КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
GEAR BOX

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам ступенчатого изменения скорости, и может быть использовано преимущественно в автомобилестроении.
В настоящее время автомобильные коробки передач совершенствуются в направлении увеличения числа ступеней при одновременном стремлении уменьшить число используемых зубчатых пар и управляемых сцепных муфт, и, как следствие, увеличить КПД коробки и улучшить ее массогабаритные характеристики.
Известны два типа автомобильных коробок передач. Первый тип - это планетарные коробки, содержащие планетарные механизмы, количество которых определяет число ступеней коробки. Примером может служить коробка передач, известная из патента WO 2006/074707 А1 от 20.07.2006, в которой 4 планетарных механизма и 5 фрикционных муфт позволяют получить 8 ступеней. Коробки этого типа достаточно сложны и не позволяют в дальнейшем увеличивать число ступеней без существенного ухудшения массогабаритных показателей.
Второй тип - это так называемые роботизированные коробки передач (патенты DE 19821164 А1, 18.11.1999; DE 19944879 А1, 22.03.2001), содержащие, как правило, двухслойный вал, внешние и внутренние части которого поочередно с помощью фрикционных муфт подключаются к валу двигателя, обеспечивая передачу вращательного движения через промежуточные валы с требуемым передаточным отношением за счет включения соответствующих зубчатых пар. Характерной особенностью таких коробок является предварительная подготовка соответствующей ступени. Когда автомобиль движется и разгоняется, например, на четвертой ступени (при этом задействован внешний вал коробки передач), управляемая сцепная муфта, расположенная на промежуточном валу и отвечающая за пятую ступень, уже включена и, как только автомобиль достигнет требуемой скорости, система управления переключает фрикционную муфту, обеспечивая разъединение вала двигателя с внешним валом и соединение его с внутренним. Недостатком таких коробок является то обстоятельство, что мощность от вала двигателя передается одним потоком либо через внешний вал, либо через внутренний. В результате элементы конструкции, передающие движение, загружены максимальным моментом.
Для устранения этого недостатка стали применять разветвленные кинематические схемы. Они содержат механизм, разделяющий входной поток от двигателя на две параллельные ветви, и планетарный механизм, суммирующий оба потока мощности на выходном валу коробки передач (US 6869379 В2, 22.03.2005; WO 03/025431 A1, 27.03.2003; US 7004878 В2, 28.02.2006; WO 2006/032312 A1, 30.03.2006). Такие коробки передач называют двухпоточными. Наряду с суммированием они обеспечивают и однопоточные режимы, которые осуществляются остановкой одного из звеньев планетарного механизма. В результате достигается существенное увеличение числа ступеней практически в тех же или даже меньших габаритных размерах. В то же время выявился и недостаток таких схем: на управляемые сцепные муфты как на однопоточном, так и на двухпоточном режимах действует относительно высокий момент, что снижает их надежность и ресурс работы.
