КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
GEARBOX

Предложение относится к машиностроению и может быть использовано в автомобилестроении.
Коробка передач - устройство для изменения крутящего момента по величине и направлению.
Коробка скоростей - устройство для изменения скоростей вращения валов и является узлом коробки передач и при некоторых режимах может быть выключена из режима передачи мощности.
Цель изобретения - обеспечение автоматизации, повышение надежности и нагрузочной способности коробки передач. Уже известны устройства для изменения и плавного регулирования скорости приводных механизмов с использованием фрикционного вариатора и дифференциала. См. Л.I., а.с. 1597476 А.I, кл. F16Н 3/42.
Известна также передача со ступенчатыми шкивами и ременной передачей и вариаторы. См. Л.2, Мовнин М.С., Гольцикер Д.Г. Техническая механика, ч.III, Судпромгиз, Л., 1963, с. 111, рис.85, с.99, рис.75.
Их недостатки - малая нагрузочная способность и небольшой диапазон регулирования скоростей.
Известны зубчатые цепи, т.н. бесшумные. См. Л.2. с.211 рис.146. Такая цепь изображена на (фиг.1). Их использование позволяет создать передачи, легко поддающиеся автоматизации. См. Л.3. Готовцев А.А., Котенок И.П. Проектирование цепных передач. М.: Машиностроение, 1982, с.20-21. Для использования этих цепей в предлагаемом устройстве их следует доработать - заменить направляющие пластины на рабочие. Пример их использования: См. Л.4. Арутин 3. AWD спешит на помощь, Авторевю, 2009, №20, с.49. Но в этом примере цель используется только для одного отношения.
Разновидностью цепной передачи является клиноцепной вариатор, применяемый фирмами AUDI и SUBARU на серийных машинах. См. Л.5. Ветров Ю. Наследственность, Авторевю, 2009, №17, с.19. Его недостатки - проскальзывание цепи, что снижает КПД, сложность конструкции, потребность в особом сорте масла, сравнительно большие габариты и вес.
Предлагается изменить коробку скоростей и ввести устройства для связи двигателя с выходным валом дифференциала, обеспечивающие непосредственную связь двигателя с выходным валом и отключающие коробку скоростей в режиме прямой передачи.
В коробку скоростей предлагается ввести две цепи и два вала. Предлагается соединить зубчатыми цепями 1 и 2 (фиг.2) два ступенчатых вала 3 и 4, имеющих участки с зубьями 5, (фиг.3) и участки с гладкой цилиндрической формой 6, т.н. шейками. Причем оси валов параллельны и при перемещении цепи вдоль валов на одном валу число зубьев шестерен увеличивается, а на другом - уменьшается. Длина цепи остается постоянной, а передаточное отношение изменяется. При этом диаметры окружностей шеек соответствуют диаметрам окружностей впадин соседних зубьев, а переход между соседними шейками имеет конусообразные фаски. При этом впадины зубьев имеют плавный переход к шейкам, а зубья заострены. Цепи имеют длины несколько больше минимально необходимой - это позволяет легко и быстро переключать цепи. В рабочем режиме эту слабину выбирают натяжители (фиг.4). При необходимости перевода цепи с шеек на зубья или с зубьев на шейки электромагнит 27 ослабляет нажатие пружины 26 (фиг.4), что облегчает перемещение цепи. Рабочий режим обеспечивается нажатием пружины 26 и ролика 28 на ведомую ветвь 30 цепи. Для обеспечения эффективного торможения двигателем необходимо сохранять натяжение цепи роликом 28. Для этого служит запорная защелка 31.
Первичный вал 3 (фиг.2) имеет два комплекта зубьев и шеек, выполненных как единое целое с валом, а на вторичном валу 4 имеется комплект зубьев и шеек, одинаковых по размерам с комплектами зубьев и шеек на первичном валу и выполненных как единое целое с валом, а второй комплект с теми же размерами зубьев и шеек выполнен в виде отдельной детали - блок шестерен 9 (фиг.2) - вращается свободно на вторичном валу 4 и соединятся с валом при помощи сцепления 10 с электромагнитым приводом.
