АВТОМАТИЧЕСКАЯ СТУПЕНЧАТАЯ ПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
AUTOMATIC STEP-BY-STEP PLANETARY GEAR BOX

Изобретение относится к области автотранспортного машиностроения и касается конструкции автоматических ступенчатых планетарных коробок передач (АКП), которые могут быть использованы в автоматических трансмиссиях транспортных средств.
Использование коробок передач планетарного типа в автоматических трансмиссиях транспортных средств обусловлено возможностью получения малогабаритной, компактной по компоновке конструкции, легко вписывающейся в ограниченное габаритами кузова пространство, обеспечивающее экономичность, динамичность, комфорт, безопасность движения.
В настоящее время планетарные коробки передач, используемые для легковых и грузовых автомобилей, а также гусеничной техники военного и гражданского назначения и состоящие из трех, четырех планетарных рядов обеспечивают шесть или семь передач переднего хода. Для увеличения количества передач, например для получения восьми или более передач переднего хода, разработчики, занимающиеся проектированием и производством автоматических трансмиссий, используют или большее количество планетарных рядов, что усложняет конструкцию коробки передач, или увеличивают количество степеней свободы, что усложняет систему управления коробкой передач. К тому же при переключении передач происходит разрыв потока мощности, так как включается сразу несколько элементов управления.
В качестве прототипа служит шестискоростная АКП немецкой фирмы ZF 6HP26, которая исполнена на основе планетарной системы Равиньо и включает в себя:
- одно водило с тремя парами сцепленных сателлитов, где каждая пара сателлитов состоит из одного большого и одного малого сателлита;
- две независимые солнечные центральные шестерни, находящиеся в зацеплении с парами сателлитов водила;
- одно коронное колесо, являющееся выходным звеном.
Используя в качестве входных звеньев поочередно обе центральные солнечные шестерни, планетарная система обеспечивает следующие передачи:
- нейтральную;
- понижающие (первую и вторую передачи);
- прямую;
- заднюю передачу.
При использовании кинематической схемы планетарной системы Равиньо с дополнительным планетарным рядом, в которой фрикционные блокирующие муфты соединяют солнечные центральные шестерни с ведущим звеном не напрямую, а через дополнительный планетарный редуктор, число передач увеличивается до шести при одновременном включении двух управляющих элементов [1].
Предлагаемое изобретение направлено на решение технической задачи по улучшению технических характеристик трансмиссий транспортных средств за счет достижения технического результата, который заключается:
- в увеличении диапазона изменения передаточных отношений;
- в улучшении тягово-динамической и топливно-экономической характеристик за счет увеличения числа передач до 8-ми-12-ти в пределах диапазона;
- в уменьшении энерговооруженности коробки передач;
- в увеличении КПД коробки передач;
- в расширения типов транспортных средств, которые можно установить данную коробку передач.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач имеет планетарную систему, представляющую многопоточный дифференциальный механизм, в котором водило многопоточного дифференциального механизма с тремя парами сцепленных двухвенцовых сателлитов является общим для первого, второго и третьего планетарных рядов, образуемых двумя независимыми солнечными центральными шестернями, сцепленными сателлитами и тремя коронными зубчатыми колесами, водило связано фрикционным тормозом с картером коробки передач, коронное колесо первого планетарного ряда связано фрикционным тормозом с картером коробки передач, коронное колесо второго планетарного ряда связано фрикционным тормозом с картером коробки передач, солнечная центральная шестерня третьего планетарного ряда связана фрикционным тормозом с картером коробки передач, коронное колесо третьего планетарного ряда является выходным звеном коробки передач.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата. Использование в кинематической схеме АКП многопоточного дифференциального механизма позволяет реализовать различные варианты конструкций.
В варианте конструкции, когда входным звеном является соединенная с входным звеном солнечная центральная шестерня первого планетарного ряда многопоточного дифференциального механизма, при последовательном включении только одного управляющего элемента получаем три передачи прямого хода: нейтральную; понижающую (1-3 передачи); заднюю передачи.
В варианте конструкции, когда входным звеном является соединенная с входным звеном солнечная центральная шестерня первого планетарного ряда многопоточного дифференциального механизма и имеется фрикционная блокирующая муфта, связывающая солнечную центральную шестерню первого планетарного ряда с водилом, при последовательном включении только одного управляющего элемента получаем четыре передачи прямого хода: нейтральную; понижающую (1-3 передачи); прямую; заднюю передачи.
В варианте конструкции, предусматривающем возможность последовательного соединения входного звена коробки передач с солнечной центральной шестерней первого планетарного ряда и водилом с помощью фрикционных блокирующих муфт и одновременным включением одного из управляющих элементов получаем восемь передач прямого хода: нейтральную; понижающие (1-5 передачи); прямую; повышающие (7-8 передачи); заднюю передачи.
