ШЕСТНАДЦАТИСТУПЕНЧАТАЯ ВАЛЬНОПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ 16R4 СО СДВОЕННЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ
SIXTEEN-STAGE COAXIAL PLANETARY GEARBOX 16R4 WITH DUAL CLUTCH

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин.
Известны агрегаты трансмиссии - коробки передач (КП) 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.
Наиболее близкой к предлагаемой 16-тиступенчатой КП является коробка передач по патенту RU №2419007 С1 (Бюл. №14 от 20.05.20011).
Вальнопланетарная коробка передач 12R4 по патенту RU №2419007 состоит из основной 6-тиступенчатой КП и двухступенчатого простого трехзвенного ПМ (планетарного механизма). 8 шестерен для передач переднего хода, 4 шестерни заднего хода и три муфты переключения (одна из них сдвоенная) основной КП и три звена ПМ (солнечная шестерня, эпициклическое колесо и водило с сателлитами) с муфтой переключения обеспечивают 12 передач переднего хода и 4 передачи заднего хода.
Недостатки описанного трансмиссионного агрегата заключаются в ограничении эксплуатационных характеристик транспортного средства при переключении передач с разрывом потока мощности, недостаточном числе передач и диапазоне КП (отношение передаточных чисел низшей и высшей передач). Как правило, современные магистральные автомобили-тягачи имеют 16 передач с диапазоном около 17.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных возможностей транспортного средства за счет попарного переключения передач практически без разрыва потока мощности, при увеличении числа передач и диапазона КП, повышении долговечности КП за счет уменьшения длины валов.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в усовершенствовании процесса переключения передач путем установки сдвоенного сцепления, а также за счет увеличения числа передач и диапазона КП, повышение долговечности КП путем увеличения жесткости валов при уменьшении их длины.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что шестнадцатиступенчатая вальнопланетарная коробка передач содержит корпус основной коробки передач, в его опорах параллельно расположены валы, на которых установлены пары шестерен внешнего зацепления, на вторичном валу, между двумя свободно установленными шестернями, расположена трехпозиционная муфта переключения и закреплен трубчатый наконечник с опорой во внутренней стенке корпуса коробки передач, в этом наконечнике расположена опора первичного вала, на наконечнике свободно установлена шестерня, зацепленная с шестерней промежуточного вала, трехпозиционная муфта переключения расположена рядом с шестерней первичного вала, в корпусе планетарного механизма расположена солнечная шестерня, закрепленная на вторичном валу, через сателлиты водила она зацеплена с эпициклическим колесом, на выходе трубчатого вала этого колеса установлена трехпозиционная муфта переключения, при этом, в отличие от прототипа, на промежуточном валу все шесть шестерен закреплены, на входе в коробку передач в корпусе расположен входной вал с закрепленным на нем кожухом сдвоенного сцепления с ведущими дисками, на первичном валу установлены ведомые диски левого сцепления, между ними и шестерней, закрепленной на этом валу, свободно расположен трубчатый вал, на котором установлены ведомые диски правого сцепления и закреплена шестерня, шестерни первичного и трубчатого валов зацеплены с шестернями промежуточного вала, ведомая шестерня заднего хода расположена на муфте переключения вторичного вала, дополнительная шестерня заднего хода установлена на оси, расположенной между промежуточным и вторичным валами.
Предлагаемое техническое решение позволяет сдвоенным сцеплением попарно переключать передачи (16 и 15, 14 и 13, 12 и 11 и т.д.) практически без разрыва потока мощности, что облегчает процесс управления транспортным средством и повышает его проходимость, дополнительная пара шестерен позволяет увеличить число передач и диапазон МКП (многоступенчатой коробки передач). Внутренняя стенка корпуса основной КП повышает жесткость агрегата и долговечность работы МКП за счет увеличения жесткости валов при уменьшении их длины.
На фиг.1 изображена кинематическая схема 16-тиступенчатой вально-планетарной МКП 16R4 (16 передач переднего хода и 4 заднего хода) со сдвоенным сцеплением, состоящей из основной трехвальной сосной КП и простого трехзвенного ПМ. В нижней части (под фиг.1) отмечены номера пар шестерен (1п-5п) и шестерен заднего хода R.
