Преселективная коробка передач "ромашка-3ф" для трансмиссий транспортных средств.
Владельцы патента RU 2723206:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)
Изобретение относится к преселективным коробкам передач (КП) с несколькими промежуточными параллельными валами с зубчатыми колесами. Преселективная КП содержит входной ведущий (1), промежуточные ведомые (3-6) в количестве m и выходной (2) валы, расположенные параллельно друг другу. Ведущий входной вал (1) установлен в качестве центрального, а промежуточные ведомые (3-6) размещены вокруг центрального вала (1) симметрично с угловым шагом φ = 360°/m. Имеются также установленные на валах (1, 3-6) зубчатые колёса (8) с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления (ФЭУ), часть которых (9-11) установлена на ведущем валу (1), называемая центральными, а остальные (12-15) – по одному на выходе каждого промежуточного ведомого вала (3-6) перед суммирующей передачей (7) на выходной вал (2) и в дальнейшем называемые выходными. Предусмотрена возможность полностью включённого состояния выборочно по два из них (9-15) посредством системы управления. Последняя выполнена с возможностью полностью включенного состояния по меньшей мере третьего ФЭУ одновременно с упомянутыми двумя, минимум один из которых – центральный (9, или 10, или 11) и минимум один – выходной (12, или 13, или 14, или 15). Тем самым предусмотрена возможность передачи мощности от входного вала (1) к выходному валу (2) на любой n-ой передаче и одновременной подготовки преселективного безразрывного переключения выборочно на (n+1)-ую, (n-1)-ую, (n+2)-ую или (n-2)-ую и так далее в зависимости от числа промежуточных валов m. То есть на смежные передачи или с пропуском передачи или передач как переднего, так и заднего ходов или с пропуском передачи или передач переднего хода. Достигается улучшение технико-эксплуатационных характеристик КП. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Группа изобретений относится к преселективным коробкам передач (КП) с несколькими промежуточными параллельными валами с зубчатыми колесами, для трансмиссий строительных и специальных транспортных средств, конкретно – к устройству и способу управления.
На отечественных и зарубежных колесных тракторах, например, широкое применение нашли вальные коробки передач (КП) механического типа, с несколькими ведомыми (промежуточными) параллельными, последовательными или параллельно-последовательными валами, на которых установлены зубчатые колёса и элементы управления (фрикционные и/или зубчатые муфты), причем они, как правило, автоматизированы или адаптированы к автоматизации [1. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986.– 126 с., ил. – С. 5-8, рис. 1.1, 1.2; С. 1-10, 14, рис. 1.3, 1.4, 1.10; 2. RU 00131781, МПК B60K 17/32, 27.05.2000; 3. RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011; 4. RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001].
При всех своих положительных свойствах и востребованности в прошлом, настоящем и будущем автотракторостроения, технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) таких КП уже не удовлетворяют современным запросам потребителей (требованиям заказчика) и уровню развития трансмиссий тяговых транспортных средств, к каковым относятся тракторы и строительные машины на их базе. Это касается и компоновочных проблем.
В частности, расширяется практика применения дисковых фрикционных элементов управления (переключения передач) – ФЭУ [4], существенно повышающих плавность переключения и являющихся инструментом реализации принципа безразрывности переключения передач в КП (несмотря на такой недостаток, в сравнении с зубчатыми муфтами, как несколько большие габариты, стоимость, повышенные требования к условиям работы).
Преселективные КП (Direct-Shift Gearbox – DSG) могут конкурировать с автоматическими гидромеханическими планетарными трансмиссиями по топливной экономичности, массогабаритным характеристикам, скорости переключения, простоте и технологичности конструкции [5. URL: https://vwts.ru/index.php?p= page05_02e (Дата обращения: 30.03.2019)].
Однако принцип построения редукторной части DSG позволяет переключаться лишь последовательно на заранее подготовленную передачу: не предусмотрена возможность пропуска передачи.
