Модульная коробка передач с соосными валами

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в транспортном, сельскохозяйственном машиностроении, в станкостроении и др. отраслях. Модульная коробка передач основана на методе перебора передаточных отношений последовательно включенных модулей. Она содержит соосные ведущий и ведомый валы 1 и 2 и установленные в корпусе 3 один или более передающих модулей II₁, II₂ из двух и более вращательно подвижных и соосных друг другу и валам коробки передач звеньев. Управляемые элементы переключения передач содержат межмодульные переключатели 19-21 и корпусные переключатели 30-31. Межмодульные переключатели 19-21 выполнены с позициями соединения с, по меньшей мере, двумя любыми звеньями модуля. Корпусные переключатели 30-31 трех- и четырехзвенных модулей имеют позиции соединения корпуса с, по меньшей мере, любыми двумя звеньями модуля. В зависимости от положения переключателей входом или выходом любого модуля, а также опорным звеном трех- или четырехзвенного модуля могут становиться его различные звенья, обеспечивая тем самым большее число передаточных отношений, которые можно получить на одном и том же модуле. Технический результат - возможность создания коробок передач с любым количеством ступеней на минимальном количестве модулей с минимальным количеством звеньев, а также уменьшение момента инерции в отдельных модулях, отсутствие нагрузки в зацеплениях при прямой передаче. 10 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам ступенчатого переключения скоростей, и может использоваться в транспортном, сельскохозяйственном машиностроении, в станкостроении и др. отраслях.

Обычно коробка передач состоит из переключаемых зубчатых или планетарных передач, размещаемых в общем корпусе и снабженных управляемыми механизмами переключения (см. Дымшиц И.И. Коробки передач, Машгиз, 1960). Переключатели обычно выполняются в виде скользящих зубчатых колес, муфт, муфт с синхронизаторами, либо в виде тормозов. Такие коробки передач имеют обычно достаточно большую разницу передаточных отношений между ступенями.

В то же время известно, что "идеальная" коробка передач для автомобиля, это трансмиссия с непрерывно изменяющимся передаточным отношением, и приблизиться к этой "идеальной" трансмиссии можно, увеличивая количество передач в коробке с одновременным уменьшением шага между ступенями. Хотя коробки передач с близкими передаточными отношениями известны, они относительно большие и дорогие. Причина этого в том, что число скоростей в коробке передач почти напрямую связано с числом передаточных ступеней.

Так, например, коробка передач в патенте US 3067632, содержащая три трехзвенных дифференциальных планетарных механизма, две управляемые фрикционные муфты и три управляемых тормоза, дает возможность получить шесть передач: четыре передачи переднего хода и две - заднего.

Для увеличения числа переключаемых передач в коробке передач по патенту RU №2093734 используются пять планетарных рядов с семью элементами переключения, что позволяет получить десять передач.

Таким образом, увеличение числа передач в коробках требует значительного увеличения числа элементарных передающих узлов, что усложняет коробку и увеличивает ее габариты.

Меньшими габаритами обладает коробка передач на фиг.6 патента US №5, 016, 487 на основе шариковых передающих узлов с периодическими дорожками качения. Она содержит корпус, в котором установлены элементарные передающие узлы - модули и ведущий и ведомый валы коробки передач. Передающий модуль представляет собой входной и выходной диски с замкнутыми периодически изогнутыми дорожками качения и промежуточный сепаратор с радиальными прорезями, в которых расположены шарики, взаимодействующие с дорожками качения входного и выходного дисков. Модули соединены последовательно, т.е. входное звено последующего модуля постоянно соединено с выходом предыдущего через реверсирующий диск. Промежуточные звенья - сепараторы всех модулей соединены с корпусом. Ведущим валом коробки передач является входное звено первого передающего модуля. Ведомый вал коробки передач с помощью управляемого многопозиционного переключателя соединяется поочередно с выходом каждого модуля. Переключатель выполнен в виде стержня с ребордами, проходящего сквозь полый выходной вал. При осевом перемещении стержня одна из реборд сдвигает шарики, находящиеся в прорезях выходного вала, и они зацепляют полый вал с выходным звеном одного из модулей. Описанная схема имеет ограниченное число переключаемых передач, равное числу передающих модулей, что ухудшает условия работы двигателя при изменяющейся внешней нагрузке, т.е. снижает коэффициент загруженности двигателя.

Патент ЕР 0102136 решает задачу получения большого количества передач при небольшом количестве передающих модулей. Модули имеют два или четыре передаточных отношения, и разные передаточные отношения на ведомом валу получают, используя метод перебора этих отношений при последовательном включении модулей (метод двоичной логики). Коробка передач содержит расположенные в корпусе соосные ведущий и ведомый валы и последовательно включенные ступени - модули, оси вращения которых совпадают с общей осью коробки передач. Ведущий и ведомый валы непосредственно соединены с входом первого модуля и выходом последнего, а модули постоянно соединены друг с другом. Каждый модуль выполнен из трех или четырех подвижных соосных звеньев. Модуль с двумя передаточными отношениями имеет три подвижных соосных звена: входное, выходное и дополнительное промежуточное звено. Модуль с четырьмя передаточными отношениями выполнен четырехзвенным и имеет два дополнительных промежуточных звена. Для переключения передач каждый модуль снабжен переключателем. Двухпозиционный переключатель трехзвенного модуля постоянно соединен с промежуточным звеном и в разных позициях переключения соединяет его либо с корпусом, либо с входным или с выходным звеном модуля. При соединении промежуточного звена с корпусом передающий модуль имеет передаточное отношение, большее, чем 1. При соединении промежуточного звена с входным или выходным звеном, весь модуль вращается как единое целое и его передаточное отношение равно 1. Переключение множества таких соединенных последовательно передающих модулей в последовательности двоичной логики дает на ведомом валу коробки передач набор передаточных отношений, число которых равно 2ⁿ, где n - число передающих модулей.

