RU199274U1

RU199274U1 - Two-line CVT transmission

Info

Publication number: RU199274U1
Application number: RU2020111139U
Authority: RU
Inventors: Демид Павлович Капитонов
Original assignee: Демид Павлович Капитонов
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2020-08-25

Abstract

Полезная модель относится к двухпоточной вариаторной трансмиссии. Двухпоточная вариаторная трансмиссия содержит входной и выходной дифференциалы, между которыми находятся механизм первого потока и механизм второго потока. Механизм первого и второго потоков выполнены в виде валов, передающих крутящий момент от входного дифференциала на выходной дифференциал. Валы закреплены со шкивами вариатора, который служит для перераспределения нагрузки между механизмами первого и второго потоков. Шкивы связаны между собой через промежуточный элемент. Система управления воздействует на шкивы вариатора или промежуточный элемент для изменения соотношения скоростей между потоками. Изменением соотношения скоростей между потоками достигается изменение величины крутящего момента, скорости и направления вращения на выходном валу трансмиссии. Достигается расширение функциональных возможностей трансмиссии, снижение массогабаритных характеристик, увеличение ресурса.The utility model relates to a two-line variator transmission. A two-way CVT transmission contains input and output differentials, between which there is a first-stream mechanism and a second-stream mechanism. The mechanism of the first and second flows are made in the form of shafts that transmit torque from the input differential to the output differential. The shafts are fixed with variator pulleys, which serves to redistribute the load between the mechanisms of the first and second flows. The pulleys are interconnected through an intermediate element. The control system acts on the variator pulleys or intermediate element to change the ratio of speeds between flows. By changing the ratio of speeds between flows, a change in the magnitude of the torque, speed and direction of rotation on the output shaft of the transmission is achieved. EFFECT: expansion of functional capabilities of transmission, reduction of weight and size characteristics, increase of resource.

Description

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к автомобилестроению, и может быть использована для непрерывного изменения скорости вращения и крутящего момента выходного вала, при постоянных параметрах входной мощности на нем. Может быть использована в качестве привода, в котором передаточное число изменяется с помощью ручного управления, либо, автоматического управления по командам системы управления, работающей по алгоритму и по показаниям контролирующих датчиков.The utility model relates to mechanical engineering, mainly to the automotive industry, and can be used to continuously change the rotational speed and torque of the output shaft, with constant input power parameters on it. It can be used as a drive, in which the gear ratio is changed using manual control, or automatic control by the commands of the control system operating according to the algorithm and according to the indications of the monitoring sensors.

При проектировании транспортных машин или промышленного оборудования, возникает задача выбора типа трансмиссии. Возможные варианты являются компромиссом между ресурсом, стоимостью, ремонтопригодностью, КПД, удобством, скоростью и качеством переключений. When designing transport vehicles or industrial equipment, the problem arises of choosing the type of transmission. Possible options are a compromise between resource, cost, maintainability, efficiency, convenience, speed and quality of switching.

Известна двухпоточная трансмиссия, обеспечивающая автоматическое и непрерывное изменение крутящего момента и скорости вращения выходного вала (по патенту RU2398989), выполненная в виде двух, последовательно установленных дифференциалов. Дифференциалы расположены и связаны между собой таким образом, что входным валом трансмиссии является входной вал первого дифференциала, выходные валы первого дифференциала являются входными валами второго дифференциала, выходным валом трансмиссии являлся выходной вал второго дифференциала. Дифференциалы выполнены с геометрическими и инерционными параметрами, обеспечивающими, при переменной внешней нагрузке на выходном валу трансмиссии, автоматическую трансформацию соотношения передаваемых потоков механической энергии между двумя дифференциалами, с целью изменения передаточного отношения трансмиссии. Known double-flow transmission, providing automatic and continuous change in torque and speed of rotation of the output shaft (patent RU2398989), made in the form of two sequentially installed differentials. The differentials are located and interconnected in such a way that the input shaft of the transmission is the input shaft of the first differential, the output shafts of the first differential are the input shafts of the second differential, the output shaft of the transmission is the output shaft of the second differential. Differentials are made with geometric and inertial parameters, providing, with a variable external load on the transmission output shaft, automatic transformation of the ratio of the transmitted flows of mechanical energy between the two differentials, in order to change the transmission ratio.

