МОТОРНО-ТРАНСМИССИОННЫЙ МОДУЛЬ
ENGINE-TRANSMISSION MODULE

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, в частности к моторно-трансмиссионным модулям наземных транспортных машин: автомобилей, тракторов, дорожно-строительной техники и т.д.
МТМ (моторно-трансмиссионные модули) применяются для привода ведущих колес НТМ (наземных транспортных машин). Наиболее широко применяются ДВС (двигатель внутреннего сгорания) и механическая или гидромеханическая трансмиссии.
Известны устройства привода ведущих колес полноприводных автомобилей, состоящие из ДВС, сцепления, трехвальной КП (коробки передач), РК (раздаточной коробки), карданных передачей и ГП (главных передач), а также дифференциалов и полуосей, передающих и трансформирующих поток мощности от двигателя до ведущих колес. РК могут быть блокированными, дифференциальными или комбинированными: привод переднего моста - блокированный, мостов задней тележки - дифференциальный. (1. Автомобиль: Основы конструкции / Н.Н.Вишняков и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 304 с.).
Также известны устройства привода ведущих колес гусеничных транспортных машин (2. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. - М.: Машиностроение, 1986. - 296 с.). В трансмиссии этих машин, кроме описанных ранее агрегатов, используются механизмы поворота, которые могут быть дифференциальными с простым или двойным симметричным дифференциалом, независимые (бортовые) МП (механизмы поворота) с бортовыми фрикционами, одноступенчатые ПМП (планетарные механизмы поворота), двухступенчатые ПМП, многоступенчатые бортовые МП (бортовые КП) и т.д. (3. Расчет и конструирование гусеничных машин. / Под ред. Н.А.Носова. - Л.: Машиностроение, 1972. - 560 с., см. с.346-398).
Однако такие устройства привода ведущих колес НТМ не обеспечивают высоких эксплуатационных характеристик, они достаточно сложны, металлоемки, имеют недостаточно высокий КПД.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является МТМ полноприводного автомобиля, состоящий из ДВС /1. С.12-73/ и трансмиссии /1. С.107, рис.84, в, д/, /2. С.119, рис.38/; по п.2 - МТМ - устройство привода ведущих колес гусеничного транспортера-тягача АТС-59Г /2. С.146, рис.51/. Пятиступенчатая КП тягача смонтирована в общем картере с ГП и двухступенчатым ПМП (3. С.364-368). При этом фрикционы помещены внутри картера и работают в масле. Система управления ПМП - гидравлическая. Мощность от ДВС через карданную передачу, главный фрикцион, КП и ПМП передается к бортовым передачам и ведущим колесам. Передача мощности осуществляется одним потоком. ПМП может находиться в трех положениях в соответствии с положением рычага управления: в исходном (прямолинейное движение), в первом (поворот с частично заторможенной гусеницей) и во втором (поворот с полностью заторможенной гусеницей) /2. С.145/.
Однако описанные устройства привода ведущих колес НТМ имеют недостатки.
Силовой агрегат - ДВС традиционной конструкции для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала использует КШМ (кривошипно-шатунный механизм). КШМ имеет существенные недостатки: сила от давления газов на поршень не в полной мере используется для вращения коленчатого вала, снижая КПД механизма и двигателя, в мертвых точках возникает «перекладка» поршня - изменение направления действия боковой силы, создающая динамические нагрузки. КШМ конструктивно сложен - кривошипы коленчатого вала трудно изготовить, он имеет несколько нагруженных шарнирных соединений: коренные и шатунные шейки, опоры поршневого пальца, требующие совершенной системы смазки с подачей моторного масла под давлением. Для уравновешивания массы кривошипов необходимо устанавливать противовесы, нужен маховик, накапливающий энергию рабочего хода, обеспечивающий другие такты двигателя, а также прохождение поршня через мертвые точки /1. С.23-30/. Сила от давления газов на поршень раскладывается на две составляющие: одна по оси шатуна, другая создает боковую нагрузку на поршень, вызывающую потери энергии на трение и износ. Сила, действующая по оси шатуна на шатунную шейку, также раскладывается на две составляющие: одна нагружает коренные шейки, полезную нагрузку - крутящий момент на коленчатом валу создает только вторая составляющая силы, перпендикулярная кривошипу /1. С.17, рис.8/. При значительной боковой нагрузке на поршень приходится применять крейцкопф.
Ступенчатые агрегаты трансмиссии: КП /1. С.120-148/ и РК /1. С.165-169/ имеют сложную и металлоемкую конструкцию. Они выполнены в отдельных картерах, для получения каждой передачи в КП требуется не менее двух шестерен /3. С.100-102, рис. III.1-III.4/. Для привода межмостового дифференциала в РК /1. С.168, 169, рис.131 и 132/ необходимы два зубчатых зацепления, снижающие КПД агрегата.
Для привода переднего моста (тележки мостов) необходима отдельная карданная передача рядом с двигателем /1. С.107, рис.84, в, д/. МТМ традиционной компоновки имеет значительные габариты /2. С.146, рис.51/, не позволяющие смонтировать его поперек гусеничной транспортной машины.
ПМП обеспечивает только три режима работы /2. С.145/.
Эффективность использования шестерен КП можно повысить при схеме с разрезными валами /3. С.103, рис. III.5/, однако эта схема сложна, так как требует увеличения числа опор, и имела очень ограниченное применение. Такую же эффективность использования шестерен, при снижении продольного габарита и массы КП, можно получить, применяя метод свободной установки шестерен на валах, реализованный в авторских свидетельствах и патентах трехвальных КП №: 1654040, 1717419, 1773747, 2008230, 2162419, 2173640, 2176195, 2176197, 21835666, 2261184, 2268163, 2383800. Многопарное зацепление, реализуемое в таких КП, позволяет уменьшить максимальное передаточное число в паре шестерен, при этом уменьшить межосевое расстояние, поперечный габарит агрегата и снизить его массу.
