КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
GEARBOX

Изобретение 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.
Известно изобретение - коробка передач с двумя сцеплениями, например [Патент DE 19821164 Doppelkupphmgsgetriebe от 18.11.1999]. Пары зубчатых колес, расположенные на промежуточных валах коробок передач этого типа, соединяются с валами с помощью муфт. А промежуточные валы поочередно соединяются с валом источника мощности с помощью двух фрикционных сцеплений. Такая разветвленная компоновка позволяет реализовать предварительную подготовку следующей ступени непосредственно до ее включения за счет соединения ненагруженного промежуточного вала с зубчатой парой следующей передачи. После этого одно сцепление выключается, а второе включается, что позволяет осуществить переключение почти без разрыва потока мощности. Муфты имеют три положения: 1) свободное вращение; 2) соединение вала с зубчатой парой слева; 3) соединение вала с зубчатой парой справа.
Рассматриваемая коробка передач имеет шесть ступеней переднего хода и одну ступень заднего хода, при этом содержит два сцепления, три муфты с тремя положениями и одну муфту с двумя положениями. Существенным недостатком коробок передач с двумя сцеплениями является то, что каждая ступень реализуется отдельной зубчатой парой при включении соответствующей муфты. В результате каждая дополнительная ступень приводит к увеличению числа используемых механизмов и элементов управления, а также к росту габаритных размеров и массы конструкции.
Известны дифференциальные коробки передач, состоящие из планетарных механизмов. Количество ступеней в них определяется числом и типом планетарных механизмов, а также количеством управляемых муфт и тормозов. Например, 6-ступенчатая коробка передач (патент US 6729990 Automatic Gearbox от 04.05.2004) имеет 3 муфты, 2 тормоза и состоит из так называемого редуктора Равинье и однорядного планетарного механизма. А конструкция 7-ступенчатой коробки передач (патент US 6302820 Planetary Speed Change Transmission от 16.10.2001) содержит 2 муфты, 4 тормоза, 1 муфту свободного хода, редуктор Равинье и два однорядных планетарных механизма. В 8-ступенчатой коробке передач (патент WO 2006/074707 Multispeed Transmission от 20.07.2006) используются 3 муфты, 2 тормоза и 4 однорядных планетарных механизма. 9-ступенчатая планетарная коробка (ZF Friedrichshafen Brochure: "Heading for a whole new dimension" http://www.zf.com/corporate/en/products/innovations/9hp_automatic transmission/9hp_auto matic transmission.html дата обращения 20.02.2013) содержит 3 муфты, 3 тормоза и столько же однорядных механизмов, что и 8-ступенчатая, с целью уменьшения габаритных размеров коробки передач два из них скомпонованы один над другим.
Таким образом, с ростом количества ступеней растет число и сложность используемых механизмов и увеличивается число элементов управления.
Коробка передач, известная по патенту JP 4425208 (03.03.2010), предлагается в качестве наиболее близкого прототипа. Она позволяет получить шесть ступеней переднего хода, одну ступень заднего хода с помощью 6 элементов управления (четырех муфт и двух тормозов). Данное устройство содержит неподвижный корпус, входной и выходной дифференциалы, каждый из которых составлен из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса, эпицикла и водила, несущего сателлиты; входное звено, соединенное с солнечным колесом входного дифференциала, выходное звено, зубчатые колеса, управляемые муфты, валы, соединенные со звеньями дифференциалов, и кинематические связи между валами, включаемые с помощью управляемых муфт.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактной коробки передач, в которой при малом количестве зубчатых пар и управляемых муфт достигается большее количество ступеней.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик коробки передач за счет расширения диапазона передаточных отношений, повышении КПД, снижении металлоемкости и габаритных размеров конструкции.
Указанный технический результат в коробке передач, содержащей неподвижный корпус, входной и выходной дифференциалы, каждый из которых составлен из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса, эпицикла и водила, несущего сателлиты; входное звено, соединенное с солнечным колесом входного дифференциала, выходное звено, зубчатые колеса, управляемые муфты, валы, соединенные со звеньями дифференциалов, и кинематические связи между валами, включаемые с помощью управляемых муфт, достигается тем, что она содержит паразитную шестерню и управляемые блокировочные муфты для соединения эпицикла с водилом входного дифференциала и эпицикла с солнечным колесом выходного дифференциала, а кинематические связи выполнены между валом эпицикла входного дифференциала и неподвижным корпусом, между валом эпицикла входного дифференциала и валом солнечного колеса выходного дифференциала через паразитную шестерню, между валом водила входного дифференциала и валом солнечного колеса выходного дифференциала, между валом солнечного колеса выходного дифференциала и неподвижным корпусом, между валом эпицикла выходного дифференциала и неподвижным корпусом, между валом водила входного дифференциала и эпициклом выходного дифференциала, водило которого несет сателлиты в виде одинарных зубчатых колес и соединено с выходным звеном.
