ПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ 5R1
PLANETARY GEAR BOX 5R1

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин, к НТС (наземные транспортные системы), в том числе ТТМ (транспортно-технологические машины), автомобили, тракторы и т.д.
Известны агрегаты трансмиссии - КП (коробки передач) со ступенчатым изменением передаточных чисел, содержащие шестерни, валы, опоры, устройства переключения передач, применяемые на отечественных и зарубежных автомобилях. (Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобиль: Анализ конструкций, элементы расчета. – М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.).
Эти агрегаты конструктивно сложны и металлоемки.
Широко применяют пятиступенчатые КП как при продольной (рис. 37, с. 61; рис. 35, с. 59), так и поперечной (рис. 34, с. 58) компоновке трансмиссии. Они могут быть трехвальными (рис. 37, с. 61) или двухвальными (рис. 35, с. 59; рис. 34, с. 58).
Недостаток таких КП заключается в том, что для каждой передачи переднего хода они требуют свою пару шестерен, а для заднего хода - три или четыре шестерни. Ряды шестерен приводят к увеличению продольного габарита и металлоемкости КП. Цилиндрические зубчатые передачи имеют ограниченную нагрузочную способность из-за однопарного (однопоточного) зацепления, при увеличении передаваемого крутящего момента необходимо увеличивать межцентровое (межосевое) расстояние, что увеличивает поперечные габариты КП.
Требованию снижения металлоемкости машин из всех видов механических передач наиболее полно удовлетворяют планетарные передачи, отличающиеся малыми габаритами и массой. Это связано с эффектом многопоточности и с применением внутреннего зацепления.
Простой ПМ (планетарный механизм) состоит из трех звеньев: солнечная шестерня (а), эпициклическое колесо (b) и водило (h) с сателлитами.
b
a
b
a
ПМ характеризуется внутренним параметром К=Z/Z=1,5-5, который равен отношению числа зубьев эпициклического колеса Z к числу зубьев солнечной шестерни Z. Меньшее значение К ограничивается минимальными размерами сателлитов, большее - солнечной шестерни.
Простой ПМ, помимо дифференциала, в основном, применяют как одноступенчатый колесный редуктор двойной разнесенной ГП (главной передачи) ведущего моста автомобиля (рис. 110, с. 138) или двухступенчатый редуктор - демультипликатор на выходе МКП (многоступенчатой КП - рис. 42, с. 65).
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ПМ на выходе МКП (рис. 42, с. 65).
ah
b
Недостаток такого ПМ заключается в том, что он реализует только две передачи: прямую при блокировке ПМ за счет соединения муфтой переключения двух звеньев: эпициклического колеса (b) и водила (h) и медленную в режиме U=К+1, где U - передаточное число, индекс вверху - остановленное звено, индексы внизу - звенья входа и выхода крутящего момента. Остановлено эпициклическое колесо (b), крутящий момент подается на солнечную шестерню (а) и снимается с водила (h).
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении габаритов и металлоемкости трансмиссионного агрегата НТС.
Поставленная задача решается за счет более полного использования кинематических возможностей простого трехзвенного ПМ.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что планетарная коробка передач содержит корпус агрегата, простой трехзвенный планетарный механизм, состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами, которые зацеплены с солнечной шестерней и эпициклическим колесом, водило и корпус эпициклического колеса имеют валы с зубчатыми венцами и муфту остановки эпициклического колеса, при этом входной вал имеет трехпозиционный зубчатый венец, на котором установлена муфта переключения, вал солнечной шестерни с зубчатыми венцами на торцах установлен в опоре зубчатого венца ведущей шестерни и в опоре задней стенке корпуса агрегата с зубчатым венцом, водило закреплено на входном и выходном трубчатых валах с зубчатыми венцами; корпус эпициклического колеса закреплен на входном и выходном коаксиальных валах с зубчатыми венцами, на передней внутренней стенке корпуса агрегата рядом с зубчатыми венцами входных валов закреплен зубчатый венец с муфтой остановки водила или эпициклического колеса, рядом с зубчатыми венцами выходных валов установлен ведущий трубчатый вал с зубчатым венцом на входе вала и ведущей шестерней с зубчатым венцом на выходе этого вала рядом с зубчатым венцом вала солнечной шестерни, на котором расположена муфта переключения.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает пять передач переднего хода и одну передачу заднего хода с достаточным диапазоном (D=2,62/0,38=6,9) при снижении габаритов и металлоемкости по сравнению с типовыми конструкциями.