Для увеличения скорости переключения с передачи n выгодно иметь две подготовленные передачи: смежную повышенную n+1 и смежную пониженную n–1.
Однако бинарная логика традиционной DSG это исключает.
Сам же по себе указанный принцип известен и реализован, например, в трансмиссии Three clutch powersift transmission [6. US 7,552,658 B2, F16H3/08, 20.09.2007].
В её состав входят три вала с зубчатыми колёсами, два из которых соосны, и три ФЭУ, с возможностью одновременной подготовки к включению на выбор двух передач – (n+1) или (n-1), смежных с включенной передачей n.
Но и это техническое решение имеет свои недостатки – усложнение конструкции, увеличение массы КП. Пропуск передач при переключении остается нереализуемым.
Переключение передач без разрыва потока мощности в сочетании с автоматизацией управления трансформирующим механизмом – задача актуальная для строительной, транспортной и специальной техники. Большие крутящие моменты, характерные для трансмиссий таких машин, затрудняют масштабирование конструкции DSG и использование подобных КП на специальной технике. Таким образом, поиск новых принципов построения КП с преселективным переключением, адаптированных для работы на строительной и специальной технике, является актуальной проблемой.
На указанном пути совершенствования КП, авторами подготовлена и запатентована конструкция КП, которую можно (и целесообразно) рассматривать не только как удачную, адаптированную «заготовку» для решения обозначенной проблемы, но и как ближайший аналог (прототип) заявляемого изобретения.
Это многовальная КП «Ромашка», содержащая входной ведущий, ведомые, в том числе промежуточные в количестве m, и выходной, валы, расположенные параллельно друг другу, при этом ведущий входной вал установлен в качестве центрального, а промежуточные ведомые размещены вокруг центрального вала симметрично с угловым шагом φ = 360°/m, и установленные на валах зубчатые колёса с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления, часть которых установлена на ведущем валу и в дальнейшем называемая центральными, а остальные – по одному на выходе каждого промежуточного ведомого вала перед суммирующей передачей на выходной вал и в дальнейшем называемая выходными, с возможностью полностью включённого состояния выборочно по два из них посредством системы управления [7. RU 2658474, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 21.06.2018].
В ней на входном ведущем валу последовательно установлены несколько (в частности два-три) два центральных ФЭУ, с возможностью выборочного включения только одного из них, каждый с ведущим зубчатым колесом на подшипнике, постоянно сцепленным со своей группой ведомых зубчатых колёс, жёстко установленных по одному на каждом промежуточном ведомом валу, с возможностью передачи мощности от входного вала к выходному валу на любой n-ой передаче.
В частности, при m = 5 КП содержит ФЭУ в количестве либо семи, либо восьми, в зависимости от количества передач (режимов).
Способ управления коробкой передач «Ромашка» известен из описания её работы в источнике [7]. Он заключается в выборочном включении n-ой передачи путём включения, посредством системы управления, двух соответствующих этой передаче ФЭУ, один из которых – центральный, а другой – выходной.
При этом осуществляется ограниченно-плавный (то есть без преселективного переключения) переход с одной передачи на выше- или нижестоящую.
Таким образом, в КП «Ромашка», при всех её несомненных преимуществах, не реализован принцип преселективности переключения передач, тем более с возможностью пропуска передачи(ач) (переключения «через одну или на выбор). Это обусловливает всë ещё недостаточно высокие ТЭХ и возможности КП-прототипа «Ромашка» (наряду с несовершенством упомянутой американской преселективной КП-близкого аналога [6].
Техническая задача (проблема), на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в устранении указанных недостатков и, соответственно, в улучшении ТЭХ и компоновочных возможностей КП, за счет реализации принципа преселективного переключения передач, причём – с возможностью пропуска передачи или передач (переключения через одну или даже две-три на выбор) при переключениях как «вверх», так и «вниз» в гамме передаточных отношений.