В варианте конструкции, реализующем использование дополнительного повышающего с положительным внутренним передаточным отношением планетарного ряда (делителя) совместно с многопоточным дифференциальным механизмом, при включении и выключении поочередно фрикционного тормоза делителя, а затем одного из управляющих элементов многопоточного дифференциального механизма, получаем восемь передач прямого хода: нейтральную; понижающие (1-6 передачи); прямую; повышающую (8 передача); заднюю передачи (1-2 передачи).
В варианте конструкции, реализующем использование дополнительного понижающего планетарного ряда с отрицательным внутренним передаточным отношением большим единицы совместно с многопоточным дифференциальным механизмом, последовательное соединение входного звена коробки передач с солнечной центральной шестерней первого планетарного ряда, водилом многопоточного дифференциального механизма с помощью фрикционных блокирующих муфт и водила дополнительного планетарного ряда фрикционной блокирующей муфтой с солнечной центральной шестерней первого планетарного ряда многопоточного дифференциального механизма, при одновременном включении одного из управляющих элементов многопоточного дифференциального механизма получаем двенадцать передач прямого хода: нейтральную; понижающие (1-9 передачи); прямую; повышающие (11-12 передачи); заднюю передачи (1-2 передачи).
Заявляемое изобретение предназначено для использования автоматических ступенчатых планетарных коробок передач в трансмиссиях передне- и заднеприводных автомобилей различного назначения.
Вариант конструкций автоматических ступенчатых планетарных коробок передач, предназначенных для заднеприводных автомобилей, предусматривает использование дополнительного дифференциального механизма с внутренним передаточным отношением, равным единице. Солнечная центральная шестерня третьего планетарного ряда многопоточного дифференциального механизма находится внутри него, что затрудняет возможность торможения данного звена. Это особенно важно при использовании предлагаемых вариантов конструкций в трансмиссиях заднеприводных автомобилей. Предлагаемое изобретение обеспечивает соединение фрикционным тормозом солнечной центральной шестерни третьего планетарного ряда с картером АКП.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - кинематическая схема автоматической трехступенчатой планетарной коробки передач с одной передачей заднего хода для переднеприводного автомобиля с многопоточным дифференциальным механизмом;
на фиг.2 - кинематическая схема автоматической четырехступенчатой планетарной коробки передач для переднеприводного автомобиля с одной передачей заднего хода;
на фиг.3 - кинематическая схема автоматической восьмиступенчатой планетарной коробки передач для переднеприводного автомобиля с одной передачей заднего хода;
на фиг.4 - кинематическая схема автоматической восьмиступенчатой планетарной коробки передач для переднеприводного автомобиля с двумя передачами заднего хода;
на фиг.5 - кинематическая схема автоматической двенадцатиступенчатой планетарной коробки передач для переднеприводного автомобиля с двумя передачами заднего хода;
на фиг.6 - кинематическая схема дополнительного планетарного ряда, встраиваемого во все варианты конструкций, при использовании автоматических ступенчатых планетарных коробок передач для заднеприводных автомобилей.
Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.1), реализующая три передачи прямого хода и одну передачу заднего хода, содержит картер 10, входное звено 9, выходное звено 8, четыре фрикционных тормоза 11, 12, 13, 14 и многопоточный дифференциальный механизм, в состав которого входит общее водило 5 с тремя планетарными рядами.
Первый планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 1, водила 5 сателлитов 2 и коронного колеса 6. Второй планетарный ряд состоит из водила 5, сцепленных сателлитов 2', 3 и коронного колеса 7. Третий планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 4, водила 5 сателлитов 3' и коронного колеса 8.
В то же время первый планетарный ряд, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' и коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с отрицательным значением передаточного отношения между коронными колесами 6 и 8.
Солнечная центральная шестерня 1, второй планетарный ряд, сателлиты 3', коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с положительным значением передаточного отношения между коронными колесами 7 и 8.
Солнечная центральная шестерня 1, водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3', солнечная центральная шестерня 4 и коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с отрицательными значениями передаточных отношений между солнечными центральными шестернями 1, 4 и между солнечной центральной шестерней 4 и коронным колесом 8, с положительным значением передаточного отношения между солнечной шестерней 1 и коронным колесом 8.
Таким образом, многопоточный дифференциальный механизм представляет собой совокупность четырех дифференциальных механизмов с входным звеном, которым является солнечное колесо 1, выходным - коронная шестерня 8 - и общим для всех четырех дифференциальных механизмов водилом 5.
1
Число степеней свободы данного механизма равно двум, для его кинематической определенности необходимо задавать две связи или два закона движения каких-либо звеньев. При постоянном числе оборотов звена 1, равном n, необходимо задать какую-либо частоту вращения еще одному из звеньев механизма, например затормозить одно из звеньев.
