Рекуперативный тормоз

 

Использование: в машиностроении, в частности в механизмах, работающих с частыми остановками и интенсивными разгонами. Сущность изобретения: в рекуперативном тормозе вал трансмиссии посредством планетарной передачи соединен с маховиком, кинематически связанным с солнечным колесом. Тормоз включает винтовую пружину, расположенную на штоке, соединенном с солнечным колесом посредством шариковинтовой передачи, гайка которой связана с солнечным колесом планетарной передачи. Винтовая пружина размещена между подвижным диском и поршнем кольцевого гидроцилиндра, связанного с блоком управления, а тот в свою очередь - с гидравлическим насосом. Гидроцилиндр служит для изменения степени дополнительной деформации и, как следствие, для управления интенсивностью замедления (ускорения) во время процесса торможения (разгона) по командам блока управления. Наличие в рекуперативном тормозе шариковинтовой передачи позволяет передавать осевые и окружные усилия независимо от угла наклона зубьев зубчатых колес планетарной передачи. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

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.

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.

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.

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.

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.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого рекуперативного тормоза; на фиг. 2 - основные этапы процесса торможения.

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.

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.

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.

Рекуперативный тормоз работает следующим образом.

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).

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.

По мере перемещения винта 11 и сжатия пружины 18 возникает сила сопротивления Р₂⁰ = К_х, где х - величина сжатия пружины 18. Появляется сила F₂ = SORT ((P₂⁰) 2 + (Р₂^т) 2), которая создает тормозной момент на валу трансмиссии.

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 Р₂⁰ - увеличивается и в определенный момент времени Р₂⁰ превысит Р₁⁰ - с этого момента и будет происходить уменьшение V₃. причем, чем больше будет разность Р₂⁰ - Р₁⁰, тем интенсивнее будет замедляться V₃). При этом сумма скоростей V₂ + V₃ равняетcя V₁, a U уменьшается, стремясь к единице.

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.

Фиг. 2, III. Теперь в точке контакта 0 максимальной силой является Р₂⁰ - 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 Р₁⁰ - они являются намного меньшими Р₂^т и Р₂⁰.

С течением времени скорость перемещения винта 11 в обратном направлении под действием силы F = Р₂⁰ - Р₁⁰ 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.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

1. РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТОРМОЗ, содержащий вал трансмиссии, соединенный посредством планетарной передачи с инерционной массой, кинематически связанный с солнечным колесом, а также упругий элемент, выполненный в виде винтовой пружины сжатия, размещенной между двумя подвижными дисками, связанными со штоком, взаимодействующим с солнечным колесом через средство осевого перемещения штока, отличающийся тем, что он снабжен гидронасосом, при этом один из дисков выполнен в виде соосного со штоком кольцевого поршня гидроцилиндра, полость которого соединена с гидронасосом через блок управления.

2. Тормоз по п.1, отличающийся тем, что средство осевого перемещения штока выполнено в виде шариковинтовой передачи, гайка которой связана с солнечным колесом планетарной передачи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2