Для четырехзвенного модуля используется переключатель с четырьмя позициями переключения. Переключатель имеет возможность соединять поочередно каждое из промежуточных звеньев, либо оба звена вместе с корпусом или со входным/выходным звеном. При этом, в положениях переключателя, когда одно из промежуточных звеньев связано с корпусом, а другое соответственно связано со входным/выходным элементами, или оба промежуточных звена связаны с корпусом, имеем три передаточных отношения, не равных 1, а когда оба промежуточных звена соединены с входным и выходным элементами, имеем прямую передачу. Переключение этих модулей с перебором передаточных отношений дает число скоростей на n модулях, равное 4ⁿ. Каждый модуль в патенте ЕР 0102136 это планетарная зубчатая передача с двумя или более центральными колесами и соответственно с одновенцовыми или многовенцовыми сателлитами на одном водиле. Коробка передач позволяет на небольшом количестве передающих модулей получать большое количество передач. Данную коробку передач выбираем за прототип. В прототипе на трехзвенных модулях можно создавать коробки с количеством скоростей 2 на одном модуле, 4 на двух, 8 на трех и т.д. На четырехзвенных модулях можно создавать коробки передач с 4 скоростями - на одном модуле, с 16 - на двух и т.д. Как видно, количество модулей и звеньев в модуле четко определяет число передач. На практике, например, для легковых автомобилей вполне достаточна 6 - ступенчатая коробка передач, и по прототипу мы можем построить ее либо как 8 - скоростную на трех трехзвенных модулях с тремя переключателями, либо как 8 - скоростную же, но на комбинации трехзвенного модуля с четырехзвенным с тремя двухпозиционными переключателями.

Задачей изобретения является создание компактной многоскоростной коробки передач с использованием сравнительно небольшого числа элементарных передающих узлов - модулей.

Технический результат изобретения заключается в возможности создания коробок передач с любым количеством ступеней на минимальном количестве модулей с минимальным количеством звеньев. Дополнительным техническим результатом является уменьшение сил инерции в модуле при прямой передаче без изменения скорости. Это особенно важно для последних модулей мощных коробок, в которых эти оконечные модули имеют большие размеры и массу. Кроме того, в прототипе модуль при передаточном отношении, равном 1, вращается весь, и момент вращения нагружает одно из зацеплений в модуле. В предложенной коробке момент вращения прямой передачи передается напрямую, не нагружая зацеплений в модулях.

Предлагаемая модульная коробка передач, как и прототип, основана на методе перебора передаточных отношений последовательно включенных модулей. Термин "последовательное включение" здесь означает, что для получения любой передачи поток мощности от ведущего вала к ведомому проходит последовательно через все модули. Как и прототип, коробка содержит соосные ведущий и ведомый валы и установленные в корпусе один или более передающих модулей, а также управляемые элементы переключения передач. Модули могут быть двухзвенными или трехзвенными, или четырехзвенными, по числу содержащихся в них вращательно-подвижных соосных друг другу и валам коробки передач звеньев. Коробка может быть построена из указанных модулей в различной их комбинации. Основным отличием от прототипа является принцип переключения передач. Для этого управляемые элементы переключения передач содержат межмодульные переключатели на входе и/или выходе модуля, а также корпусные переключатели для модулей с более чем двумя звеньями. Межмодульные переключатели выполнены с позициями соединения с, по меньшей мере, двумя любыми звеньями модуля. Корпусные переключатели трех- и четырехзвенных модулей имеют позиции соединения корпуса с, по меньшей мере, любыми двумя звеньями модуля. Таким образом, в зависимости от положения переключателей входом или выходом любого модуля, а также опорным звеном трех- или четырехзвенного модуля могут становиться его различные звенья, обеспечивая тем самым большее число передаточных отношений, которые можно получить на одном и том же модуле. Перебор передаточных отношений нескольких модулей обеспечивает большее число передач в коробке при одном и том же количестве звеньев.

В качестве модулей могут быть использованы, как и в прототипе, различные схемы зубчатых планетарных передач, или планетарные передачи с шариковым зацеплением периодических дорожек качения.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. На фигурах 1-5 даны принципиальные схемы различных вариантов коробок передач. На фиг.1 и 2 приведены принципиальные схемы четырехскоростной коробки передач, построенной на двух двухзвенных модулях. На фиг.3 приведена схема 16-ти скоростной коробки передач, построенной на двух трехзвенных модулях. На фиг.4 изображена 8-ми скоростная коробка передач, построенная на комбинации трехзвенного и двухзвенного модулей. На фиг.5 дана схема многоскоростной коробки передач на одном четырехзвенном и одном трехзвенном модуле.

