КОРОБКА ПЕРЕДАЧ И МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ШЕСТЕРЕН КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

Группа полезных моделей относится к машиностроению, точнее зубчатым передачам со ступенчатым изменением передаточного отношения для различных отраслей машиностроения, предназначена, в основном, для транспортных средств, преимущественно производственного назначения, в частности тракторов, и может быть использована как отдельная коробка передач в целом или в качестве модульного блока для создания коробок передач модульной конструкции с широким диапазоном передач.
Задача, решаемая предлагаемой группой полезных моделей, состоит в создании экономичной компактной коробки передач с высоким уровнем унификации и симплификации и улучшенными эргономическими показателями.
Известны коробки передач (патенты РФ №1463526, В 60 К 17/08, 1989 г. и №2216455, В 60 К 17/08, 2003 г.), содержащие входные и выходные валы, несколько пар шестерен постоянного зацепления, одни из которых жестко связаны с валом, а другие свободно установлены на нем, и механизм переключения шестерен с управляемым рабочим органом, выполненный с контактными элементами, взаимодействующими с ответными элементами вала и переключаемых шестерен. К недостаткам этих аналогов относится наличие дополнительных промежуточных валов с шестернями и другими элементами, что обуславливает повышенное число деталей и связей в коробке передач и не позволяет снизить ее габаритный осевой размер, а также ухудшает ее выходные параметры из-за потерь мощности в дополнительных зацеплениях, и из-за ограничений по диапазону передач, т.к. механизмы переключения предусмотрены лишь на отдельных валах, например: на входном как в конструкции по патенту РФ №1463526; на промежуточном и выходном как в конструкции по патенту РФ №2216455.
Известна коробка передач, для конструкции которой характерна компактность (патент РФ №1698536, F 16 H 3/08, 1991 г.), содержащая два параллельных вала: входной и выходной, расположенные на этих валах несколько пар шестерен постоянного зацепления, одни из которых жестко связаны с валом, а другие свободно установлены на нем, и механизм переключения шестерен, выполненный с управляемым подвижным рабочим органом, взаимодействующим с валом и переключаемыми шестернями.
Эта коробка передач по числу совпадающих существенных признаков является наиболее близким аналогом предлагаемой и определена в качестве прототипа.
В прототипе содержится пять пар шестерен постоянного зацепления. На входном валу одна шестерня жестко связана с валом, остальные на этом валу установлены свободно, на выходном валу шестерни установлены свободно. Выходной вал выполнен полым, внутри него расположена перемещаемая штоком вытяжная шпонка, являющаяся подвижным рабочим органом механизма переключения - она входит в зацепление с ответными пазами той или иной шестерни, подключая ее к валу.
Недостатки прототипа:
- сниженный КПД из-за большого числа зацеплений, т.е. длины кинематической цепочки, по которой передается мощность;
- сниженная мощность из-за наличия серьезных концентраторов напряжений на ведомом валу (он полый, и в нем имеется прорезь под вытяжную шпонку);
- повышенный осевой габарит из-за выполнения шестерен блоками при малом числе передач.
Технический результат, получаемый от реализации предлагаемой коробки передач, заключается в повышении надежности и КПД передачи, уменьшении осевого габарита коробки при расширении диапазона передач, снижении затрат на изготовление и ремонт изделия.
Достигается технический результат тем, что в коробке передач, содержащей два параллельных вала: входной и выходной, расположенные на этих валах несколько пар шестерен постоянного зацепления, одни из которых жестко связаны с валом, а другие свободно установлены на нем, и механизм переключения шестерен, выполненный с управляемым подвижным рабочим органом с контактными элементами, взаимодействующими с ответными элементами вала и переключаемых шестерен, в отличие от прототипа, на входном и выходном валах установлено, как минимум по четыре шестерни и одному упомянутому механизму переключения, шестерни на каждом валу расположены в чередующемся порядке так, что свободно установленная шестерня чередуется с шестерней жестко связанной с валом, и пара зацепления образована жесткосвязанной шестерней со свободно установленной; механизм переключения расположен на валу между двумя соседними свободно установленными шестернями и выполнен общим для них, а размещенная между ними по порядку чередования шестерня выполнена с возможностью конструктивного совмещения с механизмом переключения, например, установлена на его рабочем органе.
В частных видах исполнения коробки первая шестерня на входном валу выполнена жестко связанной с валом, либо свободно установлена на нем.
