АВТОМОБИЛЬНАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
AUTOMOTIVE MULTIPLE-SPEED GEARBOX

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в трансмиссии транспортных средств с зубчатыми передачами с переменной скоростью вращения.
Известны устройства наиболее близкие по совокупности признаков к заявленному изобретению для ступенчатого изменения крутящего момента и передачи его на ведущие колеса автомобиля, например коробка передач по патенту RU 2254507 C2.
Они представляют собой механическую коробку передач, состоящую из основного четырехступенчатого редуктора, двухступенчатого делителя передач, встроенного в основной редуктор, и двухступенчатого демультипликатора, образованного трехзвенным планетарным механизмом.
Размещение делителя, состоящего из двух пар зубчатых передач и синхронизатора, в корпусе основного редуктора увеличивает длину и вес вторичного и промежуточного валов, соответственно, увеличивает габариты основного редуктора. Кроме этого основной редуктор имеет дополнительный ряд шестерен для обеспечения задней передачи, который также увеличивает длины валов и габариты корпуса основного редуктора. Ряд шестерен задней передачи в силу конструктивных особенностей не обеспечивает передачу полной мощности двигателя в случае необходимости использования ее при эксплуатации автомобиля.
Синхронизатор, служащий для переключения делителя, при управлении движением автомобиля переключается в четыре раза чаще, чем каждый синхронизатор основной коробки, что приводит к более интенсивному его износу. При этом каждое переключение делителя осуществляется с выключением-включением сцепления, что приводит к повышенному износу трущихся деталей сцепления, разрыву потока мощности передаваемого на ведущие колеса автомобиля. При этом уменьшается коэффициент использования мощности двигателя, уменьшается коэффициента полезного действия коробки и снижается комфорт управления автомобилем.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются создание надежной и жесткой конструкции коробки передач с меньшими габаритными размерами и весом, более быстродействующим и плавным переключением диапазона передач делителя без разрыва потока мощности и без выключения сцепления, за счет исключения из конструкции основного редуктора зубчатых передач и синхронизатора, образующих делитель коробки передач, и дополнительного ряда зубчатых шестерен заднего хода, включением в конструкцию коробки передач дифференциального делителя с ленточными тормозами и дифференциального демультипликатора с интегрированной в нем задней передачей, способной передавать полную мощность двигателя в случае необходимости при эксплуатации автомобиля на различных скоростях его движения задним ходом; обеспечение возможности испытания отдельных узлов (дифференциального делителя, основного редуктора и дифференциального демультипликатора) и качества общей сборки коробки передач в условиях крупносерийного производства.
При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты:
- исключение из конструкции основного редуктора зубчатых передач и синхронизатора, образующих делитель коробки передач в прототипах, за счет применения дифференциального делителя приводит к значительному уменьшению осевых размеров и веса вторичного и промежуточного валов, что обуславливает уменьшение веса коробки передач;
- исключение из конструкции основного редуктора дополнительного ряда зубчатых шестерен заднего хода за счет применения дифференциального демультипликатора с интегрированной задней передачей дополнительно уменьшает осевые размеры и вес вторичного и промежуточного валов;
- увеличение жесткости промежуточного и вторичного валов основного редуктора за счет уменьшения их осевых размеров при одновременном уменьшении крутильных колебаний и моментов инерции способствует более быстрому выравниванию угловых скоростей вращающихся масс и меньшему износу блокирующих колец синхронизаторов основного редуктора при переключении передач;
- использование дифференциального делителя в конструкции коробки передач позволяет осуществлять переключение диапазона делителя без выключения сцепления, плавно и без разрыва потока мощности, что обеспечивает уменьшение износа трущихся деталей сцепления, повышение коэффициента использования мощности и повышение топливной экономичности двигателя, так как в моменты переключения диапазона делителя, которые происходят в четыре раза чаще, чем переключение передач основного редуктора, двигатель не переходит в режимы частичных нагрузок;
- управление дифференциальным делителем осуществляется гидроприводом, включаемым только с помощью кнопки, расположенной на рычаге переключения передач без выключения сцепления, что облегчает управление при движении автомобиля, повышает комфорт и снижает физическую нагрузку на водителя;
- использование дифференциального демультипликатора с интегрированной задней передачей позволяет передавать полную мощность двигателя в случае необходимости при эксплуатации автомобиля на различных скоростях его движения задним ходом, что особенно важно для автомобилей специального назначения;
- повышение надежности коробки передач, так как технологический процесс ее сборки может быть осуществлен после предварительных стендовых испытаний отдельных ее узлов, а именно дифференциального делителя, основного редуктора и дифференциального демультипликатора, что в свою очередь создает предпосылки для автоматизации процесса общей сборки коробки передач.
