Система переключения передач без разрыва потока мощности
GEARSHIFT SYSTEM WITHOUT POWER FLOW INTERRUPTION

Изобретение относится к наземным транспортным системам, в частности к автомобилям.
Известны гидродинамические коробки передач, применяемые на автомобилях, которые состоят из гидротрансформатора и механической коробки. Переключение передач в механической коробке осуществляется при помощи фрикционов. При этом переключение передач происходит без разрыва потока мощности, за счет того, что фрикционы выключаемой и включаемой передачи работают синхронно, один начинает выключаться, второй начинает включаться. Оба фрикциона при этом проскальзывают, процесс длится очень короткое время. Переход от одной передачи к другой сглаживается за счет гидротрансформатора. (Диагностирование гидромеханических передач мобильных машин: монография / Н.Н. Горбатенко [и др.]; под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.П. Тарасика. - Могилев: Белорус- Рос.ун-т, 2010. - 511 с.).
В обычных механических коробках переключение передач осуществляется с разрывом потока мощности. Для переключения вначале выключается сцепление, тем самым двигатель отключается от трансмиссии, обороты двигателя при этом снижаются. Затем работающая передача выключается, это происходит легко, поскольку в этом случае момент не передается, и блокировка самопроизвольного выключения не работает. В следующий момент вступает в работу синхронизатор, он выравнивает угловые скорости вала и включаемой шестерни, для обеспечения последующего безударного соединения. Заключительная стадия осуществляется за счет плавного включения сцепления. В момент переключения автомобиль движется по инерции и при этом его скорость движения снижается, особенно при переключении на низших передачах, это сопровождается толчками при разгоне.
Попытка роботизировать «обычные» коробки передач приводит к ряду проблем, одна из которых, снижение интенсивности разгона. Использовать индивидуальные фрикционы, как допустим в ГМП весьма проблематично, поскольку это в значительной степени усложняет коробку, увеличивает ее массу и габариты.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке конструкции системы переключения передач без разрыва потока мощности в механических коробках передач.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата который заключается в оснащении механической коробки передач системой, обеспечивающей переключение передач без разрыва потока мощности, которая включает в себя планетарный редуктор установленный на промежуточном валу трех вальной коробки передач, пары шестерен разделения потока, двух фрикционных муфт управления режимом работы редуктора и автоматические средства управления.
Указанный технический результат достигается тем, что система переключения передач без разрыва потока мощности, содержащая трехзвенный планетарный редуктор, установленный в отдельном картере, на промежуточном валу в трехвальной коробке передач, корпус редуктора, он же являющийся водилом опирается по краям на две опоры в картере, солнечная шестерня редуктора жестко соединена с валом, сателлиты установлены на осях водила, одновременно в ходят в зацепление с солнечной шестерней и эпициклическим колесом, ось водила имеет трубчатую форму внутри которой проходит промежуточный вал коробки, опорой трубчатого вала является корпус редуктора, корпус редуктора связан с выходным валом коробки передач зубчатой парой шестерен, трубчатый вал эпициклической шестерни соединен с дисками фрикциона блокировки редуктора, второй комплект дисков с промежуточным валом коробки, второй фрикцион имеет комплект дисков связанных с картером, второй комплект дисков соединен с эпициклическим колесом редуктора, на промежуточном и выходном валах расположены специальные датчики измеряющие их угловые скорости, шестерня разделения потока соединена с выходным валом коробки передач устройством для измерения относительного момента, имеется электронный блоком управления фрикционами.
Предлагаемое техническое решение расширяет возможности роботизации механических коробок передач, в том числе многоступенчатых, позволяет обеспечить переключение передач без разрыва потока мощности, возрастает динамика разгона, уменьшаются толчки при переключении передач, из коробки исключаются синхронизаторы, увеличивает надежность коробок передач, обеспечивается синхронизация включения первой передачи и передачи заднего хода.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема системы переключения передач без разрыва потока мощности в комплекте с трех вальной коробкой передач, содержащей планетарный редуктор 2, два фрикциона управления 3 и 4, пара шестерен разделения потока 5, автоматические средства управления 6.
На фиг. 2 изображена кинематическая схема системы переключения передач без разрыва потока мощности, содержащая планетарный редуктор 2, состоящего из корпуса редуктора одновременно являющегося водилом 9, солнечной шестерни 10, эпициклического колеса 11, сателлитов 12. Двух фрикционов, фрикцион блокировки эпициклического колеса 3, фрикцион блокировки редуктора 4. Автоматические средства управления системой 6 с датчиками измерения угловой скорости 14 выходного вала 7 и промежуточного вала 8 трех вальной коробки передач, устройства для измерения относительного крутящего момента 13.
