ПОЛНОПРИВОДНАЯ ТРАНСМИССИЯ /ВАРИАНТЫ/
ALL-WHEEL-DRIVE TRANSMISSION /VERSIONS/

Изобретение относится к трансмиссиям автомобилей для привода на 4 и более колеса.
Известны подобные трансмиссии, состоящие, как правило, из дифференциальной или разветвительной и понижающей раздаточной коробки и карданных валов, см. например, пат. России №2462371 или полезную модель №29266. Их недостатки - большая сложность и стоимость всех составляющих трансмиссии, большой занимаемый объем, большой вес и недостаточная проходимость, в частности - боязнь диагонального вывешивания, при котором четырехколесная машина со всеми ведущими колесами не может стронуться с места. К недостатку можно отнести и невозможность модернизации уже существующего автомобиля формулы 4*2 в полноприводной автомобиль, так как переделки неприемлемо сложны.
Задача и технический результат изобретения - упрощение конструкции полноприводной трансмиссии, повышение ее проходимости и плавности хода, уменьшение ее веса, объема, стоимости. А также создание конструкции, пригодной для модернизации автомобилей формулы 4*2.
ВАРИАНТ 1. Для этого данная трансмиссия, как обычно, содержит коробку передач и редукторы, но отличается тем, что расположенные на мостах редукторы соединены с колесами блокируемыми обгонными или храповыми муфтами, направленными на движение вперед, а вал/валы между редукторами имеют две упругие муфты или два карданных шарнира и шлицевое соединение.
Мостов может быть два и более.
Упругие муфты должны иметь возможность некоторого осевого перемещения (например, как на ВАЗ-2121), достаточного для компенсации перемещения мостов на неровностях.
На фиг.1 показана такая трансмиссия, где: 1 - двигатель, 2 - коробка передач с одним или двумя сцеплениями, 3 - редукторы, 4 - блокируемые обгонные или храповые муфты (далее «обгонные»), 5 - упругие муфты или карданные передачи со шлицевым соединением (далее обобщенно «муфты»).
Работает трансмиссия так: при движении вперед крутящий момент передается на все колеса через обгонные муфты 4. При этом данный и следующие варианты трансмиссий имеют одну особенность - желательно, чтобы все шины были одинакового размера, имели одинаковый износ и одинаковое (или соответствующее нагрузке) давление. Шина, имеющая больший диаметр, на ровной дороге будет тянуть несколько хуже.
На повороте передние колеса проходят больший путь, и поэтому они, если не будет проскальзывания, тянуть не будут. Это придает автомобилю с такой трансмиссией очень полезное качество - он очень хорошо управляется в управляемом заносе, так как задние колеса будут иметь ограниченное проскальзывание. Как только они немного проскользнули, они «догоняют» передние, те тоже начинают тянуть, и крутящий момент на задних колесах резко падает - они перестают проскальзывать. Это качество очень полезно для машин, которым может потребоваться хорошая управляемость на предельных скоростях - для гоночных, пожарных, боевых.
При движении задним ходом все или часть обгонных муфт блокируется (в зависимости от состояния дорожного покрытия). Движение по сухому асфальту назад будет сопровождаться проскальзыванием одной или почти всех шин и повышенным потребным крутящим моментом. Но так как этот режим кратковременный и не скоростной, то это не имеет никакого значения.
ВАРИАНТ 2. Как известно, клиренс существующих машин ограничен редуктором балочного заднего моста - он является самой низшей точкой машины. Поэтому имеет смысл применять разрезные мосты с приводами на колеса посредством ШРУСов (шарниров равных угловых скоростей). А редукторы таких мостов имеет смысл закреплять на кузове машины неподвижно.
Такая трансмиссия отличается тем, что она может быть проще предыдущего варианта - редукторы разрезных мостов соединены между собой валом/валами без упругих муфт, карданных или шлицевых шарниров, ближний к коробке передач редуктор соединен с ней через упругую муфту или карданно-шлицевой шарнир (чтобы компенсировать вибрацию двигателя), а редукторы разрезных мостов закреплены на упругих подушках и соединены с колесами через обгонные или храповые муфты.
