Соосная трехвальная восьмиступенчатая реверсивная раздаточная коробка
COAXIAL THREE-SHAFT EIGHT-SPEED REVERSIBLE TRANSFER CASE

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к трансмиссии транспортных машин.
Известны агрегаты трансмиссии со ступенчатым изменением передаточных чисел, содержащие шестерни, валы, опоры, устройства переключения передач, применяемые на отечественных и зарубежных автомобилях. (Автомобили: Конструкция, конструирование и расчет. Трансмиссия. / Под ред. А.И. Гришкевича. Мн.: Выш. шк., 1985. - 240 с.).
Эти агрегаты конструктивно сложны, металлоемки.
Наиболее близкой по устройству и принципу работы к предлагаемой МРКМ (многоступенчатой раздаточной коробке малой металлоемкости) является соосная трехвальная РК типа 8R4 по методу свободной установки шестерен на валах по патенту RU №2183565. (Бюл. №17 от 20.06.2002. Автор Некрасов В.И.).
В РК типа 8R4 четыре пары шестерен обеспечивают 8 передач для движения вперед, а ряд из трех шестерен - 4 передачи заднего хода. Переключение передач осуществляется тремя муфтами: одна из них - трехпозиционная, две - сдвоенные, состоящие из двухпозиционных, противоположно развернутых муфт одностороннего действия, управляемых каждая одной вилкой переключения. На выходе вторичного вала установлен межмостовой симметричный конический дифференциал.
Многопарное зацепление в РК позволяет снизить максимальное передаточное число пары шестерен, уменьшить расстояние между валами, габариты и металлоемкость агрегата. Крайние пары шестерен работают только в одном направлении: первая пара от первичного вала к промежуточному, четвертая пара от промежуточного к вторичному. Средние пары шестерен могут трансформировать крутящий момент в обоих направлениях.
Недостаток описанного трансмиссионного агрегата заключается в ограничении эксплуатационных характеристик транспортного средства из-за отсутствия реверса и ограниченного количества передач заднего хода, необходимых для ряда дорожно-строительных машин; торцевое включение шестерен заднего хода снижает работоспособность агрегата из-за торцевого износа зубьев шестерен и повышенного шума при включении передач заднего хода.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных возможностей транспортного средства.
Поставленная задача решается за счет замены ряда шестерен заднего хода на конический редуктор реверса, состоящий из трех конических шестерен и трехпозиционной муфты переключения, а также установки межмостового дифференциала на выходе вторичного вала. Входной вал редуктора реверса можно установить как параллельно, так и перпендикулярно валам МРКМ.
Указанный технический результат достигается тем, что:
1. Соосная трехвальная восьмиступенчатая реверсивная раздаточная коробка, содержащая корпус, в опорах которого соосно расположены первичный и вторичный валы и параллельно им вал привода переднего моста, на параллельных валах свободно установлены четыре пары шестерен, на первичном и вторичном валах около крайних пар шестерен закреплены зубчатые венцы с расположенными на них трехпозиционными муфтами переключения, на зубчатых венцах средних пар шестерен установлена сдвоенная муфта с противоположно развернутыми муфтами одностороннего действия, взаимосвязанных общей вилкой переключения, на выходе вторичного вала установлен дифференциал, одна из шестерен которого парой цилиндрических шестерен соединена с валом привода переднего моста, а вторая шестерня закреплена на валу привода заднего моста, при этом опора первичного вала во вторичном валу расположена около задней стенки корпуса, редуктор реверса состоит из простого трехзвенного планетарного механизма, имеющего водило с осями и сателлитами, которые зацеплены с двумя одинаковыми коническими шестернями, одна из них закреплена на входе первичного вала, вторая - на входном валу, установленном соосно первичному валу, на входном валу закреплен зубчатый венец, рядом с ним установлены два зубчатых венца, на которых расположена муфта переключения, один венец закреплен на стенке корпуса, другой - на трубчатом валу привода водила; вторичный вал парой цилиндрических шестерен соединен с водилом дифференциала, муфта блокировки дифференциала расположена на зубчатых венцах, закрепленных на водиле и одной из шестерен.
