Трансмиссия наземного транспортного средства на базе вальной коробки перемены передач
TRANSMISSION OF A GROUND VEHICLE BASED ON A SHAFT GEAR BOX

Изобретение относится к трансмиссиям с вальными коробками перемены передач (КПП) и дифференциальными механизмами передач и поворота (МПП) безрельсовых наземных транспортных средств, конкретно - гусеничных и колесных машин.
Актуальными вопросами для гусеничных и колесных машин различного назначения являются, во-первых, обеспечение количества режимов (в том числе передач в КПП), достаточного для прямолинейного движения в широком спектре эксплуатационных условий, и, во-вторых, обеспечения высокого качества управления поворотом, а точнее - компромисс между ними (оптимизация).
Среди путей улучшения технико-эксплуатационных и тактико-технических характеристик (ТЭХ, ТТХ) транспортных машин по этим направлениям:
- применение многорежимных КПП, предпочтительно с преселективным управлением, например, [1. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986 - 126 с., ил. - С. 1-10, 14, рис. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.10; 2. RU 00131781, МПК B60K 17/32, 27.05.2000; RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011; RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001; 3. RU 2657483, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 14.06.2018 «18-скоростная механическая вальная коробка передач, преимущественно для трактора»]; семейства КПП «Ромашка» [4. RU 2658474, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 21.06.2018, «Многовальная коробка передач «Ромашка»»; 5. RU 2691678, МПК F16H 3/093, F16H 37/02, 17.06.2019, «20-режимная однопоточная вальная коробка передач «Конфигурация-20»»; 6. RU 2691506, МПК F16H 3/093, F16H 3/093, 14.06.2019 «24-режимная однопоточная вальная коробка передач «Конфигурация-24»»; 7. RU 2723206, МПК F16H 37/04, F16H 3/087, 09.06.2020, «Преселективная коробка передач «Ромашка-3Ф» для трансмиссий транспортных средств»];
- применение многорадиусных МПП, например, [8. Estevas-Guilmain J., Garcia-Eizaga I., SAPA SG-850. A 32-speed transmission for a tracked vehicle, доклад на симпозиуме «Конструирование систем и технологии наземных транспортных средств специального назначения» (GVSETS) Национальной ассоциации оборонной промышленности (NDIA), США, 2014.], традиционных для отечественных танков второй половины XX века бортовых коробок передач [9. Расчет и конструирование гусеничных машин: Учебник для вузов / Н.А. Носов, В.Д. Галышев, Ю.П. Волков и др.; Под ред. Н.А. Носова. - Ленинград: Машиностроение, 1972. - 559 с.], более ранних решений - двухступенчатых механизмов поворота [10. Антонов А.С., Артамонов Б.А., Коробков Б.М., Магидович Е.И. ТАНК. - М.: Военное издательство МО СССР, 1954.].
ТЭХ упомянутых КПП [1, 2], при всех своих положительных свойствах и востребованности в прошлом, настоящем и будущем автотракторостроения, в текущем столетии уже не удовлетворяют современным запросам потребителей (требованиям заказчика) и уровню развития трансмиссий тяговых транспортных средств, к каковым относятся трактора. Это касается и компоновочных проблем. В частности, расширяется практика применения дисковых фрикционных элементов управления (переключения передач) [11. RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001], [3], существенно повышающих плавность переключения и являющихся инструментом реализации принципа безразрывности переключения передач в КП (несмотря на такие недостатки, как несколько большие габариты, стоимость, повышенные требования к условиям работы).
1
1
01
02
Наиболее близким по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков к заявляемому устройству аналогом (прототипом) является (в обозначениях, адаптированных заявителем к заявляемому устройству) трансмиссия наземного транспортного средства (ТС) на базе вальной коробки перемены передач (КПП), содержащей, по меньшей мере, однопоточную многорежимную вальную КПП с параллельными валами, включая входной 0, два смежных с ним промежуточных А и В, грузовых С и D, выходной X, зубчатые колеса, установленные на валах, и дисковые фрикционные элементы управления при части упомянутых зубчатых колес, суммирующий трехзвенный планетарный ряд, два входных звена которого связаны, соответственно, с грузовыми валами С и D, а третье звено - с выходным валом X, а также устройство поворота транспортного средства с возможностью распределения мощности от двигателя со сцеплением, или его функциональным аналогом, по ведущим колесам через блоки остановочных тормозов T, и Т и бортовые редукторы БР1 и БР2 [5. RU 2691678, МПК F16H 3/093, F16H 37/02, 17.06.2019].
