Синхронизатор коробки передач

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к синхронизирующим переключающим устройствам (синхронизаторам) ступенчатых и диапазонно-бесступенчатых коробок передач колесных и гусеничных машин. Синхронизатор коробки передач содержит вал 1, установленные на нем шестерни 3, 4, корпус 9 с синхронизирующими конусами 11 и 12 и с фигурной прорезью 10, зубчатую муфту 13 и переключающее кольцо 22. Зубчатые шестерни 3 и 4 выполнены с синхронизирующими конусами 5 и 6 и с зубчатыми венцами 7 и 8. Зубчатая муфта 13 перемешается на валу 1 в осевом направлении и связана с корпусом 9 посредством подпружиненного фиксатора 14. Переключающее кольцо 22 связано с зубчатой муфтой 13 посредством пальца 23. Корпус 9 перемещается между шестернями 3 и 4. Синхронизатор имеет промежуточную кулачковую муфту 24. Муфта 24 установлена на валу 1 концентрично зубчатой муфте 13, связана с ней посредством фиксирующего штифта 34 и перемещается относительно вала и зубчатой муфты. Включение передачи происходит в два этапа: предварительное включение кулачков промежуточной кулачковой муфты 24 и соответствующей шестерни с согласованием частот включаемых элементов и полное включение - введение зубчатых венцов зубчатой муфты 13 и шестерни. Технический результат - сокращение времени разрыва потока мощности при переключении передач за счет разделения функций зубчатой муфты при передаче потока мощности и увеличения зазора между зубьями включаемых элементов. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к синхронизирующим переключающим устройствам (синхронизаторам) ступенчатых и диапазонно-бесступенчатых коробок передач колесных и гусеничных машин.

Известно переключающее устройство, содержащее вал, на котором с возможностью свободного вращения установлены шестерни, выполненные с зубчатыми венцами, подвижный корпус, размещенный между шестернями и зубчатую муфту, соединенную с корпусом (см. а.с. СССР N1086250, кл. F 16 D 23/02, F 16 D 23/14). В данном устройстве вал имеет зубчатый венец, по обе стороны которого установлены шестерни. Зубчатая муфта выполнена подвижной в осевом направлении и с зубчатыми внутренними венцами.

Для включения передач, т.е. для соединения, например, левой шестерни с валом, необходимо корпус, соединенный с муфтой, переместить вправо. При этом один зубчатый венец муфты выйдет из зацепления с зубчатым венцом правой шестерни, а другой зубчатый венец войдет в зацепление с зубчатыми венцами вала и левой шестерни.

Недостатком известного устройства является отсутствие синхронизирующих конусов на шестернях и корпусе. Поэтому введение в зацепление зубчатых венцов муфты, вала и шестерен происходит без предварительной синхронизации их частот вращения. Это значительно затрудняет процесс введения в зацепление зубчатых венцов и ускоряет износ этих венцов, что снижает надежность работы устройства. Кроме того, данное устройство невозможно использовать в диапазонно-бесступенчатой коробке передач для переключения диапазонов (механических ступеней).

Наиболее близким к заявленному решению (прототипом) является синхронизатор, содержащий вал, установленные на валу с возможностью свободного вращения шестерни, выполненные с синхронизирующими конусами и зубчатыми венцами, подвижный корпус, выполненный с синхронизирующими конусами и с фигурной прорезью, размещенный между шестернями с возможностью взаимодействия по их синхронизирующим конусам, зубчатую муфту, соединенную с корпусом при помощи подпружиненного фиксатора и жестко связанную с переключающим кольцом пальцем, установленным в фигурной прорези (см. книгу "Легкий многоцелевой гусеничный транспортер-тягач. Техническое описание и инструкция по эксплуатации" под редакцией А.Ф.Белоусова, Москва, воен. издат. МО СССР, 1976, стр.55, 57, 58, рис.26).

Известный синхронизатор имеет только одну зубчатую муфту, зубья которой при включении передают поток мощности как от двигателя к ведущим колесам, так и в обратном направлении - от ведущих колес к двигателю при движении накатом.