2. Соосная трехвальная восьмиступенчатая реверсивная раздаточная коробка по пункту 1, при этом опора вторичного вала расположена в наконечнике первичного вала около редуктора реверса, перпендикулярно первичному валу установлен входной вал этого редуктора с закрепленной на нем конической шестерней, зацепленной с двумя шестернями с зубчатыми венцами, свободно расположенными на длинном первичном валу, на котором между шестернями закреплен зубчатый венец с расположенной на нем трехпозиционной муфтой переключения.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема соосной трехвальной восьмиступенчатой реверсивной раздаточной коробки (8 передач переднего хода и 8 передач заднего хода), содержащей 8 цилиндрических шестерен и три муфты переключения передач. Входной вал конического редуктора реверса расположен соосно первичному и вторичному валам МРКМ. Межмостовой несимметричный цилиндрический дифференциал получает привод от вторичного вала по паре цилиндрических шестерен. Солнечная шестерня дифференциала закреплена непосредственно на валу привода переднего моста.
На фиг. 2 представлена кинематическая схема соосной трехвальной восьмиступенчатой реверсивной раздаточной коробки. Входной вал конического редуктора реверса расположен перпендикулярно первичному и вторичному валам МРКМ. Межмостовой симметричный конический дифференциал получает привод от вторичного вала по паре цилиндрических шестерен. Коническая шестерня дифференциала закреплена непосредственно на валу привода переднего моста.
На соосной трехвальной восьмиступенчатой реверсивной раздаточной коробки (кинематическая схема не представлена) входной вал конического редуктора реверса расположен перпендикулярно первичному и вторичному валам МРКМ. На выходе вторичного вала расположен межмостовой несимметричный цилиндрический дифференциал. Привод на передний мост от солнечной шестерни по паре цилиндрических шестерен.
a
Под фиг. 1,2 приведены буквенные обозначения пар шестерен (, b, c, d).
а
а
На фиг. 3 представлена структурная лучевая диаграмма этих МРКМ с таблицей положений муфт переключения на различных передачах. В нижней части таблицы над номерами передач обозначены включенные в работу пары шестерен (b-с, Пр., -с, -b, b-d, c-d и т.д.). На горизонтальных шкалах в логарифмическом виде приведены величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Верхняя горизонталь соответствуют передаточным числам на вторичном валу, нижняя горизонталь - на промежуточном валу. Точка 0 (7) на верхней горизонтали - вход крутящего момента на МРКМ от конического редуктора реверса. Обозначения пар шестерен указаны на лучах. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы. Обозначение «ВАС» под таблицей указывает на порядок работы муфт переключения: первая буква «В» - муфта изменяет свое положение при каждом последовательном переключении передач; «А» - после двух переключений; «С» - после четырех последовательных переключений передач.
На фиг. 1 в опорах корпуса МРКМ 1 соосно установлены первичный 2 и вторичный 3 валы, параллельно им расположен вал 4 привода переднего моста. На соосных первичном 2 и вторичном 3 валах свободно установлены шестерни 5-8. На валу 4 свободно установлены шестерни 9-12, зацепленные с шестернями 5-8 соответственно. Шестерни 9 и 10, а также 11 и 12 объединены в блоки трубчатыми валами 13 и 14. Зубчатый венец 15, с установленной на нем трехпозиционной муфтой переключения 16 (А), закреплен на первичном валу 2 между шестернями 5 и 6. Зубчатый венец 17, с установленной на нем трехпозиционной муфтой переключения 18 (С), закреплен на вторичном валу 3 между шестернями 7 и 8. У сдвоенной муфты «В» верхняя муфта 19, установленная на зубчатых венцах между шестернями 6 и 7, нижняя противоположно развернутая муфта 20, установленная на зубчатых венцах между шестернями 10 и 11, соединены вилкой переключения 21. Ведомая коническая шестерня 22 редуктора реверса закреплена на входе первичного вала 2. Ведущая коническая шестерня 23 редуктора реверса закреплена на входном валу 24, на котором также закреплен зубчатый венец 25, вал 24 установлен соосно первичному валу 2. Рядом с венцом 25 расположен зубчатый венец 26, закрепленный на трубчатом валу 27 привода водила 28 с осями 29 и сателлитами 30, зацепленными с коническими шестернями 22 и 23. Рядом с зубчатыми венцами 25 и 27 на стенке корпуса 1 закреплен зубчатый венец 31. Между этими зубчатыми венцами расположена муфта 32 (R) переключения режима работы конического редуктора реверса. На вторичном валу 3 закреплена цилиндрическая шестерня 33, зацепленная с шестерней 34 привода водила 35 несимметричного цилиндрического дифференциала с осями 36 и сателлитами 37, зацепленными с солнечной шестерней 38 и эпициклическим колесом 39. Солнечная шестерня 38 закреплена на валу 4 привода переднего моста, а корпус 40 эпициклического колеса 39 закреплен на валу 41 привода задних мостов. На водиле 35 закреплен зубчатый венец 42, а на корпусе 40 зубчатый венец 43 с расположенной на нем муфтой 44 блокировки дифференциала.