Это несколько повышает нагрузку на подшипники хвостовика (входного вала) гипоидного редуктора (главной передачи), так как хвостовик в этом случае воспринимает изгибающие моменты от деформации кузова машины и от крутящего момента колес. Но так как подшипники хвостовика при передаче крутящего момента итак испытывают очень большие нагрузки от контактных усилий в зубчатом зацеплении, то это повышение не существенно. В крайнем случае можно увеличить подшипник/подшипники хвостовика на один номер.
Если вал/валы между мостами будут слишком длинными, и возникает угроза биения, следует применить один или несколько подвесных подшипников.
Сцепление в этом варианте может находиться на коробке передач и/или на двигателе.
На фиг.2 показана такая трансмиссия. Обозначения и ее работа те же. Заштрихованный элемент означает, что он закреплен на кузове машины неподвижно (на упругих подушках).
ВАРИАНТ 3. Практика боевых действий показала, что заглохшая или поврежденная машина, тем более - боевая, сама является легкой мишенью и останавливает всю колонну. Чтобы этого избежать, можно установить на машину два двигателя.
То есть данная трансмиссия содержит коробку передач, неподвижно закрепленную на кузове автомобиля, и соединенную с двумя двигателями через обгонные или храповые муфты валами с упругими муфтами или карданно-шлицевыми шарнирами.
Это решение по сравнению с соединением двух двигателей, сцепления и коробки передач в моноблок, как это обычно делается, дает следующие преимущества:
1. повышается боевая живучесть машины - даже при полном разрушении одного двигателя, второй двигатель, находящийся в отдельном отсеке и отгороженный бронеперегородкой, может продолжать двигать машину. При этом застопоренный первый двигатель не мешает крутиться оставшемуся, так как обгонная муфта при этом свободно прокручивается;
2. быстрая замена двигателя в полевой обстановке, особенно при некоторой деформации кузова, так как нет необходимости центрирования вала двигателя и вала коробки передач.
Тип мостов может быть при этом любым.
Муфты свободного хода могут быть расположены на двигателях или на коробке передач. Последнее предпочтительней, так как в этом случае покореженный вал не будет мешать крутиться всей остальной кинематике.
На фиг.3 показан данный вариант трансмиссии - обозначения и работа трансмиссии аналогичны варианту 1.
ВАРИАНТ 4. Еще большей живучестью обладает вариант, когда два двигателя жестко или промежуточными валами соединены со своими двумя коробками передач, а последние соединены с ближним редуктором через обгонные или храповые муфты валами с упругими муфтами или карданно-шлицевыми шарнирами.
Обгонные муфты, как и в предыдущем случае, предпочтительнее устанавливать на редукторе.
Ближайший к коробке передач мост может иметь увеличенный размер, так как он содержит практически два редуктора на одном выходном валу.
Данный вариант не иллюстрируется графически, так как он мало отличается от предыдущего. Работает так же, как предыдущий. Хотя этот вариант обладает большей живучестью, он несколько дороже предыдущего и более «капризный» - надо синхронизировать переключения двух коробок передач.
Но зато эту «капризность» можно использовать и во благо - при компьютерном управлении трансмиссией при переключении передач возможен следующий алгоритм работы трансмиссии:
А) первый двигатель отключается сцеплением и его обороты уменьшаются/увеличиваются до оборотов будущей передачи на данной скорости, второй двигатель при этом переводится в режим удвоенного крутящего момента (если надо - форсируется, например, подачей топлива с растворенным нитроглицерином);
Б) производится переключение передачи первой коробки передач;
В) второй двигатель отключается сцеплением и его обороты уменьшаются/увеличиваются до оборотов будущей передачи на данной скорости, первый двигатель при этом переводится в режим удвоенного крутящего момента (если надо - форсируется, например, подачей топлива с растворенным нитроглицерином);
Г) производится переключение передачи второй коробки передач;
Д) оба двигателя вступают в одинаковую работу на новой передаче на заданный режим своей мощности.
