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 вала 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 of 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. Т. 4 Зубчатые механизмы и Т. 5 Фрикционные механизмы. - М.: Наука, 1980 г., а также в: Патенте RU №2304735, Патенте RU №2333405, Патенте RU №2527625.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. T. 4 Gear mechanisms and T. 5 Friction mechanisms. - M .: Science, 1980, and also: Patent RU No. 2304735, Patent RU No. 2333405, Patent RU No. 2527625.
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. Патент RU №2527625 содержит сложное устройство в электродвигателе - второй, внутренний ротор. Трансмиссия, описанная в патентном материале RU №2527625, является прототипом заявляемого устройства.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 sophisticated devices, stepwise or stepless converters of the gear ratio, as well as special devices, for example, hydraulic motors, leads to a rise in the cost of the structure and 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. Patent RU No. 2527625 contains a complex device in an electric motor - a second, internal rotor. The transmission described in patent material RU No. 2527625, is a prototype of the inventive device.
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 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 трансмиссию последовательно включены два планетарных асимметричных дифференциальных механизма, имеющих вход и два выхода. Вход первого дифференциального механизма соединен с валом двигателя транспортного средства, а один его выход соединен с входом второго дифференциала. На входном валу первого дифференциала также находится соединенный с ним ротор генератора. Статор генератора соединен со вторым выходом первого дифференциала и имеет возможность вращаться вокруг оси. Статор образует с ротором электрическую машину двойного вращения. Второй выход дифференциала также соединен с управляемой муфтой, ответная часть которой соединена с корпусом трансмиссии. Муфта имеет возможность стопорить второй выход и статор генератора, соединяя его с корпусом. С выхода первого дифференциала вращение вала передается на вход второго дифференциального устройства, которое в схеме трансмиссии играет роль механизма сцепления, а также позволяет в процессе разгона увеличивать на его выходе крутящий момент, вход и два выхода которого также 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. Вращение от двигателя передается на ротор генератора и на вход первого дифференциала, затем через его элементы на ведомый вал первого дифференциала, который вращается в ту же сторону, в которую вращается вал двигателя, и на второй выход дифференциала, соединенный со статором генератора, который стремится вращаться в сторону, обратную направлению вращения ротора генератора. При наличии электрической нагрузки в цепи генератора между статором и ротором в результате взаимоиндукции возникает сила, увлекающая статор за ротором, частично блокирующая дифференциал, заставляющая дифференциал вращается вокруг своей оси, что приводит 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. 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. Так как генератор является обратимой электрической машиной, то он при этом может быть использован для пуска двигателя, а также для увеличения темпа разгона транспортного средства при старте и в других случаях, а также для движения на электрической тяге.This goal is achieved by the fact that according to the invention, two planetary asymmetric differential mechanisms having an input and two outputs are sequentially included in the transmission. The input of the first differential mechanism is connected to the shaft of the vehicle engine, and one of its outputs is connected to the input of the second differential. A generator rotor connected to it is also located on the input shaft of the first differential. 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 a double-rotation electric machine with a rotor. The second differential output is also connected to a controlled clutch, the counterpart of which is connected to the transmission housing. The coupling has the ability to stop the second output and the stator of the generator, connecting it to the housing. From the output of the first differential, the rotation of the shaft is transmitted to the input of the second differential device, which plays the role of a clutch mechanism in the transmission scheme, and also allows to increase the torque at its output, the input and two outputs of which are also 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. The rotation from the engine is transmitted to the generator rotor and to the input of the first differential, then through its elements to the output shaft of the first differential, which rotates in the same direction that the engine shaft rotates, and to the second differential output connected to the generator stator, which tends to rotate in the direction opposite to the direction of rotation of the rotor of the generator. 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, forcing the differential to rotate around its axis, which leads to a decrease in the gear ratio, which is composed of the transmission of motion through and through the differential elements rotation around the axis, thus contributing to an increase in the rotation speed of the driven shaft. 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. Since the generator is a reversible electric machine, it can be used to start the engine, as well as to increase the acceleration rate of the vehicle at start-up and in other cases, as well as for driving on electric traction.
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, при проскальзывании 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 непосредственно не соединяет ведущий и ведомый валы, а только управляет работой дифференциального механизма.From the driven shaft of the first differential, the 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 during acceleration, when the slip creeps in, partially blocks the differential , which leads to its rotation around its axis, while reducing its total gear ratio, consisting of the transmission of motion 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 does not directly connect the drive and driven shafts, but only controls the operation of the differential mechanism.