Решение поставленной задачи (проблемы) достигается, во-первых, применением устройства, а именно тем, что в преселективной многовальной коробке передач, содержащей входной ведущий, ведомые, в том числе промежуточные в количестве m, и выходной, валы, расположенные параллельно друг другу, при этом ведущий входной вал установлен в качестве центрального, а промежуточные ведомые размещены вокруг центрального вала симметрично с угловым шагом φ = 360°/m, и установленные на валах зубчатые колёса с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления, часть которых установлена на ведущем валу и в дальнейшем называемая центральными, а остальные – по одному на выходе каждого промежуточного ведомого вала перед суммирующей передачей на выходной вал и в дальнейшем называемая выходными, с возможностью полностью включённого состояния выборочно по два из них посредством системы управления, согласно изобретению, система управления выполнена с возможностью полностью включенного состояния по меньшей мере третьего фрикционного элемента управления одновременно с упомянутыми двумя, минимум один из которых – центральный и минимум один – выходной, с возможностью передачи мощности от входного вала к выходному валу на любой n-ой передаче и одновременной подготовки преселективного безразрывного переключения выборочно на (n+1)-ую, (n-1)-ую, (n+2)-ую или (n-2)-ую и так далее в зависимости от числа промежуточных валов m, то есть на смежные передачи как переднего, так и заднего ходов, или с пропуском передачи или передач переднего хода.
Решение поставленной проблемы достигается также за счёт дополнительного конструктивного признака (при сформулированной выше основной совокупности признаков): КП может содержать четыре промежуточных ведомых вала, расположенных вокруг центрального с угловым шагом 90° и семь фрикционных элементов управления, включая три центральных и четыре выходных, с возможностью преселективного переключения передач не более чем через одну. (Это – результат оптимизации схемы КП в приложении к вышеперечисленным классам строительной и специальной транспортной технике, в том числе тракторам тягового класса 4 и 6-8, быстроходным колёсным и гусеничным машинам массой от 20 тонн, требующих достаточно большого числа передач).
На решение той же задачи (проблемы), во-вторых, направлен заявляемый способ управления коробкой передач с указанными выше конструктивными признаками, в котором выборочно включают n-ую передачу путём включения, посредством системы управления, двух соответствующих этой передаче фрикционных элементов управления, один из которых – центральный, а другой – выходной, и в котором при этом, согласно изобретению, предварительно подготавливают включение не менее двух других передач на выбор путём дополнительного включения, посредством системы управления, третьего фрикционного элемента управления – либо ещё одного выходного, либо ещё одного центрального, в зависимости от номера выбираемой передачи из числа возможных (n+1)-ой, (n-1)-ой, (n+2)-ой, (n-2)-ой и так далее, то есть смежной с n-ой передачей или с пропуском одной или более одной передач.
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупности существенных признаков которых совпадали бы с заявленными. В то же время, именно за счёт последней достигается новый технический результат в соответствии с проблемой.
Заявляемое устройство преселективной многовальной КП пояснено, на примере трёхстепенной КП с центральным входным ведущим валом, четырьмя промежуточными ведомыми валами и тремя центральными ФЭУ, на чертежах:
на фиг.1 показана упрощенная схема КП, поперечная проекция КП, где φ – угловой шаг между промежуточными ведомыми валами по отношению к центральному валу; O, X, A (B,C,R) – входной, выходной, параллельные грузовые валы; СО1…О3 и СA(B,C,R) – дисковые муфты на входном и грузовых валах; Σ – суммирующий зубчатый механизм (сумматор).
на фиг. 2 – вид К на фиг. 1;
на фиг. 3 схематически показаны группы передач для примера КП по фиг. 1, иначе говоря – сечения КП плоскостями, нормальными осям валов в областях центральных ФЭУ 9-11 (СО1, СО2, СО3), где цифрами 1-9 обозначены номера передач прямого хода, R1-3 – передач заднего хода.