Кинематические связи между валами могут быть выполнены в виде постоянно находящихся в зацеплении зубчатых колес, установленных на валах.
Кинематические связи между валом эпицикла входного дифференциала и валом солнечного колеса выходного дифференциала, между валом водила входного дифференциала и валами солнечного колеса и эпицикла выходного дифференциала могут содержать дополнительные валы с закрепленными на них зубчатыми колесами.
Управляемые муфты могут быть выполнены с тремя фиксированными положениями, обеспечивающими свободное вращение вала, соединение вала с зубчатым колесом, соединение вала с неподвижным корпусом.
Изобретение иллюстрируют чертежи. На фиг.1 представлен вариант компоновки заявленной коробки передач, в которой дифференциалы и, соответственно, входное и выходное звенья не соосны, а вращения входного и выходного звеньев разнонаправлены на ступенях переднего хода. На фиг.2 представлен вариант коробки передач, в которой дифференциалы, входное и выходное звенья соосны, а их вращения совпадают по направлению. На фиг.3 - компоновка коробки передач по схеме фиг.1, в которой муфты имеют три фиксированных положения. Аналогично, на фиг.4 представлена компоновка коробки передач по схеме фиг.2 с управляемыми муфтами, имеющими три положения.
Коробка передач содержит: неподвижный корпус 1, входной дифференциал 2, составленный из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса 3, эпицикла 4 и водила 5 с сателлитами 6; выходной дифференциал 7, составленный из взаимодействующих между собой звеньев: солнечного колеса 8, эпицикла 9 и водила 10 с сателлитами 11, выполненными в виде одинарных зубчатых колес; входное звено 12, соединенное с солнечным колесом 3 входного дифференциала 2; выходное звено 13, соединенное с водилом 10 выходного дифференциала 7; валы 14, 15, 16 и 17, соединенные соответственно с эпициклом 4, водилом 5 входного дифференциала 2 и солнечным колесом 8 и эпициклом 9 выходного дифференциала 7.
Кинематическая связь между валом 14 эпицикла 4 входного дифференциала 2 и неподвижным корпусом 1 реализована управляемой муфтой 18А, а между тем же валом 14 и валом 16 солнечного колеса 8 выходного дифференциала 7 - зубчатыми колесами 19, 20, паразитной шестерней 21 и управляемой муфтой 18В (фиг.1, 3). Кинематическая связь между валом 15 водила 5 входного дифференциала 2 и валом 16 солнечного колеса 8 выходного дифференциала 7 содержит управляемую муфты 22В и зубчатые колеса 23 и 24, а муфтой 22А вал 16 соединяется с корпусом 1. Кинематическая связь между валом 17 эпицикла 9 выходного дифференциала 7 и валом 15 водила 5 входного дифференциала 2 включает управляемую муфту 25В и зубчатые колеса 26, 27. Муфтой 25А вал 17 эпицикла 9 выходного дифференциала 7 связывается с неподвижным корпусом 1. Коробка передач содержит также управляемые блокировочные муфты 28 и 29, соединяющие соответственно эпицикл 4 с водилом 5 входного дифференциала 2 через валы 14, 15 и солнечное колесо 8 с эпициклом 9 выходного дифференциала 7 через валы 16 и 17.
В схемах коробки передач на фиг.1 и фиг.3 вышеописанные кинематические связи выполнены в виде постоянно находящихся в зацеплении зубчатых колес, установленных на соответствующих валах.
В схемах коробки передач на фиг.2 и фиг.4 кинематические связи между валом 14 эпицикла 4 входного дифференциала 2 и валом 16 солнечного колеса 8 выходного дифференциала 7, а также между валом 15 водила 5 входного дифференциала 2 и валами 16, 17 солнечного колеса 8 и эпицикла 9 выходного дифференциала 7 содержат дополнительные валы 30 и 31 с закрепленными на них зубчатыми колесами 32, 33 и 34.