Чтобы переключить передачу необходимо одну и ту же зубчатую муфту сначала вывести из зацепления с шестерней выключаемой передачи, потом синхронизировать конусами частоты вращения зубчатой муфты и шестерни включаемой передачи, а затем ввести зубчатую муфту в зацепление с шестерней включаемой передачи. Кроме того, перед началом переключения необходимо снизить частоту вращения коленчатого вала двигателя и выключить сцепление, а после переключения включить сцепление.

Такое последовательное выполнение действий при переключении передач требует много времени, при котором происходит разрыв потока мощности от двигателя к ведущим колесам. При этом снижение частоты вращения элементов включаемой передачи происходит значительно быстрее, чем водитель успевает синхронизировать частоты вращения зубчатой муфты и шестерни включаемой передачи. Поэтому приходится прикладывать большое усилие к рычагу переключения передач для того, чтобы конусами синхронизатора "подтянуть" частоту вращения шестерни включаемой передачи и связанные с ней другие элементы до частоты вращения вала и установленной на нем зубчатой муфты.

Рассогласование частот вращения особенно сказывается на низших передачах при движении машины в тяжелых дорожных условиях, когда поступательная скорость еще низкая и, пока синхронизатор сблокируется, машина потеряет скорость и остановится.

Поэтому синхронизация и введение в зацепление венцов зубчатой муфты и шестерни, особенно учитывая малый зазор между зубьями, требует от водителя определенных навыков. При неудачной попытке включения передачи необходимо включить предыдущую передачу, разогнать машину и повторить переключение на следующую передачу.

Это приводит к увеличению времени, затрачиваемого на переключение, т.е. снижаются динамические свойства машины при разгоне, увеличиваются усилия при переключении передач, усложняются условия работы водителя, снижается надежность работы синхронизатора.

Кроме того, даже небольшой износ зубчатых венцов может привести к самовыключению передачи, что также снижает надежность работы синхронизатора. При переключении известным синхронизатором необходимо обязательно выключать сцепление, чтобы разорвать поток мощности от двигателя. Поэтому этот синхронизатор применяется только в ступенчатой коробке передач и его невозможно использовать в диапазонно-бесступенчатой коробке передач, где переключение механических ступеней (передач) в механическом потоке происходит без разрыва потока мощности от двигателя и при непрерывном увеличении частоты вращения элементов включаемых передач.

Технической задачей изобретения является сокращение времени разрыва потока мощности при переключении передач синхронизатором за счет разделения функций зубчатой муфты при передаче потока мощности как в прямом (от двигателя к ведущим колесам), так и в обратном (от ведущих колес к двигателю) направлениях и увеличения зазора между зубьями включаемых элементов.

Поставленная техническая задача решается тем, что синхронизатор коробки передач, содержащий вал, установленные на нем с возможностью свободного вращения шестерни, выполненные с синхронизирующими конусами и с зубчатыми венцами, корпус с синхронизирующими конусами и с фигурной прорезью, размещенный между шестернями с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с их синхронизирующими конусами, зубчатую муфту, установленную на валу с возможностью осевого перемещения и связанную с корпусом посредством подпружиненного фиксатора, и переключающее кольцо, связанное с зубчатой муфтой посредством пальца, размещенного в фигурной прорези корпуса, согласно изобретению снабжен промежуточной кулачковой муфтой, связанной с зубчатой муфтой посредством фиксирующего штифта и установленной на валу концентрично зубчатой муфте с возможностью осевого перемещения относительно вала и зубчатой муфты и зацепления с выполненными на торцах шестерен кулачками. Количество зубьев в зубчатых венцах шестерни и зубчатой муфты кратно количеству кулачков. Нерабочие поверхности кулачков промежуточной кулачковой муфты и шестерни расположены под углом более 90° к поверхности впадин кулачков. Промежуточная кулачковая муфта выполнена со сквозным отверстием, а фиксирующий штифт установлен в отверстии перпендикулярно продольной оси. По обеим сторонам от места установки фиксирующего штифта на валу выполнены проточки на расстоянии, превышающем сумму высоты рабочей поверхности кулачка и величины осевого зазора между синхронизирующими конусами корпуса и шестерни.