На фиг. 2 входной вал 24 с закрепленной на нем конической шестерней 23 установлен перпендикулярно первичному валу 2. Зубчатый венец 25 закреплен на входе первичного вала 2, конические шестерни 22 и 30 оснащены зубчатыми венцами и расположены с двух сторон относительно зубчатого венца 25 первичного вала 2. В наконечнике первичного вала 2 установлен вторичный вал 3. Ведомая цилиндрическая шестерня 34 закреплена на корпусе-водиле 35 симметричного конического дифференциала. Сателлиты 37 зацеплены с коническими шестернями 38 и 39, имеющими одинаковое число зубьев. Шестерня 38 закреплена на валу 4 привода переднего моста, а шестерня 39 закреплена на валу 41 привода заднего моста. Зубчатый венец 42 закреплен на трубчатом валу 45 водила 35, а зубчатый венец 43 с расположенной на нем муфтой 44 блокировки дифференциала закреплен на валу 41.
Водило несимметричного цилиндрического дифференциала (кинематическая схема не представлена) закреплено непосредственно на вторичном валу. На трубчатом валу закреплены солнечная шестерня и цилиндрическая шестерня, зацепленная с шестерней, закрепленной на валу привода переднего моста.
Работа МРКМ осуществляется следующим образом:
На фиг. 1 конический редуктор реверса представляет собой простой трехзвенный ПМ (планетарный механизм), состоящий из водила 28 с осями 29 и расположенными на них сателлитами 30, зацепленными с шестернями 22 и 23. Так как шестерни 22 и 23 имеют одинаковое число зубьев, то внутренний параметр такого ПМ К=1. Часто такой ПМ используется в качестве симметричного дифференциала, у которого все звенья свободны, он поровну распределяет подведенный к нему крутящий момент. Если остановить одно из звеньев ПМ, то получим редуктор.
На фиг. 1 конический редуктор реверса заблокирован, муфта 32 (R) в левом положении (см. верхний вид) замкнула зубчатый венец 25 входного вала 24 с ведущей шестерней 23 и зубчатый венец 26 трубчатого вала 27 с водилом 28. От входного вала 24, по зубчатому венцу 25, муфте 32, зубчатому венцу 26 и по заблокированному редуктору реверса крутящий момент напрямую поступает на первичный вал 2.
При переключении муфты 32 в правое положение (см. нижний вид) водило 28 трубчатым валом 27, зубчатыми венцами 26-31 и муфтой 32 остановлено относительно корпуса 1, ПМ преобразовался в редуктор. Крутящий момент от входного вала 24 поступает на ведущую коническую шестерню 23, сателлитами 30, вращающимися на осях 29 остановленного водила 28, передается на ведомую коническую шестерню 22, которая вращает первичный вал 2 в противоположном направлении.
На фиг. 2 при левом положении муфты 32 (R) крутящий момент от входного вала 24 ведущей конической шестерней 23 передается на левую ведомую шестерню 30, по муфте 32 на зубчатый венец 25 и первичный вал 2.