Каждый из валов снабжен датчиком угловых скоростей II (фиг.2); имеется блок электронного управления и в память электронного блока записаны значения угловых скоростей шестерен, соответствующих равенству окружных скоростей шестерен для каждой передачи, т.е. равенству скорости цепи.
Работа коробки передач
Ведущий вал 12 (фиг.5) получает вращение от двигателя и через шестерню 13, сателлиты 14 и большую шестерню 15 дифференциала передает вращение на выходной вал 16. Для изменения передаваемого крутящего момента по величине и направлению служит коробка скоростей 17. Через включенную блокировочную муфту 18 и связанную с ней шестерню 19 вращение передается на вал 3 коробки скоростей (фиг.2). От вала 3 вращение через цепи 1 или 2 передается на вал 4 и через сумматор скоростей 29, муфту 20 и шестерню 21 (фиг.5) и затем на большую шестерню 15 и через сателлиты 14 на выходной вал 16. Скорость вращения вала 16 зависит от скорости вращения вала 12 и связанной с ним шестерни 13 и скорости вращения шестерни 15. Эти соотношения показаны в таблице (фиг.6). Для изменения скорости вращения шестерни 15 служит коробка скоростей. Применение дифференциала в коробке передач в два раза увеличивает передаточные числа коробки скоростей, что позволяет иметь отношения диаметров соседних шестерен в пределах 10-12%, что облегчает переключение цепей.
1
2
3
В таблице (фиг.6) число оборотов ведущего вала 12 обозначено n и принято, условно постоянным и обозначено в относительных единицах как +1,0. Число оборотов большой шестерни 15 как n и число оборотов вала 16 как n. При этом знак (+) обозначает прямой ход, а знак (-) задний ход.
2
Если n=+1,0, т.е. большая шестерня 15 жестко связана с ведущим валом 12, то получим режим прямой передачи.
2
1
1
2
3
При n=nn/2 можно затормозить вал 16 - передачи мощности нет. При n=0, получим n=-1,0, т.е. передача работает в режиме заднего хода с полным числом оборотов.
На графике (фиг.7) показаны разные промежуточные соотношения от заднего хода до ускоряющей передачи. В качестве примера рассмотрим переход на более высокую передачу.
На фиг.2 видно, что чем выше передача, то тем больше угловая скорость вторичного вала 4 по отношению к угловой скорости вала 3.
В рабочем режиме работают обе цепи 1 и 2 (фиг.2). Цепь 2 обеспечивает легкое переключение цепи 1. В момент переключения передачи натяжитель цепи 1 ослабляет натяжение и это позволяет переключить цепь 1 на соседние шейки. В этот момент нагрузку несет цепь 2. После переключения цепи 1 на шейки выключается сцепление 10 и включается натяжитель цепи 1. Цепь 1 работает режиме трения (пробуксовки). Блок шестерен 9 отключен сцеплением 10 от вала 4 и получает вращение от цепи 2, которая получает движение за счет трения с шейкой вала 3. В этот момент электронный блок так регулирует обороты двигателя, чтобы обеспечить заданное отношение скоростей валов 3 и 4 для выбранной передачи. Если с помощью дроссельной заслонки не удается достичь заданных значений, то подключаются электродвигатель 25 и сумматор 29. Как только отношение скоростей валов 3 и 4 войдут в заданный диапазон, можно отключить электродвигатель 25 и сумматор 29, ослабить натяжение натяжителя цепи 2 и перевести цепь 2 на соответствующие шестерни и одновременно включить сцепление 10. Сцепление смягчит толчок, если отношение скоростей валов 3 и 4 отличаются от расчетного. Цепь 2 принимает нагрузку и обеспечивает легкое переключение цепи 1 с шеек на соответствующие шестерни валов 3 и 4. После этого включается натяжитель цепи 1 и обе цепи работают совместно. На этом заканчивается переключение передачи.