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить указанный недостаток двухпоточных коробок передач. Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является схема коробки из патента WO 2006/032312 A1, 30.03.2006.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание коробки передач с повышенным ресурсом работы при минимальном количестве зубчатых зацеплений и управляемых сцепных муфт.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что в схеме коробки передач снижено общее количество сцепных муфт и зубчатых зацеплений, а за счет рационального расположения планетарного механизма существенно уменьшаются действующие нагрузки на управляемые сцепные муфты.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в коробке передач преимущественно для транспортных машин, содержащей неподвижный корпус, входное и выходное звенья, планетарный механизм в виде взаимодействующих между собой водила, солнечного колеса и эпицикла, одинарный и двухслойный валы, причем последний состоит из внешнего и внутреннего валов, управляемую сцепную муфту, предназначенную для соединения внутреннего и внешнего валов, зубчатые колеса, установленные на валах и образующие пары, постоянно находящиеся в зацеплении и передающие движение от вала к валу с помощью управляемых сцепных муфт, обеспечивая различное передаточное отношение между валами, введены следующие дополнения: две управляемые сцепные муфты для соединения соответственно внутреннего вала с неподвижным корпусом и внешнего вала с неподвижным корпусом; водило, солнечное колесо и эпицикл планетарного механизма соединены соответственно с входным звеном, с внутренним и внешним валами, а одинарный вал соединен с выходным звеном.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
- фиг.1 - кинематическая схема патентуемой коробки передач;
- фиг.2 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 1 ступени;
- фиг.3 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 2 ступени;
- фиг.4 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 3 ступени;
- фиг.5 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 4 ступени;
- фиг.6 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 5 ступени;
- фиг.7 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 6 ступени;
- фиг.8 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 7 ступени;
- фиг.9 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 8 ступени;
- фиг.10 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 9 ступени;
- фиг.11 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 10 ступени;
- фиг.12 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 11 ступени;
- фиг.13 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 12 ступени;
- фиг.14 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 1-й передаче заднего хода;
- фиг.15 - схема механизмов коробки передач, передающих момент от входного звена при работе на 2-й передаче заднего хода;
Коробка передач (фиг.1) состоит из:
- неподвижного корпуса 1 (показан косой штриховкой), входного звена 2 и выходного звена 3, планетарного механизма 4 в виде взаимодействующих между собой водила 5, солнечного колеса 6 и эпицикла 7; водило 5 неподвижно соединено с входным звеном 2;
- одинарного вала 8 и двухслойного вала 9, причем двухслойный вал 9 состоит из внешнего вала 10 и внутреннего вала 11; внешний вал 10 неподвижно соединен с эпициклом 7, внутренний вал 11 неподвижно соединен с солнечным колесом 6, одинарный вал 8 - с выходным звеном 3;
- управляемой сцепной муфты 12, предназначенной для соединения внутреннего 11 и внешнего 10 валов;
- зубчатых колес, установленных на валах 8, 10, 11 и образующих пары 13, 14, 15, 16, 17, постоянно находящиеся в зацеплении и передающие движение от вала к валу с помощью управляемых сцепных муфт 18, 19, 20, 21, 22, обеспечивая различное передаточное отношение между валами;
- двух управляемых сцепных муфт 23 и 24 для соединения соответственно внутреннего вала 11 с неподвижным корпусом 1 и внешнего вала 10 с неподвижным корпусом 1.
Работает коробка передач следующим образом:
- на первой ступени (фиг.2) включены сцепные муфты 12 и 19, внутренний 11 и внешний 10 валы соединены сцепной муфтой 12. В результате планетарный механизм 4 заблокирован и вращается как единое целое. Таким образом, входной поток мощности без изменений проходит через входное звено 2, водило 5, солнечное колесо 6, эпицикл 7, двухслойный вал 9, сцепную муфту 19 и зубчатую пару 14 к одинарному валу 8, неподвижно соединенному с выходным звеном 3;
- на второй ступени (фиг.3) включены сцепные муфты 19 и 21, входной поток мощности разделяется на планетарном механизме 4, часть потока через эпицикл 7 и внешний вал 10 с помощью сцепной муфты 19 идет на зубчатую пару 14, вторая часть через солнечное колесо 6, внутренний вал 11 и включенную сцепную муфту 21 идет на зубчатую пару 16, суммирование потоков происходит на одинарном валу 8, и весь поток поступает на выходное звено 3;
