RU2017024C1

RU2017024C1 - Recuperative brake

Info

Publication number: RU2017024C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Черноштанов; В.В. Гаевский
Original assignee: Гаевский Виталий Валентинович
Priority date: 1991-06-10
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: recuperative brake has a transmission shaft coupled with a freewheel through a planet gear. The freewheel is kinematically connected with a sun wheel. The brake includes a screw spring set on a rod which is coupled with the sun wheel through a ball-screw transmission whose nut is coupled with the sun wheel via the planet gear. The screw spring is interposed between movable disk and piston of ring hydraulic cylinder which is coupled with a control unit coupled with a hydraulic pump. The hydraulic cylinder is used for controlling extent of additional deformation and hence for controlling rate of deceleration (acceleration) in braking (speeding up) on commands of the control unit. The ball-screw transmission allows to transmit axial and tangential forces independently of inclination of teeth of the gear wheels of the planet gear. EFFECT: enhanced reliability. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к механизмам, работающим с частыми остановками и интенсивными разгонами, и может быть использовано для быстрого останавливания и разгона валов без применения фрикционных тормозов и без привлечения дополнительной мощности приводного двигателя. The invention relates to mechanical engineering, in particular to mechanisms that work with frequent stops and intense acceleration, and can be used to quickly stop and accelerate shafts without the use of friction brakes and without attracting additional drive motor power.

Известен рекуперативный тормоз [1], содержащий вал трансмиссии, соединенный посредством планетарной передачи с инерционной массой, кинематически связанной с солнечным колесом, а также упругий элемент, выполненный в виде винтовой пружины сжатия, размещенной между двух подвижных дисков, связанных со штоком, взаимодействующим с солнечным колесом через средство осевого перемещения штока. A recuperative brake [1] is known, comprising a transmission shaft connected by means of a planetary gear with an inertial mass kinematically connected to the sun wheel, as well as an elastic element made in the form of a compression screw spring placed between two movable disks connected to a rod interacting with the sun wheel through the means of axial movement of the rod.

Недостатками этой конструкции являются невозможность управления изменением интенсивности замедления и ускорения машины вследствие постоянного значения жесткости упругого элемента, а также наличие осевых усилий, приложенных к сателлитам и коронному колесу и возникающих потому, что планетарный редуктор обязательно выполняется косозубым с большим углом наклона зубьев. The disadvantages of this design are the inability to control the change in the intensity of deceleration and acceleration of the machine due to the constant stiffness of the elastic element, as well as the presence of axial forces applied to the satellites and the crown wheel and arising because the planetary gearbox is necessarily helical with a large angle of inclination of the teeth.

Предлагаемый рекуперативный тормоз снабжен гидронасосом, один из дисков выполнен в виде соосного со штоком кольцевого поршня гидроцилиндра, полость которого соединена с гидронасосом через блок управления. Кроме того, средство осевого перемещения штока выполнено в виде шариковинтовой передачи, гайка которой связана с солнечным колесом планетарной передачи. Интенсивность замедления развиваемого рекуперативным тормозом, зависит от момента инерции маховика и упругости пружины. Так как эти величины постоянные, то при торможении транспортного средства, оснащенного таким тормозом, всегда будет одинаковое замедление и при равной начальной скорости одинаковый тормозной путь. The proposed regenerative brake is equipped with a hydraulic pump, one of the disks is made in the form of an annular piston of a hydraulic cylinder coaxial with the rod, the cavity of which is connected to the hydraulic pump through a control unit. In addition, the axial displacement of the rod is made in the form of a ball screw, the nut of which is connected with the sun wheel of the planetary gear. The intensity of the deceleration developed by the regenerative brake depends on the moment of inertia of the flywheel and the elasticity of the spring. Since these values are constant, when braking a vehicle equipped with such a brake, there will always be the same deceleration and the same braking distance at the same initial speed.