Следующие фигуры дают примеры построения коробок передач, с использованием конкретных схем передающих модулей. На фиг.6 приведена схема 8-ми скоростной коробки передач на комбинации двухзвенного и трехзвенного модулей, выполненных на основе зубчатого зацепления колес. Двухзвенный модуль выполнен в виде простой зубчатой передачи с промежуточным валом, а трехзвенный модуль - в виде планетарной передачи с двухвенцовым сателлитом. На фиг.7 и 8 представлены схемы двух других трехзвенных модулей, которые могут быть использованы в схеме фиг.6. На фиг.9 дана схема многоскоростной коробки передач с четырехзвенным модулем в виде двойной планетарной передачи и выходным двухзвенным модулем на основе простой зубчатой передачи с промежуточным валом. Следует отметить, что приведенными примерами отнюдь не исчерпываются все возможные схемы построения коробок передач, защищаемых настоящим изобретением. Фиг.10 иллюстрирует одну из возможных конструкций четырехпозиционного переключателя 51 на фиг.5.

Коробка передач на фиг.1 содержит соосные ведущий 1 и ведомый 2 валы, размещенные в корпусе 3. Корпус на всех принципиальных схемах показан условно. Два двухзвенных передающих модуля I₁, I₂ расположены в корпусе последовательно друг за другом. Каждый модуль содержит два вращательно-подвижных звена 4 и 5, имеющих общую ось вращения, совпадающую с осью валов 1 и 2 коробки передач. На всех фигурах звенья модулей показаны условно. Ведущий вал 1 коробки передач связан непосредственно с первым звеном 4 первого модуля I₁. У обоих модулей межмодульные переключатели подключены на выходе модуля. Т.е. один переключатель 6 расположен между модулями I₁, I₂, а другой переключатель 7 расположен между вторым модулем и ведомым валом 2 коробки передач. Каждый из межмодульных переключателей имеет по две позиции соединения с двумя звеньями модулей. Двухпозиционный переключатель 6 в положении 8 соединяет входное звено 4 второго модуля I₂ с выходным звеном 5 первого модуля I₁. В положении 9 этот переключатель соединяет входное звено 4 второго модуля с входным же звеном 4 первого модуля I₁, т.е. первый модуль в данной позиции переключателя 6 будет передавать вращение без изменения скорости. Аналогичным образом двухпозиционный межмодульный переключатель 7 в положении 10 соединяет выходное звено 5 последнего модуля I₂ с ведомым валом 2 коробки передач, а в положении 11 соединяет с тем же валом 2 входное звено 4 этого же модуля.

Следует отметить, что коробку передач с теми же характеристиками можно получить и другим соединением двухзвенных модулей. Например (см. фиг.2), в первом модуле I₁ выполнить в соответствии с изобретением межмодульный переключатель 12 на входе модуля, а во втором модуле I₂ оставить переключатель 7 на выходе модуля. В результате ведущий вал 1 коробки передач через переключатель 12 в положении 14 будет соединяться с входным звеном 4, а в положении 13 с выходным звеном 5 модуля I₁, Первый и второй модули в этом случае следует соединить непосредственно, т.е. выходное звено 5 модуля I₁ связью 15 соединено с входным звеном 4 модуля I₂. Таким образом, в положении 13 переключателя 12 на вход второго модуля будет подаваться момент вращения непосредственно с ведущего вала 1.

Коробка передач на фиг.3 состоит из двух последовательно расположенных трехзвенных модулей II₁ и II₂. Каждый модуль II имеет три соосных подвижных звена: первое - 16, второе - 17 и промежуточное звено 18. Между ведущим валом 1 коробки передач и первым модулем II₁, между модулями, а также между последним модулем II₂ и ведомым валом 2 коробки передач расположены межмодульные переключатели 19, 20 и 21. Переключатель 19 аналогично переключателю 12 в предыдущей схеме является межмодульным переключателем на входе первого модуля, а переключатель 21 является переключателем на выходе второго модуля. Оба переключателя двухпозиционные и соединяют соответственно ведущий вал 1 с первым 16 или с промежуточным 18 звеном первого модуля II₁ (положения 22 и 23 переключателя 19), а также второе 17 или промежуточное 18 звено последнего модуля II₂ с ведомым валом 3 (положения 24 и 25 переключателя 21). Межмодульный переключатель 20 является одновременно переключателем на выходе первого модуля и переключателем на входе второго модуля, поэтому он выполнен четырехпозиционным. В положении 26-27 он соединяет второе звено 17 предыдущего модуля с первым звеном 16 последующего модуля. В положении 26-29 переключатель 20 соединяет второе звено 17 предыдущего модуля с промежуточным звеном 18 последующего модуля. В этом положении выходом первого модуля II₁ является второе звено 17, а входом второго модуля II₂ становится его промежуточное звено 18. В положении 28-27 соединены промежуточное звено 18 предыдущего модуля и первое звено 16 следующего модуля, т.е. выходом первого модуля II₁ является его промежуточное звено 18, а входом второго модуля II₂ - его первое звено 16. И, наконец, в положении 28-29 промежуточное звено 18 первого модуля соединено с промежуточным звеном 18 второго модуля, т.е. входом и выходом соответствующих модулей II являются промежуточные звенья 18. Кроме этого, каждый модуль II снабжен еще корпусным переключателем 30 и 31, который соединяет с корпусом либо первое, либо второе, либо промежуточное звено модуля (положения 32, 33 и 34 переключателя 30 и положения 35, 36 и 37 переключателя 31). Следует отметить, что в качестве корпусного переключателя могут быть использованы управляемые тормоза. Интересно сравнить схему на фиг.2 с аналогичной схемой в прототипе, которая также построена на трехзвенных модулях. Прототип на двух трехзвенных модулях обеспечивает только четыре переключаемых скорости. В схеме на фиг.2, как будет показано ниже, использование дополнительно межмодульных переключателей 19, 20 и 21 и дополнительных позиций 32 и 33 в корпусном переключателе 30, а также позиций 35 и 36 в корпусном переключателе 31 позволяет получить на таких же двух модулях до 16 скоростей.