Таким образом происходит переключение передач без потери крутящего момента на колесах, что особенно ценно при подъеме в гору, при движении по песку, при движении по вязкому переувлажненному грунту, или при буксировке.
СЛЕДУЮЩИЕ 5, 6, 7, 8-й варианты трансмиссий пригодны как для проектирования новых, особенно 4-колесных автомобилей, так и для несложной модернизации переднеприводных автомобилей формулы 4*2 в полноприводные автомобили.
ВАРИАНТ 5. С наименьшими переделками переднеприводной автомобиль в полноприводной можно переделать, применив следующую трансмиссию: на редукторе переднего моста имеется выход хвостовика гипоидного редуктора или (если это невозможно) имеется второй хвостовик, к которому через обгонную или храповую муфту присоединен промежуточный вал с двумя упругими муфтами или с двумя карданными шарнирами и шлицевым соединением, а вал соединен с установленным на корпусе редуктором, аналогичным редуктору переднего моста.
Обгонная муфта может быть блокируемой или неблокируемой. Последнее дешевле, но лишает машину возможности выбраться из грязи задним ходом.
В такой трансмиссии унификация деталей максимальна - задний мост с приводами и ШРУСами аналогичен переднему. Ступицы и подшипники задних колес аналогичны передним. Тормоза лучше оставить задние, чтобы не переделывать устройство ручного тормоза. Требуются лишь новый удлиненный хвостовик и промежуточный вал с двумя муфтами.
На фиг. 4 показан пятый вариант трансмиссии, где все обозначения те же. Но кружок 6 - редуктор с дифференциалом. Работает трансмиссия аналогично варианту 1, но с одним примечанием - если не все шины одинаково изношены, то более изношенные шины рекомендуется ставить на задние колеса - там они имеют возможность «обгонять» передние колеса.
ВАРИАНТ 6. Если добавить к предыдущему варианту еще одну муфту свободного хода (к ним относится и храповая) и убрать дифференциал, то получится примерно такая же по стоимости трансмиссия, в которой на редукторе переднего моста имеется выход хвостовика гипоидного редуктора или (если это невозможно) имеется второй хвостовик, к которому присоединен промежуточный вал с двумя упругими муфтами или с двумя карданными шарнирами и шлицевым соединением, а вал соединен с редуктором, соединенным с колесами через направленные вперед блокируемые или неблокируемые обгонные или храповые муфты.
Задний редуктор в этом варианте может быть установлен на балочном мосту или на кузове машины, и в последнем случае - соединен с колесами не только через обгонные муфты, но и через ШРУСы (последнее предпочтительней).
В смысле проходимости эта трансмиссия значительно лучше предыдущей - даже с неблокируемыми обгонными муфтами при движении вперед он работает как мост с блокируемым дифференциалом. То есть такая машина не боится диагонального вывешивания.
На фиг.5 показан данный вариант. Обозначения и принцип работы те же, что и в предыдущих вариантах.
ВАРИАНТ 7. Если задняя упругая балка подвески мешает прохождению промежуточного вала (в переднеприводных автомобилях она на это не рассчитана), то ее можно обойти, применив следующую трансмиссию: на редукторе переднего моста имеется выход хвостовика гипоидного редуктора или (если это невозможно) имеется второй хвостовик, к которому присоединен промежуточный вал с шарниром равных угловых скоростей, причем вал или ШРУС закреплены на кузове машины на подвесном подшипнике, а вал соединен с редуктором, соединенным с колесами.
Обратите внимание - упругие муфты или карданы со шлицевым соединением становятся не нужны, так как некоторые конструкции ШРУСов (например, по заявке №2012153546/11-085150) допускают осевое перемещение первичного и вторичного валов. То есть возникающие при работе подвески машины искривляющие и осевые перемещение обеих частей промежуточного вала компенсируются ШРУСом.
