Планетарный механизм коробки передач
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств. Планетарный механизм коробки передач содержит солнечную шестерню (43), водило (41) с сателлитами (42), коронное зубчатое колесо (39) с синхронизаторами (54, 55). Зубья (48) коронного колеса вблизи его торцов имеют проточки, в области которых выполнены включающие скосы, взаимодействующие с включающими скосами зубчатых полумуфт (38, 44). На гранях зубьев коронного зубчатого колеса (39), граничащих с проточками, выполнены блокирующие скосы, взаимодействующие с блокирующими скосами синхронизатора. Такое выполнение планетарного механизма позволяет создать наилучшие условия работы синхронизатора. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
Техническое решение относится к зубчатым передачам с переменной скоростью вращения, используемым в трансмиссиях транспортных средств.
На грузовых автомобилях большой грузоподъемности с целью получения большого диапазона передаточных чисел могут использоваться коробки передач с комбинированной кинематической схемой, содержащие несколько пар зацепленных между собой шестерен, расположенных на параллельных валах с неподвижными осями вращения, и редуктор, представляющий собой блокируемый трехзвенный планетарный механизм.
Известен планетарный механизм коробки передач, содержащий солнечную шестерню, водило с сателлитами, расположенными на опорных стержнях, коронное зубчатое колесо с синхронизаторами, имеющее возможность осевого перемещения для поочередного зацепления с блокирующей и реактивной зубчатыми полумуфтами, водило имеет опору в наружной стенке корпуса коробки передач, образованную шариковым подшипником качения, наружное кольцо которого зафиксировано между крышкой корпуса и реактивной зубчатой полумуфтой, которая надета на этот подшипник (патент №2269043), чем обеспечивается компактность планетарного механизма коробки передач.
Данный планетарный механизм содержит синхронизаторы, размещенные по разные стороны сателлитов у реактивной и у блокирующей зубчатых полумуфт. Синхронизаторы представляют собой кольца с внутренней конической поверхностью, имеющие наружные зубья, расположенные в два ряда. Венец, расположенный со стороны сателлитов, находится в постоянном зацеплении с коронным колесом, его зубья более мелкие, чем зубья второго венца синхронизатора. На крупных зубьях со стороны мелких зубьев выполнен скос. Внутренние конические поверхности синхронизаторов расположены напротив наружных конической поверхностей, выполненных на соответствующих зубчатых полумуфтах.
Между синхронизатором, расположенным у реактивной полумуфты, и сателлитами размещен пружинный толкатель, выполненный в виде разрезного кольца с плоскими торцами, взаимодействующего с зубьями коронного колеса. В зоне взаимодействия толкателя с зубьями короны в этих зубьях выполнены три поперечные канавки разного профиля с наклонными боковыми сторонами,
Между толкателем и синхронизатором, расположенным у блокирующей зубчатой полумуфты, в водиле расположены штоки, размещенные парами соосно между собой. Причем они имеют дисковую головку, которой они контактируют с толкателем и смежным со штоками синхронизатором.
Рассмотрим процесс работы прототипа поэтапно. При перемещении коронного зубчатого колеса в том или ином направлении толкатель нажимает на соответствующий синхронизатор непосредственно, либо посредством штока в зависимости от направления перемещения коронного колеса. Вследствие трения между коническими поверхностями синхронизатора и соответствующей полумуфты синхронизатор поворачивается относительно коронного зубчатого колеса и занимает такое положение, при котором зубья при осевом перемещении коронного колеса упираются блокирующими скосами в скосы крупных зубьев синхронизатора (фиг.2). При упоре зубьев короны в зубья синхронизатора под действием давления в приводном пневмоцилиндре увеличивается сила взаимодействия конических поверхностей синхронизатора и полумуфты. После того как частоты вращения полумуфты и коронного колеса становятся одинаковыми, коронное колесо (и вся кинематически связанная с ним система) поворачивается относительно синхронизатора, жестко сидящего на конусной поверхности полумуфты, до схода блокирующих скосов коронного колеса с блокирующих скосов синхронизатора, контакт которых препятствовал осевому перемещению коронного зубчатого колеса. Тогда коронное зубчатое колесо, преодолевая сопротивление толкателя путем его сжатия в радиальном направлении, перемещается дальше в сторону полумуфты, и его зубья входят в зацепление с ее зубьями. При этом происходит силовое ударное взаимодействие (вследствие разгона коронного колеса) скосов зубьев коронного колеса и полумуфты, в результате чего жестко сидящий на конусе полумуфты синхронизатор срывается с конуса полумуфты, чем обеспечивается процесс разблокировки (фиг.2).. После чего происходит включение того или иного режима работы планетарного механизма в зависимости от первоначального направления движения коронного колеса.