- на третьей ступени (фиг.4) внутренний 11 и внешний 10 валы двухслойного вала 9 соединены сцепной муфтой 12, планетарный механизм 4 заблокирован и вращается как единое целое. Входной поток мощности без изменений проходит через входное звено 2, водило 5, солнечное колесо 6, эпицикл 7, двухслойный вал 9, включенную сцепную муфту 21 и зубчатую пару 16 к выходному звену 3;
- на четвертой ступени (фиг.5) включены сцепные муфты 19 и 20, входной поток мощности разделяется на планетарном механизме 4, часть потока через эпицикл 7 и внешний вал 10 с помощью сцепной муфты 19 идет на зубчатую пару 14, вторая часть через солнечное колесо 6, внутренний вал 11 и включенную муфту 20 идет на зубчатую пару 15, суммирование потоков происходит на одинарном валу 8, и весь поток поступает на выходное звено 3;
- на пятой ступени (фиг.6) внутренний вал 11 и соответственно солнечное колесо 6 планетарного механизма 4 остановлено муфтой 23, входной поток от звена 2 через водило 5, эпицикл 7 и внешний вал 10 приходит на одинарный вал 8 через зубчатую пару 14, подключенную к внешнему валу 10 сцепной муфтой 19;
- на шестой ступени (фиг.7) при включенных сцепных муфтах 21 и 18 входной поток мощности разделяется на планетарном механизме 4, часть потока через эпицикл 7 и внешний вал 10 с помощью сцепной муфты 18 идет на зубчатую пару 13, вторая часть через солнечное колесо 6, внутренний вал 11 и включенную сцепную муфту 21 идет на зубчатую пару 16, суммирование потоков происходит на одинарном валу 8, неподвижно соединенному с выходным звеном 3;
- на седьмой ступени (фиг.8) включены сцепные муфты 12 и 18. В результате планетарный механизм 4 заблокирован и вращается как единое целое, а входной поток мощности без изменений проходит от входного звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6, эпицикл 7, двухслойный вал 9, включенную сцепную муфту 18 и зубчатую пару 13 к выходному звену 3;
- на восьмой ступени (фиг.9) при включенных сцепных муфтах 18 и 20 входной поток мощности разделяется на планетарном механизме 4, часть потока через эпицикл 7 и внешний вал 10 с помощью сцепной муфты 18 идет на зубчатую пару 13, вторая часть через солнечное колесо 6, внутренний вал 11 и включенную сцепную муфту 20 идет на зубчатую пару 15, суммирование потоков происходит на одинарном валу 8, неподвижно соединенному с выходным звеном 3;
- на девятой ступени (фиг.10) включены сцепные муфты 12 и 20, в результате планетарный механизм 4 заблокирован и вращается как единое целое, а входной поток мощности без изменений проходит от входного звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6, эпицикл 7, двухслойный вал 9, включенную сцепную муфту 20 и зубчатую пару 15 к выходному звену 3;
- на десятой ступени (фиг.11) включены сцепные муфты 18 и 23. Внутренний вал 11 и соответственно солнечное колесо 6 планетарного механизма 4 остановлено, входной поток со звена 2 через водило 5, эпицикл 7 и внешний вал 10 приходит на одинарный вал 8 через зубчатую пару 13, подключенную к внешнему валу 10 сцепной муфтой 18;
- на одиннадцатой ступени (фиг.12) включены сцепные муфты 24 и 21. В результате остановлены внешний вал 10 и соответственно эпицикл 7 планетарного механизма 4. Входной поток мощности со звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6 и внутренний вал 11 приходит на выходное звено 3 через зубчатую пару 16, подключенную к внутреннему валу 11 сцепной муфтой 21;
- на двенадцатой ступени (фиг.13) включены сцепные муфты 24 и 20. Внешний вал 10 и эпицикл 7 планетарного механизма 4 остановлены. Входной поток со звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6 и внутренний вал 11 приходит на выходное звено 3 через зубчатую пару 15, подключенную к внутреннему валу 11 сцепной муфтой 20;
- на первой передаче заднего хода (фиг.14) планетарный механизм 4 с помощью сцепной муфты 12 заблокирован и вращается как единое целое, таким образом, входной поток мощности без изменений проходит от входного звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6, эпицикл 7, двухслойный вал 9, включенную муфту 22 и зубчатую пару 17 с паразитным колесом к выходному звену 3;
- на второй передаче заднего хода (фиг.15) эпицикл 7 планетарного механизма 4 остановлен сцепной муфтой 24, входной поток со звена 2 через водило 5, солнечное колесо 6 и внутренний вал 11 приходит на выходное звено 3 через зубчатую пару 17 с паразитным колесом, подключенную к внутреннему валу 11 сцепной муфтой 22;
Необходимо отметить, что в патентуемой коробке передач в отличие от прототипа направление вращения входного звена 2 не совпадает с направлением вращения выходного звена 3. Смена направления вращения без изменения кинематической схемы коробки передач может быть осуществлена добавлением зубчатой пары перед входным звеном 2 или после выходного звена 3.
