ТРАНСМИССИЯ СОЧЛЕНЁННОГО НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DRIVELINE FOR ARTICULATED OVERLAND VEHICLE

Изобретение относится к транспортному машиностроению; в частности к НТС (наземные транспортные средства): автомобили; тракторы: СДМ (строительные и дорожные машины), спецтехника.
Известны сочлененные НТС (автомобили, тракторы), содержащие кабину, двигатель, трансмиссию, ходовую часть и системы управления, (1. Селиванов И.И. Автомобили и транспортные гусеничные машины высокой проходимости. - М.: Наука, 1967. - 272 с.2. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. - М.: Машиностроение, 1980. - 207, с.3. Шухман С.Б. и др. Теория силового привода колес автомобилей высокой проходимости. - М.: Агробизнесцентр, 2007. - 336 с.).
Сочлененные НТС применяют для выполнения тягово-транспортных работ в особо тяжелых условиях, где обычные гусеничные и колесные машины неработоспособны по условию проходимости. Создание сочлененных (двухзвенных и трехзвенных) НТС с низким давлением на грунт позволяет существенно расширить природно-климатические области использования тягово-транспортных средств, в том числе, при геологоразведочных и нефтедобывающих работах в северо-восточных районах страны. Сочлененные колесные машины выполняют с колесными формулами 4x4, 6x6, 8x8. К сочлененным тяговым машинам относятся и колесные тракторы Т-150К, К-700, К-701 (4x4) с «ломающейся» рамой. Трансмиссии сочлененных НТС могут быть механическими, электрическими (см. 1. с.163) или гидрообъемными (см. 1. с.105, 3. с.248-258). Наиболее широко применяют механические трансмиссии с использованием ШРУС (шарниров равных угловых скоростей) для соединения секций сочлененных НТС. Двойной (сдвоенный) ШРУС, состоящий из двух асинхронных шарниров, каждый с крестовиной и двумя кулаками (вилками), применяется на шестиколесном автомобиле ХМ561 (1. с.117), а также в колесных тракторах Т-150К, К-700, К-701, в приводе управляемых ведущих колес автомобилей Татра. Шарнир Рцеппа - шариковый с делительным рычажком - на сочлененном гусеничном транспортере CL91 Dynatrac (1. с.194). Иногда в сочленении применяют карданную передачу с шарнирами типа Spicer (1. С.197).
Эксплуатационные возможности сочлененных НТС снижены из-за ограниченной маневренности и работоспособности, так как ШРУС имеют существенные недостатки:
недостаточные углы перемещения между секциями и ограниченная долговечность их работы.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является сочлененный автомобиль «Дрегн-Вегн», он четырехосный, большой грузоподъемности, состоит из двух секций, соединенных шарнирно. Передняя секция имеет трехместную кабину автомобильного типа и силовую установку со всеми системами. На этой секции размещены все принадлежности автомобиля: запасное колесо, топливные баки и т.п. Задняя секция полностью предназначена для размещения грузовой платформы. КП (коробка передач) гидромеханического типа Аллисон МТ-650 имеет шесть ступеней. Узел деления потока мощности - РК (раздаточная коробка) механическая двухступенчатая передает мощность на колеса обеих секций. Мощность от передней секции на заднюю передается при помощи ШРУС, допускающего суммарный угол излома секций 56°. Секции имеют две степени свободы: перемещение в вертикальной плоскости на угол +-28° и качание вокруг продольной оси на угол +-18° (2. С.26).
Прототип в гусеничном исполнении - сочлененный транспортер CL91 Dynatrac. Он состоит из двух секций, соединенных шарниром, который допускает относительный поворот секций на 30° в любой плоскости. Мощность от двигателя передается четырехступенчатой КП, соединенной с двухскоростным демультипликатором. Затем через гитару мощность подводится к РК (раздаточной коробке) и от нее разветвляется на полуоси и ведущие звездочки передней и задней секции. На заднюю секцию мощность передается через универсальный шарнир постоянной угловой скорости типа Рцеппа на длинный вал, соединенный с такой же гипоидной передачей, как и в первой секции. Гипоидная передача размещена в кормовой части задней секции. От гипоидной передачи мощность подводится к ведущим звездочкам задней секции. При необходимости ко второй секции может быть присоединена третья секция, идентичная по устройству второй (I.e. 194, 195).
