18-скоростная механическая вальная коробка передач, преимущественно для трактора
18-SPEED MECHANICAL SHIFT TRANSMISSION, MAINLY FOR A TRACTOR

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, конкретно к механическим вальным коробкам передач с несколькими промежуточными параллельными валами и зубчатыми колесами для транспортных средств, главным образом, семейства колесных тракторов тягового класса 4 и 6–8. Область применения, в расширенном представлении: колесные тракторы 4х4 общего назначения, транспортно-технологические машины с др. колесной формулой, гусеничные тракторы (сельскохозяйственные, трелевочные, общего назначения), строительно-дорожные машины.
На отечественных и зарубежных колесных тракторах (в основном сочлененных) широкое применение нашли вальные коробки передач (КП) механического типа с несколькими промежуточными параллельными или параллельно-последовательными валами, на которых установлены шестерни (зубчатые колеса) и фрикционные и/или зубчатые муфты (в качестве элементов управления посредством гидросистемы управления), причем они, как правило, автоматизированы или адаптированы к автоматизации [Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1986.– 126 с., ил. – С. 5-8, рис. 1.1, 1.2 ;  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].
При всех своих положительных свойствах и востребованности в прошлом, настоящем и будущем автотракторостроения технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) таких КП уже не удовлетворяют современным запросам потребителей (требованиям заказчика) и уровню развития трансмиссий тяговых транспортных средств, к каковым относятся трактора. Это касается, в частности, обеспечения безразрывности включения/переключения передач, решения компоновочных проблем.
Расширяется практика применения гидроподжимных дисковых фрикционных элементов управления (муфт переключения передач) [RU 2167772, МПК B60K17/00, B60K 17/08, 27.05.2001], существенно повышающих плавность переключения и являющихся инструментом реализации принципа безразрывности переключения передач в КП, несмотря на такой недостаток, как несколько большие габариты, стоимость, повышенные требования к условиям работы.
Решая проблемы перегрева фрикционных муфт, удобства оперативного доступа к ним, сокращения длины и повышения жесткости валов, в ряде конструкций КП (погрузчик канадской фирмы «Брей»; челябинское ООО «Инженерный центр») используют муфты выносного типа, располагая их вне картера КП в индивидуальных облегченных корпусах-кожухах фланцевого типа [Шувалов Е.А. Повышение работоспособности …. – С. 8, рис. 1.2;  RU 44283 U1, B60K 17/02, 10.03.2005].
Известны КП, где зубчатые муфты полностью заменены фрикционными, например в коробке передач Non Stop, устанавливаемой на тракторы фирмы John Deere серии 8000 [ AGRARTECHNIK, Jan. 1999 ; RU 2167772 C1, B60K 17/00, B60K 17/08, 27.05.2001, фиг. 3 ].
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является  16-скоростная механическая вальная коробка передач трактора К-701, содержащая  параллельно установленные в картере валы, включая ведущий 0, промежуточные и грузовой X, с установленными на них зубчатыми колесами и гидроподжимными фрикционными муфтами выборочного включения шестерен в работу, и реверсирующее устройство с муфтой, обеспечивающее гамму передач заднего хода в количестве 50% количества передач переднего хода  [Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1986. – 126 с., ил. – С. 1-10, 14, рис. 1.3, 1.4, 1.10].
В ней два промежуточных вала, часть элементов управления КП, а именно предназначенные для переключения режимов (в том числе все режимы прямого хода), представляют собой зубчатые муфты. Фрикционные же муфты (4 штуки) предназначены только для включения передач в пределах каждого из четырех диапазонов прямого хода и одного диапазона заднего хода. При этом все 4 фрикционные муфты Ф4, Ф3, Ф2 и Ф1 установлены на ведущем валу  последовательно, внутри картера КП, а входной и два промежуточных вала трехопорны (установлены каждый на трех подшипниках в картере КП).
Устройству-прототипу свойственны следующие недостатки:
во-первых, бездиапазонное безразрывное включение лишь 4 (четырех) передач в пределах прямого и заднего ходов, при разделении всей гаммы передаточных чисел на 4 (четыре) диапазона, включаемых зубчатыми муфтами, соответственно с разрывом потока мощности и худшей адаптированностью устройства КП к ее полной автоматизации;
во-вторых, ограниченность числа передач прямого хода 16 (шестнадцатью) передачами, что минимально по современным требованиям к машинам такого класса как универсальные трактора тяговых классов 4 и 6-8;
в-третьих, расположение всех фрикционных муфт внутри картера КП, что обусловливает нетехнологичность (труднодоступность в обслуживании и ремонте) и неблагоприятные температурные режимы функционирования,
в-четвертых, весьма большой осевой габарит КП;
в-пятых, весьма длинные валы, что вызывает уменьшение их изгибной жесткости и введение третьих подшипниковых опор в картере;
в-шестых, осевая асимметрия абриса КП;
в-седьмых, относительная сложность конструкции и технологии изготовления картера (литейное производство).