Наличие промежуточной кулачковой муфты, соединенной с зубчатой муфтой посредством фиксирующего штифта, на торцевой поверхности которого равномерно выполнены кулачки на значительном расстоянии друг от друга, во много раз превышающем зазоры между зубьями зубчатых венцов муфты и шестерни прототипа, позволяет произвести включение передачи в два этапа. Сначала предварительное включение, т.е. введение в зацепление кулачков промежуточной кулачковой муфты и кулачков шестерни включаемой передачи даже при рассогласовании частот вращения включаемых элементов. При этом поток мощности от двигателя к ведущим колесам передается через рабочие поверхности кулачков. Затем полное включение передачи, т.е. свободное (с зазором) введение в зацепление венцов зубчатой муфты и шестерни включаемой передачи. Это зацепление при включении передачи потока мощности не передает. Но при движении машины накатом (с горы), когда поток мощности идет в обратном направлении, т.е. от ведущих колес к двигателю, частота вращения промежуточной кулачковой и зубчатой муфт превышает частоту вращения шестерни включенной передачи. Зубчатая муфта увлекает шестерню за собой, поэтому в зацеплении между кулачками появляется зазор. Поток мощности при этом от ведущих колес к двигателю передается через рабочие поверхности зубьев в зацеплении зубчатых венцов муфты и шестерни включенной передачи.

Введение промежуточной кулачковой муфты, которая связана с зубчатой муфтой посредством фиксирующего штифта и установлена на валу концентрично зубчатой муфте с возможностью осевого перемещения относительно вала и зубчатой муфты, и разделение функций между муфтами при передаче потока мощности на разных режимах движения машины позволяет выполнять процесс включения следующей передачи при включенной промежуточной кулачковой муфте синхронизатора предыдущей передачи (через которую продолжает передаваться поток мощности от двигателя к ведущим колесам) и выключенной зубчатой муфте. Тем самым существенно сокращается время разрыва потока мощности при переключении передач, повышаются динамические свойства машины при разгоне, облегчается включение и выключение передач, повышается надежность работы синхронизатора. Кроме того, благодаря значительному расстоянию между кулачками промежуточной кулачковой муфты, во много раз превышающему ширину (толщину) кулачка, обеспечивается работоспособность синхронизатора при использовании в диапазонно-бесступенчатых коробок передач.

На фиг.1 показан синхронизатор коробки передач.

На фиг.2 - сеч. Б-Б на фиг.1.

На фиг.3 - вид по стрелке А на фиг.1 (переключающее кольцо не показано).

На фиг.4 - сеч. В-В на фиг.2.

На фиг.5 - элемент Г на фиг.1.

На фиг.6 - вариант синхронизатора коробки передач.

На фиг.7 - сеч. Д-Д на фиг.6.

Синхронизатор коробки передач устанавливается между шестернями четных или нечетных передач (1 и 3, 2 и 4 и т.д.).

Синхронизатор содержит вал 1 с выполненным на нем шлицевым участком 2, по обе стороны которого с возможностью свободного вращения установлены шестерни 3, 4 первой и третьей передач. Шестерни 3, 4 выполнены с синхронизирующими конусами 5, 6 и с внутренними зубчатыми венцами 7, 8. Между шестернями 3, 4 подвижно установлен корпус 9, выполненный с фигурной прорезью 10 и с синхронизирующими конусами 11, 12 для взаимодействия с синхронизирующими конусами 5, 6 шестерен 3, 4. Корпус 9 соединен с зубчатой муфтой 13 посредством подпружиненного фиксатора 14. Подпружиненный фиксатор 14 установлен в отверстии 15 зубчатой муфты 13 и в конической проточке 16 корпуса 9 и состоит из фиксатора 17, подпружиненного пружиной сжатия 18. Зубчатая муфта 13 выполнена с наружными зубчатыми венцами 19, 20 и с внутренними шлицами 21 и жестко связана с переключающим кольцом 22 при помощи пальца 23, который установлен в фигурной прорези 10. На валу 1 концентрично зубчатой муфте 13 с возможностью осевого перемещения относительно вала установлена промежуточная кулачковая муфта 24. На наружной и внутренней поверхностях промежуточной кулачковой муфты 24 выполнены шлицы соответственно 25 и 26 для взаимодействия со шлицами 21 зубчатой муфты 13 и со шлицевым участком 2 вала 1. На торцевых поверхностях промежуточной кулачковой муфты 24 равномерно выполнены, например, восемь кулачков 27, 28 для взаимодействия с такими же кулачками 29, 30 на шестернях 3, 4. Причем количество зубьев в зубчатых венцах 7, 8, 19, 20 шестерен 3, 4 и зубчатой муфты 13, кратно количеству кулачков 27, 28, 29, 30. Каждый из кулачков 27, 28, 29, 30 имеет рабочую поверхность 31, расположенную перпендикулярно поверхности впадин 32 кулачков, и нерабочую поверхность 33, расположенную под углом (α) более 90° к поверхности впадин 32. Промежуточная кулачковая муфта 24 связана с зубчатой муфтой 13 посредством фиксирующего штифта 34, установленного в сквозном отверстии 35, выполненном в промежуточной кулачковой муфте 24 перпендикулярно продольной оси. Один конец фиксирующего штифта 34 упирается в коническую проточку 36 зубчатой муфты 13, а другой конец - в шлицы 2 вала 1. По обеим сторонам от места установки фиксирующего штифта 34 на шлицевом участке 2 вала 1 выполнены конические проточки 37 и 38 на расстоянии, превышающем сумму высоты (h) (см.фиг.4) рабочей поверхности 31 кулачка и величины зазора (а) (см.фиг.5) между синхронизирующими конусами 6, 12 шестерни 4 и корпуса 9 в осевом направлении.

