САМОЗАТЯГИВАЮЩИЙСЯ СИНХРОНИЗАТОР
SELF-SEALING SYNCHRONISER

Изобретение относится к машиностроению и может использоваться в механических ступенчатых трансмиссиях транспортных средств и самоходных машин, имеющих двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Предлагаемый синхронизатор имеет по меньшей мере одну синхронизирующую коническую поверхность трения, выполненную в теле шестерни, т.е. находящуюся с внутренней стороны относительно зубьев шестерни, т.е. между зубьями и подшипниковой опорой шестерни на валу, на котором установлена шестерня, и с которым она соединяется после синхронизации. Включение передачи производится осевым перемещением шестерни на валу вилкой включения, а зубья, посредством которых шестерня соединяется с валом, выполнены на шестерне, с внутренней стороны относительно синхронизирующей поверхности и на ступице синхронизатора, угол наклона этих зубьев равен углу наклона зубьев шестерни, они могут образовывать замок зубьев. Блокирующее кольцо установлено на ступице синхронизатора и находится под воздействием пружин, действующих в направлении шестерни и прижимающих его к пружинному стопорному кольцу. В наиболее простейшем воплощении, синхронизатор с одной или двумя синхронизирующими коническими поверхностями, с противоположно направленными углами конусности, может применяться как синхронизатор задней передачи и/или делителя, и/или демультипликатора коробки передач. В результате действия вилки, шестерня смещается в сторону блокирующего кольца и начинают взаимодействовать их конические синхронизирующие поверхности. Момент трения между шестерней и при дальнейшем перемещении вместе с шестерней блокируется, упираясь своими зубьями в блокирующие зубья ступицы, и может самозатягиваться при этом. При дальнейшем перемещении вилки и шестерни пружина ступицы сжимается. После окончания процесса синхронизации блокирующее кольцо разблокируется и внутренние зубья шестерни начинают входить в зацепление с зубчатым венцом ступицы, пружина ступицы при этом разжимается и, если зуб ступицы попадет на зуб шестерни, то ступица и шестерня в зацепление входят не сразу, а только после полного перемещения вилки и шестерни и небольшого поворота шестерни относительно ступицы. При выключении передачи вилка выводит шестерню из зацепления со ступицей синхронизатора. Шестерня посредством пружинного стопорного воздействует на блокирующее кольцо и перемещает его в статическое положение.
Вторым аналогом предлагаемого синхронизатора является [2]. Этот синхронизатор представляет собой развитие синхронизатора описанного в [1], направленное на увеличение момента синхронизации и исключение несинхронизируемых условий.
Недостатком описанного в [1] и [2] синхронизаторов является обеспечение самозатягивания только при переходе с низшей на высшую передачу или наоборот, что вынуждает использовать переключение сжатым воздухом с участием шестерни другой передачи при отсутствии самозатягивания.
Третьим аналогом предлагаемого синхронизатора является [3]. Описанный в [3] синхронизатор, с целью увеличения момента синхронизации, отличается от синхронизаторов, описанных в [1] и [2], увеличенным коэффициентом трения на блокирующем кольце. С этой целью на коническую синхронизирующую поверхность трения блокирующего кольца наносится материал пироуглерод, представляющий собой композитный материал, выполненный для оптимальной производительности синхронизатора также при обеспечении самозатягивания только при переходе с низшей на высшую передачу или наоборот.
Недостатком этого синхронизатора является то, что поднимать коэффициент трения на основных синхронизирующих поверхностях не рекомендуется в связи с ухудшением условий для разблокирования блокирующего кольца и нестабильностью коэффициента трения на блокирующем кольце.
Дело в следующем. Угол синхронизации (для каждого типа синхронизатора он означает разное), т.е. угол скоса блокирующих поверхностей, вычисляется исходя из коэффициента трения на блокирующем кольце и коэффициента трения блокирующего элемента синхронизатора о муфту или каретку; чем эти коэффициенты трения больше, тем больше угол синхронизации, измеренный от плоскости, перпендикулярной к осевой вала. Методика вычисления угла синхронизации применительно к синхронизаторам разных типов подробно описана в [4]. При износе синхронизатора коэффициент трения на блокирующем кольце уменьшается, а коэффициент трения блокирующего элемента синхронизатора о муфту или каретку практически не меняется или незначительно увеличивается. Это приводит к преждевременному разблокированию блокирующего кольца и включению передачи при незавершившейся до конца синхронизации.
Автор работал на автобусах "Икарус"- 415 в Филевском автобусно-троллейбусном парке и 6-ом автобусном парке г. Москва, автор перегонял шарнирно-сочлененные автобусы "Икарус"- 435. У этих автобусов передачи включались плохо. На рычаг приходилось давить, синхронизатор "закусывал" и передача не включалась. Процесс синхронизации был длительным. Сцепление здесь абсолютно ни при чем. Это было у всех автобусов этих марок, и проявлялось в различной степени. Такое было у автобусов, имеющих коробку передач в хорошем состоянии. Даже у абсолютно новых автобусов "Икарус"- 415 и "Икарус"- 435 были эти явления. У этих автобусов, имеющих коробку передач в плохом состоянии синхронизатор "закусывал" тоже, но относительно быстро разблокировался, и передача включалась со скрежетом при не до конца выровненных оборотах шестерни и вала. У автобусов "Икарус"- 415, имеющих коробку передач в очень плохом состоянии, третья и пятая передача были "выдолбаны" и включались без синхронизации вообще с большим скрежетом, т.е. синхронизаторы не "закусывали", на таких автобусах работал автор. Подобные проблемы были и у автобусов "Икарус"- 435.
Первое решение проблемы синхронизации - "перегазовка". Автор ее широко использовал. У автобусов "Икарус"- 415, имеющих коробку передач в хорошем состоянии "перегазовка" безусловно помогала. Однако, если чуть - чуть не "угадал" обороты синхронизатор "закусывал", на рычаг приходилось давить, иногда это вызывало преждевременное разблокирование синхронизатора и включение передачи при не до конца выровненных оборотах шестерни и вала, что вызывало скрежет. Иначе говоря, машина "перегазовке" не подчинялась, или подчинялась плохо. У автобусов "Икарус"- 415, имеющих коробки передач в плохом и очень плохом состоянии "перегазовка" также безусловно помогала, т.к. при сильно "выдолбаных" синхронизаторах это позволяло значительно уменьшить скрежет при переключении передач и увеличить ресурс коробки.
Дело в том, что коробки передач автобусов "Икарус"- 415 и "Икарус"- 435 надо правильно разрабатывать. У тех водителей, кто давил на рычаг, вызывая включение передачи, коробка ходила дольше, подчеркиваю значительно дольше, чем у тех, кто резко включал передачу и бил по рычагу, с целью включения передачи.
Так в чем же дело? Дело именно в том, что в коробках передач "Икарус"- 415 и "Икарус"- 435 на блокирующих кольцах подняли коэффициент трения, но не смогли обеспечить разблокирование блокирующих колец и стабильность коэффициента трения в течении всего ресурса автобуса. По этой причине у новых автобусов синхронизатор "закусывал" и выравнивал обороты, а затрудненное включение передач объясняется именно ухудшенным разблокированием по причине увеличенного коэффициента трения на блокирующих кольцах. При эксплуатации автобуса, коэффициент трения на блокирующих кольцах уменьшается, а угол синхронизации не меняется. Применительно к коробкам передач автобусов "Икарус", угол синхронизации - это угол скоса блокирующих зубьев, измеренный от плоскости, перпендикулярной к осевой вала. По этой причине разблокирование синхронизатора происходит при невыровненных до конца оборотах шестерни и вала при уменьшении коэффициента трения на блокирующих кольцах, а уж включение передачи практически без синхронизации происходило при уменьшении коэффициента трения до минимально возможного значения.
Сделаем вывод: коэффициент трения на блокирующих кольцах должен достигать того значения, которое можно обеспечить в течении всего срока службы транспортного средства, т.е. в течении всего его моторесурса.
Примеров тому немало. Автор, работая водителем - перегонщиком в 6-ом автобусном парке, перегонял автобусы "Икарус"- 280, 2000 г. выпуска, передачи включались нормально, причиной этому было обеспечение на блокирующих кольцах меньшего коэффициента трения, что обеспечивало их разблокирование. Однако, на некоторых автобусах "Икарус"- 280 при включении передач, коробка издавала скрежет, что говорит о том, что при износе блокирующих колец коэффициент трения на них уменьшался, что являлось причиной того, что передачи включались при до конца не закончившейся синхронизации. В таких случаях на автобусах "Икарус" 2-ого поколения на рычаг нужно давить с малой силой, и передача включится или делать "перегазовку". Автор работал на автобусах МАЗ - 103 с пятиступенчатой коробкой Praga и шестиступенчатой Renault Midr передачи включались изумительно, но тем не менее весь ресурс автобуса синхронизаторы не выхаживали. Автор работал на автобусе ЛиАЗ - 5256 с коробкой ZF S6-85, синхронизаторы "закусывали", но разблокировались и передачи включались неплохо, но и у коробок ZF синхронизаторы весь срок службы автобуса не ходят.
Известно, что ресурс механической ступенчатой коробки передач значительно меньше, чем у гидромеханической передачи. Одной из причин этого является малый ресурс синхронизаторов.
Сделаем вывод: на коммерческих автомобилях традиционный известный одноконусный синхронизатор не может обеспечивать достаточного ресурса.
Необходимо учесть то, что автобусы ЛиАЗ-5256 и МАЗ-103 с механической ступенчатой коробкой передач списывали раньше, чем те же автобусы с гидромеханической передачей.
Традиционный известный одноконусный синхронизатор может обеспечивать стабильность эксплуатационных характеристик и достаточный ресурс только на легковых автомобилях, имеющих малый ресурс до капитального ремонта, редко превышающий 300 тыс.км пробега, например, автомобили "Волга", или 125 тыс. км пробега, например, автомобили ВАЗ.
Автору этой работы попало в руки руководство по эксплуатации автобусов "Икарус" 2 - ого поколения, в котором написано, что через 80 тыс. км пробега синхронизаторы необходимо заменить, на практике же, например, на автобусах "Икарус" - 415, 435, 280 коробка передач ходила весь срок службы автобуса. Автобусы "Икарус" - 415 и 435 списывали именно из-за коробки.
Четвертым аналогом предлагаемого синхронизатора является синхронизатор второй и третьей передач коробки передач КамАЗ-14 и КамАЗ-141 [5]. Этот синхронизатор имеет два блокирующих кольца, одно из них предназначено для включения второй передачи, а второе - для третьей. Блокирующие кольца соединены двенадцатью пальцами, из них восемь пальцев - блокирующие, а четыре пальца - пальцы фиксаторов. Блокирующие пальцы и пальцы фиксаторов установлены в каретке синхронизатора. Каретка имеет три внутренних зубчатых венца, средний зубчатый венец предназначен для установки каретки на шлицах ведомого вала, а два крайних зубчатых венца - для соединения с внешними зубчатыми венцами шестерен второй и третьей передачи соответственно. Крайние зубчатые венцы каретки и зубчатые шестерен образуют "замок" зубьев, препятствующий самовыключению передачи. Каретка синхронизатора имеет внешнюю проточку для взаимодействия с вилкой. Синхронизатор четвертой и пятой передач коробок КамАЗ отличается от него объединением блокирующих пальцев и пальцев фиксаторов.
Блокирующие пальцы имеют в средней части конические поверхности, являющиеся блокирующими. Отверстия в диске каретки, через которые проходят блокирующие пальцы, имеют также блокирующие поверхности в виде фасок с каждой стороны отверстия. Фрикционные кольца не имеют жесткой связи с кареткой и могут смещаться относительно нее при переключении.
Применительно к описываемому известному инерционному синхронизатору, угол синхронизации - это угол наклона блокирующих поверхностей каретки и пальцев к плоскости перпендикулярной к осевой вала.
Работает такой синхронизатор как описано ниже. При включении передачи вилка воздействует на каретку, которая прижимает одно из блокирующих колец к конусу шестерни. Сначала блокирующее кольцо прижимается к конусу шестерни силой, максимальное значение которой определяется суммарной силой упругости пружин фиксаторов. При переключении с низшей на высшую передачу, шестерня вращается быстрее вала; при переключении с высшей на низшую шестерня вращается медленнее вала. Сила фиксатора создает первоначальный момент трения, действующий на блокирующее кольцо и вызывающий его угловое смещение по причине разности линейных скоростей на конусах. Под действием этого момента трения синхронизатор блокируется ("закусывает"), т.е. происходит угловой сдвиг пальцев относительно каретки, вызывающий взаимодействие блокирующих поверхностей пальцев и каретки. После этого на блокирующее кольцо начинает действовать момент синхронизации, создаваемый силой, приложенной к вилке. Инерционные массы коробки при этом тормозятся или разгоняются, на них действует инерционный момент, который преодолевается моментом синхронизации, и посредством момента трения на блокирующем кольце передается на пальцы, прижимая их к каретке, создавая момент блокировки. Когда частоты выровняются, инерционный момент и момент блокировки исчезают. Блокирующее кольцо разблокируется и зубья каретки при ее осевом перемещении входят в зацепление с зубчатым венцом шестерни.
Пальцы фиксаторов имеют одну кольцевую проточку, в которую входит шарик фиксатора при нахождении каретки в нейтральном положении. Кольцевые проточки, соответствующие включенным передачам, на пальцах отсутствуют, следовательно, фиксатор каретки при включенной передаче каретку не фиксирует.
Из этого следует первый недостаток пятого аналога предлагаемого синхронизатора: фиксатор синхронизатора не фиксирует каретку в положениях, соответствующих включению передачи.
Фиксация включенной передачи обеспечивается замком зубьев каретки и шестерни и фиксаторами вилки. Это вызывает износ сухарей вилки при изношенных зубчатых венцах шестерни и каретки.
При выключении передачи, блокирующее кольцо, соединенное пальцами с блокирующим кольцом выключаемой передачи, прижимается пальцами к конусу шестерни противоположной передачи, включаемой данным синхронизатором, т.е. например, при выключении третьей передачи к шестерне второй передачи прижимается блокирующее кольцо второй передачи и наоборот. Это вызывает дополнительный износ блокирующих колец без необходимости, т.к. не всегда после третьей включается вторая передача.
Сформулируем второй недостаток описываемого традиционного известного синхронизатора: большой износ блокирующих колец при выключении передачи.
Синхронизатор коробок передач КамАЗ представляет собой обычный одноконусный синхронизатор с увеличенным коэффициентом трения на блокирующих кольцах, обеспеченном соответствующей обработкой блокирующих колец.
Этому синхронизатору присущи все недостатки таких синхронизаторов: ненадежная блокировка при износе, включение передачи со скрежетом, малый момент синхронизации.
На автомобиле КамАЗ-4310 автор пересдавал экзамен на категории "ВС" в далеком 1995 году. Необходимо отметить, что синхронизаторы безусловно выполняли свою функцию, но при увеличении силы на рычаге передачи включались со скрежетом, а у некоторых автомобилей КамАЗ передачи вылетали.