Все перечисленные недостатки в отдельности и тем более в совокупности обусловливают недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики и возможности КП-прототипа.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных характеристик и компоновочных возможностей, за счет:
- бездиапазонного безразрывного включения всех передач как в пределах прямого, так и в пределах заднего ходов, что в полной мере отвечает современным требованиям как максимальной плавности включения/переключения передач, так и адаптации элементов управления к автоматизации переключения передач в КП, что особенно важно в беспилотной опции трактора;
- увеличения числа передач прямого хода с 16 до 18;
- широкого использования (50%) фрикционных муфт выносного типа, позволяющих улучшить тепловой режим и ремонтопригодность;
- существенного снижения осевого габарита КП;
- существенного снижения длины валов, увеличения их изгибной жесткости и исключения третьих подшипниковых их опор;
- упрощения КП за счет осевой симметрии ее абриса;
- повышения технологичности картера исключением необходимости в его изготовлении литьем.
Решение поставленной проблемы достигается тем, что  в 18-скоростной механической вальной коробке передач, преимущественно для трактора,  содержащей  параллельно установленные в картере валы, включая ведущий 0, промежуточные и грузовой X, с установленными на них шестернями и гидроподжимными фрикционными муфтами выборочного включения шестерен в работу, и реверсирующее устройство с муфтой, обеспечивающее гамму передач заднего хода в количестве 50% количества передач переднего хода,  согласно заявляемому изобретению,  предусмотрено 3 (три) промежуточных вала – A, B и C, 19 (девятнадцать) шестерен – с Z1 по Z19 включительно, и минимум 8 (восемь) фрикционных муфт – с Ф1 по Ф8 включительно, с возможностью получения 18 (восемнадцать) передач переднего хода без диапазонов и 9 (девять) передач заднего хода путем включения по три фрикционные муфты в соответствующих сочетаниях их номеров,  при этом:  на ведущем валу 0 установлены последовательно фрикционная муфта Ф1 при паре шестерен Z1 и Z4, фрикционная муфта Ф2 при паре шестерен Z2 и Z5, фрикционная муфта Ф3 при паре шестерен Z3 и Z6, а шестерни Z1, Z2, Z3 установлены на валу 0 посредством подшипников,  на промежуточном валу А установлена фрикционная муфта Ф5 при последовательно сцепленных шестернях Z8, Z11 и Z19, шестерня Z8 установлена на валу А посредством подшипника, а шестерни Z4, Z7, Z5, Z6, Z9 – непосредственно на валу A,  на промежуточном валу B установлены последовательно фрикционная муфта Ф4 при паре шестерен Z10 и Z7, фрикционная муфта Ф6 при паре шестерен Z12 и Z9, шестерни Z10 и Z12 установлены на валу В посредством подшипников, а шестерни Z13, Z11, Z14 – непосредственно на валу B,  на грузовом валу X установлены последовательно фрикционная муфта Ф7 при паре шестерен Z15 и Z13, фрикционная муфта Ф8 при паре шестерен Z16 и Z14, шестерни Z15 и Z16 установлены на валу X посредством подшипников, а шестерня Z17 – непосредственно на валу X,  на промежуточном валу С установлена упомянутая муфта реверсирующего устройства при паре шестерен Z19 и Z11, с возможностью подключения к валу C пары шестерен Z18 и Z17, шестерня Z18 установлена на валу C посредством подшипника, а шестерня Z19 – непосредственно на валу С.