В схемах коробки передач на фиг.1 и фиг.2 для включения кинематических связей и соответствующих ступеней используются двухпозиционные управляемые муфты 18А, 18В, 22А, 22В, 25А, 25В, 28 и 29 с общим количеством независимых состояний, равным 16. Для сокращения общего числа муфт, снижения потерь в незадействованных муфтах, упрощения контроля их состояний и алгоритма управления коробкой передач целесообразно вместо первых шести указанных двухпозиционных муфт использовать три муфты, каждая из которых имеет три фиксированных положения, обеспечивающих свободное вращение вала (состояние N), соединение вала с зубчатым колесом (В), соединение вала с неподвижным корпусом (А). В этом случае общее количество управляемых муфт уменьшится с 8 до 5, а число их независимых состояний сократится до 13.
Расположение трехпозиционных муфт на валах заявляемой коробки передач показано на фиг.3 и фиг.4. Здесь муфты 18А и 18В заменены трехпозиционной муфтой 18; муфты 22А и 22В - муфтой 22, а муфты 25А и 25В - муфтой 25.
Важно отметить, что в коробках передач с неподвижными осями колес паразитная шестерня используется для реверсирования направлений вращения валов и получения ступеней заднего хода. В заявляемой коробке передач паразитная шестерня 21 используется как для ступеней переднего, так и заднего хода. В предложенной кинематической схеме коробки передач ступени заднего хода можно получить только при одновременном включении муфт 18В и 28. В этом случае дифференциал 2 блокируется, вращается как единое целое, а направление вращения выходного звена изменится на противоположное.
Заявленная коробка передач позволяет получить 13 ступеней переднего хода и 2 ступени заднего хода. Она имеет четыре степени свободы, то есть для реализации каждой ступени должны быть одновременно включены три элемента управления.
Работает коробка передач (фиг.1, 3) следующим образом (указываются только включенные муфты, неуказанные муфты не включены или находятся в состоянии N):
- первая ступень: включены муфты 18В, 22В, 25А. Дифференциал 2 распределяет входной поток мощности между эпициклом 4 и водилом 5. Суммирование потоков происходит на валу 16, далее движение передается на солнечное колесо 8 и через дифференциал 7, работающий как редуктор с остановленным эпициклом 9, на выходное звено 13;
- вторая ступень: включены муфты 18А, 25А, 22В. Оба дифференциала работают как редукторы с остановленными эпициклами. Вращение от входного звена 12 передается последовательно на вал 15, зубчатые колеса 24 и 23 на солнечное колесо 8 и далее на выходное звено 13;
- третья ступень: включены муфты 18В, 22В и блокировочная муфта 29. Дифференциал 2 распределяет входной поток мощности между эпициклом 4 и водилом 5. Суммирование потоков происходит на валу 16, далее движение передается на заблокированный дифференциал 7, вращающийся как единое целое;
- четвертая ступень: включены муфты 18В, 22В и 25В. Дифференциал 2 распределяет входной поток мощности, а дифференциал 7 - суммирует. Задействованы все имеющиеся зубчатые колеса и валы, передача движения происходит параллельно через все звенья коробки передач;
- пятая ступень: включены муфты 25А, 22В и блокировочная муфта 28. При этом дифференциал 2 блокируется и вращается как единое целое, далее вращательное движение передается через зубчатые колеса 24 и 23 на дифференциал 7, работающий как редуктор с остановленным эпициклом 9;
- шестая ступень: включены муфты 18А, 22В и блокировочная муфта 29. Дифференциал 2 работает как редуктор при остановленном эпицикле 4. Водило 5, соединенное с валом 15, передает движение через зубчатые колеса 24 и 23 на заблокированный и вращающийся как единое целое дифференциал 7;
- седьмая ступень: включены муфты 18А, 22А и 25В. Дифференциалы 2 и 7 работают как редукторы, первый с остановленным эпициклом 4, а второй с остановленным солнечным колесом 8. Передача движения осуществляется через водило 5, зубчатые колеса 26, 27 и эпицикл 9;
- восьмая ступень: включены муфты 22В, 25В и 18А. Дифференциал 2 работает как редуктор, а дифференциал 7 суммирует два потока мощности, разделенные на валу 15;