При торможении коронного колеса одного из планетарных рядов многопоточного дифференциального механизма сателлиты этого ряда начинают обкатываться по заторможенному коронному колесу, передавая крутящий момент через оси на водило 5, которое при этом будет совершать переносное движение. Далее переносное движение водила 5 передается на звено 8, соединенное с выходным валом. При этом тормоз коронного колеса воспринимает реактивный момент.
Передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (I):
где  - передаточное число между входным валом и водилом при заторможенном звене р;
- передаточное число между водилом и выходным валом при заторможенном звене р.
При торможении водила 5 механизм превращается в обычный рядный редуктор, передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (2):
Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.2), реализующая четыре передачи прямого хода и одну передачу заднего хода, содержит картер 10, входное звено 9, выходное звено 8, одну фрикционную блокирующую муфту 15, четыре фрикционных тормоза 11, 12, 13, 14 и многопоточный дифференциальный механизм, в состав которого входит общее водило 5 с тремя планетарными рядами.
Первый планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 1, водила 5 сателлитов 2 и коронного колеса 6. Второй планетарный ряд состоит из водила 5, сцепленных сателлитов 2', 3 и коронного колеса 7. Третий планетарный ряд состоит из солнечной центральной шестерни 4, водила 5 сателлитов 3' и коронного колеса 8.
В то же время первый планетарный ряд, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' и коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с отрицательным значением передаточного отношения между коронными колесами 6 и 8.
Солнечная центральная шестерня 1, второй планетарный ряд, сателлиты 3', коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с положительным значением передаточного отношения между коронными колесами 7 и 8.
Солнечная центральная шестерня 1, водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3', солнечная центральная шестерня 4 и коронное колесо 8 представляют собой дифференциальный механизм с отрицательными значениями передаточных отношений между солнечными центральными шестернями 1, 4 и между солнечной центральной шестерней 4 и коронным колесом 8, с положительным значением передаточного отношения между солнечной шестерней 1 и коронным колесом 8.
Таким образом, многопоточный дифференциальный механизм представляет собой совокупность четырех дифференциальных механизмов с входным звеном, которым является солнечное колесо 1, выходным - коронная шестерня 8 - и общим для всех четырех дифференциальных механизмов водилом 5.
1
Число степеней свободы данного механизма равно двум, для его кинематической определенности необходимо задавать две связи или два закона движения каких-либо звеньев. При постоянном числе оборотов звена 1, равном n, необходимо задать какую-либо частоту вращения еще одному из звеньев механизма, например затормозить одно из звеньев.
При торможении коронного колеса одного из планетарных рядов многопоточного дифференциального механизма и солнечной центральной шестерни сателлиты этого ряда начинают обкатываться по заторможенному коронному колесу, передавая крутящий момент через оси на водило 5, которое при этом будет совершать переносное движение. Далее переносное движение водила 5 передается на звено 8, соединенное с выходным валом. При этом тормоз коронного колеса воспринимает реактивный момент.
Передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (3):
где  - передаточное число между входным валом и водилом при заторможенном звене р;
- передаточное число между водилом и выходным валом при заторможенном звене р.
При торможении водила 5 механизм превращается в обычный рядный редуктор, передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (4):
Входное звено 9, связанное с солнечной центральной шестерней 1, может быть соединено фрикционной блокирующей муфтой 15 с водилом 5. В результате такого соединения звено 1 и звено 5 многопоточного дифференциального механизма получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.3), реализующая восемь передач прямого хода и одну передачу заднего хода, содержит картер 10, входное звено 9, выходное звено 8, пять фрикционных тормозов 11, 12, 13, 14, 18 и многопоточный дифференциальный механизм. Входными звеньями многопоточного дифференциального механизма являются солнечная центральная шестерня 1 и водило 5, которые могут соединяться с помощью фрикционных блокирующих муфт 16, 17 с входным звеном 9 коробки передач, солнечная центральная шестерня 1 соединяется с помощью фрикционного тормоза 18 с картером коробки передач.
При торможении коронного колеса одного из планетарных рядов многопоточного дифференциального механизма и солнечной центральной шестерни первого планетарного ряда сателлиты этого ряда начинают обкатываться по заторможенному звену, передавая крутящий момент через оси на водило 5, которое при этом будет совершать переносное движение. Далее переносное движение водила 5 передается на звено 8, соединенное с выходным валом.
При включенной фрикционной блокирующей муфте 17 и последовательном включении одного из тормозов передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (5):
При включенной фрикционной блокирующей муфте 16 и последовательном включении одного из тормозов передаточное отношение между входным 5 и выходным 8 звеньями определяется выражением (6):
При включенной фрикционной блокирующей муфте 17 и торможении водила 5 фрикционным тормозом 12 механизм превращается в обычный рядный редуктор, передаточное отношение между входным 1 и выходным 8 звеньями определяется выражением (7):
При одновременном включении фрикционных блокирующих муфт 16, 17 звено 1 и звено 5 многопоточного дифференциального механизма получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
Данная автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач является трехстепенной, так как для получения какой-либо определенной передачи требуется включение одной из фрикционных блокирующих муфт и одного фрикционного тормоза, то есть двух управляющих элементов одновременно.
Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.4), реализующая восемь передач прямого хода и две передачи заднего хода, содержит картер 10, входное звено 9, выходное звено 8, блокирующую муфту 24 и фрикционные тормоза 11, 12, 13, 14, 23, многопоточный дифференциальный механизм, дополнительный повышающий планетарный механизм (делитель) с положительным внутренним передаточным отношением, меньшим единицы, который состоит из входного звена 9, соединенного с ведущей солнечной шестерней 19, водила 22 с двухвенцовыми сателлитами 20-20', выходной солнечной шестерни 21, муфты свободного хода 25, установленной между солнечной шестерней 21 и водилом 22.
При постоянном числе оборотов звена 9 необходимо задавать какую-либо частоту вращения еще одному или двум из звеньев автоматической ступенчатой коробки передач, например затормозить одно или два звена. При необходимости одновременного торможения двух звеньев одним из звеньев является водило делителя, а вторым - тормозное звено многопоточного дифференциального механизма.
При отсоединенном фрикционном тормозе 23 водило 22 стремится иметь число оборотов больше чем число оборотов звена 21, муфта свободного хода 25 блокирует делитель, при этом число оборотов выходного звена делителя 21 равно числу оборотов входного звена 9 коробки передач.
В этом случае осуществляется торможение только одного звена многопоточного дифференциального механизма и передаточное отношение между входным 9 и выходным 8 звеньями определяется выражением (8):
При торможении фрикционным тормозом 23 водила 22 делителя он преобразуется в мультипликатор с повышенным числом оборотов выходного звена 21, передаточное отношение между входным валом 9 и выходным звеном 21 определяется выражением (9):
В этом случае одновременно с фрикционным тормозом 23 включается один из фрикционных тормозов 11, 12, 13, 14, передаточное отношение между входным 9 и выходным 8 звеньями определяется выражением (10):
С целью реализации прямой передачи одновременно отсоединяются фрикционные тормоза делителя и многопоточного дифференциального механизма и соединяется солнечная центральная шестерня 4 многопоточного дифференциального механизма с помощью фрикционной блокирующей муфты 24 с коронным колесом 8, звено 4 и звено 8 получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма, и он работает как жесткий вал совместно с выходным звеном 21 делителя, который заблокирован муфтой свободного хода 25.
С целью реализации повышенной передачи одновременно включаются фрикционный тормоз 23 делителя и фрикционная блокирующая муфта 24. При этом многопоточный дифференциальный механизм блокируется и число его оборотов становится равным повышенному числу оборотов выходного вала 21 делителя.
Автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг 5), реализующая двенадцать передач прямого хода и две передачи заднего хода, содержит картер 10, входное звено 9, выходное звено 8, три фрикционные блокирующие муфты 16, 17, 30, пять фрикционных тормозов 11, 12, 13, 14, 18, многопоточный дифференциальный механизм, дополнительный понижающий планетарный ряд с отрицательным внутренним передаточным отношением, большим единицы, который состоит из ведущего коронного колеса 28, водила 29, сателлитов 27 и неподвижно закрепленной солнечной шестерни 26.
При постоянном числе оборотов звена 9 возможно последовательное задание частоты вращения одному из двух звеньев - солнечной центральной шестерне 1 с помощью фрикционной блокирующей муфты 17 или водилу 5 последовательно с помощью фрикционной блокирующей муфты 16, а затем с помощью фрикционной блокирующей муфты 30.
При последовательном торможении коронных колес одного из планетарных рядов многопоточного дифференциального механизма сателлиты этого ряда начинают обкатываться по коронному колесу, передавая крутящий момент через оси на водило 5, которое при этом будет совершать переносное движение. При этом тормоз коронного колеса воспринимает реактивный момент. Далее переносное движение водила 5 передается на звено 8, соединенное с выходным валом.
При включенной фрикционной блокирующей муфте 17 и последовательном включении фрикционных тормозов передаточное отношение между входным 9 и выходным 8 звеньями определяется выражением (11):
При включенной фрикционной блокирующей муфте 16 и последовательном включении фрикционных тормозов передаточное отношение между входным 9 и выходным 8 звеньями определяется выражением (12):
При включенной фрикционной блокирующей муфте 30 и последовательном включении фрикционных тормозов передаточное отношение между входным 9 и выходным 8 звеньями определяется выражением (13):
9-5
где i - передаточное число между входным 9 валом и входным звеном 5 многопоточного дифференциального механизма при включенной фрикционной блокирующей муфте 30.
При одновременном включении фрикционных блокирующих муфт 16, 17 многопоточного дифференциального механизма водило 5 и солнечная центральная шестерня 1 получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
Данная коробка передач является трехстепенной, так как для получения какой-либо определенной передачи требуется включение двух из управляющих элементов.
