ПЛАНЕТАРНЫЙ МЕХАНИЗМ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ

Техническое решение относится к зубчатым передачам с переменной скоростью вращения, используемым в трансмиссиях транспортных средств.
На грузовых автомобилях большой грузоподъемности с целью получения большого диапазона передаточных чисел могут использоваться коробки передач с комбинированной кинематической схемой, содержащие несколько пар зацепленных между собой шестерен, расположенных на параллельных валах с неподвижными осями вращения, и редуктор, представляющий собой трехзвенный блокируемый планетарный механизм. (Недялков А.П. Механические синхронизированные коробки передач / В сборнике научных трудов: Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники. - НАМИ, 1993, с.73-85).
Известен, принятый за прототип, планетарный механизм коробки передач, снабженный устройством для его блокировки и для связи его звена с реактивным зубчатым элементом, соединенным с корпусом, а именно для связи коронного колеса (короны) с зубчатым элементом, размещенным на внутренней поверхности задней наружной стенки корпуса, образующей опору для выходного вала (далее - устройство для переключения диапазонов планетарного механизма). Выходной вал выполнен заодно с водилом планетарного механизма, несущим сателлиты. С сателлитами имеет постоянное зацепление солнечная шестерня, представляющая собой зубчатый венец, выполненный на вторичном валу (патент РФ №2254507, F16H 37/04, В60К 17/08, опубл. 20.06.2005).
Внутренние зубья коронного колеса, имеющие зацепление с расположенными на водиле сателлитами, имеют возможность зацепления с наружными зубьями, выполненными на реактивном зубчатом элементе и на блокирующем зубчатом элементе. Устройство для переключения диапазонов планетарного механизма снабжено синхронизаторами, размещенными по разные стороны от сателлитов у реактивного и блокирующего зубчатых элементов.
Кроме этого, устройство для переключения диапазонов планетарного механизма содержит башмаки, выполненные в виде скоб, охватывающих коронное колесо со стороны его торцев для выборочного его зацепления с реактивным и блокирующим зубчатыми элементами. Башмаки имеют привод от двуплечего вильчатого рычага, имеющего вид двурогой вилки. На этом двуплечем вильчатом рычаге расположена шаровидная головка, вставленная в шток, имеющий привод от поршня силового цилиндра, наполняемого текучей средой под давлением. Устройство для переключения диапазонов планетарного механизма размещено в чашеобразной части корпуса. В ней же установлены стержни, служащие опорой вильчатого рычага.
Недостатком указанной конструкции является то, что во время проворота коронного колеса при взаимодействии зубьев коронного колеса и зубьев синхронизатора имеются значительные силы трения, препятствующие провороту коронного колеса для последующего вхождения его зубьев в зацепление с зубьями реактивного, либо блокирующего зубчатых элементов. Силы трения возникают на торцах коронного колеса в местах взаимодействия с башмаками по причине того, что в момент проворота коронного колеса двуплечий вильчатый рычаг по прежнему оказывает воздействие на коронное колесо через башмаки. Указанные силы трения усложняют как процесс проворота коронного колеса планетарного механизма, так и в целом процесс переключения планетарного механизма в заблокированное состояние, либо в режим редуктора. Наличие данных сил трения скольжения не гарантирует проворот коронного колеса, т.е. его разблокировку, при различных температурах, особенно отрицательных, которые могут быть при эксплуатации коробки передач в северных регионах.
Эти недостатки устраняются предлагаемым техническим решением.
Решаемая задача - обеспечение гарантированной разблокировки коронного колеса планетарного механизма при различных температурах, в том числе отрицательных.
Технический результат - обеспечение наилучших условий для проворота коронного колеса, происходящего от взаимодействия зубьев коронного колеса и зубьев синхронизатора в процессе переключения диапазонов планетарного механизма за счет максимального снижения сил трения от взаимодействия двуплечего вильчатого рычага, башмаков и коронного колеса.
Этот технический результат достигается тем, что в планетарном механизме коробки передач, содержащем солнечную шестерню, выполненную на вторичном валу, водило с сателлитами, расположенными на осях, коронное колесо с синхронизаторами и башмаки в виде скоб, охватывающих коронное колесо за торцы и обеспечивающих возможность осевого перемещения коронного колеса для поочередного зацепления с блокирующим и реактивным зубчатыми элементами, двуплечий вильчатый рычаг на опорных стержнях, в башмаках выполнены овальные пазы, а на двуплечем вильчатом рычаге установлены оси, входящие в эти пазы, позволяющие окружное перемещение башмаков вместе с коронным колесом относительно осей, установленных на двуплечем вильчатом рычаге, на которых установлены подшипники, перекатывающиеся по поверхности овальных пазов. Предпочтительно использование подшипников качения.
