Коробка передач

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к коробкам передач с большим числом ступеней, переключаемых под нагрузкой и предназначенных преимущественно для тракторов, тягачей, автомобилей и др. Коробка передач содержит редуктор передач с дифференциалом, входным и по меньшей мере двумя выходными валами, редуктор диапазонов, входные валы которого связаны с выходными валами редуктора передач посредством фрикционных муфт, и выходной вал коробки передач. Переключающие устройства редуктора диапазонов выполнены в виде синхронизаторов и снабжены преселекторным управлением. Упрощена конструкция коробки передач. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, к наиболее распространенному виду механических трансмиссий, передающих энергию при ступенчато изменяемом передаточном отношении, в частности к коробкам передач тракторов, автомобилей и других машин.

Широко распространены многоступенчатые коробки передач, в которых большое количество ступеней достигается последовательным соединением нескольких редукторов со ступенчатым изменением передаточных отношений. В этом случае общее число ступеней равно произведению чисел ступеней каждого редуктора.

Наиболее часто подобные редукторы передач применяются в тракторах. При этом 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 редуктор передач, содержащий 3 или 4 ступени, переключаемые фрикционными муфтами, и второй редуктор 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.

Передаточные отношения диапазонов подобраны так, что высшая, последняя скорость диапазона близка или превышает значение низшей, первой скорости последующего диапазона. 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 (см. проспект фирмы "Zahnradfabrik").

В другом примере коробки передач тракторов фирмы "John Deere" (США) новой серии 8000, чтобы исключить необходимость переключения диапазонов, все 16 передач переключаются фрикционными муфтами.

Кроме этого, передаточные отношения диапазонов подобраны так, что в интервале рабочих скоростей с 5-й по 12-ю передачу перепад между соседними скоростями составляет 13%, а между остальными скоростями с 1 по 5 и с 12 по 16 составляет 27%.

Такое загущение скоростей в рабочем диапазоне достигается смещением двух диапазонов на половину шага между ступенями передач (см. проспект фирмы "John Deere").

Аналогичного загущения скоростей в рабочем диапазоне добивается Фирма "Caterpillar"(США) путем применения в 10-скоростной коробке передач с фрикционными муфтами и тормозами тракторов "Challenger 65" двух смещенных относительно друг друга диапазонов при неравномерных перепадах скоростей внутри каждого диапазона (см. проспект фирмы Caterpillar).

Другое направление увеличения числа ступеней состоит в использовании многопоточных дифференциальных передач.

Характерным примером данного направления (прототипом) представляется запатентованная фирмой "Zahnradfabrik" "Шестеренная передача с одним дифференциалом", патент ФРГ 2718652, МКИ F 16 H 37/08 от 27.04.77.

Входной вал данной коробки передач соединен со сдвоенным дифференциалом, снабженным двумя фрикционными муфтами, одна из которых может блокировать дифференциал, а другая останавливает его водило с двумя рядами сателлитов для получения скоростей заднего хода. Два других вала дифференциала соединены с двумя трехступенчатыми редукторами с фрикционными переключающими муфтами, образуя вместе двухпоточную ступенчатую дифференциальную передачу.

Каждая из рассмотренных ранее кинематических схем обладает как положительными, так и отрицательными свойствами.

В частности, для трансмиссий фирмы "Zahnradfabrik" серии 7000 свойственно дублирование скоростей в разные диапазонах, что увеличивает общее число ступеней, усложняет, удорожает, увеличивает вес и т.д.

Общим недостатком последовательного соединения коробки передач и коробки диапазонов является необходимость одновременного переключения ступеней в обеих коробках при переключении диапазонов. Ввиду этого усложняются системы управления и затрудняется обеспечение неразрывности потока мощности. Поэтому с целью устранения необходимости переходов с диапазона на диапазон применяется уже рассмотренное дублирование передач.

Кроме того, при последовательном соединении редуктора передач и редуктора диапазонов сохраняется отношение соседних скоростей. Как было показано, чтобы устранить такой своего рода масштабный эффект и получить необходимые соотношения соседних скоростей в нужных областях общего скоростного ряда следует накрывать один диапазон другим с некоторым смешением. Возможности данного метода невелики, что существенно ограничивает получение рациональных рядов скоростей, а также увеличивает количество одновременно работающих переключателей механизмов управления скоростями.

Выбранный нами прототип в известной мере способен устранить или ослабить указанные недостатки, но, в свою очередь, может быть существенно улучшен.

Дифференциал прототипа представляет собой два конструктивно объединенных простых дифференциала и поэтому имеет четыре вала, а не три, как у простого дифференциала.

Недостатком прототипа является относительно большое число фрикционных муфт, значительно усложняющих конструкцию, и появление большой циркуляции мощности, в частности, при изменении направления подвода мощности, предусмотренное в описании патента.