На фиг.2 изображена лучевая диаграмма МКП 16R4 с таблицами положений сцеплений и муфт переключения на различных передачах. В верхней строке таблицы указаны номера включенных пар шестерен и ПМ (планетарного механизма в состоянии U=К+1, где К - внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни). На горизонтальных шкалах диаграммы в логарифмическом виде представлены величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Над верхней горизонталью обозначены номера передач переднего хода (16-1), над предпоследней горизонталью - передачи заднего хода (4R-1R). На верхней горизонтали, а также предпоследней горизонтали справа величины передаточных чисел приведены к выходному валу, связанному с водилом ПМ; на второй горизонтали - к вторичному валу, на предпоследней горизонтали слева - к промежуточному валу. Номера включенных пар шестерен указаны на лучах. Наклон луча вправо указывает на замедляющий режим работы пары шестерен, чем положе луч, тем больше передаточное число. Наклон луча налево, 2п - к 16-й передаче, 3п - к 14-й и 13-й передачам, характеризуют ускоряющий режим работы пары шестерен. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса основной КП 1 с внутренней стенкой 2, корпуса сдвоенного сцепления 3 и корпуса 4 ПМ (планетарного механизма), в их опорах соосно расположены входной 5 и первичный 6 валы, а также вторичный вал 7 с трубчатым наконечником 8 и выходной вал 9. На первичном валу 6 свободно установлен трубчатый вал 10. Промежуточный вал 11 с ВОМ (валом отбора мощности) расположен параллельно валам 5-9. Шестерни 12-17 жестко закреплены на промежуточном валу 11. Шестерня 12 зацеплена с шестерней 18, которая закреплена на трубчатом валу 10. Шестерня 13 зацеплена с шестерней 19, закрепленной на первичном валу 6. Шестерня 14 зацеплена с шестерней 20, которая свободно установлена на трубчатом наконечнике 8 вторичного вала 7. Шестерни 15 и 16 зацеплены с шестернями 21 и 22, которые свободно установлены на вторичном валу 7. На трубчатом наконечнике 8 между шестернями 19 и 20 расположена трехпозиционная муфта 23 (А). Трехпозиционная муфта 24 (В) вторичного вала 7 расположена между шестернями 21 и 22. Ведомая шестерня заднего хода 25 закреплена на трехпозиционной муфте 24 и в нейтральном положении расположена напротив ведущей шестерни заднего хода 17, закрепленной на промежуточном валу 11 между шестернями 15 и 16. Дополнительная шестерня заднего хода 26 установлена на оси 27, которая расположена между промежуточным 11 и вторичным 7 валами. На входном валу 5 закреплен кожух 28 сдвоенного сцепления, в нем расположены ведущие диски 29 сцеплений. Ведомые диски 30 левого сцепления (Л) установлены на первичном валу 6, а ведомые диски 31 правого сцепления (П) установлены на трубчатом валу 10. Нажимное устройство, прижимающее ведущие и ведомые диски при включении сцеплений, не показано. На выходе вторичного вала 7 закреплена солнечная шестерня 32 (а), которая сателлитами 33 водила 34 (h) зацеплена с эпициклическим колесом 35 (b) ПМ. Водило 34 закреплено на выходном валу 9. На выходе трубчатого вала 36 эпициклического колеса 35 между зубчатыми венцами корпуса ПМ 4 и выходного вала 9 установлена трехпозиционная муфта переключения ПМ 37 (С).
Между входным валом 5 и кожухом 28 сдвоенного сцепления возможна установка зубчатой передачи (цилиндрической, конической, гипоидной и т.п.).
КП работает следующим образом: сдвоенное сцепление срабатывает при каждом переключении, которое происходит практически без разрыва потока мощности. Муфта А изменяет свое положение после двух переключений, муфта В - после четырех последовательных переключений передач, а муфта С - после восьми последовательных переключений передач. ПМ (планетарный механизм) обеспечивает два режима: на восьми низших передачах (1-8) эпициклическое колесо 35 остановлено относительно корпуса ПМ 4 муфтой 37 (С) в левом положении и обеспечивает передаточное число U=К+1, на восьми высших передачах (9-16) эпициклическое колесо 35 и водило 34 соединены муфтой 37 (С) в правом положении, ПМ заблокирован и обеспечивает передаточное число U=1.
Первая передача
Включаем левое сцепление (Л), муфта А (23) в нейтральном положении (Н), муфта В (24) - в правом (П), а муфта С (37) - в левом (Л) (см. на фиг.2, верхняя таблица над т.1). Включены 2-я и 5-я пары шестерен и ПМ в режиме U=K+1.
Крутящий момент от левого сцепления (Л) передается на первичный вал 6, на паре шестерен 19-13, по промежуточному валу 11, на пару шестерен 16-22, муфтой В (24) на вторичный вал 7, на солнечную шестерню 32. Сателлиты 33, обкатываясь по остановленному эпициклическому колесу 35, вращают водило 36 и выходной вал 9 с малой скоростью и высоким крутящим моментом.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч 5п направо вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.1 на верхней горизонтали.
Вторая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Выключаем 2-ю пару шестерен, включаем 1-ю пару шестерен.
