ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ

Устройство относится к транспортному машиностроению, в частности к механизмам трансмиссий транспортных средств.
Известны устройства с переключением зубчатых передач в многоступенчатых коробках путем перемещения шестерен в осевом направлении на величину ширины зуба, и выхода таким образом зубьев одной из шестерен из зацепления с шестерней выключаемой передачи и входа зубьев другой шестерни в зацепление с шестерней включаемой передачи (В.В. Осепчугов, А.К. Фрумкин «Автомобиль. Анализ конструкций элементы расчета», М. Машиностроение 1989, с. 66).
Недостатком такого устройства является необходимость синхронизации вращения включаемых шестерен до выравнивания окружных скоростей включаемых зубьев, что усложняет конструкцию и существенно увеличивает время включения. Другим недостатком такого способа является возможность утыкания торцев зубьев при входе их в зацепление, особенно при включении первой передачи при неподвижном ведомом валу, в результате чего необходимо делать новую попытку включения. Кроме того, перед включением выбранной передачи необходимо полностью вывести из зацепления шестерни ранее включенной передачи. Следовательно, при таком способе переключение передач возможно только с разрывом потока мощности.
Существенным недостатком устройства является также то, что при включении в зацепление входит один зуб, и начальная ширина контакта зубьев равна нулю, в процессе включения она постепенно увеличивается до полной ширины зуба в конце включения. Это приводит к большой механической нагруженности зуба по всем видам напряжений, повышенному износу торцев зубьев, выкрашиванию контактных поверхностей и поломке зубьев.
Известно устройство с переключением зубчатых передач в многоступенчатых коробках, в котором шестерни каждой передачи находятся в постоянном зацеплении между собой, а зацепление одной из шестерен с валом достигается путем использования зубчатых муфт, перемещаемых в осевом направлении, кинематически связанных с валом и входящих при включении с зубьями полумуфты шестерни включаемой передачи. При выключенной передаче шестерня свободно вращается на валу на подшипниковом сопряжении, а после зацепления с зубьями перемещаемой муфты, блокируется на валу, и включается выбранная передача (см. В.В. Осепчугов, А.К. Фрумкин «Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета», М, Машиностроение 1989, с. 66, 67.). В этом устройстве устранены некоторые недостатки изложенного выше устройства благодаря передаче действующих механических нагрузок практически одновременно большого количества зубьев муфты. Недостатками данного способа остается необходимость синхронизации вращения до выравнивания окружных скоростей зубьев муфты и полумуфты, что увеличивает количество деталей, усложняет конструкцию, вызывает повышенные износы синхронизаторов трения. Кроме того, невозможно переключение передач без разрыва потока мощности. Рабочая поверхность зубьев муфт в начале процесса включения также как и в первом случае, равна нулю и достигает максимального значения только в конце процесса включения. Это приводит к большим напряжениям, возможности поломки и повышенному износу торцев зубьев.
Известно устройство с переключением передач в многоступенчатых коробках путем применения блокирующих фрикционов для каждой включаемой передачи (см. В.В. Осепчугов, А.К. Фрумкин «Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета» М., Машиностроение 1989 с. 87, 88). При этом способе шестерни одного из валов (ведомого или ведущего) находятся в жесткой кинематической связи, например, соединены с валом шлицами, а шестерни другого вала вращаются относительно его на подшипниках. Между собой шестерни находятся в постоянном зацеплении. Ведущие элементы фрикциона связаны постоянно с этим валом, а ведомые с шестерней соответствующей передачи. Включение фрикциона, сжатие с необходимым усилием ведущих и ведомых дисков, приводит к блокировке шестерни включаемой передачи на валу и осуществляет включение передачи. Выключение фрикциона освобождает шестерню и выключает передачу. При частичном включении и буксовании двух фрикционов возможно одновременное включение двух передач и, следовательно, переключение передач без разрыва потока мощности.
Недостатком данного устройства является необходимость применения индивидуальных фрикционов для каждой передачи, что приводит к конструктивной сложности коробки передач, необходимости гидравлических систем сжатия дисков и управления фрикционами, повышенный износ фрикционов и большое количество дефектов в эксплуатации, существенные потери на трение между большим количеством дисков выключенных фрикционов вследствие относительного вращения с высокой относительной скоростью в среде смазочного масла с малыми зазорами между фрикционными дисками. Такими же недостатками обладают планетарные коробки передач, в которых включение осуществляется блокировочными фрикционами или фрикционными тормозами (см. В.В. Осепчугов, А.К, Фрумкин «Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета» М., Машиностроение 1989, с. 89).