Основной целью данного изобретения является упрощение конструкции многоступенчатой коробки передач, применение в редукторах диапазонов синхронизаторов взамен более сложных муфт переключения с фрикционными элементами при сохранении возможности переключения передач под нагрузкой с помощью преселекторного управления во всем скоростном диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что коробка передач для тяговых и транспортных средств содержит многопоточную ступенчатую передачу с дифференциалом, один вал которого соединен с входным валом коробки передач, а два других - со ступенчатым редуктором диапазонов. По меньшей мере в два из потоков многопоточной дифференциальной передачи последовательно установлено по одному (или более) редуктору диапазонов с синхронизаторами и по одной фрикционной муфте, а выходные валы редукторов диапазонов соединены с выходным валом коробки передач, причем при одной и той же последовательности переключения передач в редукторе многопоточной дифференциальной передачи один из ее выходных валов увеличивает частоту вращения, а другой уменьшает.

При выполнении редукторов с фрикционными переключающими устройствами по планетарной схеме дифференциал многопоточной передачи входит в состав сложных дифференциалов с четырьмя и большим числом валов.

Для достижения безразрывности потока мощности переключающие устройства редукторов многоступенчатой коробки передач снабжены преселекторным управлением.

Если редуктор передач и редуктор диапазонов соединены непосредственно и последовательно, то образуются однопоточные диапазоны, у которых при переключении ступеней редуктора передач с низшей на высшую на выходе многоступенчатой коробки передач скорость увеличивается (прямой диапазон).

При соединении редуктора передач с редуктором диапазонов посредством дифференциала реализуется двухпоточный диапазон по схеме однодифференциальной передачи. Несложно подобрать параметры и режим работы такого двухпоточного диапазона, при котором увеличение скорости выходного вала будет происходить при обратном переключении ступеней в редукторе многопоточной дифференциальной передачи от высшей к низшей (обратный диапазон).

В данном случае дифференциал будет выполнять функции механизма, изменяющего последовательность переключения ступеней передач.

Если при переходе с диапазона на диапазон отключать все ступени редуктора передач и оставлять включенными оба диапазона, то образуется двухпоточная однодифференциальная передача по схеме с дифференциалом на входе, превносящая дополнительное число скоростей и исключающая их дублирование. Все передачи в данном случае переключаются однотипно с участием одного устройства отключения и одного включения.

В каждом из диапазонов используется один и тот же редуктор многопоточной передачи.

Поскольку дополнительное количество передач дают диапазонные редукторы с относительно простыми синхронизаторами, то выгодно стремиться к увеличению в них числа ступеней и соответственно занижать число ступеней в редукторе с фрикционными муфтами многопоточной дифференциальной передачи. Однако менее одной передачи сделать нельзя, а возможность увеличения количества диапазонов небезгранична.

По нашему мнению, количество диапазонов целесообразно иметь не более шести. Тогда для реализации достаточно большого общего числа ступеней коробки передач целесообразно задавать необходимое количество ступеней в редукторе многопоточной передачи.

Общее количество ступеней коробки передач может быть определено из выражения. N= М*D+D-1, где N - общее количество ступеней коробки передач, M - количество ступеней редуктора многопоточной передачи, D - количество диапазонов.

Например, при шести диапазонах, если M=1, то N=11, если M=2, то N=17, если M=3, то N=23 и т.д.

В двухпоточных диапазонах целесообразно применение простых дифференциалов с тремя валами. В отдельных случаях могут быть применены сдвоенные конструкции дифференциалов.

Необязательно, чтобы прямой диапазон был однопоточным. В некоторых случаях целесообразно применять в прямом диапазоне двухпоточную передачу. Применение дифференциалов в прямых диапазонах необходимо для реализации отличающихся друг от друга отношений соседних скоростей в разных областях единого скоростного ряда.

Однопоточный диапазон может быть и первым, и вторым, и третьим, и т.д. в общем ряду, а не исключительно первым.

Движение задним ходом может быть реализовано множеством вариантов. Включение реверса может присутствовать в редукторе передач или одном из редукторов диапазонов, а также путем остановки водила дифференциала. Перспективным решением представляется схема, обеспечивающая "быстрый реверс" преимущественно за счет диапазона транспортных скоростей, хотя могут быть применены и другие рациональные решения.

Большое практическое значение имеет преселекторное переключение диапазонов применением двух фрикционных муфт. Это позволяет уменьшить в целом количество фрикционных муфт путем их замены более простыми синхронизаторами. Важно, что при этом не прерывается последовательность переключения передач ряда.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: Фиг. 1. Вариант кинематической схемы коробки передач с двухступенчатой многопоточной дифференциальной передачей при блокируемом дифференциале.