Крутящий момент от правого сцепления (П) передается на трубчатый вал 10, на паре шестерен 18-12 на промежуточной вал 11, далее как на первой передаче.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали крутой луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч 5п направо вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.2 на верхней горизонтали.
Третья передача
Сцепление, муфты А и С, как на первой передаче, муфту В переключаем в левое положение (Л). Включены 2-я и 4-я пары шестерен и ПМ в режиме U=K+1.
Крутящий момент, как на первой передаче, от первичного вала 6 передается парой шестерен 19-13 на промежуточный вал 11, далее на пару шестерен 15-21, муфтой В (24) в левом положении на вторичный вал 7, далее как на первых передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 4п направо вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.3 на верхней горизонтали.
Четвертая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 4-я пары шестерен и ПМ в режиме U=К+1.
От правого сцепления крутящий момент, как на второй передаче, передается на промежуточный вал 11, далее как на третьей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали крутой луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 4п направо вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.4 на верхней горизонтали.
Пятая передача
Включаем левое сцепление (Л), муфту А переключаем в правое положение (П), а муфту В - в нейтральное (Н). Включены 2-я и 3-я пары шестерен и ПМ в режиме U=К+1.
Как на первой и третьей передачах, крутящий момент передается на промежуточный вал 11, далее парой шестерен 14-20, муфтой А (23) на наконечник 8, вторичный вал 7, ПМ в режиме U=К+1 и выходной вал 9.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 3п налево вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.5 на верхней горизонтали.
Шестая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 3-я пары шестерен и ПМ в режиме U=К+1.
Как на второй и четвертой передачах, крутящий момент передается на промежуточный вал 11, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 3п налево вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.6 на верхней горизонтали.
Седьмая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежнем положении. Включены прямая передача в основной КП и ПМ в режиме U=К+1.
Крутящий момент передается от первичного вала 6 муфтой 23 (А) на наконечник 8, вторичный вал 7, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена одним лучом: из т.0 на второй горизонтали самый пологий луч ПМ к т.7 на верхней горизонтали.
Восьмая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 2-я пары шестерен и ПМ в режиме U=К+1.
Как на второй, четвертой и шестой передачах, крутящий момент передается на промежуточный вал 11, далее парой шестерен 13-19, затем как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч 2п налево вверх к второй горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.8 на верхней горизонтали.
Девятая передача
Переключаем муфту С в правое положение (П), остальные муфты в положении первой передачи. Включены 2-я и 5-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Крутящий момент до солнечной шестерни 32 передается, как на первой передаче, далее по заблокированному ПМ и от водила 36 на выходной вал 9.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч 5п направо вверх к второй горизонтали, вертикальный луч ПМ к т.9 на верхней горизонтали.
Десятая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Выключаем 2-ю пару шестерен, включаем 1-ю пару шестерен.
Крутящий момент до ПМ передается, как на второй передаче, далее как на девятой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали крутой луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч 5п направо вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.10 на верхней горизонтали.
Одиннадцатая передача
Муфта С в правом положении (П), остальные муфты в положении третьей передачи. Включены 2-я и 4-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Крутящий момент до ПМ передается, как на третьей передаче, далее как на десятой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 4п направо вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.11 на верхней горизонтали.
Двенадцатая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 4-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Крутящий момент до ПМ передается, как на четвертой передаче, далее как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали крутой луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 4п направо вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.12 на верхней горизонтали.
Тринадцатая передача
Муфта С в правом положении (П), остальные муфты в положении пятой передачи. Включены 2-я и 3-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Как на пятой передаче, крутящий момент передается до ПМ, который находится в режиме U=1, и далее на выходной вал 9.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 3п налево вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.13 на верхней горизонтали.
Четырнадцатая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 3-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Как на шестой передаче, крутящий момент передается до ПМ, далее как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 3п налево вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.14 на верхней горизонтали.
Пятнадцатая передача - прямая
Включаем левое сцепление (Л) и муфту А в левое положение (Л), остальные муфты в прежнем положении. Включены прямая передача в основной КП и ПМ в режиме U=1.
Крутящий момент передается от первичного вала 6 муфтой 23 (А) на наконечник 8, вторичный вал 7, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена одним лучом: из т.0 на второй горизонтали вертикальный луч ПМ к т.15 на верхней горизонтали.
Шестнадцатая передача
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Включены 1-я и 2-я пары шестерен и ПМ в режиме U=1.
Как на восьмой передаче, крутящий момент передается на ПМ, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее крутой луч 3п налево вверх к второй горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.16 на верхней горизонтали.
Первый задний ход - 1R
Включаем левое сцепление (Л), муфту А переключаем в нейтральное положение (Н), как на первой, третьей и пятой передачах, муфту В - также в нейтральное положение (Н), дополнительную шестерню заднего хода 26 вводим в зацепление с ведущей 17 и ведомой 25 шестернями заднего хода, муфту С (37) - в левое (Л) положение.
