ДВЕНАДЦАТИСТУПЕНЧАТАЯ СООСНАЯ ВАЛЬНО-ПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
TWELVE-STAGE PLANETARY SHAFT GEARBOX

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к трансмиссии автотракторной техники.
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 к предлагаемой коробке передач (КП) является КП по патенту RU 2191122 С2, опубл 20.10.2002.
Коробка передач 12R4 (12 передач переднего хода и 4 передачи заднего хода) содержит корпус агрегата, в котором расположен трехвальный соосный редуктор с пятью парами шестерен внешнего зацепления переднего хода и два ряда шестерен заднего хода, в опорах редуктора соосно расположены входной и вторичный валы, параллельно им установлен промежуточный вал, свободно установлены шестерни вторичного вала и две шестерни промежуточного вала, четыре шестерни закреплены на промежуточном валу и одна шестерня на входном валу, две трехпозиционные муфты переключения расположены на зубчатых венцах вторичного вала, на зубчатых венцах шестерен, свободно установленных на промежуточном и вторичном валах, расположены две пары противоположно развернутых двухпозиционных полумуфт переключения, взаимосвязанных двумя вилками переключения.
Известная КП имеет эксплуатационные ограничения, так как не обеспечивает диапазон передаточных чисел, достаточный для большегрузной техники. Ограничение вызывает передаточное число пары шестерен низших передач (5-я пара), если использовать эту пару с передаточным числом, равным 4, то диапазон составит только 8,8. Кроме того, эта КП имеет компоновочные ограничения, так как она должна компоноваться непосредственно с двигателем, используя опору входного вала в торце коленчатого вала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка конструкции коробки передач для большегрузной техники.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в расширении эксплуатационных и компоновочных возможностей большегрузной техники за счет исключения из конструкции пары шестерен, ограничивающей возможности КП, и установке на выходе соосного редуктора простого трехзвенного планетарного механизма (ПМ), обеспечивающего два режима работы и увеличивающего диапазон КП, а также размещения внутренней опоры входного вала в наконечнике вторичного вала.
Указанный технический результат достигается тем, что 12-ступенчатая соосная вальнопланетарная коробка передач, содержащая корпус агрегата, в котором расположен трехвальный соосный редуктор, в опорах которого соосно установлены входной вал, с закрепленной на нем шестерней, и вторичный вал, параллельно им расположен промежуточный вал, на котором отдельная шестерня установлена свободно и зацеплена с шестерней входного вала, также на этом валу закреплены три шестерни переднего хода, зацепленные с шестернями, свободно установленными на соосных валах, и ведущая шестерня заднего хода через дополнительные шестерни, закрепленные на дополнительном валу, зацепленная с ведомой шестерней заднего хода, свободно установленной на вторичном валу, на зубчатых венцах шестерен двух первых рядов расположены противоположно развернутые двухпозиционные полумуфты переключения, взаимосвязанные вилкой переключения, первая трехпозиционная муфта переключения расположена на зубчатом венце вторичного вала между средними рядами шестерен, вторая трехпозиционная муфта переключения вторичного вала расположена на втором зубчатом венце рядом с ведомой шестерней заднего хода, при этом опора наконечника вторичного вала с зубчатым венцом расположена во внутренней стенке корпуса агрегата, на входном валу свободно установлена отдельная шестерня с зубчатым венцом, внутренняя опора входного вала расположена в наконечнике вторичного вала, на выходе вторичного вала закреплена солнечная шестерня простого трехзвенного планетарного механизма, которая через сателлиты, установленные на осях водила, зацеплена с эпициклическим колесом, корпус которого трубчатым валом связан с зубчатым венцом, расположенным между зубчатым венцом задней стенки корпуса агрегата и зубчатым венцом выходного вала водила и агрегата, на этих венцах установлена муфта переключения.
Предлагаемое техническое решение расширяет эксплуатационные возможности большегрузной техники за счет увеличения диапазона передач переднего и заднего хода, а также компоновочные возможности, так как расположение внутренней опоры входного вала в наконечнике вторичного вала не требует опоры в коленчатом валу двигателя и позволяет использовать трансмиссионный агрегат автономно.