Недостатками указанной трансмиссии являются: невозможность оперативного изменения передаточного отношения в ручном режиме, невозможность обеспечения полного останова выходного вала при вращении входного вала, невозможность реверсивного вращения вала при прямом направлении вращения входного вала, невозможность низких оборотов вращения выходного вала при высоких оборотах входного вала и малом сопротивлении, невозможность обеспечить постоянное передаточное отношение трансмиссии при колебании чисел оборотов входного и/или выходного валов, невозможность программно устанавливать алгоритмы изменения передаточного отношения.The disadvantages of this transmission are: the impossibility of promptly changing the gear ratio in manual mode, the impossibility of ensuring a complete stop of the output shaft when the input shaft is rotating, the impossibility of reversing the rotation of the shaft in the forward direction of rotation of the input shaft, the impossibility of low revolutions of the output shaft at high input shaft speeds and low resistance , the impossibility of ensuring a constant transmission gear ratio when the input and / or output shaft rpm fluctuates, the impossibility to programmatically set the gear ratio change algorithms.

Известна вариаторная трансмиссия. Механическая передача, основанная на передаче вращения (момента) трением через промежуточное элемент (ремень, ролик, шарик), которое можно переводить в любую точку переменного радиуса ведущего и/или ведомого колёс, получая изменение передаточного отношения. Тип трансмиссии, которая плавно передает крутящий момент от двигателя к движителю, не имеет передач, но может автоматически менять передаточное соотношение по заданной программе, либо в ручном режиме.Known variator transmission. Mechanical transmission based on the transmission of rotation (moment) by friction through an intermediate element (belt, roller, ball), which can be transferred to any point of the variable radius of the driving and / or driven wheels, receiving a change in the gear ratio. The type of transmission, which smoothly transfers torque from the engine to the propeller, has no gears, but can automatically change the gear ratio according to a given program, or in manual mode.

Недостатками указанной трансмиссии являются: ограничение по максимальному передаваемому крутящему моменту, меньший ресурс в сравнении с другими типами трансмиссии, изначальное отсутствие реверсивного хода.The disadvantages of this transmission are: limitation on the maximum transmitted torque, less resource in comparison with other types of transmission, the initial lack of reverse motion.

Также известна двухпоточная трансмиссия, обеспечивающая возможность принудительного изменения крутящего момента и скорости вращения выходного вала; позволяющая реализовать множество заданных передаточных отношений (передач), управляемо изменять передаточное отношение как непрерывно, так и ступенчато; иметь реверсивный ход, нейтральную передачу (патент RU2705371, выбран в качестве прототипа).Also known is a two-way transmission, which provides the ability to forcedly change the torque and speed of rotation of the output shaft; allowing to implement a set of specified gear ratios (gears), controllably change the gear ratio both continuously and stepwise; have a reverse stroke, neutral transmission (patent RU2705371, selected as a prototype ) .

Технической задачей полезной модели, в сравнении с прототипом, является снижение габаритных размеров и массы.The technical task of the utility model, in comparison with the prototype, is to reduce the overall dimensions and weight.

Технический результат достигается в двухпоточной вариаторной трансмиссии, содержащей корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы, между которыми находятся механизм первого потока [механической энергии] и механизм второго потока [механической энергии], выполненные с возможностью управляемого изменения соотношения крутящих моментов между первым и вторым потоками, передаваемых на выходной дифференциал. Механизм первого потока выполнен в виде вала передающего крутящий момент от первого выходного вала входного дифференциала на первый входной вал выходного дифференциала, связанного с дифференциалами посредством зубчатой передачи и закрепленного с первым шкивом вариатора. Механизм второго потока выполнен в виде вала непосредственно передающего крутящий момент от второго выходного вала входного дифференциала на второй входной вал выходного дифференциала и закрепленного со вторым шкивом вариатора. Шкивы вариатора связаны друг с другом посредством промежуточного элемента, в качестве которого могут выступать ремень, цепь, ролик и т.д. Промежуточный элемент передает крутящий момент между шкивами вариатора. Изменение передаточного отношения предлагаемой трансмиссии, как и в вариаторе, достигается за счет изменения радиусов на рабочих поверхностях шкивов, по которым перемещается промежуточный элемент. Система управления предлагаемой трансмиссии полностью идентична управлению обычным вариаторам.The technical result is achieved in a two-flow variator transmission containing a housing in which the input and output differentials are installed, between which there are the mechanism of the first flow [mechanical energy] and the mechanism of the second flow [mechanical energy], made with the possibility of controllably changing the ratio of torques between the first and second flows transferred to the output differential. The mechanism of the first flow is made in the form of a shaft transmitting torque from the first output shaft of the input differential to the first input shaft of the output differential, connected to the differentials by means of a gear transmission and fixed to the first variator pulley. The mechanism of the second flow is made in the form of a shaft directly transmitting torque from the second output shaft of the input differential to the second input shaft of the output differential and fixed with the second pulley of the variator. The variator pulleys are connected to each other by means of an intermediate element, which can be a belt, chain, roller, etc. The intermediate element transmits the torque between the variator pulleys. The change in the gear ratio of the proposed transmission, as in the variator, is achieved by changing the radii on the working surfaces of the pulleys along which the intermediate element moves. The control system of the proposed transmission is completely identical to that of conventional variators.