Однако в эксплуатации часто возникает необходимость водителю тормозить с различной интенсивностью, плавно или резко, причем эта интенсивность может меняться на ходу. Кольцевой гидроцилиндр, поршень которого может сжимать или отпускать пружину в процессе торможения, позволяет менять степень дополнительной деформации пружины, благодаря этому меняется интенсивность замедления транспортного средства. Блок управления приводит в соответствие положение поршня в гидроцилиндре с управляющим воздействием водителя, а гидронасос создает давление в системе. Винт с шариковой гайкой передает осевые и окружные усилия независимо от угла наклона зубьев зубчатых колес редуктора. However, in operation, there is often a need for the driver to brake with different intensities, smoothly or abruptly, and this intensity can change on the go. The annular hydraulic cylinder, the piston of which can compress or release the spring during braking, allows you to change the degree of additional deformation of the spring, due to this the intensity of the vehicle deceleration changes. The control unit matches the position of the piston in the hydraulic cylinder with the control action of the driver, and the hydraulic pump creates pressure in the system. A ball nut screw transmits axial and circumferential forces regardless of the angle of the gear teeth.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого рекуперативного тормоза; на фиг. 2 - основные этапы процесса торможения. In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed regenerative brake; in FIG. 2 - the main stages of the braking process.

С двигателем (на чертеже не показан), приводящим в движение машину, которую предполагается останавливать и разгонять, соединен вал 1, установленный с возможностью соединения через сцепление 2 с валом 3 трансмиссии. На валу 3 трансмиссии установлена на подшипнике шестерня 4 с возможностью соединения с валом 3 через сцепление 5. В зацепление с шестерней 4 входит шестерня 6, выполненная заодно с водилом 7 планетарной передачи 8 и имеющая возможность свободного вращения. Connected to a motor (not shown in the drawing) that drives a machine to be stopped and accelerated is a shaft 1 that is mounted to be coupled via a clutch 2 to a transmission shaft 3. A gear 4 is mounted on the bearing shaft 3 of the transmission and can be connected to the shaft 3 via a clutch 5. Gear 6 is engaged with gear 4 and is made integral with planet carrier 7 of planetary gear 8 and can rotate freely.

На водиле 7 установлены сателлиты 9. В зацепление с сателлитами 9 входит солнечное колесо 10, с последним винт 11, а с ним - маховик 12 посредством шлицевого соединения 13. Satellites 9 are installed on the carrier 7. The sun wheel 10 is engaged with the satellites 9, with the last screw 11, and with it the flywheel 12 by means of a spline connection 13.

С другой стороны винта 11 имеются упорные подшипники 14 и 15, шток 16, диск 17, упругий элемент (пружина) 18 и гидроцилиндр с кольцевым поршнем 19. Гидроцилиндр посредством гибкого рукава 20 связан с блоком 21 управления, а последний - с гидравлическим насосом 22. Солнечное колесо 10 связано с винтом 11 посредством шариковой гайки 23. On the other hand of the screw 11 there are thrust bearings 14 and 15, a rod 16, a disk 17, an elastic element (spring) 18 and a hydraulic cylinder with an annular piston 19. The hydraulic cylinder is connected via a flexible sleeve 20 to the control unit 21, and the latter to the hydraulic pump 22. The sun wheel 10 is connected to the screw 11 by means of a ball nut 23.

Рекуперативный тормоз работает следующим образом. The regenerative brake operates as follows.

При установившемся режиме работы крутящий момент передается от двигателя к трансмиссии через вал 1, включенное сцепление 2 и вал 3. Зубчатое колесо 4 может при этом вращаться независимо от вала 3 или оставаться неподвижным, так как сцепление 5 выключено. При необходимости торможения вала 3 трансмиссии сцепление 2 выключается, отсоединяя вал двигателя 1, а сцепление 5 включается, соединяя вал трансмиссии с шестерней 4, начинается первый этап торможения (поз. 1 фиг. 2). In the steady state operation mode, the torque is transmitted from the engine to the transmission through the shaft 1, the clutch 2 and the shaft 3 engaged. The gear 4 can rotate independently of the shaft 3 or remain stationary, since the clutch 5 is turned off. If it is necessary to brake the transmission shaft 3, the clutch 2 is turned off, disconnecting the engine shaft 1, and the clutch 5 is turned on, connecting the transmission shaft with the gear 4, the first braking stage begins (item 1 of Fig. 2).