Решение задачи реализуется за счет замены в момент проворота коронного колеса трения скольжения башмаков о торцы коронного колеса на трение качения подшипников по поверхности овальных пазов, которое стало возможным благодаря выполнению овальных пазов в башмаках и установке на двуплечем вильчатом рычаге осей, входящих в эти пазы, на которых установлены подшипники, перекатывающиеся по поверхности овальных пазов.
На фиг.1 представлен продольный разрез планетарного механизма коробки передач.
На фиг.2 представлен общий вид планетарного механизма коробки передач.
На фиг.3 представлено устройство для переключения диапазонов планетарного механизма с реализованной в нем возможностью окружного перемещения башмаков вместе с коронным колесом относительно двуплечего вильчатого рычага и введенным в конструкцию устройства подшипником.
На фиг.4 представлено сечение овального паза башмака с размещенной внутри него осью, на которой установлены подшипники, перекатывающиеся по поверхности овального паза башмака.
На фиг.5 представлена конструкция двуплечего вильчатого рычага, вид спереди.
На фиг.6 изображена форма внутренних зубьев и расположение скосов на внутренних зубьях коронного колеса.
На фиг.7 изображена форма зубьев и расположение скосов на зубьях синхронизатора.
На фиг.8 представлена форма зубьев блокирующего и реактивного зубчатых элементов и расположение скосов на их зубьях.
Корпус 1 планерного механизма стыкуется с корпусом коробки передач 2, образуя единое внутреннее пространство коробки передач (фиг.1). У задней наружной стенки 3 коробки передач расположен планетарный механизм, содержащий солнечную шестерню 4, выполненную на вторичном валу 5, водило 6 с сателлитами 7, расположенными на осях 8 сателлитов, коронное колесо 9 с синхронизаторами 10, 11 и башмаки 12 в виде скоб (фиг.2), охватывающие коронное колесо 9 за торцы и имеющие возможность осевого перемещения коронного колеса 9 для поочередного зацепления с блокирующим 13 и реактивным 14 зубчатыми элементами, двуплечий вильчатый рычаг 15 на опорных стержнях 16 (фиг.3), установленных в корпусе 7 планерного механизма.
В башмаках 12 выполнены овальные пазы 17 (фиг.4), а на двуплечем вильчатом рычаге 15, установлены оси 18, входящие в овальные пазы 17, служащие для передачи усилия рычага 15 на башмаки 12 и позволяющие окружное перемещение башмаков 12 вместе с коронным колесом 9 относительно осей 18, установленных на двуплечем вильчатом рычаге 15 (фиг.5), на которых установлены подшипники 19, перекатывающиеся по поверхности овальных пазов 17 башмаков 12. В двуплечем вильчатом рычаге 15 выполнена шаровидная головка (фиг.2, 5), вставленная в шток 20, имеющий привод от поршня 21 силового цилиндра 22, наполняемого текучей средой под давлением.
Овальный паз 17 может быть выполнен с наклонными краями под углом Y≥0, наличие которых увеличивает момент разблокировки коронного колеса 9 в процессе переключения диапазонов планетарного механизма (фиг.4).
В качестве подшипников 19, устанавливаемых на осях 18, могут использоваться как подшипники качения, так и скольжения.
Внутренние зубья 23 коронного колеса 9 (фиг.1) имеют постоянное зацепление с зубьями сателлитов 7. Водило 6 планетарного механизма, несущее сателлиты 7, выполнено за одно целое с выходным валом 24 коробки передач. С сателлитами 7 имеет постоянное зацепление и солнечная шестерня 4, расположенная на вторичном валу 5. Подшипниковая опора 25 вторичного вала 5 расположена в выходном валу 24. С зубьями солнечной шестерни 4 имеет шлицевое соединение блокирующий зубчатый элемент 13, установленный на валу 5.
Реактивный зубчатый элемент 14 надет на шариковый подшипник качения 26, расположенный в задней наружной стенке 3 корпуса 1 планерного механизма, и на водиле 6, образуя его опору. Наружное кольцо подшипника 26 зафиксировано в осевом направлении между надетыми на него реактивным зубчатым элементом 14 и крышкой 27, примыкающей к внешней поверхности задней стенки 3. Реактивный зубчатый элемент 14 имеет со стороны сателлитов 7 сужающийся в их сторону кольцевой выступ с конической наружной поверхностью. Внутри выступа расположена резьбовая часть единых резьбовых крепежных элементов 28, в частности болтов, которыми реактивный зубчатый элемент 14 и крышка 27 соединены с задней наружной стенкой 3 корпуса 1 планерного механизма.