Тем не менее можно оставить одну упругую муфту около переднего моста - не столько для компенсации угловых перемещений, сколько для компенсации разности путей передних и задних колес при наезде на препятствие. Ведь и при наезде на выступ дороги, и при наезде на яму путь колеса несколько увеличивается, и скорость этого колеса также несколько увеличивается. И чтобы крутящий момент на этих колесах в это время не пропадал, желательно, чтобы кинематическая связь между мостами была несколько упругой. После наезда на препятствие одним колесом крутящий момент на нем несколько уменьшается, но уже через несколько оборотов он выравнивается с другими колесами за счет упругости шин.
И в этом еще одно преимущество трансмиссии с обгонными муфтами - если в дифференциальном мосту наезд на препятствие и, следовательно, удлинение пути одного колеса вызывает через дифференциал торможение второго колеса, что ощутимо передается на кузов как небольшой встречный удар, то трансмиссия с обгонными муфтами избавлена от этого.
На фиг.6 показан данный вариант. Обозначения и принцип работы те же, что и в предыдущих вариантах, но 7 - ШРУС, 8 - подвесной подшипник.
ВАРИАНТ 8. Известны гибридные трансмиссии, в которых передние колеса приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания, а задние - электродвигателями от аккумулятора (это изобретение является прототипом данного варианта). Так как большинству автомобилей полноприводные качества требуются лишь на короткое время и для движения с очень небольшой скоростью (на плохой дороге, как правило, не разгонишься), то и в качестве изначальной трансмиссии, и в качестве модернизационной трансмиссии возможен следующий вариант: с двигателем внутреннего сгорания соединен (например, ременной передачей) электрогенератор, который соединен выключателем и проводами с электродвигателями, соединенными через обгонные или соединительные муфты с задними или со всеми колесами непосредственно или через редукторы.
Обгонные муфты при этом могут быть неблокируемыми или блокируемыми (последнее, конечно, лучше). Но лучше применить просто соединительные муфты с электроприводом (можно использовать муфты, аналогичные бендиксам стартеров).
Некоторые типы электродвигателей допускают работу с достаточным кпд при небольших скоростях вращения. Для них редукторы не обязательны.
Можно предусмотреть и кинематическое отключение электрогенератора, применив управляемую разъединительную муфту между ним и двигателем внутреннего сгорания.
Такая трансмиссия допускает полноприводное движение со скоростями только порядка 5-15 км/час (в зависимости от мощности электросистемы). Но зато она получится самая легкая - удельная мощность лучших современных электрогенераторов и электродвигателей достигает 6 кВт/кГ, а кпд лучших из них достигает 99%.
Чтобы водитель не забыл выключить электродвигатели, выключатель имеет блокировку и отключается при повышении скорости до определенного предела. Или хотя бы имеет сигнализацию, срабатывающую при достижении определенной скорости (чтобы избежать ложного срабатывания при пробуксовке колеса, соединенного со спидометром).
На фиг.7 показа восьмой вариант трансмиссии. Обозначения те же, но 9 - электрогенератор, 10 - колесный комплекс (электромотор, редуктор, разъединительная муфта), 11 - выключатель, 12 - провода.
Работает эта трансмиссия так: на участке дороги с плохим покрытием включается выключатель 11, и электромоторы 10 приводят в движение задние колеса.
В вариантах 1, 2, 3, 4, 6, 7 редуктор соединен с колесами через обгонные муфты. Чтобы расположить оба этих устройства как можно компактнее, обгонные муфты находятся внутри гипоидного редуктора.
На фиг.8 показан такой редуктор. Он содержит гипоидное зубчатое колесо 13, расположенное на цилиндрической втулке 14, закрепленной в подшипниках 15. С зубчатым колесом 13 взаимодействует гипоидный хвостовик 16. Внутри втулки свободно (центрируются полуосями приводов и упором друг в друга) расположены два ротора двух обгонных муфт 17 с роликовыми или клиновидными стопорными элементами (элементы не показаны). На клиновидных элементах желательно иметь маслоотводные канавки. В правом роторе 17 показана полуось привода 18 с устройством блокировки свободного хода 19, взаимодействующим со шлицевым выступом 20 на роторе 17.
Работает редуктор так: при опережении, например, на повороте одного или двух-трех колес обгонные муфты 17 проскальзывают во втулке 14, давая возможность колесам без юза проехать этот участок.