- девятая ступень: включены муфты 18А, 25В и блокировочная муфта 29. Дифференциал 2 работает как редуктор при остановленном эпицикле 4. Водило 5, соединенное с валом 15, передает движение через зубчатые колеса 24 и 23 на заблокированный и вращающийся как единое целое дифференциал 3;
- десятая ступень: включена муфта 22В и обе блокировочные муфты 28 и 29. Оба дифференциала заблокированы и вращаются как единое целое, передача движения между ними производится через зубчатые колеса 24 и 23;
- одиннадцатая ступень: включены муфты 22А, 25В и блокировочная муфта 28. Дифференциал 2 заблокирован, передача движения происходит через зубчатые колеса 26 и 27 на эпицикл 9 дифференциала 7, работающего как редуктор с остановленным солнечным колесом 8;
- двенадцатая ступень: включены муфты 22В, 25В и блокировочная муфта 28. Дифференциал 2 заблокирован, входной поток мощности передается на вал 15, разделяется и проходит через зубчатые колеса 24, 23 и 26, 27, а затем суммируется на дифференциале 7;
- тринадцатая ступень: включена муфта 25В и обе блокировочные муфты 28 и 29. Дифференциалы 2 и 3 заблокированы и вращаются как единое целое, передача движения между ними производится через зубчатые колеса 26 и 27;
- первая ступень заднего хода: включены муфты 18В, 25А и блокировочная муфта 28. Дифференциал 2 заблокирован и вращается как единое целое, направление вращения эпицикла 4 при этом совпадает с направлением вращения солнечного колеса 3. Реверсирование направления осуществляется с помощью паразитной шестерни 21. Дифференциал 3 работает как редуктор с остановленным эпициклом 9;
- вторая ступень заднего хода: включена муфта 18В и блокировочные муфты 28 и 29. Оба дифференциала заблокированы и вращаются как единое целое, передача движения происходит через зубчатые колеса 19 и 20 с паразитной шестерней 21. Реализуемые коробкой передач ступени в зависимости от включенных элементов управления (показаны знаком «x») сведены в таблицу. R1 и R2 в таблице означают ступени заднего хода.
№ ступени
Состояние элементов управления
Передаточное отношение
18
22
25
28
29
«А»
«B»
«А»
«В»
«А»
«В»
1
x
x
x
27,8
2
x
x
x
12,0
3
x
x
x
9,3
4
x
x
x
6,0
5
x
x
x
4,8
6
x
x
x
4,0
7
x
x
x
3,3
8
x
x
x
2,6
9
x
x
x
2,2
10
x
x
x
1,6
11
x
x
x
1,3
12
x
x
x
1,0
13
x
x
x
0,9
R1
x
x
x
10,6
R2
x
x
x
3,5
В правом столбце таблицы приведены результаты расчета передаточных отношений для каждой ступени при следующих соотношениях между зубчатыми колесами коробки передач (фиг.1, 3):
- -1,5 между солнечным колесом 3 и эпициклом 4 при остановленном водиле 5;
- 3,528 между зубчатыми колесами 19 и 20 через паразитную шестерню 21;
- -1,595 между зубчатыми колесами 24 и 23;
- -0,873 между зубчатыми колесами 26 и 27;
- -2,0 между солнечным колесом 8 и эпициклом 9 при остановленном водиле 10.
Для кинематических схем коробки передач, представленных на фиг.2 и 4, указанные выше тринадцать ступеней переднего хода и две ступени заднего реализуются при той же комбинации включенных элементов управления. Отличием является только то, что при включении соответствующих кинематических связей движение передается через дополнительные зубчатые колеса 32, 33 и 34 и валы 30 и 31.
В отличие от описанных выше дифференциальных и коробок передач с двумя сцеплениями заявленная коробка передач имеет явное преимущество по количеству ступеней и используемому числу элементов управления. В ней для получения тринадцати ступеней переднего хода и двух ступеней заднего хода используется всего пять элементов управления (три муфты с тремя состояниями и две муфты с двумя состояниями).
Варианты компоновки коробки передач на фиг.1 и 3 отличаются минимальными радиальными габаритными размерами и максимальным КПД, так как содержат минимальное число зубчатых пар. КПД вариантов компоновки коробки передач, представленных на фиг.2, 4, несколько ниже, но может иметь минимальные осевые габаритные размеры и повышенную крутильную жесткость валов за счет их уменьшенной длины.
Дополнительным преимуществом коробки передач является увеличение передаточного отношения последовательно от механизма к механизму даже при параллельной передаче мощности, что гарантирует отсутствие возможных в коробках передач этого типа циркулирующих мощностей, которые приводят к существенному увеличению нагрузок на звенья передачи, снижению КПД, повышенному износу механизмов и т.п.