Уменьшение габаритов и металлоемкости трансмиссионных агрегатов можно обеспечить совмещением в одном картере РК и трехвальной КП, получив МРК (многоступенчатую РК), например, по патентам №: 2053140, 2183565 и др. Однако для вала привода переднего моста, совмещенного с промежуточным валом, необходима зубчатая передача, снижающая КПД агрегата.
Задача, на решение которой направлены заявляемые технические решения, состоит в расширении эксплуатационных характеристик НТМ.
Сущность предлагаемых технических устройств заключается в том, что моторно-трансмиссионный модуль содержит двигатель и трансмиссию, при этом поршни двигателя оснащены противоположно расположенными зубчатыми рейками, которые зацеплены с полушестернями, установленными на трубчатом ведущем валу двигателя с маховиком и нажимным диском сцепления, ведомый диск этого сцепления установлен на трубчатом первичном валу трехвальной коробки передач, большинство шестерен на валах установлены свободно, между рядами шестерен расположены муфты переключения, в том числе сдвоенные противоположно развернутые, взаимосвязанные вилками переключения, на выходе вторичного вала установлен межмостовой дифференциал, трансмиссионные валы этого дифференциала соединены с главными передачами и межколесными дифференциалами привода ведущих колес транспортного средства, причем один трансмиссионный вал межмостового дифференциала расположен внутри вторичного и первичного валов коробки передач и ведущего вала двигателя.
При этом внутри первичного вала коробки передач и ведущего вала двигателя расположен вторичный вал коробки передач, который связан с солнечными шестернями планетарных механизмов поворота, сателлиты свободно установлены на осях, закрепленных в стенках каждого водила, и зацеплены с солнечной шестерней и эпициклическим колесом, которое оснащено зубчатым венцом, установленным между зубчатыми венцами стенок водила, внутри корпуса планетарного механизма поворота размещен трехпозиционный зубчатый венец, между указанными зубчатыми венцами установлена внутренняя муфта переключения с двойным наружным и одинарным внутренним зубчатыми венцами, которая ползуном соединена с пазом наружной муфты переключения с внутренними двойным и одинарным зубчатыми венцами, они взаимосвязаны с наружными зубчатыми венцами корпуса многодисковой фрикционной муфты и бортов корпуса гусеничного транспортного средства, на трубчатом валу которого установлены внутренние венцы дисков фрикционной муфты, корпус многодисковой фрикционной муфты соединен с валом привода ведущего колеса.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет эксплуатационные характеристики НТМ.
Двигатель с реечно-шестеренным механизмом конструктивно проще по сравнению ДВС с КШМ, КПД выше за счет снижения боковых сил. Ведущий вал двигателя не требует кривошипов, обладает достаточной прочностью и жесткостью, что исключает необходимость в большом числе опор, технологически прост в изготовлении, он может быть трубчатым, что позволяет смонтировать внутри него трансмиссионный вал.
МРК по п.1 при малых габаритах и металлоемкости обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики НТМ при широком диапазоне передаточных чисел, в том числе 16 передач переднего хода за счет пяти пар шестерен и 8 передач заднего хода за счет ряда из трех шестерен. Распределение потока мощности после межмостового дифференциала МРК на ГП и межколесные дифференциалы обеспечивается при высоком КПД напрямую по трубчатым первичному валу КП и ведущему валу двигателя, так как не требует дополнительных зубчатых передач ни на входе в межмостовой дифференциал, ни на выходе из него. Такая конструкция МРК и привода от него расширяет компоновочные возможности наземных транспортных машин, в том числе позволяет снизить высоту установки МТМ.
b
h
ah
ab
b
a
МТМ по п.2 обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики НТМ также при широком диапазоне передаточных чисел, в том числе 16 передач переднего хода и 8 передач заднего хода. Четыре пары шестерен в КП обеспечивают 8 передач. ПМП реализует несколько состояний, в том числе прямую передачу в ПМП при U=1,0 и пониженную передачу при U =K+1, что обеспечивает удвоение числа передач после КП, а также U =-К, что реализует 8 передач заднего хода. Индексы вверху указывают на остановленное звено ПМ (планетарного механизма), индексы внизу - на звенья входа и выхода крутящего момента: а - солнечная шестерня, h - водило с сателлитами, b - эпициклическое колесо. К=Z/Z - внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни. Знак минус перед «К» указывает на изменение направления вращения выходного звена ПМ. Повышение маневренности НТМ обеспечивается возможностью включения различного направления вращения валов на выходе ПМП и ведущих колес по бортам НТМ.
На фиг.1,а приведена схема МТМ полноприводного автомобиля. В левой части показана схема оппозитного 8-ми цилиндрового реечно-шестеренного двигателя с противоположно расположенными поршнями. На трубчатом выходном валу установлен маховик со сцеплением. В средней части дана схема МРК с межмостовым несимметричным дифференциалом на выходе. Вал от солнечной шестерни дифференциала проходит напрямую внутри вторичного и первичного валов и ведущего вала реечно-шестеренного двигателя. Справа показана упрощенная схема привода одинарных ГП мостов задней тележки. Средний мост проходной, ГП такого моста может быть двойной центральной или иметь дополнительный узел деления потока мощности. Иногда применяют большое гипоидное смещение, в таком случае проходной вал располагают под полуосью. Внутри МРК приведены обозначения муфт переключения переднего хода «A-D» и заднего хода - R, вверху в кружках обозначены номера пар шестерен «1-5», а также знак R, указывающий на ряд шестерен заднего хода.
На фиг.1,б показана лучевая диаграмма МРК, шкалы диаграммы показывают величину передаточного числа в логарифмическом масштабе. На лучах указаны номера пар шестерен, чем больше передаточное число, тем положе луч, наклон лучей постоянный по всей диаграмме. Над верхней горизонталью лучевой диаграммой показаны номера передач «1-16», а над ними приведена таблица положений муфт переключения: П - правое, Л - левое. Под нижней шкалой указаны номера передач заднего хода «1R-8R». Средняя горизонталь соответствует промежуточному валу.