Фиг.2. Вариант кинематической схемы коробки передач только с блокируемым дифференциалом.

Фиг.3. Вариант кинематической схемы коробки передач с несколькими конструктивно объединенными дифференциалами.

Приведенная в качестве примера на фиг.1 кинематическая схема коробки передач является иллюстративной и не предопределяет тип применяемого дифференциала, который может быть выполнен любой из известных схем.

Многоступенчатая коробка передач (фиг.1) содержит входной вал 1, соединенный с солнечной шестерней 2 дифференциала. На водиле 3 дифференциала установлены двухвенцовые сателлиты 4, каждый из которых шестерней 5 находится в зацеплении с солнечной шестерней 2, а шестерней 6 с другой солнечной шестерней 7. Выходной вал дифференциала 8 непосредственно соединен с солнечной шестерней 7, а выходной вал 9 связан с водилом 3 через находящуюся в зацеплении пару шестерен 10 и 11. На выходных валах дифференциала расположена находящаяся в постоянном зацеплении пара шестерен 12 и 13. Включение фрикционной муфты 14 блокирует дифференциал, а включение фрикционной муфтой 15 через пару шестерен 12 и 13 устанавливает кинематическую связь между выходными валами 8 и 9. Перечисленные выше элементы образуют редуктор передач. Выходные валы редуктора передач с помощью фрикционных муфт 16 и 17 могут соединяться соответственно с входными валами 18 и 19 редукторов диапазонов. Валы редукторов диапазонов с помощью синхронизаторов 20 - 25 и находящихся попарно в постоянном зацеплении шестерней 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31, 32 и 33, 34 и 35 (через паразитную шестерню 36) могут быть связаны с выходным валом редуктора диапазонов 37, который является выходным валом многоступенчатой коробки передач.

Крутящий момент от двигателя через входной вал коробки передач 1 подводится к солнечной шестерне дифференциала 2. Возникающее на зубьях шестерни 2 усилие передается на шестерню 5 двухвенцового сателлита 4 и уравновешивается усилием в зацеплении шестерни сателлита 6 с другой солнечной шестерней 7 и усилием на оси сателлита, создающим момент на водило 3. С солнечной шестерни 7 момент передается на выходной вал 8 непосредственно, а с водила 3 - на выходной вал 9 через находящуюся в зацеплении пару шестерен 10 и 11. Для того чтобы передать через дифференциал мощность к единому потребителю, которым является выходной вал 37 многоступенчатой коробки передач, выходные валы дифференциала должны быть кинематически связаны друг с другом или один из валов должен быть заторможен. Такая кинематическая связь осуществляется либо в редукторе передач с помощью фрикционной муфты 15 через пару шестерен 12 и 13 или с помощью блокирующей дифференциал фрикционной муфты 14, либо в редукторе диапазонов путем одновременного соединения выходного вала 37 с обоими выходными валами дифференциала 8 и 9 с помощью фрикционных муфт 16 и 17 и через пары шестерен постоянного зацепления с помощью тех или иных синхронизаторов. Включение фрикционной муфты 14 или 15 устанавливает определенное соотношение частот вращения выходных валов 8 и 9 дифференциала, причем, если переключение указанных муфт ведет к увеличению частоты вращения одного из валов, то частота вращения другого уменьшается. Включение фрикционной муфты в редукторе передач позволяет передавать мощность в редуктор диапазонов через одну из муфт 16 или 17, в то время как другая муфта выключена и позволяет произвести включение смежного диапазона и подготовить его к работе (преселекторный режим управления).

При правильном выборе передаточных чисел предоставляется возможность передавать мощность, используя поочередно: две передачи с одного выходного вала редуктора передач 8, затем через два смежных диапазона, две передачи с другого выходного вала редуктора передач 9 и снова через два смежных диапазона.

Такой порядок включения передач позволяет производить переключения передач под нагрузкой во всем диапазоне скоростей, причем при переходе с любой передачи на соседнюю из двух работающих фрикционных муфт происходит переключение только одной.

Таким образом, представленная схема соответствует коробке с 14 передачами переднего и 2 передачами заднего хода.

В таблице 1 приведено состояние фрикционных муфт и синхронизаторов на различных передачах.

Предлагаемая схема позволяет получить режим "быстрого реверса", при этом в редукторе передач включается одна из передач, в редукторе диапазонов включается диапазон заднего хода (синхронизатор 25) и один из диапазонов прямого хода (синхронизаторы 20 или 22). Изменение направления движения достигается переключением фрикционных муфт 16 и 17.

В качестве примера получения ряда передач с использованием приведенной схемы может быть рассмотрена коробка передач с шестернями, имеющими числа зубьев, указанные в таблице 2. Не приводится число зубьев паразитной шестерни 36, поскольку оно не влияет на передаточное число.