Прототип подробно описан и защищен указанным патентом в части КПП, поскольку именно она выступает предметом изобретения в источнике информации [5]. В то же время, объект защиты - КПП - не вырван из контекста: в описании и сути технического решения имеется «ненавязчивое присутствие», наряду с двигателем (силовой установкой), других неотъемлемых составных агрегатов, в совокупности с КПП составляющих трансмиссию ТС, как энергетическую взаимосвязь двигателя с ведущими колесами, а именно - дополнительного редуктора между валом двигателя и входным валом 0 КПП, устройства управления поворотом (УУП) ТС в том или ином виде (в прототипе это не принципиально), остановочные тормоза и бортовые редукторы при ведущих колесах.
Технический результат использования прототипа [5] - расширение компоновочных возможностей КПП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении КП, сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и ТС в целом, с обеспечением плотной компоновки. Что особенно важно с позиций совместного монтажа и, особенно, агрегатирования КПП с двигателем. А это определяет улучшение ТЭХ / ТТХ ТС.
Однако прототип имеет ряд несовершенств и в нем недостаточно полно используется технический потенциал повышения качества управления поворотом за счет использования всей гаммы передаточных отношений КПП. Так, прототип в сочетании с традиционными УУП (МПП): имеет еще недостаточно высокую компактность и удовлетворительные массогабаритные характеристики; недостаточную поворачиваемость (маневренность); затрудняет использование в качестве органов управления движением как традиционные для гусеничных машин рычаги (по эргономическим соображениям), так и штурвал; недостаточно адаптирован к различным ТС.
Техническая проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в разработке компактной трансмиссии с расширенными ТЭХ/ТТХ.
МПП, построенный на базе новых многовальных КПП, к которым относится и упомянутое семейство КПП «Ромашка» [4-7], позволил бы рациональнее использовать технический потенциал этих агрегатов и повысить качество поворотом за счет использования всей гаммы передаточных отношений агрегата. Причем без существенного усложнения системы управления агрегатом.
1
1
01
02
2
л
п
л
п
01
02
1
2
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в трансмиссии наземного транспортного средства на базе вальной коробки перемены передач, содержащей, по меньшей мере, однопоточную многорежимную вальную коробку перемены передач с параллельными валами, включая входной 0, два смежных с ним промежуточных А и В, грузовых С и D, выходной X, зубчатые колеса, установленные на валах, и дисковые фрикционные элементы управления при части упомянутых зубчатых колес, суммирующий трехзвенный планетарный ряд, два входных звена которого связаны, соответственно, с грузовыми валами С и D, а третье звено - с выходным валом X, а также устройство поворота транспортного средства с возможностью распределения мощности от двигателя со сцеплением, или его функциональным аналогом, по ведущим колесам через блоки остановочных тормозов Т, и Т и бортовые редукторы БР1 и БР2, согласно заявляемому изобретению, коробка перемены передач и устройство поворота транспортного средства конструктивно и функционально объединены в механизм передач и поворота, при этом грузовые валы С и D выведены на обе противоположные друг другу стороны коробки перемены передач, дополнительно предусмотрен второй суммирующий трехзвенный планетарный ряд, идентичный первому и аналогично ему связанный с валами С и D и дополнительно предусмотренным вторым выходным валом Х, а на выходах вала D дополнительно установлено по блоку фрикционного элемента С и С с тормозами Т и Т управления поворотом, с образованием на выходе механизма передач и поворота оппозитных, преимущественно симметричных, узлов перед блоками остановочных тормозов и Т, и Т и бортовыми редукторами БР и БР.