На фиг.2,а показана кинематическая схема трансмиссионного агрегата с симметричным дифференциалом на выходе, обеспечивающим 4 передачи переднего хода, под схемой дана его лучевая диаграмма. На фиг.2,б приведена схема V-образного реечно-шестеренного двигателя с трансмиссионным валом внутри ведущего вала двигателя.
На фиг.3,а приведена схема компактного МТМ, размещенного поперек гусеничной НТМ между бортами корпуса. Левее вида оппозитного 8-ми цилиндрового реечно-шестеренного двигателя с маховиком и сцеплением показана схема трехвальной КП, обеспечивающей 8 передач переднего хода. Муфты и пары шестерен обозначены аналогично фиг.1,а. По краям даны схемы ПМП (планетарных механизмов поворота). Верхний и нижний виды ПМП отличаются положением сдвоенной муфты переключения D, что соответствуют разным режимам работы. Положения муфты переключения D «I-V» и соответствующие им состояния ПМП приведены в нижней части. Ниже, на фиг.3,б показана лучевая диаграмма с таблицей положений муфт переключения. Работа КП представлена между средней и нижней горизонталями, передачи КП «1-8» приведены над средней горизонталью. Передачи прямого хода «1-16» на выходе МТМ обозначены над верхней горизонталью, передачи заднего хода «1R-8R» - под нижней горизонталью.
В цилиндрах 1 реечно-шестеренного двигателя (см. фиг.1,а, 2,б и 3,а) расположены поршни 2, взаимосвязанные с зубчатыми рейками 3 и 4, расположенными вблизи стенок цилиндров 1. Зубчатые рейки 3 и 4 поочередно зацеплены с полушестерней 5, длина дуги зубьев немного меньше половины длины ее окружности. Полушестерня 5 установлена на трубчатом ведущем валу 6 реечно-шестеренного двигателя. Точками О' (см. фиг.2,б) обозначены крайние положения зубчатых реек 3 и 4. На выходе ведущего вала установлен маховик 7 с нажимным диском 8 сцепления. Между маховиком 7 и нажимным диском 8 расположен ведомый диск 9 сцепления. Нажимное устройство и механизм выключения сцепления не показаны. На выходе ведущего вала 6 двигателя допустима установка гидротрансформатора. Шлицевая ступица ведомого диска 9 сцепления установлена на трубчатом первичном валу 10 с шестерней, расположенная в опоре трехвальной КП 11. Там же в опорах установлены промежуточный вал 12 с шестернями, вторичный вал 13 с шестернями, а также закреплена ось 14 с шестерней заднего хода. Пары шестерен переднего хода обозначены цифрами в кружках, большинство шестерен на валах установлены свободно. Между рядами шестерен расположены муфты переключения 15-19, которые обозначены буквами: для переднего хода «А-D» (15-18) и заднего хода - R (19). Большинство муфт переключения двухпозиционные, сдвоенные, одностороннего действия, установлены на шестернях и взаимосвязаны вилками переключения (см. фиг.1а, муфты А, В и С (15-17); фиг.2а - А (15); фиг.3а - В (16), остальные муфты переключения шестерен переднего хода трехпозиционные, двустороннего действия, установлены на валах. Муфта заднего хода R (19) двухпозиционная, вилка переключения может быть рядом с шестерней или охватывать торцы шестерни. На выходе КП 11 расположен межмостовой дифференциал 20, в целом они образуют МРК (многоступенчатую раздаточную коробку). На фиг.1а межмостовой дифференциал 20 несимметричный, а на фиг.2а межмостовой дифференциал 20 симметричный. Сателлиты водила 21 межмостового дифференциала 20 зацеплены с солнечной шестерней 22 и эпициклическим колесом 23. Солнечная шестерня 22 внутренним трансмиссионным валом 24, а эпициклическое колесо 23 внешним трансмиссионным валом (карданной передачей) 25 соединены с ГП (главными передачами) 26, межколесными дифференциалами 27 и валами привода ведущих колес 28. Ведущие колеса на схеме не показаны. При независимой подвеске ведущих колес валы их привода 28 могут быть выполнены в виде карданных передач (см. левую ГП).
На фиг.3а корпуса ПМП 29 установлены у бортов корпуса 30 гусеничной НТМ. Солнечная шестерня 31 каждого ПМП 29 соединена с вторичным валом 13 КП 11, она зацеплена с сателлитами водила 32 и далее с эпициклическим колесом 33. На периферии стенок водила 32 установлены зубчатые венцы 34 и 35, зубчатый венец 36 размещен на эпициклическом колесе 33 между венцами 34 и 35, причем шаг между венцами 35 и 36 в два раза больше шага между венцами 34 и 36. Внутри корпуса ПМП 29 размещен трехпозиционный зубчатый венец 37, между зубчатыми венцами 34-37 установлена внутренняя муфта переключения 38 с двойным наружным и одинарным внутренним зубчатыми венцами. Ползун 39 соединяет внутреннюю муфту переключения 38 с пазом наружной муфты переключения 40 с внутренними двойным и одинарным зубчатыми венцами. На корпусе многодисковой фрикционной муфты 41 расположены наружные зубчатые венцы 42, а на бортах корпуса 30 гусеничной НТМ - зубчатые венцы 43. Внутренние венцы дисков 44 фрикционной муфты 41 установлены на трубчатом валу 45 бортов корпуса 30, внутри него расположен вал 46 привода ведущего колеса 47, вал 46 соединен с корпусом многодисковой фрикционной муфты 41.
Допускается установка зубчатых передач между вторичным валом 13 КП 11 и ПМП 29, как в виде гитары (последовательное соединение шестерен), так и соосного ПМ. На выходе КП (см. фиг.2а и 3а) возможна установка ряда шестерен заднего хода аналогично фиг.1а. МТМ гусеничной НТМ может быть с дифференциальным МП (механизмом поворота), аналогично /3. С.353, рис. IX.2/, и образован с использованием КП на фиг.2,а или фиг.1,а, но с симметричным дифференциалом (на фиг.1,а дифференциал несимметричный).