Решение поставленной проблемы достигается также за счёт дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- грузовой вал X может быть расположен между промежуточными валами B и C  (это повышает компактность КП и трансмиссии в целом за счет распределения пар шестерен в пространствах между грузовым валом X и смежными с ним валами B и C, а также сближении осей входного 0 и грузового X валов);
- реверсирующее устройство может включать в себя зубчатую муфту, установленную на промежуточном валу C  (это, как частный случай заявляемого устройства, позволяет далее не усложнять конструкцию дополнительно, для группы машин с редким включением заднего хода, тем более с ручным управлением КП);
- реверсирующее устройство может включать в себя гидроподжимную фрикционную муфту Ф9, установленную на промежуточном валу C  (это, как другой частный случай заявляемого устройства, позволяет реализовать единый принцип управления для всех элементов управления КП, для группы машин с частым включением заднего хода, тем более полностью автоматизируемым и переводимым на беспилотное вождение);
- по меньшей мере четыре фрикционные муфты могут быть вынесены за пределы картера, то есть выполнены выносными  (это сокращает длину валов и повышает их изгибную жесткость, исключает необходимость в третьих подшипниковых опорах валов, уменьшает массу и габариты картера и КП в целом, улучшает тепловой режим устройства, облегчает доступ к вынесенным фрикционным муфтам в периоды эксплуатации и ремонта);
- при четвертой (предыдущей) дополнительной совокупности признаков, выносными могут быть выполнены фрикционные муфты Ф1, Ф3, Ф4 и Ф6, при этом  муфты Ф1 и Ф3 могут быть установлены симметрично на концах входного вала 0, а муфты Ф4 и Ф6 – симметрично на концах промежуточного вала B  (такое расположение выносных муфт «через один вал» позволяет применять относительно больший типоразмер фрикционных дисков, что благотворно отражается на работоспособности и ресурсе работы фрикционных элементов);
- при четвертой дополнительной совокупности признаков, реверсирующее устройство может включать в себя фрикционную муфту Ф9 выносного типа, установленную на одном из концов промежуточного вала C, с возможностью подключения шестерни Z18 к валу C  (это позволяет расширить число выносных муфти на одну – с четырех до пяти).
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счёт последней достигается новый технический результат в соответствии с проблемой.
Заявляемое устройство коробки передач пояснено (на примерах КП-ЗМ и КП-ФМ) на чертежах:
на фиг. 1 показана кинематическая схема частного примера коробки передач КП-ЗМ с зубчатой муфтой реверсирующего устройства, поперечная проекция, где  Фi – фрикционные муфты с i-м порядковым номером, i от 1 до 8;  Zj – шестерни с j-м порядковым номером j от 1 до 19;  0, X − входной и грузовой (выходной) валы соответственно к двигателю и к движителю транспортного средства;  A, B, C − промежуточные валы;  К – картер коробки передач;  1 - 15 – подшипниковые опоры валов;  ЗМ – зубчатая муфта как основа реверсирующего устройства коробки передач;
на фиг. 2 – кинематическая схема частного примера коробки передач КП-ФМ с фрикционной муфтой реверсирующего устройства, поперечная проекция,  где   Ф9 – фрикционная муфта как основа реверсирующего устройства коробки передач.
Пример КП-ЗМ (фиг. 1) – КП с четырьмя степенями свободы, восемнадцатискоростная (по числу передач только переднего хода и отдельной оговорки числа передач заднего хода), с общим числом валов – пять, восемью фрикционными муфтами и зубчатой муфтой в основе реверсивного устройства (реверса);  пример КП-ФМ (фиг. 2) – то же, но с девятью фрикционными муфтами, одной из которых заменена упомянутая зубчатая муфта как основа реверсивного устройства (реверса).
Восемнадцатискоростная механическая вальная коробка передач (КП), преимущественно для трактора тягового класса 4 и/или 6-8 по любому приведенному примеру (частному случаю), содержит (см. фиг. 1, 2)  параллельно установленные в картере К на подшипниковых опорах 1 – 10 валы, включая ведущий 0, промежуточные A, B, C и грузовой X с установленными на них шестернями (зубчатыми колесами) – с Z1 по Z19 включительно, и гидроподжимными фрикционными муфтами (с Ф1 по Ф8 включительно) выборочного включения шестерен (с Z1 по Z16, Z19) в работу, и реверсирующее устройство с муфтой ЗМ, обеспечивающее включение в работу пары шестерен Z18 и Z17, а следовательно гамму передач заднего хода в количестве девяти, то есть 50% количества передач переднего хода.
В КП предусмотрено, таким образом, три промежуточных вала, девятнадцать шестерен и восемь фрикционных муфт с возможностью получения восемнадцати передач переднего хода без диапазонов и девяти передач заднего хода путем включения по три фрикционные муфты Фi в соответствующих сочетаниях их номеров i. (Таблица).