На зубчатой муфте 13 и шестернях 3, 4 вместо зубчатых венцов 19, 20 и 7, 8 могут быть выполнены кулачки 39, 40 и 41, 42 соответственно (см.фиг.6). Количество кулачков 39, 40, 41, 42 должно быть кратным количеству кулачков 27, 28, 29, 30. Каждый из кулачков 39, 40, 41, 42, как и кулачки 27, 28, 29, 30, имеет рабочую поверхность 43, расположенную перпендикулярно поверхности впадин 44, и нерабочую поверхность 45, расположенную под углом (β), равным или большим 90° (см.фиг.7). Причем кулачки 39, 40, 41, 42 сориентированы рабочими поверхностями так, что могут передавать поток мощности противоположного направления, (то есть от ведущих колес к двигателю при движении накатом), чем кулачки 27, 28, 29, 30. При передаче потока мощности от двигателя к ведущим колесам через кулачки 27 и 29 или 28 и 30 между кулачками 39 и 41 или 40 и 42 имеется зазор (b) (см.фиг.7) так же, как и в зацеплении между зубьями зубчатых венцов 19 и 7 или 20 и 8.

Работает предлагаемый синхронизатор следующим образом. В исходном положении промежуточная кулачковая муфта 24, зубчатая муфта 13, корпус 9 и переключающее кольцо 22 соединены как одно целое и установлены на шлицевом участке 2 вала 1 с зазором (а) между синхронизирующими конусами 5, 11 и 6, 12. При этом фиксатор 17 подпружиненного фиксатора 14 упирается в коническую проточку 16 корпуса 9, фиксирующий штифт 34 одним концом входит в коническую проточку 36 зубчатой муфты 13, а другим упирается в шлицевой участок 2 вала 1.