Основная проблема таких синхронизаторов в том, что они неразборные. При износе блокирующих колец или потере упругости пружин фиксаторов такие синхронизаторы не восстанавливаются, и их приходится заменять.
Сформулируем четвертый и основной недостаток четвертого аналога предлагаемого синхронизатора: невозможность разборки синхронизатора с целью его восстановления, неудовлетворительная ремонтопригодность.
Необходимо отметить, что это общий недостаток так называемых "пальчиковых" синхронизаторов. Автор работал на седельном тягаче МАЗ-64221 ("тутаевец"). Передачи начали выключаться самопроизвольно, коробку разобрали. Синхронизаторы там тоже "пальчиковые" и отличаются от синхронизаторов КамАЗ тем, что делительный диаметр зубьев, посредством которых шестерня соединяется с валом больше среднего диаметра трения блокирующих колец, чтобы разгрузить зубья от больших сил. Коробка имеет демультипликатор, всего передач девять. Синхронизатор второй, третьей, шестой, седьмой пришлось заменять только из-за того, что лопнули пружины фиксаторов. Синхронизация была изумительной. Синхронизатор стоил примерно 20000 рублей. Вот, что такое "пальчиковые" синхронизаторы.
Общим для первого аналога [1], для второго аналога [2], для третьего аналога [3], четвертого аналога [5], пятого аналога [5] является то, что они имеют коническую синхронизирующую поверхность выполненную в теле шестерни концентрично делительному цилиндру зубьев, при этом средний диаметр трения синхронизирующей поверхности меньше делительного диаметра зубьев. Применительно к синхронизатору КамАЗ это выполнено применительно к шестерне второй передачи.
Сходство предлагаемого синхронизатора с первым аналогом [1], вторым аналогом [2], третьим аналогом [3], четвертым аналогом [4], заключается в том, что предлагаемый синхронизатор имеет по меньшей мере одну коническую синхронизирующую поверхность трения выполненную в теле шестерни концентрично делительному цилиндру зубьев, при этом средний диаметр трения синхронизирующей поверхности меньше делительного диаметра зубьев.
Как видим, проблема повышения ресурса синхронизаторов стоит довольно остро.
Также довольно остро стоит проблема увеличения момента синхронизации.
Как описано выше, поднимать коэффициент трения на блокирующих кольцах нельзя, а уж если его увеличили, то нужно обеспечить его стабильность в течении всего срока службы коробки.
Необходимо обеспечить то, чтобы при очень малой силе водителя на рычаге переключения передач, момент синхронизации был большим, в противном случае, если необходимость обеспечения требуемого момента синхронизации вызывает необходимость прикладывания к рычагу переключения передач большой силы, ресурс синхронизатора будет очень мал.
Сделаем вывод: проблемы увеличения ресурса синхронизаторов и увеличения момента синхронизации взаимосвязаны.
Момент синхронизации и ресурс синхронизатора связаны тем, что чем больше момент синхронизации, тем меньше сила на рычаге переключения передач и тем больше ресурс синхронизатора. По этой причине, момент синхронизации необходимо увеличивать, а силу на рычаге переключения передач - уменьшать. Но как это сделать, если коэффициент трения на основных синхронизирующих поверхностях поднимать не рекомендуется?
Существует два выхода. Первый выход: увеличивать количество поверхностей трения. Это реализовано в многоконусных и многодисковых синхронизаторах. Второй выход: обеспечить самозатягивание синхронизатора, т.е. прижатие его к блокирующему кольцу под действием осевой составляющей силы зацепления, вызванной действием момента сопротивления торможению или разгону инерционных масс коробки передач, при этом коэффициент трения на блокирующем кольце не увеличивается.
Увеличение количества поверхностей трения реализовано в многоконусных синхронизаторах. Обеспечение самозатягивания синхронизатора описано ниже.
Многоконусный синхронизатор применяется в коробках передач ZF S6-85, устанавливаемых на автобусы ЛиАЗ-5256 в качестве синхронизатора первой и второй передачи [4]. По совокупности вышеизложенных причин, многоконусный синхронизатор принимается за третий аналог предлагаемого синхронизатора.
Многоконусный синхронизатор подробно описан в [5]. В таком синхронизаторе осевые силы распределяются по трем концентрично расположенным поверхностям трения. Между двумя главными конусами, принадлежащими блокирующему кольцу и шестерне, расположены два дополнительных концентрических кольца, каждое из которых имеет по две поверхности трения. Первое из дополнительных конусных колец имеет шипы, которые входят в соответствующие пазы блокирующего кольца. Второе дополнительное конусное кольцо соединяется шипами с шестерней, для чего в конусном выступе шестерни профрезерованы пазы. Блокирующее кольцо и связанное с ним шипами конусное кольцо изготовляют из фосфористой бронзы, а конусное кольцо, соединенное с шестерней, - из стали.
В описанном в [5] синхронизаторе вместо одной поверхности трения, присущей одноконусным инерционным синхронизаторам, образуются три поверхности трения. При условии, что конструктивные осевые зазоры между отдельными кольцами обеспечивают равномерное распределение силы включения между всеми тремя поверхностями трения, то момент синхронизации увеличивается по сравнению с обычными одноконусными синхронизаторами приблизительно в три раза.
Теоретические преимущества многоконусного синхронизатора подтверждаются на практике. При переключении передач в одинаковых условиях эксплуатации значительно уменьшается сила, требующаяся для выполнения этого процесса, а при равных силах сокращается время синхронизации и общее время включения передачи.
Кроме увеличенного момента синхронизации, многоконусный синхронизатор обладает надежной блокировкой при любых методах переключения передач. Это объясняется стабильностью коэффициента трения между конусными фрикционными поверхностями. В [5] отмечается, что многоконусный синхронизатор, имеющий размеры типичного одноконусного синхронизатора, надежно работает при коэффициенте трения 0,025, что намного ниже значений коэффициента трения, используемых в одноконусных синхронизаторах. Такой низкий коэффициент трения обеспечивает высокую долговечность многоконусного синхронизатора, а также исключает случаи прихватывания конусов и вызванных этим больших трудностей при включении передачи, которые наблюдаются в одноконусных синхронизаторах при повышении коэффициента трения до 0,10-0,11.
Об эффективности многоконусного синхронизатора можно судить по отношению момента синхронизации к моменту блокировки. Синхронизатор эффективен в том случае, если момент синхронизации больше момента блокировки. В противном случае синхронизатор не будет блокироваться.
В синхронизаторе 1940-х годов с одним синхронизирующим кольцом блокировка происходила при коэффициенте трения 0,04. Однако эффективность и момент синхронизации обеспечивались за счет больших габаритных размеров синхронизатора. Эффективность современного одноконусного синхронизатора достигается за счет высокого коэффициента трения на конических синхронизирующих поверхностях. Блокировка современного одноконусного синхронизатора происходит при значениях коэффициента трения больших 0,075. По мере износа конических синхронизирующих поверхностей и заглаживания канавок выполняемых на конусах для разрыва масляной пленки и лучшего сцепления синхронизирующего кольца с шестерней включаемой передачи, реализуемый коэффициент трения уменьшается. Это приводит к ненадежной блокировке скользящей зубчатой муфты, зубья которой могут вступать в зацепление с зубьями муфтового соединения шестерни включаемой передачи раньше, чем выровняются их угловые скорости.
В трехконусном синхронизаторе с дополнительным блокирующим кольцом надежность блокировки во всех случаях обеспечивается самой возможностью ее осуществления при весьма небольшом коэффициенте трения около 0,025.
Автор работал на автобусе ЛиАЗ-5256 с коробкой ZF S6 - 85, вторая передача включалась лучше, чем практически все остальные. Это подтверждает эффективность многоконусного синхронизатора.
Однако, надо заострить внимание на том, что дополнительные синхронизирующие кольца связаны с блокирующим кольцом и шестерней соответственно при помощи шипов без какой - либо осевой фиксации, например, при помощи кольцевых дисковых пружин. По этой причине при движении транспортного средства на выключенных передачах, включаемых многоконусным синхронизатором, конические синхронизирующие поверхности вала и шестерни находятся в постоянном взаимодействии, в результате чего возникают моменты трения, действующие на шестерню и на вал, что приводит к потерям мощности и уменьшению коэффициента полезного действия (КПД - в дальнейшем) коробки передач. Эти потери особенно велики при загустевшем масле.
Из этого вытекает первый недостаток четвертого аналога предлагаемого синхронизатора: уменьшение КПД коробки передач по причине потерь мощности на многоконусных поверхностях трения.
Особенно велики потери в многодисковых синхронизаторах.
По этой причине многоконусный синхронизатор в коробке передач ZF S6 - 85 применен только для первой и второй передач.
Кроме того, надо учесть то, что синхронизирующие кольца, находящиеся в постоянном трении, необходимо смазывать, что может приводить к усложнению коробки передач и к потерям мощности.
Необходимо учесть то, что многоконусный синхронизатор сложнее обычного одноконусного.
Из чего можно сформулировать второй недостаток пятого аналога предлагаемого синхронизатора: сложность конструкции.
Автор работал на автобусах ЛиАЗ-5256 с коробкой передач ZF S6-85. На автобусах с изношенной коробкой со скрежетом включались все передачи, кроме первой и второй передач, но это не главный недостаток этой коробки. Главный ее недостаток в том, что у изношенных коробок происходит самопроизвольное выключение передачи, т.е. передачи "вылетают".
Причиной этого является то, что пружины фиксаторов ломаются или теряют упругость. Запчастей к этой коробке нет. Автобусы ЛиАЗ-5256 с этим ходили до списания, водителям было трудно включать самопроизвольно выключающиеся передачи снова, и, в конце концов, эти машины списывали именно из-за коробки.
В предлагаемом синхронизаторе фиксатор как таковой отсутствует, а самопроизвольное выключение передачи исключено выполнением зубчатых венцов ступицы синхронизатора и шестерни под углом наклона зубьев шестерни с возможностью образования замка зубьев.
Прототип предлагаемого синхронизатора задней передачи с несимметричными блокирующими зубьями и с синхронизирующей вилкой, имеющей коническую синхронизирующую поверхность, отсутствует, т.к. эти изобретательские решения представляют собой пионерское изобретение.
Прототипом предлагаемого трехконусного синхронизатора является вышеописанный многоконусный синхронизатор [5].
Прототипом предлагаемого самозатягивающегося синхронизатора передачи заднего хода является многодисковый самозатягивающийся синхронизатор, описанный в [5].
Принцип действия его сводится к следующему. Синхронизируемая система изменяет свою кинетическую энергию. В таком синхронизаторе кинетическая энергия инерционных масс используется для создания внутренних по отношению к синхронизируемой системе сил, достаточных для автоматического включения передачи, в связи с чем, участие водителя ограничивается только подачей командного импульса. При любой конструкции инерционного синхронизатора, момент синхронизации прямо пропорционален силе включения, кроме того, для возвращения запирающего звена в исходное положение после полного выравнивания угловых скоростей, необходимо приложить к запирающему звену некоторый момент - момент десинхронизации. По этим причинам, чтобы ограничить участие водителя только подачей командного импульса необходимо использовать кинетическую энергию синхронизируемых масс. Во-первых, для создания достаточного момента трения на фрикционных поверхностях и, во-вторых, для создания момента десинхронизации. Эти моменты по отношению к синхронизируемой системе являются внутренними и должны создаваться внутренними для системы силами, т.к. речь идет о повышении эффективности инерционного синхронизатора, а не привода к нему.
Таким образом, полуавтоматический синхронизатор должен представлять собой сочетание сервомеханизма и какого - либо аккумулятора энергии, который в процессе выравнивания угловых скоростей накапливал бы потенциальную энергию, достаточную для возвращения запирающего звена в исходное положение.
Рассмотрим устройство самозатягивающегося синхронизатора. На шлицах ведомого вала между свободно вращающимися шестернями установлена ступица синхронизатора, имеющая наружные зубья, выполненные с таким же шагом, что и зубья на венцах шестерен. На ступицу надета зубчатая муфта, которая может перемещаться влево или вправо до полного зацепления ее внутренних зубьев с наружными зубьями на венце включаемой шестерни. На боковых поверхностях средней части ступицы выполнены вырезы, по два с каждой стороны, в которые входят выступы нажимных дисков. В вырезах ступицы и выступах нажимных дисков имеются конусные углубления (лунки) с некоторым малым углом подъема. В лунках находятся шарики. Нажимные диски могут перемещаться в осевом направлении по шлицам втулок, установленных на ступице свободно. Эти втулки связаны шлицевым соединением с ведомыми дисками трения. На периферии ступицы выполнены два паза, в которых помещаются сухари с фиксаторами в виде конусных стаканов и пружин. На внутренней поверхности скользящей зубчатой муфты в пазах для сухарей имеются четыре углубления, т.е. по два в каждом пазу, под стаканы фиксаторов. В каждом пазу зубчатой муфты установлены два упора. Торцы зубьев муфты по краям пазов скошены, такие же скосы имеются на выступах нажимных дисков. В выступах нажимных дисков выполнены пазы, в которые входят упоры муфты, препятствуя повороту нажимных дисков в нейтральном положении муфты. Шестерни соединены шлицами с ведущими дисками, а в углублениях шестерен установлены рабочие пружины, воздействующие на ведущие диски. Нажимные диски стянуты стяжными пружинами.
Работает полуавтоматический самозатягивающийся синхронизатор следующим образом. При перемещении скользящей зубчатой муфты вилкой, муфта посредством фиксаторов воздействует на нажимной диск, преодолевая силу упругости стяжных пружин. Между лунками и шариками образуется зазор. Нажимной диск воздействует на диски, создавая момент трения. Под действием этого момента трения нажимной диск поворачивается. Зазор между шариками и лунками выбирается, шарики начинают катиться по лункам, вызывая самозатягивание синхронизатора и сжатие рабочих пружин шестерен. Затем выступы нажимного диска упираются в стенки вырезов ступицы. В этом положении скос выступа нажимного диска располагается против скоса зуба муфты. Синхронизатор блокируется. Происходит процесс синхронизации. Разблокирование синхронизатора происходит в результате того, что после выравнивания угловых скоростей исчезает инерционный момент, передающийся под действием момента трения на нажимной диск. В результате этого под действием сил упругости рабочих пружин шестерен и стяжных пружин, нажимной диск, взаимодействуя с шариками поворачивается в исходное положение, давая возможность муфте войти в зацепление с шестерней.
Недостаток у этого синхронизатора один: большие потери на трение в дисках при движении транспортного средства на выключенных передачах, включаемых данным синхронизатором, эти потери особенно велики при загустевшем масле.
Предлагаемый синхронизатор является пионерским изобретением, по этой причине его прототипом, т.е. наиболее близким по технической сущности является самозатягивающийся синхронизатор, описанный в [3].
Первым аналогом предлагаемого синхронизатора делителя и демультипликатора является синхронизатор делителя коробки КамАЗ-15, описанный в [6] на стр. и изображенный на фиг. 125. Делитель коробки КамАЗ-15 имеет ведущий вал, на котором установлена каретка пальчикового синхронизатора. Ведомый (вторичный) вал делителя совместно изготовлен с ведущей шестерней привода промежуточного вала основной коробки и является ведущим валом основной коробки. Промежуточный вал делителя имеет шлицевой конец с внутренними шлицами, а промежуточный вал основной коробки - с внешними шлицами, посредством шлицев промежуточный вал делителя соединен с промежуточным валом основной коробки.