Для удобства понимания и умозрительного восприятия, на фиг. 1, 2 основные составные части устройства имеют двойное (дублирующее) обозначение – цифрами (номерами позиций) и буквами с индексами.
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:
1 – центрально расположенный ведущий входной вал 0; 2 – ведомый выходной вал X; 3-6 – четыре ведомых промежуточных (грузовых) вала, расположенные параллельно валу 1 вокруг него; 7 – суммирующий зубчатый механизм (сумматор); 8 – зубчатые колёса в количестве трёх пар с различным передаточным отношением на привод с центрального вала 1 на каждый промежуточный вал 3-6 (всего 12 пар); 9, 10, 11 – соответственно первый, второй и третий дисковые центральные ФЭУ, управляемые посредством системы управления (СУ), преимущественно гидравлической; 12 (13-15, не показаны) – дисковые выходные ФЭУ, также управляемые посредством СУ; 16 – пример ведущей шестерни сумматора 7.
Преселективная многовальная КП, преимущественно для трансмиссий строительных и специальных транспортных средств содержит (см. фиг. 1, 2) входной ведущий вал 0, ведомые промежуточные (грузовые) валы в количестве m (в данном примере их четыре: m = 4, соответственно валы 3-6), и выходной вал X, расположенные параллельно.
При этом вал 0 установлен в качестве центрального, а параллельные ему промежуточные 3-6 размещены вокруг вала 0 симметрично (с учетом возможного умеренного варьирования радиальных размеров в обеспечение спектра передаточных отношений in зубчатых пар 8) с угловым шагом φ = 360°/m (см. фиг. 2).
На валах 1, 3-6 установлены зубчатые колёса 8, сгруппированные попарно (3×m = 3×4 = 12 пар), и по три на каждый из трёх «поперечных» рядов (см. фиг. 3). При этом ведущие колёса каждой пары 8 связаны с соответствующим барабаном (или выполнены на барабане) первого, второго и третьего центральных ФЭУ 9-11, то есть с возможностью подключения к валу 0 только при включенном «своём» ФЭУ 9-11, а ведомые зубчатые находятся в постоянной жёсткой связи с соответствующим промежуточным валом 3-6.
Предусмотрена возможность выборочного включения зубчатых пар 8 в работу (передачу мощности через КП) посредством ФЭУ 9-15, часть которых (9, 10 и 11) установлена на валу 0 и в дальнейшем называемая центральными, а остальные (12, 13, 14 и 15) – по одному на выходе (непосредственно перед сумматором 7) каждого промежуточного вала (3, 4, 5 и 6) перед суммирующей передачей (сумматором) 7 на выходной вал X и в дальнейшем называемая выходными, с возможностью выборочного их включения посредством СУ.
СУ выполнена с возможностью полностью включенного состояния (при сжатых фрикционных дисках в пакете) по меньшей мере третьего ФЭУ (из числа указанных семи (9-15) одновременно с упомянутыми двумя, минимум один из которых – центральный и минимум один – выходной. С обеспечением возможности передачи мощности от входного вала 0 к выходному валу X посредством одного (и только одного!) на любой n-ой передаче и одновременной подготовки преселективного безразрывного переключения выборочно на (n+1)-ую, (n-1)-ую, (n+2)-ую или (n-2)-ую и так далее в зависимости от числа промежуточных валов m, то есть на смежные передачи как переднего, так и заднего ходов, или с пропуском передачи или передач переднего хода. Это в общем случае, а для рассматриваемого примера с m= 4 – предпочтительно не более чем через одну максимум.
В простейшем случае сумматор 7 – это блок шестерён с неподвижными осями. Он суммирует крутящие моменты (с учётом их знака), но не скорости вращения звеньев. При наличии вала 3-6 (R), однако, предпочтительно подключать его к сумматору 7 через дифференциальный механизм.
