. Ввиду значительного повышения температуры рабочей жидкости при перетекании ее через щели клапана 16 такой режим работы допускается кратковременно в процессе трогания транспортного средства с места.

При скорости вращения выходного вала nII=nI относительные скорости всех звеньев равны нулю, следовательно Q=0. При изменении скорости nII изменяется скорость водила n12 и, соответственно, скорости звеньев гидронасоса и гидромотора относительно водила 12. Изменение числа оборотов выходного вала в диапазоне от nII=1/iзад до nII=0 происходит при n12=0. При n12=0 расход рабочей жидкости Q=n4′VГН=nIIVГМ и давление р=pmax. В связи с перераспределением потока мощности при изменении скорости выходного вала, параметры гидравлического потока мощности р и Q изменяются в соответствии с графиком, изображенным на фиг.3.

По сравнению с прототипом автоматическое бесступенчатое регулирование кинематических и силовых параметров осуществляется при полном отсутствии какой-либо системы управления, достигается простота вариантов конструкции.

Свойство обратимости роторных гидромашин при действии нагрузки со стороны выходного вала обеспечивает возможность торможения двигателем.

Муфта свободного хода, установленная на валу водила и автоматический перепускной клапан в гидравлическом контуре защищает двигатель в режиме разгона и режиме «стоп» от перегрузок.

В автомобилестроении высокомоментные дифференциальные гидромеханические вариаторы, используемые в качестве автоматических трансмиссий грузовых автомобилей, при совместной работе с двигателем позволяют последнему при изменяющейся во всем диапазоне внешней нагрузки работать в области режима равных мощностей, что приводит к оптимальной степени использования мощности и, соответственно, к значительному уменьшению расхода топлива.

Источники информации

2. Галеева Р.А., Сунарчин Р.А. Объемные гидромашины. — Уфа.: изд. Уфимского ордена Ленина авиационного института им. Серго Орджоникидзе, 1984. — С.62-71.