Разница с вариатором заключается в том, что в вариаторе всегда один из шкивов является ведущим, другой ведомым. В предлагаемом типе трансмиссии оба шкива, одновременно, являются ведущими и ведомыми, так как здесь вариатор служит для перераспределения нагрузки между двумя потоками механической энергии. Этим достигается увеличение ресурса трансмиссии, появляется возможность передавать больший крутящий момент, появляется возможность иметь реверсивный ход без необходимости дополнительных механизмов. Вариатор искусственно, без потерь мощности, создает нагрузку на одном из валов, для того чтобы изменить скорости вращения валов между дифференциалами. При постоянных оборотах, мощности, крутящем моменте обеспечивается возможность изменять скорость вращения, мощность, крутящий момент выходного вала трансмиссии; иметь возможность реверсивного вращения вала и возможность полной остановки выходного вала трансмиссии при работающем двигателе (нейтральная передача). The difference with a variator is that in a variator, one of the pulleys is always the leading one, the other is driven. In the proposed type of transmission, both pulleys are simultaneously leading and driven, since here the variator serves to redistribute the load between the two streams of mechanical energy. This achieves an increase in the transmission resource, it becomes possible to transmit more torque, it becomes possible to have a reverse motion without the need for additional mechanisms. The variator artificially, without power loss, creates a load on one of the shafts in order to change the speed of rotation of the shafts between the differentials. At constant speed, power, torque, it is possible to change the rotation speed, power, torque of the transmission output shaft; be able to reverse rotation of the shaft and the ability to completely stop the transmission output shaft when the engine is running (neutral gear).

Полезная модель поясняется рисунками:The utility model is illustrated by drawings:

фиг. 1 - функциональная схема двухпоточной вариаторной трансмиссии;fig. 1 - functional diagram of a two-flow variator transmission;

фиг. 2 – принципиальная схема двухпоточной вариаторной трансмиссии;fig. 2 is a schematic diagram of a two-flow variator transmission;