На фиг.1-3 изображены схемы коробок передач, составленные из однотипных модулей. При этом коробка передач на фиг.1 и 2 обеспечивает 4 переключаемые скорости, а коробка на фиг.3 - 16 скоростей. Очень часто 4 передач недостаточно для эффективной работы двигателя, а 16 передач слишком много. Можно, конечно, для получения, например 8 передач в схеме на фиг.3 использовать не все положения переключателей. Но гораздо более эффективно для этого случая использовать схему с меньшим количеством звеньев. На фиг.4 приведена схема 8-ми скоростной коробки на одном двухзвенном I₁ и одном трехзвенном II₂ модулях.

Входное звено 4 первого двухзвенного модуля I₁ соединено непосредственно с ведущим валом 1 коробки передач. Ведомый вал 2 коробки передач, как и на предыдущей фигуре, межмодульным переключателем 21 на выходе модуля II₂ может соединяться либо с промежуточным звеном 18 трехзвенного модуля II₂, либо с его вторым звеном 17 (положения переключателя 24 и 25). Межмодульный переключатель 38 является одновременно переключателем на выходе модуля I₁ и переключателем на входе модуля II₂, поэтому имеет четыре позиции переключения. В положениях 39 и 40 переключатель 38 соединен с выходным звеном 5 и входным звеном 4 модуля I₁ соответственно. В положениях 41 и 42 переключатель 38 соединен с первым звеном 16 и с промежуточным звеном 18 модуля II₂. Таким образом, в положениях 39-41 выходное звено 5 двухзвенного модуля I₁ соединяется с первым звеном 16 второго трехзвенного модуля II₂. Положение переключателя 40-42 обеспечивает соединение входного звена 4 первого модуля I₁ и промежуточного звена 18 второго модуля II₂, делая это звено 18 входом модуля. Точно также промежуточное звено 18 будет входом второго модуля II₂ и в положении переключателя 39-42, только вращение на него будет подаваться с выходного звена 5 первого модуля I₁. В четвертом положении переключателя 38 (положение 40-41) будут соединены входное звено 4 первого модуля I₁ и первое звено 16 второго модуля II₂, т.е. вращение на второй модуль будет передаваться без изменения скорости с передаточным отношением, равным 1. Трехзвенный модуль II₂ снабжен также корпусным трехпозиционным переключателем 31, который в положении 35 соединяет корпус 3 с первым звеном 16, в положении 37 - с промежуточным звеном 18, а в положении 36 - со вторым звеном 17.

В следующей схеме коробки передач в качестве второго модуля используется такой же, как и в прототипе, четырехзвенный модуль III₂ с двумя промежуточными элементами. На фиг.5 ведущий вал 1 через переключатель 19 на входе первого модуля соединяется либо с первым звеном 16 трехзвенного модуля II₁, либо с его промежуточным звеном 18. Второй передающий модуль III₂ содержит четыре звена: первое 43, второе 46 и два промежуточных звена 44 и 45. Ведомый вал 2 коробки передач соединен с трехпозиционным переключателем 47 на выходной стороне модуля III₂. В положении 48 этот переключатель соединяет второе звено 46 модуля III₂ с ведомым валом 2. В положении 49 с валом 2 соединено второе промежуточное звено 45 этого же модуля. В положении 50 с валом 2 соединено первое промежуточное звено 44. Четырехпозиционный межмодульный переключатель 51 является одновременно переключателем на выходной стороне трехзвенного модуля и на входной стороне четырехзвенного модуля. Он соединяет в разных положениях (52, 53, 54 и 55) поочередно каждый из выходов первого модуля II₁ с первым звеном 43 или с первым промежуточным звеном 44 второго модуля III₂. Переключатели на входе и выходе четырехзвенного модуля можно поменять местами. Тогда переключатель 51 между модулями II₁ и III₂ должен быть выполнен шестипозиционным, для того чтобы соединять любое из двух звеньев на выходе трехзвенного модуля с первым звеном или любым из промежуточных звеньев четырехзвенного модуля. Соответственно, переключатель 47 на выходе четырехзвенного модуля будет двухпозиционным, с возможностью соединения второго промежуточного звена или второго звена модуля III₂ с ведомым валом 2 коробки передач. Оба модуля снабжены также корпусными переключателями 56 и 57. Причем, переключатель 56 трехзвенного модуля II выполнен трехпозиционным, соединяя в позиции 58 корпус 3 и первое звено 16, в позиции 59 - корпус и промежуточное 18, а в позиции 60 - корпус и второе 17 звено модуля II₁. Переключатель 57 четырехзвенного модуля III₂ имеет четыре позиции переключения 61, 62, 63 и 64, в которых с корпусом соединяются первое звено 43, первое 44 и второе 45 промежуточные звенья модуля III₂, а также его второе звено 46. В конкретных схемах некоторые позиции переключателей могут быть опущены без изменения общего количества возможных передач. Такие примеры мы рассмотрим ниже.