На фиг.1 изображена кинематическая схема 12-ступенчатой соосной вально-планетарной КП 12R4 (12 передач переднего хода и 4 передачи заднего хода), содержащей восемь шестерен переднего хода, два ряда шестерен заднего хода и простой трехзвенный планетарный механизм (ПМ), четыре муфты переключения передач. В нижней части приведены номера пар шестерен переднего хода (1-4) и рядов шестерен заднего хода (R) для фиг.2.
b
ah
(bh)
На фиг.2 приведена лучевая диаграмма этой КП с таблицами положений муфт переключения на различных передачах переднего (12-1 вверху) и заднего хода (4R-1R внизу). В верхней части таблиц обозначены включенные в работу пары шестерен (1-4) и режим работы ПМ (I-U =К+1; II-U=1 - без обозначения). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Верхняя и нижняя горизонтали соответствуют передаточным числам на выходном валу водила и агрегата, также на нижнюю горизонталь выходят лучи на промежуточном валу, средняя горизонталь - на входном и вторичном валах. Номера пар шестерен указаны на лучах. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен - луч 2 от нижней горизонтали к средней. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы. Например, луч 1 соответствует медленному режиму работы lq 2,24=0,35; луч 2 от т.0 на средней горизонтали к нижней соответствует меньшему замедляющему режиму работы lq 1,12=0,05; этот же луч в обратном направлении указывает на ускоряющий режим работы lq (1/1,12)=-0,05; луч 3 от нижней горизонтали к средней также соответствует замедляющему режиму lq 1,12=0,05 и по величине равен лучу 2; луч 4 соответствует замедляющему режиму lq 1,41=0,15; луч R указывает на задний ход lq 1,58=0,2.
В опорах корпуса 1 агрегата КП соосно расположены входной вал 2, вторичный вал 3 с наконечником 4, выходной вал 5 водила и агрегата. Промежуточный вал 6 установлен параллельно валам 2-5, между вторичным 3 и промежуточным 6 валами установлен дополнительный вал 7 дополнительных шестерен заднего хода. Опора наконечника 4 вторичного вала 3 расположена во внутренней стенке 8 корпуса 1. Внутренняя опора входного вала 2 расположена в наконечнике 4 вторичного вала 3. На входном валу 2 закреплена шестерня 9 и свободно установлена отдельная шестерня 10, на вторичном валу свободно установлены отдельные шестерни переднего хода 11, 12, а также ведомая шестерня заднего хода 13. На промежуточном валу 6 свободно установлена отдельная шестерня 14, на этом валу закреплены шестерни переднего хода 15, 16, 17, а также ведущая шестерня заднего хода 18. Шестерни 9, 10, 11 и 12 зацеплены соответственно с шестернями 14, 15, 16 и 17. Ведущая шестерня заднего хода 18 зацеплена с ведомой шестерней заднего хода 13 через дополнительные шестерни 19, 20, закрепленные на дополнительном валу 7. На зубчатых венцах шестерен 10 и 14, свободно установленных на входном 2 и промежуточном 6 валах, расположены противоположно развернутые двухпозиционные полумуфты переключения 21 и 22 (А), взаимосвязанные вилкой переключения 23. Первая трехпозиционная муфта 24 (В) вторичного вала 3 расположена на зубчатом венце 25 наконечника 4 между шестернями 10 и 11, а вторая трехпозиционная муфта 26 (С) вала 3 расположена на втором зубчатом венце 27 этого вала между шестернями 12 и 13. На выходе вторичного вала 3 закреплена солнечная шестерня 28 сателлитами 29, установленными на осях водила 30, которая зацеплена с эпициклическим колесом 31 простого трехзвенного планетарного механизма (ПМ). Эпициклическое колесо 31 корпусом 32, трубчатым валом 33 соединено с зубчатым венцом 34. На выходном валу 5 водила и агрегата закреплен зубчатый венец 35. Муфта переключения 36 (D) расположена на зубчатом венце 34 для выборочного соединения с зубчатым венцом 35 выходного вала или с зубчатым венцом 37 задней стенки корпуса агрегата 1.
Задний торец промежуточного вала 6 можно использовать как вал отбора мощности (ВОМ).
b
b
ah
(bh)
ah
b
a
Работа КП осуществляется следующим образом: муфта А срабатывает через три переключения, муфта В изменяет свое положение при каждом переключении, а муфта С - после двух нейтральных состояний (Н) (см. табл. фиг.2). Соосный трехвальный редуктор обеспечивает шесть передач переднего хода и две передачи заднего хода. ПМ позволяет реализовать два режима работы: I-U =K+1 (муфта D в левом положении); II-U=1 (муфта D в правом положении), где U  - передаточное число ПМ, верхний символ указывает на остановленное звено, b - эпициклическое колесо, нижние символы: - на звенья входа, а - солнечная шестерня, и выхода крутящего момента, h - водило с сателлитами; К=Z/Z - внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни.
Первая передача
Муфты А и С в правом положении (П), муфта В в нейтральном состоянии (Н), а муфта D в левом положении (Л) (см. фиг.2, табл. справа над т.1).