Таблица
Включаемые муфты (по три) на передачу
№ передачи(скоростногорежима)
Включаемыемуфты
№ передачи(скоростногорежима)
Включаемыемуфты
Передний ход:
1
Ф1+Ф4+Ф7
15
Ф3+Ф5+Ф8
2
Ф2+Ф4+Ф7
16
Ф1+Ф6+Ф8
3
Ф3+Ф4+Ф7
17
Ф2+Ф6+Ф8
4
Ф1+Ф5+Ф7
18
Ф3+Ф6+Ф8
5
Ф2+Ф5+Ф7
Задний ход:
6
Ф3+Ф5+Ф7
З.Х. 1
Ф1+Ф4+ЗМ (Ф9)
7
Ф1+Ф6+Ф7
З.Х. 2
Ф2+Ф4+ ЗМ (Ф9)
8
Ф2+Ф6+Ф7
З.Х. 3
Ф3+Ф4+ ЗМ (Ф9)
9
Ф3+Ф6+Ф7
З.Х. 4
Ф1+Ф5+ ЗМ (Ф9)
10
Ф1+Ф4+Ф8
З.Х. 5
Ф2+Ф5+ ЗМ (Ф9)
11
Ф2+Ф4+Ф8
З.Х. 6
Ф3+Ф5+ ЗМ (Ф9)
12
Ф3+Ф4+Ф8
З.Х. 7
Ф1+Ф6+ ЗМ (Ф9)
13
Ф1+Ф5+Ф8
З.Х. 8
Ф2+Ф6+ ЗМ (Ф9)
14
Ф2+Ф5+Ф8
З.Х. 9
Ф3+Ф6+ ЗМ (Ф9)
При этом:
на ведущем валу 0 установлены последовательно фрикционная муфта Ф1 при паре шестерен Z1 и Z4, фрикционная муфта Ф2 при паре шестерен Z2 и Z5, фрикционная муфта Ф3 при паре шестерен Z3 и Z6, а шестерни Z1, Z2, Z3 установлены на валу 0 посредством подшипников,
на промежуточном валу А установлена фрикционная муфта Ф5 при последовательно сцепленных шестернях Z8, Z11 и Z19, шестерня Z8 установлена на валу А посредством подшипника, а шестерни Z4, Z7, Z5, Z6, Z9 – непосредственно на валу A,
на промежуточном валу B установлены последовательно фрикционная муфта Ф4 при паре шестерен Z10 и Z7, фрикционная муфта Ф6 при паре шестерен Z12 и Z9, шестерни Z10 и Z12 установлены на валу В посредством подшипников, а шестерни Z13, Z11, Z14 – непосредственно на валу B,
на грузовом валу X установлены последовательно фрикционная муфта Ф7 при паре шестерен Z15 и Z13, фрикционная муфта Ф8 при паре шестерен Z16 и Z14, шестерни Z15 и Z16 установлены на валу X посредством подшипников, а шестерня Z17 – непосредственно на валу X,
на промежуточном валу С установлена упомянутая муфта реверсирующего устройства при паре шестерен Z19 и Z11 с возможностью подключения к валу C пары шестерен Z18 и Z17, шестерня Z18 установлена на валу C посредством подшипника, а шестерня Z19 – непосредственно на валу С.
Дальнейшее описание устройства касается частных (то есть не обязательных, но рекомендуемых) конструктивных особенностей заявляемой КП.
Грузовой вал X расположен между промежуточными валами B и C.
Муфта, составляющая основу реверсирующего устройства (реверса), выполнена зубчатой (зубчатого типа) и установлена на промежуточном валу C с возможностью подключения шестерни Z18 к валу C.
Четыре фрикционные муфты, а именно Ф1, Ф3, Ф4 и Ф6, вынесены за пределы картера К, то есть выполнены выносными. При этом муфты Ф1 и Ф3 установлены (консольно) симметрично на концах входного вала 0, а муфты Ф4 и Ф6 – симметрично на концах промежуточного вала B.
Основное относительное (среди примеров) преимущество КП-ЗМ (см. фиг. 1) – упрощенная конструкция с несколько меньшими габаритами и стоимостью.
Основное относительное преимущество примера КП-ФМ (см. фиг. 2) – полный перевод системы управления КП на муфты фрикционные гидроподжимные как инструмент повышения плавности переключения передач.
Заявляемое устройство в примере КП-ЗМ (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Мощность от двигателя (не показан) передается входному валу 0 (на фиг 1, 2 показано верхней левой стрелкой), в связи с чем вал 0 и называется «входным».
Передачи включают (в автоматической КП – включаются) путем одновременной подачи масла под давлением в бустера трех гидроподжимных фрикционных муфт под номерами в соответствии с таблицей. Однако для переключения передач, прежде всего при последовательном увеличении или уменьшении номера передачи на единицу, достаточно выключить одну и включить одну (другую) муфту из названных трех (см. табл.).