Все ступени, выполняемые коробкой передач, с соответствующими включенными управляемыми сцепными муфтами (показаны знаком "×") сведены в таблицу 1. В качестве примера там же приведены передаточные отношения коробки на каждой ступени, причем знак перед значением передаточного отношения означает вид предполагаемого движения: "+" - вперед; "-" - назад. В таблице 1 также указан шаг изменения передаточного отношения, определяемый как отношение предыдущего передаточного отношения к последующему.
Таблица 1
Номер передачи
Состояния управляемых муфт
Передаточное отношение
Шаг передаточного отношения
12
18
19
20
21
22
23
24
1
×
×
3.00
2
×
×
2.93
1.02
3
×
×
2.79
1.05
4
×
×
2.46
1.13
5
×
×
2.05
1.20
6
×
×
1.86
1.10
7
×
×
1.42
1.31
8
×
×
1.38
1.03
9
×
×
1.29
1.07
10
×
×
0.97
1.33
11
×
×
0.89
1.09
12
×
×
0.41
2.17
R1
×
×
-3.00
R2
×
×
-1.00
Патентуемая коробка передач имеет три степени свободы, т.е. для ее работы на каждой ступени должны быть включены две управляемые сцепные муфты. Как показывает анализ фиг.2-13, коробка передач при движении вперед имеет два типа однопоточных режимов: первый тип соответствует ситуации, когда один из валов 10 и 11 двухслойного вала 9 остановлен сцепной муфтой 23 или сцепной муфтой 24. При этом автоматически вследствие неподвижного соединения останавливается одно из звеньев 6 или 7 планетарного механизма 4. Таких однопоточных ступеней четыре - это ступени под номерами 5, 10, 11 и 12 (см. таблицу 1). Второй тип однопоточных ступеней соответствует ситуации, когда оба вала 10 и 11 двухслойного вала 9 соединены сцепной муфтой 12. При этом также вследствие жесткой связи валов 10 и 11 со звеньями 7 и 6 планетарного механизма 4, последний блокируется и вращается как единое целое. Количество ступеней второго типа - с блокировкой планетарного механизма - также четыре; это ступени под номерами 1, 4, 7 и 9 (см. таблицу 1). Если же не включена ни одна из сцепных муфт 23, 24 или 12, то коробка реализует двухпоточный режим работы. Такой режим выполняется тоже на четырех ступенях. Это ступени под номерами 2, 3, 6 и 8 (см. таблицу 1).
Таким образом, предлагаемая коробка передач всего с четырьмя парами 13, 14, 15 и 16 зубчатых колес может реализовать двенадцать ступеней: четыре однопоточные ступени с остановкой одного из звеньев планетарного механизма, четыре однопоточных ступени с блокировкой планетарного механизма и четыре двухпоточных ступени, передаточные отношения которых равны попарным суммам передаточных отношений первых четырех однопоточных ступеней.
Как видим, патентуемая коробка передач имеет такое же количество ступеней, что и выбранная в качестве прототипа по патенту WO 2006/032312, 30.03.2006, но с меньшим числом муфт и зубчатых колес. Соединение входного звена коробки передач с водилом планетарного механизма приводит к выполнению планетарным механизмом передаточного отношения, меньшего 1, следовательно, управляемые сцепные муфты менее нагружены.