Синхронизатор делителя состоит из каретки, двух одинаковых фрикционных колец, шести блокирующих пальцев и шести пальцев фиксаторов.
Каретка синхронизатора на наружном диаметре имеет канавку, в которую входят вкладыши вилки. Внутреннее отверстие каретки шлицованное, состоящее из трех зубчатых венцов. Крайние зубчатые венцы предназначены для вхождения в зацепление с зубчатыми венцами шестерен. Крайние зубчатые венцы имеют меньшую толщину зуба, чем средний, что при переключении передач в комплексе с зубчатыми венцами ведущего вала делителя предохраняет от самовыключения делителя на ходу автомобиля, образуя так называемый "замок" зубьев.
В каретке по окружности просверлены шесть отверстий под блокирующие пальцы и шесть отверстий под пальцы фиксаторов.
Отверстия под блокирующие пальцы имеют с обеих сторон фаски с углом, - равным углу фасок блокирующих пальцев. На наружные концы блокирующих пальцев до упора в их торцы напрессованы два одинаковых фрикционных кольца. После напрессовки фрикционных колец концы пальцев развальцовываются.
Фрикционные кольца имеют внутреннюю коническую поверхность трения с углом конуса 6°±4°.
На конической поверхности трения профрезерованы прямоугольные канавки для удаления продуктов износа, а по окружности нарезаны канавки для выдавливания с конических поверхностей трения масла при прижатии кольца к конусу включаемой шестерни или зубчатой муфты. Пальцы фиксаторов установлены в отверстия каретки между фрикционными кольцами. В средней части пальцы фиксаторов имеют канавку, в которую при переключении передач входит шарик фиксатора, поджатый пружиной, расположенной в глухом отверстии каретки. Статическое усилие, необходимое для вывода каретки с фиксатором из среднего положения 60-70 кгс.
Первый недостаток - отсутствие фиксации включаемых передач делителя, т.к. канавки на пальцах фиксаторов, соответствующие включению передачи отсутствуют, а фиксация нейтрального положения необходима для того, чтобы блокирующее кольцо смещалось в окружном направлении под действием момента трения, создаваемым статическим усилием фиксатора.
Второй недостаток - повышенный износ блокирующих колец при выключении передачи, т.к. при этом блокирующее кольцо начинает взаимодействовать с конусом шестерни или зубчатой муфты раньше, чем это необходимо, еще при нахождении каретки в зацеплении с шестерней или зубчатой муфтой при не выключившейся передаче.
Третий и главный недостаток - отсутствие самозатягивания синхронизатора, т.к. момент синхронизации от момента сопротивления не зависит, в синхронизаторах данного типа.
Прототипом предлагаемого синхронизатора делителя и демультипликатора является синхронизатор демультипликатора коробки передач, изображенный в [2]. Он представляет собой двухсторонний синхронизатор, в котором ведущая шестерня нижней ступени, установленная на ведущем валу демультипликатора, самозатягивается при переходе с высшей на низшую передачу, а вторая шестерня синхронизатора - ведомая шестерня нижней ступени, установленная на шлицах ведомого вала, самозатягивается при переходе с низшей на высшую передачу.
Первый недостаток синхронизатора демультипликатора, определяющего кинематическую схему демультипликатора, заключается в том, что при включении низшей передачи демультипликатора, промежуточный вал вращается быстрее ведомого вала в число раз, равное передаточному числу привода ведомой шестерни нижней ступени, и ведущая шестерня нижней ступени вращается быстрее ведомого вала в число раз, равное передаточному числу демультипликатора. Это является причиной значительной нагрузки на подшипники и приводит к преждевременному их износу.
Второй недостаток - отсутствие подшипниковой опоры ведущей шестерни нижней ступени на ведущем валу демультипликатора, шестерня опирается на цилиндрическую поверхность блокирующего кольца, которое имеет две поверхности: коническую и цилиндрическую.
Третий недостаток - отсутствие упорного подшипника, к которому прижимается ведущая шестерня нижней ступени при включении прямой передачи демультипликатора, вращающаяся при этом с частотой большей частоты вращения ведущего вала демультипликатора в число раз, равное передаточному числу демультипликатора, при этом шестерня прижимается к вилке или зубчатой втулке передачи заднего хода ведомого вала основной коробки передач, представляющего собой единое целое с ведущим валом демультипликатора; дело в том, что по причине
Эти два недостатка вызывают малый ресурс синхронизатора демультипликатора и уменьшение КПД демультипликатора в целом.
Цель изобретения: обеспечение самозатягивания синхронизатора, при переходе с низшей на высшую и с высшей на низшую передачу, увеличение момента синхронизации, повышение надежности блокировки, увеличение ресурса синхронизатора, уменьшение силы для включения передачи, исключение самопроизвольного выключения передачи, повышение ремонтопригодности синхронизатора, обеспечение возможности применения синхронизатора в качестве синхронизатора задней передачи, увеличение КПД коробки передач, обеспечение возможности применения синхронизатора при использовании пневматического сервопривода переключения передач, упрощение сервопривода переключения передач.
Обеспечение самозатягивания синхронизатора, при переходе с низшей на высшую и с высшей на низшую передачу, достигается в результате применения муфты или дополнительного синхронизирующего самозатягивающегося кольца, или синхронизирующей втулки, или ступицы подвижной в осевом направлении.
Увеличение момента синхронизации по сравнению с аналогами и прототипом достигается в результате того, что, применительно к косозубым шестерням, предлагаемый синхронизатор представляет собой самозатягивающийся синхронизатор при переходе с высшей на низшую и/или с низшей на высшую передачу. Достигается это в результате того, что направление угла наклона зубьев шестерни выбирается так, что при передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам при включенной передаче, шестерня осевая составляющая силы зацепления действует в направлении ступицы синхронизатора или вилки включения передачи; а при обратной передаче момента, с трансмиссии на двигатель, осевые силы действуют в направлении вилки включения передачи или ступицы синхронизатора; и во всех случаях при движении на передаче воспринимаются зубчатым венцом шестерни, находящимся в зацеплении с зубчатым венцом ступицы; по этой причине при переходе с низшей на высшую передачу или высшей на низшую передачу осевые составляющие силы зацепления прижимают шестерню к блокирующему кольцу, а при переходе с высшей на низшую или с низшей на высшую передачу, шестерня прижимается к дополнительному самозатягивающемуся кольцу или к кольцу трения вала; при этом в обоих случаях при переключении передач осевые составляющие силы зацепления вызваны инерционными моментами инерционных масс коробки передач.
Увеличение момента синхронизации по сравнению с аналогами и прототипом достигается в результате того, что, применительно к косозубым шестерням, существует воплощение синхронизатора, в котором самозатягивание происходит как при переходе с высшей на низшую передачу, так и при переходе с низшей на высшую передачу, что обеспечивается установкой в ступице синхронизатора дополнительного самозатягивающегося кольца или на валу кольца трения, к которому прижимается шестерня осевыми силами при переходе с низшей на высшую или с высшей на низшую передачу, в зависимости от направления угла наклона зубьев. Когда в процессе синхронизации осевая составляющая силы зацепления направлена в сторону противоположную ступицы синхронизатора, то шестерня прижимается к дополнительному синхронизирующему кольцу, по этой причине блокирующее кольцо блокируется и в результате самозатягивания синхронизатора прижимается дополнительными блокирующими зубьями к основной синхронизирующей поверхности шестерни, или имеет синхронизирующую втулку, которая прижимается качающейся вилкой к кольцу трения вала. Во всех случаях, достоинство самозатягивающегося синхронизатора в том, что чем больше момент сопротивления торможению или разгону инерционных масс коробки, создаваемый их инерционным моментом и моментами трения, тем больше момент самозатягивания и момент синхронизации.
Повышение надежности блокировки по сравнению с первым, вторым, третьим, пятым аналогами и прототипом достигается тем, что обеспечение самозатягивания синхронизатора, и/или увеличение поверхностей трения, реализуемое в предлагаемом многоконусном синхронизаторе, позволяет обеспечить на блокирующих кольцах, а также на кольцах трения многоконусного синхронизатора, малый коэффициент трения - стабильный на протяжении всего срока эксплуатации транспортного средства, при этом угол синхронизации (применительно к предлагаемому синхронизатору - угол скоса блокирующих зубьев муфты и блокирующих колец, измеренный от плоскости перпендикулярной к оси вала) выбирается исходя из малого стабильного коэффициента трения, а обработка блокирующих колец и конусов шестерни сводится не к увеличению коэффициента трения, а к ресурсу поверхностей трения, т.е. например, к исключению наволакивания металла и общего износа поверхностей трения; такое выполнение синхронизатора позволяет исключить нарушение блокировки блокирующих колец по причине уменьшения коэффициента трения на их синхронизирующих поверхностях; такое выполнение синхронизатора позволяет уменьшить угол конусности блокирующих колец до минимально возможных значений, что позволяет частично компенсировать уменьшение момента синхронизации создаваемого основными синхронизирующими поверхностями.
Увеличение момента синхронизации по сравнению с четвертым аналогом (многоконусным синхронизатором) достигается в результате того, что предлагаемый дополнительный многоконусный синхронизатор позволяет добиться увеличения момента синхронизации по сравнению с многоконусным синхронизатором за счет обеспечения процесса самозатягивания при косозубых шестернях, без увеличения коэффициента трения на синхронизирующих поверхностях, а при увеличении коэффициента трения на синхронизирующих поверхностях - еще большего увеличения.
Уменьшение силы для включения передачи достигается в результате того, что увеличение момента синхронизации по сравнению с аналогами и прототипом позволяет во многих случаях уменьшить силу необходимую для создания момента синхронизации, т.е. для включения передачи, оставив момент синхронизации, а, следовательно и время синхронизации, без изменения, т.к. во многих случаях современный одноконусный синхронизатор может обеспечить требуемые момент синхронизации и время включения, что позволяет уменьшить силу включения передачи.
Увеличение ресурса синхронизатора достигается в результате нижеприведенных достоинств предлагаемого синхронизатора.
Во-первых, увеличение момента синхронизации в определенное число по сравнению с аналогами и прототипом позволяет уменьшить в то же число силу при включении передачи, оставив момент синхронизации без изменения. В результате этого значительно возрастает ресурс синхронизатора.
Во-вторых, уменьшение коэффициента трения на блокирующих кольцах вплоть до малого стабильного значения позволяет значительно увеличить их ресурс, при этом также значительно повышается ресурс блокирующих зубьев муфты, которые объединены с зубьями включения передачи, и также значительно повышается ресурс зубчатых венцов шестерен, по той причине, что предлагаемая конструкция синхронизатора позволяет полностью избежать включения передачи без синхронизации.
В-третьих, предлагаемая конструкция фиксатора синхронизатора позволяет полностью избежать самопроизвольного выключения передачи, что также значительно повышает ресурс синхронизатора.
В-четвертых, значительно повышается ресурс синхронизатора и сухарей вилки включения (или вилки включения), в результате того, что работа отдельных воплощений синхронизатора практически не сопровождается остановкой муфты при осевом перемещении при включении передачи, что позволяет избежать ударных нагрузок на синхронизатор со стороны привода переключения передач, обладающего моментом инерции, вызывающем ударные нагрузки на синхронизатор при его "закусывании", что позволяет применить простой привод переключения передач, так называемую "трубу".
В-пятых, ресурс синхронизатора, по сравнению с прототипом и некоторыми аналогами, повышается в результате того, что при выключенной передаче блокирующие кольцо не взаимодействует с конусом шестерни.
Исключение самопроизвольного выключения передачи достигается наклоном осевых зубьев зубчатых венцов ступицы и шестерни с углом наклона зубьев шестерни и тем, что зубья могут образовывать замок зубьев, выполненный так, что осевые зубьев наклонены под углом наклона зубьев шестерни, а боковые стороны зубьев, взаимодействующие при передаче момента с шестерни на вал, при движении транспортного средства под действием момента двигателя, выполняются с углом, меньшим угла наклона зубьев шестерни, а боковые стороны зубьев, взаимодействующие при передаче момента с вала на шестерню, при торможении транспортного средства двигателем, выполняются с углом, большим угла наклона зубьев шестерни; при этом в зацеплении имеется небольшой окружной зазор.
Повышение ремонтопригодности синхронизатора достигается по сравнению с пятым аналогом (синхронизатором КамАЗ) достигается в результате того, что предлагаемый синхронизатор является полностью разборным и его при необходимости отремонтирует не только агрегатчик, но и водитель.
Обеспечение возможности применения синхронизатора в качестве синхронизатора задней передачи достигается тем, что отдельные воплощения предлагаемого синхронизатора предназначены для синхронизации задней передачи, включаемой осевым перемещением шестерни, которая установлена на игольчатых подшипниках, по валу вилкой включения. Предлагаются также варианты инерционного синхронизатора задней передачи с несимметричными блокирующими скосами и с синхронизирующей вилкой. Применение первого из них позволяет добиться цели увеличения ресурса, а второго - не только увеличения ресурса, но и, вместе с этим, увеличения момента синхронизации.
Увеличение КПД коробки передач достигается результате того, что в предлагаемом синхронизаторе полностью отсутствуют потери на трение между фрикционными элементами. В предлагаемом синхронизаторе с одним блокирующим кольцом и с самозатягивающимися кольцами трения, взаимодействие их с шестерней происходит только в процессе синхронизации. В предлагаемом дополнительном многоконусном синхронизаторе дополнительные синхронизирующие кольца устанавливаются при помощи пластинчатых пружин изгиба и при выключенной передаче не взаимодействуют.
Обеспечение возможности применения синхронизатора при использовании пневматического сервопривода переключения передач достигается тем, что работа предлагаемого синхронизатора не сопровождается остановкой шестерни при осевом перемещении при блокировании блокирующего кольца, что позволяет избежать ударных нагрузок на синхронизатор при его блокировании при включении передач при помощи сжатого воздуха.
Упрощение сервопривода переключения передач достигается тем, что вышеописанное отсутствие остановки муфты при осевом перемещении при блокировании блокирующего кольца позволяет упростить сервопривод переключения передач.
Предлагаемый синхронизатор удовлетворяет условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Предлагаемый синхронизатор является изобретением, т.к. удовлетворяет критериям "новизна" и "существенные отличия".
На фиг. 1 показана шестиступенчатая коробка передач автобуса при применении предлагаемого синхронизатора, применительно к передаче заднего хода.
На фиг. 2 показан предлагаемый синхронизатор применительно к передаче заднего хода.
На фиг. 3 показан предлагаемый синхронизатора, применительно к передаче заднего хода, в том случае, когда синхронизатор имеет две конические синхронизирующие поверхности с противоположно направленными углами конусности.
На фиг. 4 показан предлагаемый синхронизатор при применении дополнительного самозатягивающегося синхронизирующего кольца, имеющего диаметр трения, больший диаметра трения блокирующего кольца.