Описанные конструкции сочлененных НТС имеют эксплуатационные ограничения, вызванные недостатками шарниров карданных передач (см. с.110-120. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета. М.:Машиностроение, 1989. - 304 с.).
Обыкновенный карданный шарнир типа Spicer, состоящий из крестовины и двух вилок, конструктивно прост, но имеет недостатки: он асинхронный - угловые скорости на входе и выходе карданного шарнира отличаются. Чем больше угол наклона валов, соединяемых шарниром, тем выше неравномерность вращения этих валов и ниже КПД шарнира, так как в трансмиссии возникают пульсирующие нагрузки. Если угол менее 8, то КПД равен 0,99; угол 14°, КПД 0,95. При увеличении угла наклона валов от 0,4° до 16° долговечность работы игольчатых подшипников крестовины шарниров снижается в 4 раза. При увеличении угла наклона между валами до 15-20° дополнительные нагрузки превышают нагрузки от крутящего момента двигателя. Максимальный угол наклона валов при таких шарнирах не превышает 15-20°. При углах наклона валов менее 2° возникает бринеллирование - сплющивание игл подшипников и шипов крестовины из-за отсутствия перекатывания игл. Обычно рекомендуют угол наклона между валами карданной передачи, соединяемой жестким асинхронным шарниром; в пределах 5-7°.
Сдвоенный карданный шарнир - это предельно укороченная карданная передача с двумя асинхронными шарнирами, расположенными рядом. Два шарнира неравных угловых скоростей объединяются одной двойной вилкой. Такие шарниры допускают максимальный угол наклона между валами до 30-40°.
Шарнир Рцеппа - шестишариковый с делительным рычажком допускает максимальный угол наклона до 37°, он применяется очень редко, так как технологически сложен, стоимость шарнира высокая.
Наиболее часто в сочлененных НТС используют ШРУС с делительными канавками типа Вейс, которые допускают максимальный угол наклона соединяемых ими валов 30-32°. В делительных канавках двух кулаков (вилок) расположены четыре шарика, пятый шарик центрирующий. Передача усилий только двумя шариками при теоретически точечном контакте приводит к возникновению больших контактных напряжений. При работе шарнира возникают распорные нагрузки, для точной установки шарнира необходимы специальные упорные шайбы или подшипники. В изношенных шарнирах при передаче высокого крутящего момента, когда кулаки несколько деформируются, шарики могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости машины. Долговечность таких шарниров в эксплуатации обычно не превышает 25-30 тыс.км. В приводе управляемых ведущих колес большегрузного тягача МА3-537 (8x8) шарниры, как правило, выдерживают 10-12 тыс.км.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных возможностей сочлененных НТС путем повышения маневренности и долговечности.
Поставленная задача решается за счет исключения из конструкции трансмиссии НТС ненадежных, недолговечных ШРУС с недостаточными углами наклона валов и замены их коническими передачами, обеспечивающими увеличение долговечности и угла наклона между валами.
Указанный технический результат достигается тем, что трансмиссия сочлененного наземного транспортного средства состоит из сцепления, коробки передач, узла деления потока мощности, шарнирного устройства, соединяющего секции этого транспортного средства, при этом на корпусах секций закреплены оси, на которых свободно установлены конические сателлиты и вилки, зафиксированные на пустотелой балке перпендикулярно относительно друг друга, одна из вилок оснащена упорным подшипником, состоящим из обоймы и расположенного в ней опорного диска, закрепленного на пустотелой балке, внутри которой расположен центральный карданный вал с закрепленными на его концах коническими шестернями, установленными в опорах вилок, эти конические шестерни через конические сателлиты зацеплены с коническими шестернями трансмиссионных валов, расположенных по продольным осям секций.