Кроме того, в конструкции ФЭУ 15 (CR) целесообразно применить положения, сформулированные в источнике [8. RU 2618661. Бесфлаттерная многодисковая фрикционная муфта для соединения валов привода с возможностью разнонаправленного их вращения / Лозин А.В., Добрецов Р.Ю., Семенов А.Г. // 05.05.2017. Бюл. № 13].
Описанный пример КП с m = 4 выбран для представления в описании, как оптимизированный авторами (а значит, рациональный, рекомендуемый приоритетно), и, как видим, содержит 4 промежуточных ведомых вала (12-15), расположенных вокруг центрального ведущего вала 0 с угловым шагом φ = 90˚ и семь ФЭУ (9-15), включая три центральных (9-11) и четыре выходных (12-15), с возможностью преселективного переключения передач, предпочтительно не более чем через одну (во избежание больших динамических нагрузок на ФЭУ).
Возможны другие частные конструктивные решения в рамках заявляемой совокупности существенных признаков.
Работа заявляемого устройства (его функционирование) является, по существу, заявляемым способом.
Выше по тексту была приведена строгая формулировка заявляемого способа управления устройством КП (что необходимо для формирования формулы группы изобретений). Ниже по тексту дано развернутое описание работы заявляемой КП в приложении к описанному конкретному примеру.
Крутящий момент поступает от силового агрегата на входной вал 1 (0).
Если в КП не включен ни один из центральных ФЭУ 9-11, связанный с валом 1 (0), в ней реализуется нейтраль.
Суммирование крутящих моментов, проходящих по валам, происходит на сумматоре 7.
Трогание транспортного средства с места в штатном режиме предусматривается на второй передаче ( n = 2 ), при этом включается ФЭУ 9 (СО1) и ФЭУ, соединяющий вал данной передачи с выходным валом 2 (Х), – 13 (СВ). Работа буксования рассеивается между двумя одновременно буксующими ФЭУ (9 и 13). Если в состав силового агрегата входит гидротрансформатор, то работа буксования рассеивается на нём.
С момента включения ФЭУ 9 (СО1) к оперативному включению подготовлены смежные передачи – первая и третья. В этом, собственно, и заключается «преселективность» КП). При наборе транспортным средством скорости и переключении передач в КП «вверх» можно пропускать передачи (переключать, прежде всего, через одну), соответствующим образом организовав алгоритм переключения и реализовав его в СУ.
При переключении в пределах первой-третьей передач (см. фиг. 3) достаточно синхронно отключать ФЭУ текущей n-ой передачи и плавно подключать ФЭУ смежной передачи – либо (n+1)-ой или (n-1)-ой на выбор. Поэтому в гидравлической системе следует предусмотреть управление буксованием дисков ФЭУ. Но в момент включения третьей передачи нужно «подготовить» к включению четвертую передачу. При включении четвертой передачи плавно выключается ФЭУ 9 (СО1) и включается ФЭУ 10 (СО2). Разрыва потока мощности не происходит.
Если для интенсификации разгона транспортного средства требуется понизить передачу (режим kick down) кинематическая схема редуктора позволяет это сделать – вопрос лишь в отладке алгоритма управления.
Аналогично, возможен и пропуск передач (переключение через передачу и даже через несколько передач, если это позволяет дорожное сопротивление), как при переключениях «вверх», так и при переключениях «вниз».
Это очевидно из фиг. 3.
Особенность рассматриваемого семейства кинематических схем КП – в необходимости выносить передачи заднего хода (группа R) на отдельный вал 6 (R). (см. фиг. 1, 2). На нем возможно размещение от одного до трех зубчатых колес в общем составе пар 8. Число передач заднего хода определяется техническим заданием. Для большинства машин оптимальным является наличие двух передач заднего хода, первая из которых является по существу технологической, а вторая – транспортной.
В табл. 1 приведен порядок включения ФЭУ для КП, выполненной по схеме фиг. 1, 2.