Электрический ток, произведенный генератором, при управлении работой первого дифференциального механизма подается на электродвигатели, соединенные с элементами привода транспортного средства, например с колесами, не подключенными к ведомому валу трансмиссии. Эти электродвигатели могут быть любого типа, согласно изобретению подключаются через устройство, состоящее из асимметричной планетарной дифференциальной передачи и соединенной с ней электромагнитной силовой муфты скольжения. Вал электродвигателя соединен с входом дифференциала и с якорем или индуктором электромагнитной муфты скольжения. Один выход дифференциала подключен на ведомый вал, а второй соединен с ответной частью электромагнитной муфты. Второй выход дифференциала стремится к вращению в обратную сторону относительно направления вращения двигателя и первого выхода дифференциала, но сила электромагнитной индукции, возникающая между якорем муфты и индуктором, частично блокирует дифференциал и уменьшает общее передаточное отношение, способствуя разгону ведомого вала. При увеличении нагрузки на ведомом валу взаимное скольжение ротора и индуктора увеличивается, вращение в большей степени передается через шестерни дифференциала, а его вращение вокруг оси замедляется, передаточное отношение на ведомый вал увеличивается. Обороты вала 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. Величины их определяются параметрами дифференциала. При старте передаточное отношение от электродвигателя к ведомому колесу максимально, крутящий момент также максимален и кратно превышает крутящий момент двигателя.The electric current generated by the generator, when controlling the operation of the first differential mechanism, is supplied to electric motors connected to the drive elements of the vehicle, for example, to wheels not connected to the driven shaft of the transmission. These electric motors can be of any type. According to the invention, they are connected via a device consisting of an asymmetric planetary differential gear and an electromagnetic power slip clutch connected to it. The motor shaft is connected to the input of the differential and to the armature or inductor of the electromagnetic slip clutch. One differential output is connected to the driven shaft, and the second is connected to the counterpart of the electromagnetic clutch. The second output of the differential tends to rotate in the opposite direction relative to the direction of rotation of the engine and the first output of the differential, but the electromagnetic induction force arising between the coupling armature and the inductor partially blocks the differential and reduces the overall gear ratio, contributing to the acceleration of the driven shaft. With an increase in the load on the driven shaft, the mutual sliding of the rotor and inductor increases, rotation is transmitted to a greater extent through the differential gears, and its rotation around the axis slows down, the gear ratio to the driven shaft increases. Shaft revolutions decrease and 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. Their values are determined by the differential parameters. When starting, the gear ratio from the electric motor to the driven wheel is maximum, the torque is also maximum and is several times higher than the engine torque.
В трансмиссию могут быть включены также элементы, служащие для оптимизации ее работы, прежде известные из уровня техники, такие, например, как механизмы реверса, механизмы изменения и распределения потока энергии, раздаточные коробки и другие.Elements may also be included in the transmission that serve to optimize its operation, previously known from the prior art, such as, for example, reverse mechanisms, mechanisms for changing and distributing energy flow, transfer cases, and others.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 показан первый дифференциальный механизм, соединяющий двигатель транспортного средства с генератором. Вал двигателя 1 соединен с ротором генератора 2 и с водилом первого дифференциала 8. При вращении вала привода энергия двигателя передается через сателлиты 6 и 7, соединенные между собой, установленные и свободно вращающиеся на водиле 8, на центральное колесо 9 и центральное колесо 3. Статор генератора 4 соединен с центральным колесом 3 и может вращаться с ним вокруг оси. При наличии нагрузки на ведомом валу 10 центральное колесо 3 будет стремиться к вращению в сторону, обратную вращению ведущего вала 1, но если включена в цепь генератора электрическая нагрузка, возникает сила, увлекающая статор генератора 4 и соединенное с ним центральное колесо 3 за ротором генератора 2, частично блокирующая дифференциальное устройство, увеличивая скорость его вращения вокруг оси, уменьшая передаточное отношение и увеличивая скорость вращения ведомого вала 10. Изменяя электрическую нагрузку в цепи генератора, можно управлять передаточным отношением и крутящим моментом на ведомом валу этого механизма. Управляемая муфта 5 при необходимости соединяет статор генератора с корпусом трансмиссии и останавливает его вращение, что дает возможность использовать генератор как электродвигатель.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a first differential mechanism connecting a vehicle engine to a generator. The motor shaft 1 is connected to the rotor of the generator 2 and to the carrier of the first differential 8. When the drive shaft rotates, the engine energy is transmitted through satellites 6 and 7, interconnected, mounted and freely rotating on carrier 8, to the central wheel 9 and central wheel 3. Stator generator 4 is connected to the Central wheel 3 and can rotate with it around the axis. If there is a load on the driven shaft 10, the central wheel 3 will tend to rotate in the direction opposite to the rotation of the drive shaft 1, but if an electric load is included in the generator circuit, a force arises that entrain the stator of the generator 4 and the central wheel 3 connected to it behind the rotor of the generator 2 partially blocking the differential device, increasing the speed of its rotation around the axis, reducing the gear ratio and increasing the speed of rotation of the driven shaft 10. By changing the electrical load in the generator circuit, you can control five gear ratio and torque on the driven shaft of the mechanism. The controlled clutch 5, if necessary, connects the generator stator to the transmission housing and stops its rotation, which makes it possible to use the generator as an electric motor.
