КОМПАКТНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ БЕЗ РАЗРЫВА ПОТОКА МОЩНОСТИ
COMPACT MECHANICAL MULTI-STAGE GEARBOX TO TRANSFER ARBITRARY TORQUES WITHOUT BREAK OF POWER FLOW

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области транспортного машиностроения, к трансмиссиям транспортных средств, а точнее - к коробкам передач, предназначенным для многоступенчатой передачи вращающего момента от двигателя к ведущим колесам транспортного средства и может быть использовано также в других областях техники.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно конструктивное решение коробки передач с двойным сцеплением (патент DE923402C, 1940 год), позволяющее проводить переключение без разрыва потока мощности. Современные коробки передач с двойным сцеплением DCT (Double Clutch Transmission), больше всего известны под именем самого распространенного варианта DSG (Direct Shift Gearbox или Direktschaltgetriebe), но существуют и другие аналогичные по своей сути конструкции: Powershift, Speedshift DCT, ТСТ (Twin Clutch Transmission), EDC (Efficient Dual Clutch).
Совершенствованию этой схемы посвящено множество патентов, например SU 1299842 (1984), DE 4122628 A1 (1991), WO 2003083325 A1 (2003), US 20080188342 (2007), RU 2383800 (2008), RU 2436001 (2010), RU 2437011 (2010), RU 2439396 (2010), RU 2442919 (2010)
Все они используют главное достоинство этой схемы (отсутствие разрыва потока мощности при переключении), но не избавлены от очевидных недостатков: сложная трех или четырехвальная схема, необходимость в постоянной смене зацеплений муфт синхронизаторов с шестернями при переключении передач, необходимость предугадывания следующей включаемой передачи, принципиальная невозможность переключения без разрыва потока мощности через одну передачу и относительно большое количество времени при переключении на передачу, которая не стоит в зацеплении и наличие двух полноценных многодисковых муфт сцепления, каждая из которых рассчитана на передачу с помощью фрикционного соединения максимального крутящего момента, который может создавать двигатель. Большие размеры сцеплений напрямую сказываются на габаритных размерах коробки передач, а сложность конструкции - с ее стоимостью и надежностью.
В патенте RU 2158860 (1998) сделана попытка упростить конструкцию, отказавшись от синхронизаторов. Каждая передача включается своим гидроприводом и своим многодисковым сцеплением. При этом исчезает необходимость предугадывать следующую включаемую передачу. Недостатком такого решения является то, что многодисковое сцепление имеет большие размеры и несколько таких элементов существенно увеличивают габаритные размеры коробки передач. Особенно это важно для больших крутящих моментов, характерных для современных автомобильных двигателей. Чтобы муфта сцепления могла передать большой момент, в конструкцию вводится дополнительная прижимающая втулка с косозубыми шлицами, что усложняет конструкцию, снижая положительный эффект от отсутствия синхронизаторов.
Компоновка коробки передач достаточно сложна, и в патенте RU 2287439 (2004) предложено скомпоновать все пары зубчатых колес в отдельный блок со своим корпусом, способным перемещаться вдоль вала для соединения с выбранной парой колес. Недостатком предложенного решения является существенное увеличение габаритных размеров коробки передач, в которой должно быть предусмотрено место для всего блока шестерен, перемещающегося от одного крайнего положения к другому. Увеличенный размер корпуса коробки, наличие дополнительного корпуса для блока шестерен приведут к росту массы конструкции. Другой недостаток - то, что при каждом переключении передач эта схема требует перемещать значительные массы - весь блок шестерен вместе с корпусом этого блока. Это усложняет привод и снижает ресурс коробки переключения передач.
Известна коробка передач транспортного средства (патент РФ №2472995, 2011 год), не содержащая синхронизаторов и муфт включения. Переключение передач осуществляется включением соответствующих муфт сцепления. Недостатком этого варианта конструкции является то, что такая конструкция использует как минимум 4 муфты сцепления. Пятиступенчатая коробка передач, выполненная по названной схеме, требует шести муфт сцепления. Каждая из муфт должна быть способна передавать полный крутящий момент. Для шестиступенчатой коробки передач требуется использование дополнительного промежуточного вала.