Крутящий момент от входного вала 2 (см. фиг.1) парой шестерен 9-14, полумуфтой 22 (А) передается на промежуточный вал 6, далее передается на четвертую пару шестерен 17-12, затем через муфту 26 (С) на зубчатый венец 27, вторичный вал 3, далее - на солнечную шестерню 28 ПМ, сателлиты 29, которые, вращаясь относительно остановленного эпициклического колеса 31, зафиксированного муфтой 36 (D) зубчатым венцом 34 относительно зубчатого венца 37 задней стенки корпуса 1, вращают водило 30, выходной вал 5 водила и агрегата с медленной скоростью и увеличенным крутящим моментом по сравнению с входным валом 2.
b
ah
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена тремя лучами: луч 1 выходит из т.0 на средней горизонтали и направлен направо вниз к нижней горизонтали, далее луч 4 к средней горизонтали вверх направо и луч ПМ U =К+1 направо вверх к т.1 на верхней горизонтали.
Вторая передача
Переключаем муфту В в правое (П) положение, а муфту С в нейтральное состояние (Н). Вместо 4-й пары шестерен работает 3-я пара.
Крутящий момент от входного вала 2 до промежуточного вала 6 поступает как на 1-й передаче, затем по паре шестерен 16-11, по муфте 24 (В) на зубчатый венец 25 наконечника 4 вторичного вала 3, далее как на предыдущей передаче.
b
ah
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 1 от т.0 вниз направо к нижней горизонтали, далее луч 3 и луч ПМ U =К+1 направо вверх к т.2 на верхней горизонтали.
Третья передача
Муфту В переключаем в левое положение. Вместо 3-й пары шестерен работает 2-я пара.
b
ah
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 1 от т.0 к нижней горизонтали, луч 2 к средней горизонтали и луч ПМ U =К+1 направо вверх к т.3.
Четвертая передача
По сравнению с первой передачей переключаем муфту А в левое (Л) положение. Вместо 1-й и 4-й пар шестерен работают 2-я и 4-я пары шестерен.
Крутящий момент от входного вала 2 передается до промежуточного вала 6 полумуфтой 21 (А), по паре шестерен 10-15, далее как на первой передаче.
b
ah
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч 4 и луч ПМ U =К+1 направо вверх к т.4 на верхней горизонтали.
Пятая передача
По сравнению с второй передачей переключаем муфту А в левое (Л) положение. Вместо пар шестерен 1 и 3 работают пары шестерен 2 и 3.
b
ah
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч 3 к средней горизонтали и луч ПМ U =К+1 направо вверх к т.5.
Шестая передача
Переключаем муфту В в левое (Л) положение. Входной вал 2 и вторичный вал 3 соединены напрямую.
Крутящий момент от входного вала 2 передается полумуфтой 21 (А) на шестерню 10, муфтой 24 (В) на наконечник 4 вторичного вала 3, далее как на предыдущих передачах.
b
ah
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется лучом ПМ U =К+1 направо вверх к т.6 на верхней горизонтали.
Седьмая передача
По сравнению с 1-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован.
По сравнению с 1-й передачей муфта 36 (D) замыкает зубчатый венец 34 трубчатого вала 33 корпуса 32 эпициклического колеса 31 и зубчатый венец 35 выходного вала 5 водила 30, валы 3 и 5 вращаются с одинаковой скоростью.
(bh)
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 1 от т.0 направо вниз, далее луч 4 направо вверх к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вверх к т.7.
Восьмая передача
По сравнению с 2-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован. По сравнению с предыдущей передачей вместо 4-й пары шестерен работает 3-я пара.
Крутящий момент от входного вала 2 до промежуточного вала 6 поступает как на 2-й передаче, затем по паре шестерен 16-11, по муфте 24 (В) на зубчатый венец 25 наконечника 4 вторичного вала 3, далее как на предыдущей передаче.
(bh)
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 1 от т.0 вниз направо к нижней горизонтали, далее луч 3 и луч ПМ U=1 вверх к т.8 на верхней горизонтали.
Девятая передача
По сравнению с 3-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован.
(bh)
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 1 от т.0 направо вниз, далее луч 2 к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вверх к т.9.
Десятая передача
По сравнению с 4-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован.
(bh)
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч 4 вверх направо к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вверх к т.10 на верхней горизонтали.
Одиннадцатая передача
По сравнению с 5-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован.
(bh)
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч 3 вверх направо к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вверх к т.11.
Двенадцатая передача - прямая
По сравнению с 6-й передачей переключаем муфту D в правое положение. ПМ заблокирован.
(bh)
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется лучом ПМ U=1 вверх к т.12 на верхней горизонтали.
Первый задний ход - 1R
Муфта А в правом положении (П), муфта В в нейтральном состоянии (Н), а муфты С и D в левом положении (Л) (см. фиг.2, табл. внизу справа под т.1R).