Недостатком указанной конструкции является то, что скосы зубьев коронного колеса при блокировке взаимодействуют со скосами синхронизатора, а затем при разблокировке они же ударно взаимодействуют со скосами полумуфт (фиг.2). Следовательно, величина углов скосов на синхронизаторах должна соответствовать величине углов скосов на зубчатых полумуфтах, что не позволяет обеспечить оптимального расчетного значения указанной величины. Для обеспечения необходимых блокирующих свойств этот угол должен иметь конкретное расчетное значение. В то же время для обеспечения разблокировки синхронизатора, жестко сидящего на конусе полумуфты, угол включения должен быть наибольший в пределах оптимального конструкторского решения, что обеспечивает наибольший момент разблокировки. В данной конструкции величина угла конусов синхронизатора и полумуфт ограничена моментом разблокировки, т.е. в конечном счете, величиной углов скосов коронного колеса. Повышение синхронизирующих свойств за счет уменьшения угла конусов в этом случае невозможно по причине недостаточного момента разблокировки. Кроме того, в процессе вхождения в зацепление зубьев коронного колеса и полумуфты и срыва блокирующего кольца происходит удар по скосам зубьев коронного колеса и их износ, т.е. потеря первоначально заложенной геометрии угла, необходимой для обеспечения блокировки, и, как следствие, возникновение пробоев синхронизатора.
Решаемая задача - обеспечение оптимизации углов блокировки синхронизатора и углов включения зубчатого венца и муфт, устранение износа блокирующих скосов, что создает наилучшие условия работы синхронизатора, повышение синхронизирующих свойств.
Решение этой задачи обеспечено тем, что скосы блокировки и скосы включения выполнены независимыми друг от друга, при этом блокирующие скосы зубьев коронного зубчатого колеса выполнены в районе вершин зубьев коронного зубчатого колеса и предназначены для взаимодействия с блокирующими скосами синхронизатора, а скосы включения на зубьях коронного зубчатого колеса выполнены в районе основания зубьев коронного зубчатого колеса и предназначены для взаимодействия с включающими скосами зубчатых полумуфт. Т.е., при блокировке блокирующие скосы коронного колеса взаимодействуют со скосами синхронизатора, а при разблокировке скосы включения коронного колеса взаимодействуют со скосами полумуфт. При этом величина углов блокирующих скосов имеет значение, необходимое для обеспечения блокировки синхронизатора. Величина углов включающих скосов имеет максимальное (ограниченное только конструктивными факторами) значение, чем обеспечивается большой момент срыва конусных поверхностей при разблокировке синхронизатора. Повышение синхронизирующих свойств осуществляется за счет уменьшения угла конусов синхронизатора и полумуфт, что становиться возможным при большой величине момента разблокировки.
На фиг.1 представлен планетарный механизм коробки передач, продольный разрез.
На фиг.2 показано взаимодействие зубьев коронного зубчатого колеса с зубьями синхронизатора и полумуфт прототипа.
На фиг.3 показано коронное зубчатое колесо планетарного механизма, продольный разрез.
На фиг.4 дан вид А фиг.3.
На фиг.5 показан участок коронного зубчатого колеса, продольный разрез.
На фиг.6 изображен синхронизатор, продольный разрез.
На фиг.7 дан вид Б фиг.6.
На фиг.8 изображена блокирующая зубчатая полумуфта, продольный разрез.
На фиг.9 дан вид В фиг.8.
На фиг.10 показано взаимодействие зубьев коронного зубчатого колеса и синхронизатора.
На фиг.11 дан вид Г фиг.1.