Большое количество муфт сцепления с приводом к каждой из них существенно увеличивает габаритные размеры конструкции. В настоящее время многодисковое сцепление автомобиля может включать 10-12 дисков. Размер одного многодискового сцепления сравним с размером блока шестерен коробки передач. Такая схема не гарантирует упрощения конструкции и уменьшения материалоемкости и повышения компактности коробки передач.
Вместе с тем, в этом техническом решении присутствуют следующие особенности:
1. Муфты включения передачи, вилки, синхронизаторы отсутствуют.
2. Все пары зубчатых колес находятся в постоянном зацеплении.
3. Переключение передач осуществляется за счет оригинального использования муфт сцепления.
Поэтому примем это техническое решение за прототип, так как оно обладает максимальной совокупностью общих с предлагаемым изобретением существенных признаков.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать более эффективную коробку передач компактного размера с непрерывной передачей крутящего момента от двигателя к ведущим колесам, избежать ограничений на величину передаваемого крутящего момента, упростить управление, исключив необходимость предсказания следующей передачи, сократить время переключения передач при произвольном выборе последовательности включения передач и упростить конструкцию, увеличив надежность и экономичность работы коробки передач.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
СОВОКУПНОСТЬ СУЩЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ.
Предлагаемое в изобретении решение указанной выше задачи, достижение поставленной цели и требуемого технического результата обеспечивается простотой двухвальной схемы, надежностью постоянного зацепления всех пар зубчатых колес и конструкцией комбинированной муфты включения передач при рациональной компоновке элементов коробки передач.
Предлагается механическая многоступенчатая коробка передач, отличающаяся сочетанием рядной компоновки блока зубчатых колес и барабанной конструкции встроенной в выходной вал многоступенчатой муфты включения каждой передачи, которая допускает плавное соединение, передачу произвольных крутящих моментов без разрыва потока мощности и включение передач в произвольном порядке.
Термин "произвольный крутящий момент" означает момент любой величины, которую может передать двигатель на входной вал коробки передач с использованием известных типов соединений, например шлицевых или шпоночных.
Кулачковый механизм, являющийся второй дополнительной ступенью муфты включения передач, в общем случае способен передавать такие же крутящие моменты, как шлицевые или шпоночные соединения.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ.
Предложенная конструкция механической многоступенчатой коробки передач, обеспечивает:
- Передачу крутящих моментов без разрыва потока мощности во время переключения за счет возможности проводить независимое выключение одной передачи и включение другой.
- Плавное соединение при включении передачи за счет работы фрикционного элемента комбинированной муфты.
- Передачу произвольных крутящих моментов за счет дополнительного механического зацепления в комбинированной муфте. Возможность использования одной и той же коробки передач с двигателями разной мощности.
- Компактность конструкции за счет рядной компоновки блока шестерен и размещения элементов муфты внутри блока шестерен в отверстиях выходного вала, а привода - внутри выходного вала.
- Упрощение конструкции за счет замены одной муфтой трех элементов трансмиссии: муфт сцепления, муфт включения передач и синхронизаторов.
- Надежность и неприхотливость конструкции, использование обычного масла для механических коробок передач с зубчатыми колесами. Конструкция не использует ни гидротрансформатора, ни элементов вариатора, которые предъявляют жесткие требования к эксплуатационным жидкостям и температурному режиму эксплуатации.
- Использование любого из известных вариантов привода - механического, гидравлического или электрического, а также - комбинированного.
- Отсутствие необходимости предсказания следующей передачи. А при выборе соответствующего привода - включение передач в произвольном порядке.
Более простая схема коробки передач позволяет увеличить количество ступеней и снизить требования к двигателю.
Предложенная схема коробки передач определяет меньшие размеры, вес, более простой привод, меньшую цену.
Эта конструкция без изменений может использоваться как при ручном механизме переключения передач, так и в роботизированных коробках.
Использование радиальной (барабанной) схемы прижима позволяет максимально эффективно использовать фрикционные свойства для передачи крутящего момента.
Двухвальная схема коробки передач и рядная компоновка блока шестерен определяет возможность использования корпуса с одной плоскостью разъема, обеспечивающего легкость и удобство сборки и обслуживания коробки передач.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется схемами. На схемах приняты следующие обозначения:
1 - Ведущий (входной) вал.
2 - Ведомый (выходной) вал.
3 - Привод.
4 - Промежуточная шестерня задней передачи.