Размещение шестерен на валу в чередующемся порядке и составление пары постоянного зацепления из двух шестерен с разными видами взаимосвязи с валом (свободно установленной с жестко связанной) обеспечивает при достижении достаточно широкого диапазона передаточных отношений значительное сокращение осевого габарита коробки и при этом
цепочки передачи мощности становятся короче следовательно снижаются потери мощности и повышается КПД передачи.
Наличие механизма переключения для каждой пары свободно установленных шестерен, т.е. на каждом валу, расширяет диапазон передач, позволяет вести передачу крутящего момента по укороченным кинематическим цепочкам.
Благодаря использованию однотипных деталей и узлов в конструкции коробки достигается высокий уровень симплификации и унификации, что удешевляет изготовление и ремонт изделия в целом и отдельных его составляющих.
Размещение одной из шестерен совместно с рабочим органом механизма переключения также обеспечивает компактность коробки передач.
Известны механизмы переключения шестерен в коробках передач, содержащие подвижный вдоль вала рабочий орган, взаимодействующий выборочно с переключаемыми шестернями, в которых для обеспечения компактности коробки передач рабочий орган расположен внутри полого вала и выполнен в виде, например, вытяжной шпонки (патент РФ №1698536, F 16 3/08, 1991 г.) или вытеснительной втулки с заклинивающими телами - шариками (патент РФ №1749065, В 60 К 17/08, 1992 г.).
Недостаток этих аналогов в снижении надежности из-за того, что валы выполнены полыми и в них имеются серьезные концентраторы напряжений.
Наиболее близким аналогом предлагаемого механизма является механизм переключения коробки передач по патенту СССР №692748, В 60 К 17/08, 1979 г., выполненный общим для двух соседних свободно установленных на валу шестерен, содержащий подвижный вдоль вала от привода рабочий орган, снабженный наружными контактными элементами (шлицами) для взаимодействия с ответными элементами шестерен, расположенными на поверхности выемок, выполненных в ступицах шестерен, и внутренними (тоже шлицами) для взаимодействия с ответными элементами вала.
По числу совпадающих существенных признаков этот аналог определен в качестве прототипа предлагаемого механизма переключения.
В прототипе рабочий орган механизма выполнен составным из нескольких деталей относительно сложной конфигурации и приводится в движение через механическую многозвенную кинематику, что обуславливает большие затраты на изготовление и ремонт изделия, повышенные габариты коробки передач в целом, к тому же неудобен в эксплуатации, т.к. требует повышенных мускульных усилий оператора. Наличие большого числа деталей с связей в конструкции механизма отрицательно сказывается на КПД и надежности передач в целом.
Технический результат, получаемый от использования предлагаемого механизма переключения заключается в реализации задачи, поставленной перед группой полезных моделей: обеспечение компактности, повышении КПД и надежности коробки передач, а также в улучшении ее эргономических показателей за счет облегчения условий труда (переключения передач без больших физических усилий оператора).
Для достижения технического результата механизм переключения шестерен коробки передач, содержащий подвижный от привода вдоль вала рабочий орган, снабженный контактными элементами, например шлицами, наружными для взаимодействия с ответными элементами шестерен в выемках, выполненных в их ступицах, и внутренними для взаимодействия с ответными элементами вала, в отличие от прототипа, выполнен в виде гидроцилиндра с кольцеобразным охватывающим вал поршнем в качестве рабочего органа и электрогидросистемой управления в качестве привода. Полость цилиндра образована упомянутыми внутренними выемками в ступицах шестерен, выполненными уплотненными, и подключена к электрогидросистеме управления с возможностью обеспечения управляемого позиционирования поршня в трех положениях: двух крайних - рабочих и промежуточном - нейтральном, поршень при этом выполнен с возможностью фиксирования в его относительно вала.
Дополнительные отличия состоят в том, что:
- полость цилиндра подключена к электрогидросистеме управления каналами, выполненными в теле вала, через гидрокоммутатор, установленный на валу;
- механизм снабжен подпружиненным шариковым фиксатором, взаимодействующим выборочно с внутренними радиальными канавками на поршне.
На фиг.1 дана компоновочная схема коробки передач;
фиг.2 - общий вид коробки передач в разрезе:
фиг.3 - общий вид механизма переключения в виде гидроцилиндра с поршнем;
фиг.4 - сечение А-А по валу на фиг.3;
фиг.5 - сечение Б-Б по валу на фиг.3;
фиг.6 - сечение В-В по валу на фиг.3;
фиг.7 - поршень гидроцилиндра в разрезе;
фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.7 (вид на радиальные канавки);
фиг.9 - общий вид шестерен;
фиг.10-13 - иллюстрация работы коробки передач;
В корпусе 1 коробки передач (КП) размещены входной вал 2 и выходной вал 3 и расположенные на этих валах несколько пар, как минимум четыре, шестерен постоянного зацепления, одни из которых жестко связаны с валом, а другие свободно установлены с возможностью вращения относительно вала.