Дополнительный планетарный ряд (фиг.6), встраиваемый во все варианты конструкций при использовании автоматических ступенчатых планетарных коробок передач для заднеприводных автомобилей, включает в себя солнечную шестерню 31, которая соединена с коронным колесом 8, солнечную центральную шестерню 4, которая соединена с водилом 34 дополнительного планетарного ряда, сателлиты 32-32', выходную солнечную шестерню 33 и фрикционный тормоз 35, с помощью которого солнечная центральная шестерня 4 может соединяться с картером АКП. При передаточном отношении, равном единице крутящий момент на водиле 34 равен нулю, а число оборотов и направление вращения водила 34 могут иметь любые значения, не оказывая при этом никакого влияния на параметры движения звена 34. Это позволяет осуществлять передачу движения от звена 31 на звено 33 без изменения при любом направлении движения и любой угловой скорости (включая ноль) водила 34.
Предлагаемая согласно изобретению автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.1) работает следующим образом. После начала движения транспортного средства последовательным переключением передач от 1-й до 3-й осуществляется его разгон до требуемой скорости движения. В нейтральном положении ни один из фрикционных элементов управления не включен.
На первой передаче переднего хода включается фрикционный тормоз 12, при этом угловая скорость водила 5 становится равной нулю.
При торможении водила 5 дифференциальный механизм работает как рядный редуктор. Крутящий момент с входного звена 9 передается на солнечную центральную шестерню 1 первого планетарного ряда, а с солнечной центральной шестерни 1 на сцепленные сателлиты 2-2', 3-3', которые связаны с коронным колесом 8 третьего планетарного ряда.
При переключении на вторую передачу переднего хода фрикционный тормоз 12 выключается и включается фрикционный тормоз 11. При этом угловая скорость коронного колеса 6 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается через водило 5, которое, осуществляя переносное движение, передает крутящий момент коронному колесу 8.
При переключении на третью передачу переднего хода фрикционный тормоз 11 выключается и включается фрикционный тормоз 14. При этом угловая скорость солнечной центральной шестерни 4 становится равной нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 передается на солнечное колесо 1 первого планетарного ряда, а с солнечной центральной шестерни 1 на водило 5, где при торможении солнечной шестерни 4 сателлиты, обкатывая ее, передают крутящий момент на выходное звено 8 коробки передач.
При переключении на заднюю передачу включается фрикционный тормоз 13, то есть угловая скорость коронного колеса 7 становится равной нулю.
Крутящий момент передается с входного звена 9 на солнечную центральную шестерню 1 первого планетарного ряда, где при торможении коронного колеса 7 второго планетарного ряда водило 5 передает отрицательный по знаку момент на выходное звено 8.
Предлагаемая согласно изобретению автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.2) работает следующим образом. После начала движения транспортного средства последовательным переключением передач от 1-й до 4-й осуществляется его разгон до требуемой скорости движения. В нейтральном положении ни один из фрикционных элементов управления не включен.
Включение управляющих элементов на первой, второй, третьей передачах переднего хода соответствует описанию работы автоматической ступенчатой планетарной коробки передач по фиг.1.
При переключении на четвертую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 15 включается, а фрикционный тормоз 11 выключается.
При включении фрикционной блокирующей муфты 15 солнечная центральная шестерня 4 и коронное колесо 8 получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
При переключении на заднюю передачу включается фрикционный тормоз 13, то есть угловая скорость коронного колеса 7 становится равной нулю.
Крутящий момент передается с входного звена 9 на солнечную центральную шестерню 1 первого планетарного ряда, где при торможении коронного колеса 7 второго планетарного ряда водило 5 передает отрицательный по знаку момент на выходное звено 8.
Предлагаемая согласно изобретению автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.3) работает следующим образом. После начала движения транспортного средства последовательным переключением передач от 1-й до 8-й осуществляется его разгон до требуемой скорости движения. При выключенных фрикционных элементах управления автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач находится в нейтральном положении.
На первой передаче переднего хода включается фрикционная блокирующая муфта 17, соединяющая входное звено 9 с солнечной центральной шестерней 1, и фрикционный тормоз 12, соединяющий водило 5 с корпусом АКП. При этом угловая скорость водила 5 равна нулю, многопоточный дифференциальный механизм работает как рядный редуктор, входным звеном которого является солнечная центральная шестерня 1.
Крутящий момент от солнечной центральной шестерни 1 через сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' передается коронному колесу 8 третьего планетарного ряда, то есть к выходному звену 8.
При переключении на вторую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 выключается и включается фрикционная блокирующая муфта 16, фрикционный тормоз 12 выключается и включается фрикционный тормоз 13. При этом угловая скорость коронного колеса 7 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается на водило 5 с помощью фрикционной блокирующей муфты 16. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 3 коронного колеса 7, передает крутящий момент на коронное колесо 8.
