20-режимная однопоточная вальная коробка передач "Конфигурация-20"
20-MODE SINGLE-PASS GEARBOX "CONFIGURATION-20"

Изобретение относится к однопоточным вальным коробкам передач с промежуточными параллельными валами и зубчатыми колесами, для колëсных и гусеничных машин, главным образом семейства колесных тракторов тягового класса 4. Область применения, в расширенном представлении: колесные трактора 4х4 общего назначения, транспортно-технологические машины с др. колесной формулой, гусеничные трактора (сельскохозяйственные, трелевочные, общего назначения), строительно-дорожные машины.
На отечественных и зарубежных колесных тракторах широкое применение нашли вальные коробки передач (КП) механического типа, с несколькими ведомыми (промежуточными) параллельными, последовательными или параллельно-последовательными валами, на которых установлены зубчатые колеса и элементы управления (фрикционные и/или зубчатые муфты), причем они, как правило, автоматизированы или адаптированы к автоматизации [1. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986.– 126 с., ил. – С. 1-10, 14, рис. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.10 ;  2. RU 00131781, МПК B60K 17/32, 27.05.2000 ;  3. RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011;  4. 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 и компоновочных проблем.
В частности, расширяется практика применения дисковых фрикционных элементов управления (переключения передач) [5. RU 2167772, МПК B60K17/00, B60K 17/08, 27.05.2001 ; 6. RU 2657483, МПК F16H 3/08, F16H 3/093, 14.06.2018], 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).
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является многорежимная однопоточная вальная коробка передач, содержащая ведущий 0, промежуточные А, B, C и выходной X валы, расположенные параллельно друг другу в картере на подшипниках так, что валы А и B являются супротивно расположенными по отношению к валу 0, а установленные на валах зубчатые колеса и дисковые фрикционные элементы управления в количестве девяти, с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с вала 0 выборочно напрямую через вал A или вал B на вал C и далее на вал X  [7. RU 2658474, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 21.06.2018, табл. 1, схема № 4].
В КП-прототипе вал С (здесь и далее – в обозначениях заявляемого изобретения; A и B соответствуют, например, позициям 1 и 2 в прототипе) является тоже супротивно расположенными по отношению к валу 0 и, совместно с валами A и B расположены периферийно по отношению к центральному валу 0 симметрично с угловым шагом φ = 120°.
При всех положительных качествах КП-прототипа (снижение осевого габарита КП;  снижение длины валов и увеличение их жесткости; упрощение схемы за счет ее осевой симметрии; повышение унификации ведомых валов, большинства деталей и узлов КП, оптимизация системы управления, обеспечение безразрывности переключения режимов работы путем отказа от зубчатых муфт; обеспечение возможности варьирования передаточных отношений режимов; обеспечение возможности использования любого ведомого вала для получения группы передач заднего хода (т.к. пара зубчатых колес, установленных на центральном 6 и любом другом валу 1-5 соответственно, дает изменение направления вращения);  возможность применения с гидротрансформатором и любым двигателем, установив согласующий редуктор на входе и скорректировав передаточное отношение сумматора; конструктивная и компоновочная рациональность с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования), с двигателем компоновочной схемы «звезда»; конструктивная и компоновочная адаптация к организации на базе КП трансмиссии с параллельными потоками мощности),  ему свойственен, однако, следующий недостаток: не предусмотрена возможность придания совокупности осей всех валов, в поперечном сечении КП, распределения в пространстве сообразно различным вариантам расположения соседних элементов моторно-трансмиссионного отделения (МТО) транспортного средства.
Например, при компоновочной целесообразности двухстороннего охвата коробкой передач двигателя внутреннего сгорания (Г-образность КП), особенно в моноблочных конструкциях, где минимизируются габариты моноблока и одновременно максимизируется плотность компоновки.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанного недостатка КП-прототипа и, соответственно, в разработке компактной 20-режимной коробки передач, адаптированной к соответствующим компоновочным условиям в МТО
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в 20-режимной однопоточной вальной коробке передач, содержащей ведущий, три промежуточных и выходной валы, расположенные параллельно друг другу в картере на подшипниках так, что два промежуточных вала являются супротивно расположенными по отношению к ведущему валу и взаимосвязаны с ним без валов-посредников, жестко установленные на валах зубчатые колеса и дисковые фрикционные элементы управления в количестве девяти, с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с ведущего вала выборочно напрямую через один из супротивно расположенных промежуточных валов на третий промежуточный вал и далее на выходной вал,  согласно заявляемому изобретению,  третий промежуточный вал связан с ведущим валом посредством первых двух промежуточных валов на выбор, конфигурация распределения в пространстве совокупности осей валов в поперечном сечении коробки передач выполнена фигурной, с возможностью не менее чем двухстороннего охвата соседнего элемента или соседним элементом в моторно-трансмиссионном отделении и при агрегатировании с ним, при этом 20 режимов обеспечено количеством зубчатых колëс, не считая предусмотренные паразитные, распределенных, при попарном соединении, по два на ведущем и выходном валах, пять и четыре на супротивных ведущему валу промежуточных валах соответственно и шесть на третьем промежуточном валу, а дисковые фрикционные элементы – по два на валах ведущем, смежном с ним одним промежуточном и третьем промежуточном, и три на другом супротивном ведущему промежуточном валу.