Решение поставленной проблемы достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
1
2
- выходные валы Х, Х могут не являться смежными по отношению к входному валу 0 (это дополнительно расширяет общую организацию компактного МПП с достаточно большим диапазоном передаточных чисел (отношений));
1
2
- эпицикл суммирующего планетарного ряда может быть связан с грузовым валом С, солнечная шестерня - с грузовым валом D, а водило - с соответствующим выходным валом X, Х (это оптимизирует как передаточное число (отношение) СПР, так и его совместную компоновку с базовой КПП типов «Ромашка» и «Конфигурация»);
- коробка перемены передач может быть выполнена 20-режимной, соответственно с зубчатыми колесами и фрикционными элементами управления при части зубчатых колес в количестве, соответственно, 20 и 9 (это позволяет унифицировать МПП к относительно более широкому спектру ТС различного назначения и весовой (тягового класса) категории);
- механизм передачи и поворота может быть установлен поперек транспортного средства, при этом при продольном расположении двигателя эти агрегаты связаны конической зубчатой передачей (это рациональное решение при невозможности поперечного расположения двигателя);
- механизм передачи и поворота может быть установлен поперек транспортного средства, при этом при поперечном расположении двигателя эти агрегаты связаны цилиндрической зубчатой передачей типа «гитара» (это альтернативный предыдущему частный случай компоновки трансмиссии, более приемлемый хотя бы по исключению необходимости использовать такой нежелательный передаточный механизм, как коническая пара).
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с проблемой.
Четкое разграничение ограничительной и отличительной частей приведенных совокупностей существенных признаков, отражающее результаты сравнительного анализа заявляемого устройства с прототипом, соотносятся с мировым уровнем новизны технического решения. Мировой уровень новизны - первый из триады признаков (критериев) изобретения.
Далее, совокупности отличительных существенных признаков заявляемого МРМ не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же накопленного опыта проектирования, производства и эксплуатации (практического использования) двух- и трехстепенных планетарных зубчатых механизмов, фрикционных элементов и систем управления трансмиссиями и их составными частями.
Заявляемая трансмиссия наземного транспортного средства на базе многовальной КПП пояснено на чертежах:
на фиг. 1 укрупненно показана КПП в составе МПП, условно развернутый вид в плане, где 1 - входной вал КПП; 2 - собственно КПП как агрегат; 3 и 4 - параллельные грузовые валы КПП; 5 - бортовой сумматор (суммирующий планетарный ряд борта ТС; оппозитные выходные валы КПП; 6 - выходной вал сумматора (он же - выходной вал МПП);
на фиг. 2 - кинематическая схема примера суммирующего планетарного ряда в составе (2 шт.) КПП, вид сбоку или в плане, где номера позиций 3, 4, 6 соответствуют позициям на фиг. 1;
1
2
i
л
п
л
п
на фиг. 3 показана смешанная блочно-кинематическая схема МПП, пример на базе 20-режимной КПП «Конфигурация-20», условно развернутый вид в плане, где 0 (1) - входной вал МПП; 3 и 4 (D) - грузовые валы; А и В - промежуточные валы; x, x - выходные валы МПП; C - фрикционные муфты КПП при шестернях (i -номер муфты по принадлежности к конкретному валу и с порядковым номером в пределах вала); С и С - соответственно левая и правая дополнительные фрикционные муфты МПП; Т и Т - соответственно левый и правый тормоза управления МПП (управления поворотом ТС);
на фиг. 4 - кинематическая схема МПП, пример на базе 20-режимной КПП «Конфигурация-20», условно развернутый вид в плане, где все обозначения повторяют обозначения на фиг. 3;
на фиг. 5 - компоновка (конфигурация, вариант «крест») валов с шестернями и фрикционными муфтами, вид спереди или сзади, где все обозначения соответствуют обозначениям на фиг. 3, 4;
1
2
1
2
на фиг. 6 - компоновочная блок-схема трансмиссии на транспортном средстве при продольном расположении двигателя и поперечном расположении МПП, где Д - двигатель, МПП - механизм передач и поворота; К - коническая зубчатая передача между ними, БТ и БТ - блоки остановочных тормозов, БР1 и БР2 - бортовые редуктора, ВК и ВК - ведущие колеса по бортам транспортного средства;
1
2
1
2
на фиг. 7 - компоновочная блок-схема трансмиссии на транспортном средстве при поперечном расположении двигателя и МПП, где Д - двигатель, МПП - механизм передач и поворота; Г - цилиндрическая зубчатая передача («гитара») между ними, БТ и БТ - блоки остановочных тормозов, БР1 и БР2 - бортовые редуктора, ВК и ВК - ведущие колеса по бортам транспортного средства.