Функциональная схема предлагаемой трансмиссии с указанием направления вращения валов, показана на фиг. 1. Двухпоточная вариаторная трансмиссия содержит корпус, в котором установлены входной и выходной дифференциалы 1, 2, между которыми находится вариатор. Вариатор состоит из шкивов 3,4, промежуточного элемента 5, системы управления 6. Позиция 7 – входной вал дифференциала 1, являющийся одновременно входным валом предлагаемой трансмиссии. Позиция 8 – выходной вал дифференциала 2, являющийся одновременно выходным валом предлагаемой трансмиссии. Шкив 3 совместно с первым выходным валом дифференциала 1 и первым входным валом дифференциала 2 образуют механизм первого потока [механической энергии] 9. Шкив 4 совместно со вторым выходным валом дифференциала 1 и вторым входным валом дифференциала 2 образуют механизм второго потока [механической энергии] 10. Система управления 6, воздействующая на шкивы 3,4 позволяет изменять соотношение крутящих моментов между дифференциалами 1, 2. На диапазон передаточных чисел предлагаемой трансмиссии влияет соотношение размеров зубчатых колес дифференциалов, размеры шкивов 3,4 и промежуточного элемента 5. В качестве управляющего привода системы управления 6 может использоваться шаговый электродвигатель, гидропривод, пневмопривод, ручной маховик. A functional diagram of the proposed transmission with an indication of the direction of rotation of the shafts is shown in Fig. 1. Two-flow variator transmission contains a housing in which the input and output differentials 1, 2 are installed, between which the variator is located. The variator consists of pulleys 3,4, intermediate element 5, control system 6. Position 7 - input shaft of differential 1, which is also the input shaft of the proposed transmission. Position 8 - the output shaft of differential 2, which is also the output shaft of the proposed transmission. Pulley 3 together with the first output shaft of differential 1 and the first input shaft of differential 2 form the mechanism of the first flow [mechanical energy] 9. Pulley 4 together with the second output shaft of differential 1 and the second input shaft of differential 2 form the mechanism of the second flow [mechanical energy] 10. The control system 6, acting on the pulleys 3,4 allows you to change the torque ratio between the differentials 1, 2. The ratio of the gear ratios of the proposed transmission is influenced by the ratio of the sizes of the gears of the differentials, the dimensions of the pulleys 3,4 and the intermediate element 5. As a control drive of the control system 6 Stepper motor, hydraulic drive, pneumatic drive, handwheel can be used.

Приводной вал 7 от двигателя, имеет:The drive shaft 7 from the engine has:

n=const≠0 – число оборотов,n = const ≠ 0 is the number of revolutions,

M=const≠0 – крутящий момент,M = const ≠ 0 - torque,

N=const≠0 – мощность.N = const ≠ 0 - power.

Выходной вал 8 на движитель (колесо, гусеница, винт и т.п.) имеет:The output shaft 8 for the propeller (wheel, caterpillar, screw, etc.) has:

n≠const=или≠0 – число оборотов,n ≠ const = or ≠ 0 - the number of revolutions,

M≠const=или≠0 – крутящий момент,M ≠ const = or ≠ 0 - torque,

N≠const=или≠0 – мощность.N ≠ const = or ≠ 0 - power.

На фиг. 2 показана принципиальная схема: 11, 24 – водила входного и выходного дифференциалов 1, 2 соответственно; 13, 22 – солнечные колеса дифференциалов; 12, 23 – сателлиты дифференциалов; 14, 21 – эпициклические зубчатые колеса дифференциалов; 15, 16, 19, 20 – колеса, предназначенные для организации параллельного потока крутящего момента. Дифференциалы 1, 2 могут быть полностью идентичными друг другу, разница в диаметрах колес 15, 20. Соотношения этих колес и зубчатых колес 16, 19 выбрано таким образом, чтобы скорости вращения валов 17,18 механизмов первого и второго потоков, находились в диапазоне регулирования системы управления 6. Система управления 6 расположена на валу с механизмом 4 второго потока. Число оборотов выходного вала 8 зависит от водила 24 выходного дифференциала, которое через сателлит 23 получает вращение от суммы чисел оборотов эпициклического колеса 21 и солнечного колеса 22. Направление вращения эпициклического колеса 21 и солнечного колеса 22 разностороннее, т.е. при равных числах их оборотов будет реализована нейтральная передача. Условно можно представить, что, если число оборотов эпициклического колеса 21 превысит число оборотов солнечного колеса 22, то на выходном валу 8 мы получим прямой ход, в противном случае – реверсивный ход.FIG. 2 shows a schematic diagram: 11, 24 - carriers of the input and output differentials 1, 2, respectively; 13, 22 - sun wheels of differentials; 12, 23 - differential satellites; 14, 21 - epicyclic gear wheels of differentials; 15, 16, 19, 20 - wheels designed to organize a parallel flow of torque. Differentials 1, 2 can be completely identical to each other, the difference in the diameters of the wheels 15, 20. The ratios of these wheels and gears 16, 19 are chosen so that the rotation speeds of the shafts 17.18 of the mechanisms of the first and second flows are in the control range of the system control 6. The control system 6 is located on the shaft with the mechanism 4 of the second stream. The number of revolutions of the output shaft 8 depends on the carrier 24 of the output differential, which through the satellite 23 receives rotation from the sum of the revolutions of the epicyclic wheel 21 and the sun wheel 22. The direction of rotation of the epicyclic wheel 21 and the sun wheel 22 is versatile, i.e. at equal numbers of revolutions, neutral gear will be realized. Conventionally, it can be imagined that if the number of revolutions of the epicyclic wheel 21 exceeds the number of revolutions of the sun wheel 22, then on the output shaft 8 we will get a direct stroke, otherwise - a reverse stroke.

