МНОГОПОТОЧНАЯ ВАЛЬНО-ПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
MULTI-FLOW SHAFT-AND-PLANETARY TRANSMISSION

Изобретение относится к машиностроению, может быть использовано в трансмиссиях транспортных средств и предназначено для ступенчатого изменения скорости и крутящего момента.
В настоящее время коробки передач транспортных средств совершенствуются в направлении увеличения количества ступеней при одновременном стремлении уменьшить число используемых зубчатых пар и элементов управления, что позволяет увеличить КПД коробки передач и улучшить массогабаритные характеристики.
По типу механизмов, составляющих коробку передач, различают механические коробки передач с неподвижными осями зубчатых колес, планетарные и комбинированные (вально-планетарные). Примером коробки передач с неподвижными осями зубчатых колес является коробка передач с двумя сцеплениями, известная по патенту DE 19821164 Doppelkupplungsgetriebe от 18.11.1999.
В этом механизме пары зубчатых колес, расположенные на промежуточных валах, соединяются с валами с помощью синхронизаторов, а промежуточные валы поочередно соединяются с валом источника мощности с помощью двух фрикционных муфт. Синхронизаторы имеют три положения: свободное вращение; соединение вала с зубчатой парой, расположенной, например, слева или соединение вала с зубчатой с другой парой, расположенной справа. Рассматриваемая коробка передач содержит простые механизмы, имеет шесть ступеней переднего хода и одну ступень реверса, при этом содержит две муфты, три синхронизатора с тремя положениями и один синхронизатор с двумя положениями. Существенным недостатком коробок передач с неподвижными осями является реализация каждой ступени отдельной зубчатой парой при включении соответствующего элемента управления. В результате этого проявляется связь: чем больше ступеней в такой коробке, тем больше необходимо элементов управления, что приводит к росту габаритных размеров и массы конструкции. Кроме того, передача мощности от входного вала коробки передач к выходному осуществляется одним потоком, в результате на звенья коробки действуют постоянные нагрузки.
Существенным преимуществом планетарных коробок передач является разветвление входного потока мощности на несколько параллельных ветвей, что позволяет снизить нагрузки на внутренние звенья, повысить надежность и ресурс работы. Кроме того, элементы управления планетарной коробкой передач используются для реализации нескольких ступеней. Количество ступеней в планетарных коробках передач определено числом и типом планетарных механизмов, а также количеством управляемых муфт и тормозов. Например, 6-ти ступенчатая коробка передач (патент US 6729990 Automatic Gearbox, 04.05.2004) имеет 3 муфты, 2 тормоза и состоит из, так называемого, редуктора Равинье и однорядного планетарного механизма. А конструкция 7-ми ступенчатой коробки передач (патент US 6302820 Planetary Speed Change Transmission, 16.10.2001) содержит 2 муфты, 4 тормоза, 1 муфту свободного хода, редуктор Равинье и два однорядных планетарных механизма. В 8-ми ступенчатой коробке передач (патент WO 2006/074707 Multispeed Transmission, 20.07.2006) используются 3 муфты, 2 тормоза и четыре однорядных планетарных механизма. 9-ти ступенчатая планетарная коробка (патент RU 2549343 Гидромеханическая коробка передач, 27.04.2015 Бюл. №12) имеет 3 муфты, 3 тормоза и состоит из четырех однорядных планетарных механизмов. Таким образом, в планетарных коробках передач с ростом количества ступеней растет число и сложность используемых механизмов и увеличивается число элементов управления.
Известны комбинированные вально-планетарные коробки передач, например, выбранная в качестве прототипа 13-ти ступенчатая коробка передач (патент RU 2531995, 27.10.2014 Бюл. №30) содержит входной и выходной валы и два дифференциала, каждый из которых оснащен управляемой блокировочной муфтой и составлен из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса, эпицикла и водила, соединенных с валами, на которых установлены элементы управления и пары постоянно находящихся в зацеплении зубчатых колес, обеспечивающие кинематические связи между звеньями дифференциалов, одна из которых выполнена между солнечным колесом одного из дифференциалов и звеном второго дифференциала через паразитную шестерню, а вторая между водилом первого дифференциала и эпициклом второго дифференциала, управляемая блокировочная муфта которого соединяет его эпицикл и водило. Как видим, данная коробка передач имеет существенно большее число ступеней и меньше элементов управления по сравнению с представленными выше коробками с однотипными механизмами передач. Анализ этой конструкции показывает, что среди реализуемых 13-ти ступеней только 5 являются многопоточными, остальные однопоточные, что приводит к увеличенным нагрузкам на внутренние звенья. Кроме того, для переключения между некоторыми соседними ступенями используются больше двух пар элементов управления коробкой, что ограничивает применение этого изобретения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание многопоточной вально-планетарной коробки передач, в которой на большинстве ступеней реализуются многопоточные режимы и обеспечиваются однопарные переключения элементов управления при переходах на соседние ступени.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении габаритных размеров и массы, увеличении надежности и ресурса работы коробки передач за счет снижения нагрузок на внутренние звенья и упрощение системы управления коробкой.