Корпус 3 стыкуется с корпусом коробки передач 2, образуя единое внутреннее пространство коробки передач. У задней наружной стенки 10 (фиг.1) коробки передач расположен двухскоростной однорядный трехзвенный планетарный механизм. Этот планетарный механизм для работы в качестве редуктора (демультипликатора) снабжен реактивной зубчатой полумуфтой 38, соединенной с чашеобразной частью корпуса 3. С реактивной зубчатой полумуфтой 38 имеет возможность зацепления коронное зубчатое колесо 39 при его осевом перемещении в сторону внутренней поверхности задней стенки 10 корпуса, на которой размещена реактивная полумуфта 38. Водило 41 планетарного механизма, несущее сателлиты 42, выполнено за одно целое с выходным валом 18 коробки передач. С сателлитами 42 имеют постоянное зацепление коронное зубчатое колесо 39 и солнечная шестерня 43, расположенная на вторичном валу 19 и представляющая собой зубчатый венец, выполненный на ступени этого вала. Подшипниковая опора 21 вторичного вала 19 расположена в водиле 18. С зубьями солнечной шестерни 43 имеет шлицевое соединение блокирующая зубчатая полумуфта 44, установленная на валу 19. Передний торец зубчатой блокирующей полумуфты 44 при воздействии осевой силы упирается в ступень вторичного вала 19 (фиг.11), чем сокращается количество звеньев в размерной цепи на зазоры между коническими поверхностями синхронизаторов и полумуфт.
Реактивная зубчатая полумуфта 38 надета на шариковый подшипник качения 13, расположенный в задней наружной стенке 10 корпуса коробки передач, и на водиле 41, образуя его опору. Наружное кольцо подшипника 13 зафиксировано в осевом направлении между надетыми на него реактивной зубчатой полумуфтой 38 и крышкой 45, примыкающей к внешней поверхности задней стенки 10. Реактивная зубчатая полумуфта 38 имеет со стороны сателлитов 42 сужающийся в их сторону кольцевой выступ 46 с конической наружной поверхностью. Внутри выступа 46 расположена резьбовая часть единых резьбовых крепежных элементов 47, в частности винтов, которыми реактивная зубчатая полумуфта 38 и крышка 45 соединены с задней наружной стенкой 10 корпуса.
Внутренние зубья 48 коронного зубчатого колеса 39, имеющие зацепление с зубьями, расположенных на водиле сателлитов 42, имеют возможность зацепления попеременно с наружными зубьями 49 на блокирующей зубчатой полумуфте 44 и с зубьями на реактивной зубчатой полумуфте 38.
Зубья 48 коронного колеса 39 вблизи его торцов имеют продольно сужающиеся участки 51 (фиг.3, 4). Так же вблизи торцов имеются проточки 83, в области этих проточек в районе оснований зубьев выполнены включающие скосы 52, а у торца каждой полумуфты напротив сателлитов 42 на зубьях 49 (фиг.8, 9) сделаны включающие скосы 53 для облегчения ввода зубьев в зацепление между собой. Зубья 49 каждой полумуфты выполнены расширяющимися к коронному колесу 39 для обеспечения надлежащего зацепления с его зубьями, исключающего самопроизвольный выход их из зацепления.
На гранях зубьев, граничащих с проточками 83 (фиг.4), в районе вершин зубьев выполнены блокирующие скосы 82.
Планетарный механизм содержит синхронизаторы 54 и 55 (фиг.1), размещенные по разные стороны сателлитов 42 у реактивной 38 и у блокирующей 44 зубчатых полумуфт. Синхронизаторы представляют собой кольца с внутренней конической поверхностью 56 (фиг.6), имеющие наружные зубья 57 и 58, расположенные в два ряда. То есть каждый упомянутый синхронизатор имеет два зубчатых венца. Зубья 57 каждого синхронизатора имеют постоянное зацепление с зубьями 48 коронного зубчатого колеса 39. Зубья 58 выполнены крупнее зубьев 57. На крупных зубьях 58 со стороны мелких зубьев 57 выполнен блокирующий скос 59. У синхронизатора 55 внутренняя коническая поверхность 56 расположена напротив наружной конической поверхности 60, выполненной на блокирующей зубчатой полумуфте 44. У синхронизатора 54 внутренняя коническая поверхность расположена напротив наружной конической поверхности на кольцевом выступе 46 на реактивной зубчатой полумуфте 38. Между синхронизатором 54, расположенным у реактивной полумуфты 38, и сателлитами 42 помещен пружинный толкатель 61, выполненный в виде разрезного кольца с плоскими торцами, взаимодействующего с зубьями 48 коронного колеса 39. В зоне взаимодействия толкателя 61 с зубьями 48 в этих зубьях выполнены три поперечные канавки разного профиля с наклонными боковыми сторонами, а именно средняя канавка 62 и крайние канавки 63 и 64 (фиг.5). Боковые стороны 65 средней канавки 62 круче ближайших боковых сторон 66 и 67 крайних канавок 63 и 64. То есть боковые стороны 66 и 67 крайних канавок выполнены более пологими, чем боковые стороны 65 средней канавки.