В качестве одного из конкретных примеров реализации рассмотрим восьмискоростную коробку передач на фиг.6. Она состоит из одного трехзвенного и одного двухзвенного модулей. Первый трехзвенный модуль представляет собой эксцентриковую планетарную передачу с центральными колесами 65 и 66 внутреннего и внешнего зацепления и двухвенцовым сателлитом 67 с зубчатыми венцами 68 и 69. Сателлит 67 посажен на подшипниках 70 на эксцентрике 71 сквозного вала 72, проходящего внутри модуля. Кроме того, сателлит 67 с помощью подшипников 73 связан с водилом 74, посаженным на подшипниках 75 в корпусе 3. В результате вал 72 с эксцентриком 71 становится кинематически связанным с водилом 74 с помощью подшипников 71 и 73 и совершает с ним одинаковые движения как одно звено. Данный модуль имеет три вращательно-подвижных соосных звена: два центральных колеса 65 и 66, и звено, образованное водилом 74 и валом 72 с эксцентриком 71. Сателлит 67, хотя также является подвижным звеном, но его ось вращения переменная и не совпадает с общей осью вращения модуля. Примем колесо внутреннего зацепления 65 за первое подвижное звено модуля, а колесо внешнего зацепления 66 - за второе звено. Тогда промежуточным звеном модуля будут связанные друг с другом вал 72 и водило 74. В принципе, звено, состоящее из водила 74 и вала 72 с эксцентриком 71, мы можем считать также и первым или вторым звеном. Тогда одно из колес 65 или 66 будет промежуточным звеном. Принципиальная схема коробки передач от этого не изменится.

Второй двухзвенный модуль выполнен в виде простой зубчатой передачи с промежуточным валом 76. Передача состоит из двух последовательно соединенных зубчатых пар 77-78 и 79-80 с соосными входным и выходным звеньями (колеса 77 и 80, соответственно). На входе трехзвенного модуля расположен управляемый переключатель 19, в положении 22 соединяющий ведущий вал 1 коробки передач с колесом внутреннего зацепления 65, а в положении 23 - с валом 72, т.е. с первым или промежуточным звеньями модуля. На выходной стороне трехзвенного модуля предусмотрен переключатель 21, соединяющий в положении 24 колесо 66, а в положении 25 вал 72, с входным звеном следующего модуля, в частности с колесом 77. На выходной стороне двухзвенного модуля предусмотрен переключатель 7, соединяющий с ведомым валом 2 либо колесо 77, либо колесо 80. Корпусный переключатель на фигуре 6 образован двумя зависимо управляемыми переключателями 81 и 82. Переключатель 81 в положении 83 соединяет корпус 3 с колесом 65, а в положении 84 - с водилом 74. Переключатель 82 соединяет корпус 3 с колесом 66 и должен замыкаться только при полностью разомкнутом переключателе 81.

На фиг.7 показана другая разновидность трехзвенного модуля, который может быть включен в коробку передач по предлагаемой схеме. Это планетарная передача с двумя центральными колесами внутреннего зацепления 85 и 86, водилом 87 и двухвенцовым сателлитом 88 с двумя зубчатыми венцами 89 и 90. Водило 87 жестко связано со сквозным валом 91, т.е. может соединяться с переключателями, как со стороны входа модуля, так и со стороны выхода. Колеса 85, 86 и водило 87 имеют возможность соединяться с корпусом 3 с помощью корпусного трехпозиционного переключателя 92 с позициями 93, 94 и 95. Кроме того, центральное колесо 85 и вал 91 имеют позиции соединения 96 и 97 с межмодульным переключателем на входе модуля (переключатель на фигуре не показан), а с межмодульным переключателем на выходе модуля могут соединяться центральное колесо 86 и сквозной вал 91 (позиции 98 и 99 соответственно).

Еще одна схема планетарной передачи, которая может быть использована в предлагаемой коробке передач в качестве трехзвенного модуля, приведена на фиг.8. Модуль содержит центральное солнечное колесо 100 в качестве первого звена, жестко посаженное на сквозной вал 101 для соединения с межмодульными переключателями на входе и выходе модуля. Водило 102 является промежуточным звеном и связано с полым валом 103 для соединения с переключателями на входе и выходе. Вторым звеном модуля является колесо внутреннего зацепления 104 с валом 105 для соединения с переключателем на выходе модуля. Таким образом, с переключателем на входе модуля имеют позиции соединения первое и промежуточное звенья, а с переключателем на выходе могут соединяться все три звена. Промежуточное звено - водило 102 и второе звено - колесо 104 с помощью корпусного переключателя 106 могут быть связаны с корпусом 3 коробки передач. Первое звено - солнечное колесо 100 в этой схеме не может иметь соединения с корпусом чисто конструктивно. Модуль, как и предыдущие, с помощью переключателей обеспечивает четыре передаточных отношения.