Электродвигатель 25 и сумматор 29 выключаются в момент включения цепи 1 и в рабочем режиме обеспечивают скорость частей вала 4 в отношении 1:1.
В случае остановки автомобиля электродвигатель 25 и сумматор 29 (фиг.2) работают совместно для возвращения цепи в положение «первая передача» из положения, в котором находятся цепи на момент остановки. Для этого натяжители ослабляют натяжение, а электродвигатель переходит в режим движения «взад-вперед» около какого-то произвольного положения с амплитудой, обеспечивающей движение цепей на 1-2 зуба. Вилки 7 и 8 (фиг.2) направляют цепи в нужном направлении и как только зубья цепей совпадут с впадинами зубьев шестерен, цепи будут передвинуты до положения «первая передача».
Также при помощи электродвигателя происходит переключение цепей на положение заднего хода из положения «первая передача» и обратно после остановки автомобиля.
Если сцепление 24 (фиг.5) автоматизировано, то для начала движения достаточно выбрать направление движения «вперед» или «назад» и увеличить обороты двигателя. Начало движения возможно из положения «первая передача» или «задний ход», муфта 23 (фиг.5) служит для длительного разъединения двигателя и коробки передач.
Назначение электронного блока - прием сигналов от датчиков угловых скоростей, датчиков положения натяжителей и вилок переключения скоростей и сцеплений, анализ этих сигналов и выдачу управляющих сигналов на приводы сцеплений, натяжителей, вилки переключения цепей, электродвигателя и сумматора, дроссельную заслонку двигателя, а также выработка блокирующих сигналов, чтобы исключить нештатные ситуации. Положением сцепления 24 и муфты 23 управляет водитель, а также положением дросселя, а переключением передач управляет электроника.
Для устранения пробуксовки, чтобы было легко перевести цепь на шестерни, необходимо выровнять окружные скорости шеек и линейную скорость цепи. Значения необходимых угловых скоростей валов занесены в память электронного блока. Например, при переходе на более высокую передачу необходимо уменьшить скорость вала 3 и увеличить скорость вала 4. Это достигается снижением оборотов двигателя. Вал 3 непосредственно связан с двигателем, а вал 4 - через дифференциал. При постоянной скорости вала 16 (фиг.5) за счет инерции снижение оборотов вала 3 приводит к увеличению оборотов вала 4. Однако если заданную скорость не удалось достичь работой дросселя, то электронный блок включает в работу электродвигатель 25 и сумматор скоростей 29 (фиг.2). Сумматор 29 включен в разрез вала 4 и уточняет скорость и направление его вращения.
Момент инерции вала 4 существенно меньше момента инерции двигателя автомобиля, а нагрузка вала 4 - сопротивление трения между валом 4 и цепью. Причем, чем ближе скорость к заданной, тем меньше сопротивление трения. Поэтому мощность электродвигателя 25 может быть в десятки раз меньше мощности основного двигателя. Это позволяет ускорить и уточнить подгонку скорости вала 4.
Электродвигатель 25 и сумматор 29 выключаются в момент включения цепи 1 и в рабочем режиме обеспечивает скорость частей вала 4 в отношении 1:1.
При положении цепей, при котором угловые скорости большой шестерни 15 (фиг.5) и ведущего вала 12 равны, что фиксируют датчики на валах, можно отключить муфту 18 и одновременно включить муфту 22. При этом коробка передач включается в режим прямой передачи. Коробку скоростей можно отключить муфтой 20. Это позволит уменьшить механические потери. Для обратного включения коробки скоростей муфту 18 или муфту 20 необходимо снабдить синхронизатором.
Муфта 23 и сцепление 24 соединяют двигатель и коробку передач.
Для дальнейшего описания работы рассмотрим график (фиг.7). Рассмотрим два крайних режима работы коробки передач - задний ход и ускоряющая передача. Для обеспечения заднего хода передаточное отношение между ведущим валом 12 (фиг.5) и ведомым валом 16 должно быть в отношении 1:-0,25. Знак (-) показывает, что направления вращения разные, а величина передаточного отношения равна 4, что близко к отношению передач заднего хода в большинстве коробок передач.