Для включения передачи, например третьей, перемещают переключающее кольцо 22 вправо. Усилие от кольца 22 через палец 23 передается к зубчатой муфте 13, а от нее через фиксатор 17 подпружиненного фиксатора 14 на корпус 9. Далее усилие передается от зубчатой муфты 13 через фиксирующий штифт 34 на промежуточную кулачковую муфту 24. Корпус 9 перемещается в осевом направлении вправо. При этом синхронизирующий конус 12 корпуса 9 соприкасается с синхронизирующим конусом 6 шестерни 4 включаемой передачи. Возникающая между конусами сила трения проворачивает корпус 9 относительно пальца 23, прижимает углубление фигурной прорези 10 к пальцу 23 (см.фиг.3) и препятствует осевому перемещению зубчатой муфты 13 и промежуточной кулачковой муфты 24. Когда частоты вращения корпуса 9 и шестерни 4 выравниваются, то сила, удерживающая палец 23 в углублении фигурной прорези 10, исчезнет, палец 23 легко выйдет из углубления фигурной прорези 10. Затем палец 23 и связанные с ним зубчатую муфту 13 и промежуточную кулачковую муфту 24 посредством переключающего кольца 22 перемещают вдоль прорези 10. При этом фиксатор 17 подпружиненного фиксатора 14 упирается в коническую проточку 16 на корпусе 9 и утапливается в осевом отверстии 15 зубчатой муфты 13, рассоединяя корпус 9 и зубчатую муфту 13 и не препятствуя ее осевому перемещению. Зубчатая муфта 13 и соединенная с ней посредством штифта 34 промежуточная кулачковая муфта 24 перемещаются как одно целое до предварительного включения передачи, т.е. до введения в зацепление кулачков 28, 30 промежуточной кулачковой муфты 24 и шестерни 4. Так как восемь кулачков 28 и 30 равномерно расположены на значительном расстоянии друг от друга, то даже при рассинхронизации частот вращения включаемых элементов кулачки успевают войти в зацепление своими рабочими поверхностями 31 (см.фиг.4). После введения в зацепление кулачков 28, 30 промежуточная кулачковая муфта 24 занимает такое положение, при котором фиксирующий штифт 34 оказывается над конической проточкой 38. Мощность от двигателя начинает передаваться через шестерню 4, рабочие поверхности 31 кулачков 30 и 28. Затем переключающее кольцо 22, палец 23 вместе с зубчатой муфтой 13 перемещают вдоль прорези 10 до полного включения передачи. Зубчатая муфта 13 перемещается по шлицам 25 промежуточной кулачковой муфты 24 до введения в зацепление зубчатых венцов 8 и 20 зубчатой муфты 13 и шестерни 4. При этом зубчатая муфта 13 своей конической проточкой 36 утапливает фиксирующий штифт 34 в коническую проточку 38 на валу 1, блокируя осевое перемещение промежуточной кулачковой муфты 24 и исключая выход из зацепления кулачков 28, 30, например при износе кулачков и др. Зубчатое зацепление 8 и 20 зубчатой муфты 13 и шестерни 4 необходимо также для исключения самовыключения передачи, т.е. для исключения разрыва потока мощности, которое автоматически вступает в работу, когда частота вращения вала 1 и промежуточной кулачковой муфты 24 превышает частоту вращения шестерни 4 включенной передачи. Это возможно при движении машины накатом (с горы), когда мощность передается в обратном направлении - от ведущих колес к двигателю. В этом случае между кулачками 28 и 30 появляется зазор, а между зубьями зубчатых венцов 8, 20 выбирается зазор. Поток мощности от двигателя через кулачки 28, 30 прерывается и мощность передается от ведущих колес через зацепление зубчатых венцов 8, 20. Таком образом, передача мощности от двигателя к ведущим колесам (от шестерни 4 к промежуточной кулачковой муфте 24 и валу 1 - при движении машины в тяговом режиме двигателя) осуществляется через зацепление кулачков 28, 30, а передача мощности от ведущих колес к двигателю (от вала 1 к шестерне 4 - при движении накатом, когда происходит торможение двигателем) осуществляется через зацепление зубчатых венцов 8, 20, зубчатую муфту 13 и промежуточную кулачковую муфту 24.

Вторая и четвертая передачи включаются таким же синхронизатором, расположенным в другом месте.

Для включения четвертой передачи необходимо сначала вывести из зацепления зубчатые венцы 8 и 20 шестерни 4 и зубчатой муфты 13 третьей передачи. В это время завершается разгон машины на третьей передаче и мощность от двигателя к ведущим колесам передается от шестерни 4 через кулачки 30 и 28 на промежуточную кулачковую муфту 24 и далее на вал 1. Причем между зубьями зубчатых венцов 8 и 20 (см.фиг.1) или кулачками 42 и 40 (см.фиг.6) зубчатой муфты 13 имеется зазор (b), благодаря которому зубчатая муфта 13 легко выводится из зацепления и своей конической проточкой 36 становится над фиксирующим штифтом 34. Происходит разблокировка промежуточной кулачковой муфты 24 относительно вала 1.

Начало включения синхронизатором четвертой передачи (соприкосновение конусов) происходит аналогично включению третьей передачи. Однако частота вращения шестерни четвертой передачи превышает частоту вращения зубчатой муфты 13 синхронизатора второй-четвертой передачи и корпус 9 своим углублением фигурной прорези 10 прижимает палец 23 и препятствует осевому перемещению зубчатой муфты 13 и промежуточной кулачковой муфты 24.