После включения сцепления 5 солнечное колесо 10 начинает вращаться с угловой скоростью V₁ ^о, равной скорости вращения вала 3 трансмиссии, с учетом передаточного числа. Через солнечное колесо 10 и шариковую гайку 23 на винт 11 передается крутящий момент от вала трансмиссии. В точке О контакта шариковой гайки 23 и винта 11 со стороны вала трансмиссии возникает сила F₁, которая раскладывается на тангенциальную Р₁ ^т и осевую Р₁ ^о силу, а со стороны винта 11 действует сила сопротивления раскручиванию маховика 12 - Р₂ ^т. Пружина, находясь в свободном состоянии, не оказывает никакого сопротивления осевому перемещению, т. е. Р₂ ^о = 0. Угловая скорость вращения маховика 12 V₂ = 0. Винт 11 начинает перемещаться в сторону наименьшего сопротивления, т.е. в осевом направлении со скоростью V₃, при этом скорость вращения V₁ солнечного колеса 10 и линейная скорость перемещения винта 11 примерно равны (за время t винт 11 перемещается в осевом направлении на один шаг винта, что соответствует одному обороту этого винта 11 за время t). Передаточное отношение (U) от трансмиссии к маховику близко к бесконечности.After engaging the clutch 5, the sun wheel 10 begins to rotate with an angular speed V ₁ ^about equal to the speed of rotation of the shaft 3 of the transmission, taking into account the gear ratio. Through the sun wheel 10 and the ball nut 23 to the screw 11 is transmitted torque from the transmission shaft. At the point O of the contact of the ball nut 23 and the screw 11 from the side of the transmission shaft, a force F ₁ arises, which decomposes into a tangential P ₁ ^t and axial P ₁ ^{about the} force, and from the side of the screw 11, the resistance to unwinding of the flywheel 12 - P ₂ ^t acts. The spring, being in a free state, does not exert any resistance to axial movement, that is, Р ₂ ^о = 0. The angular velocity of rotation of the flywheel 12 V ₂ = 0. Screw 11 begins to move towards the lowest resistance, i.e. in the axial direction with a speed of V ₃ , while the rotational speed V _{1 of the} sun wheel 10 and the linear speed of movement of the screw 11 are approximately equal (during time t, the screw 11 moves axially one step of the screw, which corresponds to one revolution of this screw 11 during time t ) The gear ratio (U) from the transmission to the flywheel is close to infinity.

По мере перемещения винта 11 и сжатия пружины 18 возникает сила сопротивления Р₂ ⁰ = К_х, где х - величина сжатия пружины 18. Появляется сила F₂ = SORT ((P₂ ⁰) Λ2 + (Р₂ ^т) Λ2), которая создает тормозной момент на валу трансмиссии.As the screw 11 moves and the spring 18 is compressed, a resistance force P ₂ ⁰ = K _x arises, where x is the compression value of the spring 18. A force F ₂ = SORT ((P ₂ ⁰ ) Λ2 + (P ₂ ^t ) Λ2) appears, which creates braking torque on the transmission shaft.

С течением времени маховик 12 раскручивается, его угловая скорость V₂ увеличивается под действием силы Р₁ ^т с определенным ускорением, а V₃ уменьшается (так как при раскручивании маховика 12 Р₁ ^т и Р₁ ^о - уменьшаются, а при сжатии пружины 18 Р₂ ⁰ - увеличивается и в определенный момент времени Р₂ ⁰ превысит Р₁ ⁰ - с этого момента и будет происходить уменьшение V₃. причем, чем больше будет разность Р₂ ⁰ - Р₁ ⁰, тем интенсивнее будет замедляться V₃). При этом сумма скоростей V₂ + V₃ равняетcя V₁, a U уменьшается, стремясь к единице.Over time, the flywheel 12 is untwisted, its angular velocity V ₂ increases under the action of the force P ₁ ^t with a certain acceleration, and V ₃ decreases (since with the unwinding of the flywheel 12 R ₁ ^t and P ₁ ^о decrease, and with compression of the spring 18 P ₂ ⁰ - increases and at a certain point in time P ₂ ⁰ exceeds P ₁ ⁰ - from this moment V ₃ will decrease. Moreover, the greater the difference P ₂ ⁰ - P ₁ ⁰ , the more intense V ₃ will slow down). In this case, the sum of the velocities V ₂ + V _{3 is} equal to V ₁ , and U decreases, tending to unity.