Входной вал 7 входного дифференциала 1 – это, например, приводной вал от двигателя - поток крутящего момента от двигателя попадает на вход несимметричного входного дифференциала 1, где делится в заданном соотношении, которое определяется соотношением размеров солнечного колеса 13 и эпициклического колеса 14. Первая часть механической энергии попадает через механизм 10 первого потока от выходного вала 25 дифференциала 1 на первый входной вал 26 выходного дифференциала 2. Механизм первого потока выполнен в виде вала 17, передающего крутящий момент от первого выходного вала 25 входного дифференциала 1 на первый входной вал 26 выходного дифференциала 2. Вал 17 связан с дифференциалами 1, 2 посредством зубчатой передачи через шестерни 16, 19. С валом 17 закреплен шкив 3. Вторая часть механической энергии попадает через механизм 9 второго потока от второго выходного вала 27 дифференциала 1 на второй входной вал 28 выходного дифференциала 2. Механизм второго потока выполнен в виде вала 18, связанного посредством соединительных муфт 29, 30 с дифференциалами 1, 2. С валом 18 закреплен шкив 4.The input shaft 7 of the input differential 1 is, for example, the drive shaft from the engine - the torque flow from the engine enters the input of the asymmetrical input differential 1, where it is divided in a given ratio, which is determined by the ratio of the dimensions of the sun wheel 13 and the epicyclic wheel 14. The first part of the mechanical energy enters through the mechanism 10 of the first flow from the output shaft 25 of the differential 1 to the first input shaft 26 of the output differential 2. The mechanism of the first flow is made in the form of a shaft 17 that transmits torque from the first output shaft 25 of the input differential 1 to the first input shaft 26 of the output differential 2 The shaft 17 is connected to the differentials 1, 2 by means of a gear transmission through the gears 16, 19. A pulley 3 is fixed to the shaft 17. The second part of the mechanical energy enters through the mechanism 9 of the second flow from the second output shaft 27 of the differential 1 to the second input shaft 28 of the output differential 2 . The mechanism of the second stream is made in the form of a shaft 18, sv connected by means of couplings 29, 30 with differentials 1, 2.A pulley 4 is fixed to the shaft 18.