На фиг. 5 показан многоконусный предлагаемый синхронизатор.
На фиг. 6 показан многоконусный предлагаемый синхронизатор, у которого зубья включения передачи объединены с блокирующими зубьями.
На фиг. 7 показан предлагаемый синхронизатор с синхронизирующей втулкой, кольцом трения вала и качающейся вилкой.
На фиг. 8 показан предлагаемый синхронизатор с муфтой.
На фиг. 9 показан синхронизатор делителя.
На фиг. 10 показан синхронизатор демультипликатора.
На фиг. 11 показан синхронизатор с двумя блокирующими кольцами.
В этой работе предлагается синхронизатор механической ступенчатой коробки передач, имеющий по меньшей мере одну коническую синхронизирующую поверхность трения, выполненную в теле шестерни, т.е. находящуюся внутри шестерни с внутренней стороны относительно зубьев передающих крутящий момент ее вращения, коаксиально делительному цилиндру зубьев, т.е. между зубьями и подшипниковой опорой шестерни на валу, на котором установлена шестерня и с которым она соединяется после синхронизации, и включении передачи осевым перемещением шестерни на валу вилкой включения, в котором зубья, посредством которых шестерня соединяется с валом, выполнены на шестерне, с внутренней стороны относительно синхронизирующей поверхности, коаксиально ей, и на ступице синхронизатора, которая жестко соединена с валом, например, посредством шлицев и/или запрессовки, или шпонки, или пружинным стопорным кольцом и выполнена как единое целое с дополнительным синхронизирующим кольцом соседней шестерни или с его ступицей.
На фиг. 1, 1-а позициями обозначены:
1) - ведущий вал коробки передач;
2) - крышка ведущего вала;
3) - сальник ведущего вала;
4) - задний подшипник ведущего вала;
5) - шестерня ведущего вала;
6) - передний подшипник ведомого вала;
7) - пятой и шестой передачи;
8) - муфта синхронизатора пятой и шестой передачи;
9) - вал переключения передач;
10) - шестерня пятой передачи ведомого вала;
11) - шестерня четвертой передачи ведомого вала;
12) - шток третьей и четвертой передач;
13) - шестерня третьей передачи ведомого вала;
14) - шестерня второй передачи ведомого вала;
15) - вилка первой и второй передач;
16) - шток передачи заднего хода;
17) - шестерня первой передачи;
18) - шестерня передачи заднего хода ведомого вала;
19) - датчик включения передачи заднего хода;
20) - вилка передачи заднего хода;
21) - задний подшипник ведомого вала;
22) - шайба крепления фланца;
23) - червячное колесо привода спидометра;
24) - задний подшипник промежуточного вала;
25) - промежуточный вал;
26) - картер коробки передач;
27) - промежуточная шестерня заднего хода;
28) - шестерня заднего хода промежуточного вала;
29) - муфта синхронизатора первой и второй передачи;
30) - шестерня второй передачи промежуточного вала;
31) - шестерня третьей передачи промежуточного вала;
32) - муфта синхронизатора третьей и четвертой передачи;
33) - шестерня четвертой передачи промежуточного вала;
34) - шестерня пятой передачи промежуточного вала;
35) - шестерня привода промежуточного вала;
36) - крышка коробки передач;
37) - крышка переднего подшипника промежуточного вала;
38) - передний подшипник промежуточного вала;
39) - промежуточный вал;
40) - червяк привода спидометра;
41) - фланец ведомого вала;
42) - ступица синхронизатора задней передачи, совместно изготовленная с кольцом трения дополнительного синхронизатора первой передачи.
Предлагаемый синхронизатор показан на фиг. 1 применительно к передаче заднего хода. Ступица 42 синхронизатора жестко соединена с валом, как описано выше, и одновременно является ступицей дополнительного синхронизатора первой передачи.
Синхронизатор может быть трехконусным. Для передачи заднего хода, это необходимо только для самоходных машин, которым необходим быстрый и частый реверс, например, автогрейдеров, бульдозеров, погрузчиков.
При выполнении синхронизатора применительно к передаче заднего хода могут применяться блокирующие зубья с несимметричными скосами и синхронизирующая вилка с конической синхронизирующей поверхностью. Коэффициент трения на синхронизирующих поверхностях выбирается исходя из обеспечения его стабильности в течение всего срока службы коробки передач и условия разблокирования блокирующего кольца. Угол наклона осевых зубьев зубчатых венцов шестерни и ступицы, посредством которых шестерня соединяется со ступицей, равен углу наклона зубьев шестерни и направлен в ту же сторону, зубья могут образовывать замок зубьев. Применительно к синхронизатору передачи заднего хода, направление угла наклона зубьев шестерни выбирается так, что торможение инерционных масс коробки передач вызывает, в результате действия момента инерции, прижатие включаемой шестерни к блокирующему кольцу, т.е. самозатягивание синхронизатора. При принудительном вращении шестерни на валу, косозубая шестерня в результате действия момента сопротивления под действием осевой составляющей силы зацепления прижимается к втулке, связанной с валом посредством диафрагменной пружины, и/или к вилке, имеющей с одной стороны тела качения для контакта с шестерней, а с другой стороны вилка с шестерней не взаимодействует, или шестерня прижимается к фаске вала (при наклоне зубьев в противоположном направлении). При применении предлагаемого синхронизатора применительно к передаче заднего хода, фиксатор вилки выполнен так, что после включения передачи вилка смещается на некоторое расстояние в направлении противоположном направлению включения передачи, исключая контакт муфты синхронизатора и вилки включения или сухаря вилки после включения передачи.
Применительно арочной, шевронной, или прямозубой зубчатой передаче, в наиболее простейшем воплощении, синхронизатор может применяться для передачи переднего хода.
В наиболее простейшем воплощении, синхронизатор показан на фиг. 2.
На фиг. 2 позициями обозначены:
18) - шестерня;
42) - ступица синхронизатора;
43) - вставка в шестерню;
44) - пружинное стопорное кольцо;
45) - блокирующее кольцо.
На фиг. 2 показан разрез фрагмента синхронизатора, который устроен, как описано ниже. Ступица 42 синхронизатора и блокирующее кольцо 45 имеют блокирующие зубья, выполненные с одним и тем же модулем, имеющие скошенные концы.
Возможен тот случай, что шестерня передачи, включаемой одной вилкой с передачей, имеющей описываемый синхронизатор, установлена на подшипниковой опоре на шестерне, имеющей описываемый синхронизатор, без возможности осевого смещения относительно нее, при этом обе шестерни являются арочными, или шевронными, или прямозубыми.
В теле шестерни может быть выполнено две конических синхронизирующих поверхности.
При этом две конических синхронизирующих поверхности могут иметь противоположно направленные углы конусности, при этом возможны два случая.
В первом случае, две конических синхронизирующих поверхности с противоположными углами конусности имеет и блокирующее кольцо, которое при этом выполняется так, что элемент ступицы с блокирующими зубьями при включении передачи и при включенной передаче оказывается внутри блокирующего кольца, в которое вкручиваются болты для ограничивающие его сдвиг. Этот случай показан на фиг. 3, второй случай показан на фиг. 7.
На фиг. 3 дополнительно к обозначенному на фиг. 2 позицией 46 обозначена вставка дополнительной синхронизирующей поверхности шестерни.
При этом достигается значительное увеличение ресурса синхронизирующих поверхностей трения, примерно в 2 раза.
Две конических синхронизирующих поверхности могут иметь направленные в одну сторону углы конусности, как показано на фиг. 4.
На фиг. 4 дополнительно позициями обозначены:
47) - пружинное стопорное кольцо;
48) - дополнительное самозатягивающееся синхронизирующее кольцо;
49) - нестандартное пружинное стопорное кольцо;
50) - вставка дополнительной поверхности трения шестерни;
51) - зубчатый венец дополнительного синхронизирующего кольца;
52) - дополнительные зубья блокирующего кольца;
53) - зубья зубчатого венца;
54) - шлицы зубчатого венца;
55) - пружина.
В этом случае, синхронизатор имеет дополнительное синхронизирующее самозатягивающееся кольцо 48, имеющее коническую синхронизирующую поверхность, взаимодействующую с дополнительной конической синхронизирующей поверхностью шестерни 18, выполненной во вставке 50 из износостойкого материала. Дополнительное синхронизирующее самозатягивающееся кольцо 48 взаимодействует с блокирующим кольцом 45 посредством дополнительных блокирующих зубьев 52 и 53 со скосами, выполненными с углом наклона относительно плоскости перпендикулярной валу, зубья 52 и 53 со скосами выполняются, соответственно, на блокирующем кольце 45 и на зубчатом венце 51, соединенном посредством пружинного стопорного кольца 47 и радиальных выступов, или штифтов (на фигурах не показано), с дополнительным самозатягивающимся кольцом 48, угол наклона скосов зубьев 52 и 53 выбирается исходя из обеспечения блокирования блокирующего кольца 45 при блокировании дополнительного кольца 48. Вставка 50 шестерни 18 связана с шестерней 18 жестко, посредством запрессовки и радиальных выступов или шлицев, и/или пружинного стопорного кольца, и/или штифтов. В ступице 42 установлены пружины 55, воздействующие на зубчатый венец 51 кольца 48 в осевом направлении в сторону шестерни 18 и прижимающие зубчатый венец 51 к блокирующему кольцу 45, а последнее - к пружинному стопорному кольцу 44.
При применении трехконусного синхронизатора совместно с дополнительным самозатягивающимся кольцом, оно взаимодействует посредством зубьев с малым или внешним кольцом трения (на фигурах не показано).
При применении дополнительного кольца 48, дополнительные блокирующие зубья кольца 48 и блокирующего кольца 45 имеют скос только с одной стороны, при этом дополнительные блокирующие работают при разгоне инерционных масс, а основные блокирующие зубья, также имеющие скос только с одной стороны, работают при торможении инерционных масс, или наоборот, в зависимости от направления наклона зубьев шестерни, обеспечивая во всех случаях процесс самозатягивания синхронизатора; или дополнительные блокирующие зубья кольца 48 и блокирующего кольца 45 имеют скосы с двух сторон, при этом основные блокирующие зубья отсутствуют или выполняются с целью установки блокирующего кольца на ступице, и являются заостренными, как и блокирующие зубья ступицы с целью облегчения их взаимодействия при осевом перемещении шестерни и блокирующего кольца при включении передачи.
Для передачи заднего хода, при принудительном вращении шестерни на валу, при выключенной передаче, косозубая шестерня 18 (см. фиг. 1) под действием осевой составляющей силы зацепления, вызванной крутящим моментом сопротивления, действующей в направлении ступицы 42 синхронизатора, прижимается к вилке включения передачи, что обеспечивается выбором направления угла наклона зубьев шестерен, так что при передаче крутящего момента на шестерню возникают осевые силы, прижимающие шестерню 18 к ступице 42 синхронизатора. При передаче обратного крутящего момента с шестерни 18 на шестерню 27 находящуюся с ней в зацеплении, осевая составляющая силы в зацеплении действует на шестерню 18 в направлении вилки включения передачи; это обеспечивается выбором направления угла наклона зубьев шестерен 18 и 27, по этой причине осевая сила, действующая на шестерню 18, зависит от направления передачи крутящего момента. Это может обеспечиваться применительно к передаче переднего хода.
Коэффициент трения на конических синхронизирующих поверхностях блокирующего кольца 45 и/или шестерни 18 не увеличен относительно минимально возможного значения, стабильного при эксплуатации транспортного средства.
В шестерни может устанавливаться вставка 43 и/или 46 из износостойкого материала, в которой выполнена коническая синхронизирующая поверхность трения, каждая вставка имеет одну коническую синхронизирующую поверхности, вставка жестко соединяются с шестерней, например, при помощи запрессовки и/или радиальных выступов, и/или при помощи шлицев. При применении дополнительного самозатягивающегося синхронизирующего кольца применение вставки 50 является обязательным условием сборки синхронизатора.
Когда синхронизатор является многоконусным, в этом случае: для включения передачи шестерня перемещается в осевом направлении вилкой включения; шестерня и ступица синхронизатора имеют зубья, входящие в зацепление при включении передачи, посредством которых передается крутящий момент от шестерни к валу и наоборот; при этом блокирующим является малое кольцо трения, оно имеет блокирующие зубья со скосами, а ступица синхронизатора имеет блокирующие зубья и зубья с которыми соединяется шестерня при включении передачи.
При выполнении синхронизатора с одноконусной синхронизирующей конической поверхностью выполненной в теле шестерни 18, блокирующее кольцо 45 синхронизатора имеет блокирующие зубья со скосами, ступица 42 синхронизатора имеет блокирующие зубья со скосами, на которых установлено с возможностью поворота между блокирующими зубьями, блокирующее кольцо 45 синхронизатора при выключенной передаче, синхронизатор имеет пружины, воздействующие на блокирующее кольцо 45, синхронизатор имеет пружинное стопорное кольцо 44, установленное на ступице 42 синхронизатора, пружинное стопорное кольцо 44 ограничивает перемещение блокирующего кольца 45 в направлении шестерни при выключенной передаче, к нему прижимается пружиной блокирующее кольцо 45 при выключенной передаче. Зубья, посредством которых шестерня соединяется с валом выполнены на шестерне 18, внутри относительно синхронизирующей поверхности, коаксиально ей, и на ступице 42 синхронизатора. Угол наклона осевых зубьев зубчатых венцов шестерни 18 и ступицы 42, посредством которых шестерня 18 соединяется со ступицей 42, равен углу наклона зубьев шестерни и направлен в ту же сторону, зубья могут образовывать замок.
При применении синхронизатора в качестве синхронизатора передачи заднего хода, делителя и демультипликатора, блокирующие зубья блокирующего кольца 45 и ступицы 42 синхронизатора могут иметь несимметричные скосы, имеющие один угол наклона, выбранный исходя из обеспечения процесса работы инерционного синхронизатора, но разные по ширине поверхности, при этом большей по ширине является скошенная поверхность зуба, работающая при торможении инерционных масс коробки передач, имеющих моменты инерции, при включении передачи заднего хода на неподвижном транспортном средстве или катящемся назад с малой скоростью, а поверхность зуба, работающая при разгоне и возможном изменении направления вращения приводимых элементов трансмиссии, что происходит при включении передачи заднего хода на движущемся вперед или назад, с большой скоростью, транспортном средстве, имеет значительно меньшую ширину, эта скошенная поверхность зуба работает в редком случае, только при включении передачи заднего хода при катящемся вперед или назад с большой скоростью транспортном средстве.
При применении синхронизатора для передачи заднего хода, делителя и демультипликатора, блокирующие зубья блокирующего кольца 45 и ступицы 42 синхронизатора могут иметь только одну скошенную торцевую поверхность, работающую только при торможении инерционных масс коробки передач при включении передачи заднего хода на неподвижном или катящемся назад с малой скоростью транспортном средстве, по этой причине при движущемся вперед или назад, с большой скоростью, транспортном средстве передача заднего хода не может включаться.