Поставленная задача решается тем, что автомобильная многоступенчатая коробка передач состоит из дифференциального делителя, установленного в картере сцепления, входной вал которого соединен с двигателем, а выходной вал является первичным валом основного редуктора, образованного несколькими парами зубчатых передач, расположенных на параллельных валах с неподвижными осями вращения, установленных на подшипниках в картерах коробки передач и сцепления, синхронизаторов, обеспечивающих безударное и бесшумное соединение ведомых зубчатых колес с вторичным валом, и дифференциального демультипликатора с интегрированной задней передачей, входным валом которого является вторичный вал основного редуктора, а водило является выходным валом коробки передач, в которой дифференциальный делитель представляет собой дифференциальный механизм, с положительным внутренним передаточным числом меньшим единицы, состоящим из входного вала-шестерни, двухвенцовых сателлитов, опирающихся на оси, установленные в водиле, выходного зубчатого колеса, являющегося входным валом основного редуктора, муфты свободного хода, установленной между водилом и выходным зубчатым колесом, двух ленточных тормозов с приводом от гидроцилиндров, воздействующих на водило дифференциального делителя во взаимно противоположных направлениях, дифференциальный демультипликатор с интегрированной задней передачей, представляющий собой двухпоточный дифференциальный механизм, с различными значениями внутренних передаточных отношений в каждом потоке, обеспечивающий две передачи переднего хода, нейтральное положение и заднюю передачу, состоящий из двухвенцовых и паразитных сателлитов, опирающихся на оси, установленные в водиле дифференциального демультипликатора, являющегося выходным валом коробки передач, коронного колеса, на ступице которого установлен синхронизатор, обеспечивающий нейтральное положение, включение прямой и понижающей передач, коронного колеса, являющегося одновременно зубчатой муфтой включения заднего хода.
На фиг.1 представлена кинематическая схема конструкции предлагаемой коробки передач.
На фиг.2 представлен продольный разрез предлагаемой коробки передач (сборочный чертеж).
На фиг.3 представлен поперечный разрез предлагаемой коробки передач.
На фиг.4 представлена диаграмма передаточных чисел предлагаемой коробки передач.
На кинематической схеме, продольном и поперечном разрезах фиг.1, фиг.2 и фиг.3 обозначены:
1
2
3
А - дифференциальный делитель; А - основной редуктор; А - дифференциальный демультипликатор; 1 - корпус основного редуктора; 2 - картер сцепления (картер дифференциального делителя); 3 - картер дифференциального демультипликатора; 4 - первичный вал основного редуктора; 5 - промежуточный вал основного редуктора; 6 - вторичный вал основного редуктора; 7, 8, 9, 10 и 56 - роликоподшипники; 11 - ведомое колесо промежуточного вала основного редуктора; 12 - шестерня третьей передачи основного редуктора; 13 - колесо третьей передачи основного редуктора; 14 и 16 - зубчатые венцы соответственно второй и первой передач основного редуктора; 15 и 17 - колеса соответственно второй и первой передач основного редуктора; 18 и 19 - синхронизаторы соответственно третьей-четвертой и первой-второй передач основного редуктора; 20 - шлицевое отверстие; 21 - шпоночный паз; 22 - масляный насос; 23 - входной вал-шестерня дифференциального делителя; 24 и 29 - зубчатые венцы двухвенцовых сателлитов дифференциального делителя; 25 - двухвенцовые сателлиты дифференциального делителя; 26 - оси двухвенцовых сателлитов дифференциального делителя; 27 - водило дифференциального делителя; 28 - колесо дифференциального делителя; 30, 31, 43, 47 и 57 - шарикоподшипники; 32 - крышка дифференциального делителя; 33 - ленточные тормоза; 34 - муфта свободного хода; 35 - ведущий зубчатый венец дифференциального демультипликатора; 36 - сателлиты дифференциального демультипликатора; 37 - двухвенцовые сателлиты дифференциального демультипликатора; 38 - паразитные сателлиты дифференциального демультипликатора; 39 - коронное колесо (муфта заднего хода) дифференциального демультипликатора; 40 - водило дифференциального демультипликатора (выходной вал коробки передач); 41 - коронное колесо дифференциального демультипликатора; 42 - ступица коронного колеса дифференциального демультипликатора; 44 - синхронизатор дифференциального демультипликатора; 45 и 46 - оси сателлитов дифференциального демультипликатора; 48 - муфта синхронизатора дифференциального демультипликатора; 49 - болт; 50 -конусное блокирующее кольцо синхронизатора дифференциального демультипликатора; 57 - штифт; 52 - зубчатый венец блокировки муфты заднего хода; 53 - зубчатый венец блокировки коронного колеса дифференциального демультипликатора; 54 - зубчатый венец блокировки дифференциального демультипликатора; 55 - гидроцилиндры.