Работа системы переключения передач в механической коробке передач без разрыва потока мощности осуществляется следующим образом. Принцип безразрывного переключения основан на плавном двухпоточном разделении крутящего момента. Система обеспечивает синхронизацию и переключение передач без разрыва потока мощности в направлении снизу вверх и сверху вниз. В исходном состоянии пара шестерен разделения потока и планетарный редуктор хотя и соединяют выходной и промежуточный валы в трехвальной коробке передач, но никакого влияния на работу коробки передач не оказывают поскольку в редукторе эпициклическое колесо свободно. При переключении в трех вальной коробке передач снизу вверх (т.е. от низшей к высшей) процедура происходит в следующей последовательности (фиг. 1 и фиг. 2). Предположим, переключение происходит с первой на вторую передачу. Для этого фрикцион блокировки редуктора 4 плавно включается, т.е. соединяет между собой солнечную шестерню 10 и эпициклическое колесо 11. При этом поток мощности от промежуточного вала 8 начинает идти через заблокированный редуктор и пару шестерен параллельного потока 5 на выходной вала 7 коробки. Фактически происходит изменение передаточного отношения пары шестерен разделения потока за счет проскальзывания в фрикционе. Поток мощности начинает плавно перераспределяться с пары шестерен первой передачи на пару шестерен разделения потока. (Такое перераспределение возможно благодаря передаточному числу пары шестерен разделения потока, ее передаточное число, должно быть чуть меньше или равно передаточному числу пары шестерен предпоследней передачи в коробке. Таким образом перераспределять момент можно будет на всех передачах коробки передач.) Электронный блок управления 6 отслеживает перераспределение мощности (момента) с помощью устройства для измерения крутящего момента 13. Когда момент на ведомой шестерне разделения потока становится равен моменту на выходном валу коробки, отдается команда на выключение первой передачи, при этом блокирующего момента на муфте переключения передачи нет, поскольку моменты на выходном валу и ведомой шестерне первой передачи равны, и она легко и безударно выключается. Одновременно с началом работы фрикциона блокировки редуктора начинает процесс плавного частичного «выключения» сцепления. Таким образом разрыва потока мощности после выключения передачи не происходит, он лишь снижается примерно на половину, при этом фрикцион и сцепление будут частично пробуксовывать. Поток идет через частично заблокированный редуктор и пару шестерен разделения потока. Сцепление и муфты должны работать синхронно и их режимы работы должны быть определены расчетным и опытным путем. После выключения первой передачи начитается вторая стадия работы системы - это процесс синхронизации включения второй передачи. До момента выключения первой передачи промежуточный вал 8 имел определенную угловую скорость вращения, при этом вращение передается на выходной вал 7 через пару шестерен первой передачи 15 (и пару шестерен разделения потока), выходной вал будет иметь угловую скорость пропорционально передаточному числу этой передачи. Пара шестерен второй передачи 16 находится в постоянном зацеплении, поэтому ведомая шестерня второй передачи вращается с угловой скоростью больше, чем выходной вал, поскольку передаточное число этой пары меньше, чем у первой. Поэтому для того, чтобы произвести безударное включение второй передачи необходимо притормозить включаемую шестерню до угловой скорости выходного вала. Системы пер включения передач без разрыва потока мощности в этом случае работает по следующему алгоритму. За счет движения автомобиля по инерции выходной вал коробки передач будет вращаться с соответствующей скоростью. Частичная блокировка редуктора и частичное «выключение» сцепления продолжаются, при этом электронный блок отслеживает другие параметры, а именно угловые скорости выходного и промежуточного валов. Благодаря частичной блокировке редуктора и полученной связи промежуточного и выходного валов промежуточный вал начинает затормаживаться, вместе с ним затормаживается ведомая шестерня второй передачи. Вместе с этим затормаживается ведомый диск сцепления, проскальзывание сцепления увеличивается. Электронный блок с помощью датчиков 14 измеряет угловые скорости валов 7 и 8, рассчитывает угловую скорость шестерня второй передачи на выходном валу, с учетом передаточного числа этой пары шестерен, заложенного в память электронного блока. В процессе синхронизации происходит постоянное сравнение угловых скоростей включаемой шестерни и выходного вала. Как только угловая скорость шестерни становится равна скорости вала, электронный блок отдает команду механизму переключения передач на включение второй передачи. Благодаря плавному выключению фрикциона блокировки редуктора и плавному включению сцепления толчков при переключении передач не происходит. Подобным образом работает система переключения передач без разрыва потока мощности на всех остальных передачах при пер включении вверх.