На фиг. 1 изображена схема ПКП (планетарной коробки передач) с простым трехзвенным ПМ (планетарным механизмом), который имеет четыре муфты переключения, валы входа, выхода и остановки трех звеньев ПМ с зубчатыми венцами. В верхней части муфты переключения показаны в состоянии 1-й передачи, в нижней части - 4-я передача.
На фиг. 2 показана лучевая диаграмма работы ПКП для К=1,62. Изменение величины внутреннего параметра К приводит к изменению кинематических характеристик ПКП. При К=1,62 получаем равные отрезки между передачами на горизонтальной шкале в логарифмическом масштабе, где отложены величины передаточных чисел ПМ. Вертикальный луч указывает на прямую передачу крутящего момента от двигателя к ведущей шестерне привода ГП (главной передачи). Луч направо вверх характеризует замедляющий режим работы ПМ, чем положе луч, тем выше величина передаточного числа. Луч налево вверх характеризует ускоряющий режим работы ПМ, чем положе луч, тем ниже величина передаточного числа. Лучевые диаграммы удобны для понимания работы МКП (многоступенчатых КП), так как величина каждого луча постоянна на всех участках диаграммы. Над лучевой диаграммой приведена таблица положений муфт переключения на различных передачах. В верхней части таблицы показаны состояния ПМ на каждой передаче.
В опорах корпуса агрегата 1 ПКП (планетарной коробки передач) соосно расположены входной вал 2 с закрепленным на нем трехпозиционным зубчатым венцом 3 и вал 4 привода солнечной шестерни 5 (а) с зубчатыми венцами 6 и 7 на входе и выходе этого вала. Выход вала 4 можно использовать как ВОМ (вал отбора мощности). На валу 4 установлены трубчатые валы водила 8 (h): входной вал 9 и выходной вал 10 с зубчатыми венцами 11 и 12 на входе и выходе этих валов. На осях водила 8 расположены сателлиты 13, которые зацеплены с солнечной шестерней 5 (а) и эпициклическим колесом 14 (b). На входе корпуса 15 эпициклического колеса 14 (b) закреплен входной коаксиальный вал 16 с зубчатым венцом 17, а на выходе - выходной коаксиальный вал 18 с зубчатым венцом 19. Над входным коаксиальным валом 16 на внутренней стенке корпуса 1 рядом с зубчатым венцом 17 расположен трехпозиционный зубчатый венец 20. На валу 4 рядом с зубчатым венцом 12 установлен ведущий трубчатый вал 21 с трехпозиционным зубчатым венцом 22 на входе этого вала и с ведущей шестерней 23 ГП (главной передачи) с зубчатым венцом 24 на выходе ведущего вала 21. ГП может быть цилиндрической, конической, гипоидной. Напротив зубчатого венца 24 рядом с зубчатым венцом 7 вала 4 на задней стенке корпуса 1 расположен зубчатый венец 25. Трехпозиционная муфта переключения 26 (А) установлена на зубчатом венце 3 входного вала 2 для выборочного соединения с зубчатым венцом 6 привода солнечной шестерни 5 (а), с зубчатым венцом 11 привода водила 8 (h), с зубчатым венцом 17 привода эпициклического колеса 14 (b). Муфта переключения 27 (В) расположена на зубчатом венце 20 передней внутренней стенки корпуса 1 для остановки водила 8 (К) зубчатым венцом 11 или эпициклического колеса 14 (b) зубчатым венцом 17, нейтральное (Н) - выключенное состояние - обеспечивается установкой муфты между зубчатыми венцами 11 и 17 или ее перемещением к стенке. Муфта переключения 28 (С) установлена на входе ведущего трубчатого вала 21 для выборочного соединения с зубчатым венцом 19 выходного коаксиального вала 18 эпициклического колеса 14 (b) или с зубчатым венцом 12 выходного трубчатого вала 10 водила 8 (h), нейтральное (Н) состояние обеспечивается установкой муфты между венцами 19 и 12. Муфта 29 (D) расположена на зубчатом венце 7 на выходе вала 4 солнечной шестерни 5 для привода ведущей шестерни 23 при соединении с зубчатым венцом 24 или остановки солнечной шестерни 5 при соединении с зубчатым венцом 26 задней стенки корпуса 1.
Простой трехзвенный ПМ (планетарный механизм) может обеспечить пять передач без изменения направления вращения, две передачи заднего хода и три передачи в интегральных (суммирующих) режимах, когда крутящий момент подается на два звена ПМ с различной частотой вращения, а снимается с третьего звена.