Трансмиссионные валы могут быть расположены перпендикулярно продольным осям секций, внутри пустотелой балки дополнительно установлен трубчатый карданный вал с закрепленными на нем коническими шестернями, одна из шестерен каждого карданного вала через конический сателлит зацеплена с конической шестерней трансмиссионного вала, другая шестерня каждого карданного вала зацеплена непосредственно с конической шестерней вала привода борта, установленного в трубчатой оси корпуса секции, на выходе этого вала закреплена коническая шестерня, которая зацеплена с коническим колесом, закрепленным на валу привода бортовых передач, на котором закреплены ведущие конические шестерни, зацепленные с ведомыми коническими колесами, закрепленными на выходных валах бортовых передач.
Предлагаемое техническое решение расширяет эксплуатационные возможности НТС за счет повышения долговечности шарнирного соединения, высокой маневренности, в том числе тяжелой гусеничной техники. Жесткая сцепка - шарнирное устройство между секциями сочлененного НТС обеспечивает три степени свободы за счет использования конических передач в качестве ШРУС (шарниров равных угловых скоростей): одна коническая передача обеспечивает относительные перемещения секций НТС в горизонтальной плоскости, вторая - в вертикальной, поперечные перемещения - за счет опоры скольжения в самой сцепке.
1
2
На фиг.1, а показан вид сверху на сочлененное НТС - поворот в т.О. На фиг.1, б показан вид сбоку на сочлененное НТС - изгиб в т.О.
1
2
На фиг.2, а приведен вид сверху на трансмиссию жесткой сцепки - шарнирное устройство при I-образном (центральном) мостовом приводе - поворот в т.О. На фиг.2, б приведен вид сбоку на трансмиссию жесткой сцепки - шарнирное устройство -поворот в т.О.
На фиг.3, а показан вид на трансмиссию жесткой сцепки - шарнирное устройство при передаче крутящего момента между секциями двумя валами при Н-образной бортовой схеме привода. На фиг.3, б показан фрагмент узла из двух конических передач с «разнесенными» входными валами.
Две секции сочлененного НТС: тягач 1 (см. фиг.1) и активный прицеп 2 взаимосвязаны между собой жесткой сцепкой - шарнирным устройством 3. Шарнирное устройство 3 при I-образном (центральном) мостовом приводе (см. фиг.2) представляет собой пустотелую балку 4, обычно круглого сечения с вилками 5 и 6, закрепленными на балке 4 в перпендикулярных плоскостях, вилки 5 и 6 подвижно установлены на осях 7 и 8, закрепленных соответственно на корпусах тягача 1 и активного прицепа 2. Одна из вилок, например 5, оснащена упорным подшипником с обоймой 9 и опорным диском 10, закрепленным на пустотелой балке 4. Центральный карданный вал 11 установлен внутри пустотелой балки 4 в опорах 12 и 13. На концах центрального карданного вала 11 закреплены конические шестерни 14 и 15. Опоры 12 и 13 также являются опорами конических шестерен 14 и 15. В опоре 16 корпуса тягача 1 установлен трансмиссионный вал 17 с закрепленной на нем конической шестерней 18. Конические сателлиты 19 подвижно установлены в опорах 20 на оси 7 и зацеплены с коническими шестернями 18 и 14. В опоре 21 корпуса активного прицепа 2 установлен вал 22 с закрепленной на нем конической шестерней 23. Конические сателлиты 24 подвижно установлены в опорах 25 на оси 8 и зацеплены с коническими шестернями 15 и 23. Допускается установка по одному сателлиту 19 и 24. Шарнирное устройство 3 при Н-образной бортовой схеме привода (см. фиг.3,а) отличается от предыдущей схемы тем, что упорный подшипник с обоймой 9 и опорным диском 10 расположен на вилке 6, подвижно установленной на