Предлагаемый МТМ (моторно-трансмиссионный модуль) работает следующим образом.
ДВС. На фиг.2,б - справа в цилиндре 1 поршень 2 в НМТ (нижней мертвой точке). Если происходит завершение рабочего хода, то это значит, что сила от давления газов сгорающей рабочей смеси переместила поршень 2 из ВМТ (верхней мертвой точки) к НМТ и нижняя зубчатая рейка 4 вращала полушестерню 5 и трубчатый ведущий вал двигателя 6 по часовой стрелке, верхняя зубчатая рейка 3 совершала свободный ход, не взаимодействуя с зубьями полушестерни 5. При дальнейшем вращении вала 6 зубья полушестерни 5, взаимодействуя с верхней зубчатой рейкой 3, перемещают поршнень 2 из НМТ к ВМТ, нижняя зубчатая рейка 4 совершает свободный ход, не взаимодействуя с зубьями полушестерни 5.
На фиг.2,б - слева рабочий ход - сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в верхней части цилиндра 1 действует на поршень 2 и верхнюю зубчатую рейку 3, зубья которой взаимодействуют с зубьями полушестерни 5, заставляя ее и трубчатый ведущий вал двигателя 6 вращаться по часовой стрелке. Вал 6 передает энергию маховику 7 (см. фиг.1,а), который обеспечивает привод исполнительных и вспомогательных механизмов, а также накапливает часть энергии для осуществления других тактов двигателя. Зубья нижней рейки 4 при этом движении не взаимодействуют с зубьями полушестерни 5 - свободный ход.
От трубчатого ведущего вала двигателя 6 по маховику 7 и нажимному диску 8 крутящий момент передается на ведомый диск 9 сцепления и от него на трубчатый первичный вал 10 с шестерней трехвальной КП 11, созданной на основе метода свободной установки шестерен на валах. Каждая пара шестерен удваивает число передач: три пары шестерен (см. фиг.2,а) обеспечивают 4 передачи переднего хода, четыре пары - 8 передач (см. фиг.3,а), пять пар - 16 передач (см. фиг.1,а) и т.д. Средние пары шестерен могут работать в обоих направлениях: замедлять или ускорять. Например, на фиг.2,а внизу луч 2 из т.4 вниз направо - замедляющий, такой же луч к т.3 налево вверх - ускоряющий.
Работа КП хорошо иллюстрируется лучевыми диаграммами. Например, в нижней части фиг.2,а показаны таблица положения муфт переключения и лучи каждой пары шестерен, обеспечивающие 4 передачи.
Первая передача
Обе муфты переключения А и В в правом положении (см. табл. справа). Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню первого ряда промежуточного вала 12, по нижней полумуфте А (15) на шестерню второго ряда и по ней на промежуточный вал 12, затем по третьему ряду шестерен и по муфте В (16) на вторичный вал 13, далее на водило 21 с сателлитами симметричного дифференциала 20, который поровну распределяет крутящий момент на шестерни 22 и 23, а от них на трансмиссионные валы 24 и 25. На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами одинаковой величины (q=1,5):1 из т.4 на верхней горизонтали, кружок на линии соответствует первичному валу, вниз направо к средней горизонтали, что соответствует промежуточному валу, далее направо вверх к т.1 на верхней горизонтали, что соответствует вторичному валу КП.
Вторая передача
Переключаем муфту А из правого положения в левое, выключаем из работы 1-ю пару шестерен и включаем 2-ю пару шестерен. Крутящий момент от первичного вала 10 по верхней полумуфте А (15) поступает на верхнюю шестерню второго ряда, далее на шестерню промвала 12, затем как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 2 и 3 к т.2.
Третья передача
Переключаем муфту В из правого положения в левое, выключаем из работы 3-ю пару шестерен и включаем 2-ю пару шестерен в ускоряющем режиме, муфту А возвращаем в положение 1-й передачи. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню первого ряда промежуточного вала 12, по нижней полумуфте А (15) на шестерню второго ряда, затем по второму ряду шестерен и по муфте В (16) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 1 и 2 к т.3.
Четвертая передача - прямая
Переключаем муфту А из правого положения в левое. Крутящий момент от первичного вала 10 по верхней полумуфте А (15) поступает на верхнюю шестерню второго ряда, далее по шестерне на муфту В (16) и вторичный вал 13. На лучевой диаграмме эта передача представлена точкой 4 на верхней горизонтали.
3
1,5
0,5
I
III
II
1
I
III
2
II
III
1
I
II
Если КП должна обеспечить диапазон (отношение передаточных чисел низшей передачи к высшей) D=6,0, то шаг (отношение передаточных чисел соседних передач) составит q=√6=1,82. Передаточное число первой и третьей пары шестерен составит по U=U=1,82=2,45; второй пары U=1,82=1,35. Показатель степени соответствует величине шага q. Передаточное число первой передачи U=U×U=2,45×2,45=6,0; второй передачи U=U×U=1,35×2,45=3,31; третьей передачи U=U×(1/U)=2,45×(1/1,35)=1,82.