При переключении муфты 32 в правое положение крутящий момент от входного вала 24 ведущей конической шестерней 23 передается на правую ведомую шестерню 22, по муфте 32 на зубчатый венец 25 и первичный вал 2, который вращается в противоположном направлении.
Первая передача (a-b-c-d)
Муфта А находится в левом (Л) положении, В и С - в правом положении (см. таблицу фиг. 3, справа над т. 1).
На лучевой диаграмме (см. фиг. 3) эта передача представлена четырьмя лучами: луч «а» выходит из т. 0 (7) на верхней горизонтали и направлен направо вниз под т. 5 и 6, далее крутой луч «b» направо вверх к т. 5, затем луч «с» направо вниз и пологий луч «d» направо вверх к точке 1.
Крутящий момент от входного вала 24 конического редуктора реверса (см. фиг. 1) передается на первичный вал 2, по зубчатому венцу 15 и муфте 16 (А) на первую пару шестерен 5-9 (а), по нижнему трубчатому валу 13 блока шестерен 9 и 10, по второй паре шестерен 10-6 (b), по верхней муфте 19, по третьей паре шестерен 7-11 (с), далее по трубчатому валу 14 на четвертую пару шестерен 12-8 (d), по муфте 18 (С) на зубчатый венец 17 и вторичный вал 3.
От вторичного вала 3 крутящий момент поступает на пару цилиндрических шестерен 33-34, водило 35, оси 36 и сателлиты 37. От сателлитов 37 одинаковые силы приходят на шестерни 38 и 39, произведение сил на радиус их действия создает крутящие моменты.
На фиг. 1 дифференциал несимметричный, если внутренний параметр, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса 39 к числу зубьев солнечной шестерни 38, составит К=2, то на солнечную шестерню 38 и вал 4 привода переднего моста поступит 1/3 часть крутящего момента, а на эпициклическое колесо 39 и вал 41 привода задних мостов - 2/3 крутящего момента, поступившего на водило 35. Такой дифференциал применяют на полноприводных автомобилях с колесной формулой 6×6.
На фиг. 2 дифференциал симметричный, К=1, шестерни 38 и 39 при одинаковом числе зубьев поровну распределяют крутящий момент, поступивший на водило 35, на валы 4 и 41 привода переднего и заднего мостов. В сложных дорожных условиях дифференциал блокируется при замыкании муфтой 44 зубчатых венцов 43 вала 41 и 42 водила 35. Симметричный дифференциал с внутренним параметром К=1,0 применяют на НТС с колесной формулой 4×4 или 8×8.
Вторая передача (a-d)
Переключаем сдвоенную муфту В в левое положение - выключаем из работы вторую и третью пары шестерен.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют два луча луч «а» выходит из т. 0 и направлен направо вниз, далее пологий луч «d» направо вверх к точке 2.
Крутящий момент от входного вала 24 конического редуктора реверса до трубчатого вала 13 передается как на 1-й передаче, далее по нижней муфте 20 на трубчатый вал 14, затем как на 1-й передаче.
Третья передача (c-d)
Все муфты в правом положение - в работе третья и четвертая пары шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена крутым лучом «с», который выходит из т. 0 направо вниз и пологим лучом «d» налево вверх к точке 3.
Крутящий момент от первичного вала 2 по муфте А передается на шестерню 6, по верхней муфте 19 на третью пару шестерен 7-11, по правому трубчатому валу 14 на четвертую пару шестерен 12-8, далее по муфте 18 (С) на зубчатый венец 17 и вторичный вал 3.
Четвертая передача (b-d)
Переключаем сдвоенные муфты В в левое положение - заменяем третью пару на вторую пару шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: крутой луч «b» выходит из т. 0 налево вниз в ускоряющем режиме и пологий луч «d» направо вверх к точке 4.
Крутящий момент от первичного вала 2 по муфте А передается на вторую пару шестерен 6-10, по нижней муфте 21, по правому трубчатому валу 14 на четвертую пару шестерен 12-8, далее как на предыдущих передачах.