При применении в качестве синхронизатора передачи заднего хода может применяться синхронизирующая вилка, имеющая одну синхронизирующую коническую поверхность, взаимодействующую с дополнительной синхронизирующей конической поверхностью шестерни при включении передачи заднего хода на неподвижном транспортном средстве, коническая синхронизирующая поверхность вилки выполняется в детали, шарнирно соединенной с вилкой с окружным зазором, и имеющей вертикальную поверхность, работающую в контакте с шестерней при выключении передачи заднего хода, а шестерня имеет с одной стороны паза под вилку коническую синхронизирующую поверхность, которая может выполняться во вставке из износостойкого материала, а с другой стороны вертикальную поверхность. Применение синхронизирующей вилки позволяет достичь эффект двухконусной синхронизации применительно к синхронизатору передачи заднего хода и более чем в два раза увеличить момент синхронизации по сравнению с одноконусным синхронизатором (на фигурах не показано). Угловая величина окружного зазора по меньшей мере равна угловому перемещению шестерни вместе с блокирующим кольцом при разблокировании блокирующего кольца перед вхождением в зацепление зубчатого венца шестерни с зубчатым венцом ступицы синхронизатора.
При применении синхронизирующей вилки и косозубой шестерни заднего хода, прижимающейся осевыми силами в зацеплении при свободном вращении шестерни на валу к вилке включения передачи, применяется кольцо с телами вращения взаимодействующая с поверхностью шестерни и с поверхностью детали шарнирно соединенной с вилкой и имеющей синхронизирующую коническую поверхность; при этом взаимодействии посредством тел вращения происходит с другой стороны относительно синхронизирующей поверхности шестерни и детали соединенной с вилкой, это позволяет уменьшить потери на трение в коробке передач (на фигурах не показано).
При применении синхронизатора в качестве синхронизатора передачи заднего хода, угол наклона зубьев шестерни 18 выбирается так, что осевые силы в зацеплении шестерни 18 прижимают шестерню 18 к ступице синхронизатора, при выключенной передаче шестерня 18 взаимодействует с вилкой включения. Это позволяет достичь эффект самозатягивания синхронизатора при включении задней передачи при неподвижном или катящемся назад с малой скоростью транспортном средстве, а при применении в качестве синхронизатора передачи переднего хода позволяет достичь эффект самозатягивания синхронизатора при переходе с низшей на высшую передачу, т.к. при этом шестерня под действием момента инерции, действующего на затормаживаемые инерционные массы коробки, прижимается к синхронизирующей поверхности.
Шестерня 18 может прижиматься к втулке, связанной с валом 39 посредством диафрагменной пружины, так, что при перемещении шестерни 18 вилкой, диафрагменная пружина на первой половине хода шестерни 18 сначала сжимается, а затем на второй половине хода разжимается, создавая силу, способствующую перемещению шестерни 18, при этом первая половина хода соответствует выбору зазора между шестерней 18 и блокирующим кольцом 45 и его блокированию, а вторая - вхождению шестерни 18 в зацепление с зубчатым венцом ступицы 42; при этом сила упругости диафрагменной пружины выбирается исходя из максимального момента сопротивления вращению шестерни на валу при выключенной передаче. Втулка может иметь упорный подшипник качения. Это воплощение синхронизатора на фигурах не показано.
Рассмотрим подробно работу предлагаемого синхронизатора на примере синхронизатора задней передачи. При работе коробки передач в нейтральном положении при работающем двигателе, косозубая шестерня 18 заднего хода находится под воздействием осевой составляющей силы зацепления с промежуточной шестерней 27, направленной в сторону ступицы 42 синхронизатора, эта сила тем больше, чем больше момент сопротивления вращению шестерни 18. При включении передачи заднего хода, вилка воздействует на шестерню 18, прижимая ее к блокирующему кольцу. При этом появляется момент трения, поворачивающий блокирующее кольцо на четверть шага блокирующих зубьев до взаимодействия скосов блокирующих зубьев кольца и ступицы. При этом момент трения начинает действовать на косозубую шестерню 18 в направлении, противоположном направлению ее вращения, т.е. в направлении торможения шестерни 18, при этом шестерня 18 начинает тормозиться вместе с находящимися в зацеплении с ней промежуточной шестерней 27, промежуточным валом 25 и ведущим валом 1, при их торможении появляется инерционный момент, действующий на эти инерционные массы коробки в направлении их вращения. Инерционный момент стремится сохранить вращение инерционных масс и действует в направлении противоположном действию момента синхронизации. При этом увеличивается осевая составляющая силы зацепления шестерни 18 и шестерни 27, направленная в сторону ступицы 42 синхронизатора и блокирующего кольца, эта сила тем больше, чем больше инерционный момент, действующий на инерционные массы коробки, который, в свою очередь, тем больше, чем больше угловое ускорение, и линейно связан с ним. Эта сила прижимает шестерню 18 к блокирующему кольцу 45, увеличивая момент трения, действующий на шестерню 18, т.е. момент синхронизации. По этой причине, чем больше момент сопротивления торможению шестерни и находящихся в зацеплении с ней инерционных масс коробки, вызванный действием на них инерционных моментов, из которых получается инерционный момент приведенный к шестерне, тем больше момент синхронизации. При торможении инерционных масс их угловые ускорения уменьшаются, вызывая уменьшение инерционных моментов, действующих на инерционные массы, поэтому инерционный момент, приведенный к шестерне также уменьшается, по этой причине уменьшается и момент синхронизации. При полной остановке шестерни 18 и находящихся в зацеплении с ней инерционных масс, инерционный момент, приведенный к шестерне и момент синхронизации становятся равными нулю. При этом шестерня 18 под действием осевой силы от вилки воздействует на блокирующее кольцо, которое упирается своими блокирующими зубьями в блокирующие зубья ступицы, в результате взаимодействия блокирующих зубьев блокирующего кольца и ступицы, происходит поворот блокирующего кольца и шестерни 18 на угол, соответствующий четверти шага блокирующих зубьев, при этом инерционные массы, находящиеся в зацеплении с шестерней 18 также поворачиваются. После этого шестерня 18 начинает входить в зацепление своим косозубым зубчатым венцом с косозубым зубчатым венцом ступицы, поворачиваясь относительно блокирующего кольца 45. Подобный процесс происходит при включении передачи заднего хода при катящемся назад с малой скоростью транспортном средстве, при условии, что для синхронизации инерционные массы тормозятся.
При включении передачи заднего хода в тех случаях, когда инерционные массы для синхронизации должны увеличить свои частоты вращения, осевая составляющая силы зацепления, действующая на шестерню 18, отжимает шестерню 18 от блокирующего кольца и прижимает ее к вилке, по этой причине синхронизация и самозатягивание невозможны. Это является причиной применения наиболее простейшего воплощения предлагаемого синхронизатора только для передачи заднего хода.
Этот недостаток устраняется введением в конструкцию синхронизатора дополнительного синхронизирующего самозатягивающегося кольца 48 (фиг. 4), рассмотрим работу оборудованного им синхронизатора.
Рассмотрим наиболее вероятный случай, когда дополнительное самозатягивающееся кольцо обеспечивает самозатягивание синхронизатора при переходе с высшей на низшую передачу. Вилка воздействует на шестерню 18 и прижимает ее к блокирующему кольцу 45, при этом оно блокируется, при этом дополнительное синхронизирующееся кольцо 48, в результате взаимодействия блокирующих зубьев 53 зубчатого венца с дополнительными зубьями 52 блокирующего кольца 45, и в результате взаимодействия с блокирующими зубьями ступицы 42 прижимается к вставке 50. После этого появляется осевая сила, стремящаяся отодвинуть шестерню 18 от блокирующего кольца 45, но этого не происходит, т.к. эта сила воспринимается вставкой 50 и кольцом 48, прижимающим в результате взаимодействия блокирующих зубьев 53 зубчатого венца 51 с дополнительными блокирующими зубьями 52 блокирующего кольца 45, последнее прижимается к шестерне 18, способствуя его блокированию. При этом, чем больше осевая сила самозатягивания, действующая на дополнительное синхронизирующее самозатягивающееся кольцо 48, тем больше сила прижатия блокирующего кольца 45 к шестерне 18. При прижатии шестерни 18 к блокирующему кольцу 45 вилкой, создается момент десинхронизации, стремящийся разблокировать кольцо 45, что происходит, когда составляющая момента синхронизации от сил самозатягивания становится равной нулю, по причине выровненных частот вращения вала и шестерни. Описываемый процесс может происходить и при переходе с низшей на высшую передачу в зависимости от направления наклона зубьев шестерни.
При включении передачи на неподвижном транспортном средстве и при переходе с низшей на высшую передачу, в том случае, когда блокирующие зубья блокирующего кольца и ступицы являются несимметричными и имеют по одному скосу дополнительное синхронизирующее самозатягивающееся кольцо 48 не прижимается к вставке 50 шестерни 18, и процесс самозатягивания происходит, как и в простейшем воплощении синхронизатора, с участием блокирующего кольца 45; в том случае, когда дополнительные блокирующие зубья 52 и 53 блокирующего кольца 45 и зубчатого венца 51 являются симметричными, с двумя скосами, в результате взаимодействия дополнительных блокирующих зубьев 53 зубчатого венца 51 с дополнительными блокирующими зубьями 52 блокирующего кольца 45, дополнительное самозатягивающееся синхронизирующее кольцо 48 создает дополнительный момент синхронизации, и участвует в процессе самозатягивания, т.к. процесс самозатягивания обеспечивается прижатием шестерни 18 к блокирующему кольцу 45 и прижатием кольца 48 к вставке 50. Этот процесс может происходить также и при переходе с высшей на низшую передачу в зависимости от направления наклона зубьев шестерни.
Применение пружин, воздействующих на зубчатый венец 51 дополнительное синхронизирующее самозатягивающееся кольцо 48, в осевом направлении необходимо для создания силы на блокирующем кольце 45, вызывающей момент трения, обеспечивающий его блокирование, и для того, чтобы дополнительное кольцо 48 отводилось от вставки 50 шестерни при неработающем синхронизаторе.
Два воплощения предлагаемого трехконусного синхронизатора показаны соответственно на фиг. 5 и фиг. 6.
На фиг. 5 и фиг. 6 позициями обозначены:
43) - вставка в шестерню;
45) - блокирующее кольцо, т.е. малое кольцо трения;
56) - внешнее кольцо трения;
57) - пластинчатая пружина изгиба;
58) - пружинное стопорное кольцо;
59) - роликовый подшипник шестерни;
60) - промежуточное кольцо трения;
61) - кольцевая дисковая пружина;
62) - пружинное стопорное кольцо;
63) - пружинное стопорное кольцо.
В трехконусном синхронизаторе, который наиболее оптимально применять для передачи предназначенной для трогания с места, т.е., например, для второй передачи в шестиступенчатой коробке передач, (на фигурах применение этого воплощения предлагаемого синхронизатора, применительно к шестиступенчатой коробке, не показано) шестерня имеет трехконусные поверхности трения, обеспечивающие примерно трехкратное увеличение синхронизирующего момента. Достигается это следующим образом: блокирующее кольцо 45, установленное на ступице 42, имеет внешние шлицы или радиальные выступы, на которых установлено внешнее кольцо трения 56 и связано с блокирующим кольцом 45 посредством пластинчатой пружины изгиба 57, шестерня 18 или вставка 43 шестерни 18 имеет шлицы или радиальные выступы, на которых установлено промежуточное кольцо трения 60, имеющее две поверхности трения, внутреннюю и внешнюю, и связанное с шестерней 18 посредством кольцевой дисковой пружины 61. Зубья, посредством которых шестерня 18 соединяется с валом 39 выполнены на шестерне и ступице 42 отдельно от блокирующих зубьев, как показано на фиг. 5, или объединены с ними, как показано на фиг. 6, при этом, соответственно, перемещение блокирующего кольца 45 в направлении шестерни 18 ограничивается пружинным стопорным кольцом 58, (см. фиг. 5), а пружины блокирующего кольца воздействуют на ступицу 42, или перемещение блокирующего кольца 58 ограничивается выступами ступицы, допускающими вхождение шестерни в зацепление с блокирующими зубьями, а пружины блокирующего кольца 45 воздействуют на пружинное стопорное кольцо 63, установленное в ступице 42. Шлицы блокирующего 45 и внешнего 56 колец трения выполняются на участках окружности, а на других участках - зазор между кольцами, или внешнее кольцо трения 56 имеет радиальные сквозные отверстия (см. фиг. 6). Ступица 42, установлена на шлицах вала так, что с одной стороны она фиксируется пружинным стопорным кольцом 62, а с другой - прямоугольной фаской вала, или длина шлицев меньше длины ступицы, которая имеет участок без шлицев, имеющий диаметр равный диаметру вала в месте установки ступицы, исходя из оптимальной свободной посадки, полностью исключающей биения, с внешней стороны этого участка ступицы на вал устанавливается пружинное стопорное кольцо, при этом с одной стороны ступица фиксируется на валу пружинным стопорным кольцом, а с другой шлицами, могут применяться регулировочные шайбы (на фигурах не показано). Диаметр внешнего шлицевого участка блокирующего кольца 45, т.е. малого кольца трения больше его диаметра трения. Шестерня 18 имеет коническую синхронизирующую поверхность, которая может взаимодействовать с внешним кольцом трения 56 многоконусного синхронизатора. Коническая синхронизирующая поверхность шестерни 18 и шлицы, на которых установлено промежуточное кольцо трения 60 синхронизатора выполнены непосредственно в шестерне или во вставке 43, выполненной из материала, обладающего большим ресурсом при трении, жестко соединенной с шестерней, например, при помощи запрессовки и/или радиальных выступов, и/или шлицев, и/или штифтов, и/или пружинного стопорного кольца. При включении передачи, шестерня 18 перемещается вилкой (на фиг. 5 и 6 не показанной) в осевом направлении в сторону многоконусного синхронизатора, коническая синхронизирующая поверхность шестерни 18 начинает взаимодействовать с внешним кольцом трения 56, установленном на шлицах блокирующего кольца 45, которое при этом блокируется. Внешнее кольцо трения 56 смещается в направлении осевого смещения шестерни 18, преодолевая усилие дисковой пружины. При этом промежуточное кольцо трения 60 начинает взаимодействовать с блокирующим кольцом 45. Промежуточное кольцо трения 60 смещается по шлицам шестерни 18 или ее вставки 43, совершающей осевое перемещение относительно промежуточного кольца трения 60. Внешнее кольцо трения 56 совершает вместе с шестерней 18 осевое перемещение до тех пор пока своей внутренней конической синхронизирующей поверхностью не начнет взаимодействовать с промежуточным кольцом трения 60. После этого осевое усилие включения передачи замыкается на блокирующее кольцо 45. После окончания процесса синхронизации, блокирующее кольцо 45 разблокируется, в результате взаимодействия его блокирующих зубьев с блокирующими зубьями ступицы, при этом шестерня 18 поворачивается вместе с блокирующим кольцом 45, на угол равный половине шага блокирующих зубьев, вместе с, находящимися с ней в зацеплении, элементами.
Дисковая пружина 61, фиксирующая в осевом направлении промежуточное кольцо трения способна передавать на шестерню момент синхронизации реализуемый на промежуточном кольце трения.
