Способ формирования рядов передач, переключаемых под нагрузкой

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к коробкам передач тракторов. В коробке передач поток мощности направляют по одной из двух ветвей, по меньшей мере одной кинематической цепи выходного узла, посредством механического переключающего устройства. При этом формируется ряд скоростей или поочередным включением кинематических цепей выходного узла при одной и той же частоте вращения исходного ряда, или последовательным включением всех параллельных кинематических цепей одной кинематической цепи, а затем всех параллельных кинематических цепей другой кинематической цепи выходного узла при всех частотах вращения промежуточного вала. Технический результат - упрощение конструкции, снижение потери мощности. 1 з.п. ф-лы, 8 табл., 3 ил.

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к механическим трансмиссиям, а именно к коробкам передач тракторов, автомобилей и других машин, передающих энергию при ступенчато изменяемом передаточном числе.

Особенностями тракторных коробок передач является, с одной стороны, широкий интервал изменения скоростей: от технологических (0.5-2.5 км/ч) до транспортных (для колесного трактора 30, 50 и более км/ч), и, с другой стороны, необходимость сближения значений соседних скоростей в интервале рабочих скоростей (4-16 км/ч), для которых соотношение скоростей на смежных передачах, даже при значительном коэффициенте запаса крутящего момента двигателя, принимается 1.10-1.25, чтобы иметь возможность работы без переключения передач при значительных колебаниях тяговой нагрузки около любой номинальной величины. Указанное соотношение скоростей требует наличия в интервале рабочих скоростей не менее пяти передач. При этом как на скоростях ниже 4 км/ч, так и на скоростях выше 16 км/ч соотношение скоростей на смежных передачах может быть значительно увеличено.

Формирование всего ряда передач с помощью двух или более последовательно соединенных механизмов или элементов регулирования осуществляется различными путями.

Наибольшее распространение в настоящее время получили коробки передач, в которых механизмами регулирования являются узел передач и узел диапазонов, при этом переключение передач производится без разрыва потока мощности с помощью последовательного переключения фрикционных переключающих устройств (гидроподжимных муфт или многодисковых тормозов), а переключение диапазонов осуществляется зубчатыми муфтами или синхронизаторами. Весь необходимый ряд скоростей достигается за счет большого числа диапазонов. Передаточные числа диапазонов подобраны так, что высшая, последняя, скорость диапазона близка или превышает значение низшей, первой, скорости последующего диапазона, а иногда, когда в диапазон включены три или четыре передачи, ряд рабочих скоростей образуется двумя сближенными диапазонами. Такое дублирование скоростей в разных диапазонах делают для того, чтобы исключить или свести к минимуму переключение диапазонов при работе на скоростях, находящихся на стыке диапазонов. Вследствие этого общее число передач достигает 40 и более. Например, современные коробки передач серии 7000 фирмы Zahnradfabrik (Германия), специализирующейся на производстве трансмиссий для машин самого разнообразного назначения, имеют первый узел передач, содержащий 3 или 4 ступени, переключаемые фрикционными муфтами, и второй узел диапазонов, содержащий в первом варианте 8, а во втором 6 ступеней, переключаемых синхронизаторами. Кроме того, в силовой поток включается удвоитель (ходоуменьшитель) для получения дополнительно 16 пониженных скоростей (проспект фирмы Zahnradfabrik ZP/Ty.04.02.92 d-Druck OSTLER).

Недостатком таких "многодиапазонных" коробок передач с ручным управлением является необходимость при переключении диапазона одновременно переключать и передачу, что затрудняет управление коробкой передач. Скорость первой передачи транспортного диапазона достаточно высока, что обуслoвливает снижение динамического фактора трактора и увеличение потерь энергии (и соответственно увеличениe тепловыделения) вo фрикционной муфте 1-й передачи.

Для устранения указанного недостатка используют коробки передач, в которых и диапазоны переключают с помощью фрикционных муфт. В качестве примера таких коробок передач может быть названа коробка передач Non Stop, устанавливаемая на тракторы фирмы John Deere серии 8000 (AGRARTECHNIK, Jan. 1999).

Коробка передач Non Stop и способ формирования ряда передач в ней наиболее близки к предлагаемому техническому решению и взяты в качестве прототипа.