Фиг. 2, II. Когда угловые скорости V₁ солнечного колеса 10 и V₂ маховика 12 выравниваются, осевое перемещение винта 11 прекращается V₃ = 0, пружина 18 в этот момент имеет максимальное сжатие и обладает потенциальной энергией Е_п. При этом U = 1. Этот момент является серединой процесса торможения и здесь необходимо, чтобы V₁ было равно половине начальной угловой скорости солнечного колеса 10.FIG. 2, II. When the angular velocities V _{1 of the} sun wheel 10 and V _{2 of the} flywheel 12 are aligned, the axial movement of the screw 11 stops V ₃ = 0, the spring 18 at this moment has maximum compression and has a potential energy of E _p . Moreover, U = 1. This moment is the middle of the braking process and here it is necessary that V ₁ be equal to half the initial angular velocity of the sun wheel 10.

Фиг. 2, III. Теперь в точке контакта 0 максимальной силой является Р₂ ⁰ - сила сжатой пружины 18, она, проталкивая винт 11 в обратном направлении, раскручивает маховик 12. В точке 0 приложена также сила P₂ ^т - сила сопротивления раскручиванию маховика 12 - она создает тормозной момент на валу трансмиссии. Со стороны вала трансмиссии в точке контакта О действует сила сопротивления уменьшению скорости вращения вала 3 трансмиссии F₁, которая раскладывается на Р₁ ^т и Р₁ ⁰ - они являются намного меньшими Р₂ ^т и Р₂ ⁰.FIG. 2, III. Now at the point of contact 0, the maximum force is P ₂ ⁰ - the force of the compressed spring 18, it, pushing the screw 11 in the opposite direction, untwists the flywheel 12. At point 0, the force P ₂ ^t is also applied - the force of resistance to untwisting of the flywheel 12 - it creates a braking moment on the transmission shaft. From the side of the transmission shaft at the contact point O, a resistance force acts to reduce the rotation speed of the transmission shaft 3 of the transmission F ₁ , which is decomposed into P ₁ ^t and P ₁ ⁰ - they are much smaller than P ₂ ^t and P ₂ ⁰ .

С течением времени скорость перемещения винта 11 в обратном направлении под действием силы F = Р₂ ⁰ - Р₁ ⁰ возрастает, а скорость вращения солнечного колеса 10 под действием силы Р₂ ^т - уменьшается, следовательно винт 11, перемещаясь относительно солнечного колеса 10, вынужден проворачиваться, увеличивая при этом скорость вращения маховика 12. Баланс скоростей на этом этапе торможения выглядит следующим образом: V₂ - V₃ = V₁, т.е. увеличение V₃ (со знаком минус, так как в обратном направлении) компенсирует снижение V₁ и увеличение V₂, при этом U < 1 и стремится к нулю.Over time, the speed of movement of the screw 11 in the opposite direction under the action of the force F = P ₂ ⁰ - P ₁ ⁰ increases, and the rotation speed of the sun wheel 10 under the action of the force P ₂ ^t decreases, therefore, the screw 11, moving relative to the sun wheel 10, is forced rotate while increasing the speed of rotation of the flywheel 12. The balance of speeds at this stage of braking is as follows: V ₂ - V ₃ = V ₁ , i.e. an increase in V ₃ (with a minus sign, since in the opposite direction) compensates for a decrease in V ₁ and an increase in V ₂ , while U <1 and tends to zero.