На каждом валу шестерни располагаются в следующем чередующемся порядке: свободно установленная (СУ) шестерня чередуется с шестерней жестко связанной с валом (ЖС). Так в конкретном примере исполнения КП (фиг.1;2) на валу 2 установлено две ЖС шестерни 4 и 5 и две СУ шестерни 6 и 7, т.е. начиная с ЖС шестерни, а на валу 3: две шестерни СУ 8 и 9 и две шестерни ЖС 10 и 11, т.е. начиная с СУ шестерни. Тип первой шестерни на входном валу (СУ или ЖС) варьируется исходя из конкретного конструктивного построения КП и он определяет общий порядок чередования шестерен на обоих валах этой КП, при котором каждая пара зацепления образована СУ шестерней одного вала и ЖС шестерней другого вала.
На входном валу 2 между двумя соседними СУ шестернями 6 и 7 и на выходном валу 3 также между двумя соседними СУ шестернями 8 и 9 размещены механизмы переключения 12 и 13 соответственно. Каждый из них для обеспечения компактности КП является общим для соответствующих двух шестерен и может иметь любой известный конструктивный вид, например в виде зубчатой или дисковой фрикционной гидроподжимной муфты.
Подключение шестерен к валу осуществляется при взаимодействии с ней подвижного вдоль вала рабочего органа механизма.
Наиболее эффективна в решении задачи по обеспечению компактности коробки предлагаемая конструкция механизма переключения (фиг.3), выполненного в виде трехпозиционного гидроцилиндра с кольцеобразным охватывающим вал поршнем 14 в качестве подвижного рабочего органа и внешней электрогидросистемой управления, в качестве привода, включающей в себя нагнетательные магистрали, сливную магистраль, трехпозиционные золотники, насос (на чертеже не показаны).
Полость 15 гидроцилиндра образована внутренними выемками 17 в ступицах шестерен и торцевыми уплотнительными кольцами 18 и 19 (фиг.3). Поршень 14 охватывает вал и взаимодействует с ним контактными элементами 20, например шлицами, на внутреннем диаметре. По наружному диаметру поршень 14 имеет контактные элементы 21, например шлицы, для взаимодействия с ответными контактными элементами 23, выполненными в выемках 17.
Полость 15 гидроцилиндра подключена к внешней электрогидросистеме управления через выполненные в вале каналы 24, 25 и 26, два из которых 24 и 26 выходят, соответственно, к крайним левой и правой (по чертежу) частям полости 15, канал 25 выходит к внутренней шлицевой поверхности поршня 14 так, что перекрывается в среднем положении поршня 14 и открывается, когда поршень 14 находится в одном из крайних положений. Для подвода управляющего давления к полости 15, обеспечивающего управляемое позиционирование поршня 14 в трех положениях: двух крайних (рабочих) и промежуточном (нейтральном), служит закрепленный на вале гидрокоммутатор 27, каналы которого 28, 29 и 30 подключены к электрогидросистеме управления, и с которыми каналами 24, 25, 26 связана полость 15.
Для фиксации заданного положения поршня 14 при снятии давления в механизме переключения имеется подпружиненный шариковый фиксатор 31, выборочно взаимодействующий с одной из трех канавок 32, выполненных на внутреннем диаметре поршня.
Механизмы переключения 12 и 13 выполнены идентично и подключены к общей упомянутой электрогидросистеме управления.
При размещении между двумя соседними СУ шестернями 6 и 7 еще одной шестерни ЖС 5 (фиг.3), шестерня 5 устанавливается с помощью шлицевого соединения на поршне 14 и внутренняя поверхность ее ступицы при этом является частью, образующей полость 15. Поршень 14 при этом в нейтральном положении находится полностью в контакте с шестерней 5, а при перемещении в одно из крайних положении, контактирует с ней  своей поверхности. Таким образом, через цепочку шестерня-поршень-вал эта шестерня постоянно жестко связана с валом. Для предохранения от осевых смещений этой шестерни предусмотрены упорные кольца 33 и 34, выполненные из антифрикционного материала. Одновременно эти кольца уплотняют полость 15.
Переключение шестерен осуществляется следующим образом.