Эта многоступенчатая коробка передач содержит последовательно соединенные ступенчатые входной и выходной узлы. Входной узел образован входным валом, промежуточным валом и фрикционными переключающими устройствами, обеспечивающими различные передаточные числа между входным и промежуточным валами. Выходной узел образован промежуточным валом, выходным валом и фрикционными переключающими устройствами, обеспечивающими различные передаточные числа между промежуточным и выходным валами. Число ступеней этой коробки равно произведению чисел ступеней каждого узла.

Способ формирования ряда передач, переключаемых под нагрузкой, реализованный в указанной коробке, состоит в передаче потока мощности параллельными кинематическими цепями, поочередно включаемыми в действие посредством фрикционных переключающих устройств, первоначально с входного вала на промежуточный, для формирования переключаемого под нагрузкой исходного ряда скоростей с заданным соотношением частот вращения, и в последующем - с промежуточного вала на выходной для многократного преобразования исходного ряда и получения на выходном валу частот вращения, позволяющих реализовать скорости трактора в заданном интервале и с заданным соотношением смежных скоростей.

Так, ряд из четырех передач, переключаемых под нагрузкой, имеет соотношение смежных скоростей 1.27. Отношение передаточных чисел 2-го и 3-го диапазонов равно 1.13. Следующей за первой передачей второго диапазона является первая передача третьего диапазона; затем вторая передача второго диапазона, вторая передача третьего диапазона и т.д. Это позволяет получить группу сближенных передач, перекрывающую область рабочих скоростей, 1-й диапазон образует пониженные скорости (от 2.2 км/ч), а 4-й - транспортные (до 32 км/ч).

Указанная коробка передач достаточно эффективна, однако возможность переключения всех передач под нагрузкой требует большого числа фрикционных муфт и тормозов, что усложняет конструкцию, увеличивает ее массу, удорожает изготовление и эксплуатацию, снижает КПД трансмиссии. Муфта заднего хода трансмиссии Non Stop имеет относительную частоту вращения дисков от 2500 до 4000 об/мин, а диски тормоза включения первого диапазона при максимальной скорости будут иметь частоту вращения более 4000 об/мин. Такие большие относительные частоты вращения дисков неизбежно ведут к значительным потерям мощности и дополнительному нагреву масла, а также расходу топлива.

Задачей данного изобретения является упрощение конструкции многоступенчатой коробки передач при сохранении возможности переключения передач под нагрузкой во всем интервале рабочих или транспортных скоростей и работы трактора в режиме быстрого реверса, снижение потерь мощности при ее передаче, а также возможность использования данного изобретения на автомобилях.

В предлагаемом устройстве реализуется способ формирования рядов передач, заключающийся в передаче потока мощности, параллельными кинематическими цепями поочередно, первоначально с входного вала на промежуточный, посредством пар шестерен и поочередно включаемых фрикционных переключаемых устройств, формируя на промежуточном валу исходный ряд скоростей, переключаемых под нагрузкой, с заданным соотношением частот вращения исходного ряда передач, и в последующем - с промежуточного вала на выходной узел, изменяя исходный ряд скоростей посредством фрикционных переключаемых устройств и получая на выходном валу выходного узла различные частоты вращения, позволяющие реализовывать скорости машины в заданном интервале с заданным соотношением смежных скоростей, отличающийся тем, что поток мощности, передают по одной из ветвей соответствующей кинематической цепи посредством механического переключающего устройства, и формируют или ряд скоростей машины в интервале 4-16 км/ч с соотношением смежных скоростей 1.10-1.25, поочередным включением кинематических цепей выходного узла при одной и той же частоте вращения исходного ряда скоростей, или ряд скоростей машины в интервале 6-60 км/ч с соотношением смежных скоростей 1.25-1.55, последовательным включением всех параллельных кинематических цепей одной кинематической цепи, а затем всех параллельных кинематических цепей другой кинематической цепи выходного узла при всех частотах вращения промежуточного вала.

Одна из ветвей кинематической цепи может быть использована для получения передач заднего хода.