Рассмотрим многоступенчатую коробку передач на основе четырехзвенного и двухзвенного модулей на фиг.9. Четырехзвенный модуль в данной схеме состоит из двух связанных друг с другом эксцентриковых планетарных передач с двухвенцовыми сателлитами. Первая планетарная передача содержит сквозной вал 107 с эксцентриком 108, на котором с помощью подшипников 109 посажен сателлит 110 с двумя венцами 111 и 112. Кроме того, сателлит 110 подшипником 113 связан с водилом 114, которое, в свою очередь, на подшипнике 115 посажено в корпусе 3. Вал 107 с эксцентриком 108 с помощью подшипников 113 и 115 кинематически связан с водилом 114 и совершает с ним одинаковые движения. Венец 111 сателлита 110 зацепляется с колесом внутреннего зацепления 116, посаженным на полый вал 117, коаксиальный валу 107. Второй венец 112 этого же сателлита предназначен для связи с венцом 118 сателлита 119 второго планетарного механизма. Связь осуществляется с помощью двухвенцового колеса внутреннего зацепления 120, посаженного на подшипнике 121 в корпусе 3. Венец 122 этого колеса находится в зацеплении с венцом 112 сателлита 110, а венец 123 - с венцом 118 сателлита 119. Сателлит 119 посажен на подшипниках 124 на эксцентрике 125 полого вала 126, охватывающего выходной конец сквозного вала 107. Так же как и в первом планетарном механизме эксцентрик 125 с помощью подшипников 127 и 128 связан с водилом 129. Второй венец 130 сателлита 119 находится в зацеплении с колесом внутреннего зацепления 131, посаженным на полом валу 132, внутри которого проходят полый вал 126 и сквозной вал 107. Колесо 116 и водило 114 с помощью корпусного переключателя 133 могут соединяться с корпусом 3. Водило 129 и колесо 131 также могут быть соединены с корпусом 3 с помощью второго корпусного переключателя 134. Межмодульный переключатель 135 на входе модуля имеет две позиции соединения с валами 107 и 117, посредством которых ведущий вал 1 коробки передач может быть соединен с двумя звеньями модуля: колесом 116 и звеном, образованным водилом 114 и эксцентриком 108. Межмодульный переключатель 136 на выходе модуля имеет позиции соединения с тремя звеньями модуля. В позиции 137 он с помощью вала 132 соединен с колесом 131, в позиции 138 - с помощью вала 126 соединен со вторым промежуточным звеном, образованным водилом 129 и эксцентриком 125. В позиции 139 переключатель 136 соединен сквозным валом 107 с первым промежуточным звеном, образованным водилом 114 и эксцентриком 108. Второй двухзвенный модуль коробки передач полностью аналогичен соответствующему модулю на фиг.6 и имеет те же обозначения звеньев. Переключатель 136 соединен непосредственно с первым звеном второго двухзвенного модуля, которым является колесо 77. Выход двухзвенного модуля соединен с ведомым валом 2 с помощью межмодульного переключателя 7, имеющего позиции соединения 10 и 11 с обоими звеньями последнего модуля.

В качестве корпусных переключателей могут быть использованы тормоза, либо двухсторонние фрикционные муфты сцепления. В качестве двухпозиционных переключателей могут использоваться любые, известные в настоящее время муфты, например, фрикционные сцепные муфты, магнитные муфты, муфты со скользящими втулками и т.п. В качестве межмодульных переключателей, имеющих более двух позиций переключения, целесообразно использовать сцепные муфты со шлицевыми скользящими втулками. Для примера на фиг.10 приведена конструкция такой муфты, имеющей четыре позиции переключения, для переключателя 51 на фиг.5. Муфта представляет собой внутренний вал 140 с двумя охватывающими его и подвижными в осевом направлении втулками 141 и 142. На верхней и нижней частях чертежа втулки 141 и 142 для наглядности показаны в разных положениях переключения. Внутренний вал 140 центрируется относительно центральных валов 143 и 144 соседних модулей на подшипниках 145 и 146. На своей наружной поверхности вал 140 имеет шлицы 147, которые зацепляются со шлицами 148 и 149 на внутренней поверхности втулок 141 и 142. Каждая из втулок имеет на противоположных концах еще по одной системе шлицев 150 и 151. Шлицы 150 на втулке 141 предназначены для зацепления со шлицами 152 на центральном валу 143 или шлицами 153 на коаксиальном валу 154, обеспечивая позиции переключения, обозначенные на фиг.5 как 52 и 53. Шлицы 151 на втулке 142 зацепляются с ответными шлицами 155 или 156 на валах 144 и 157 соответственно, обеспечивая позиции переключения 54 и 55 соответственно. Шлицы на валах 143, 154, 144 и 157, как и сами валы на фигуре показаны условно.

Рассмотрим работу коробки передач из двух двухзвенных модулей, изображенной на фиг.1. Обозначим передаточные отношения модулей I₁ и I₂ как i₁ и i₂. При вращении ведущего вала 1 его вращение передается непосредственно связанному с ним звену 4 без изменения скорости, а звену 5 - с изменением скорости, определяемым передаточным отношением i₁ модуля. В положении 9 переключателя 6 на вход второго модуля подается вращение со звена 4 первого модуля, и в положении 11 переключателя 7 на ведомый вал коробки передач вращение предается также без изменения скорости, т.е. на ведомом валу 2 мы имеем прямую передачу. Если переключатель 6 перевести в положение 8, а переключатель 7 оставить в положении 11, то передаточное отношение на ведомом валу 2 будет равно передаточному отношению первого модуля i₁. При сочетании положения 8 переключателя 6 и положения 10 переключателя 7 на вход модуля I₂ вращение передается без изменения скорости, а на ведомом валу 2 скорость вращения будет определяться передаточным отношением i₂ второго модуля. При сочетании положений 8 и 10 переключателей 6 и 7 на ведомом валу 2 получим передачу с отношением u=i₁×i₂.

Коробка передач на фиг.2 при изменении позиций входного переключателя 12 первого модуля и переключателя 7 на выходе второго модуля будет совершенно аналогично давать на ведомом валу четыре передачи.