При переключении на третью передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 16 выключается и включается фрикционная блокирующая муфта 17, фрикционный тормоз 13 выключается и включается фрикционный тормоз 11. При этом угловая скорость коронного колеса 6 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается солнечной центральной шестерне 1 и далее на сателлиты 2. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 2 коронного колеса 6, передает крутящий момент на выходное звено 8.
При переключении на четвертую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 остается включенной, фрикционный тормоз 11 выключается и включается фрикционный тормоз 14. При этом угловая скорость солнечной центральной шестерни 4 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается на солнечную центральную шестерню 1 первого планетарного ряда через фрикционную муфту 17 и далее на сателлиты 2-2', 3-3'. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 3' солнечной центральной шестерни 4, передает крутящий момент на выходное звено 8.
При переключении на пятую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 выключается и включается фрикционная блокирующая муфта 16, фрикционный тормоз 14 выключается и включается фрикционный тормоз 18. При этом угловая скорость солнечной центральной шестерни 1 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается на водило 5 с помощью фрикционной муфты 16. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 2 солнечной центральной шестерни 1, передает крутящий момент на коронное колесо 8.
При переключении на шестую передачу переднего хода фрикционный тормоз 18 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной и включается фрикционная блокирующая муфта 17.
Крутящий момент передается с входного звена 9 на водило 5 через фрикционную блокирующую муфту 16 и на солнечную центральную шестерню 1 через фрикционную блокирующую муфту 17. При этом два звена многопоточного дифференциального механизма получают одинаковые угловые скорости. Таким образом осуществляется блокировка многопоточного дифференциального механизма, и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
При переключении на седьмую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной и включается фрикционный тормоз 14. При этом угловая скорость солнечной центральной шестерни 4 становится равной нулю.
Крутящий момент передается от входного звена 9 на водило 5 через фрикционную блокирующую муфту 16. При торможении солнечной центральной шестерни 4 третьего планетарного ряда и обкатке ее сателлитами 3' водило 5 совершает переносное движение и передает крутящий момент на выходное звено 8.
При переключении на восьмую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной, фрикционный тормоз 14 выключается и включается фрикционный тормоз 11. При этом угловая скорость коронного колеса 6 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 передается на водило 5 с помощью фрикционной муфты 16. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 2 коронного колеса 6, передает крутящий момент на коронное колесо 8.
При включении задней передачи включается фрикционная блокирующая муфта 17 и включается фрикционный тормоз 13. При этом угловая скорость коронного колеса 7 второго планетарного ряда становится равной нулю.
Крутящий момент передается от входного звена 9 с помощью фрикционной блокирующей муфты 17 солнечной центральной шестерне 1 первого планетарного ряда. При торможении коронного колеса 7 второго планетарного ряда сателлиты 3 обкатываются относительно него, водило 5 совершает переносное движение и передает отрицательный по знаку крутящий момент на выходное звено 8.
Предлагаемая согласно изобретению автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.4) работает следующим образом. После начала движения транспортного средства последовательным переключением передач от 1-й до 8-й осуществляется его разгон до требуемой скорости движения. При выключенных фрикционных элементах управления автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач находится в нейтральном положении.
Делитель, которым оснащена данная коробка передач в силу особенности, свойственной дифференциальным механизмам с положительным внутренним передаточным отношением, меньшим единицы, заключающейся в том, что все его звенья имеют одинаковое направление, совпадающее с направлением вращения входного звена. При внутреннем передаточным числе дифференциального механизма, большем 0.5, но меньшем 1, водило 22 делителя будет иметь число оборотов большее, чем число оборотов входного и выходного валов, и, следовательно, обеспечит замыкание муфты свободного хода 25, установленную между водилом 22 и выходным звеном 21. Тогда выходное звено 21 будет вращаться с числом оборотов, равным числу оборотов, входного звена 9, то есть будет осуществляться прямая передача.
При заторможенном водиле 22 делитель работает как рядный редуктор с повышающим положительным передаточным числом.
На первой передаче переднего хода включается фрикционный тормоз 12, то есть угловая скорость водила 5 становится равной нулю. Так как торможение водила 22 делителя не осуществляется, крутящий момент с входного звена 9 передается на солнечную центральную шестерню 1, с солнечной центральной шестерни 1 на сателлиты 2-2', 3-3', которые связаны с выходным звеном 8, то есть при торможении водила 5 многопоточный дифференциальный механизм работает как рядный редуктор.
При переключении на вторую передачу переднего хода фрикционный тормоз 12 остается включенным и включается фрикционный тормоз 23. Таким образом, угловая скорость водила 5 и водила 22 становятся равными нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 через дополнительный повышающий планетарный механизм (делитель) с положительным внутренним передаточным отношением, меньшим единицы, передается на солнечную центральную шестерню 1, далее через сателлиты 2-2', 3-3', которые связаны с выходным звеном 8, то есть при торможении водила 5 и водила 22 многопоточный дифференциальный механизм и делитель работают как рядные редукторы.