∑
1
2
3
∑
1
2
3
4
∑
IV
IV
I
II
III
IV
7
15
7
15
1,5
0,5
0,5
3,5
На фиг.3,а приведена кинематическая схема 8-ступенчатой КП. По сравнению с ранее описанной 4-ступенчатой КП на первичном трубчатом валу 10 расположена трехпозиционная муфта А (15), аналогичная муфте С (17) вторичного вала 13, добавлена одна пара шестерен, сдвоенная муфта переключения В (16) с противоположно развернутыми полумуфтами установлена между средними рядами шестерен, вторичный вал 13 сплошной и соединен непосредственно с трансмиссионным валом 24. Прямая передача - седьмая. Высшая передача - восьмая - ускоряющая. Такое распределение передач по диапазону позволяет снизить габариты и металлоемкость агрегата за счет уменьшения суммарной редукции - суммы передаточных чисел пар шестерен, выраженной в шагах (интервалах). Чем ниже передаточное число, тем меньше межосевое расстояние и поперечный габарит КП. Для 4-ступенчатой КП на фиг.2,а суммарная редукция составила Р=P+P+P=1,5+0,5+1,5=3,5. Для 8-ступенчатой КП на фиг.3,а Р=P+P+P+Р=1,5+0,5+0,5+3,5=6,0. (Для упрощения индекс q опущен). Если высшая передача будет прямая, то суммарная редукция составит не менее 8,0. Р=2,5+0,5+0,5+4,5=8,0. Максимальное передаточное число в 4-й паре шестерен U=4,5 q, что увеличивает межосевое расстояние. Ранее было U=3,5 q. Если принять шаг q=1,21, удобный для переключения передач, то диапазон 8-ступенчатой КП составит D=1,21=3,8; а для 16-ти передач, с учетом ПМП, D=1,21=17,45. При незначительном увеличении шага до q=1,22, диапазон КП составит D=1,22=4,0; а для 16-ти передач, с учетом ПМП, D=1,22=19,74. В этом случае величина передаточных чисел пар шестерен будет равна: U=1,22=1,35; U=1/1,22=0,91; U=1,22=1,1; U=1,22=2,0. Максимальное передаточное число в 4-й паре шестерен, луч этой пары самый пологий в КП.
На лучевой диаграмме (см. фиг.3,б) лучи КП показаны между средней и нижней горизонталями, они выходят к т.1-8. Таблица положений муфт переключения приведена над лучевой диаграммой. Муфта В (16) используется при каждом переключении, муфта А (15) - после двух переключений и муфта С (17) - после 4-х переключений.
Первая передача
Муфта А в правом положении, муфты В и С в левом положении, муфта D управления ПМП в положении IV или III (см. табл. справа - 1 или в средней части - 9). Крутящий момент от первичного вала 10 по муфте А (15) передается на шестерни первого ряда, по блоку шестерен промежуточного вала 12 (оси - изображена вверху), по второму ряду шестерен, по полумуфте В (16) на шестерни третьего ряда, по второму блоку шестерен промежуточного вала 12, затем по четвертому ряду шестерен и по муфте С (17) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме эта передача представлена четырьмя лучами: 1 из т.7 на средней горизонтали, кружок на линии соответствует первичному валу, вниз направо к средней горизонтали, что соответствует промежуточному валу, далее луч 2 направо вверх к т.5 на средней горизонтали, затем луч 3 вниз направо, далее луч 4 направо вверх к т.1, что соответствует вторичному валу 13 КП 11.
1
I
II
III
IV
U=U×U×U×U=1,35×1,1×1,1×2=3,3.
Вторая передача
Переключаем муфту В в правое положение - выключаем из работы 2-ю и 3-ю пары шестерен. До промвала 12 крутящий момент поступает как на 1-й передаче, затем по полумуфте В с одного блока шестерен на второй блок шестерен, далее на 4-ю пару шестерен, как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме лучи 1 и 4 от т.7 к т.2 характеризуют эту передачу.
2
I
IV
U=U×U=1,35×2=2,7. q=3,3/2,7=1,22.
Третья передача
3
III
IV
Переключаем муфты А и В в левое положение (все три муфты в левом положении) - вместо 1-й пары включаем в работу 3-ю пару шестерен. Крутящий момент от первичного вала 10 по муфте А (15) передается на шестерню второго ряда, далее по муфте В (16) на третий ряд шестерен, по второму блоку шестерен промвала 12, далее на 4-ю пару шестерен, как на предыдущих передачах. На лучевой диаграмме лучи 3 и 4 от т.7 к т.3 характеризуют эту передачу. U=U×U=1,1×2=2,2. q=2,7/2,2=1,22.
Четвертая передача
Переключаем муфту В в правое положение - выключаем из работы 3-ю пару шестерен и включаем 2-ю. Крутящий момент от первичного вала 10 по муфте А (15) передается на шестерни второго ряда, далее по муфте В (16) на второй блок шестерен промвала 12, затем как на предыдущих передачах. На лучевой диаграмме лучи 2 и 4 от т.7 к т.4 характеризуют эту передачу.
4
II
IV
U=U'×U=1/1,1×2=1,82. q=2,7/2,2=1,22.
Пятая передача
Изменяем положения муфт А, В и С - по сравнению с 1-й передачей выключаем из работы 3-ю и 4-ю пары шестерен. До промвала 12 крутящий момент поступает как на 1-й передаче, затем по блоку шестерен, по 2-й паре шестерен, по полумуфте В (16), шестерне 3-го ряда и по муфте С (17) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме лучи 1 и 2 от т.7 к т.5 характеризуют эту передачу.
5
I
II
U=U×U=1,35×1,1=1,49. q=1,82/1,49=1,22.
Шестая передача
Переключаем муфту В в правое положение (все три муфты в правом положении) - выключаем из работы 2-ю пару шестерен и включаем 3-ю. До промвала 12 крутящий момент поступает как на предыдущей передаче, затем по блоку шестерен промвала 12, по полумуфте В (16), шестерням 3-го ряда и по муфте С (17) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме лучи 1 и 3 от т.7 к т.6 характеризуют эту передачу.
6
I
II
U=U×U'=1,35×1/1,1=1,22. q=2,7/2,2=1,22.
Седьмая передача - прямая
Переключаем муфты А и В в левое положение - выключаем из работы все пары шестерен. Крутящий момент от первичного вала 10 по муфте А (15) передается на шестерню второго ряда, далее по муфте В (16) на шестерню 3-го ряда и по муфте С (17) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме т.7 характеризует эту передачу.
7
U=1,0. q=1,22.
Восьмая передача - ускоряющая
Переключаем муфту В в правое положение - включаем в работу 2-ю и 3-ю пары шестерен. Крутящий момент от первичного вала 10 по муфте А (15) передается на шестерни второго ряда, далее по муфте В (16) на шестерни 3-го ряда и по муфте С (17) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме лучи 2 и 3 от т.7 к т.8 характеризуют эту передачу.
8
II
III
U=U'×U'=1/1,1×1/1,1=0,82. q'=1,0/0,82=1,22.
