СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАБОЧИХ СКОРОСТЕЙ ТРАКТОРОВ
TECHNIQUE OF FORMATION OF OPERATING RATES OF TRACTORS

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к коробкам передач тракторов.
В качестве прототипа данного изобретения принят патент «способ формирования рядов передач, переключаемых под нагрузкой» №2167772 от 27 мая 2001 г.
Сущность прототипа заключается в том, что передача потока мощности производится параллельными кинематическими цепями, сначала с входного вала на промежуточный посредством пар шестерен, включаемых поочередно при помощи фрикционных муфт с гидроподжатием дисков (гидроподжимных муфт). При этом на промежуточном валу формируется исходный ряд скоростей, который далее трансформируется на выходной узел с изменениями передаточных чисел также с применением гидроподжимных фрикционных муфт. Таким образом, на выходном валу выходного узла формируются скорости машины в заданном интервале с заданным соотношением смежных скоростей.
В целом принятое в прототипе техническое решение основывается на разделении всего общего диапазона скоростей на несколько поддиапазонов, переключаемых механическими зубчатыми муфтами, установленными в разных местах кинематических цепей коробки передач, за счет чего решена первоочередная задача уменьшения количества фрикционных муфт. Уменьшение числа муфт влияет на повышение кпд за счет уменьшения трения в выключенных муфтах (потерь на трение во включенных муфтах нет). Однако уменьшение числа муфт увеличивает перепады между смежными скоростями, что создает проблемы эффективного использования мощности двигателя, т.е. снижает производительность машины.
Перепады между смежными скоростями q, количеством рабочих скоростей k и диапазон рабочих скоростей Dp математически строго связаны между собой условием построения ряда рабочих скоростей по закону геометрической прогрессии.
Поэтому при диапазоне, равном например трем, исходя из скоростей 4-12 км/час, количество их однозначно определено и представлено в таблице 1.
Таблица 1
Число скоростей k
6
7
8
9
10
11
12
Коэффициент прогрессии q
1.25
1.2
1.17
1.15
1.13
1.12
1.11
Поэтому результаты расчетов, приведенных в описании прототипа, должны рассматриваться с учетом изложенного критического подхода.
Использование механического переключающего устройства в кинематических цепях выходного узла создает серьезные неудобства в случаях переключения рабочих скоростей, т.к. требует остановки трактора в процессе выполнения работы, что крайне нежелательно. Применение механического переключающего устройства является вынужденной мерой, поскольку другие решения, в рамках известных способов формирования скоростей приводят к увеличению числа гидроподжимных фрикционных муфт для обеспечения непрерывного переключения.
Из таблицы 1 следует, что для получения перепада смежных скоростей рабочего диапазона 1,15 должно быть не менее 9 скоростей только в рабочем диапазоне, не считая других, транспортного и технологического. Только в этом случае можно будет избежать необходимости остановки трактора во время работы для переключения механических зубчатых муфт.
У современных зарубежных тракторов без остановки переключаются все скорости, не только в рабочем диапазоне, но достигается это применением очень большого числа фрикционных муфт. Их количество достигает 9 и более, например, на тракторе John Deere серии 8000 (AGRARTECHNIK, jan 1999). Негативные проявления, связанные с применением большого числа муфт уже рассмотрены.
Таким образом, цель данного предложения состоит в разработке способа минимизации числа фрикционных гидроподжимных муфт при обеспечении в рабочем диапазоне переключения всех скоростей трактора на ходу и заданных перепадов между смежными скоростями, а также обеспечения технологических и транспортных диапазонов не менее комфортным управлением.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан один из примеров реализации предлагаемого способа формирования скоростей трактора в виде кинематической схемы его коробки передач, содержащей шесть фрикционных гидроподжимных муфт и обеспечивающей в рабочем диапазоне девять переключаемых на ходу с перепадом 1,15 смежных скоростей в соответствии с таблицей 1.
При этом такое же число скоростей с тем же перепадом имеется в технологическом, в транспортном диапазонах и на заднем ходу. Таким образом, данная кинематическая схема при 20 шестернях имеет 36 ступеней передач, из которых 27 передач переднего хода и 9 заднего (на одну шестерню 1,8 передачи).