На фиг. 5 и 6 показаны воплощения многоконусного синхронизатора с прямозубым зубчатым венцом для косозубой шестерни, с углом наклона осевых зубьев венцов равным углу наклона зубьев шестерни.
В результате применения многоконусных поверхностей трения, момент синхронизации увеличивается более чем в два с половиной раза по сравнению с одноконусным традиционным известным синхронизатором; при равенстве диаметров трения всех колец дополнительного многоконусного синхронизатора момент синхронизации возрастал бы в три раза.
При применении косозубой зубчатой передачи и предлагаемого многоконусного синхронизатора достигается эффект самозатягивания при включении передачи при трогании с места и при переходе с низшей на высшую передачу, по этой причине, предлагаемый многоконусный синхронизатор, изображенный на фиг. 5 и фиг. 6 следует применять в механизмах реверса транспортных средств и самоходных машин, которым необходим частый и быстрый реверс, оборудованных механической ступенчатой трансмиссией, например, в трансмиссиях автогрейдеров, бульдозеров, погрузчиков, катков.
Во всех воплощениях предлагаемого синхронизатора, фиксатор вилки выполнен так, что после включения передачи вилка смещается на некоторое расстояние в направлении противоположном направлению включения передачи, исключая контакт шестерни или муфты и вилки включения или сухаря вилки после включения передачи; фиксатор вилки выполняется так, что вилка после включения передачи возвращается в такое положение, при котором исключен контакт вилки или сухаря вилки и муфты синхронизатора; для реализации этого фиксатор вилки включения передачи представляет собой подпружиненную треугольную призму или конус, взаимодействующую с треугольными или коническими пазами штока вилки переключения передач или с направляющими, или с кулачковыми шайбами вала переключения, или с другим элементом привода вилок. При этом, при окончании включения передачи, вилка перемещается на расстояние, несколько большее перемещения, соответствующего включению передачи при отсутствии взаимодействия вилки или сухаря вилки с муфтой, и призматический треугольный или конический фиксатор выталкивается элементом привода вилки на некоторую часть его хода, треугольный или конический фиксатор под действием пружины перемещает вилку, после включения передачи и снятия усилия с вилки, в положение, при котором вилка и шестерня не взаимодействуют, т.е. после включения передачи вилка под действием пружины треугольного или конического фиксатора отходит от шестерни на такое расстояние, при котором контакта шестерни и вилки включения не происходит.
Зубчатые венцы ступицы синхронизатора и шестерни могут быть выполнены так, что образуют замок зубьев, выполненный так, что осевые зубьев наклонены под углом наклона зубьев шестерни, а боковые стороны зубьев, взаимодействующие при передаче момента с шестерни на вал, при движении транспортного средства под действием момента двигателя, выполняются с углом, меньшим угла наклона зубьев шестерни, а боковые стороны зубьев, взаимодействующие при передаче момента с вала на шестерню, при торможении транспортного средства двигателем, выполняются с углом, большим угла наклона зубьев шестерни; при этом в зацеплении имеется небольшой окружной зазор (на фигурах не показано).
Для передачи переднего хода, применительно к воплощению с дополнительным самозатягивающимся синхронизирующим кольцом, при выключенной передаче, при принудительном вращении шестерни на валу, косозубая шестерня под действием осевой составляющей силы зацепления, вызванной передаваемым крутящим моментом, действующей в направлении противоположном ступицы синхронизатора, прижимается к фаске вала или пружинному стопорному кольцу, что обеспечивается выбором направления угла наклона зубьев шестерен, так что при передаче крутящего момента на шестерню возникают осевые силы, отводящие шестерню от ступицы синхронизатора, или наоборот; при передаче крутящего момента с шестерни на шестерню, находящуюся с ней в зацеплении, осевая составляющая силы в зацеплении действует на шестерню в направлении вилки включения передачи, или наоборот; это обеспечивается выбором направления угла наклона зубьев шестерен, по этой причине осевая составляющая силы зацепления, действующая на шестерню зависит от направления передачи крутящего момента.
При применении трехконусного синхронизатора совместно с дополнительным самозатягивающимся кольцом, оно взаимодействует посредством зубьев с малым кольцом трения. Это позволяет увеличить момент синхронизации примерно в 3 раза по сравнению с тем случаем, когда оно взаимодействует с внешним кольцом трения. При этом диаметр трения дополнительного самозатягивающегося синхронизирующего кольца больше диаметра трения внешнего кольца трения. Однако возможно взаимодействие дополнительного кольца с внешним кольцом трения, что неоптимально.
Когда две конических синхронизирующих поверхности имеют противоположно направленные углы конусности, синхронизатор может быть выполнен как описано ниже и показано на фиг. 7.
На фиг. 7 позициями дополнительно обозначены:
62) - синхронизирующее кольцо вала;
63) - ползун шестерни;
64) - качающаяся вилка;
65) - синхронизирующая втулка шестерни;
66) - ползун втулки.
Первая синхронизирующая поверхность выполнена в шестерне 18, а вторая коническая синхронизирующая поверхность выполняется на синхронизирующей втулке 65 из фрикционного износостойкого материала, связанной с косозубой шестерней 18 посредством нестандартных шлицев с окружным зазором или посредством стандартных шлицев, и взаимодействует с конической синхронизирующей поверхностью вала 39, которая выполняется на кольце 62 из фрикционного износостойкого материала, жестко соединенным с валом посредством шлицев, и/или запрессовки, и/или пружинного стопорного кольца или посредством нестандартных шлицев с окружным зазором, с осевой фиксацией пружинным стопорным кольцом. При этом вилка 64 шарнирно связана с втулкой 65 посредством ползуна 66 и с по меньшей мере одним ползуном 63, установленным на шестерне 18, а также шарнирно связана со штоком, а также шарнирно связана со штоком так, что исключается самопроизвольное включение передачи, за счет ограничения поворота вилки относительно штока в одном направлении, т.е. в направлении включения передачи, так, что при неизменном положении штока поворот вилки относительно штока в направлении включения передачи исключен. Первая коническая синхронизирующая поверхность взаимодействует с блокирующим кольцом и обеспечивает самозатягивание синхронизатора при торможении инерционных масс коробки, при переходе с низшей на высшую передачу, а вторая коническая синхронизирующая поверхность обеспечивает самозатягивание синхронизатора при разгоне инерционных масс коробки при переходе с высшей на низшую передачу и при включении передачи после движения на нейтральной передаче, или наоборот: первая синхронизирующая поверхность обеспечивает самозатягивание при разгоне инерционных масс, а вторая - при их торможении, в зависимости от направления угла наклона зубьев шестерни. Это может применяться как для передачи переднего, так и заднего хода.
Работает такой синхронизатор как описано ниже. В этом воплощении синхронизатора, при включении передачи, шток воздействует на качающуюся вилку 64, она воздействует на ползун 63 шестерни 18 и, действуя как рычаг, воздействует на ползун 66 дополнительной синхронизирующей втулки 65, которая начинает взаимодействовать с кольцом 62 вала 39, в результате этого шестерня 18 прижимается к блокирующему кольцу 45. При этом сначала появляется момент синхронизации, действующий на втулку 62, затем, под действием момента от силы трения, действующей на блокирующее кольцо 45, на которое действует сила упругости его пружин, блокирующее кольцо 45 блокируется. На шестерню 18 действует момент синхронизации, являющийся суммой моментов синхронизации от блокирующего кольца 45 и от дополнительной втулки 65. Моменту синхронизации противодействует момент сопротивления торможению или разгону инерционных масс коробки, вызванный, в основном, действием на них инерционных моментов, сумма которых приведена к шестерне 18. Осевая составляющая силы зацепления действует на шестерню 18 либо в направлении блокирующего кольца 45, либо в направлении втулки 65, обеспечивая самозатягивание синхронизатора. При этом, чем больше момент сопротивления, тем больше осевая составляющая силы зацепления, и тем больше момент синхронизации. При этом, в зависимости от направления действия осевой силы, самозатягивание обеспечивается либо блокирующим кольцом 45, либо дополнительной втулкой 65, при этом втулка 65 или шестерня 18, соответственно, прижимаются к кольцу 62 или блокирующему кольцу 45 только силой от вилки, действующей как рычаг. При полном выравнивании частот вращения вала и шестерни, блокирующее кольцо 45 разблокируется. Затем происходит поворот шестерни 18 вместе с блокирующим кольцом 45 на угол, соответствующий повороту шестерни на четверть шага блокирующих зубьев. Поворот происходит относительно дополнительной синхронизирующей втулки 65, не поворачивающейся относительно кольца 62 по причине трения, что обеспечивается окружным зазором шлицевого соединения ее с шестерней 18, или относительно вала 39 вместе с дополнительной синхронизирующей втулкой 65 и кольцом 62, что обеспечивается соединением кольца 62 с валом 39 с окружным зазором. После этого шестерня 18 входит в зацепление своим зубчатым венцом с зубчатым венцом ступицы 42, поворачиваясь относительно блокирующего кольца 45, т.к. зубчатые венцы ступицы 42 и шестерни 18 выполнены косозубыми с углом наклона зубьев шестерни 18 для обеспечения фиксации передачи, как описано выше.
Дополнительная синхронизирующая втулка 65 не участвует в процессе блокировки, это позволяет поднять коэффициент трения на ее поверхности трения и поверхности трения кольца 62 до максимально возможных значений, выполняя втулку 65 и/или кольцо 62 из фрикционного износостойкого материала, что позволяет увеличить создаваемый ими момент синхронизации.
Это воплощение синхронизатора и воплощение с дополнительным синхронизирующим кольцом может применяться для шестерни ускоряющей передачи в качестве одностороннего синхронизатора.
На фиг. 8 дополнительно позициями обозначены:
71) - пружинное стопорное кольцо;
72) - шайба;
73) - втулка;
74) - кольцевая дисковая пластинчатая пружина изгиба;
75) - муфта синхронизатора;
76) - пружинное стопорное кольцо;
77) - кольцевая дисковая пластинчатая пружина изгиба;
78) - короткий стержень фиксатора;
79) - внешняя большая пружина стержня фиксатора 88;
80) - дополнительная муфта;
81) - внешняя вставка дополнительной конической синхронизирующей поверхности шестерен 14 и 17;
82) - внутренняя вставка дополнительной конической синхронизирующей поверхности шестерен 14 и 17;
83) - шлиц дополнительной муфты 80;
84) - упор дополнительной муфты 80;
85) - клиновая поверхность вала для самозатягивания шестерни первой передачи 17;
86) - клиновая поверхность вала 39 для самозатягивания шестерни второй передачи 14;
87) - цилиндрическое или коническое углубление 39 вала для фиксации нейтрального положения муфты 75;
88) - стержень фиксатора;
89) - малая внутренняя пружина стержня фиксатора;
90) - нестандартные шлицы муфты;
91) - цилиндрическое или коническое углубление вала 39 для фиксации второй передачи;
92) - цилиндрическое или коническое углубление вала 39 для фиксации второй передачи;
93) - ступица синхронизатора второй передачи.
На фиг. 8 показан предлагаемый двухсторонний синхронизатор с самозатягиванием каждой из шестерен при переходе с высшей на низшую передачу и при переходе с низшей на высшую передачу. На фиг. 8 показан синхронизатор для трехвальной коробки передач, для шестерен 14 и 17 второй и первой передач соответственно, которые при этом выполняются косозубыми, имеющими наклоненные в одну сторону зубья, но с разными углами наклона, исходя из обеспечения разгрузки промежуточного вала от осевых сил, и имеют косозубые зубчатые венцы с зубьями, наклоненными с углами наклона зубьев шестерен 14 и 17. Ступица 42 представляет собой единое целое со ступицей шестерни передачи заднего хода.
Синхронизатор может быть выполнен как показано на фиг. 8 так, что имеет муфту 75, установленную на нестандартных шлицах вала 39 с окружным зазором, имеющих клиновые поверхности 85 и 86, выполненные на шлицах с малым углом относительно плоскости перпендикулярной валу 39, муфта 75 имеет по меньшей мере одну коническую синхронизирующую поверхность, взаимодействующую с дополнительной конической синхронизирующей поверхностью шестерни 14 или 17, муфта 75 имеет проточку под по меньшей мере один ползун вилки или под вилку, муфта 75 имеет нестандартные шлицы 90 с клиновыми поверхностями на торцах, выполненными с тем же углом, что у клиновых поверхностей шлицев 75 вала, муфта имеет по меньшей мере одну проточку под наружное пружинное стопорное кольцо 71, установленное в шестерне 14 или 17. взаимодействующее с шайбой 72, установленной в шестерне. Одна или две шестерни установлены на роликовых игольчатых подшипниках 70 на муфте 75, шестерни 14 и 17 фиксируются в осевом направлении на муфте 75 со стороны ступиц 93 и 42 их синхронизаторов пружинными стопорными кольцами 71 и нестандартными шайбами 72, к которым шестерни 14 и 17 прижимаются воздействующими на них с другой противоположной стороны втулками 73, находящимися под воздействием кольцевых дисковых пружин изгиба 74 или витых цилиндрических пружин (на фиг. 8 не показано), или в шестерни и в муфту устанавливаются постоянные магниты с противоположно направленными векторами магнитной индукции и прижатие шестерни к пружинному стопорному кольцу и шайбе происходит за счет взаимодействия их магнитных полей (на фигурах не показано). При выполнении синхронизатора двухсторонним муфта 75 имеет по меньшей мере две конических синхронизирующих поверхности, две группы клиновых поверхностей на шлицах 90, две проточки под пружинные стопорные кольца 71 шестерен 14 и 17, две группы клиновых поверхностей имеет и вал 39; в трехвальных коробках передач углы наклона зубьев шестерен выбираются так, что самозатягивание одной из шестерен за счет блокирующего кольца происходит при переходе с низшей на высшую передачу, а самозатягивание за счет муфты происходит при переходе с высшей на низшую передачу, а самозатягивание второй шестерни за счет блокирующего кольца происходит при переходе с высшей на низшую передачу, а самозатягивание за счет муфты происходит при переходе с низшей на высшую передачу. Коэффициент трения на дополнительных синхронизирующих поверхностях шестерни и/или муфты увеличивается относительно минимально возможного значения, а угол конусности дополнительных синхронизирующих поверхностей является минимально возможным и выбирается исходя отсутствия заклинивания поверхностей трения при имеющемся коэффициенте трения, т.е. напрессовывания поверхностей трения.
Муфта и шестерня могут иметь две, выполненные с противоположными углами синхронизирующие поверхности, контактирующие друг с другом, в процессе синхронизации (как показано на фиг. 8).
Возможен тот случай, что в проточку муфты под по меньшей мере один ползун вилки устанавливается по меньшей мере один упорный подшипник, на который воздействует по меньшей мере один ползун вилки, подшипник передает результирующую от осевых сил, действующих на муфту от шестерен, эти осевые силы вызваны действием на косозубые шестерни моментов сопротивления их вращению на валу (на фигурах не показано).
