Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано при конструировании механизмов, в которых необходимо в широких пределах изменять передаточное отношение и крутящий момент, оптимизирующие разгон и управление движением ведомого вала при постоянных оборотах и крутящем моменте на валу двигателя. Примером такого механизма может быть трансмиссия транспортного средства и других механизмов.The invention relates to the field of transport engineering and can be used in the design of mechanisms in which it is necessary to widely vary the gear ratio and torque, optimizing the acceleration and control of the movement of the driven shaft at constant speed and torque on the motor shaft. An example of such a mechanism may be the transmission of a vehicle and other mechanisms.
Известны различные пути согласования передаточного отношения при передаче движения от двигателя к исполнительному механизму. Наиболее распространенным способом являются зубчатый редуктор и фрикционные муфты. Эти механизмы описаны, например, в: Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике». Том 4 «Зубчатые механизмы» и Том 5 «Фрикционные механизмы». М.: Наука, 1980 г., а также в: Патент RU №2304735, Патент RU №2333405.There are various ways of coordinating the gear ratio when transmitting movement from the engine to the actuator. The most common way are gear reducers and friction clutches. These mechanisms are described, for example, in: Artobolevsky II "Mechanisms in modern technology." Volume 4 "Gear mechanisms" and Volume 5 "Friction mechanisms." M .: Science, 1980, and also: Patent RU No. 2304735, Patent RU No. 2333405.
Недостатком зубчатых редукторов является то, что при их использовании передаточное отношение трансмиссии постоянно, двигатель в большинстве случаев не работает на оптимальном режиме, при этом ухудшается экономичность, увеличиваются нагрузки на двигатель и элементы трансмиссии. Внесение в конструкцию технологически сложных устройств, ступенчатых или бесступенчатых преобразователей передаточного отношения, а также специальных устройств, например, гидромоторов, приводят к удорожанию конструкции и к уменьшению степени надежности. Недостатками известных решений, описанных в Патенте RU №2304735 и в Патенте RU №2333405, являются сложность конструкции и неоптимальный режим работы в процессе изменения передаточного отношения.The disadvantage of gear reducers is that when they are used, the transmission ratio of the transmission is constant, the engine in most cases does not work at the optimum mode, while the economy is deteriorating, the load on the engine and transmission elements is increasing. The introduction of technologically complex devices, stepwise or stepless converters of gear ratio, as well as special devices, for example, hydraulic motors, into the design leads to a rise in the cost of the structure and to a decrease in the degree of reliability. The disadvantages of the known solutions described in Patent RU No. 2304735 and in Patent RU No. 2333405 are the design complexity and suboptimal mode of operation in the process of changing the gear ratio.
Задачей изобретения является осуществление простой бесступенчатой трансмиссии для разгона и автоматического управления оборотами ведомого вала с изменением крутящего момента и передаточного отношения, при работе двигателя на оптимальном режиме в зависимости от их потребных величин. Применение такой трансмиссии приведет к упрощению процесса разгона, уменьшению потерь и экономии энергии, а также к упрощению конструкции трансмиссии.The objective of the invention is the implementation of a simple continuously variable transmission for acceleration and automatic control of the revolutions of the driven shaft with a change in torque and gear ratio, when the engine is operating in optimal mode, depending on their required values. The use of such a transmission will simplify the acceleration process, reduce losses and save energy, as well as simplify the design of the transmission.
