Планетарная коробка передач
PLANETARY GEARBOX

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к многоступенчатым механическим передачам, и может быть использовано в качестве коробки передач большой мощности для тепловозов, тяжелых гусеничных машин, карьерных самосвалов особо большой грузоподъемности. Известны устройства большой мощности для передачи и преобразования крутящего момента: электрические и гидравлические, например электрическая передача тепловоза ТЕМП-2, гидравлическая передача тепловоза ТГМ-6
Известна «Коробка передач транспортного средства», содержащая входной и выходной валы, три дифференциальных механизма, каждый из которых имеет водило, сателлиты, солнечную и эпициклическую шестерни и семь фрикционных элементов управления в виде муфт и тормозов, два дифференциальных механизма, образующих основную планетарную коробку передач, солнечные шестерни которой соединенных с эпициклом третьего дифференциального механизма, водило и солнечная шестерня которого через фрикционные муфты соединены с входным валом и образуют планетарный реверс-делитель с ускоряющей передачей.
Патент РФ на изобретение №2462632; МПК: F16H 3/44, опубл. 2012.09.27.
Известна «Соосная вальнопланетарная коробка передач», содержащая трехвальный агрегат с четырьмя парами взаимозацепленных шестерен и простой трехзвенный планетарный механизм, на входном и вторичном валах шестерни установлены свободно, между крайними шестернями на этих валах закреплены два зубчатых венца с трехпозиционными муфтами переключения, на промежуточном валу установлены свободно два блока по две шестерни, между блоками шестерен и на средних шестернях входного вала на зубчатых венцах расположены противоположно развернутые двухпозиционные полумуфты, взаимосвязанные вилкой переключения, соосно вторичному валу расположен простой трехзвенный планетарный механизм, сателлиты, расположенные на осях водила, зацеплены с солнечной шестерней, а также с эпициклическим колесом, к корпусу которого закреплен трубчатый выходной вал с зубчатым венцом, рядом с ним расположен зубчатый венец выходного вала водила, далее расположен выходной вал с трехпозиционным зубчатым венцом, на котором установлена трехпозиционная муфта переключения, отличающаяся тем, что на выходе трубчатого вторичного вала закреплен двухпозиционный зубчатый венец с двухпозиционной муфтой переключения, рядом с этим зубчатым венцом расположен зубчатый венец входа солнечной шестерни, закрепленный на валу этой шестерни рядом с зубчатыми венцами трубчатых входных валов водила и корпуса эпициклического колеса, на стенке корпуса закреплен двухпозиционный зубчатый венец с двухпозиционной муфтой остановки водила и эпициклического колеса, выходной вал водила выполнен трубчатым, между зубчатым венцом этого вала и трехпозиционным зубчатым венцом выходного вала расположен зубчатый венец выхода, закрепленный на валу солнечной шестерни.
Патент РФ на изобретение №2575734, МПК: F16H 37/08, опубл. 2016.02.20.
К недостаткам вышеописанного изобретения относится то, что переключение скоростей в этой коробке передач осуществляется за счет зубчатых муфт, что не позволяет их применять при больших передаваемых мощностях, кроме того, с помощью данной коробки передач очень затруднительно осуществлять автоматическое переключение на ходу.
1
1
1
2
2
3
3
3
4
1
4
4
4
2
4
Наиболее близким аналогом к предлагаемому в качестве изобретения является «Планетарная составная коробка передач быстроходной гусеничной машины», образованная двумя последовательно соединенными планетарными коробками передач, первая из которых, диапазонная, состоит из одного элементарного планетарного механизма с одновенцовыми или двухвенцовыми сателлитами и с управляемым фрикционным тормозом, установленным на водиле планетарного механизма, а также с управляемой фрикционной блокировочной муфтой, установленной между эпициклическим и солнечным центральными зубчатыми колесами этого планетарного механизма, с центральным солнечным зубчатым колесом, связанным с ведущим валом планетарной составной коробки передач и с центральным эпициклическим зубчатым колесом, связанным с входом основной планетарной коробкой передач, вторая, основная, планетарная коробка передач состоит из трех планетарных механизмов с управляемыми фрикционными тормозами и управляемыми фрикционными блокировочными и соединительными муфтами, отличающаяся тем, что в диапазонной планетарной коробке передач планетарный механизм выполнен с кинематической характеристикой K=q, где q - знаменатель геометрической прогрессии, равный отношению передаточных чисел любых двух смежных передач планетарной составной коробки передач, причем при 1,25≤q<1,42 планетарный механизм диапазонной коробки передач выполнен с одновенцовыми сателлитами и с кинематической характеристикой 2,44≤K≤4,0, а при 1,42<q≤1,75 - с двухвенцовыми сателлитами, большие венцы которых находятся в зацеплении с солнечным центральным зубчатым колесом, меньшие венцы - в зацеплении с эпициклическим зубчатым колесом