Крутящий момент до промежуточного вала 11 поступает, как на первой передаче переднего хода, далее по ряду шестерен 17-26-25 заднего хода, муфтой В (24) на вторичный вал 7, на солнечную шестерню 32, сателлиты 33, обкатываясь по остановленному эпициклическому колесу 35, вращают водило 36 и выходной вал 9 с малой скоростью и высоким крутящим моментом в направлении, противоположном вращению входного вала 5.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2 внизу) эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч R направо вниз к нижней горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.1 R на третьей горизонтали.
Второй задний ход - 2R
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты в прежнем положении. Выключаем 2-ю пару шестерен, включаем 1-ю пару шестерен.
Крутящий момент до промежуточного вала 11 поступает, как на второй передаче переднего хода, далее как на первой передаче заднего хода.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали крутой луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч R направо вниз к нижней горизонтали, затем самый пологий луч ПМ к т.2 R на третьей горизонтали.
Третий задний ход - 3R
Включаем левое сцепление (Л), муфту С - в правое положение (П), остальные муфты в положении передачи 1R.
Крутящий момент до промежуточного вала 11 поступает, как на первой передаче заднего хода, далее по ряду шестерен 17-26-25 заднего хода, муфтой В (24) на вторичный вал 7, на солнечную шестерню 32, блокированному ПМ, вращают водило 34 и выходной вал 9.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 2п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч R направо вниз к нижней горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.3 R на третьей горизонтали.
Четвертый задний ход - 4R
Включаем правое сцепление (П), остальные муфты остаются в прежнем положении.
Крутящий момент до промежуточного вала 11 поступает, как на двенадцатой передаче переднего хода, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т.0 на второй горизонтали пологий луч 1п направо вниз к третьей горизонтали, далее пологий луч R направо вниз к нижней горизонтали, затем вертикальный луч ПМ к т.4 R на третьей горизонтали.
Если принять наиболее часто используемый в МКП (многоступенчатая коробка передач) интервал - отношение передаточных чисел соседних передач - q=1,21, то получим диапазон D=17,45; величины передаточных чисел пар шестерен: первая - 1,44; вторая и пятая - 1,77; третья и четвертая - 1,21. Передаточное число ПМ составит 4,59; внутренний параметр ПМ, равный отношению числа зубьев эпициклического колеса к числу зубьев солнечной шестерни, составит 3,59 (вычисления приведены между горизонталями фиг.2).
Предложенная МКП имеет хорошие компоновочные возможности: небольшие величины передаточных чисел пар шестерен, что обеспечивает возможность уменьшения межосевого расстояния и габаритов МКП; основное увеличение крутящего момента происходит в ПМ, 8 интервалов из 15-ти, что разгружает основную КП. ПМ имеет внутренний параметр, близкий к оптимальному, - не более 5.
Обозначения
1 - корпус основной КП,
2 - внутренняя стенка корпуса КП,
3 - корпус сдвоенного сцепления,
4 - корпус ПМ (планетарного механизма),
5 - входной вал,
6 - первичный вал,
7 - вторичный вал,
8 - трубчатый наконечник вторичного вала 6,
9 - выходной вал от водила ПМ,
10 - трубчатый вал,
11 - промежуточный вал,
12-17 - шестерни, закрепленные на промежуточном валу 11,
18 - шестерня трубчатого вала 10,
19 - шестерня, закрепленная на первичном валу 6,
20 - шестерня, свободно установленная на трубчатом наконечнике 8 вторичного вала 7,
21, 22 - шестерни, свободно установленные на вторичном валу 7,
23 (А) - трехпозиционная муфта трубчатого наконечника 8, расположенная между шестернями 19 и 20,
24 (В) - трехпозиционная муфта вторичного вала 7, расположенная между шестернями 21 и 22,
25 - ведомая шестерня заднего хода, закрепленная на муфте 24 (В),
26 - дополнительная шестерня заднего хода, установленная на оси 27,
27 - ось дополнительной шестерни заднего хода 26,
28 - кожух сдвоенного сцепления,
29 - ведущие диски сцепления 28,
30 - ведомые диски левого (Л) сцепления 28, установленные на первичном валу 6,
31 - ведомые диски правого (П) сцепления 28, установленные на трубчатом валу 10,
32 - солнечная шестерня ПМ,
33 - сателлиты водила 34,
34 - водило ПМ,
35 - эпициклическое колесо ПМ,
36 - трубчатый вал эпициклического колеса 35,
37 (С) - трехпозиционная муфта ПМ, расположенная между зубчатыми венцами корпуса ПМ 4 и выходного вала 9.