При переключении на третью передачу переднего хода фрикционные тормоза 12, 23 выключаются и включается фрикционный тормоз 11. Таким образом, угловая скорость коронного колеса 6 равна нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 передается на солнечную центральную шестерню 1, а с солнечной центральной шестерни на водило 5, где при торможении коронной шестерни 6 первого планетарного ряда сателлиты 2, обкатывая ее, передают крутящий момент на выходное звено 8 коробки передач.
При переключении на четвертую передачу переднего хода фрикционный тормоз 11 выключается и включается тормоз 14, то есть угловая скорость солнечной центральной шестерни 4 равна нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 передается на солнечную центральную шестерню 1, а с солнечной центральной шестерни 1 на водило 5, где при торможении солнечной центральной шестерни 4 третьего планетарного ряда крутящий момент распределяет водило 5 сателлитами и передается на выходное звено 8.
При переключении на пятую передачу переднего хода фрикционный тормоз 14 выключается и включаются фрикционные тормоза 11, 23. Таким образом, угловая скорость коронного колеса 6 и водила 22 равна нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 через делитель передается на солнечное центральное колесо 1, с солнечной центральной шестерни 1 на водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3', где водило 5 распределяет крутящий момент. При торможении коронного колеса 6 первого планетарного ряда сателлиты обкатывают ее и передают крутящий момент на выходное звено 8 коробки передач.
При переключении на шестую передачу переднего хода фрикционный тормоз 11 выключается, фрикционный тормоз 23 остается включенным и включается фрикционный тормоз 14. Таким образом, угловая скорость водила 22 и солнечной центральной шестерни 4 равна нулю.
Крутящий момент с входного звена 9 через делитель передается на солнечную центральную шестерню 1, с солнечной центральной шестерни 1 на водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3', где при торможении солнечной центральной шестерни 4 третьего планетарного ряда крутящий момент передается на выходное звено 8.
При переключении на седьмую передачу переднего хода фрикционные тормоза 14 и 23 выключаются и включается фрикционная блокирующая муфта 15.
Крутящий момент с входного звена 9 передается на звено 1, а затем через сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' на звено 4 и звено 8. При включении фрикционной блокирующей муфты 15 солнечная центральная шестерня 4 и коронное колесо 8 получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка многопоточного дифференциального механизма и он работает как жесткий вал, осуществляя прямую передачу.
При переключении на восьмую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 24 остается включенной и включается фрикционный тормоз 23.
Крутящий момент передается с входного звена 9 через делитель на солнечную центральную шестерню 1 и на водило 5. Таким образом, водило 5 и солнечная центральная шестерня 1 получают одинаковое число оборотов, происходит блокировка механизма, и он работает как жесткий вал, но передавая повышенную передачу.
При переключении на первую заднюю передачу включается фрикционный тормоз 13, то есть угловая скорость коронного колеса 7 равна нулю.
Крутящий момент передается с входного звена 9 на солнечную шестерню 1, где при торможении коронного колеса 7 водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' распределяют момент и отрицательный по значению момент передается на выходное звено 8.
При переключении на вторую заднюю передачу включаются фрикционные тормоза 13 и 23. Таким образом, угловая скорость водила 22 и коронного колеса 7 равна нулю.
Крутящий момент передается с входного звена 9 через делитель на солнечную шестерню 1, где при торможении коронной шестерни 7 водило 5, сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' распределяют момент и отрицательный по значению момент передается на выходное звено 8.
Предлагаемая согласно изобретению автоматическая ступенчатая планетарная коробка передач (фиг.5) работает следующим образом.
На первой передаче переднего хода включается фрикционная блокирующая муфта 30 и фрикционный тормоз 12. При этом угловая скорость водила 5 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 через водило 29 дополнительного понижающего планетарного ряда передается на солнечную центральную шестерню 1 с помощью фрикционной блокирующей муфты 30. Далее крутящий момент от солнечной центральной шестерни 1 через сцепленные сателлиты 2-2', 3-3' передается коронному колесу 8 третьего планетарного ряда, то есть к выходному звену.
Вторая передача включается с помощью фрикционной блокирующей муфты 17 и фрикционного тормоза 12, что соответствует первой передаче по фиг.3.
Третья передача переднего хода включается с помощью фрикционной блокирующей муфты 16 и фрикционного тормоза 13, что соответствует второй передаче по фиг.3.
При переключении на четвертую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 16 и фрикционный тормоз 13 выключаются, включаются фрикционная блокирующая муфта 30 и фрикционный тормоз 11. При этом угловая скорость коронной шестерни 6 становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 через водило 29 дополнительного понижающего планетарного ряда передается солнечной центральной шестерне 1 и далее на сателлиты 2. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 2 коронного колеса 6, передает крутящий момент на выходное звено 8.