Указанная цель достигается тем, что согласно изобретению, в трансмиссии последовательно включены два дифференциальных механизма, каждый имеющий вход и два выхода. Вход первого дифференциального механизма соединен с двигателем транспортного средства, а один его выход соединен с входом второго дифференциала. На валу двигателя, соединенном с входом первого дифференциала, находится соединенный с ним ротор генератора. Статор генератора соединен со вторым выходом первого дифференциала и имеет возможность вращаться вокруг оси. Статор образует с ротором так называемую электрическую машину двойного вращения, иначе электрическую машину с двумя степенями свободы. Второй выход дифференциала также соединен с управляемой муфтой, ответная часть которой соединена с корпусом трансмиссии, имеющей возможность стопорить второй выход, соединяя его с неподвижным элементом. С выхода первого дифференциала вращение вала передается на вход второго дифференциального устройства, вход и два выхода которого расположены концентрично на общей оси. Один выход второго дифференциала соединен с ведомым валом, а второй выход соединен с управляемой силовой муфтой скольжения, ответная часть которой соединена с входом этого дифференциала. Вращение от двигателя передается на ротор генератора и на вход первого дифференциала, затем через его элементы на ведомый вал, который вращается в ту же сторону, в которую вращается вал двигателя, и на второй выход дифференциала, соединенный со статором генератора, который силой реакции стремится вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора генератора, ведущего и ведомого валов. При наличии электрической нагрузки в цепи генератора между статором и ротором в результате взаимоиндукции возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая дифференциал и приводящая к уменьшению передаточного отношения, слагающегося из передачи движения через элементы дифференциала и через его вращение вокруг оси, таким образом, способствуя увеличению скорости вращения ведомого вала. При увеличении электрической нагрузки в цепи генератора скольжение ротора и статора при постоянной нагрузке на валу будет уменьшаться, скорость вращения ведомого вала будет увеличиваться, а крутящий момент уменьшаться. Управляя электрической нагрузкой в цепи генератора, можно управлять изменением оборотов и крутящего момента ведомого вала. При необходимости, второй выход дифференциала стопорится муфтой, соединяя его с корпусом, превращая дифференциал в редуктор. При этом стопорится статор генератора, и энергия двигателя тратится только на вырабатывание электрического тока либо на запуск двигателя, так как генератор является обратимой электрической машиной и может быть использован для пуска двигателя или для повышения крутящего момента на выходе при движения в режиме «пониженной передачи». С ведомого вала первого дифференциала вращение передается на вход второго дифференциала один выход которого соединен с ведомым валом трансмиссии, а второй выход соединен с управляемой силовой муфтой скольжения, ответная часть которой соединена с входом второго дифференциала, и в процессе разгона частично блокирует дифференциал, что приводит к вращению его вокруг своей оси, уменьшая при этом его суммарное передаточное отношение, состоящее из передачи движения через его элементы и через передачу вращения механизма вокруг своей оси. Когда все движение передается через элементы дифференциала, тогда передаточное отношение этого механизма максимальное, и крутящий момент на ведомом валу также максимальный. Когда муфта не проскальзывает, дифференциал полностью заблокирован, передаточное отношение равно единице, крутящий момент на выходе равен крутящему моменту на его входе. Силовая муфта скольжения здесь выполняет функцию механизма сцепления, но она не соединяет ведущий и ведомый валы, а только управляет работой дифференциального механизма. Общее максимальное передаточное отношение трансмиссии будет определяться произведением максимального передаточного отношения первого механизма на максимальное передаточное отношение второго. Минимальное передаточное отношение может быть достаточно малым, но не может быть равным единице, так как при работе генератора имеет место взаимное относительное вращение между ротором и статором.This goal is achieved by the fact that according to the invention, two differential mechanisms are included in series in the transmission, each having an input and two outputs. The input of the first differential mechanism is connected to the vehicle engine, and one of its output is connected to the input of the second differential. On the motor shaft, connected to the input of the first differential, there is a generator rotor connected to it. The generator stator is connected to the second output of the first differential and has the ability to rotate around an axis. The stator forms with the rotor the so-called electric double-rotation machine, otherwise an electric machine with two degrees of freedom. The second differential output is also connected to a controlled clutch, the counterpart of which is connected to the transmission housing, which has the ability to stop the second output by connecting it to a fixed element. From the output of the first differential, the rotation of the shaft is transmitted to the input of the second differential device, the input and two outputs of which are located concentrically