Конкретизация массогабаритных характеристик транспортного средства, условий его эксплуатации, введение специальных требований могут оказать существенное влияние на потребное число передач. А значит, представленная на фиг. 1, 2 схема не является вполне универсальной и оптимальной для всех видов строительных и специальных транспортных машин. Однако, сам принцип организации таких схем делает их конкурентоспособными по сравнению со схемами планетарных КП.
Подгруппа схем с тремя степенями свободы наглядно представлена данным вариантом. Другое число передач может быть получено, например, с помощью иной периферии грузовых валов (табл. 2).
Таблица 2.
Семейство кинематических схем КП с тремя степенями свободы
| № п/п | Число ФЭУ на ведущем валу, k |
Число грузовых валов, n |
Число режимов работы, Z |
Общее число ФЭУ, Y |
Общее число валов, N |
| 1 | 2 | 2 | 4 | 4 | 3 |
| 2 | 2 | 3 | 6 | 5 | 4 |
| 3 | 2 | 4 | 8 | 6 | 5 |
| 4 | 2 | 5 | 10 | 7 | 6 |
| 5 | 2 | 6 | 12 | 8 | 7 |
| 6 | 3 | 2 | 6 | 5 | 3 |
| 7 | 3 | 3 | 9 | 6 | 4 |
| 8 | 3 | 4 | 12 | 7 | 5 |
| 9 | 3 | 5 | 15 | 8 | 6 |
| 10 | 3 | 6 | 18 | 9 | 7 |
| 11 | 4 | 2 | 8 | 6 | 3 |
| 12 | 4 | 3 | 12 | 7 | 4 |
| 13 | 4 | 4 | 16 | 8 | 5 |
| 14 | 4 | 5 | 20 | 9 | 6 |
| 15 | 4 | 6 | 24 | 10 | 7 |
Таким образом, заявляемая группа изобретений (устройство и способ) позволяют устранить отмеченные выше недостатки прототипа и близкого аналога, и улучшить ТЭХ КП. Прежде всего, за счет реализации принципа преселективного переключения передач и полнее, чем у близкого аналога, и тем более чем у прототипа, а именно – с возможностью пропуска передачи или передач.
Название для КП «Ромашка-3Ф» целесообразно сохранить в названии заявляемого изобретения, во-первых, для её идентификации в семействе (линейки, спектре) КП такого класса и, во-вторых, чтобы кратко выразить её отличительную особенность: преселективность переключения с тремя одновременно включенными (замкнутыми) ФЭУ (3Ф).
1. Преселективная коробка передач для трансмиссий транспортных средств, содержащая ведущий входной, промежуточные ведомые в количестве m и выходной валы, расположенные параллельно друг другу, при этом ведущий входной вал установлен в качестве центрального, а промежуточные ведомые размещены вокруг центрального вала симметрично с угловым шагом ϕ = 360°/m, и установленные на валах зубчатые колеса с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления, часть которых установлена на ведущем входном валу и в дальнейшем называемая центральными, а остальные – по одному на выходе каждого промежуточного ведомого вала перед суммирующей передачей на выходной вал и в дальнейшем называемые выходными, с возможностью полностью включенного состояния выборочно по два из них посредством системы управления, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью полностью включенного состояния по меньшей мере третьего фрикционного элемента управления одновременно с упомянутыми двумя, минимум один из которых – центральный и минимум один – выходной, с возможностью передачи мощности от ведущего входного вала к выходному валу на любой n-ой передаче и одновременной подготовки преселективного безразрывного переключения выборочно на (n+1)-ую, (n-1)-ую, (n+2)-ую или (n-2)-ую и так далее в зависимости от числа промежуточных ведомых валов m, то есть на смежные передачи как переднего, так и заднего ходов, или с пропуском передачи или передач переднего хода.
2. Коробка передач по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит четыре промежуточных ведомых вала, расположенных вокруг центрального с угловым шагом 90°, и семь фрикционных элементов управления, включая три центральных и четыре выходных, с возможностью преселективного переключения передач не более чем через одну.