1
Трансмиссия наземного транспортного средства (ТС) на базе вальной коробки перемены передач (КПП) содержит (на примере упомянутой характерной авторской 20-режимной КПП «Конфигурация-20» [5]), по меньшей мере, однопоточную многорежимную вальную КПП с параллельными валами, включая входной 0 (1), два смежных с ним промежуточных А и В, грузовых С (3) и D (4) (см. фиг. 1, 3-5), выходной Х (см. фиг. 3, 4).
На валах установлены зубчатые колеса в их определенной взаимосвязи и дисковые фрикционные элементы управления при части зубчатых колес.
01
02
a1
а2
а3
01
02
в1
в2
в1
в2
c1
с2
a1
b1
а2
в2
а3
c1
с2
В приведенном примере реализации изобретения в качестве базовой КПП, напомним, использована известная КПП. Это, по сути, редукторная часть заявляемого МПП, которая соответствует редукторной части базовой КПП (для другой базовой КПП, например, авторской «Конфигурация-24», сохранена ее редукторная часть, и т.д.). Поэтому повторять подробное описание устройства и работы редукторной части КПП нецелесообразно, тем более это не составляет предмет изобретения, достаточно ссылки на прототип [5], аналог [6] и др. Краткое же описание следующее (см. фиг. 3): взаимосвязи шестерен очевидны на фиг. 2 и 3; на валу 0 (1) закреплены (см. слева направо) муфты с шестернями С, С; на валу А - муфты с шестернями C, С, С и две шестерни, связанные соответственно с С и С; на валу В - муфты с шестернями С, С и две шестерни, связанные соответственно также с С и С; на валу С (3) - муфты с шестернями C, С и четыре шестерни, связанные соответственно с C, C, С, С и С; на валу D (4) - две шестерни, связанные соответственно с C и С.
1
01
02
Предусмотрены первый (правый) суммирующий трехзвенный планетарный ряд (СПР), два входных звена которого связаны, соответственно, с грузовыми валами С (3) и D (4) (см. фиг. 1, 2), а третье звено - с выходным валом X, а также устройство поворота ТС с возможностью распределения мощности от двигателя со сцеплением, или его функциональным аналогом, по ведущим колесам через блоки остановочных тормозов Т, и Т и бортовые редукторы БР1 и БР2 (см. фиг. 6, 7).
КПП 2 и устройство поворота ТС конструктивно и функционально объединены в механизм передач и поворота (МПП). Грузовые валы С (3) и D (4) выведены на обе противоположные друг другу стороны КПП.
2
л
п
л
п
01
02
1
2
Дополнительно предусмотрен второй (левый) суммирующий трехзвенный планетарный ряд (СПР), идентичный первому (правому) и аналогично ему связанный с валами С (3) и D (4) и дополнительно предусмотренным вторым выходным валом Х. На выходах вала D дополнительно установлено по блоку фрикционного элемента С и С с тормозами Т и Т управления поворотом, с образованием на выходе МПП оппозитных, преимущественно симметричных, узлов перед блоками остановочных тормозов Т, и Т и бортовыми редукторами БP и БР (см. фиг. 1, 3, 4, 6, 7).
Дальнейшее описание устройства касается частных (то есть не обязательных, но рекомендуемых) конструктивных особенностей заявляемого МПП. При этом также решаются поставленные выше задачи, при усилении технического результата.
1
2
Выходные валы X, Х могут не являться смежными по отношению к входному валу 0 (1) (см. фиг. 5).
1
2
Эпицикл суммирующего планетарного ряда может быть связан с грузовым валом С, солнечная шестерня - с грузовым валом D, а водило - с соответствующим выходным валом X, Х (см. фиг. 2).