1
8
Диапазон 8-ступенчатой КП равен D=U/U=3,3/0,82=4,0.
На фиг.1,а показана кинематическая схема КП, обеспечивающей 16 передач переднего хода и 8 передач заднего хода. По сравнению с 4-х ступенчатой КП, представленной на фиг.2,а, добавлены две пары шестерен и две сдвоенные муфты, составленные из противоположно развернутых полумуфт с вилками переключения, а также ряд шестерен заднего хода R: ведущая шестерня заднего хода закреплена на промвалу 12, ведомая шестерня - на муфте D (18) вторичного вала 13, промежуточная шестерня с двухпозиционной муфтой переключения R - на оси 14. Задний ход R включается при нейтральном положении муфты D (18), промежуточную шестерню заднего хода смещаем муфтой переключения R влево по оси 14 до зацепления с ведущей и ведомой шестернями заднего хода R.
∑
1
2
3
4
5
∑
I
II
III
IV
V
V
15
4,5
0,5
0,5
1,5
6,5
На фиг.1,б приведены таблица положений муфт переключения и лучевая диаграмма. Прямая передача - 14-я, две передачи: 15-я и 16-я - ускоряющие. Такое распределение передач обеспечивает минимальные габариты и массу за счет минимальной суммарной редукции Р=Р+Р+Р+Р+Р=4,5+0,5+0,5+1,5+6,5=13,5. (Для упрощения индекс q опущен). Если высшая передача будет прямая, то суммарная редукция составит не менее 18,5. Р=6,5+2,5+0,5+0,5+8,5=18,5. Если, как и ранее, принять величину шага q=1,22, то диапазон КП составит D=1,22=19,74. В этом случае величина передаточных чисел пар шестерен будет равна: U=1,22=2,45; U=1,22=1,1; U=1/1,22=0,91; U=1,22=1,35; U=1,22=3,64. Самое высокое передаточное число в 5-й паре шестерен U=6,5 q.
Первая передача
Муфты А и С находятся в левом положении, а муфты В и D - в правом. Последовательно включены 1-я, 3-я, 4-я и 5-я пары шестерен. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню промвала 12, по нижней полумуфте А (15) на шестерню второго ряда, по нижней полумуфте В (16) на ряд шестерен третьего ряда, по верхней полумуфте С (17), четвертому ряду шестерен, промежуточному валу 12, затем по пятому ряду шестерен и по муфте D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме эта передача представлена четырьмя лучами: пологий луч 1 из т.14 на верхней горизонтали, кружок на линии соответствует первичному валу, вниз направо к средней горизонтали, что соответствует промежуточному валу, далее луч 3 направо вверх к т.9 на верхней горизонтали, затем луч 4 вниз направо, далее пологий луч 5 направо вверх к т.1, что соответствует вторичному валу КП.
1
I
III
IV
V
U=U×U×U×U=2,45×1,1×1,35×3,64=13,24.
На фиг.1,а межмостовой дифференциал 20 несимметричный, он распределяет крутящий момент в соответствии с К - внутренним параметром ПМ (планетарного механизма). При К=2 от водила 21 с сателлитами на солнечную шестерню 22 поступает 1/3 крутящего момента, а на эпициклическое колесо 23 - 2/3 крутящего момента. На фиг.2,а межмостовой дифференциал 20 симметричный, он распределяет крутящий момент поровну, К=1,0. Далее по трансмиссионным валам 24 и 25 крутящий момент поступает на ГП 26, межколесные дифференциалы 27 и валы привода ведущих колес 28.
Вторая передача
Переключаем муфту В в левое положение (три муфты в левом положении) - выключаем из работы 3-ю пару шестерен и включаем 2-ю пару шестерен в ускоряющем режиме. До шестерен второго ряда промвала 12 крутящий момент передается как на 1-й передаче, далее по верхней полумуфте В (16) на шестерню третьего ряда, затем с шестерни по верхней полумуфте С (17) на 4-ю пару шестерен, далее как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат последовательные лучи: 1, 2, 4 и 5 от т.14 к т.2.
2
I
II
IV
V
U=U×U'×U×U=2,45×1/1,1×1,35×3,64=10,94.
Третья передача
Переключаем муфты В и С в правое положение (три муфты в правом положении) - выключаем из работы средние пары шестерен, остаются в работе только 1-я и 5-я пары шестерен. До шестерен второго ряда промвала 12 крутящий момент передается как на 1-й передаче, далее по нижней полумуфте В (16) на шестерню третьего ряда, затем с шестерни по нижней полумуфте С (17) на шестерню 4-й пары и промвал 12, далее как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 1 и 5 от т.14 к т.3.
3
I
V
U=U×U=2,45×3,64=8,92.
Четвертая передача
Переключаем муфту В в левое положение, включаем в работу 2-ю и 3-ю пары шестерен в ускоряющем режиме. До шестерен второго ряда промвала 12 и по ним крутящий момент передается как на 2-й передаче, далее по верхней полумуфте В (16) на шестерни третьего ряда, затем по нижней полумуфте С (17) на шестерню 4-й пары и промвал 12, далее как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат четыре луча: 1, 2, 3 и 5 от т.14 к т.4.
4
I
II
III
V
U=U×U'×U'×U=2,45×1/1,1×1/1,1×3,64=7,37.
Пятая передача
Изменяем положения первых трех муфт - выключаем из работы 1-ю пару шестерен. Крутящий момент с первичного вала 10 по верхней полумуфте А (15) поступает на 2-ю пару шестерен, затем по верхней полумуфте В (16) на 3-ю пару шестерен и далее как на 1-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат четыре луча: 2, 3, 4 и 5 от т.14 к т.5.
5
II
III
IV
V
U=U×U×U×U=1,1×1,1×1,35×3,64=5,95.
Шестая передача
Переключаем муфту В в левое положение, выключаем из работы 2-ю и 3-ю пары шестерен. Крутящий момент с первичного вала 10 по верхней полумуфте А (15) поступает на 2-ю пару шестерен, по верхней полумуфте В (16) поступает на 3-ю пару шестерен, далее как на 5-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 4 и 5 от т.14 к т.6.