Коробка передач (фиг.2) содержит корпус 1 основного редуктора с отверстиями для крепления картера сцепления 2, являющегося одновременно картером дифференциального делителя, и картера дифференциального демультипликатора 3. Корпус основного редуктора с картером сцепления образуют замкнутую полость, в которой находятся первичный вал 4, промежуточный вал 5 и вторичный вал 6 основного редуктора коробки передач. Первичный вал является валом-шестерней, опирающейся на роликоподшипник 56, установленный в отверстие картера сцепления. Промежуточный вал опирается на роликоподшипник 7, установленный в отверстии корпуса и роликоподшипник 8, установленный в отверстии картера сцепления. Вторичный вал одним концом опирается на роликоподшипник 9, установленный в первичном валу, а вторым концом - на роликоподшипник 10, установленный в корпусе основного редуктора. Первичный вал находится в постоянном зацеплении с напрессованным на промежуточный вал ведомым колесом 11. На промежуточном валу также напрессована шестерня 12, находящаяся в зацеплении с колесом 13, установленным на вторичном валу с возможностью вращения или блокировки относительно вторичного вала. Зубчатые венцы 14 и 16 нарезаны на промежуточном валу и находятся в зацеплении соответственно с зубчатыми колесами 15 и 17, установленными на вторичном валу с возможностью вращения или блокировки относительно вторичного вала. Шестерни 4 и 13 могут быть поочередно соединены с валом 6 синхронизатором 18, а шестерни 15 и 17 могут быть поочередно соединены с валом 6 синхронизатором 19.
В промежуточном валу предусмотрены шлицевое отверстие 20 для привода коробки отбора мощности и шпоночный паз 21 для привода масляного насоса 22, предназначенного для смазки подшипников коробки передач и управления ленточными тормозами делителя.
Дифференциальный делитель содержит входной вал-шестерню 23, опирающийся на шарикоподшипник 57 и находящийся в зацеплении с зубчатым венцом 24 двухвенцовых сателлитов 25, установленных на осях 26, запрессованных в водило дифференциального делителя 27, колесо 28, установленное на шлицы первичного вала основного редуктора и находящейся в зацеплении с зубчатым венцом 29 двухвенцовых сателлитов. Водило делителя опирается на шарикоподшипники 30 и 31, установленных в картере сцепления и в крышке дифференциального делителя 32 соответственно. Водило дифференциального делителя блокируется ленточными тормозами 33. Между водилом 27 и ведомым колесом 28 установлена роликовая муфта свободного хода 34.
Дифференциальный демультипликатор содержит ведущий зубчатый венец 35, нарезанный на вторичном валу основного редуктора, сателлиты 36 и двухвенцовые сателлиты 37, паразитные сателлиты 38, коронное колесо 39, которое одновременно является муфтой заднего хода, водило демультипликатора 40, являющееся одновременно выходным валом коробки передач, и коронное колесо 41, которое с помощью шлицевого соединения установлено на ступице 42, опирающаяся на водило через шариковый подшипник 43. На шлицах ступицы коронного колеса установлен синхронизатор демультипликатора 44. Сателлиты 36 и паразитные сателлиты 38 установлены на осях 45, а двухвенцовые сателлиты 37 установлены на осях 46, которые установлены в водиле. Водило демультипликатора опирается на шарикоподшипник 47, установленный в картере демультипликатора 3.
Синхронизатор демультипликатора содержит муфту 48, состоящую из внешней и внутренней частей, соединенных между собой болтами 49, и конусное блокирующее кольцо 50, также состоящую из внешней и внутренней частей, соединенных между собой штифтами 51. Внешние и внутренние части муфты и конусного кольца соединяются между собой через пазы, выполненные в ступице коронного колеса 42.
К корпусу основного редуктора закреплен зубчатый венец 52, предназначенный для блокировки коронного колеса 39, на картере демультипликатора закреплен зубчатый венец 53, предназначенный для блокировки коронного колеса 41, а на водиле закреплен зубчатый венец 54, предназначенный для блокировки демультипликатора.