Синхронизаторы 10 и 11 размещены по разные стороны сателлитов 7 у реактивного 14 и у блокирующего 13 зубчатых элементов. Между синхронизатором 11, расположенным у реактивного зубчатого элемента 14, и сателлитами 7 помещен пружинный толкатель 29, выполненный в виде разрезного кольца с плоскими торцами, взаимодействующий с внутренними зубьями 23 коронного колеса 9. В зоне взаимодействия толкателя 29 с внутренними зубьями 23 коронного колеса 9 во внутренних зубьях 23 выполнены три поперечные канавки (на фиг. не показано).
Между толкателем 29 и синхронизатором 10, расположенным у блокирующего зубчатого элемента 13, в водиле 6 расположены штоки 30, 31. Эти штоки 30, 31 размещены парами соосно между собой. Причем они имеют дисковую головку 32, которой контактируют с толкателем 29 и синхронизатором 10.
Внутренние зубья 23 коронного колеса 9 имеют продольно сужающиеся участки 33, включающие скосы 34 и блокирующие скосы 35 (фиг.6).
Синхронизаторы 10 и 11 имеют наружные зубья 36 и 37, расположенные в два ряда (фиг.7). Наружные зубья 36 каждого синхронизатора имеют постоянное зацепление с внутренними зубьями 23 коронного колеса 9. Наружные зубья 37 выполнены крупнее наружных зубьев 36. На крупных наружных зубьях 37 со стороны наружных зубьев 36 выполнены блокирующие скосы 38.
Блокирующий 13 и реактивный 14 зубчатые элементы имеют наружные зубья 39, которые выполнены расширяющимися к коронному колесу 9 для обеспечения надлежащего зацепления с внутренними зубьями 23, исключающего самопроизвольный выход зубьев из зацепления, и имеющие включающие скосы 40 (фиг.8).
Планетарный механизм коробки передач работает следующим образом.
Рассмотрим процесс переключения планетарного механизма в заблокированный режим.
При необходимости уменьшить момент на выходном валу 24 планетарный механизм нужно заблокировать. Для этого необходимо наполнить соответствующую рабочую полость силового цилиндра 22 текучей средой под давлением, в результате чего произойдет перемещение поршня 21 и штока 20 и поворот на опорных стержнях 16 двуплечего вильчатого рычага 15, который через оси 18 воздействует на подшипники 19, находящиеся в первоначальном крайнем положении в овальных пазах 17, на башмаки 12 и на коронное колесо 9, выводя его из зацепления с реактивным зубчатым элементом 14 путем его перемещения от задней стенки 3 корпуса 1 планетарного механизма в сторону блокирующего зубчатого элемента 13 вместе с толкателем 29. При перемещении коронного колеса 9 толкатель 29, находящийся в крайней поперечной канавке (на фиг. не показано) в зубьях 23, нажимает на дисковую головку 32, которая сдвигает штоки 30 и 31, и воздействует на синхронизатор 10. Вследствие трения между коническими поверхностями синхронизатора 10 и блокирующего зубчатого элемента 13 синхронизатор 10 поворачивается относительно коронного колеса 9 и занимает такое положение, при котором внутренние зубья 23 при осевом перемещении коронного колеса 9 упираются блокирующим скосом 35 в блокирующий скос 38 крупных наружных зубьев 37. Происходит блокировка коронного колеса 9 синхронизатором 10.
При осевом перемещении коронного колеса 9 толкатель 29 выходит из крайней канавки в его внутренних зубьях 23 и попадает в среднюю канавку (на фиг. не показано).
При упоре внутренних зубьев 23 в наружные зубья 37 синхронизатора 10 под действием давления в рабочей полости силового цилиндра 22 увеличивается сила взаимодействия конических поверхностей синхронизатора 10 и блокирующего зубчатого элемента 13. Под действием силы трения указанных поверхностей происходит замедление вращения вала 5 и начинается вращение коронного колеса 9.
После того, как частоты вращения блокирующего зубчатого элемента 13 и коронного колеса 9 становятся одинаковыми, коронное колесо 9 проворачивается за счет сил, возникающих на блокирующих скосах 38 синхронизатора 10 и блокирующих скосах 35 внутренних зубьев 23 коронного колеса 9, относительно синхронизатора 10, жестко сидящего на конусной поверхности блокирующего зубчатого элемента 13, на величину Δ, до схода блокирующих скосов 35 коронного колеса 9 с блокирующих скосов 38 синхронизатора 10, контакт которых препятствовал осевому перемещению коронного колеса 9. Данным поворотом обеспечивается процесс разблокировки коронного колеса 9.
Вместе с коронным колесом 9 на величину Δ за счет сил трения между торцами коронного колеса 9 и башмаками 12, проворачиваются башмаки 12, которые при этом воздействуют на подшипники 19, овальным пазом 17, перекатываясь по подшипникам 19, оси 18 которых установлены в двуплечем вильчатом рычаге 15, так, что подшипники 19 в овальном пазу 17 будут занимать крайнее положение, противоположное первоначальному.