Анализ патентной научно-технической литературы не выявил известности заявляемой совокупности существенных признаков.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана кинематическая схема варианта предлагаемой коробки передач, содержащая входной узел с тремя передачами, переключаемыми под нагрузкой, одним промежуточным валом, и выходной узел с двумя кинематическими цепями, одна из которых разветвляется с помощью механического переключающего устройства, совместно формирующими два различных ряда из шести передач, переключаемых под нагрузкой.

На фиг. 2 показана кинематическая схема варианта предлагаемой коробки передач, содержащая входной узел с тремя передачами, переключаемыми под нагрузкой, двумя промежуточными валами, и выходной узел с двумя кинематическими цепями, каждая из которых разветвляется с помощью механических переключающих устройств, совместно формирующих два различных ряда из шести передач переднего хода и два ряда быстрого реверса, включающих по три передачи переднего и три передачи заднего хода, переключаемых под нагрузкой.

На фиг. 3 показана кинематическая схема коробки передач Non Stop трактора John Deere, взятая в качестве прототипа.

В состав представленной на фиг. 1 кинематической схемы предлагаемой коробки передач входят два последовательно соединенных ступенчатых узла: входной и выходной, в которых ведущие и ведомые звенья выполнены в виде шестерен. Так, входной узел содержит входной вал 1, ведущую шестерню 2 1-й передачи, ведомую шестерню 3 1-й передачи, фрикционное переключающее устройство 4 1-й передачи, ведущую шестерню 5 2-й передачи, ведомую шестерню 6 2-й передачи, фрикционное переключающее устройство 7 2-й передачи, ведущую шестерню 8 3-й передачи, ведомую шестерню 9 3-й передачи, фрикционное переключающее устройство 10 3-й передачи, промежуточный вал 11. Выходной узел содержит общий с входным узлом промежуточный вал 11, фрикционное переключающее устройство 12 1-й кинематической цепи, ведущую шестерню 13 1-й ветви, ведомую шестерню 14 1-й ветви, ведущую шестерню 15 2-й ветви, ведомую шестерню 16 2-й ветви, механическое переключающее устройство 17 изменения передаточного числа 1-й кинематической цепи, выходной вал 18, ведущую шестерню 19 2-й кинематической цепи, ведомую шестерню 20 2-й кинематической цепи, фрикционное переключающее устройство 21 2-й кинематической цепи, механическое переключающее устройство 22 включения рабочих и технологических режимов движения, ведущую шестерню 23 главной передачи, механическое переключающее устройство 24 включения режима движения задним ходом, шестерни узла выбора режима движения 25-32, вал 33 привода технологических передач, вал 34 привода передач заднего хода, вал 35 привода переднего моста, фрикционное переключающее устройство 36 включения переднего моста.

В состав представленной на фиг. 2 кинематической схемы предлагаемой коробки передач входят два последовательно соединенных ступенчатых узла: входной и выходной, в которых ведущие и ведомые звенья выполнены в виде шестерен. Так, входной узел содержит входной вал 37, фрикционное переключающее устройство 38 2-й передачи, ведущую шестерню 39 2-й передачи, ведомую шестерню 40 2-й передачи, соединенную с промежуточным валом 41, и другую ведомую шестерню 42, соединенную с промежуточным валом 43, ведущую шестерню 44 1-й передачи, ведомую шестерню 45 1-й передачи, фрикционное переключающее устройство 46 1-й передачи, ведущую шестерню 47 3-й передачи, ведомую шестерню 48 3-й передачи, фрикционное переключающее устройство 49 3-й передачи. Выходной узел содержит общие с входным узлом промежуточные валы 41 и 43, фрикционное переключающее устройство 50 1-й кинематической цепи, соединенное с механическим переключающим устройством 51 изменения передаточного числа 1-й кинематической цепи, ведущую шестерню 52 1-й ветви, формирующей "узкий" ряд передач, ведомую шестерню 53 1-й ветви, ведущую шестерню 54 2-й ветви, формирующей "широкий" ряд передач, блок шестерен 55, одновременно являющийся элементом механического переключающего устройства 51 и используемый в кинематической цепи получения ряда технологических передач, ведомую шестерню 56 2-й ветви, соединенную с выходным валом 57, фрикционное переключающее устройство 58 2-й кинематической цепи, соединенное с механическим переключающим устройством 59 включения режима движения задним ходом, ведущую шестерню 60 2-й кинематической цепи, и ведущую шестерню передач заднего хода 61, связанную с ведомой шестерней 56 через паразитную шестерню 62, ведущую шестерню 63 главной передачи, механическое переключающее устройство 64 переключения рабочих и технологических режимов движения, шестерню привода технологических передач 65, входящую в блок шестерен 55, и связанную с ней шестерню 66, шестерни 67, 68 и 69 связывающие вал ведущей шестерни 63 главной передачи с валом 70 привода переднего моста через фрикционное переключающее устройство 71.