Устройство работает следующим образом.
Первая передача
На лучевой диаграмме (фиг. 2) этот режим обозначен пологим лучом от т. 0 направо вверх к т. 1.
ah
b
Над этой точкой показаны состояния муфт переключения (см. фиг. 1, верхнее положение муфт): А - левое (Л), В и С - правое (П), D - нейтральное (Н). В верхней части таблицы показано U=К+1 состояние ПМ.
Эпициклическое колесо 14 (b) остановлено муфтой 27 (В), которая замкнула зубчатые венцы 20 передней внутренней стенки корпуса 1 и 17 трубчатого вала 16 корпуса 15 эпициклического колеса 14. Крутящий момент (фиг. 1 ) от зубчатого венца 3 входного вала 2 муфтой 26 (А) передается на зубчатый венец 6 и валом 4 на солнечную шестерню 5 (а). Солнечная шестерня 5 (а) вращает сателлиты 13, которые, обкатываясь по эпициклическому колесу 14 (b), вращают водило 8 (h) с пониженной частотой, но с увеличенным крутящим моментом. Трубчатым валом 10, зубчатым венцом 12, муфтой 28 (С) крутящий момент поступает на зубчатый венец 22, на ведущий трубчатый вал 21 и ведущую шестерню 23.
ah
b
При К=1,62 передаточное число U=К+1=2,62; lq 2,62=0,42.
Вторая передача
На лучевой диаграмме этот режим обозначен крутым лучом от т. 0 направо вверх к т. 2.
h
а
Переключаем муфту А из левого положения в правое (П), муфту В из правого положения в нейтральное (Н) - выключенное - к стенке корпуса 1 (фиг. 1, внизу). В верхней части таблицы показано Ub состояние ПМ. По сравнению с 1-й передачей произошла замена звеньев: остановлена солнечная шестерня 5 (а), крутящий момент поступает на эпициклическое колесо 14 (b).
Солнечная шестерня 5 (а) остановлена муфтой 29 (D), которая замкнула зубчатые венцы 25 задней стенки корпуса 1 и 7 вала 4 (см. фиг. 1, справа). Крутящий момент от зубчатого венца 3 входного вала 2 муфтой 26 (А) передается на зубчатый венец 17 и трубчатым валом 16 по корпусу 15 на эпициклическое колесо 14 (b), которое вращает сателлиты 13, они, обкатываясь по солнечной шестерне 5 (а), вращают водило 8 (h), далее, как на 1-й передаче с пониженной частотой, но увеличенным крутящим моментом.
bh
a
При К=1,62 передаточное число U=(К+1)/К=2,62/'1,62=1,62; lq 1,62=0,21.
Третья передача - прямая
На лучевой диаграмме эта передача представлена вертикальным лучом от т. 0 до т. 3.
Муфту А переключаем из правого положения в среднее (С), муфту D из правого в нейтральное (Н) положение.
Крутящий момент от зубчатого венца 3 муфтой 26 (А) передается на зубчатый венец 11 трубчатого вала 9 водила 8, по водилу 8 и далее как на 2-й передаче.
Четвертая передача
На лучевой диаграмме этот режим обозначен крутым лучом от т. 0 налево вверх к т. 4.
Переключаем муфту D из правого положения в левое (Л), муфту D из нейтрального положения в правое (П), при этом по сравнению со 2-й передачей произошла замена звеньев входа и выхода крутящего момента.
Солнечная шестерня 5 (а) остановлена муфтой 29 (D). Крутящий момент до водила 8 (h) передается как на 3-й передаче, которое вращает сателлиты 13, они, обкатываясь по остановленной солнечной шестерне 5 (а), вращают эпициклическое колесо 14 (b), по корпусу 15 на коаксиальный вал 18, зубчатый венец 19, муфтой 28 (С) на зубчатый венец 22 и далее, как на предыдущих передачах, но с увеличенной частотой и пониженным крутящим моментом.
hb
a
При К=1,62 передаточное число U=К/(К+1)=1,62/2,62=0,62; lq 0,62=-0,21.
Пятая передача
На лучевой диаграмме этот режим обозначен пологим лучом от т. 0 налево вверх к т. 5.
Переключаем муфту В из нейтрального положения в правое (П), муфту С из левого положения в нейтральное (Н), муфту D из правого положения в левое (Л), при этом по сравнению со 1-й передачей произошла замена звеньев входа и выхода крутящего момента.