Между толкателем 61 и синхронизатором 55, расположенным у блокирующей зубчатой полумуфты 44, в водиле 41 расположены штоки 68, 69. Эти штоки 68, 69 размещены парами соосно между собой. Причем они имеют дисковую головку 70, которой они контактируют с толкателем 61 и синхронизатором 55.
При работе планетарного механизма в качестве редуктора зубья его коронного зубчатого колеса 39 зацеплены с зубьями реактивной зубчатой полумуфты 38. В этом случае сателлиты 42 под действием сил, возникающих в зацеплении их с солнечной шестерней 43, перекатываясь по остановленному коронному зубчатому колесу 39, создают на водиле 41 увеличенный крутящий момент, поступающий на выходной вал 18. При этом реактивный поворотный момент, нагружающий реактивный зубчатый элемент 38, воспринимается через резьбовые крепежные элементы 47 задней наружной стенкой 10 корпуса, в которой расположены подшипники 13 и 14 для опоры валов 18 и 17.
При необходимости уменьшить крутящий момент на выходном валу 18 планетарный механизм нужно заблокировать. Для этого коронное зубчатое колесо 39 выводят из зацепления с реактивной зубчатой полумуфтой 38 путем его перемещения от задней стенки 10 корпуса в сторону блокирующей полумуфты 44 вместе с толкателем 61. При перемещении коронного зубчатого колеса 39 толкатель 61, находящийся в крайней поперечной канавке 64 в зубьях 48 этого зубчатого колеса, нажимает на головку штока 68, который сдвигает шток 69, нажимающий головкой 70 на синхронизатор 55. Вследствие трения между коническими поверхностями 56 и 60 синхронизатора 55 и блокирующей полумуфты 44 синхронизатор 55 поворачивается относительно коронного зубчатого колеса 39 и занимает такое положение, при котором зубья 48 при осевом перемещении коронного колеса упираются блокирующим скосом 82 в скос 59 крупных зубьев 58 (фиг.10). При этом толкатель 61 при осевом перемещении коронного колеса 39 выходит из крайней канавки 64 в его зубьях 48 и попадает в среднюю канавку 62. При упоре зубьев 48 в зубья 58 синхронизатора 55 под действием давления в приводном пневмоцилиндре увеличивается сила взаимодействия конических поверхностей 56 и 60 синхронизатора 55 и блокирующей полумуфты 44. Под действием силы трения указанных поверхностей происходит замедление вращения вала 19 и начинается вращение коронного зубчатого колеса 39. После того как частоты вращения блокирующей полумуфты 44 и коронного колеса 39 становятся одинаковыми, коронное колесо 39 (и вся кинематически связанная с ним система) поворачивается относительно синхронизатора 55, жестко сидящего на конусной поверхности полумуфты 44, до схода блокирующих скосов 82 коронного колеса 39 с блокирующих скосов 59 синхронизатора 55, контакт которых препятствовал осевому перемещению коронного зубчатого колеса 39. Тогда коронное зубчатое колесо 39, преодолевая сопротивление толкателя 61 путем его сжатия в радиальном направлении, перемещается дальше в сторону блокирующей полумуфты 44, и его зубья 48 посредством соприкосновения скосов 52 и 53 входят в зацепление с ее зубьями 49. При этом происходит взаимодействие скосов 52 зубьев коронного колеса и скосов 53 полумуфты, в результате чего жестко сидящий на конусе полумуфты 44 синхронизатор 55 срывается с конуса полумуфты, чем обеспечивается процесс разблокировки. После чего происходит дальнейшее перемещение коронного колеса 39 и вхождение в зацепление зубьев коронного колеса 48 с зубьями блокирующей полумуфты 44, которые контактируют с ними своими сужающимися участками 51. Вследствие этого планетарный механизм становится заблокированным, после чего все его звенья вращаются как одно целое. После зацепления зубьев 48 и 49 на выходной вал 18 с вала 19 через совместно вращающиеся звенья планетарного механизма поступает крутящий момент, равный крутящему моменту на валу 19.