Функционирование коробки передач, представленной на фиг. 1, происходит следующим образом. Крутящий момент с входного вала 1 передается на промежуточный вал 11 парами шестерен 2 и 3, 5 и 6, 8 и 9 с помощью поочередно включаемых фрикционных переключающих устройств - гидроподжимных муфт 4 (M1), 7 (M2) и 10 (M3), образуя на промежуточном валу ряд из трех переключаемых под нагрузкой передач. С промежуточного вала 11 на выходной 18 крутящий момент может быть передан с помощью гидроподжимных муфт 12 (M4) и 21 (M5). В приведенной на фиг. 1 схеме муфта 21 имеет один вариант соединения валов с помощью пары шестерен 19 и 20, а муфта 12 может связывать промежуточный вал 11 с выходным валом 18 либо через пару шестерен 13 и 14, либо через пару шестерен 15 и 16 в зависимости от положения зубчатой муфты 17 (Z1). Таким образом, могут быть сформированы разные ряды из шести переключаемых под нагрузкой передач, отличающиеся интервалом скоростей скоростей: узкий (рабочий) ряд и широкий (транспортный) ряд. В зависимости от вида работ - на обычных или на замедленных (технологических) скоростях - вторичный вал 18 соединяется с ведущей шестерней главной передачи 23 либо напрямую, с помощью зубчатой муфты 22 (Z2), либо с помощью той же муфты через вал привода технологических передач 33 и пары шестерен 25 и 26, а также 27 и 28. При необходимости движения задним ходом зубчатая муфта 22 остается в нейтральном положении, а муфта 24 (Z3) соединяет вторичный вал 18 с ведущей шестерней главной передачи 23 через шестерни 25, 26, 29, 30, 31 и вал 34. Шестерни 30, 31 и 32 служат для привода переднего моста, который включается с помощью гидроподжимной муфты 36 (M6).

В качестве примера приведены расчеты для чисел зубьев шестерен указанных в таблице 1.

В таблицах 2 и 3 показаны порядок включения фрикционных муфт при формировании того или иного ряда, а также скорости движения трактора (без учета буксования) и соотношение смежных скоростей. Скорость движения рассчитана для частоты вращения коленвала двигателя 2100 об/мин, передаточных чисел главной передачи 4.444 и конечной передачи 6.000, радиуса качения 0.855 м (шина 20.8 R 38).

Коробка передач, кинематическая схема которой представлена на фиг. 2, функционирует следующим образом. Во входном узле крутящий момент, подводимый на входной вал 37, может передаваться с него через фрикционную муфту 38 (M2) 2-й передачи, ведущей шестерней 39 2-й передачи через ведомую шестерню 40 2-й передачи на первый промежуточный вал 41 и через другую ведомую шестерню 42 на второй промежуточный вал 43. Крутящий момент с входного вала 37 может также передаваться на второй промежуточный вал 43 через ведущую шестерню 44 1-й передачи, ведомую шестерню 45 и фрикционную муфту 46 (M1) 1-й передачи, а также на первый промежуточный вал 41 через ведущую шестерню 47 3-й передачи, ведомую шестерню 48 и фрикционную муфту 49 (M3) 3-й передачи. В выходном узле с первого промежуточного вала 41 крутящий момент может передаваться по 1-й кинематической цепи фрикционной муфтой 50 (М4) через зубчатую муфту 51 (Z1) и либо через ведущую шестерню 52 и ведомую шестерню 53, либо через ведущую шестерню 54 (являющуюся элементом блока 55 привода технологических передач) и ведомую шестерню 56 на вторичный вал 57. Со второго промежуточного вала 43 крутящий момент может передаваться на вторичный вал по второй кинематической цепи фрикционной муфтой 58 (M5) через зубчатую муфту 59 (Z3) и далее либо через ведущую шестерню 60 на шестерню 53, либо через ведущую шестерню 61 и паразитную шестерню 62 на шестерню 56, формируя ряд передач заднего хода. С выходного вала на ведущую шестерню 63 главной передачи момент может передаваться либо напрямую через зубчатую муфту 64 (Z2) включения рабочих и технологических режимов движения, либо через шестерни 56 и 54, блок 55 привода технологических передач, шестерни 65 и 66 и зубчатую муфту 64. Передний мост приводится от вала 63 шестерни главной передачи через шестерни 67,68,69 и вал 70 привода переднего моста через муфту 71 (M6) включения переднего моста.