этого планетарного механизма и с кинематической характеристикой 4,0<K≤9,38, первый планетарный механизм основной планетарной коробки передач выполнен с кинематической характеристикой K=1/(q-1), причем при 1,25≤q≤1,75 этот планетарный механизм выполнен с одновенцовыми сателлитами и с кинематической характеристикой 1,34≤К≤4,0, первый планетарный механизм основной коробки передач снабжен управляемым фрикционным тормозом, установленным на солнечном центральном зубчатом колесе, и управляемой фрикционной блокировочной муфтой, установленной между солнечным и эпициклическим центральными зубчатыми колесами этого планетарного механизма, второй планетарный механизм основной коробки передач выполнен с кинематической характеристикой K=1/(q-1), причем при 1,25≤q≤1,32 этот планетарный механизм выполнен с одновенцовыми сателлитами и с кинематической характеристикой 1,34≤К≤1,7(7), а при 1,32<q≤1,75 - с двухвенцовыми сателлитами, большие венцы которых находятся в зацеплении с эпициклическим центральным зубчатым колесом, меньшие венцы - в зацеплении с солнечным зубчатым колесом этого планетарного механизма и с кинематической характеристикой 0,485≤К<1,34, второй планетарный механизм основной коробки передач снабжен управляемым фрикционным тормозом, установленным на солнечном центральном зубчатом колесе, и управляемой фрикционной блокировочной муфтой, установленной между солнечным и эпициклическим центральными зубчатыми колесами этого планетарного механизма, третий планетарный механизм основной коробки передач выполнен с кинематической характеристикой K=q-1=K-1, причем при 1,25≤q≤1,50 этот планетарный механизм выполнен с одновенцовыми сателлитами и с кинематической характеристикой 1,44≤К≤4,0, а при 1,50<q≤1,75 - с двухвенцовыми сателлитами, большие венцы которых находятся в зацеплении с солнечным центральным зубчатым колесом, меньшие венцы - в зацеплении с эпициклическим зубчатым колесом этого планетарного механизма и с кинематической характеристикой 4,0<К≤8,44, третий планетарный механизм основной коробки передач снабжен управляемым фрикционным тормозом, установленным на эпициклическом центральном зубчатом колесе, и управляемой фрикционной блокировочной муфтой, установленной между солнечным и эпициклическим центральными зубчатыми колесами этого планетарного механизма, а водило связано с ведомым валом планетарной составной коробки передач.
Патент РФ на ПМ №99569; МКИ: F02H 37/08;опубл. 2010.11.20.
К недостаткам вышеописанной полезной модели относится то, что имеется ограничение по мощности из-за сложности выполнения фрикционных муфт для переключения ступеней при высокой мощности, имеет место несимметричность реверсирования, в наличии сложная масляная система управления фрикционными муфтами и тормозами с большим количеством контактных уплотнений.
К техническому результату относится повышение мощности планетарной коробки передач путем использования для переключений передач тормозных систем в виде поршневых цилиндров с малой степенью износа и за счет обеспечения ступенчатой трансформации крутящего момента в широком диапазоне с высоким КПД.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что «Планетарная коробка передач» содержит входной вал, связанный с приводным двигателем, а также два последовательно соединенных блока коробки передач, каждый из которых снабжен планетарными механизмами. Первый блок коробки передач состоит из одного планетарного механизма с одновенцовыми сателлитами и с управляемым тормозом, установленным на водиле планетарного механизма. Второй блок коробки передач состоит из нескольких планетарных механизмов, содержащих управляемые тормоза. При этом первый блок коробки передач снабжен еще одним планетарным механизмом с одновенцовыми сателлитами, которые взаимодействуют с коронной шестерней. Тормоз одного планетарного механизма первого блока коробки передач связан с водилом, а тормоз второго планетарного механизма первого блока коробки передач связан с коронной шестерней. В свою очередь, второй блок коробки передач выполнен с двумя планетарными механизмами, каждый из которых снабжен двумя рядами, размещенных на водилах четырехвенцовых сателлитов, управляемых восемью тормозами. Каждый тормоз выполнен в виде тормозной системы, содержащей по двенадцать поршневых цилиндров, установленных равномерно по окружности на наружной поверхности поперечного сечения корпуса коробки передач. Причем тормозные системы двух планетарных механизмов первого блока, содержащих всего два тормоза, выполнены таким же образом, как и во втором блоке. При этом поршни тормозных цилиндров обоих блоков в рабочем состоянии взаимодействуют с соответствующими им коронными шестернями или водилом, а зубчатые венцы коронных шестерней обоих блоков планетарной коробки передач в свободном состоянии в радиальном направлении взаимодействуют с сателлитами, опираясь при этом на них, а в осевом направлении взаимодействуют с этими же сателлитами через разрезные пружинные кольца, установленные на коронных шестернях.