Пятая передача переднего хода включается с помощью фрикционной блокирующей муфты 17 и фрикционного тормоза 11, что соответствует третьей передаче по фиг.3.
При переключении на шестую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 и фрикционный тормоз 11 выключаются, включаются фрикционная блокирующая муфта 30 и фрикционный тормоз 14. При этом угловая скорость солнечной центральной шестерни 4 третьего планетарного ряда становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 через водило 29 дополнительного понижающего планетарного ряда передается солнечной центральной шестерне 1 и далее на сателлиты 2-2', 3-3'. Водило 5, осуществляя переносное движение при обкатке сателлитами 3' солнечной центральной шестерни 4, передает крутящий момент на выходное звено 8.
При переключении на седьмую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 30 выключается, фрикционный тормоз 14 остается включенным, включается блокирующая муфта 17, что соответствует четвертой передаче по фиг.3.
Восьмая передача переднего хода включается с помощью фрикционной блокирующей муфты 16 и фрикционного тормоза 18, что соответствует пятой передаче по фиг.3.
При переключении на девятую передачу переднего хода фрикционный тормоз 18 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной, включается фрикционная блокирующая муфта 30.
Крутящий момент параллельно передается на солнечную центральную шестерню 1 многопоточного дифференциального механизма по кинематическому потоку 9-28-17-29-30-1 и на водило 5 по кинематическому потоку 9-16-5. Многопоточный дифференциальный механизм суммирует эти два движения в виде движения выходного звена 8.
При переключении на десятую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 30 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной, включается фрикционная блокирующая муфта 17. При этом происходит блокировка дифференциального механизма, что соответствует шестой передаче по фиг.3.
При переключении на одиннадцатую передачу переднего хода фрикционная блокирующая муфта 17 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной, включается фрикционный тормоз 14, что соответствует седьмой передаче по фиг.3.
При переключении на двенадцатую передачу фрикционный тормоз 14 выключается, фрикционная блокирующая муфта 16 остается включенной, включается фрикционный тормоз 11, что соответствует восьмой передаче по фиг.3.
При переключении на первую заднюю передачу включается фрикционная блокирующая муфта 30 и фрикционный тормоз 13. При этом угловая скорость коронного колеса 7 второго планетарного ряда становится равной нулю.
Крутящий момент от входного звена 9 через водило 29 дополнительного понижающего планетарного ряда с помощью фрикционной блокирующей муфты 30 передается солнечной центральной шестерне 1. При торможении коронного колеса 7 сателлиты 3 обкатываются относительно него, водило 5 совершает переносное движение и передает отрицательный по знаку крутящий момент на выходное звено 8.
При переключении на вторую заднюю передачу включается фрикционная блокирующая муфта 17 и фрикционный тормоз 13, что соответствует задней передаче по фиг.3.
Настоящее изобретение позволяет в автоматических ступенчатых планетарных коробках передач, имеющих в своей основе планетарную систему многопоточного дифференциального механизма, обеспечить от четырех до двенадцати передач переднего хода, в том числе с одной или двумя ускоряющими передачами и с одной или двумя передачами заднего хода, что позволяет изменять диапазон передаточных отношений в сторону его увеличения при минимальном количестве планетарных рядов, а при неизменном диапазоне передаточных отношений за счет увеличения числа передач уменьшить интервал между передаточными числами, то есть дискретность передаточных чисел АКП будет значительно меньше, что обеспечивает большую способность двигателю приспосабливаться к изменяющимся условиям дорожного сопротивления и обеспечивать более высокие тягово-динамические и топливно-экономические показатели автомобиля (транспортного средства), обеспечить высокое кпд за счет коротких кинематических цепей и совмещения двух движений, одно из которых является переносным и, соответственно, имеющим высокое значение кпд, значительно меньшие энергозатраты на создание высокого давления в гидросистеме управления АКП, что обеспечивается минимальным использованием фрикционных блокирующих муфт, в гидросистемах управления которых и происходят максимальные потери расхода рабочей жидкости через вращающиеся уплотнения, переключение передач без разрыва потока мощности за счет минимального количества одновременно переключаемых управляющих элементов, сокращение габаритов за счет меньшего числа управляющих элементов при одном и том же количестве передач в сравнении с прототипом.
Использование предлагаемого АКП на базе многопоточного дифференциального механизма применимо как для легковых и грузовых автомобилей, так и для гусеничной техники военного и гражданского назначения.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его реализации не требуется специальной новой технологии и специального оборудования, кроме того, которое использует машиностроение в производстве редукторов, в том числе планетарных.
Источник информации
1. Харитонов С.А. Автоматические коробки передач. Москва, «Астрель-АСТ», 2003 г.