Далее коронное колесо 9, преодолевая сопротивление толкателя 29 путем его сжатия в радиальном направлении, перемещается дальше в сторону блокирующего зубчатого элемента 13, и внутренние зубья 23 посредством соприкосновения включающих скосов 34 и включающих скосов 40 входят в зацепление с зубьями блокирующего зубчатого элемента 13. При этом толкатель 29 попадает в третью поперечную канавку внутренних зубьев 23.
После зацепления внутренних зубьев 23 коронного колеса 9 и наружных зубьев 39 блокирующего зубчатого элемента 13 планетарный механизм становится заблокированным, и все его звенья вращаются как одно целое. При этом на выходной вал 24 с вала 5 через совместно вращающиеся звенья планетарного механизма поступает крутящий момент, равный крутящему моменту на валу 5.
Рассмотрим процесс переключения планетарного механизма в режим редуктора.
При необходимости увеличить крутящий момент на выходном валу 24 планетарный механизм нужно разблокировать и включить в работу в качестве редуктора. Для этого необходимо наполнить соответствующую рабочую полость силового цилиндра 22 текучей средой под давлением, что обеспечивает перемещение поршня 21, штока 20 и поворот на опорных стержнях 16 двуплечего вильчатого рычага 15, который через оси 18 оказывает воздействие на подшипники 19, находящиеся в первоначальном крайнем положении в овальных пазах 17, на башмаки 12 и на коронное колесо 9, выводя его из зацепления с блокирующим зубчатым элементом 13. При этом коронное колесо 9 перемещается к задней стенке 3 корпуса 1 в сторону реактивного зубчатого элемента 14 вместе с толкателем 29, который нажимает на синхронизатор 11. Синхронизатор 11 прижимается своей внутренней конической поверхностью к наружной конической поверхности на реактивном зубчатом элементе 14.
Вследствие трения между коническими поверхностями синхронизатора 11 и реактивного зубчатого элемента 14 синхронизатор 11 поворачивается относительно коронного колеса 9 и занимает такое положение, при котором внутренние зубья 23 при осевом перемещении коронного колеса 9 упираются блокирующим скосом 35 в блокирующий скос 38 крупных наружных зубьев 37 синхронизатора 11. Происходит блокировка коронного колеса 9 синхронизатором 11.
При осевом перемещении коронного колеса 9 толкатель 29 выходит из крайней поперечной канавки во внутренних зубьях 23 и попадает в среднюю канавку (на фиг. не показано).
При упоре внутренних зубьев 23 в наружные зубья 37 синхронизатора 11 под действием давления в приводном пневмоцилиндре 22 увеличивается сила взаимодействия конических поверхностей синхронизатора 11 и реактивного зубчатого элемента 14. Под действием силы трения указанных поверхностей происходит замедление вращения коронного колеса 9 до полной остановки.
В момент остановки коронного колеса 9, оно за счет сил, возникающих на блокирующих скосах 35 внутренних зубьев 23 коронного колеса 9 и блокирующих скосах 38 синхронизатора 11, проворачивается относительно синхронизатора 11, жестко сидящего на конусной поверхности реактивного зубчатого элемента 14, на величину Δ, до схода блокирующих скосов 35 коронного зубчатого колеса 9 с блокирующих скосов 38 синхронизатора 11, контакт которых препятствовал осевому перемещению коронного колеса 9. Данным поворотом обеспечивается процесс разблокировки коронного колеса 9.
Вместе с коронным колесом 9 на величину Δ за счет сил трения между торцами коронного колеса 9 и башмаками 12, проворачиваются башмаки 12, которые при этом воздействуют на подшипники 19, овальным пазом 17 перекатываясь по подшипникам 19, оси 18 которых установлены в двуплечем вильчатом рычаге 15, так, что подшипники 19 в овальном пазу 17 будут занимать крайнее положение, противоположное первоначальному.
Далее коронное колесо 9, преодолевая сопротивление толкателя 29 путем его сжатия в радиальном направлении, перемещается дальше в сторону реактивного зубчатого элемента 14, и внутренние зубья 23 посредством соприкосновения включающих скосов 34 и включающих скосов 40 входят в зацепление с зубьями реактивного зубчатого элемента 14. При этом толкатель 29 попадает в третью поперечную канавку внутренних зубьев 23.
После зацепления внутренних зубьев 23 коронного колеса 9 и наружных зубьев 39 реактивного зубчатого элемента 14 планетарный механизм начинает работать в качестве редуктора, увеличивая крутящий момент на выходном валу 24.
Указанное решение поставленной задачи, однако, не устраняет силы трения полностью, а только заменяет силы трения скольжения башмаков 12 и торцев коронного колеса 9 в момент проворота коронного колеса 9 на силы трения качения между подшипниками 19 и поверхностями овальных пазов 17 башмаков 12.