На фиг. 8 показан тот случай, когда синхронизатор имеет дополнительную муфту 80, на которую воздействует вилка или ползуны вилки, и имеет фиксаторы, имеющие короткие стержни 78 со сферическими концами, внешним и внутренним, посредством которых они взаимодействуют с дополнительной муфтой 80 и стержнями фиксаторов 88 соответственно. Дополнительная муфта 80 имеет нестандартные шлицы, на которых она установлена на муфте 75 синхронизатора с возможностью осевого перемещения относительно муфты 75, стержни фиксаторов 88 находятся под воздействием радиальных пружин, внешней 79 и внутренней 89, и имеют внешние концы в форме прямоугольника или квадрата, с полусферическим углублением, и внутренние концы, выполненные коническими, входящими при включенной и выключенной передаче в конические или цилиндрические углубления вала 87, 91 и 92, в одностороннем синхронизаторе выполняется две группы отверстий, а в двухстороннем - три группы отверстий. В муфту 75 устанавливается наружное пружинное стопорное кольцо 76 и две кольцевые пластинчатые пружины изгиба 77, воздействующие на дополнительную муфту 80, установленные в проточки муфты 75 между внешними концами стержней 88, радиальным кольцевым выступом муфты 75 и пружинным стопорным кольцом 76, дополнительная муфта 80 имеет упоры 84, ограничивающие ее осевое перемещение относительно муфты 75 в обоих направлениях при включении каждой из передач, пружинное стопорное кольцо 76 применяется для обеспечения возможности сборки механизма. Работает такой синхронизатор как описано ниже: при выключенных передачах дополнительная и основная муфты 80 и 75 находятся в нейтральном положении, стержни фиксаторов 78 своими внутренними концами входят в углубления вала 87, при вращающемся ведущем вале коробки, муфта воспринимает осевую силу от шестерен 14 и 17 вызванную действием на муфту 75 результирующей силы от осевых составляющих сил, вращающих шестерни 14 и 17, находящиеся под действием моментов сопротивления их вращению, при включении передачи, вилка воздействует на дополнительную муфту 80 и перемещает ее, преодолевая действие сил упругости пластинчатых пружин изгиба 77, короткие стержни наклоняются, стержни фиксаторов 78 под действием центробежных сил инерции и сил упругости их пружин смещаются от центра синхронизатора, их концы выходят из углублений 87 вала 39, муфта 75 смещается в направлении включаемой шестерни, на которую она воздействует посредством втулки 73 или магнитных сил, прижимая шестерню 14 или 17 к блокирующему кольцу 45, затем происходит процесс самозатягивания шестерни 14 или 17, который в зависимости от направления наклона зубьев шестерни 14 или 17, происходит за счет прижатия шестерни к блокирующему кольцу 45 при переходе с низшей на высшую передачу или наоборот или за счет самозатягивания муфты 75 при переходе с высшей на низшую передачу или наоборот, самозатягивание муфты 75 происходит за счет ее поворота, вызванного моментом трения от силы трения, вызванной прижатием ее к шестерне 14 или 17 дополнительной муфтой 80 и прижатием осевыми силами шестерни 14 или 17 к муфте 75, и взаимодействия клиновых поверхностей муфты 75 и вала 39.
Работает такой синхронизатор как описано ниже. Рассмотрим его работу на примере двухстороннего синхронизатора, изображенного на фиг. 8.
Синхронизация за счет самозатягивания блокирующего кольца 45 происходит, как описано выше, для воплощения без муфты 75, с тем отличием, что синхронизирующие поверхности муфты 75 и шестерни 14 или 17 создают дополнительный момент синхронизации.
Синхронизация с участием муфты 75 происходит так, что самозатягивание обеспечивается в результате взаимодействия клиновых поверхностей 86 и 85 шлицев вала 39 и шлицев 90 муфты 75. Пусть самозатягивание шестерни 14 и блокирующего кольца 45 происходит при переходе с низшей на высшую передачу, при этом муфта 75, прижимающая шестерню 14 к блокирующему кольцу 45, поворачивается относительно вала 39 до взаимодействия боковых поверхностей шлицев 90 и клиновых поверхностей 86, но клиновые поверхности шлицев при этом не взаимодействуют, при этом муфта 70, воздействуя на шестерню 18, создает дополнительный момент синхронизации. После синхронизации муфта 70 поворачивается вместе с шестерней 18 и блокирующим кольцом 45, в направлении противоположном направлению действия момента сопротивления, на угол, соответствующий четверти шага блокирующих зубьев.
При переходе с высшей на низшую передачу, муфта 75 поворачивается до взаимодействия клиновых поверхностей шлицев 90 и клиновых поверхностей 86, обеспечивающего самозатягивание муфты 75, т.к. муфта 75 увлекается моментом трения и находится под воздействием осевой силы, стремящейся отодвинуть шестерню 14 от блокирующего кольца 45. В процессе самозатягивания, муфта 75 прижимает шестерню 14 к блокирующему кольцу 45. После окончания синхронизации, поворачиваясь вместе с шестерней 14 и блокирующим кольцом 45 в направлении противоположном направлению действия момента сопротивления, в результате чего клиновые поверхности шлицев отходят друг от друга, обеспечивая возможность включения противоположной передачи, включаемой синхронизатором.
При включении шестерни 17 процесс синхронизации подобным способом с тем отличием, что самозатягивание за счет блокирующего кольца 45 происходит при переходе с высшей на низшую передачу, а самозатягивание за счет муфты происходит при переходе с низшей на высшую передачу, т.к. направление угла наклона у шестерен 14 и 17 одно, но углы наклона разные, что вызвано необходимостью разгрузки промежуточного вала от осевых сил, в трехвальной коробке передач.
Для выключения передач и для восприятия осевых сил от шестерен 14 и 17, и передачи их на муфту 75 служат пружинные стопорные кольца 71 и шайбы 72, в результате воздействия муфты 75 на которые, выключаются передачи. При выключении передачи вилка воздействует на дополнительную муфту 80, которая воздействует на пластинчатые пружины изгиба 77, которые сгибаются вплоть до взаимодействия упоров 84 с ними, при этом короткие стержни 78, наклоняются, что вызывает смещение стержней фиксаторов 88 от центра синхронизатора и выход их концов из углублений 91 или 92, что дает возможность муфте 75, под действием силы от дополнительной муфты 80, смещаться в направлении выключения передачи, и выводить шестерни 14 и 17 из зацепления со ступицей 93 или 42. При этом муфта 75 находится под действием моментов трения от шестерен 14 и 17, которые направлены по вращению вала 39, им противодействует момент трения от вилки, действующий на дополнительную муфту 80, который меньше суммы моментов трения от шестерен 14 и 17, но муфта 75 не смещается по вращению вала при выключении шестерни 14, т.к. шлицы 90 упираются в границы проточки вала, а при выключении шестерни 17 муфта 75 не смещается в окружном направлении т.к. момента трения от шестерни 14, которому противодействует момент от вилки, для этого недостаточно. После выхода шестерни 14 и 17 из зацепления со ступицей 93 или 42 на муфту 75 также действуют моменты трения от шестерен 14 и 17, но они равны моменту трения от вилки, по этой причине углового окружного смещения муфты 75 не происходит. Даже, если при выключении шестерни 14 момент трения от вилки будет больше суммарного момента трения от шестерен, то при заклинивании муфты 75 при попадании шлицев 90 на клиновую поверхность 86, водитель несколько уменьшит силу на рычаге и муфта 75 сместится по вращению вала и расклинится. Даже, если при выключении шестерни 17 момент трения от вилки будет меньше суммарного момента трения от шестерен, то при заклинивании муфты 75 при попадании шлицев 90 на клиновую поверхность 85, водитель несколько увеличит силу на рычаге и муфта 75 сместится против вращения вала и расклинится. По этой причине, в этом синхронизаторе не нужен какой - либо фиксатор окружного положения муфты, задающий ее окружное положение при переключении, а нужен только фиксатор осевого положения муфты.
Когда обе шестерни вращаются быстрее вала, то одна из шестерен, в данном примере, изображенном на фиг. 8, шестерня 17 прижимается к втулке 73, а вторая шестерня, в данном примере, это шестерня 14 стремится включиться и прижимается к пружинному стопорному кольцу 71.
Когда обе шестерни вращаются медленнее вала, то одна из шестерен, в данном примере, изображенном на фиг. 8, шестерня 14 прижимается к втулке 73, а вторая шестерня, в данном примере это шестерня 17 стремится включиться и прижимается к пружинному стопорному кольцу 71.
В двухвальных коробках передач шестерни могут иметь противоположное направление угла наклона зубьев, а шестерни могут самозатягиваться за счет блокирующего кольца при переходе с низшей на высшую передачу.
Со стороны противоположной самозатягивающимся скосам нестандартные шлицы 90 муфты и края проточки шестерни имеют скосы с значительно большим углом от плоскости перпендикулярной валу, чем самозатягивающиеся скосы, что необходимо для того, чтобы муфта 75 после самозатягивания поворачивалась на тот угол, на который она отклонилась в процессе самозатягивания.
Синхронизатор может применяться в делителе или демультипликаторе коробки передач, синхронизатор делителя или демультипликатора представляет собой двухсторонний синхронизатор с общей для двух шестерен ступицей, жестко соединенной с ведомым или ведущим валом демультипликатора или делителя, соответственно. При этом первая шестерня делителя установлена на подшипниковой опоре на ведущем валу, а вторая шестерня установлена на косозубых шлицах ведомого вала и после синхронизации косозубыми шлицами соединяется с ведущим валом, обеспечивая передачу крутящего момента с ведущего на ведомый вал, а в демультипликаторе первая шестерня установлена на косозубых шлицах ведущего вала и после синхронизации соединяется с ведомым валом, вторая шестерня демультипликатора установлена на подшипниковой опоре на ведомом валу. При этом в делителе и демультипликаторе направление наклона зубьев первой шестерни выбирается так, что самозатягивание происходит при синхронизации при переходе с низшей на высшую передачу, а самозатягивание второй шестерни обеспечивается при переходе с высшей на низшую передачу. Это предполагает одинаковое направление углов наклона зубьев шестерен промежуточного вала делителя или демультипликатора, обеспечивая его полную разгрузку от осевых сил. Косозубые зубчатые венцы ступицы и шестерни образовывают замок зубьев. Направление и абсолютная величина угла наклона осевых зубчатых венцов, и угла наклона шлицев вала, обеспечиваются такими же, как и направление и абсолютная величина угла наклона зубьев шестерни. Две вилки делителя или демультипликатора имеют пневматический, электрический или механический привод от рычага переключения передач, обеспечивая переключение делителя или демультипликатора при перемещении рычага в сторону при включенной или выключенной передаче, соответственно.
Синхронизатор делителя показан на фиг. 9, где позициями обозначены:
94) - шестерня делителя ведущая;
95) - шестерня делителя ведомая;
96) - вал делителя ведущий;
97) - вал делителя ведомый;
98) - фиксирующее кольцо;
99) - пружинное стопорное кольцо;
100) - ступица синхронизатора;
101) - роликовый игольчатый подшипник с длинными роликами;
102) - пружинное стопорное кольцо;
103) - подшипник ведущего и ведомого валов;
104) - косозубые шлицы с углом наклона зубьев шестерни;
105) - пружина блокирующих колец.
Синхронизатор делителя работает как описано ниже. Этот синхронизатор не имеет нейтрального положения, в этом положении синхронизатор находится только малое время в процессе переключения с низшей на высшую или с высшей на низшую передачу. На фиг. 9 синхронизатор изображен в процессе переключения и находится в нейтральном положении. При описании работы рассмотрим переходы с низшей на высшую и с высшей на низшую передачу.
При работе делителя на низшей передаче, ведущий вал 96 и ведомый вал 97 соединены напрямую, ведомая шестерня 95 находится в зацеплении своим косозубым зубчатым венцом с зубчатым венцом ступицы 100. Шестерня 95 соединяет валы напрямую и посредством косозубых шлицев передает крутящий момент на ведомый вал 97. Косозубые шлицы шестерни 95 и вала 97 и зубчатые венцы шестерни 95 и ступицы 100 выполняются с углом наклона зубьев шестерни 95. Это позволяет скомпенсировать силы, действующие на шестерню 95, и исключить самовыключение передачи. Ведущая шестерня 94 делителя вращается с частотой вращения меньшей частоты вращения ведущего вала 96, т.к. делитель ускоряющий. Понижающий делитель устроен подобно демультипликатору и отличается от него передаточным числом. Перед переключением передач происходит выключение сцепления. Крутящий момент на шестерне 95 становится минимальным и зависит от моментов сопротивления вращению промежуточного вала делителя и ведущей шестерни 94. Вилки переключения перемещают обе шестерни, выключая низшую передачу, т.е. выводя из зацепления из зацепления с зубчатым венцом ступицы 100 ведомую шестерню 95, возможность этого обеспечивается очень малым крутящим моментом на шестерне 95, по причине наличия угла наклона косозубых шлицев 104 появляется сила, способствующая выключению передачи, а по причине действия момента, способствующему вращению ведущей шестерни 94, вызванному практически сохранением, т.е. малым уменьшением, частоты вращения ведущего вала 96, появляется сила, способствующая прижатию к блокирующему кольцу 45 ведущей шестерни 94. После прижатия шестерни 94 к кольцу 45, прижимаемому к пружинному стопорному кольцу пружиной 105, оно блокируется, сила, вызывающая блокирование создается пружиной 105, появляется момент синхронизации, действующий на ведущий вал 96 и являющийся в данном случае моментом сопротивления его вращению, инерционный момент, действующий на ведущий вал 96 является моментом, стремящимся поддержать частоту вращения ведущего вала 96. Посредством трения блокирующего кольца 45 о вставку 43 шестерни 94 инерционный момент передается на косозубую шестерню 94, в результате взаимодействия которой с шестерней промежуточного вала делителя, появляется сила, прижимающая шестерню 94 к блокирующему кольцу 45, которая тем больше, чем больше момент сопротивления торможению ведущего вала, вызванный в основном действием инерционного момента. После окончания процесса синхронизации, ведущий вал 96 поворачивается относительно блокирующего кольца 45 и шестерни 94 в направлении действия момента синхронизации, под действием осевой силы от шестерни 94, передающейся на блокирующееся кольцо 45, которое посредством своих блокирующих зубьев со скосами, взаимодействует с блокирующими скосами блокирующих зубьев ступицы 100, вызывая поворот ступицы и ведущего вала 96. Затем шестерня 94 своим косозубым зубчатым венцом входит в зацепление с косозубым зубчатым венцом ступицы 100. После включения высшей передачи делителя крутящий момент передается с ведущей шестерни 94 на ведущую шестерню промежуточного вала, с нее - на ведомую шестерню промежуточного вала, находящуюся в зацеплении с ведомой шестерней 95. На косозубую шестерню 95 действует осевая составляющая силы зацепления, а в противоположную сторону - осевая составляющая силы взаимодействия со шлицами, равная по абсолютной величине этой силе. Эти силы взаимно компенсируют друг друга.