Для выравнивания частот вращения, когда удерживающая сила корпуса 9 и пальца 23 исчезнет, необходимо уменьшить частоту вращения двигателя ("сбросить" обороты - отпустить педаль подачи топлива), кинематически связанного (не показано) с шестернями четвертой и третьей передач.

После выравнивания частот дальнейшее включение четвертой передачи происходит аналогично включению третьей передачи. В это же время частота вращения шестерни 4 третьей передачи становится меньше частоты вращения промежуточной кулачковой муфты 24, которая через вал 1 кинематически связана с ведущим колесом. Проворачиваясь друг относительно друга, кулачки 30 шестерни 4 воздействуют своими нерабочими поверхностями 33 на такие же нерабочие поверхности кулачков 28 промежуточной кулачковой муфты 24 и выталкивают ее из зацепления с шестерней 4. При этом фиксирующий штифт 34 одним концом движется по конической проточке 38, перемещается в радиальном направлении по отверстию 35 и другим концом входит в коническую проточку 36 зубчатой муфты 13 и не препятствует осевому перемещению промежуточной кулачковой муфты 24. Далее происходит одновременное осевое перемещение промежуточной кулачковой муфты 24 и зубчатой муфты 13, т.е. автоматическое отключение третьей передачи.

Включение последующей передачи происходит аналогично.

При переключении с высшей передачи на низшую необходимо (после выведения из зацепления зубчатой муфты высшей передачи) сначала "сбросить" частоту вращения (обороты) коленчатого вала двигателя для автоматического отключения промежуточной кулачковой муфты, а затем (для синхронизации конусов и включения низшей передачи) необходимо увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя. В остальном включение происходит аналогично переключению с низшей передачи на высшую.

Введение в синхронизатор промежуточной кулачковой муфты с кулачками, расположенными на значительном расстоянии друг от друга, и фиксирующим штифтом, позволяет после трогания машины переключать передачи без сцепления, двигаясь на предыдущей передаче. Это сокращает время и облегчает переключение передач, повышает надежность работы, а также обеспечивает работоспособность при использовании в диапазонно-бесступенчатых коробках передач.

На предлагаемый синхронизатор на ОАО "Харьковский тракторный завод им. С.Орджоникидзе" выпущены чертежи, ведется изготовление деталей и сборка узла для ег о последующего испытания.

1. Синхронизатор коробки передач, содержащий вал, установленные на нем с возможностью свободного вращения шестерни, выполненные с синхронизирующими конусами и с зубчатыми венцами, корпус с синхронизирующими конусами и с фигурной прорезью, размещенный между шестернями с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с их синхронизирующими конусами, зубчатую муфту, установленную на валу с возможностью осевого перемещения и связанную с корпусом посредством подпружиненного фиксатора, и переключающее кольцо, связанное с зубчатой муфтой посредством пальца, размещенного в фигурной прорези корпуса, отличающийся тем, что он снабжен промежуточной кулачковой муфтой, связанной с зубчатой муфтой посредством фиксирующего штифта и установленной на валу концентрично зубчатой муфте с возможностью осевого перемещения относительно вала и зубчатой муфты и зацепления с выполненными на торцах шестерен кулачками.

2. Синхронизатор коробки передач по п.1, отличающийся тем, что количество зубьев в зубчатых венцах шестерен и зубчатой муфты кратно количеству кулачков.

3. Синхронизатор коробки передач по п.1, отличающийся тем, что нерабочие поверхности кулачков промежуточной кулачковой муфты и шестерен расположены под углом более 90° к поверхности впадин кулачков.

4. Синхронизатор коробки передач по п.1, отличающийся тем, что промежуточная кулачковая муфта выполнена со сквозным отверстием, а фиксирующий штифт установлен в отверстии перпендикулярно продольной оси.

5. Синхронизатор коробки передач по п.1, отличающийся тем, что по обеим сторонам от места установки фиксирующего штифта на валу выполнены проточки на расстоянии, превышающем сумму высоты рабочей поверхности кулачка и величины осевого зазора между синхронизирующими конусами корпуса и шестерни.