Кинематическая схема (см. чертеж) состоит из двух частей. В первой части переключение скоростей может производиться на ходу, во второй скорости переключаются только при остановленном тракторе. Схема содержит первичный (входной) вал 2, на котором имеются три гидроподжимные фрикционные муфты 4, 6 и 7, которые имеют соответственно три шестерни 3, 5 и 8 соединенные с шестернями 42, 44 и 46 промежуточного вала 48. Кроме этих шестерен промвал 48 имеет еще две шестерни 9 и 47, зацепляющиеся в свою очередь с шестернями 35 и 41 муфт 36 и 40 вторичного вала 43. На вторичном валу имеется еще шестерня 39 муфты 37, которая зацеплена с шестерней 44 промвала 48.
Далее, посредством вторичного вала 43 происходит соединение со второй частью коробки передач, имеющей две шестерни 33 и 34, жестко соединенные с вторичным валом 43. Шестерня 34 соединяется с блоком шестерен 29 и 30, закрепленных на одном валу с насосом нерегулируемого рабочего объема 25. Кроме того, шестерня 29 одновременно зацеплена с двумя шестернями 20 и 16, свободно вращающимися на соответствующих валах, выходном с конической шестерней 31 и зубчатой муфтой 32, а также валом с зубчатой муфтой 11. На последнем свободно вращается шестерня 10, а шестерня 17 закреплена неподвижно.
Управление зубчатыми муфтами 11 и 32 выполняется при помощи гидроцилиндров 15 и 22, соединенных гидролиниями с электрогидравлическими золотниками 13 и 23 соответственно. В подводящих гидролиниях к золотникам имеется четыре дросселя 18. Гидроцилиндры 15 и 22 соединены соответственно при помощи ползунов 12 и 21 с подвижными деталями зубчатых муфт.
В схеме предусмотрен гидравлический синхронизатор для безударного включения зубчатых муфт. Синхронизатор состоит из уже упоминавшегося нерегулируемого насоса 25, нагнетательная гидролиния которого подключена к двухпозиционному электрогидравлическому золотнику 26 с предохранительным клапаном 28. Все электрогидравлические золотники снабжены соответственно электромагнитами 14, 24 и 27.
Работа гидрокинематической схемы коробки передач трактора происходит следующим образом.
Энергия от двигателя внутреннего сгорания 1 поступает на первичный вал 2 и передается далее на промвал 48 посредством гидроподжимных фрикционных муфт 4, 6 и 7, включаемых последовательно традиционными гидравлическими устройствами в зависимости от необходимости. При этом возникает изменение исходного кинематического передаточного отношения между валами 2 и 48, равное q на каждой скорости. Далее энергия передается с промвала 48 на вторичный вал 43 через пары шестерен постоянного зацепления 47, 41 44, 39 и 9, 35. Включение указанных шестерен производится соответственно фрикционными муфтами 40, 37 и 36, расположенными на вторичном валу 43. При этом образуется девять передаточных отношений, перепады между которыми сохраняются заданными, что осуществимо, если будут выполнены передаточные отношения, указанные в детерминанте:
3,1
3,2
3,3
6
7
8
i=g i=g i=g
где А - коэффициент, равный передаточному отношению между первичным валом 2 и вторичным 43 при включении первых муфт на каждом.
i - перепады передаточных отношений.
Первые индексы при знаках перепадов передаточных отношений указывают порядковый номер фрикционной муфты на вторичном валу 43, а вторые на первичном валу 2.
3
Таким образом, при последовательном переключении муфт на первичном валу передаточное отношение изменяется на q, а при переключении муфт вторичного вала на q. Общий диапазон скоростей при q=1,15 будет 3,06.
В рассматриваемом примере кинематической схемы общее количество муфт равно шести, что позволяет получить девять скоростей, переключаемых на ходу при равном количестве по три муфты на первичном и вторичном валах. Если же число муфт на этих валах не будет одинаковым, например четыре и две, при том же общем их количестве, то число скоростей уменьшится до восьми. Меньше двух муфт на валу применить нельзя. Поэтому следует стремиться к равному числу муфт на валах, а при их нечетном числе стремиться к наиболее близкому равному распределению, т.к. в других вариантах возникнет проигрыш в количестве реализуемых скоростей.
3
Детерминант также указывает на возможность применения двух алгоритмов управления переключением скоростей - последовательном переключении всех скоростей, при котором в некоторых случаях одновременно должны переключаться четыре муфты (двухпарное переключение) и простом переключении с участием двух муфт. Двухпарное переключение возникает при переходах с одной муфты на другую на вторичном валу. В данном случае одновременно необходимо также переключение муфт на первичном валу чтобы избежать резкого изменения скорости q.