Пятая передача (а-b)
Переключаем муфты А и С в левое положение, а муфту В в правое положение - заменяем четвертую пару на первую пару шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: луч «а» выходит из т. 0 и направлен направо вниз, далее крутой луч «b» направо вверх к точке 5.
Крутящий момент от первичного вала 2 по муфте А передается на первую пару шестерен 5-9, по левому трубчатому валу 13 на вторую пару шестерен 10-6, по верхней муфте 19, по корпусу шестерни 7, далее по муфте 18 (С) и как на предыдущих передачах.
Шестая передача (а-с)
Все муфты в левом положении - заменяем вторую пару на третью пару шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучом «а», который выходит из т. 0 направо вниз и крутым лучом «с» налево вверх в ускоряющем режиме к точке 6.
Крутящий момент от первичного вала 2 по муфте А передается на первую пару шестерен 5-9, по левому трубчатому валу 13 на третью пару шестерен 11-7, далее по муфте 18 (С) и как на предыдущих передачах.
Седьмая передача - прямая
Переключаем муфты А и В в правое положение - выключаем из работы все пары шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена точкой 7.
Крутящий момент от первичного вала 2 передается по муфте А, по верхней муфтам 19 далее по муфте 18 (С) и как на предыдущих передачах.
Восьмая передача - ускоряющая (b-с)
Переключаем муфты В в левое положение - включаем в работу вторую пару и третью пару шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: крутой луч «с» выходит из т. 0 направо вниз и пологий луч «е» направо вверх к точке 8G.
Крутящий момент от первичного вала 2 по муфте А передается на вторую пару шестерен 6-10, по нижней муфте 21 на третью пару шестерен 11-7, далее по муфте 18 (С) и как на предыдущих передачах.
max
1
8
7
7
В нижней части лучевой диаграммы приведена суммарная редукция, равная сумме отрезков лучей пар шестерен в логарифмических координатах. Р=1,5+0,5+0,5+3,5=6,0. Минимальная величина луча принадлежит второй и третьей парам шестерен - 0,5 интервала, максимальная величина луча принадлежит четвертой паре шестерен - 3,5 интервала. Как правило, U=4. В этом случае получим: lg q=lg 4/3,5=0,172; q=1,486. Можем получить диапазон D=q=1,486=16. Для сравнения: 8-ми ступенчатая трансмиссия автомобиля ГАЗ-66, включающая 4-х ступенчатую КП и 2-х ступенчатую РК, составляет D=6,55*1,982=12,98 при среднем интервале lg q=lg 12,98/7=1,1133/7=0,159; q=1,442; 8-ми ступенчатая КП автомобиля МАЗ-6422 имеет диапазон D=U/U=7,73/0,71=10,89 при среднем интервале lg q=lg 10,89/7=1,037/7=0,148; q=1,407.
Для расчетов примем q=1,44.
Передаточные числа:
a
1,5
1,5
первой пары U=q=1,44=1,728;
b
c
0,5
0,5
второй и третьей пары U=U=q=1,44=1,2;
d
3,5
3,5
четвертой пары U=q=1,44=3,58.
1
a
b
c
d
первой передачи: U=UUUU=1,728*1,2*1,2*3,58=7,85
1
2
a
d
6
6
или U=q=1,44=8,9. U=UU=1,728*3,58=5,57
2
3
4
5
5
4
4
3
3
или U=q=1,44=6,2. U=q=1,44=4,3. U=q=1,44=3.
5
6
7
8
2
2
0
U=q=1,44=2,1. U=q=1,44. U=q=1,0. U=1/q=1/1,44=0,69.
1
2
Проверка интервала q=U/U=8,9/6,2=1,44.
2
3
q=U/U=6,2/4,3=1,44 и т.д.
7
7
Диапазон D=q=1,44=12,84.