1
1
Это отношение будет выполнено, если скорость вращения шестерни 15 дифференциала будет равна 0,375 n (фиг.7), где n скорость вращения ведущего вала 12.
1
Для получения ускоряющей передачи скорости вращения валов ведущего 12 и ведомого 16 должны находиться, обычно, в отношении 1:1,3, т.е. вал 16 должен вращаться быстрее вала 12 и в ту же сторону. Для этого скорость вращения шестерни 15 должна быть 1,15 n (фиг.7).
1
1
Изменение скорости вращения шестерни 15 в пределах от 0,375 n до 1,15 n должна обеспечить коробка скоростей. Диапазон отношений должен быть 1,15/0,375=3,07.
Поскольку шестерни имеют целые числа зубьев, то получить точное отношение не всегда удается. Например, при отношении диаметров крайних шестерен на валах 1:1,8 и 1,8:1 получаем передаточное число 3,24. В этом диапазоне можно разместить 6÷7 передач, включая ускоряющую и задний ход.
Коробка передач предполагается для работы в автоматическом режиме, но может быть использована в режиме ручного управления. Время переключения значительно увеличивается и усложняется работа водителя.
Ручное управление предусмотрено только для рабочей цепи. Для этого необходимо снабдить вилки переключения и натяжитель рабочей цепи ручным управлением от одного рычага. На первом этапе переключения необходимо снять нагрузку с рабочей цепи. Это позволяет сделать сцепление 24 (фиг.5). После этого можно перевести цепь на шейки валов. Далее включают натяжитель в режим синхронизатора и добиваются синхронизации. Это потребует определенного навыка. Желательно, чтобы момент возможного переключения на шестерни подавался звуковым сигналом.
Достоинства передачи
Число передач ограничено длиной валов и может быть 6÷7 и более.
Зубчатая цепь обеспечивает передачу значительно большей мощности и более надежна, чем фрикционная передача.
Алгоритм работы при переключении передач одинаковый для всех отношений - коробку передач сравнительно просто автоматизировать.
Коробка передач сравнительно простая и не возникает каких-либо особых требований при изготовлении и эксплуатации.
Большая часть мощности двигателя передается в коробке передач от ведущего вала через сателлиты дифференциала на выходной вал, минуя коробку скоростей. Это способствует безразрывной передаче мощности при переключениях коробки скоростей.
Наличие двух цепей обеспечивает безразрывную передачу мощности в коробке скоростей и обеспечивает мягкое переключение.
Применение дифференциала позволяет значительно снизить мощность, передаваемую через коробку скоростей.
По сравнению с клиноцепной передачей - более высокий КПД, шире диапазон отношений, меньшие габариты при одинаковой передаваемой мощности, меньшая стоимость и вес. Допускает переход на ручное управление. Соотношения между шейками и шестернями обеспечивают легкое переключение передач.
Зубчатые цепи имеют длины более минимально необходимых и это обеспечивает легкое переключение цепей.
Натяжители имеют управление и это обеспечивает возможность уменьшения нагрузок на цепи при переключениях. Наличие шеек на валах и возможность дополнительного натяжения цепей натяжителями обеспечивает возможность работы цепи в режиме синхронизации.
На валах коробки скоростей между впадинами зубьев шестерен и шейками имеются плавные переходы, что облегчает переключение цепей.
Наличие сцепления в коробке скоростей, имеющего режим работы с пробуксовкой, позволяет ускорить достижение нужных окружных скоростей шестерен при работе в автоматическом режиме.
Перечень фигур
Фиг.1 Зубчатая цепь
Фиг.2 Схема коробки скоростей
Фиг.3 Ступенчатый вал
Фиг.4 Натяжитель
Фиг.5 Схема коробки передач
Фиг.6 Таблица зависимостей скоростей валов
Фиг.7 График зависимости скорости ведомого вала коробки передач