В действительности при двухпарном переключении одновременная работа четырех муфт маловероятна, т.к. включаемые муфты имеют разные коэффициенты запаса момента, следовательно, муфта с большим запасом замкнется быстрей, а последовательно соединенная с ней другая с меньшим запасом продолжит пробуксовывать. Тем не менее, процесс переключения может быть организован иначе. Вначале следует переключиться на скорость, меньшую той, на которой работал трактор, затем переключиться муфтой вторичного вала и далее установить нужную скорость. В этом случае во всех процессах переключении будет участвовать по две муфты.
Во второй части гидрокинематической схемы (см. чертеж) приведена кинематика диапазонного редуктора, аналогичная примененному в прототипе, но отличающаяся тем, что процесс переключения зубчатых муфт выполняется при помощи гидравлики дистанционно.
Логичность применения подобного механизма состоит в том, что при выполнении трактором какого-либо вида работ не возникает необходимости переходить из одного диапазона в другой. Например, при выполнении пахоты нет необходимости иметь возможность двигаться на транспортных скоростях и т.д. Поэтому перед началом выполнения какого-либо конкретного вида работ достаточно включить нужный диапазон, тем более, что сделать это с помощью гидравлики не сложно. Подчеркнем, что при включении реверса скорость должна переходить через нулевое значение, а это неизбежно связано с остановкой трактора и должно происходить быстро и удобно для тракториста.
Работа данной части схемы состоит в том, что первая зубчатая муфта 32 соединяет вторичный вал 43 с выходным валом коробки передач либо напрямую, либо через блок шестерен 29, 30. При этом в передаче энергии участвует либо два полюса зацепления шестерен, либо четыре. В основном рабочем диапазоне участвуют два полюса, что позволяет иметь более высокий кпд. В транспортном диапазоне работают четыре полюса. Также четыре полюса работают в диапазоне технологическом, а на заднем ходу пять, которые включаются зубчатой муфтой 11. При включении муфты влево энергия передается шестернями 33, 10 и 17, 19, образуя технологические скорости, а вправо через шестерни 16, 29 и 20 - задний ход.
Включение зубчатых муфт происходит безударно, что обеспечивается гидравлическим синхронизатором. Нагнетательная гидролиния насоса 25 в момент переключения перекрывается золотником 26 с предохранительным клапаном 28, защищающим систему от чрезмерного повышения давления. Насос 25 в этом случае выполняет функцию гидротормоза и останавливает все шестерни коробки. Включение электромагнита 27 золотника 26 производится как от механизма управления коробкой, так и от тормозов. Давление в напорной гидролинии насоса 25 будет действовать до полной остановки всех шестерен. Это давление подводится к блокировочным устройствам, не позволяющим перемещать обоймы зубчатых муфт 11 и 32 до тех пор, пока действует давление, чем гарантируется их безударное переключение.
Перемещение обойм зубчатых муфт 32 и 11 в три фиксированных положения производится гидроцилиндрами 15 и 22 следующим образом. Давление масла «Р упр.» подается одновременно в левую и правую полости гидроцилиндров 15 и 22 через дроссели 18. Каждый гидроцилиндр снабжен тремя отводными гидролиниями, соединяющими его с трехпозиционными золотниками 13 и 23, которые при включении электромагнитов 14 или 24 соединяют поочередно каждую из этих магистралей со сливом в бак. При этом давление в левой или в правой полостях гидроцилиндров станет падать, что приведет к соответствующим смещениям их поршней. Если же давление будет снято в средней гидролинии, то благодаря наличию дросселей давление в одной из полостей также уменьшится и начнется движение поршня в сторону полости без давления до тех пор, пока поршень своим телом не перекроет среднюю гидролинию, после чего давление слева и справа от него сравняется и его перемещение прекратится. Если поршень находится в среднем положении, то при открытии среднего канала из этого положения он не выйдет.
Что касается управления переключениями скоростей внутри технологического и транспортного диапазонов, то целесообразно сохранить те же особенности, которые были рассмотрены применительно к рабочему диапазону с учетом двух алгоритмов управления.
Рассмотренный (см. чертеж) пример показывает все основные отличия предлагаемого способа формирования скоростей трактора.