оси 8 трубчатого сечения, разделенной на две части, закрепленные на корпусе активного прицепа 2. Внутри балки 4 на центральном карданном валу 11 коаксиально установлен трубчатый карданный вал 26 с закрепленными на концах вала коническими шестернями 27 и 28. При бортовой схеме привода одна цепь трансмиссии состоит из вала 17 правого борта трансмиссии тягача 1 с конической шестерней 18, которая через конический сателлит 19 зацеплена с конической шестерней 14, далее центральным карданным валом 11 с конической шестерней 15, которая зацеплена с конической шестерней 29, закрепленной на валу 30 привода правого борта. На выходе вала 30 закреплена коническая шестерня 31, зацепленная с коническим колесом 32, закрепленным на валу 33 привода бортовых передач, состоящих из ведущих конических шестерен 34 и ведомых конических колес 35, закрепленных на выходных валах 36. Вторая цепь трансмиссии состоит из вала 37 левого борта трансмиссии тягача 1 с конической шестерней 38, через конический сателлит 39 зацепленной с конической шестерней 27, далее трубчатым карданным валом 26 на коническую шестерню 28, которая зацеплена с конической шестерней 40, закрепленной на валу 41 привода левого борта. На выходе вала 41, аналогично первой цепи трансмиссии, закреплена коническая шестерня 31, зацепленная с коническим колесом 32, закрепленным на валу 33 привода бортовых передач, состоящих из ведущих конических шестерен 34 и ведомых конических колес 35, закрепленных на выходных валах 36. Возможна комбинация из двух схем (фиг.2 и 3) - центральный карданный вал 11, конические шестерни 15-29, на шестерне 29 симметричный дифференциал и от него валы 30 и 41. Упорный подшипник 9-10 предпочтителен как опора скольжения, так как в опоре качения возможно возникновение бринеллирования. Между пустотелой балкой 4 и обоймой упорного подшипника 9 допускается установка резиновых упругих элементов для смягчения и гашения относительных поперечных колебаний секций.
1
Работа трансмиссии сочлененного НТС осуществляется по жесткой сцепке -шарнирному устройству 3, обеспечивающему три степени свободы. Поворот в горизонтальной плоскости осуществляется в т.О (см. фиг.1), при этом вилка 5, закрепленная на пустотелой балке 4, поворачивается относительно оси 7, закрепленной на корпусе тягача 1 (см. фиг.2). Наклон в вертикальной плоскости происходит в т.О2 при этом вилка 6, закрепленная на пустотелой балке 4 перпендикулярно вилке 5, поворачивается относительно оси 8, закрепленной на корпусе активного прицепа 2 (см. фиг.2). Перемещение тягача 1 и активного прицепа 2 относительно друг друга в поперечной плоскости происходит за счет поворачивания в обойме упорного подшипника 9 на одной из вилок, например 5 опорного диска 10, закрепленного на балке 4. Крутящий момент от двигателя, сцепления, КП, узла деления потока мощности - РК (на фиг. не показаны), далее от вала 17 тягача 1, по конической шестерне 18, закрепленной на валу 17, передается на конический сателлит 19, установленный на оси 7, далее на коническую шестерню 14, закрепленную на карданном валу 11, по карданному валу 11, на коническую шестерню 15, через конический сателлит 24, установленный на оси 8, затем на коническую шестерню 23 и вал 22 активного прицепа 2. По валу 22 крутящий момент далее поступает на главные передачи, дифференциалы и полуоси ведущих мостов (на фиг.не показаны). Конические зацепления должны быть отрегулированы, вначале регулируется преднатяг подшипников в опорах 12, 13, 16, 20, 21, 25 конических шестерен и сателлитов, а затем пятно контакта в каждом зубчатом зацеплении.