Планетарная коробка передач поясняется чертежами-схемами на фиг. 1, 2, 3 и 4.
Фиг. 1 - Планетарная коробка передач (общая схема устройства);
Фиг. 2 - Планетарная коробка передач (поперечный разрез);
Фиг. 3-Планетарная коробка передач (разрез по вертикальной оси тормозного цилиндра);
Фиг. 4 - Планетарная коробка передач (схема взаимодействия сателлитов с коронными шестернями).
Планетарная коробка передач содержит два блока, каждый их которых содержит по два планетарных механизма, причем планетарные механизмы первого блока снабжены одновенцовыми сателлитами, с помощью которых осуществляется реверсирование, а планетарные механизмы второго блока снабжены двумя рядами четырехвенцовых сателлитов, с помощью которых осуществляется шестнадцать ступеней трансформации крутящего момента.
Планетарная коробка передач (КП) согласно фиг. 1, 2, 3 и 4 содержит:
1 - входной вал;
2 - шлицевую муфту;
3 и 4 - солнечные шестерни;
5 - одновенцовые сателлиты 1-го планетарного механизма 1-го блока КП;
6 - одновенцовые сателлиты 2-го планетарного механизма 1-го блока КП;
7 - коронная шестерня 1-го планетарного механизма 1-го блока КП;
8 - коронная шестерня 2-го планетарного механизма 1-го блока КП;
9 - водило 1-го планетарного механизма 1-го блока КП;
10 - водило 1-го планетарного механизма 2-го блока КП;
11 - тормоз 1-го планетарного механизма 1-го блока КП;
12 - тормоз 2-го планетарного механизма 1-го блока КП;
13 - шлицевой вал;
14 - вал отбора мощности;
15 - четырехвенцовые сателлиты 1-го планетарного механизма 2-го блока КП - первый ряд;
16 - четырехвенцовые сателлиты 1-го планетарного механизма 2-го блока КП - второй ряд;
17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 - коронные шестерни 1-го планетарного механизма 2-го блока КП;
25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 - тормоза 1-го планетарного механизма 2-го блока КП;
33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 - коронные шестерни 2-го планетарного механизма 2-го блока КП;
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 - тормоза 2-го планетарного механизма 2-го блока КП;
49 - шлицевая муфта;
50, 51 - солнечные шестерни 2-го планетарного механизма 2-го блока КП;
52 - четырехвенцовые сателлиты 2-го планетарного механизма 2-го блока КП (первый ряд);
53 - четырехвенцовые сателлиты 2-го планетарного механизма 2-го блока КП(16)-второй ряд;
54 - водило 2-го планетарного механизма 2-го блока КП;
55 - шлицевая муфта;
56 - солнечная шестерня;
57 - солнечная шестерня;
58 и 59 шестерни;
60- раздаточный вал;
61- корпус КП;
62- корпус тормозного цилиндра;
63- поршень тормозного цилиндра;
64- пружина тормозного цилиндра;
65- вставка из фрикционного материала;
66 - разрезное пружинное кольцо;
67 и 68 - насосы;
Планетарная коробка передач (КП) согласно фиг. 1, 2, 3 и 4 содержит входной вал 1, постоянно соединенный с валом приводного двигателя. Входной вал 1 шлицевой муфтой 2 соединен с солнечными шестернями 3 и 4. Солнечная шестерня 3 через одновенцовые сателлиты 51-го планетарного, механизма 1-го блока КП взаимодействует с коронной шестерен 71-го планетарного механизма 1-го блока КП
Одновенцовые сателлиты 62-го планетарного механизма 1-го блока КП взаимодействует с водилом 10. В свою очередь, сателлиты 6 через коронную шестерню 8 управляются тормозом 12. Также входной вал 1 шлицевой муфтой 2 и шлицевым валом 13 соединен с валом отбора мощности 14. Солнечные шестерни 3 и 4 в радиальном направлении опираются только на сателлиты 5 и 6, а в осевом -зафиксированы шлицевой муфтой 2. На водило 10, соединенное с коронной шестерней 7 и взаимодействующее с сателлитами 6, установлены четырехвенцовые сателлиты 15 и 16, которые через коронные шестерни 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 управляются тормозами 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32. Водило 10 шлицевой муфтой 49 соединено также с солнечными шестернями 50 и 51, которые взаимодействуют с четырехвенцовыми сателлитами 52 и 53, установленными на водиле 54. Сателлиты 52 и 53, управляются через коронные шестерни 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 и 40, тормозами 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 и 48. Водило 54 шлицевой муфтой 55 соединено с солнечными шестернями 56 и 57, а также шестернями 58 и 59 с раздаточным валом 60.