on a common axis. One output of the second differential is connected to the driven shaft, and the second output is connected to a controlled power slip clutch, the counterpart of which is connected to the input of this differential. Rotation from the engine is transmitted to the generator rotor and to the input of the first differential, then through its elements to the driven shaft, which rotates in the same direction in which the engine shaft rotates, and to the second differential output connected to the generator stator, which tends to rotate by the reaction force in the direction opposite to the direction of rotation of the rotor of the generator, the driving and driven shafts. When there is an electric load in the generator circuit between the stator and the rotor as a result of mutual induction, a force arises that drags the stator behind the rotor, partially blocks the differential and reduces the gear ratio, which is composed of the transmission of motion through the differential elements and through its rotation around the axis, thus contributing to increase the speed of rotation of the driven shaft. With an increase in the electric load in the generator circuit, the slip of the rotor and stator with a constant load on the shaft will decrease, the speed of rotation of the driven shaft will increase, and the torque will decrease. By controlling the electrical load in the generator circuit, you can control the change in speed and torque of the driven shaft. If necessary, the second differential output is locked by the coupling, connecting it to the housing, turning the differential into a gearbox. At the same time, the generator stator stops, and the energy of the engine is spent only on generating electric current or on starting the engine, since the generator is a reversible electric machine and can be used to start the engine or to increase the output torque when driving in the "low gear" mode. From the driven shaft of the first differential, rotation is transmitted to the input of the second differential, one output of which is connected to the driven shaft of the transmission, and the second output is connected to a controlled power slip clutch, the counterpart of which is connected to the input of the second differential, and partially blocks the differential during acceleration, which leads to its rotation around its axis, while reducing its total gear ratio, consisting of the transmission of movement through its elements and through the transmission of rotation of the mechanism around its axis. When all movement is transmitted through the differential elements, then the gear ratio of this mechanism is maximum, and the torque on the driven shaft is also maximum. When the clutch does not slip, the differential is completely locked, the gear ratio is unity, the output torque is equal to the torque at its input. The power sliding clutch here serves as a clutch mechanism, but it does not connect the drive and driven shafts, but only controls the operation of the differential mechanism. The total maximum gear ratio of the transmission will be determined by the product of the maximum gear ratio of the first mechanism and the maximum gear ratio of the second. The minimum gear ratio can be quite small, but cannot be equal to unity, since during the operation of the generator there is a mutual relative rotation between the rotor and the stator.
Электрический ток, произведенный генератором, при управлении работой первого дифференциального механизма подается на электродвигатели, соединенные с колесами транспортного средства, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели могут быть любого типа, а также, согласно изобретению, могут иметь в своем устройстве два ротора, объединенных электроиндукционной связью и соединенных посредством дифференциального механизма. Основной ротор электродвигателя подключен к входу дифференциала, а два его выхода подключены: один к валу электродвигателя, соединенному с колесом, а второй к вспомогательному ротору, установленному концентрично с ротором электродвигателя и связанному с ним электроиндукционной связью, таким образом, что оба ротора образуют электромагнитную муфту. Ротор электродвигателя при вращении увлекает за собой вспомогательный ротор, уменьшая передаточное отношение дифференциала и увеличивая скорость вращения ведомого вала.The electric current produced by the generator, when controlling the operation of the first differential mechanism, is supplied to electric motors connected to the wheels of the vehicle, not connected to the driven shaft of the transmission. These electric motors can be of any type, and also, according to the invention, can have two rotors in their device, connected by an electric induction coupling and connected by a differential mechanism. The main rotor of the electric motor is connected to the input of the differential, and two of its outputs are connected: one to the shaft of the electric motor connected to the wheel, and the second to the auxiliary rotor mounted concentrically with the rotor of the electric motor and connected to it by electric induction coupling, so that both rotors form an electromagnetic clutch . The rotor of the electric motor during rotation carries with it the auxiliary rotor, reducing the gear ratio of the differential and increasing the speed of rotation of the driven shaft.