При бортовой схеме трансмиссии, когда средняя часть машины предназначена для размещения личного состава и (или) спецоборудования, для передачи крутящего момента по шарнирному устройству 3 необходимы два карданных вала с закрепленными на них шестернями: центральный карданный вал 11 с коническими шестернями 14 и 15, трубчатый карданный вал 26 с коническими шестернями 27 и 28 (см. фиг.3). Реализуются два силовых потока. Первый силовой поток: от вала 17 и конической шестерни 18, по коническому сателлиту 19, установленному на оси 7, далее на коническую шестерню 14, закрепленную на карданном валу 11, по карданному валу 11; на коническую шестерню 15 (как на фиг.2), затем на коническую шестерню 29, закрепленную на входе вала 30, по валу 30 привода правого борта, на коническую шестерню 31, закрепленную на выходе вала 30, коническое колесо 32, закрепленное на валу 33 привода бортовых передач, далее на ведущие конические шестерни 34, ведомые конические колеса 35 и выходные валы 36 бортовых передач, которые могут быть взаимосвязаны или с ведущими колесами или с ведущей звездочкой. Ведущая звездочка может быть передней с прямым приводом от вала 30 или задней с приводом от вала 33, конических шестерен 34-35 и вала 36. Второй силовой поток: от вала 37 левого борта трансмиссии тягача 1, по конической шестерне 38, закрепленной на валу 37, по коническому сателлиту 39, конической шестерне 27, по трубчатому карданному валу 26, коническим шестерням 28 и 40, по валу 41, далее аналогично первому силовому потоку - коническая шестерня 31, коническое колесо 32, по валу 33 привода бортовых передач, далее на ведущие конические шестерни 34, ведомые конические колеса 35 и выходные валы 36 бортовых передач привода левого борта. Согласование направления вращения ведомых звеньев на выходе трансмиссии обеспечивается взаимным расположением конических шестерен, например, ведущие конические шестерни 34 можно установить не впереди, а за ведомыми коническими колесами 35. На фиг.2,б конические сателлиты 19 и 39-двусторонние - шестерня 18 зацеплена с зубчатым зацеплением одной стороны сателлита 19, другая сторона этого сателлита зацеплена с конической шестерней 14, аналогично - шестерня 38 зацеплена с зубчатым зацеплением одной стороны сателлита 39, другая сторона этого сателлита зацеплена с конической шестерней 27.
Конические передачи не ограничивают угол поворота между валами этих передач, особенно в случае, если трансмиссионные валы 17 и 37 будут скомпонованы с разных сторон (см. фиг.3, б). Маневренность сочлененных НТС будет ограничена только компоновочными возможностями секций и шарнирного устройства. Зубчатые зацепления конических передач обладают высокой надежностью, в том числе долговечностью.
Предложенное техническое решение обеспечивает расширение эксплуатационных возможностей сочлененных НТС за счет повышения маневренности при увеличении углов относительных перемещений секций НТС, повышение надежности и долговечности работы шарнирного устройства.
Обозначения:
1 - тягач;
2 - активный прицеп;
3 - жесткая сцепка - шарнирное устройство;
4 - пустотелая балка;
5 и 6 - перпендикулярно расположенные вилки, закрепленные на балке 4;
7 и 8 - перпендикулярно расположенные оси, закрепленные на корпусах тягача 1 и активного прицепа 2;
9 - обойма упорного подшипника на одной из вилок, например 5;
10 - опорный диск упорного подшипника, закрепленный на балке 4;
11 - центральный карданный вал;
12 и 13 - опоры карданного вала 11 и конических шестерен 14 и 15 внутри балки 4;
14 и 15 - конические шестерни, закрепленные на карданном валу 11;
16 - опора вала тягача 17;
17 - трансмиссионный вал тягача 1;
18 - коническая шестерня, закрепленная на валу 17;
19 - конический сателлит конических шестерен 18 и 14;
20 - опора конического сателлита 19 на оси 7;
21 - опора вала 22 активного прицепа 2 и конической шестерни 23;
22 - трансмиссионный вал активного прицепа 2;
23 - коническая шестерня, закрепленная на валу 22;
24 - конический сателлит конических шестерен 15 и 23;
25 - опора конического сателлита 24 на оси 8;
26 - трубчатый карданный вал;
27 и 28 - конические шестерни, закрепленные на трубчатом карданном валу 26;
29 - коническая шестерня, закрепленная на входе вала 30 привода правого борта;
30 - вал привода правого борта;
31 - коническая шестерня, закрепленная на выходе вала 30 привода правого борта;
32 - коническое колесо, закрепленное на валу 33 привода бортовых передач;
33 - вал привода бортовых передач;
34 - ведущие конические шестерни бортовых передач;
35 - ведомые конические колеса бортовых передач;
36 - выходные валы бортовых передач;
37 - вала левого борта трансмиссии тягача 1;
38 - коническая шестерня, закрепленная на валу 37;
39 - конический сателлит, зацепленный с коническими шестернями 38 и 27;
40 - коническая шестерня, закрепленная на валу 41 привода левого борта активного прицепа 2;
41 - вал привода левого борта активного прицепа 2.