В коробке передач на фиг.3 каждый трехзвенный модуль с помощью переключателей 19, 20 и 21 на входе и выходе модуля может включаться в схему коробки по-разному. В положении 22 переключателя 19 входным звеном модуля II₁ будет его первое звено 16. При этом два остальных звена 18 и 17 могут быть как выходным, так и опорным, в зависимости от положений межмодульного переключателя 20 на выходе модуля и корпусного переключателя 30, определяя два передаточных отношения модуля. Если переключатель 20 находится в позиции 28, то выходом модуля является его промежуточное звено 18, а звено 17 должно быть опорным. Для этого переключатель 30 должен находиться в позиции 33. При переводе переключателя 20 в позицию 26 выходным звеном модуля будет его второе звено 17, а звено 18 соответственно должно быть соединено с корпусом. То есть, переключатель 30 должен быть переведен в позицию 34. В положении 23 межмодульного переключателя 19 на входе модуля II₁ ведущий вал 1 коробки передач будет соединен с промежуточным звеном 18. При этом в позиции 28 межмодульного переключателя 20 вращение будет передаваться на следующие модули без изменения скорости, то есть передаточное отношение модуля II₁ в этом случае будет равно 1. В позиции 26 переключателя 20 выходным звеном будет звено 17, и тогда звено 16 должно быть опорным, т.е. переключатель 30 нужно перевести в позицию 32. Таким образом, модуль II₁ при изменении положений переключателей 19, 20 и 30 обеспечивает четыре разные передачи. Для сравнения, в прототипе трехзвенный модуль обеспечивает получение только двух передач. Аналогично первому работает и второй модуль II₂. В результате, перебор четырех передаточных отношений первого и второго модулей даст на ведомом валу 16 передач. Численные значения и направление вращения этих передач мы обсудим ниже для конкретных примеров.

Работа коробки передач на фиг.4 отличается от описанного выше только тем, что здесь переключатели 38, 21 и 31 обеспечивают перебор двух передаточных отношений первого модуля I₁ и четырех отношений второго модуля II₂ с общим количеством передач, равным 8.

Первый модуль на фиг.5 включен точно так же, как и аналогичные модули на фиг.4. Рассмотрим более подробно работу второго четырехзвенного модуля III₂. Переключатель 51 на входе этого модуля в позиции 54 соединяет выход предыдущей ступени с первым звеном 43 модуля. Если при этом корпусный переключатель 57 занимает позиции 62 и 63, то промежуточные звенья 44 и 45 соединены с корпусом 3 и являются реактивными звеньями, а выходным звеном служит звено 46, поэтому переключатель 47 в этом случае должен находиться в позиции 48. Если переключателем 57 с корпусом соединены звенья 45 и 46, то выходным звеном является первое промежуточное звено 43. Возможно и третье состояние модуля, когда корпусным переключателем 57 в позициях 62 и 64 с корпусом соединены звенья 44 и 66, а выходным звеном является второе промежуточное звено 45. Если же межмодульный переключатель 51 на входе модуля находится в позиции 55, то при соединенных с корпусом звеньях 43 и 46 (позиции 61 и 64 переключателя 57) выходом будет звено 45, а в позициях 61 и 63 переключателя 57 выходным будет звено 46. Прямая передача на модуле получится, когда переключатель 51 будет находиться в позиции 55, а переключатель 47 - в позиции 50. Таким образом, с помощью межмодульных переключателей четырехзвенный модуль может обеспечивать, по меньшей мере, 6 передач. Перебор четырех передаточных отношений первого модуля II₁ и шести передач второго четырехзвенного модуля даст на ведомом валу 2 двадцать четыре различные передачи. Разумеется, что некоторые из передач будут иметь передаточные отношения, которые не нужны для той или иной области применения коробки. В этом случае, количество позиций в переключателях может быть уменьшено, или один из межмодульных переключателей может быть заменен непосредственным соединением звеньев модулей.

Рассмотрим конкретный пример коробки передач на фиг.6. Колесо внутреннего зацепления 65 является первым звеном, водило 74, связанное с эксцентриком 71 и сквозным валом 72, - промежуточным звеном, а солнечное колесо 66 вторым звеном первого модуля. Корпусные переключатели 81 и 82 могут соединять с корпусом любое из трех звеньев модуля. Переключатели 19 и 21 делают входом модуля либо колесо 65, либо эксцентрик 71 на валу 72, а выходом модуля либо колесо 66, либо тот же сквозной вал 72 с эксцентриком 71. Обозначим i₁ - передаточное отношение первого модуля, а Z₆₅, Z₆₆, Z₆₈, Z₆₉, Z₇₇, Z₇₈, Z₇₉ и Z₈₀ - число зубьев соответствующего колеса или зубчатого венца сателлита. Передаточное отношение второго модуля при переводе переключателя 7 в позицию 11 равно 1. В позиции 10 переключателя 7 передаточное отношение второго модуля i₂=Z₇₈×Z₈₀/Z₇₇×Z₇₉. Общее передаточное отношение коробки передач определится как u=i₁×i₂.

Возможные для первого модуля передачи и их передаточные отношения сведены в таблицу 1. В последнем столбце таблицы представлены передаточные отношения коробки передач, полученные перебором передаточных отношений обоих модулей.

Таблица 1
№ п/п	Первый модуль	i второго модуля	Передача коробки
Позиции переключателей	Входное звено	Опорное звено	Выходное звено	i модуля
1	22, 84, 24	65	74	66		1
2	22, 84, 24	65	66	72		1
3	23, 83, 24	72	65	66	1-i	1
4	23, 25	72		72	1	1	1
5	22, 84, 24	65	74	66
6	22, 84, 24	65	66	72
7	23, 83, 24	72	65	66	1-i
8	23, 25	72		72	1

Таким образом, представленная на фигуре коробка передач может обеспечить 8 передаточных отношений, из них 6 передач переднего хода и 2 передачи заднего хода.