6
IV
V
U=U×U=1,35×3,64=4,91.
Седьмая передача
7
II
V
Все муфты в правом положении - в работе 2-я и 5-я пары шестерен. По сравнению с 5-й передачей из работы выключены 3-я и 4-я пары шестерен. До шестерни 2-го ряда промвала 12 крутящий момент поступает как на 5-й передаче, затем по нижним полумуфтам В (16) и С (17) на промвал 12, далее как на 5-й передаче. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 2 и 5 от т.14 к т.7. U=U×U=1,1×3,64=4,0.
Восьмая передача
8
III
V
Переключаем муфту В в левое положение, выключаем из работы 2-ю и включаем 3-ю пару шестерен в ускоряющем режиме. Крутящий момент с первичного вала 10 по верхним полумуфтам А (15) и В (16) поступает на 3-ю пару шестерен, по нижней полумуфте С (17) поступает на промвал 12, далее как на 5-й и 8-й передачах. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 3 и 5 от т.14 к т.8. U=U'×U=1/1,1×3,64=3,3.
Девятая передача
9
I
III
Переключаем муфту В в правое положение - по сравнению с 1-й передачей выключаем из работы 4-ю и 5-ю пары шестерен. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню промвала 12, по нижним полумуфтам А (15) и В (16) на 3-ю пару шестерен, по верхним полумуфтам С (17) и D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: пологий луч 1 из т. 14 на верхней горизонтали, вниз направо к средней горизонтали, далее луч 3 направо вверх к т.9 на верхней горизонтали. U=U×U=2,45×1,1=2,7.
Десятая передача
Переключаем муфту В в левое положение, все муфты в левом положении, выключаем из работы 3-ю и включаем 2-ю пару шестерен в ускоряющем режиме. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню промвала 12, по нижней полумуфте А (15) на 2-ю пару шестерен, по верхним полумуфтам В (16), С (17) и D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 1 и 2 от т.14 к т.10.
10
I
II
U=U×U'=2,45×1/1,1=2,22.
Одиннадцатая передача
Переключаем муфты В и С в правое положение, выключаем из работы 2-ю и включаем 4-ю пару шестерен в ускоряющем режиме. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню промвала 12, по нижним полумуфтам А (15), В (16) и С (17) на 8-ю пару шестерен, по верхней полумуфте D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 1 и 4 от т.14 к т.11.
11
I
IV
U=U×U'=2,45×1/1,35=1,82.
Двенадцатая передача
Переключаем муфту В в левое положение - по сравнению с 10-й передачей в работу дополнительно включились 3-я и 4-я пары шестерен в ускоряющем режиме. Крутящий момент от шестерни первичного вала 10 передается на шестерню промвала 12, по нижней полумуфте А (15) на 2-ю пару шестерен, по верхней полумуфте В (16) на 3-ю пару шестерен, по нижней полумуфте С (17) на 4-ю пару шестерен и муфтой D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат четыре луча: 1 и 2 от т.14 к т.10 и 3,4 к т.12.
12
I
II
III
IV
U=U×U'×U'×U'=2,45×1/1,1×1/1,1×1/1,35=1,5.
Тринадцатая передача
Изменяем положения трех первых муфт - по сравнению с 7-й передачей заменяем 5-ю пару на 3-ю - работают 2-я и 3-я пары шестерен. До шестерни 2-го ряда промвала 12 крутящий момент поступает как на 7-й передаче, затем по нижней полумуфте В (16) на 3-ю пару шестерен, далее по верхней полумуфте С (17) и муфте D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 2 и 3 от т.14 к т.13.
13
II
III
U=U×U=1,1×1,1=1,22.
Четырнадцатая передача - прямая
14
Переключаем муфту В в левое положение - все пары шестерен выключены из работы. Крутящий момент с первичного вала 10 по верхним полумуфтам А (15), В (16), С (17) и муфте D (18) поступает на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме эта передача представлена кружком в т.14. U=1,0.
Пятнадцатая передача - 1-я ускоряющая
Переключаем муфты В и С в правое положение, включаем в работу 2-ю и 4-ю пары шестерен, последняя в ускоряющем режиме. До шестерни 2-го ряда промвала 12 крутящий момент поступает как на 7-й и 13-й передачах, затем по нижним полумуфтам В (16) и С (17) на 4-ю пару шестерен, далее по муфте D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 2 и 4 от т.14 к т.15.
15
II
IV
U=U×U'=1,1×1/1,35=0,82.
Шестнадцатая передача - 2-я ускоряющая
Переключаем муфту В в левое положение - выключаем из работы 2-ю и включаем 3-ю пары шестерен, обе в ускоряющем режиме. По сравнению с 8-й передачей заменяем 5-ю пару на 4-ю. Крутящий момент с первичного вала 10 по верхним полумуфтам А (15) и В (16) поступает на 3-ю пару шестерен, по нижней полумуфте С (17) на 4-ю пару шестерен, далее по муфте D (18) на вторичный вал 13. На лучевой диаграмме этой передаче принадлежат два луча: 3 и 4 от т.14 к т.16.
16
III
IV
U=U'×U'=1/1,1×1/1,35=0,67.
1
16
Диапазон КП и трансмиссии составил D=U/U=13,24/0,67=19,74.
По п.2 на фиг.3,а на выходе 8-ступенчатой КП установлены ПМП 29. ПМ (планетарные механизмы) этих ПМП реализуют несколько режимов работы (состояний ПМ), указанных под фиг.3,а:
I - (см. вид слева внизу). Привод ведущего колеса 47 выключен. Муфты переключения 38 и 40 в крайнем внутреннем положении - наружные зубчатые венцы 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41 не взаимодействуют с зубчатыми венцами муфт переключения и ПМП.
h
ab
II - (см. вид справа внизу). U =-К. Задний ход. Зубчатый венец 35 стенки водила (h) 32 внутренней муфтой переключения 38 замкнут на трехпозиционный зубчатый венец 37 корпуса ПМП 29 - водило h остановлено. Солнечная шестерня 31 (а) через сателлиты водила 32 вращает эпициклическое колесо 33 (b) с зубчатым венцом 36, изменяя направление его вращения. Наружная муфта переключения 40 с внутренними двойным и одинарным зубчатыми венцами передает увеличенный крутящий момент на наружные зубчатые венцы 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41, далее по валу привода 46 на ведущее колесо 47. Фрикционные диски муфты 41 разомкнуты.