Перемещение поршня 14 происходит за счет перепада давлений масла, подводимого по каналам 24, 25, 26. В начальный момент масло подводится одновременно по всем трем каналам, при этом поршень 14 остается в том положении, которое он занимал ранее до наступления момента переключения передач. Перемещение поршня 14 произойдет после того, как в одном из каналов будет снято давление масла за счет соединения со сливной магистралью электрогидросистемы управления. При этом понижение давления масла в полости 15 слева или справа от поршня 14 приведет к его перемещению до упора в сторону низкого давления. Для перемещения поршня 14 в нейтральное положение снимается давление в канале 25, при этом поршень начнет перемещаться пока не перекроет канал 25, тогда давления справа и слева от поршня 14 выровняются и поршень займет нейтральное положение.
После окончания процесса переключения передач давление в каналах должно быть снято, а нужное положение поршня поддерживается фиксатором 31.
Описание работы КП с предлагаемым механизмом переключения дано на конкретном примере выполнения ее с четырьмя парами шестерен постоянного зацепления (фиг.10-13).
В исходном положении (фиг.2) ни одна из свободно установленных шестерен 6, 7, 8, 9 не соединена со своим валом, т.е. поршни 14 и 14' механизмов переключения 12 и 13 находятся в среднем нейтральном положении, соответственно крутящий момент с вала 2 на вал 3 не передается. Чтобы включить передачу необходимо одну из свободно установленных шестерен 6, 7, 8 или 9 соединить со своим валом. Так как каждая пара зацепления образована одной свободно установленной шестерней и одной шестерней, имеющей жесткую связь со своим валом, то после соединения
свободно установленной шестерни с валом, будет осуществляться передача крутящего момента с вала 2 на вал 3.
Соединение свободно установленных шестерен 6 или 7 с валом 2 осуществляется смещением поршня 14 соответственно в левое или правое положение.
Для того чтобы сместить поршень 14 в левое положение, канал 26 соединяется с нагнетательной магистралью электрогидросистемы управления, а канал 24 - со сливом, канал 25 закрыт. Для смещения поршня 14 в правое положение, канал 24 соединяется с нагнетательной магистралью электрогидросистемы, а канал 26 - со сливом, канал 25 закрыт. Для того чтобы сместить поршень 14 в среднее положение из любого крайнего, необходимо канал 25 соединить со сливом, а каналы 24 и 26 - с нагнетательной магистралью электрогидросистемы, тогда поршень 14 будет смещаться в среднее положение до тех пор, пока не перекроет канал 25 и давление в крайних частях полости 15 не сравняется. После включения передачи давление в каналах снимается, а поршень 14 удерживается в заданном положении при помощи шарикового фиксатора 31.
Аналогичным образом происходит работа механизма переключения 13 свободно установленных шестерен 8 и 9 вала 3 при управляемом трехпозиционном перемещении поршня 14'.
Первая ступень.
Крутящий момент передается с вала 2 на жестко сидящую на нем шестерню 4, с шестерни 4 на свободно установленную на валу 3 шестерню 8, со шлицов на ступице шестерни 8 на наружные шлицы поршня 14', с поршня 14' на вал 3.
Вторая ступень.
Крутящий момент передается с вала 2 на шестерню 5 через поршень 14, с шестерни 5 на свободно установленную на валу 3 шестерню 9, со шлицов на ступице шестерни 9 на наружные шлицы поршня 14', с поршня 14' на вал 3.
Третья ступень.
Крутящий момент передается с вала 2 на поршень 14, с внешних шлицев поршня 14 на шлицы ступицы свободно установленной на валу 2 шестерни 6, с шестерни 6 на шестерню 10, с шестерни 10 на поршень 14',с поршня 14' на вал 3.
Четвертая ступень.
Крутящий момент передается с вала 2 на поршень 14, с внешних шлицев поршня 14 на шлицы ступицы свободно установленной на валу 2 шестерни 7, с шестерни 7 на жестко установленную на валу 3 шестерню 11, с шестерни 11 на вал 3.
Выполнение механизма переключения за счет поверхностей шестерен делает его максимально компактным, его размещение не требует дополнительного места и, значит, способствует снижению осевого габарита коробки.
Использование в качестве управляющего привода гидравлического давления снижает усилия переключения, облегчает условия труда оператора транспортного средства, способствует автоматизации переключения, повышает эргономические показатели коробки передач.
Такой механизм переключения, управляемый гидравлически, является наиболее простым по конструкции и имеет меньшие габариты по сравнению с управляемыми механически (рычажными) приводами.