При увеличении нагрузки на ведомом валу электродвигателя скольжение роторов относительно друг друга увеличивается, передаточное отношение увеличивается. Обороты вала электродвигателя уменьшаются, а крутящий момент увеличивается. При постоянном крутящем моменте и оборотах ротора электродвигателя обороты ведомого вала и крутящий момент на нем автоматически, в зависимости от требуемой величины крутящего момента, изменяются в широких пределах. При старте на ведомом валу крутящий момент максимальный, а обороты минимальные, величина которых определяется параметрами элементов дифференциального устройства.With increasing load on the driven shaft of the electric motor, the sliding of the rotors relative to each other increases, the gear ratio increases. The revolutions of the motor shaft decrease, and the torque increases. With constant torque and rotor speed of the electric motor, the revolutions of the driven shaft and the torque on it automatically, depending on the required magnitude of the torque, vary over a wide range. When starting on the driven shaft, the maximum torque, and the minimum speed, the value of which is determined by the parameters of the elements of the differential device.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана трансмиссия от вала привода 1 до ведомого вала 15. Вал привода 1 соединен с ротором генератора 2 и с центральным колесом первого дифференциала 4. При вращении вала привода энергия двигателя передается через сателлиты 6, соединенные между собой, установленные и свободно вращающиеся на водиле 5, на центральное колесо 7. Статор генератора 3 соединен с водилом 5 и может вращаться с ним вокруг оси. При наличии нагрузки на ведомом валу водило 5 будет стремиться к вращению в сторону, обратную вращению ведущего вала 1, но включенная в цепь генератора электрическая нагрузка создает силу, увлекающую статор генератора 3 и соединенное с ним водило 5 за ротором генератора 2, частично блокируя дифференциальное устройство, увеличивая его скорость вращения вокруг оси, уменьшая его передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала. Изменяя электрическую нагрузку в цепи генератора, можно управлять передаточным отношением и крутящим моментом на ведомом валу этого механизма. Управляемая муфта 8 при необходимости может соединить водило 5 с корпусом трансмиссии и остановить статор генератора, что дает возможность всю энергию двигателя транспортного средства использовать для получения электричества, использовать генератор как электродвигатель для пуска двигателя транспортного средства либо осуществлять движение в режиме «пониженной передачи». Далее вращение с центрального колеса 7 передается на центральное колесо 9 второго дифференциального механизма и диск 10 фрикционной муфты. Ответный диск фрикционной муфты 11 соединен с водилом второго дифференциального механизма 12 и, при наличии сил трения во фрикционной муфте, при ее проскальзывании, частично блокирует второе дифференциальное устройство, уменьшая качение сателлитов 13, соединенных между собой и свободно вращающихся на водиле 12, по центральным колесам 9 и 14, увеличивая скорость вращения всего дифференциального механизма вокруг оси, уменьшая его передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала 15. При полном блокировании фрикционной муфтой второго дифференциального устройства его передаточное отношение равно единице.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the transmission from the drive shaft 1 to the driven shaft 15. The drive shaft 1 is connected to the rotor of the generator 2 and to the central wheel of the first differential 4. When the drive shaft rotates, the engine energy is transmitted through satellites 6, interconnected, mounted and freely rotating on the carrier 5, on the central wheel 7. The stator of the generator 3 is connected to the carrier 5 and can rotate with it around the axis. If there is a load on the driven shaft, carrier 5 will tend to rotate in the direction opposite to the rotation of drive shaft 1, but the electric load included in the generator circuit creates a force that captures the stator of generator 3 and the carrier 5 connected to it behind the rotor of generator 2, partially blocking the differential device , increasing its speed of rotation around the axis, reducing its gear ratio and increasing the speed of rotation of the driven shaft. By changing the electrical load in the generator circuit, you can control the gear ratio and torque on the driven shaft of this mechanism. The controlled clutch 8, if necessary, can connect the carrier 5 to the transmission housing and stop the generator stator, which makes it possible to use all the energy of the vehicle’s engine to generate electricity, use the generator as an electric motor to start the vehicle’s engine, or move in the “low gear” mode. Next, the rotation from the Central wheel 7 is transmitted to the Central wheel 9 of the second differential mechanism and the disk 10 of the friction clutch. The response disk of the friction clutch 11 is connected to the carrier of the second differential mechanism 12 and, in the presence of friction forces in the friction clutch, when it slips, partially blocks the second differential device, reducing the rolling of the satellites 13, interconnected and freely rotating on the carrier 12, along the central wheels 9 and 14, increasing the speed of rotation of the entire differential mechanism around the axis, reducing its gear ratio and increasing the speed of rotation of the driven shaft 15. When fully blocked by a friction clutch the second differential device its gear ratio is equal to one.