Указанный технический результат в многопоточной вально-планетарной коробке передач, содержащей входной и выходной валы и два дифференциала, каждый из которых оснащен управляемой блокировочной муфтой и составлен из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса, эпицикла и водила, соединенных с валами, на которых установлены элементы управления и пары постоянно находящихся в зацеплении зубчатых колес, обеспечивающие кинематические связи между звеньями дифференциалов, одна из которых выполнена между солнечным колесом одного из дифференциалов и звеном второго дифференциала через паразитную шестерню, а вторая между водилом первого дифференциала и эпициклом второго дифференциала, управляемая блокировочная муфта которого соединяет его эпицикл и водило, достигается тем, что входной вал соединен с эпициклом первого дифференциала и кинематически связан с солнечным колесом второго дифференциала, водило которого соединено с выходным валом и кинематически связано через паразитную шестерню с солнечным колесом первого дифференциала, а управляемая блокировочная муфта первого дифференциала соединяет его водило и солнечное колесо.
Расположенные на валах элементы управления могут быть выполнены с тремя фиксированными положениями, одно из которых обеспечивает свободное вращение вала.
Изобретение иллюстрирует один рисунок - фиг. 1, являющийся одним из примеров исполнения многопоточной вально-планетарной коробки передач для трансмиссии, в частности, автомобиля. Заявленная многопоточная вально-планетарная коробка передач содержит входной 1 и выходной 2 валы, дифференциал 3, оснащенный управляемой блокировочной муфтой 4 и составленный из трех звеньев: солнечного колеса 5, эпицикла 6 и водила 7; дифференциал 8, оснащенный управляемой блокировочной муфтой 9 и составленный из трех звеньев: солнечного колеса 10, эпицикла 11 и водила 12; валы 13, 14, 15 и 16, соединенные со звеньями дифференциалов 3 и 8, размещенные на валах элементы управления 17, 18, 19 с тремя фиксированными положениями А, N и В, паразитную шестерню 20 и постоянно находящиеся в зацеплении пары зубчатых колес 21 и 22, 23 и 24, 25 и 26, 27 и 28, 29 и 30, 31 и 32, размещенные на валах и обеспечивающие кинематические связи между звеньями дифференциалов. Управляемая блокировочная муфта 4 соединяет эпицикл 6 и водило 7 дифференциала 3, управляемая блокировочная муфта 9 соединяет солнечное колесо 10 и водило 12 дифференциала 8. Входной вал 1 соединен с эпициклом 11 дифференциала 8 и содержит элемент управления 17 с тремя фиксированными положениями. В зависимости от положения элемента управления 17 с помощью зубчатых колес 21, 22 (положение А) и зубчатых колес 23, 24 (положение В) обеспечивается кинематическая связь входного вала 1 с валом 13, соединенным с солнечным колесом 5 дифференциала 3. Вал 15, соединенный с водилом 12 дифференциала 8, содержит элемент управления 18 с тремя фиксированными положениями. В зависимости от положения элемента управления 18 с помощью зубчатых колес 25, 26 (положение А) и с помощью зубчатых колес 27, 28 (положение В) обеспечивается кинематическую связь вала 15 с валом 14, соединенным с эпициклом 6 дифференциала 3. Вал 16, соединенный с солнечным колесом 10 дифференциала 8, содержит элемент управления 19 с тремя фиксированными положениями. В зависимости от положения элемента управления 19 с помощью зубчатых колес 29, 30 (положение А) и с помощью зубчатых колес 31, 32 (положение В) через паразитную шестерню 20 обеспечивается кинематическую связь вала 16 с выходным валом 2, соединенным с водилом 7 дифференциала 3. В положении N элементы управления 17, 18 и 19 выключены и обеспечивают свободное вращение валов, на которых они установлены.
Входной 1 и выходной 2 валы многопоточной вально-планетарной коробки передач вращаются в противоположных направлениях. Заявленная многопоточная вально-планетарная коробка передач позволяет получить 9 ступеней переднего хода и 1 ступень реверса. Паразитная шестерня 20 используется как на ступенях переднего хода, так и на ступени реверса.
Работает коробка передач следующим образом:
1. Первая ступень двухпоточная: элемент управления 17 находится в положении N, элементы 18, 19 включены в положение А, задействована блокировочная муфта 4. Входной поток мощности распределяется дифференциалом 8 между солнечным колесом 10, соединенным с валом 16, и водилом 12, соединенным с валом 15. Суммирование потоков происходит на вращающемся как единое целое дифференциале 3, на который вращение передается через вал 15, зубчатые колеса 25, 26 и через вал 16, зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30.