При переходе с высшей на низшую передачу, выключается сцепление, крутящий момент на ведущем валу 96 уменьшается до минимума, что дает возможность вилке вывести шестерню 94 из зацепления со ступицей 100 и соединенной с ней вилке переместить ведомую шестерню 95 в направлении ступицы 100. Затем по причине действия момента сопротивления вращению промежуточного вала появляется сила, стремящаяся дальше отвести от ступицы 100 шестерню 94 и прижать к блокирующему кольцу 45 шестерню 95, что и происходит при дальнейшем перемещении вилок. После прижатия шестерни 95 к блокирующему кольцу 45 прижимаемому к пружинному стопорному кольцу пружиной 105, оно блокируется, сила, вызывающая блокирование создается пружиной 105, оно блокируется прижимаемому к пружинному стопорному кольцу пружиной 105, оно блокируется, сила, вызывающая блокирование создается пружиной 105, и возникает момент синхронизации, который посредством трения передается на шестерню 95, которая установлена на косозубых шлицах, в результате взаимодействия с которыми появляется момент самозатягивания, который тем больше, чем угол наклона косозубых шлицев и, следовательно, угол наклона зубьев шестерни. Момент синхронизации складывается из момента трения от блокирующего кольца 45 и момента самозатягивания. Моменту синхронизации противодействует момент сопротивления разгону ведущего вала 96, создаваемый инерционным моментом и моментами сопротивления в подшипниках. При выравнивании частот вращения ведущего 96 и ведомого вала 97 момент сопротивления исчезает. Ведущий вал 96 поворачивается относительно блокирующего кольца 45 и шестерни 95 на угол, равный половине шага блокирующих зубьев, под действием осевой силы от вилки, в направлении. Затем шестерня 95 входит в зацепление со ступицей 100 своим косозубым зубчатым венцом.
Синхронизатор демультипликатора показан на фиг. 10, на которой позициями дополнительно обозначены:
106) - ведущий вал демультипликатора;
107) - шестерня демультипликатора ведущая;
108) - косозубые шлицы с углом наклона зубьев шестерни;
109) - подшипник ведущего и ведомого валов;
110) - шестерня демультипликатора ведомая;
111) - роликовый игольчатый подшипник с длинными роликами;
112) - фиксирующее кольцо;
113) - вал демультипликатора ведомый.
Синхронизатор демультипликатора работает как описано ниже. Этот синхронизатор, как и синхронизатор делителя, не имеет нейтрального положения, в этом положении синхронизатор находится только малое время в процессе переключения с низшей на высшую или с высшей на низшую передачу. На фиг. 10 синхронизатор изображен в процессе переключения и находится в нейтральном положении. При описании работы рассмотрим переходы с низшей на высшую и с высшей на низшую передачу.
При работе демультипликатора на высшей передаче, ведущий вал 106 и ведомый вал 113 соединены напрямую, ведущая шестерня 107 находится в зацеплении своим косозубым зубчатым венцом с зубчатым венцом ступицы 100. Шестерня 107 соединяет валы напрямую и посредством косозубых шлицев принимает крутящий момент с ведущего вала 106 и передает его на ведомый вал 113. Косозубые шлицы шестерни 107 и вала 106 и зубчатые венцы шестерни 107 и ступицы 100 выполняются с углом наклона зубьев шестерни 107. Это позволяет скомпенсировать силы, действующие на шестерню 107, и исключить самовыключение передачи. Ведомая шестерня 110 демультипликатора вращается с частотой вращения меньшей частоты вращения ведущего вала 106 и ведомого вала 113, т.к. передаточное число демультипликатора больше единицы и примерно равно 3,5-4,5 единиц. Перед переключением передач демультипликатора происходит выключение сцепления и выключение передачи в основной коробке. Крутящий момент на шестерне 107 становится минимальным и зависит от моментов сопротивления вращению ведущего вала 106 демультипликатора и ведомой шестерни 113. Вилки переключения перемещают обе шестерни, выключая низшую передачу, т.е. выводя из зацепления из зацепления с зубчатым венцом ступицы 100 ведущую шестерню 107, возможность этого обеспечивается очень малым крутящим моментом на шестерне 107, по причине наличия угла наклона косозубых шлицев 111 появляется сила, способствующая выключению передачи, а по причине действия момента, способствующему вращению ведомой шестерни 110, вызванному практически сохранением, т.е. малым уменьшением, частоты вращения ведущего вала 106, появляется сила, способствующая прижатию к блокирующему кольцу 45 ведомой шестерни 110. После прижатия шестерни 110 к блокирующему кольцу 45, прижимаемому к пружинному стопорному кольцу пружиной 105, оно блокируется, сила, вызывающая блокирование создается пружиной 105, появляется момент синхронизации, действующий на ведущий вал 106 и являющийся в данном случае моментом, разгоняющим ведущий вал 106, инерционный момент, действующий на ведущий вал 96 является моментом сопротивления. Посредством трения блокирующего кольца 45 о вставку 43 шестерни 110 инерционный момент передается на косозубую шестерню 110, в результате взаимодействия которой с шестерней промежуточного вала делителя, появляется сила, прижимающая шестерню 110 к блокирующему кольцу 45, которая тем больше, чем больше момент сопротивления разгону ведущего вала, вызванный в основном действием инерционного момента. После окончания процесса синхронизации, шестерня 110 поворачивается вместе с блокирующим кольцом 45 и, находящимися в зацеплении с ней промежуточным и ведущим 106 валами, в направлении действия момента синхронизации, под действием осевой силы от шестерни 110, передающейся на блокирующееся кольцо 45, которое посредством своих блокирующих зубьев со скосами, взаимодействует с блокирующими скосами блокирующих зубьев ступицы 100, вызывая поворот шестерни 110. Затем шестерня 110 своим косозубым зубчатым венцом входит в зацепление с косозубым зубчатым венцом ступицы 100. После включения низшей передачи демультипликатора, крутящий момент передается с ведущей шестерни 107 на ведущую шестерню промежуточного вала, с нее - на ведомую шестерню промежуточного вала, находящуюся в зацеплении с ведомой шестерней 110. На косозубую шестерню 107 действует осевая составляющая силы зацепления, а в противоположную сторону - осевая составляющая силы взаимодействия со шлицами, равная по абсолютной величине этой силе. Эти силы взаимно компенсируют друг друга.
При переходе с низшей на высшую передачу, выключается сцепление, а затем передача в основной коробке, крутящий момент на ведущем валу 106 уменьшается до минимума, что дает возможность вилке вывести шестерню 110 из зацепления со ступицей 100 и соединенной с ней вилке переместить ведущую шестерню 107 в направлении ступицы 100. Затем по причине действия момента сопротивления вращению ведущего 106 и промежуточного вала появляется сила, стремящаяся дальше отвести от ступицы 100 шестерню 110 и прижать к блокирующему кольцу 45 шестерню 107, что и происходит при дальнейшем перемещении вилок. После прижатия шестерни 107 к блокирующему кольцу 45, прижимаемому к пружинному стопорному кольцу пружиной 105, оно блокируется, сила, вызывающая блокирование создается пружиной 105, и возникает момент синхронизации, который посредством трения передается на блокирующее кольцо 45, а с него - на шестерню 107, которая установлена на косозубых шлицах, в результате взаимодействия с которыми появляется момент самозатягивания, который тем больше, чем угол наклона косозубых шлицев и, следовательно, угол наклона зубьев шестерни, момент самозатягивания увеличивает момент синхронизации, кроме того, на шестерню 107 действует осевая сила, вызванная действием инерционных моментов на промежуточный вал и ведомую шестерню демультипликатора, эта осевая сила прижимает шестерню 107 к блокирующему кольцу 45 и увеличивает момент самозатягивания. Момент синхронизации складывается из момента трения от блокирующего кольца 45 и момента самозатягивания. Моменту синхронизации противодействует момент сопротивления торможению ведущего вала 106, создаваемый инерционным моментом. При выравнивании частот вращения ведущего 106 и ведомого вала 113 момент сопротивления исчезает. Ведущий вал 96 поворачивается относительно блокирующего кольца 45 и шестерни 95 на угол, равный половине шага блокирующих зубьев, под действием осевой силы от вилки, в направлении действия момента синхронизации. Затем шестерня 95 входит в зацепление со ступицей 100 своим косозубым зубчатым венцом.
Синхронизатор может быть выполнен так, что когда две конических синхронизирующих поверхности имеют противоположно направленные углы конусности, синхронизатор имеет дополнительное блокирующее кольцо, поджатое пружинами, установленное на блокирующих зубьях ступицы, и взаимодействующее с основным блокирующим кольцом посредством дополнительных несимметричных или симметричных зубьев со скосами, выполненных на основном и дополнительном блокирующих кольцах, когда дополнительные зубья являются несимметричными, блокирующие скосы на блокирующих зубьях также являются несимметричными и имеют только один блокирующий скос, когда дополнительные зубья являются симметричными, блокирующие скосы на блокирующих зубьях отсутствуют. Этот случай показан на фиг. 11, на ней использованы позиции, взятые с предыдущих фигур:
17) - шестерня второй передачи;
39) - вал;
42) - ступица синхронизатора;
43) - вставка в шестерню;
44) - пружинное стопорное кольцо;
45) - блокирующее кольцо;
70) - роликовый игольчатый подшипник с длинными роликами.
На фиг. 11 дополнительно позициями обозначены:
114) - пружинное стопорное кольцо;
115) - вставка в шестерню;
116) - дополнительное блокирующее кольцо;
117) - пружина.
Дополнительная синхронизирующая поверхность выполняется во вставке 115, жестко соединенной с шестерней 17 посредством нестандартных или стандартных шлицев, и/или запрессовки, и/или пружинного стопорного кольца 114, и/или штифтов. Второе блокирующее кольцо 116 передает на основное блокирующее кольцо 45 осевую силу от шестерни и момент трения, вызывая его блокирование и прижатие к шестерне 17, при переходе с высшей на низшую передачу или наоборот, в зависимости от направления наклона зубьев шестерни 17. Опорой для пружин, воздействующих на дополнительное блокирующее кольцо, служит пружинное стопорное кольцо 44, которое установлено в ступице 42 синхронизатора и взаимозаменяемо или не взаимозаменяемо с пружинным стопорным кольцом 44, ограничивающим перемещение основного блокирующего кольца 45 в направлении шестерни 17, установленным в ступице с другой стороны.
Работает такой синхронизатор как описано ниже.
При включении передачи, при переходе с низшей на высшую передачу, а также при трогании с места, или наоборот, при переходе с низшей на высшую передачу, в зависимости от направления наклона зубьев шестерни 17, косозубая шестерня 17 прижимается осевой составляющей силы зацепления к блокирующему кольцу 45, которое поворачивается в направлении вращения шестерни до взаимодействия с блокирующими зубьями ступицы 42 или с блокирующими зубьями дополнительного блокирующего кольца 116, когда они симметричные, т.е. блокируется, при этом дополнительное блокирующее кольцо 116, когда его блокирующие зубья симметричные, прижимается к вставке 115, а когда его блокирующие зубья не симметричные, кольцо 116 пружиной 117 прижимается к кольцу 45. Начинается процесс синхронизации, в котором, чем больше момент сопротивления, тем больше момент синхронизации. После окончания процесса синхронизации, блокирующее кольцо 45, под действием осевой силы от вилки, взаимодействуя своими блокирующими зубьями с блокирующими зубьями ступицы 42 или дополнительного блокирующего кольца 116, когда его блокирующие зубья симметричные, поворачивается вместе с шестерней 17, находящейся в зацеплении с инерционными массами, на угол равный половине шага блокирующих зубьев, после чего шестерня, под действием осевой силы от вилки, входит в зацепление своим косозубым зубчатым венцом с косозубым зубчатым венцом ступицы 42, вышеописанное выполнение зубчатых венцов, обеспечивающее замок зубьев исключает самовыключение передачи.
При включении передачи, при переходе с высшей на низшую передачу или наоборот в зависимости от направления наклона зубьев, шестерня 17, под действием осевой силы от вилки, также прижимается сначала к блокирующему кольцу 45. Оно начинает поворачиваться, т.е. блокироваться, на шестерню 17 начинает передаваться момент трения от блокирующего кольца 45, косозубая шестерня 17 начинает разгоняться или тормозиться, при этом на косозубую шестерню 17 начинает действовать осевая составляющая силы зацепления, отводящая шестерню 17 от блокирующего кольца 45. По этой причине сначала сила сопротивления на вилке незначительно возрастает. При этом поворот блокирующего кольца 45 вызывает осевое перемещение дополнительного блокирующего кольца 116 до взаимодействия с вставкой 115, которая передает на дополнительное блокирующее кольцо 116 осевую силу самозатягивания косозубой шестерни 17, блокирующее кольцо 45 при этом взаимодействует с вставкой 43 шестерни 17. В результате взаимодействия дополнительных блокирующих зубьев блокирующих колец 45 и 116 и взаимодействия блокирующего кольца 45 с вставкой 43, появляется момент, блокирующий кольцо 45, называемый моментом блокировки. Затем происходит процесс синхронизации. В этом процессе, осевая составляющая силы зацепления действует в направлении вилки и воспринимается дополнительным блокирующим кольцом 116, которое посредством дополнительных блокирующих зубьев взаимодействует с дополнительными блокирующими зубьями кольца 45, увеличивая момент блокировки, возникающий в результате взаимодействия вставки 43 шестерни 17 и блокирующего кольца 45. После окончания синхронизации, частоты вращения шестерни 17 и вала 39 становятся одинаковыми. По этой причине, становятся равными нулю момент синхронизации и момент блокировки. Дополнительное блокирующее кольцо 116 отходит от вставки 115 под действием пружины 117. Под действием силы от вилки, шестерня 17 поворачиваются вместе с блокирующим кольцом 45 в направлении действия момента синхронизации на угол, равный половине шага блокирующих зубьев. Затем входят в зацепление косозубые зубчатые венцы шестерни 17 и ступицы 42.
Процесс работы всех воплощений самозатягивающегося синхронизатора описывается дифференциальным уравнением:
пр
Где: F - сила на вилке; d - средний диаметр трения блокирующего кольца; k - коэффициент трения на блокирующего кольца; I - приведенный к шестерне момент инерции шестерни и инерционных масс, находящихся с ней в зацеплении; α - угол наклона зубьев шестерни; со - угловая скорость шестерни; t - время; β - угол конусности блокирующего кольца.
Эти формулы относятся к наиболее простейшим воплощениям синхронизатора, т.е. синхронизаторам задней передачи, делителя и демультипликатора. Из анализа уравнения (2) видно, что при угле α=30°, tgα=0,57735, сила на вилке уменьшается на 57,735%.
Использованная литература
1. Патент США №3983979 класс 192/53F.
2. Патент США №4141440 класс 192/53F.
3. Патент США №5033596 класс 192/53F.
4. Автобусы семейства ЛиАЗ-5256. Руководство по эксплуатации. - М.: Техпромграфика, 2003. - 752 с.: ил.
5. Синхронизаторы в ступенчатых трансмиссиях. - М.: Машиностроение, 1967. - 198 с.: ил.
6. Практическое руководство по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей КамАЗ типа 6*4/ Е.А. Машков. - М.: Машиностроение, 1994. - 243 с.: ил.