На лучевой диаграмме (см. фиг.3,б) это состояние ПМП отражено лучами от точек 1-8 на средней горизонтали (передачи КП) к точкам 1R-8R на нижней горизонтали - 8 передач заднего хода.
(hb)
III - (см. вид слева вверху). U=1,0. Прямая передача. Внутренняя муфта переключения 38 выключена - остановленных звеньев нет. Наружная муфта переключения 40 внутренним двойным зубчатым венцом замыкает зубчатые венцы 34 и 36 водила 32 и эпициклического колеса 33 - ПМ заблокирован - все три звена вращаются с одинаковой скоростью. Одинарный зубчатый венец муфты передает крутящий момент на наружные зубчатые венцы 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41, далее по валу привода 46 на ведущее колесо 47. Фрикционные диски муфты 41 разомкнуты.
На лучевой диаграмме (см. фиг.3,б) это состояние ПМП отражено вертикальными лучами от точек 1-8 на средней горизонтали (передачи КП) к точкам 9-16 на верхней горизонтали - 9-16-я передачи переднего хода КП и ПМП.
b
ah
IV - (см. вид справа вверху) U =K+1. Зубчатый венец 36 эпициклического колеса 33 (b) внутренней муфтой переключения 38 замкнут на трехпозиционный зубчатый венец 37 корпуса ПМП 29 - эпициклическое колесо (b) остановлено. Солнечная шестерня 31 (а) вращает сателлиты и водило 32 (h) относительно остановленного эпициклического колеса 33. Наружная муфта переключения 40 с внутренними двойным и одинарным зубчатыми венцами передает увеличенный крутящий момент на наружные зубчатые венцы 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41, далее по валу привода 46 на ведущее колесо 47. Фрикционные диски муфты 41 разомкнуты.
b
8
ah
b
a
На лучевой диаграмме (см. фиг.3,б) это состояние ПМП отражено пологими лучами от точек 1-8 на средней горизонтали (передачи КП) к точкам 1-8 на верхней горизонтали - 1-8-я передачи переднего хода КП и ПМП. При q=1,22, U =K+1=1,22=4,91. К=Z/Z=3,91. Рекомендуется К не более 5.
V - Остановка ведущего колеса. Передвигаем муфты переключения 38 и 40 в крайнее наружное положение. Наружная муфта 40 соединяет зубчатый венец 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41 с зубчатым венцом 43 борта корпуса 30 гусеничной НТМ.
ПМП прототипа может находиться в трех положениях в соответствии с положением рычага управления: в исходном (прямолинейное движение), в первом (поворот с частично заторможенной гусеницей) и во втором (поворот с полностью заторможенной гусеницей).
Предлагаемое техническое решение имеет более широкие возможности:
b
ah
(hb)
1. Прямолинейное движение переднего хода обеспечивается в IV (U =K+1) и III (U=1,0) состояниях ПМП: 1-8-я и 9-16-я передачи.
2. Поворот с частично заторможенной гусеницей обеспечивается в I состоянии ПМП при частичном замыкании фрикционных дисков многодисковой фрикционной муфты 41, например, за счет гидропривода. Внутренние венцы дисков 44 фрикционной муфты 41, установленные на трубчатом валу 45 бортов корпуса 30 гусеничной НТМ, притормаживают корпус многодисковой фрикционной муфты 41, вал привода 46 и ведущее колесо гусеничной НТМ.
3. Поворот с полностью заторможенной гусеницей обеспечивается в V состоянии ПМП, когда наружная муфта 40 соединяет зубчатый венец 42 корпуса многодисковой фрикционной муфты 41 с зубчатым венцом 43 борта корпуса 30, останавливая вал привода 46 и ведущее колесо 47 гусеничной НТМ. Такой же эффект можно обеспечить за счет полного замыкания фрикционных дисков многодисковой фрикционной муфты 41.
h
ab
4. Движение задним ходом достигается во II состоянии ПМП (U =-К), при остановленном водиле (h) 32 меняется направление вращения звеньев входа (солнечная шестерня (а) 31) и выхода крутящего момента (эпициклическое колесо (b) 33).
пр
1кп
ah
л
1кп
ab
пр
1кп
(hb)
b
h
5. Высокая маневренность - разворот гусеничной НТМ практически на одном месте реализуется при различных направлениях вращения ведущих колес 47. Например, если на 1-й передаче в 8-ступенчатой КП и низшей передаче ПМП (IV состояние) правого борта общее передаточное число составит U=U×U =13,24×(K+1)=3,3×4,91=16,2. Передаточное число левого борта при заднем ходе (II состояние) составит U=U×U =3,3×(-3,91)=-12,9. Знак минус указывает на изменение направления вращения. Возможно III состояние ПМП, при этом U=U×U=3,3.
6. Фиксация гусеничной НТМ на месте реализуется при V состоянии обоих ПМП.
(1/6,5)
8
l5
При ограничении максимального передаточного числа в одной паре шестерен на уровне 4,25 (1-я передача КП КамАЗ) можно увеличить шаг передаточных чисел до q=4,25=1,25. В этом случае (K+1)=1,25=5,96: К=4,96, что также допустимо. Диапазон трансмиссии достигнет величины D=1,25=28,42. Для увеличения максимального передаточного числа низшей передачи и минимальной (ползучей) скорости движения можно установить дополнительную зубчатую передачу (редуктор) между вторичным валом 13 КП 11 и ПМП 29 или между ПМП и ведущими колесами 47.