Рассмотрим работу двухпоточной трансмиссии. Основными режимами работы являются передача механической энергии в прямом направлении, нейтральная передача (т.е. при вращении входного вала трансмиссии обороты выходного вала равны нулю), передача механической энергии в обратном направлении. Все три режима находятся в одном диапазоне, который определяется соотношением размеров зубчатых колес входного и выходного дифференциалов 1, 2 и шкивов 3, 4 механизмов первого и второго потоков. За счет изменения размеров зубчатых колес, есть возможность сдвинуть диапазон передаточных чисел таким образом, что передача механической энергии будет возможна только в прямом направлении, или только в обратном. Либо подбирается такое соотношение, когда будут возможны все три режима. Внутри диапазона возможно множество передач, которое ограничивается возможностями системы управления 6. Смена передаточных чисел может производиться по трем вариантам. Первый вариант это условно ручное управление. Программное обеспечение блока управления системы управления определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи. Задачей оператора является своевременно менять передачу, путем подачи сигнала на блок управления, в зависимости от технологического процесса, в случае использования трансмиссии в качестве промышленного редуктора; либо режимов движения при использовании на транспортных машинах. Второй вариант это автоматическое управление. Программное обеспечение блока управления определяет количество передач и передаточное отношение каждой передачи, с алгоритмом переключения передач. Смена передач осуществляется блоком управления на основании показаний контролирующих датчиков. Это могут быть датчики числа оборотов входного и выходного валов, датчики нагрузки и т.д. Третий вариант это управление в режиме вариатора. Подразумевается работа трансмиссии аналогично режиму второго варианта, но по алгоритму без фиксированных передач. Общим для всех вариантов является последовательная смена передаточных отношений. Все варианты управления могут быть параллельно реализованы в одном блоке управления в качестве самостоятельных режимов, выбор между которыми определяется оператором. В общем случае, момент переключения передач не зависит от состояния, в котором находится трансмиссия. Переключение может осуществляться на полностью остановленной трансмиссии, на трансмиссии работающей вхолостую и на работающей под нагрузкой. При использовании на транспортных машинах возможен вариант установки двухпоточной трансмиссии без использования механизма сцепления. Трогание машины возможно путем плавного изменения передаточного отношения от режима нейтрали до первого фиксированного передаточного отношения. В движении имитация режима нейтрали обеспечивается включением адаптивного передаточного отношения позволяющего работать двигателю вхолостую при движении транспортной машины накатом.Consider the operation of a two-way transmission. The main modes of operation are the transfer of mechanical energy in the forward direction, neutral gear (i.e. when the transmission input shaft rotates, the output shaft speed is zero), the transfer of mechanical energy in the opposite direction. All three modes are in the same range, which is determined by the ratio of the sizes of the gear wheels of the input and output differentials 1, 2 and pulleys 3, 4 of the mechanisms of the first and second flows. By changing the dimensions of the gear wheels, it is possible to shift the range of gear ratios in such a way that the transfer of mechanical energy will be possible only in the forward direction, or only in the opposite direction. Or such a ratio is selected when all three modes are possible. Within the range, many gears are possible, which is limited by the capabilities of the control system 6. Gear ratios can be changed in three options. The first option is conditionally manual control. The control unit software of the control system determines the number of gears and the gear ratio of each gear. The operator's task is to change the gear in a timely manner, by sending a signal to the control unit, depending on the technological process, in the case of using the transmission as an industrial gearbox; or driving modes when used on transport vehicles. The second option is automatic control. The control unit software determines the number of gears and the gear ratio of each gear, with the gear change algorithm. The gear change is carried out by the control unit based on the readings of the monitoring sensors. These can be input and output shaft speed sensors, load sensors, etc. The third option is variator control. This implies the operation of the transmission similar to the mode of the second option, but according to the algorithm without fixed gears. Common to all variants is a consistent change in gear ratios. All control options can be implemented in parallel in one control unit as independent modes, the choice between which is determined by the operator. In general, the moment of gear shifting does not depend on the state in which the transmission is located. Shifting can be done with the transmission completely stopped, with the transmission idling and with the transmission under load. When used on transport vehicles, it is possible to install a two-way transmission without using a clutch mechanism. Starting off the machine is possible by smoothly changing the gear ratio from neutral to the first fixed gear ratio. In motion, the imitation of the neutral mode is provided by the inclusion of an adaptive gear ratio that allows the engine to idle when the transport vehicle is coasting.

Представленная выше схема двухпоточной вариаторной трансмиссии показана для демонстрации её принципиальной работоспособности. Для создания полноценной, работоспособной трансмиссии, она может быть снабжена системой смазки; относительные размеры элементов изготавливаются с учетом условия необходимой прочности. Применение различных алгоритмов работы, реализованных на программном обеспечении, и использование контрольно-измерительных приборов (датчиков и т.д.) позволяет решать широкий спектр задач при передаче механической энергии от двигателя до движителя.The above diagram of a two-flow variator transmission is shown to demonstrate its basic performance. To create a complete, efficient transmission, it can be equipped with a lubrication system; the relative dimensions of the elements are made taking into account the conditions of the required strength. The use of various algorithms of work, implemented on the software, and the use of instrumentation (sensors, etc.) allows solving a wide range of problems in the transfer of mechanical energy from the engine to the propeller.

Claims

1. A two-line variator transmission containing input and output differentials, between which there is a mechanism of the first flow, made in the form of a shaft that transfers torque from the first output shaft of the input differential to the first input shaft of the output differential, connected to the differentials by means of a gear train, fixed with the first by a variator pulley, a second flow mechanism made in the form of a shaft transmitting torque from the second output shaft of the input differential to the second input shaft of the output differential, fixed with the second variator pulley.

2. A two-line variator transmission according to claim 1, characterized in that the first and second variator pulleys are connected to each other through an intermediate element that transmits torque between the pulleys, the relative position of which with the pulleys is regulated by the control system and determines the gear ratio of the two-line variator transmission.