В следующих двух таблицах приведены возможные передаточные отношения двух других трехзвенных модулей, изображенных на фиг.7 и 8.

Таблица 2
№ п/п	Входное звено	Опорное звено	Выходное звено	Передаточное отношение	Примечание
1	97		99	1	Прямая передача
2	97	93	98
3	96	94	98	Р
4	96	95	99	1-р
Таблица 3
№ п/п	Входное звено	Опорное звено	Выходное звено	Передаточное отношение	Примечание
1	101		101	1	Прямая передача
2	101	103	105
3	101	104	103
4	103	104	101

Здесь следует отметить, что в качестве модулей лучше выбирать такую конкретную схему планетарной передачи, которая чисто конструктивно позволяет как можно больше звеньев иметь входом и/или выходом и как можно больше звеньев должны иметь возможность соединения с корпусом.

Рассмотрим теперь работу коробки передач, состоящей из четырехзвенного и двухзвенного модулей на фиг.9. В таблице 4 приведены возможные передаточные отношения первого четырехзвенного модуля при различных положениях переключателей 135, 136, 133 и 134.

Таблица 4
№ п/п	Входное звено	Опорные звенья	Выходное звено	Передаточное отношение	Примечание
1	107			139	1	Прямая передача
2	107	116	129	132
3	107	116	131	126
4	117	114	129	132
5	117	114	131	126
6	117	129	131	139

В отличие от четырехзвенного модуля в прототипе, который имеет только 4 передаточных отношения, в предлагаемом изобретении четырехзвенный модуль позволяет с помощью межмодульных переключателей получить, как минимум, 6 передач. Т.е. даже один четырехзвенный модуль с соответствующими переключателями может выполнять функцию шестискоростной коробки передач.

Перебором 6 передач первого модуля и 2 передач второго получаются двенадцать передаточных отношений на ведомом валу 2 коробки передач. Для сравнения, в прототипе коробка передач, состоящая из одного четырехзвенного и одного трехзвенного модуля, может обеспечить только 6 передаточных отношений.

Межмодульный переключатель, выполненный в виде сцепной муфты со скользящими втулками, на фиг.10 работает следующем образом. Скользящая втулка 114 в крайнем левом положении, изображенном в нижней части чертежа, шлицами 150 зацепляется со шлицами 153 и соединяет внутренний вал 140 сцепной муфты с полым валом 154, связанным с одним звеном предыдущего модуля (на фиг. не показан). В крайнем правом положении (на верхней части чертежа) эта же втулка шлицами 150 зацепляется со шлицами 152 на валу 143, связанном с другим звеном модуля. Шлицы 148 втулки при ее продольном перемещении постоянно находятся в зацеплении со шлицами 147 на внутреннем валу 140. Точно также вторая скользящая втулка 142 в своих крайних положениях соединяет с внутренним валом 140 либо вал 144, либо вал 157, связанные с разными звеньями последующего модуля.

Во всех вышеописанных схемах любой из модулей передает момент вращения без изменения скорости напрямую от входного звена к выходному с помощью сквозных валов, не нагружая зацеплений. В результате повышается срок службы и надежность работы зацеплений. Кроме того, в режиме прямой передачи в модулях с высокой скоростью вращается только входное звено, а остальные звенья, если и вращаются, то с более низкими скоростями. В то же время в прототипе все звенья любого из модулей в этом режиме вращаются с одинаковой скоростью, равной скорости на входном звене модуля. Таким образом, в режиме прямой передачи силы инерции в модуле, включенном по предлагаемой схеме, меньше, чем в соответствующем модуле в прототипе.

Следует отметить, что в качестве передающих модулей в предложенной схеме коробки передач могут быть использованы любые простые двухзвенные передачи с соосными звеньями, а также трех- или четырехзвенные планетарные передачи. Перспективно использовать в качестве модулей передачи нового поколения, выпускаемые за рубежом под названиями "CYCLO", "Twinspin", а в России под названием планетарно цевочные редукторы (ПЦР), или модули с копланарной замкнутой цепочкой шестерен, описанные в патентах US 6,669,594; US 6,126,566; US 6,418,810, а также разработанные нашей фирмой шариковые передающие узлы под общим названием "Редуктор-подшипник".

Модульная коробка передач с соосными валами, основанная на методе перебора передаточных отношений, включенных последовательно между входным и выходным валами коробки передач модулей, содержащая один или более установленных в корпусе передающих модулей из двух или более вращательно подвижных и соосных друг другу и валам коробки передач звеньев или комбинацию указанных модулей, а также управляемые элементы переключения передач, содержащие корпусные переключатели для модулей с тремя и более звеньями и межмодульные переключатели на входе и/или выходе модулей, обеспечивающие их последовательное включение, причем корпусные переключатели выполнены с возможностью соединения с корпусом, по меньшей мере, двух любых звеньев модуля, а межмодульные переключатели выполнены с позициями соединения с, по меньшей мере, двумя любыми звеньями модуля, так что различные позиции корпусных и межмодульных переключателей, определяя входом, выходом и опорным звеном различные звенья модуля, обеспечивают разные передаточные отношения для их перебора.