Переключение в трех вальной коробке передач сверху в вниз происходит в следующей последовательности. В данном случае система работает также за счет разделения потока мощности, но принцип несколько иной. Предположим, пер включение происходит со второй на первую передачу. В данном случае работает фрикцион 3, который останавливает эпициклическое колесо. Активную роль начинает играть планетарный редуктор 2, при этом за счет проскальзывания муфты общее передаточное отношение редуктора и пары шестерен разделения потока также меняется. Для реализации такого принципа должно соблюдаться следующее условие: общее передаточное число редуктора и пары шестерен разделения потока должно быть равно или чуть больше, чем передаточное число пары шестерен первой передачи 15. Переключение передачи осуществляется по следующему алгоритму. По мере включения фрикциона эпицикл начинает «подтормаживаться», увеличивается передаточное отношение редуктора и пары шестерен разделения потока, вслед за этим растет момент на выходном валу. Таким образом пара шестерен второй передачи 16 разгружается. Электронный блок управления 6 с помощью устройства для измерения крутящего момента 13 отслеживает изменение момента. Когда разность моментов приближается к нулю, блок отдает команду на выключение второй передачи. Вместе с фрикционом начинает частично «выключаться» сцепление автомобиля, благодаря проскальзыванию нагрузка на двигатель не изменяется. Дальше начинается второй этап переключения, т.е. синхронизация угловых скоростей выходного вала и ведомой шестерни первой передачи. В этом случае ведомая шестерня первой передачи вращается с угловой скоростью меньше, чем выходной вал. Поэтому для того, чтобы произвести безударное включение первой передачи необходимо разогнать включаемую шестерню до угловой скорости выходного вала. Системы переключения передач без разрыва потока мощности в этом случае работает следующим образом. Электронный блок переходит на режим синхронизации и отдает команду на дальнейшее усиление действия фрикциона 3, эпициклическое колесо 12 еще больше замедляется. Сейчас уже выходной вал коробки будет являться ведущим вследствие вращения ведущих колес при движении автомобиля по инерции. Водило 9 (корпус редуктора) приводится во вращение через пару шестерен 5 от выходного вала 7. Подтормаживание эпициклического колеса приводит к увеличению угловой скорости солнечной шестерни 10 и ведомого вала 8, что в свою очередь ускоряет вращение ведомой шестерни первой передачи на выходном валу. При этом сцепление также находится в режиме частичного «выключения», т.е. тоже проскальзывает. Электронный блок измеряет и рассчитывает угловые скорости вала и шестерни и когда скорость ведомой шестерни первой передачи становится равна скорости выходного вала, отдается команда на включение первой передачи. На этом синхронизация заканчивается, сцепление плавно включается, а фрикцион 3 синхронно выключается. Благодаря этому толчков при движении нет.
На всех остальных передачах алгоритм безразрывного переключения передач происходит аналогичным образом. Система может осуществлять переключение не только между двумя соседними, но и между любыми передачами в обоих направлениях.
Системы переключения передач без разрыва потока мощности может быть использована в двухвальных, многовальных, с неподвижными и подвижными валами механических коробках передач.
Заявленное техническое решение обеспечивает улучшение эксплуатационных возможностей автомобильной техники за счет плавного без разрыва потока мощности переключения передач, обеспечивает эффективность и надежность роботизированных многоступенчатых коробок передач автомобилей.
Обозначения:
1 - коробка передач,
2 - планетарный редуктор,
3 - фрикцион блокировки эпициклического колеса,
4 - фрикцион блокировки планетарного редуктора,
5 - пара шестерен разделения потока,
6 - электронный блок управления автоматическими средствами,
7 - выходной вал коробки передач,
8 - промежуточный вал трех вальной коробки передач,
9 - корпус редуктора (водило),
10 - солнечная шестерня планетарного редуктора,
11 - эпициклическое колесо редуктора,
12 - сателлит,
13 - устройства для измерения относительного крутящего момента,
14 - датчик измерения угловой скорости выходного и промежуточного валов в трехвальной коробке передач,
15 - пар а шестерен пер вой передачи,
16 - пар а шестерен второй передачи.