Результаты расчетов, выполненных по приведенным исходным данным, сведены в таблицу 3 и представлены в виде частоты вращения выходного вала коробки передач (при условии, что номинальная частота вращения вала двигателя равна 2200 об/мин), скорости движения трактора (при условии, что 100 об/мин выходного вала коробки передач соответствуют скорости 1 км/ч), а также соотношения смежных скоростей.

На фиг. 2. представлен вариант кинематической схемы коробки передач, почти полностью повторяющий вариант кинематической схемы коробки передач на фиг. 1. Отличие состоит в уменьшении числа передач в редукторе передач до одной (из схемы исключены шестерни 12 и 13 и фрикционная муфта 15), что позволило несколько изменить компоновку и объединить в один узел муфты 14 и 17, сохраняя их функции. Приведенной схеме соответствует 9 передач переднего хода и 1 передача заднего хода.

На фиг. 3. представлен вариант кинематической схемы коробки передач с несколькими конструктивно объединенными дифференциалами.

В этом случае многоступенчатая коробка передач содержит пять дифференциалов планетарного типа 38 - 42, включающих соответственно водила с сателлитами 43 - 47, солнечные шестерни 48 - 52 и эпициклы 53 - 57. Кроме того, в состав многоступенчатой коробки передач входит четыре многодисковых тормоза 58 - 61, пара шестерен 62 и 63 и редуктор диапазонов, полностью повторяющий редуктор диапазонов показанный на фиг.1. Солнечные шестерни 49 - 52 объединены в один блок, а солнечная шестерня 48 соединена с тормозом 58. Водило 43 соединено с шестерней 62, находящейся в постоянном зацеплении с шестерней 63, соединенной с входным валом коробки диапазонов 18. Водило 47 соединено с другим входным валом коробки диапазонов 19. Водило 44 соединено с входным валом коробки передач 1; водила 45 и 46 соединены друг с другом и с соединенными эпициклами 53 и 54. Эпициклы 55 - 57 соединены соответственно с тормозами 59 - 61.

Крутящий момент от двигателя через входной вал коробки передач 1 подводится к водилу 44 дифференциала 39 и через сателлиты передается на солнечную шестерню 49 и эпицикл 54, распределяясь пропорционально числам зубьев этих шестерен. С солнечной шестерни 49 момент передается на солнечную шестерню 52 планетарного механизма 42 (выполняющего функции муфты 17, показанной в схеме на фиг.1.) и при остановленном с помощью тормоза 61 эпицикле 57 через водило 47 поступает на входной вал редуктора диапазонов 19. С эпицикла 54 момент передается на соединенный с ним эпицикл 53 планетарного механизма 38 (выполняющего функции муфты 16, показанной в схеме на фиг.1.) и при остановленной с помощью тормоза 58 солнечной шестерне 48 через водило 43 поступает на соединенную с ним шестерню 62, а через находящуюся в зацеплении с ней шестерню 63 - на второй входной вал редуктора диапазонов 18.

Дополнительная кинематическая связь между двумя выходными элементами дифференциала 39 (солнечной шестерней 49 и эпициклом 54), установление которой позволяет передавать мощность полностью на любой из входных валов редуктора диапазонов 18 или 19, осуществляется путем затормаживания либо эпицикла 55 с помощью тормоза 59, либо эпицикла 56 с помощью тормоза 60 (планетарные механизмы 40 и 41 с тормозами 59 и 60 выполняют те же функции, что и муфты 14 и 15, показанные в схеме на фиг.1.).

Редуктор диапазонов полностью идентичен редуктору, показанному на фиг.1.

Таким образом, представленная на фиг.3 схема функционально аналогична схеме, представленной на фиг. 1, и соответствует коробке с 14 передачами переднего и 2 передачами заднего хода.

Формула изобретения

1. Коробка передач преимущественно для тяговых и транспортных средств, содержащая редуктор передач с дифференциалом, входным и по меньшей мере двумя выходными валами и редуктор диапазонов с входными валами, связанными с выходными валами редуктора передач и выходным валом, являющимся выходным валом коробки передач, шестернями и переключающимися устройствами, установленными с возможностью соединения валов редуктора диапазонов между собой с различными передаточными числами, отличающаяся тем, что выходные валы редуктора передач соединены с входными валами редуктора диапазонов посредством фрикционных муфт, а переключающиеся устройства редуктора диапазонов выполнены в виде синхронизаторов.

2. Коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что выходные валы редуктора передач соединены между собой с заданным передаточным числом шестернями и фрикционной муфтой.

3. Коробка передач по п.1 или 2, отличающаяся тем, что переключающие устройства редуктора диапазонов снабжены преселекторным управлением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5