Так, при включении первой передачи переднего хода (см. первую строку табл.) включают(ся) муфты Ф1, Ф4, Ф7. При этом устанавливается кинематическая связь входного 0 и грузового X валов по пути: вал 0 – муфта Ф1 – пара шестерен Z1 и Z4 – промежуточный вал A – пара шестерен Z7 и Z10 – муфта Ф4 – промежуточный вал B – пара шестерен Z13 и Z15 – муфта Ф7 – грузовой вал X. Имеет место плавное (безударное) включение первой передачи в КП (благодаря кратковременной пробуксовке в указанных муфтах) с выходом на стационарный режим работы.
При переключении, например, на вторую передачу переднего хода, в соответствии с таблицей, нет необходимости выключать все три работающие муфты и включать три другие. Выключают(ся) только одну(а) муфту(а) Ф1 и одновременно включают(ся) только одну(а) муфту(а) Ф2 при продолжающих работать (как оставшиеся включенными) муфтах Ф4 и Ф7. При этом устанавливается кинематическая связь входного 0 и грузового X валов по пути: вал 0 – муфта Ф2 – пара шестерен Z2 и Z5 – промежуточный вал A – пара шестерен Z7 и Z10 – муфта Ф4 – промежуточный вал B – пара шестерен Z13 и Z15 – муфта Ф7 – грузовой вал X. Имеет место плавное (безударное) переключение с первой передачи на вторую (благодаря кратковременной пробуксовке как в выключаемой Ф1, так и во включаемой Ф2 фрикционных муфтах с временным перекрытием) с выходом на новый стационарный режим работы.
При переключении, например, на первую передачу заднего хода (иначе говоря – при реверсировании скоростного режима), в соответствии с таблицей, выключают(ся) муфты Ф1, Ф4, Ф7 и при остановившемся промежуточном вале С включают(ся) муфту ЗМ в левое положение (см. рис. 1) и, с гарантированной задержкой времени на завершение включения зубчатой муфты ЗМ, снова включают муфты Ф1 и Ф4 (порядок их включения допускает вариации: одновременно; сперва Ф1, затем Ф4; сперва Ф4, затем Ф1, что принципиально лишь для разработки конкретной системы управления, выходя за рамки предмета заявляемого изобретения). При этом устанавливается кинематическая связь входного 0 и грузового X валов по пути: вал 0 – муфта Ф1 – пара шестерен Z1 и Z4 – промежуточный вал A – пара шестерен Z7 и Z10 – муфта Ф4 – промежуточный вал B – пара шестерен Z11 и Z19 – муфта ЗМ – пара шестерен Z18 и Z17 – грузовой вал X. Имеет место плавное (безударное) включение первой передачи заднего хода (благодаря кратковременной пробуксовке как в выключаемых, так и во включаемых фрикционных муфтах) с выходом на новый стационарный режим работы.
В примере КП-ФМ (см. фиг. 2) муфта, составляющая основу реверсирующего устройства (реверса), выполнена фрикционной (фрикционного типа) – Ф9 и установлена вместо зубчатой муфты ЗМ в примере КП-ЗМ на промежуточном валу C посредством подшипника 15, в данном случае в составе объединенной подшипниковой опоры 9.
В остальном конструкция КП-ФМ идентична конструкции КП-ЗМ.
Работа в примере КП-ФМ имеет соответствующее отличие только при использовании реверсирующего устройства, то есть на передачах заднего хода.
Суть отличия заключается в наличии эффекта плавного включения/переключения передач с переднего на задний ход (то есть реверсирования), безразрывности переключения за счет временной пробуксовки муфты Ф9 с временным перекрытием работы с выключаемой(ыми) муфтой(ами).
Таким образом, заявляемое устройство позволяет улучшить технико-эксплуатационные характеристики и возможности КП за счет:
- бездиапазонного безразрывного включения всех передач как в пределах прямого, так и в пределах заднего ходов, что в полной мере отвечает современным требованиям как максимальной плавности включения/переключения передач, так и адаптации элементов управления к автоматизации переключения передач в КП, что особенно важно в беспилотной опции трактора;
- включения большинства передач последовательно (то есть сообразно их порядковому номеру, не «перескакивая» через передачи) путем переключения лишь одной фрикционной муфты из трех, что чрезвычайно важно для обеспечения долговечности КП;
- увеличения числа передач прямого хода с 16 до 18 без существенного усложнения конструкции КП;
- широкого использования (50%) фрикционных муфт выносного типа, позволяющих улучшить тепловой режим и ремонтопригодность;
- существенного снижения осевого габарита КП;
- существенного снижения длины валов, увеличения их изгибной жесткости и исключения третьих подшипниковых их опор;
- упрощения КП за счет осевой симметрии ее абриса;
- повышения технологичности картера исключением необходимости в его изготовлении литьем.