Решение поставленной проблемы достигается также за счёт дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- выходной вал может не являться супротивно расположенным по отношению к ведущему валу  (Это обеспечивает, в сравнении с др. частными случаями, умеренный поперечный габарит КП);
- КП может быть выполнена с одинаковым межосевым расстоянием между ведущим с одной стороны и каждым из первых двух промежуточных с другой стороны, с образованием крестообразной конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач  (Это позволяет, в сравнении с др. частными случаями, сократить осевой габарит КП при минимальном отклонении от «плоскостности» КП);
- КП может быть выполнена с  Г-образной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач  (Это позволяет «вписать» КП в «угол» удлиненной силовой установки и моторно-трансмиссионного отделения – МТО);
- КП может быть выполнена с  П-образной конфигурацией совокупности всех валов в поперечном сечении коробки передач  (Это позволяет, в частности, скомпоновать КП с др. агрегатом с его боковым охватом, возможно сохранив соосность валов B и X в валом этого агрегата, или обеспечить смещение вала X относительно вала 0);
- КП может быть выполнена с зигзагообразной конфигурацией (Z или зеркальная Z, или М) совокупности всех валов в поперечном сечении коробки передач  (Это может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двумя другими устройствами);
- КП может быть выполнена с  Р-образной конфигурацией совокупности всех валов в поперечном сечении КП, при одинаковом расстоянии от оси ведущего вала до оси каждого из первых двух промежуточных валов  (Это может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двигателем, силовой установкой или др. устройствами машины в соответствующей ситуации).
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 20-режимной однопоточной вальной коробки передач «Конфигурация-20» пояснено на чертежах:
01
02
a1
a2
a3
b1
b2
c1
c2
на фиг.1 показана условно развернутая на плоскость кинематически-блочная схема четырëхстепенной (4 степени свободы) коробки передач «Конфигурация-20» с пятью параллельными валами при девяти дисковых фрикционных муфтах) в продольной ее проекции, где 0, X − ведущий и выходной валы соответственно к двигателю и к движителю машины;  A и B − промежуточные валы, супротивные ведущему валу 0;  С – последующий промежуточный вал, не супротивный валу 0 и супротивный валу(ам) А и/или B;  c, c – первая и вторая муфты на валу 0;  c, c, c – первая, вторая и третья муфты на валу A;  c, c – первая и вторая муфты на валу B;  c, c – первая и вторая муфты на валу C;  i (с двойными индексами по номерам зубчатых колес «ведущее-ведомое») – передаточные отношения зубчатых пар;
на фиг. 2 – конфигурация К1 (одна из возможных, приоритетная) коробки передач «Конфигурация-20»; частный пример крестообразной конфигурации расположения валов), где 0, A, B, C, X − обозначения валов согласно фигуре 1;
на фиг. 3 показана серия других возможных конфигураций (К2-К11) коробки передач «Конфигурация-20».
Позициями на фиг. 1 обозначены зубчатые колеса (условно показаны одинакового диаметра, что скомпенсировано обозначением различных величин передаточного отношения i ):
20-режимная однопоточная вальная коробка передач (КП) с четырьмя степенями свободы, по любому частному примеру (случаю) конструктивного исполнения (см. далее по тексту), содержит (см. фиг. 1-3) валы – ведущий 0, он же входной (соединяемый с последним перед КП валом от двигателя), и ведомые, в том числе промежуточные A, B, C и выходной X. При этом валы 0 и X могут быть соединены муфтами (не показаны) с внешними по отношению к КП устройствами (двигателем, движителем и др.). Валы А и B являются супротивно расположенными по отношению к валу 0 и взаимосвязаны с ним без валов-посредников. Все валы установлены параллельно друг другу в картере на подшипниках.
На валах 0, A, B, C, X установлены зубчатые колëса и дисковые фрикционные элементы управления режимами КП (подробнее см. ниже по тексту), с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с вала 0 выборочно напрямую через вал A или вал B на вал C и далее на вал X.
При этом количество зубчатых колëс, не считая паразитные (на подшипниках), равно двадцати и они распределены, посредством пар зубчатых колес, иначе говоря –  при попарном соединении (подробнее см. далее по тексту) по два на валах 0 и X, пять на валу A, четыре на валу B и шесть на валу C, а дисковые фрикционные элементы – по два на валах 0, B, C и три на валу A.