Электрический ток, вырабатываемый генератором, поступает на потребители и в том числе на питание электромотора, схема которого показана на фиг.2. На валу электродвигателя 16 свободно вращается ротор электродвигателя 17, соединенный с центральной шестерней планетарного дифференциала 18. Обмотка ротора электродвигателя 23 связана с одной стороны электроиндукционной связью с обмоткой статора 22, а с другой стороны с обмоткой вспомогательного ротора 24, который образует с ротором электродвигателя электромагнитную муфту. Вращение ротора 17 и шестерни 18 через сателлиты 19, установленные на водиле 20, соединенные между собой, но свободно вращающиеся на водиле, передают вращение на шестерню 21, соединенную с валом двигателя 16. При вращении ротора электродвигателя 17 и центральной шестерни 18, при наличии нагрузки на валу 16 водило 20 и соединенный с ним вспомогательный ротор стремятся вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора электродвигателя, но так как он с ротором электродвигателя образует электромагнитную муфту и связан с ним индуктивно, он увлекается за ротором электродвигателя и частично блокирует дифференциал, уменьшая передаточное отношение механизма, увеличивая скорость вращения ведомого вала электродвигателя 16. При уменьшении на валу потребной нагрузки скольжение между роторами уменьшится, качение сателлитов по центральным колесам уменьшится, передаточное отношение дифференциала уменьшится, скорость вала электродвигателя увеличится. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя скольжение роторов увеличится, сателлиты быстрее покатятся по центральным колесам, передаточное отношение дифференциального устройства автоматически увеличится, скорость вращения вала уменьшится, а крутящий момент увеличится.The electric current generated by the generator is supplied to consumers, including the power of the electric motor, the circuit of which is shown in figure 2. On the shaft of the electric motor 16, the rotor of the electric motor 17 rotates freely, connected to the central gear of the planetary differential 18. The rotor winding of the electric motor 23 is connected on one side by an induction coupling to the stator winding 22, and on the other hand, to the winding of the auxiliary rotor 24, which forms an electromagnetic clutch with the electric rotor . The rotation of the rotor 17 and the gear 18 through the satellites 19 mounted on the carrier 20, interconnected but freely rotating on the carrier, transmit the rotation to the gear 21 connected to the motor shaft 16. When the rotor of the electric motor 17 and the central gear 18 rotate, when there is a load on the shaft 16 drove 20 and the auxiliary rotor connected to it tend to rotate in the direction opposite to the direction of rotation of the electric motor rotor, but since it forms an electromagnetic clutch with the electric motor rotor and is inductively coupled to it, he carried away etsya for the motor rotor and partially blocking the differential reducing gear ratio of the mechanism, increasing the rotational speed of the output shaft of the motor 16. With a decrease in load on the shaft of required slip between the rotors is reduced, the rolling of the wheels along the central satellites decreases, the differential gear ratio is reduced, the motor shaft speed increases. With an increase in the load on the motor shaft, the slip of the rotors will increase, the satellites will roll faster along the central wheels, the gear ratio of the differential device will automatically increase, the shaft rotation speed will decrease, and the torque will increase.