5 - Кулачок муфты включения передачи.
6 - Фрикционные колодки муфты включения передачи.
7 - Ведомая шестерня.
Сечение А-А иллюстрирует сечение ведомой шестерни и ведомого вала с элементами муфты включения передачи, проходящее через колодки фрикционной муфты.
Сечение В-В иллюстрирует сечение ведомой шестерни и ведомого вала с элементами муфты включения передачи, проходящее через кулачки муфты включения передачи.
На фиг. 1 изображена общая компоновочная схема многоступенчатой коробки передач.
На фиг. 2 изображена функциональная схема работы коробки передач при работе в режиме нейтральной передачи (механизм включения передач и привод включения передач показаны упрощенно).
На фиг. 3 изображена функциональная схема работы коробки передач при включении первой передачи (механизм включения передач и привод включения передач показаны упрощенно).
На фиг. 4 изображена функциональная схема работы коробки передач при выключении первой передачи и включении второй передачи (механизм включения передач и привод включения передач показаны упрощенно).
На фиг. 5 изображена типовая схема комбинированной муфты включения передач и проиллюстрированы сечения, использованные на фиг. 6-9.
На фиг. 6 изображена функциональная схема муфты включения передачи в выключенном состоянии.
На фиг. 7 изображена функциональная схема начальной фазы включения муфты включения передачи.
На фиг. 8 изображена функциональная схема работы муфты включения передачи во включенном состоянии при штатном режиме работы.
На фиг. 9 изображена функциональная схема работы муфты включения передачи во включенном состоянии при передаче повышенного крутящего момента.
На фиг. 10 изображена условная схема несинхронного раздвигания фрикционных колодок и кулачков с помощью одного привода.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
В механической многоступенчатой коробке передач, содержащей корпус, ведущий вал с жестко посаженным на него блоком ведущих зубчатых колес, ведомый вал, блок ведомых зубчатых колес, находящихся в постоянном зацеплении с ведущими зубчатыми колесами, выполненный с возможностью свободного вращения вокруг ведомого вала, используется многоступенчатая муфта включения передач, которая допускает плавное соединение, передачу произвольных крутящих моментов без разрыва потока мощности и включение передач в произвольном порядке. Эта комбинированная муфта включения может содержать для каждой передачи два или несколько блоков (элементов конструкции), предназначенных для передачи крутящего момента, которые могут иметь различную конструкцию и различный механизм передачи крутящего момента и могут включаться в работу не одновременно, (в простейшем случае - последовательно, один за другим), что позволяет использовать их различную способность к передаче крутящего момента и проскальзыванию без разрушения.
Такая муфта может быть встроена в выходной вал.
В рассматриваемом примере муфта включения использует для каждой передачи два механизма передачи крутящего момента - фрикционный и кулачковый.
Все фрикционные колодки и кулачки устанавливаются в упругих креплениях, что позволяет демпфировать возможные ударные нагрузки.
На фиг. 5 показана общая схема размещения элементов муфты включения передач, встроенной в выходной вал 2 и использующей для передачи крутящего момента как фрикционные колодки 6, так и кулачки 5.
Такая муфта заменяет в трансмиссии три типа элементов: все муфты сцепления, все муфты включения передач и все синхронизаторы.
По изобретению работа коробки передач осуществляется следующим образом.
Ведущий вал 1 (см. фиг. 1) постоянно соединен с двигателем. Зубчатые колеса ведущего вала всегда жестко соединены с ведущим валом. Все пары шестерен зубчатых передач находятся в постоянном зацеплении. Поэтому вращение двигателя всегда передается на ведущий вал и на все шестерни.
Шестерни всех передач ведущего (входного) вала 1 вращаются с одинаковой угловой скоростью равной скорости входного вала.
Шестерни всех передач ведомого (выходного) вала 2 свободно вращаются - каждая со своей угловой скоростью, определяемой зацеплением с парной ведущей шестерней.
В выходной вал встроены элементы муфты включения передач.
В углублениях (или отверстиях) выходного вала напротив ведомой шестерни каждой передачи расположены фрикционные колодки и кулачки, которые могут раздвигаться под воздействием привода.
На фиг. 2 проиллюстрировано выключенное состояние муфты включения передач.
Фиг. 3 и фиг. 4 иллюстрируют последовательное включение двух соседних передач.