Конкретнее, распределение ФЭУ и зубчатых колëс (далее просто «колëс») по валам следующее (слева направо):
01
02
на входном валу 0 –  колëса 1 и 2  с ФЭУ с и с соответственно при них;
a1
a3
a2
на валу А – колëса 3, 4, 19, 5, 6  с ФЭУ c, c, c, соответственно при колëсах     3, 19 и 6;
b1
b2
на валу B – колëса 7, 8, 9, 10  с ФЭУ c, c, соответственно при колëсах 7 и 10;
c1
c2
на валу C – колëса 11, 12, 13, 14, 15, 16  с ФЭУ c, c, соответственно при колëсах 13 и 14;
на валу X – колëса 17, 18.
Дальнейшее описание устройства касается частных (то есть не обязательных, но рекомендуемых) конструктивных особенностей заявляемой КП.
В первом таком случае вал X не является супротивно расположенным по отношению к валу 0.
КП может быть выполнена как с крестообразной, иначе (с использованием стандартных символов в программном обеспечении персональных компьютеров) †- образной (см. фиг. 2) конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (при условии одинакового межосевого расстояния между валом 0 с одной стороны и валами А и B с другой стороны), так и с иными конфигурациями (в зависимости от конкретных задач компоновки и/или агрегатирования при конструировании КП).
К «иным» конфигурациям относятся, согласно заявляемому изобретению, следующие (см. таблицу конфигураций – таблица в порядке следования изображений в ней):  Г-образная;  П-образная;  зигзагообразная (Z- или зеркально-Z-образная или М-образная);  Р –образная (к P-образности сводятся также d-, b-, q-образность; также при условии одинакового межосевого расстояния между валом 0 с одной стороны и валами А и B с другой стороны).
01
02
a1
a2
a3
b1
b2
c1
c2
При любой из перечисленных выше совокупностей существенных конструктивных признаков (в том числе и конфигураций), все упомянутые элементы управления выполнены в виде дисковых фрикционных муфт c, c,  c, c, c,  c, c,  c, c  с гидравлическим включением.
Таблица.
Использование ФЭУ для схемы (см. фиг. 1)
На фиг. 2 и 3 показаны возможные конфигурации (К1-К11) схемы по фиг. 1 в пространстве.
«Приоритетная» крестообразная конфигурация К1 (см. фиг. 2) характеризуется укороченным осевым размером КП при незначительном увеличении поперечного габарита и наличии поперечной симметрии.
Линейная конфигурация К2 (см. фиг. 3 здесь и далее в обсуждении конфигураций) «крайний» в геометрическом плане частный случай изобретения, максимально приближенный к классической «плоскостной» схеме, по которой выполнена большая часть вальных КП, соответственно, с сохранением их достоинств.
Г-образная конфигурация позволяет «вписать» КП в «угол» удлиненной силовой установки и моторно-трансмиссионного отделения – МТО.
Конфигурация в виде равностороннего уголка может быть отнесена к упомянутой Г-образной и позволяет «вписать» КП в «угол» укороченной силовой установки и МТО.
П-образная конфигурация позволяет, в частности, скомпоновать КП с др. агрегатом с его боковым охватом, возможно сохранив соосность валов B и X в валом этого агрегата, или обеспечить смещение вала X относительно вала 0.
Зигзагообразная конфигурация (Z или зеркальная ей, а также М-образная) может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двумя другими устройствами.
P- образная конфигурация может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двигателем, силовой установкой или др. устройствами машины в соответствующей ситуации.
К P- образной можно отнести также:
b-, q-, м-, p-конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач.
Достоинства схемы КП-I:
- минимальное число дисковых ФЭУ;
- короткие жесткие валы;
- компактность в первую очередь в осевом направлении.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Мощность, поступающая извне на входной вал 0, передается неделимым потоком далее по КП, в зависимости от состояния (включен/выключен) элементов управления, на выходной вал X.
01,
a1
c1
Определенный режим (передача) определяется включением трех соответствующих муфт (например, на первом режиме – с c, c), как это и должно быть в механизмах с четырьмя степенями свободы.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет расширить компоновочные возможности КП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении КП, сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и машины в целом, с обеспечением плотной компоновки.  Последний технический результат особенно важен с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования) КП с двигателем.    А это определяет улучшение технико-эксплуатационных показателей.
Целесообразность присвоения устройству названия «Конфигурация-20» обусловлена, во-первых, значимостью этого названия (привязкой к конструктивным особенностям), с перспективой дальнейшего продвижения на рынок, а во-вторых, различимостью (идентификацией) в линейке (спектре, семействе) запланированных конструктивных решений тракторных КП.