2. Вторая ступень трехпоточная: элементы 18 и 19 остаются в положении А, блокировочная муфта 4 выключается, элемент управления 17 из положения N переводится в положение А. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 21, 22, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 25, 26 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30.
3. Третья ступень трехпоточная: элементы управления 17 и 19 остаются в положении А, а элемент 18 переключается в положение В. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 21, 22, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 27, 28 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30.
4. Четвертая ступень трехпоточная: элементы управления 18 и 19 остаются в положении В и А соответственно, элемент 17 переключается в положение В. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 23, 24, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 27, 28 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30.
5. Пятая ступень трехпоточная: элементы управления 17 и 19 остаются в положении В, элемент 18 переключается в положение А. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 23, 24, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 25, 26 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30.
6. Шестая ступень трехпоточная: элементы управления 17 и 18 остаются в положении В и А соответственно, элемент 19 переключается в положение В. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 23, 24, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 25, 26 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 31, паразитную шестерню 20 и колесо 32.
7. Седьмая ступень трехпоточная: элементы управления 17 и 19 остаются в положении В, а элемент 18 переключается в положение В. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 23, 24, вторая часть дополнительно разделяется с помощью дифференциала 8 между валом 16 солнечного колеса 10 и валом 15 водила 12. Вал 15 через зубчатые колеса 27, 28 передает вращение на вал 14. Дифференциал 3 суммирует на водиле 7 потоки мощности от вала 13 солнечного колеса 5 и вала 14 эпицикла 6. На выходном валу 2 мощность, передаваемая водилом 7, суммируется с мощностью, передаваемой от вала 16 через зубчатое колесо 31, паразитную шестерню 20 и колесо 32.
8. Восьмая ступень двухпоточная: элементы управления 17 и 18 остаются в положении В, элемент 19 переключается в положение N и включается блокировочная муфта 9. Поток мощности разделяется на входном валу 1 на две части, одна часть передается на вал 13 через зубчатые колеса 23, 24, вторая часть на вращающийся как единое целое дифференциал 8. От дифференциала 8 вращение передается на вал 15 и далее через зубчатые колеса 27, 28 на вал 14 эпицикла 6. Дифференциал 3 суммирует вращение солнечного колеса 5, соединенного с валом 13, и эпицикла 6 на водиле 7, соединенном с выходным валом 2.
9. Девятая ступень однопоточная: элементы управления 17 и 18 остаются в положении В, блокировочная муфта 9 выключается и включается муфта 4. Вращение входного вала 1 передается на вал 13, соединенный с солнечным колесом 5 дифференциала 3, через зубчатые колеса 23, 24. Дифференциал 3 вращается как единое целое и без трансформации передает вращение солнечного колеса 5 на выходной вал 2.
10. Ступень реверса однопоточная: элементы управления 17 и 18 находятся в положении N, элемент 19 переключается в положение А, включается блокировочная муфта 9, муфта 4 выключена. Вращение входного вала 1 через эпицикл 11 и заблокированный дифференциал 8 передается на вал 16. Вал 16 через зубчатое колесо 29, паразитную шестерню 20 и колесо 30 передает вращательное вращение на выходной вал 2.
Реализуемые коробкой передач ступени в зависимости от включенных элементов управления (показаны знаком «×»), режимы работы ("-" - однопоточный; "=" - двухпоточный; "≡" - трехпоточный) приведены в таблице. R в таблице - ступень реверса. В правом столбце таблицы приведены передаточные отношения для каждой ступени от входного вала к выходному, причем, так как входной и выходной валы вращаются в противоположных направлениях, передаточные отношения ступеней переднего хода показаны со знаком «минус».
Передаточные отношения коробки передач получены при следующих соотношениях между зубчатыми колесами:
-1,5 между солнечным колесом 10 и эпициклом 11 при остановленном водиле 12;
-1,5 между солнечным колесом 5 и эпициклом 6 при остановленном водиле 7;
-1,3 между зубчатыми колесами 22 и 21;
-0,4 между зубчатыми колесами 24 и 23;
-2,0 между зубчатыми колесами 26 и 25;
-0,7 между зубчатыми колесами 28 и 27;
2,1 между зубчатыми колесами 30 и 29 через паразитную шестерню 20;
0,2 между зубчатыми колесами 32 и 31 через паразитную шестерню 20.
В отличие от описанных выше планетарных и коробок передач с неподвижными осями зубчатых колес заявленная многопоточная вально-планетарная коробка передач имеет явное преимущество по количеству многопоточных ступеней и имеет меньше элементов управления. В ней для получения девяти ступеней переднего хода и одной ступени реверса используется всего пять элементов управления (три элемента с тремя фиксированными положениями и две блокировочных муфты).