На фиг. 2 и фиг. 6 показано начальное (нейтральное) состояние муфты включения. Фрикционные колодки 6 и кулачки 5 утоплены в соответствующие отверстия выходного вала 2. Ведомая шестерня 7 и ведомый вал 2 разъединены. Крутящий момент не передается на ведомый вал. Передача выключена. Это аналог нейтральной передачи.
На фиг. 7 показана начальная стадия включения передачи. Привод начинает раздвигать колодки и кулачки.
Привод раздвигает фрикционные колодки и кулачки вала напротив шестерни нужной передачи.
Фрикционные колодки раздвигаются раньше, чем кулачки. Колодки 6 выходят из углублений вала и прижимаются к внутренней поверхности шестерни и соединяют вал и шестерню соответствующей передачи. Созданное фрикционное соединение выравнивает скорости вращения шестерни 7 и ведомого вала 2. Кулачки 5 не достигают поверхности шестерни и не участвуют в процессе передачи крутящего момента. Выбранная передача включена.
Выходной вал вращается с угловой скоростью шестерни выбранной передачи. На фиг. 4 и фиг. 8 показана следующая стадия включения передачи.
Привод завершает процесс раздвигания колодок и кулачков. Фрикционные колодки 6 прижаты к внутренней поверхности шестерни 7 с максимальным усилием. Фрикционная передача передает крутящий момент. Скорости вращения ведомой шестерни 7 и ведомого вала 2 одинаковы. Передача включена.
Завершается процесс раздвигания кулачков и они упираются во внутреннюю поверхность шестерни. Кулачки 5 касаются внутренней поверхности шестерни только после полного прижатия фрикционных колодок, т.е. после полного включения в работу фрикционной передачи крутящего момента. Кулачки прижимаются приводом к внутренней поверхности шестерни 7 в произвольном месте кольцевой зоны. В общем случае они не входят в зацепление с соответствующими выступами на внутренней поверхности шестерни и не участвуют в передаче крутящего момента.
На фиг. 9 показано состояние элементов муфты включения когда передача работает при повышенной нагрузке.
Передаваемый на вход коробки передач крутящий момент превышает момент, который способно передавать фрикционное соединение без проскальзывания. Происходит проворачивание шестерни 7 относительно выходного вала 2 до положения, когда кулачки 5 утапливаются в соответствующие гнезда на внутренней поверхности шестерни 7, создавая необходимое механическое соединение. Полученное надежное силовое замыкание передает необходимый крутящий момент. Взаимное проскальзывание шестерни и вала прекращается.
Выключение передачи производится в обратном порядке. Сначала выводятся из зацепления кулачки.
При этом фрикционная передача остается полностью включенной.
Только после полного утапливания кулачков в их гнезда в выходном валу рассоединяется фрикционное соединение.
Использование одного и того же привода для последовательного раздвигания колодок и кулачков представлено на фиг. 10.
Показанная конструктивная схема является лишь иллюстрацией технической возможности и простоты решения и не является существенным признаком и не должна рассматриваться в качестве решения, защищаемого предлагаемым изобретением. Для реализации настоящего изобретения может использоваться любой привод и любой механизм передачи управляющего воздействия на устройство передачи крутящего момента. Существенным признаком является то, что элементы, передающие крутящий момент, вводятся в действие не одновременно.
Привод муфты включения может быть выполнен с применением любой известной в настоящий момент технологии, например он может быть механическим, гидравлическим, электромагнитным или комбинированным.
Предлагаемая конструкция коробки передач позволяет гибко использовать различия в передаче крутящего момента при работе разных передач. Максимальные моменты, которые передаются низшими и высшими передачами сильно отличаются. Для шестерен большего диаметра можно увеличивать радиус внутренней поверхности шестерни. Благодаря рядной компоновке это не увеличит сложность сборки конструкции. Достаточно применить выходной вал переменного диаметра. При этом возникает возможность увеличения передаваемого крутящего момента, как за счет увеличения плеча, так и за счет увеличения количества фрикционных колодок. Это важно для шестерен низших передач, которые передают максимальный крутящий момент. Для шестерен высших передач, которые передают небольшие моменты, возможно упрощение конструкции за счет отказа от кулачков и передачи всего крутящего момента только фрикционными колодками.