Крутящий момент до промежуточного вала 6 поступает как на 1-3-й передачах, далее передается парами шестерен заднего хода 18-19, 20-13, затем через муфту 27 (С) на зубчатый венец 27, вторичный вал 3, далее - на солнечную шестерню 28, сателлиты 29, которые, вращаясь относительно остановленного эпициклического колеса 31, вращают водило 30 и выходной вал 5 водила ПМ и агрегата как на 1-6-й передачах переднего хода.
b
ah
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 1 от т.0 направо вниз, далее луч R к средней горизонтали и луч ПМ U =К+1 направо вниз к т.1R.
Второй задний ход - 2R
Переключаем муфту А в левое (Л) положение.
Крутящий момент от входного вала 2 по полумуфте 21 (А) поступает на второй ряд шестерен 10-15, далее как на предыдущей передаче.
b
ah
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч R направо вверх и луч ПМ U =К+1 направо вниз к т.2R.
Третий задний ход - 3R
Муфту А возвращаем в правое положение, а муфту D переключаем в правое положение. ПМ заблокирован.
(bh)
На лучевой диаграмме этой передаче принадлежит три луча: луч 1 от т.0 направо вниз, далее луч R направо вверх к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вниз к т.3R.
Четвертый задний ход - 4R
Переключаем муфту А в левое (Л) положение. ПМ заблокирован. Крутящий момент до солнечной шестерни 28 передается как на второй передаче заднего хода, далее как на предыдущей передаче.
(bh)
На лучевой диаграмме эта передача характеризуется тремя лучами: луч 2 от т.0 направо вниз, далее луч R направо вверх к средней горизонтали и луч ПМ U=1 вниз к т.4R.
Заявляемое техническое решение обеспечивает улучшение эксплуатационных возможностей большегрузной техники за счет увеличения диапазона, а также компоновочных возможностей за счет автономности трансмиссионного агрегата.
Например, при рассмотренных условиях передаточное число первой (низшей) передачи и диапазон составят
кп1
1
4
ПMI
D=U=UUU=2,24×1,41×4,0=12.6.
Передаточное число первого заднего хода
кп1R
1
R
ПМI
U=UUU=2,24×1,58×4,0=14,2;
передаточное число четвертого заднего хода
кп4R
R
ПМII
U=UU=1,58;
кп1R
кп4R
диапазон передач заднего хода КП D=U/U=14,2/1,58=9.
При изменении параметров пар шестерен и ПМ изменятся параметры КП. Например, если увеличить шаг между соседними передаточными числами с 1,26 до 1,27, то диапазон увеличится с 12,6 до 13,9; шаг до 1,28, диапазон до 15,1 и т.д.
ОБОЗНАЧЕНИЯ:
1 - корпус агрегата,
2 - входной вал,
3 - вторичный вал,
4 - наконечник вторичного вала 3,
5 - выходной вал водила ПМ и агрегата,
6 - промежуточный вал,
7 - дополнительный вал дополнительных шестерен заднего хода,
8 - внутренняя стенка корпуса агрегата 1,
9 - шестерня, закрепленная на входном валу 2,
10 - отдельная шестерня, свободно установленная на входном валу 2,
11, 12 - шестерни переднего хода, свободно установленные на вторичном валу 3,
13 - ведомая шестерня заднего хода, свободно установленная на вторичном валу 3,:
14 - отдельная шестерня, свободно установленная на промежуточном валу 6,
15, 16, 17 - шестерни переднего хода, закрепленные на промежуточном валу,
18 - ведущая шестерня заднего хода, закрепленная на промежуточном валу 6,
19, 20 - дополнительные шестерни заднего хода, закрепленные на дополнительном валу 7,
21, 22 (А) - противоположно развернутые двухпозиционные полумуфты переключения,
23 - вилка переключения полумуфт 21 и 22,
24 (В) - первая трехпозиционная муфта переключения вторичного вала 3,
25 - первый зубчатый венец наконечника 4 вторичного вала 3,
26 (С) - вторая трехпозиционная муфта переключения вторичного вала 3,
27 - второй зубчатый венец вторичного вала 3,
28 (а) - солнечная шестерня ПМ,
29 - сателлит,
30 (h) - водило ПМ,
31 (b) - эпициклическое колесо ПМ,
32 - корпус эпициклического колеса 31,
33 - трубчатый вал корпуса 32 эпициклического колеса 31,
34 - зубчатый венец трубчатого вала 33 корпуса эпициклического колеса 31,
35 - зубчатый венец выходного вала 5 водила 30 и агрегата,
36 (D) - муфта переключения выходного вала 5 водила и агрегата,
37 - зубчатый венец задней стенки корпуса агрегата 1.