Известно устройство с переключением, применяемое в коробке передач станочного привода фиг. 1 (см. Машиностроение. «Энциклопедический справочник» Т 9. М., Машиностроение 1949, стр. 39, табл. 5). Оси валов 1 и 2 параллельны, колесо 4 перемещается вдоль вала 2 и через промежуточную шестерню 5 вводится в зацепление с одной из шестерен, установленных на валу 1. Ось промежуточной шестерни 6 размещена в поворотной каретке. Путем поворота каретки изменяют и получают требуемое межосевое расстояние между осью шестерни 5 и осью вала 1. В каждом положении промежуточной шестерни 5 участвуют в зацеплении шестерни с различными числами зубьев, благодаря чему получают различные передаточные отношения.
Недостатком данного способа является значительное перемещение промежуточной шестерни по сложной траектории и большое время переключения. Для переключения необходимо повернуть вручную каретку, вручную переместить ее в осевом направлении, установить точно против шестерни включаемой передачи вала 1, повернуть каретку для зацепления шестерни 5.
Недостатком устройства является то, что переключение происходит с длительным разрывом кинематической связи и разрывом потока мощности. Другим недостатком данного является необходимость использования для всех передач одной промежуточной шестерни, что ограничивает возможность конструирования необходимостью выбора одного модуля для всех зубчатых зацеплений всех передач коробки и ограничений по числу зубьев в зависимости от траектории перемещения оси промежуточной шестерни. Недостатком данного способа является так же необходимость приложения внешнего усилия для перемещения оси промежуточной шестерни при включении и при выключении, Причем из-за сложности пространственной траектории оси промежуточной шестерни вектор силы должен быть переменным по величине и направлению, что затрудняет управление и, особенно, автоматизацию переключения.
Известно также устройство с переключением передач гитары станка, фиг. 2, - устройство установки зубчатых колес между валами с неизменным межосевым расстоянием с целью изменения передаточного отношения. (Крайнев A.M. Словарь-справочник по механизмам. М., Машиностроение, 1984 с. 64). Устройство устанавливают между шпинделем и валом коробки передач. Передаточное отношение изменяют подбором и сменой зубчатых колес 3 и 4. Зубчатое колесо 5 промежуточное, его число зубьев не влияет на передаточное отношение. Межосевое расстояние задают с помощью фиксатора 10. Поворот кулисы 9 определяет межосевое расстояние aw1. Кулису закрепляют в определенном угловом положении фиксатором 10, расположенным в круговом пазу кулисы 9.
Недостатком этого устройства является наличие дополнительных ручных операций для осуществления переключения, ослабления и закрепления фиксатора 10, перемещения, поворота и точной установки кулисы 9, перемещения колеса 5, причем необходима точная регулировка бокового зазора в зубчатых зацеплениях, т.е. необходима при каждом переключении настройка зубчатых зацеплений, что требует больших затрат труда и высокой квалификации оператора. Эти недостатки делают применение такого устройства неприемлемым для коробок передач транспортных машин, в которых переключение должно происходить быстро и просто.
1
3
5
2
5
2
1
3
5
2
1
3
5
2
Наиболее близким устройством к предлагаемому техническому решению является устройство переключения передач в многоступенчатой коробке (патент РФ №2268162, МПК B60K 17/08, опубл. 20.01.2006). Сущность устройства-прототипа поясняется чертежом на фиг. 3. Устройство переключения зубчатых передач содержит входной O и выходной О валы, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием. Шестерни одной передачи 4 входного и 6 выходного валов входят в зацепление через промежуточную 5, а шестерни 1 и 3 другой передачи - через промежуточную шестерню 2. Промежуточные шестерни 5 и 2 расположены на подвижной криволинейной оси ОО с угловым смещением. Ось ОО установлена с возможностью поворота вокруг оси входного вала O или выходного вала О и может быть зафиксирована стопором. При повороте оси ОО вокруг оси входного вала O одна из промежуточных шестерен 5 или 2 выходит из зацепления, а вторая входит в зацепление с шестернями 3 или 6 выходного вала О в зависимости от направления вращения оси ОО.