При необходимости увеличить крутящий момент на выходном валу 18 планетарный механизм нужно разблокировать и включить его в работу в качестве редуктора. Для этого коронное зубчатое колесо 39 перемещают в сторону задней стенки 10 корпуса вместе с расположенным в крайней канавке 63 в его зубьях 48 пружинным толкателем 61, который нажимает на синхронизатор 54. Синхронизатор 54 прижимается своей внутренней конической поверхностью к наружной конической поверхности, имеющейся на кольцевом выступе 46 на реактивном зубчатом элементе 38. Вследствие трения между коническими поверхностями синхронизатора 54 и реактивной полумуфты 38 синхронизатор 54 поворачивается относительно коронного зубчатого колеса 39 в положение, при котором зубья 48 при их осевом перемещении упираются блокирующим скосом 82 в скос 59 крупных зубьев синхронизатора 54. При этом толкатель 61 при осевом перемещении коронного колеса 39 выходит из крайней канавки 63 в его зубьях 48 и попадает в среднюю канавку 62. При упоре зубьев 48 в зубья синхронизатора 54 под действием давления в приводном пневмоцилиндре увеличивается сила взаимодействия конических поверхностей синхронизатора 54 и реактивной полумуфты 38. Под действием силы трения указанных поверхностей происходит ускорение вращения вала 19 и замедление вращения коронного зубчатого колеса 39. После остановки коронного колеса 39 оно (и вся кинематически связанная с ним система) поворачивается относительно синхронизатора 54, жестко сидящего на конусной поверхности полумуфты 38, до схода блокирующих скосов 82 коронного колеса 39 с блокирующих скосов 59 синхронизатора 54, контакт которых препятствовал осевому перемещению коронного зубчатого колеса 39. Тогда коронное зубчатое колесо 39, преодолевая сопротивление толкателя 61 путем его сжатия в радиальном направлении, перемещается дальше в сторону реактивной полумуфты 38, и его зубья 48 входят в зацепление с ее зубьями. При этом происходит взаимодействие скосов 52 зубьев коронного колеса и скосов 53 полумуфты 38, в результате чего жестко сидящий на конусе полумуфты 38 синхронизатор 54 срывается с конуса полумуфты, чем обеспечивается процесс разблокировки. После чего происходит дальнейшее перемещение коронного колеса 39 и вхождение в зацепление зубьев коронного колеса 48 с зубьями реактивной полумуфты 38, которые контактируют с ними своими сужающимися участками 51. Происходит вступление планетарного механизма в работу в качестве редуктора.
В качестве примера рассмотрим случай, когда расчетное значение угла блокирующего скоса равно 27° (следует отметить, что угол скоса это угол между поверхностью скоса и плоскостью, перпендикулярной оси вращения коронного колеса). В качестве максимального значения угла включающего скоса в пределах оптимального конструкторского решения принята величина 40°. Поскольку момент срыва блокирующего кольца определяется тангенсом угла включающих скосов, то в результате разделения включающих и блокирующих элементов момент срыва блокирующего кольца по сравнению с прототипом (у которого угол включающих скосов равен углу блокирующих скосов, т.е. 27°) с учетом угла трения 6° увеличится на 75%.
Представленный планетарный механизм коробки передач обладает наилучшими условиями работы синхронизаторов, т.к. посредством разнесения по высоте зуба блокирующих скосов 82 и включающих скосов 52 имеется возможность обеспечить наиболее приемлемые величины углов указанных скосов. Причем величина углов блокирующих скосов 82 выбирается в соответствии с условием обеспечения блокировки. Величина же углов скосов включения имеет максимальное значение в пределах оптимального конструкторского решения, что обеспечивает максимальный момент разблокировки синхронизатора. Это позволяет повысить синхронизирующие свойства за счет уменьшения угла конусов 56 синхронизаторов 54 и 55 и угла конусов 60 полумуфт 38 и 44, что становится возможным при большом моменте разблокировки. В конструкции представленного планетарного механизма отсутствует износ блокирующих скосов, характерный для включающих скосов, что обеспечивает стабильные блокирующие свойства синхронизатора в течение всего периода эксплуатации.
1. Планетарный механизм коробки передач, содержащий солнечную шестерню, выполненную на ступени вторичного вала, водило с сателлитами, расположенными на опорных стержнях, коронное зубчатое колесо с синхронизаторами, имеющее возможность осевого перемещения для поочередного зацепления с блокирующей и реактивной зубчатыми полумуфтами, отличающийся тем, что коронное зубчатое колесо имеет блокирующие и включающие скосы, при этом зубья коронного колеса вблизи его торцов имеют проточки, в области которых выполнены включающие скосы, предназначенные для взаимодействия с включающими скосами зубчатых полумуфт, а на гранях зубьев коронного зубчатого колеса, граничащих с проточками, выполнены блокирующие скосы, предназначенные для взаимодействия с блокирующими скосами синхронизатора.
2. Планетарный механизм коробки передач по п.1, отличающийся тем, что блокирующая полумуфта передним торцом упирается в торец ступени вторичного вала.