Фиг. 2, IV. В момент, когда скорость вращения солнечного колеса 10 станет равной нулю, пружина полностью разожмется и вся ее Е_п (за исключением потерь на раскручивание маховика 12) перейдет в кинетическую энергию движения винта 11 - V₃ будет максимальной и равной угловой скорости вращения маховика 12 - V₂, т.е. состояние системы в этот момент аналогично начальному состоянию, только сейчас вращается маховик 12, а не солнечное колесо 10 и U = 0.FIG. 2, iv. At the moment when the rotation speed of the sun wheel 10 becomes equal to zero, the spring is fully unclenched and all of its E _p (with the exception of losses due to unwinding of the flywheel 12) will go into the kinetic energy of the screw 11 - V ₃ movement will be maximum and equal to the angular speed of rotation of the flywheel 12 - V ₂ , i.e. the state of the system at this moment is similar to the initial state, only now the flywheel 12 is spinning, and not the sun wheel 10 and U = 0.

В следующий момент начнется процесс разгона солнечного колеса 10 и вала трансмиссии. Но чтобы этого не произошло, в момент, когда V₁ становится равной нулю, отключается сцепление 5 и солнечное колесо 10 начинает вращаться независимо от вала трансмиссии, со скоростью, равной V₂ - система находится в ожидании процесса разгона, который начнется при включении сцепления 5. Разгон происходит аналогично торможению.At the next moment, the process of accelerating the solar wheel 10 and the transmission shaft will begin. But to prevent this, at the moment when V ₁ becomes equal to zero, the clutch 5 is turned off and the sun wheel 10 starts to rotate independently of the transmission shaft, at a speed equal to V ₂ - the system is waiting for the acceleration process, which will start when the clutch 5 is engaged Acceleration occurs similarly to braking.

Для того чтобы водитель мог управлять процессом замедления автомобиля (например, увеличить интенсивность замедления, следовательно, остановить автомобиль быстрее и на кратчайшем пути), блок управления 21 подает жидкость под давлением в гидроцилиндр 19. Поршень выдвигается и сжимает пружину 18 на некоторую величину, увеличивая ее степень дополнительной деформации. В результате осевое перемещение винта 11 встретит большее сопротивление со стороны пружины 18, что заставит раскручиваться маховик 12 с большей интенсивностью. Увеличившееся сопротивление осевому перемещению со стороны пружины и раскручиванию винта со стороны маховика преобразуются в возросшее сопротивление проворачиванию вала трансмиссии и, следовательно, более интен- сивное замедление автомобиля. In order for the driver to be able to control the car’s deceleration process (for example, to increase the deceleration rate, therefore, stop the car faster and on the shortest path), the control unit 21 delivers the liquid under pressure into the hydraulic cylinder 19. The piston extends and compresses the spring 18 by a certain amount, increasing it degree of additional deformation. As a result, the axial movement of the screw 11 will meet more resistance from the side of the spring 18, which will cause the flywheel 12 to spin with greater intensity. The increased resistance to axial movement from the side of the spring and the unscrewing of the screw from the side of the flywheel are converted into increased resistance to turning the transmission shaft and, therefore, a more intensive deceleration of the car.

Положительный эффект достигается за счет придания рекуперативному тормозу способности реагировать на управляющее воздействие водителя, что упрощает реализацию такого тормоза на реальных автомобилях, а отказ от специального планетарного редуктора с большим углом наклона зубьев облегчает условия работы деталей и улучшает возможности унификации конструкции с существующими узлами и агрегатами. A positive effect is achieved by giving the regenerative brake the ability to respond to the driver's control, which simplifies the implementation of such a brake on real cars, and the rejection of a special planetary gearbox with a large angle of inclination of the teeth facilitates the working conditions of parts and improves the possibility of unifying the design with existing units and assemblies.

Claims

1. A RECOVERABLE BRAKE containing a transmission shaft connected via a planetary gear with inertial mass kinematically connected to the sun wheel, as well as an elastic element made in the form of a compression screw spring placed between two movable disks connected to the rod interacting with the sun wheel through means for axial movement of the rod, characterized in that it is equipped with a hydraulic pump, and one of the disks is made in the form of an annular piston of a hydraulic cylinder coaxial with the rod, the cavity of which is soy inena with the hydraulic pump through the control unit.

2. The brake according to claim 1, characterized in that the means of axial movement of the rod is made in the form of a ball screw, the nut of which is connected with the sun wheel of the planetary gear.