Тормоза 11, 12, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 и 48 каждый из которых выполнен в виде тормозной системы, содержащей по двенадцать поршневых цилиндров, установленных равномерно по окружности на наружной поверхности поперечного сечения корпуса 61 коробки передач, что служит для взаимной компенсации усилий, действующих на коронную шестерню (или водило).
На фиг. 3 изображен поперечный разрез поршневого цилиндра, где 62 - корпус поршневого цилиндра, 63 - поршень цилиндра, 64 - пружина поршневого цилиндра, а 65 - сменная вставка из фрикционного материала.
Зубчатые венцы коронных шестерен 17, 18, 19.20, 21, 22, 23.24, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 и 40 обоих блоков планетарной коробки передач в свободном состоянии в радиальном направлении взаимодействуют с сателлитами 15, 16, 52 и 53, опираясь при этом на них (при этом каждая коронная шестерня опирается не меньше чем на три сателлита, расположенных в одном ряду), а в осевом направлении взаимодействуют с этими же сателлитами 15, 16, 52 и 53 через разрезные пружинные кольца 66, установленные на коронных шестернях 17, 18, 19.20, 21, 22, 23.24, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 и 40 (как это изображено на фиг. 4, где 17 - одна из коронных шестерен, 66 - разрезное пружинное кольцо, 15 или 52 - один из сателлитов. В зажатом состоянии (заторможенные) коронные шестерни (8,17-24 и 33-40) опираются на поршни 63 тормозных цилиндров 62, имея в то же время возможность самоцентрироваться относительно сателлитов (6, 15, 16, 52 и 53). Солнечные шестерни 3, 4, 50, 51, 56 и 57 также опираются только на сателлиты (5, 6, 15, 16, 52 и 53). Все шестерни прямозубые. Смазка КП осуществляется одновременно двумя насосами 67 и 68.
Специального охлаждения для КП не требуется, т.к. ее КПД во всем диапазоне работы составляет 95%.
С предлагаемой в качестве изобретения планетарной коробкой передач тепловоз может быть обеспечен широким диапазоном скоростей, например от максимальной скорости 160 км/ч до минимальной скорости 1 км/ч (30 см/с), а при минимальных оборотах дизеля - 0,33 км/ч (10 см/с).
Предлагаемое устройство позволяет решить следующие проблемы при передаче и преобразовании крутящего момента большой мощности достигнутыми для современной промышленности средствами: симметричное реверсирование с высоким КПД, ступенчатая трансформация крутящего момента в широком диапозоне с высоким КПД, использование для переключений только тормозных устройств, при этом работающих практически без износа, создание компактного устройства, способного без проблем разместиться в тепловозе.
Работает планетарная коробка передач следующим образом: реверсирование производится только при стоящем тепловозе, поэтому износ элементов реверса исключен. Для движения вперед включается тормоз 12, что сообщает вращение водилу 10 и солнечным шестерням 50 и 51 в сторону вращения вала дизеля. Для движения назад включается тормоз 11, что сообщает вращение водилу 10 и солнечным шестерням 50 и 51 в сторону, противоположную направлению вращения вала дизеля. Далее через шестерни 58 и 59 - раздаточному валу 60. Включение и переключение ступеней скорости. Начало движения производится на первой ступени, для чего включается тормоз 41. Водило 54, шестерни 58, 59 и раздаточный вал 60 начинают вращаться, при этом сколько-нибудь заметного износа элементов трансмиссии не происходит, т.к. усилие трогания (нагрузка на коробку передач при начале движения на первой передаче не велико), но во много раз превосходит ограничение по сцеплению. Включение второй ступени (передачи) производится после необходимого разгона, выключения первой ступени, снижения оборотов вала дизеля до значения, когда коронная шестерня 33 перестанет вращаться, после чего включается тормоз 42, при этом износ трансмиссии также исключен. Аналогичным образом включается третья ступень, для чего включается тормоз 43, для включения четвертой ступени включается тормоз 44, пятой - тормоз 45, шестой - 46, седьмой - 47, восьмой - 48, девятой - 29, десятой - 30, одиннадцатой - 31, двенадцатой - 32, тринадцатой - 25, четырнадцатой - 26, пятнадцатой - 27, шестнадцатой - 28. Переключения производятся автоматически бортовым компьютером, в аварийной ситуации - вручную.
Предложенное в качестве изобретения техническое решение позволяет добиться повышения повышение мощности планетарной коробки передач путем использования для переключений передач только тормозных систем в виде поршневых цилиндров с малой степенью износа, и обеспечения ступенчатой трансформации крутящего момента в широком диапазоне с высоким КПД.