Эпициклическое колесо 14 (b) остановлено муфтой 27 (В), которая замкнула зубчатые венцы 20 передней внутренней стенки корпуса 1 и 17 коаксиального вала 16 корпуса 15 эпициклического колеса 14. Крутящий момент (фиг. 1) от зубчатого венца 3 входного вала 2 муфтой 26 (А) передается до водила 8 (h) как на 3-й передаче, которое вращает сателлиты 13, они, обкатываясь по остановленному эпициклическому колесу 14 (b), вращают солнечную шестерню 5 (а), далее по валу 4 на зубчатый венец 7, муфтой 29 (D) на зубчатый венец 24 и ведущее колесо 23, но с увеличенной частотой и пониженным крутящим моментом.
ha
b
При К=1,62 передаточное число U=1/(K+1)=1/2,62=0,38; lq 0,38=-0,42.
Передача заднего хода 1R
На лучевой диаграмме (фиг. 2) этот режим обозначен крутым лучом от т. 0 направо вниз к т. 1R.
аb
h
Состояния муфт переключения показаны в крайнем справа столбце таблицы: А, В и С - левое (Л), D - нейтральное (Н). В верхней части таблицы показано U=-К состояние ПМ. Знак «минус» указывает на изменение направления вращения ведущей шестерни 23 по сравнению с ведущим валом 2. По сравнению с 1-й передачей переднего хода изменились состояния выходного и остановленного звеньев ПМ.
Водило 8 {К) остановлено муфтой 27 (В), которая замкнула зубчатые венцы 20 передней внутренней стенки корпуса 1 и 11 трубчатого входного вала 9. Крутящий момент (фиг. 1) от зубчатого венца 3 входного вала 2 муфтой 26 (А) передается на зубчатый венец 6 и валом 4 - на солнечную шестерню 5 (а). Солнечная шестерня 5 (а) вращает сателлиты 13, которые, вращаясь на осях водила 8 (h), вращают эпициклическое колесо 14 (b) в противоположном направлении с пониженной частотой, но с увеличенным крутящим моментом. Далее, как на 4-й передаче переднего хода, коаксиальным валом 18, зубчатым венцом 19, муфтой 28 (С) крутящий момент поступает на зубчатый венец 22, на ведущий трубчатый вал 21 и ведущую шестерню 23.
ab
h
При К=1,62 передаточное число U=К=1,62; lq 1,62=0,21.
1
5
Диапазон ПКП составит D=U/U=2,62/0,38=6,9.
Изменение К изменит кинематические характеристики ПКП.
Получили компактный трансмиссионный агрегат малой металлоемкости за счет значительного уменьшения продольного габарита, что создает лучшие условия для поперечной компоновки двигателя и трансмиссии.
Обозначения:
1 - корпус агрегата - ПКП (планетарной коробки передач);
2 - входной вал ПКП;
3 - трехпозиционный зубчатый венец входного вала 2;
4 - вал привода солнечной шестерни 5 (а);
5 (а) - солнечная шестерня;
6 - зубчатый венец на входе вала 4;
7 - зубчатый венец на выходе вала 4;
8 (h) - водило ПМ (планетарного механизма);
9 - трубчатый входной вал водила 8 (h);
10 - трубчатый выходной вал водила 8 (h);
11 - зубчатый венец вала 9 на входе водила 8 (h);
12 - зубчатый венец вала 10 на выходе водила 8 (h);
13 - сателлиты на осях водила 8;
14(b)- эпициклическое колесо ПМ;
15 - корпус эпициклического колеса 14;
16 - входной коаксиальный вал корпуса 15 эпициклического колеса;
17 - зубчатый венец входного коаксиального вала 16;
18 - выходной коаксиальный вал корпуса 15 эпициклического колеса;
19 - зубчатый венец выходного коаксиального вала 18;
20 - трехпозиционный зубчатый венец передней внутренней стенки корпуса 1;
21 - ведущий трубчатый вал привода ведущей шестерни;
22 - трехпозиционный зубчатый венец ведущего трубчатого вала 21;
23 - ведущая шестерня ГП (главной передачи);
24 - зубчатый венец на выходе ведущего трубчатого вала 21;
25 - зубчатый венец задней стенки корпуса 1 ПКП рядом с зубчатым венцом 7;
26 (А) - трехпозиционная муфта переключения на зубчатом венце 3 входного вала 2;
27 (В) - муфта остановки звеньев ПМ на зубчатом венце 20 передней внутренней стенки корпуса 1;
28 (С) - муфта переключения на входе ведущего трубчатого вала 21;
29 (D) - муфта переключения на зубчатом венце 7 на выходе вала 21.