Недостатком такого устройства является необходимость для переключения передач кругового вращения подвижной оси. Для возможности этого вращения межосевое расстояние входного и выходного валов должно быть увеличено на величину диаметра промежуточной шестерни. Это приводит к увеличению размеров устройства и, следовательно, габаритов и массы конструкции. Этот недостаток снижает имеющиеся преимущества такого устройства по возможности переключения передач без синхронизации скоростей вращения включаемой передачи, входа зубьев в контакт при включении по полной линии зацепления, переключения без разрыва потока мощности, использования для переключения внутренних сил, действующих в зубчатом зацеплении.
Техническая задача предлагаемого решения направлена на изменение межосевого расстояния шестерен, уменьшение габаритов и массы конструкции устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство для переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке с двумя передачами, каждая из которых содержит выходной вал с закрепленными на нем шестернями, соединенный через трансмиссию с ведущими колесами машины, входной вал с закрепленными на нем шестернями и промежуточными шестернями, в котором, согласно изобретению, промежуточные шестерни установлены свободно вращающимися на осях, которые закреплены в корпусе блока подвижных шестерен с возможностью его поворота вокруг оси ведущего или ведомого валов и который снабжен стопором, при этом оси промежуточных шестерен расположены с угловым сдвигом.
Особенностью заявляемого технического решения является то, что оси входного и выходного валов смещены на минимальное расстояние, при котором шестерни входного и выходного валов не входят в зацепление и обеспечивают зазор между вершинами зубьев шестерен входного и выходного валов. Для включения каждой передачи используется своя промежуточная шестерня, находящаяся с одной из шестерен передачи (ведомой или ведущей) в постоянном зацеплении. Оси двух промежуточных шестерни жестко связаны между собой корпусом блока и смещены на угол, обеспечивающий полный выход из зацепления любой промежуточной шестерни при полном входе в зацепление любой другой, шестерни перемещаются синхронно в процессе переключения и для этого используются силы, действующие на оси промежуточных шестерен от зубчатых зацеплений и вращающие их вокруг оси выходного или входного валов. При этом для выбора направления переключения двигатель машины переводят в тяговый или тормозной режим, а после переключения передачи ось промежуточных шестерен фиксируют от поворачивания стопором.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 4 представлена кинематическая схема устройства переключения передач.
8
5
Устройство переключения зубчатых передач содержит входной 1 и выходной 2 валы, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием. Шестерни одной передачи 3 входного и 4 выходного валов входят в зацепление через промежуточную 5, а шестерни 6 и 7 другой передачи - через промежуточную шестерню 8. Промежуточные шестерни 5 и 8 расположены на подвижной криволинейной оси OO с угловым смещением.
8
5
Ось OO установлена с возможностью поворота вокруг оси входного вала 1 и может быть зафиксирована стопором 9.
8
5
Регулируемые упоры 10 ограничивают крайние положения рычага 11 и блока 12 подвижных осей OO.
Устройство работает следующим образом.
8
5
8
5
При повороте оси OΟ вокруг оси входного вала 1 одна из промежуточных шестерен 5 или 8 выходит из зацепления, а вторая входит в зацепление с шестернями 4 или 7 выходного вала 2 в зависимости от направления вращения оси OO.
8
5
Взаимное угловое положение промежуточных шестерен 5 и 8 на криволинейной оси OO выбирают так, чтобы вход в зацепление одной из промежуточных шестерен происходил при полном выходе из зацепления другой промежуточной шестерни. Промежуточные шестерни входят и выходят из зацепления по полной линии контакта и ширине зуба и, следовательно, способны в момент переключения принимать полную расчетную нагрузку.
8
5
8
5
При применении предлагаемого устройства переключения зубчатых передач в многоступенчатых коробках передач на транспортных и тяговых машинах, например на автомобилях и тракторах, возможно использование для перемещения криволинейной оси OO и переключения передач крутящего момента, действующего на ось OO от окружных сил в зацеплении промежуточных шестерен 5 и 8 с шестернями валов 1 и 2. Изменение вида переключения (с первой передачи на вторую или наоборот) достигается изменением направления действия крутящего момента, то есть управлением работой двигателя в тяговом или тормозном режиме. Так, для схемы на фиг. 4 переключение с передачи шестерен 6 и 7 происходит при работе двигателя в тяговом режиме, когда крутящий момент на валу 1 направлен в сторону вращения по часовой стрелке, а тормозной момент на валу 2 действует со стороны ведущих колес. Для переключения на другую передачу, шестерни 6 и 7 необходимо перевести двигатель в тормозной режим, например, уменьшением подачи топлива, тогда крутящим становится момент на валу 2 со стороны ведущих колес, и ось промежуточных шестерен поворачивается в другую сторону.