1
8
Проверка диапазона D=U/U=8,9/0,69=12,9.
max
Эта величина обеспечит успешную работу НТС в широком спектре условий эксплуатации при удобном переключении передач. Получили прямую передачу, 6 передач с высоким КПД при двухпарном зацеплении, одну передачу с четырехпарным зацеплением, которое обеспечило невысокое значение передаточного числа в парах шестерен: U=3,58.
Стремление к обеспечению высокого уровня унификации за счет применения одинаковых КП на автомобилях с различными колесными формулами (неполноприводных, многоприводных и полноприводных) и установки дополнительной РК приводит к увеличению металлоемкости трансмиссии. Два отдельных агрегата (КП и РК) имеют габаритные размеры и металлоемкость больше чем один агрегат, МРК (многоступенчатая РК), совмещающий функции двух агрегатов. Например, масса агрегатов автомобиля ГАЗ-66 составляет: КП - 55 кг, РК без дифференциала, с подключаемым передним мостом - 53 кг.
Предлагаемая МРКМ будет иметь значительно меньшие габариты и металлоемкость по сравнению с двумя отдельными агрегатами (КП и РК), так как обеспечивает 8 передач при том же числе шестерен (четыре пары), что и КП автомобиля ГАЗ-66. При этом она будет реализовывать более высокие эксплуатационные свойства за счет дифференциального привода ведущих мостов.
Рассмотренную МРКМ целесообразно применять, прежде всего, в полноприводной дорожно-строительной технике: автогрейдеры, катки и т.п. Конструкцию агрегата, приведенную на фиг. 2 с перпендикулярным расположением входного вала 24 по отношению к валам выхода потока мощности 4 и 41, можно рекомендовать для установки на НТС с бортовой схемой трансмиссии, например, для гусеничной техники.
Обозначения:
1 - корпус МРКМ с редуктором реверса;
2 - первичный вал;
3 - соосный первичному вторичный вал;
4 - вал шестерен промежуточного вала - вал привода переднего моста;
5-8 - шестерни, свободно установленные на соосных первичном 2 и вторичном 3 валах;
9-12 - шестерни, свободно установленные на валу 4;
13 - левый трубчатый вал шестерен 9 и 10;
14 - правый трубчатый вал шестерен 11 и 12;
15 - зубчатый венец, закрепленный на первичном валу 2;
16 (А) - трехпозиционная муфта переключения на зубчатом венце 15;
17 - зубчатый венец, закрепленный на вторичном валу 3;
18 (С) - трехпозиционная муфта переключения на зубчатом венце 17;
19 - верхняя муфта сдвоенной муфты В между шестернями 6 и 7;
20 - нижняя муфта сдвоенной муфты В между шестернями 10 и 11;
21 - вилка переключения муфт 19 и 20 сдвоенной муфты В;
22 - ведомая коническая шестерня редуктора реверса, закрепленная на торце первичного вала 2;
23 - ведущая коническая шестерня редуктора реверса;
24 - входной вал редуктора реверса;
25 - зубчатый венец, закрепленный на входном валу 24 или первичном валу 2 на фиг. 2;
26 - зубчатый венец, закрепленный на трубчатом валу 27;
27 - трубчатый вал;
28 - водило;
29 - оси сателлитов водила;
30 - сателлиты или коническая шестерня напротив шестерни 22 на фиг. 2;
31 - зубчатый венец стенки корпуса 1;
32 (R) - трехпозиционная муфта переключения на зубчатых венцах 25, 26 и 31;
33 - цилиндрическая шестерня, закрепленная на вторичном валу 3;
34 - цилиндрическая шестерня, зацепленная с шестерней 33;
35 - водило дифференциала;
36 - оси сателлитов;
37 - сателлиты;
38 и 39 - шестерни зацепленные с сателлитами 37; на фиг. 2: 38 - солнечная шестерня, 39 - эпициклическое колесо;
40 - корпус эпициклического колеса 39;
41 - вал привода задних мостов на фиг. 1 и 2;
42 - зубчатый венец на водиле 35;
43 - зубчатый венец на корпусе 40 эпициклического колеса 39;
44 - муфта блокировки дифференциала;
45 - трубчатый вал от водила 35 на фиг. 2.