КПП может быть выполнена 20-режимной, соответственно с зубчатыми колесами и фрикционными элементами управления при части зубчатых колес в количестве, соответственно, 20 и 9 (и было в описании устройства на примере такой КПП).
МПП может быть установлен (см. фиг. 6) поперек транспортного средства, при этом при продольном расположении двигателя (Д) эти агрегаты связаны конической зубчатой передачей (К).
Как альтернатива предыдущей компоновки, МПП может быть установлен (см. фиг. 7) поперек ТС, при этом при поперечном расположении двигателя (Д) эти агрегаты связаны цилиндрической зубчатой передачей типа «гитара» (Г).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
МПП выполняет все основные функции трансмиссии гусеничной машины или колесной машины (с бортовым способом поворота) в прямолинейном движении, при повороте, при работе на неподвижной машине. Конкретно, заявляемое устройство работает следующим образом.
При прямолинейном движении мощность передается через СПР, работающего аналогично планетарному бортовому редуктору. Моменты на выходе СПР бортов одинаковые. Прямолинейное движение устойчиво, циркуляция мощности в трансмиссии отсутствует. Остановочные тормоза используются для снижения скорости транспортного средства вплоть до полной его остановки и удержания машины на месте.
Для поворота с радиусом больше свободного на суммирующий планетарный редуктор (СПР) бортов подается вращение от грузовых валов, на которых включены разные передачи (предпочтительно использование смежных передач: IV и V, V и VI и т.д.). Радиус поворота зависит от частного передаточных отношений используемых режимов работы. Поворот устойчив. Промежуточные радиусы поворота реализуются за счет буксования соответствующего элемента управления МПП.
Для поворота со свободным радиусом грузовые валы со стороны отстающего борта отключают от СПР. Радиус свободного поворота зависит от сопротивления качению движителя и является неустойчивым.
Для поворота с радиусом меньше свободного, на СПР бортов подается вращение от грузовых валов, на которых включены разные передачи (предпочтительно использование смежных передач: I и II, II и III и т.д.). Радиус поворота зависит от частного передаточных отношений используемых режимов работы. Поворот устойчив. Циркулирующая мощность от отстающего борта проходит через СПР, грузовой вал отстающего борта, далее - через промежуточные валы МПП и включенные элементы управления, на грузовой вал и СПР забегающего борта. Промежуточные радиусы поворота реализуются за счет буксования элемента управления МПП.
Для поворота вокруг остановленного борта, на забегающий борт подается вращение от грузового вала, работающего на режиме I или II передачи, СПР отстающего борта не связан с грузовыми валам, на отстающем борту включен остановочный тормоз. Увеличение радиуса поворота на этом режиме возможно за счет буксования остановочного тормоза.
Для поворота с нулевым радиусом в МПП должна быть предусмотрена пара передач с одинаковым по модулю и противоположным по знаку передаточным отношением (например, передача заднего хода и I передача). На СПР бортов подается вращение от грузовых валов, на которых включены эти передачи. Радиус поворота устойчив.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет:
- расширить компоновочные возможности КП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности всех валов в поперечном сечении КПП, сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и машины в целом (последний технический результат особенно важен с позиций совместного монтажа и, особенно, агрегатирования КПП с двигателем, т.е. использования моноблочной конструкции «МПП+Д»);
- не использовать коническую передачу (К) за счет поперечной установки двигателя (Д);
- снизить габариты и массу трансмиссии при обеспечении контроля над распределением силы тяги между бортами ТС;
- поворачивать ТС с нулевым радиусом;
- использовать в качестве органов управления движением как традиционные для гусеничных машин рычаги (по эргономическим соображениям), так и штурвал;
- адаптировать данное техническое решение к различным ТС.
Все это определяет улучшение ТЭХ или ТТХ ТС.
В дальнейшем развитии темы представляется целесообразным присвоение устройству названия «Конфигурация» (по аналогии с одноименной базовой КПП) обусловлена, во-первых, значимостью этого названия (привязкой к конструктивным особенностям), с перспективой дальнейшего продвижения на рынок, а во-вторых, различимостью (идентификацией) в линейке (спектре, семействе) запланированных конструктивных решений КПП и МПП на их базе.