Первый промежуточный вал 41 связан со вторым промежуточным валом 43 через шестерни 39, 40 и 42. При равенстве чисел зубьев шестерен 40 и 42 валы 41 и 43 будут вращаться синхронно.

Технологические скорости получаются так же, как и в схеме на фиг. 1.

В качестве примера применения схемы фиг. 2 приведены расчеты для чисел зубьев шестерен указанных в таблице 4.

В таблицах 5, 6, 7 и 8 показаны порядок включения фрикционных муфт при формировании того или иного ряда, а также скорости движения трактора (без учета буксования) и соотношение смежных скоростей. Скорость движения рассчитана для частоты вращения коленвала двигателя 2100 об/мин, передаточных чисел главной передачи 4.444 и конечной передачи 6.0, радиуса качения 0.855 м (шина 20.8 R 38).

Последний вариант ряда несимметричного быстрого реверса может представлять интерес на бульдозерных работах задним ходом или аналогичных работах (на режиме технологических скоростей).

В предлагаемой коробке передач функции фрикционных переключающих устройств, а именно включение и выключение передачи потока мощности, могут выполняться при помощи планетарных рядов с фрикционными тормозами. Поэтому возможно появление большого числа кинематических схем, использующих предложенный принцип.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим изобретательский уровень, и промышленно применимо, в первую очередь в автотракторной технике.

Использование предлагаемой коробки передач позволит упростить конструкцию многоступенчатой коробки передач при сохранении возможности переключения передач под нагрузкой во всем интервале рабочих или транспортных скоростей, а также снизить потери мощности при ее передаче.

Формула изобретения

1. Способ формирования рядов передач коробки передач, переключаемых под нагрузкой, заключающийся в передаче потока мощности параллельными кинематическими цепями поочередно, первоначально с входного вала на промежуточный, посредством пар шестерен и поочередно включаемых фрикционных переключаемых устройств, формируя на промежуточном валу исходный ряд скоростей, переключаемых под нагрузкой, с заданным соотношением частот вращения исходного ряда передач, и в последующем - с промежуточного вала на выходной узел, изменяя исходный ряд скоростей посредством фрикционных переключаемых устройств и получая на выходном валу выходного узла различные частоты вращения, позволяющие формировать скорости машины в заданном интервале с заданным соотношением смежных скоростей, отличающийся тем, что поток мощности направляют по одной из ветви, по меньшей мере одной кинематической цепи выходного узла, посредством механического переключающего устройства и формирует или ряд скоростей машины в интервале 4 - 16 км/ч с соотношением смежных скоростей 1,10 - 1,25 поочередным включением кинематических цепей выходного узла при одной и той же частоте вращения исходного ряда скоростей, или ряд скоростей машины в интервале 6 - 60 км/ч с соотношением смежных скоростей 1,25 - 1,55 последовательным включением всех параллельных кинематических цепей одной кинематической цепи, а затем всех параллельных кинематических цепей другой кинематической цепи выходного узла при всех частотах вращения промежуточного вала.

2. Способ формирования рядов передач переключаемых под нагрузкой по п.1, отличающийся тем, что одну из ветвей кинематической цепи используют для получения передач заднего хода и работы в режиме быстрого реверса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8