На Фиг. 2 показан второй асимметричный дифференциал. Это - планетарный механизм, он соединен с силовой муфтой скольжения. Вращение с вала 10 первого дифференциального механизма подается на вход дифференциала, через вал 11, в данном примере на водило 17. Вал 11 также соединен с входом силовой муфты скольжения 12, ответная часть которой 13 соединена с одним из выходов дифференциала с центральной шестерней 16. Вращение передается через сателлиты 15 на второй выход дифференциала, на венец планетарной передачи 14 и далее на выходной вал 18. При вращении вала 11 вал 18 будет вращаться в ту же сторону, а центральное колесо 16 при проскальзывании в муфте - в другую сторону. Если проскальзывания в муфте нет, то дифференциал вращается вокруг оси, шестерни неподвижны относительно друг друга, передаточное отношение механизма равно единице. Если есть проскальзывание, то вращение с вала 11 на вал 18 частично передается через шестерни, передаточное отношение на ведомый вал увеличивается пропорционально параметрам планетарной передачи, ведомый вал 18 замедляется, а крутящий момент от вала 11 на вал 18 пропорционально увеличивается.In FIG. 2 shows a second asymmetric differential. This is a planetary mechanism, it is connected to a power slip clutch. The rotation from the shaft 10 of the first differential mechanism is fed to the input of the differential, through the shaft 11, in this example, to the carrier 17. The shaft 11 is also connected to the input of the power slip clutch 12, the counterpart of which 13 is connected to one of the outputs of the differential with the central gear 16. Rotation it is transmitted via satellites 15 to the second differential output, to the crown of the planetary gear 14 and then to the output shaft 18. When the shaft 11 rotates, the shaft 18 will rotate in the same direction, and the central wheel 16 will slip in the other direction when slipping in the coupling. If there is no slippage in the clutch, then the differential rotates around the axis, the gears are stationary relative to each other, the gear ratio of the mechanism is equal to one. If there is slippage, the rotation from the shaft 11 to the shaft 18 is partially transmitted through the gears, the gear ratio to the driven shaft increases in proportion to the planetary gear parameters, the driven shaft 18 slows down, and the torque from the shaft 11 to the shaft 18 increases proportionally.
Подключение электродвигателя непосредственно к колесу через механизм, состоящий из асимметричного дифференциала и силовой электромагнитной муфты скольжения, предлагается как элемент трансмиссии. Механизм может быть расположен в корпусе электродвигателя, в собственном корпусе или внутри колеса. На Фиг. 3, для примера, показан механизм, расположенный внутри колеса. Вал электродвигателя 19 соединен с водилом планетарной передачи 20, сателлиты 22 соединены с центральным колесом 21 и венцом планетарной передачи 23, соединенным с колесом транспортного средства 26. Центральное колесо 21 жестко соединено с индуктором силовой электромагнитной муфты скольжения 24. Индуктор и центральное колесо свободно вращаются на валу. На валу 19 также установлен и жестко с ним соединен якорь муфты 25, связанный с индуктором 24 электроиндукционной связью. При вращении вала электродвигателя 19 венец планетарной передачи 23 и якорь электромагнитной силовой муфты скольжения 25 вращаются в ту же сторону, а центральное колесо 21 с индуктором 24 стремится к вращению в другую сторону. Сила индукции, возникающая при взаимном вращении якоря и индуктора, увлекает индуктор и центральное колесо, связанное с ним, и частично блокирует дифференциал, заставляя колесо ускоряться. С разгоном колеса 26 и уменьшением скольжения в муфте пропорционально уменьшается крутящий момент на венце 23 и колесе транспортного средства 26. При торможении колеса 26 и при постоянных оборотах электродвигателя скольжение между индуктором 24 и якорем 25 увеличивается и вращение в большей степени передается через шестерни планетарной передачи 21, 22 и 23, передаточное отношение и крутящий момент автоматически увеличиваются.Connecting an electric motor directly to the wheel through a mechanism consisting of an asymmetric differential and a power electromagnetic sliding clutch is proposed as a transmission element. The mechanism may be located in the motor housing, in its own housing or inside the wheel. In FIG. 3, for example, shows a mechanism located inside the wheel. The shaft of the electric motor 19 is connected to the carrier of the planetary gear 20, the satellites 22 are connected to the central wheel 21 and the crown of the planetary gear 23 connected to the wheel of the vehicle 26. The central wheel 21 is rigidly connected to the inductor of the power electromagnetic slip clutch 24. The inductor and the central wheel rotate freely shaft. On the shaft 19 is also installed and rigidly connected with it the anchor of the coupling 25, connected to the inductor 24 by electric induction coupling. When the shaft of the electric motor 19 rotates, the crown of the planetary gear 23 and the armature of the electromagnetic power slip coupling 25 rotate in the same direction, and the central wheel 21 with the inductor 24 tends to rotate in the opposite direction. The induction force arising from the mutual rotation of the armature and the inductor carries the inductor and the central wheel connected with it, and partially blocks the differential, causing the wheel to accelerate. With the acceleration of the wheel 26 and the decrease in the slip in the clutch, the torque on the crown 23 and the wheel of the vehicle 26 is proportionally reduced. When the wheel 26 is braked and the motor rotates at a constant speed, the slip between the inductor 24 and the armature 25 increases and the rotation is more transmitted through planetary gears 21 , 22 and 23, the gear ratio and torque are automatically increased.