При управлении движением автомобиля происходит последовательное переключение диапазона дифференциального демультипликатора, передач основного редуктора и диапазона дифференциального делителя, соответственно диаграмме передаточных чисел коробки передач (фиг.4). Дифференциальный демультипликатор с интегрированной передачей заднего хода имеет две передачи переднего хода и нейтральное положение, одну передачу заднего хода. При движении груженого автомобиля в тяжелых дорожных условиях включается понижающая передача демультипликатора. Для этого зубчатая муфта 48 синхронизатора 44 перемещается в крайнее правое положение и после выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей блокирующим кольцом 50 вводится в зацепление с зубчатым венцом 53. При смене диапазона демультипликатора с понижающей на повышающую передачу зубчатая муфта 48 перемещается в крайнее левое положение и после выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей блокирующим кольцом 50 вводится в зацепление с зубчатым венцом 54. Включение передачи заднего хода происходит перемещением коронного колеса 39, одновременно являющегося муфтой заднего хода, в крайнее левое положение и введением его в зацепление с зубчатым венцом 52, при этом муфта 48 синхронизатора 44 находится в нейтральном положении.
Основной редуктор коробки передач имеет четыре передачи, переключение которых происходит с помощью синхронизаторов 18 и 19. Синхронизатор 19 включает первую и вторую передачи основного редуктора, при этом синхронизатор 18 находится в нейтральном положении. Первая передача основного редуктора включается перемещением муфты синхронизатора 19 в крайнее правое положение, когда происходит блокировка зубчатого колеса 17 с вторичным валом 6. Вторая передача основного редуктора включается перемещением муфты синхронизатора 19 в крайнее левое положение, когда происходит блокировка зубчатого колеса 15 с вторичным валом 6. Включение третей и четвертой передачи осуществляется синхронизатором 18, при этом синхронизатор 19 находится в нейтральном положении. Третья передача основного редуктора включается перемещением муфты синхронизатора 18 в крайнее правое положение, когда происходит блокировка зубчатого колеса 13 с вторичным валом 6. Четвертая передача основного редуктора - прямая - включается перемещением муфты синхронизатора 18 в крайнее левое положение, когда происходит блокировка первичного вала 4 с вторичным валом 6.
Дифференциальный делитель имеет две передачи. Ускоряющая передача делителя включается блокировкой водила делителя 27 на картер сцепления 2, которая осуществляется ленточными тормозами 33 с помощью гидроцилиндров 55 (фиг.3). Включение прямой передачи делителя происходит автоматически при растормаживании ленточных тормозов блокировкой водила делителя на роликовую муфту свободного хода 34, установленной на валу 4. Автоматическая блокировка водила делителя на муфту свободного хода возможна благодаря особенностям дифференциальных механизмов с положительным передаточным числом меньше единицы, при котором все звенья дифференциального механизма вращаются в одну сторону, причем водило имеет большую угловую скорость вращения нежели угловые скорости входного и выходного валов. Переключение диапазона дифференциального делителя осуществляется без выключения сцепления и, следовательно, без разрыва потока мощности. Тормозной момент на ленточных тормозах составляет часть передаваемого на выходной вал вращающего момента двигателя. Например, при передаточном отношении дифференциального делителя i=0,75, на ленточный тормоз действует 0,25 вращающего момента и на выходной вал 0,75 вращающего момента, развиваемого двигателем. Алгоритм включения ленточных тормозов, осуществляемый гидравлической системой, обеспечивает быстрое и плавное переключение диапазонов дифференциального делителя.
Небольшая разница передаточных отношений соседних передач коробки позволяет выбрать оптимальный режим движения в экономичном диапазоне числа оборотов двигателя. Кроме того, это облегчает управление коробкой передач и снижает уровень шума.
В отличие от прототипа, у которого переключение диапазона делителя осуществляется с помощью синхронизатора, в предлагаемой коробке передач для включения ускоряющей передачи осуществляется торможением водила дифференциального делителя ленточными тормозами, для включения прямой передачи ленточные тормоза освобождаются и происходит автоматическая блокировка водила дифференциального делителя через муфту свободного хода на выходной вал дифференциального делителя.
По сравнению с прототипом предлагаемая автомобильная многоступенчатая коробка передач обладает техническими характеристиками, соответствующими требованиям современного автомобилестроения, в том числе имеет меньшие габаритные размеры и вес, обладает большей жесткостью, виброустойчивостью и меньшими инерционными массами вращающихся частей зубчатых передач, что обуславливает быстродействие процессов переключения передач, более высокий коэффициент использования мощности двигателя и более высокие показатели топливной экономичности при использовании в трансмиссиях современных автомобилей.