ДЕВЯТИСТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
NINE-STEP GEARBOX

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин.
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.).
На автомобилях и автопоездах, имеющих малую удельную мощность (мощность, приходящуюся на единицу полной массы автомобиля и автопоезда), для удобства переключения передач интервалы между передачами (отношение передаточных чисел соседних передач) уменьшают за счет увеличения числа передач путем дополнительной установки к базовой КП переднего делителя или демультипликатора, а также обоих устройств.
Передние делители могут быть встроены в базовую КП (с.63, рис.40) или выполнены в отдельном картере и пристыкованы к базовой КП (с.64, рис.41). Демультипликаторы выполняют в отдельном картере, отделенном промежуточной стенкой от базовой КП (с.65, рис.42).
Эти агрегаты конструктивно сложны и металлоемки.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является восьмиступенчатая трехвальная соосная КП (с.63, рис.40) автомобилей КА3-4540.
Конструктивно трехходовая четырехступенчатая КП объединена в одном картере с двухступенчатым редуктором (передаточное число первой ступени равно 1,0; второй - 1,3), выполняющим функцию делителя, что обеспечивает получение восьми передач. Высшая передача - прямая, низшая имеет передаточное число 9,42, что дает возможность получить минимальную устойчивую скорость около 2 км/ч, необходимую для автомобиля сельскохозяйственного назначения, каким является КА3-4540. В опорах стенок КП размещены три вала, причем входной и выходной валы соосны, а промежуточный вал расположен параллельно соосным валам. Плавающая опора выходного вала консольно расположена в выемке наконечника входного вала, плавающая опора входного вала смонтирована в крышке-удлинителе. Шестерня входного вала КП и зубчатые колеса выходного вала свободно установлены на подшипниках. Прямозубое ведомое колесо заднего хода выполнено за одно целое с муфтой синхронизатора. Зубчатые колеса промежуточного вала установлены на сегментных шпонках. Прямозубая шестерня первой передачи и заднего хода нарезана непосредственно на промежуточном валу. Все передачи переднего хода синхронизированы. Между шестернями соосных валов установлены три трехпозиционные муфты переключения передач с синхронизаторами, четвертая муфта переключения расположена на дополнительной шестерне заднего хода, установленной на отдельной оси.
1
Рассмотренная КП автомобиля КА3-4540 конструктивно сложна и имеет ограниченные эксплуатационные возможности. Плавающая опора входного вала вынесена за пределы стенок КП, она расположена в крышке-удлинителе, что увеличивает длину КП. Плавающая опора выходного вала расположена в выемке наконечника входного вала, что увеличивает внутренний диаметр шестерни этого вала, снижает величину передаточного числа зубчатого зацепления между входным и промежуточным валами и ограничивает диапазон КП (отношение передаточных чисел низшей передачи к высшей) D=U=9,42 и эксплуатационные возможности транспортного средства. Консольная установка шестерни входного вала с опорой в ней выходного вала, значительная длина выходного и промежуточного валов приводят к тому, что при высоких нагрузках из-за изгибных напряжений и деформаций нарушается точность контакта зубчатых зацеплений, что приводит к шуму и снижению долговечности КП.
Задачей изобретения является уменьшение длины КП и расширение эксплуатационных возможностей транспортного средства.
Технический результат обеспечивается за счет уменьшении длины КП при исключении вынесенной за стенки КП плавающей опоры входного вала, увеличение ее долговечности за счет повышения жесткости валов при уменьшении их длины и исключении консольной опоры выходного вала, а также увеличения числа передач переднего хода с 8 до 9 и заднего хода с 2 до 3.
Указанный технический результат достигается тем, что девятиступенчатая коробка передач, содержащая картер с опорами в которых соосно установлены входной и выходной валы, а промежуточный вал установлен параллельно этим валам, на валах расположены пять пар шестерен переднего хода и ряд шестерен заднего хода, дополнительная шестерня заднего хода установлена на отдельной оси, на выходном валу две шестерни установлены свободно, между этими шестернями расположена трехпозиционная муфта переключения выходного вала, четыре шестерни закреплены на промежуточном валу, при этом наконечник выходного вала установлен в опоре промежуточной стенки, в этом наконечнике расположена опора входного вала, на котором закреплены две шестерни, зацепленные с шестернями, свободно установленными на промежуточном валу, между ними расположена трехпозиционная муфта переключения промежуточного вала, трехпозиционная муфта переключения наконечника выходного вала расположена между шестернями, свободно установленными с одной стороны на наконечнике выходного вала, с другой стороны на входном валу, на зубчатом венце этой шестерни в сторону зубчатого венца закрепленной шестерни расположена двухпозиционная муфта переключения, дополнительная шестерня заднего хода постоянно зацеплена с ведущей и ведомой шестернями заднего хода.
На фиг.1 изображена кинематическая схема девятиступенчатой трехвальной соосной КП 9R3 - (9 передач переднего хода и 3 передачи заднего хода), содержащей 10 шестерен для передач переднего хода и 3 шестерни для передач заднего хода, четыре муфты переключения передач. В нижней части приведены номера пар шестерен переднего хода (1п-5п) и обозначение ряда шестерен заднего хода - R.
На фиг.2 приведена лучевая диаграмма этой КП с таблицами положений муфт переключения на различных передачах переднего (вверху над горизонтальной осью lq u). В верхней части таблиц обозначены включенные в работу пары шестерен (1п-5п) или ряд шестерен заднего хода (R). В левом столбце таблицы обозначены четыре муфты переключения: А-D, по горизонталям показаны состояния этих муфт при включенных передачах: Л - левое и П - правое. На горизонтальных шкалах в логарифмическом виде приведены величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Крайние горизонтали соответствуют выходному валу, а средняя - промежуточному валу. Чем больше передаточное число, тем значительно положе наклон луча направо. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен, например, лучи 3п от средней оси к 7-й и 8-й передачам. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
В опорах картера девятиступенчатой КП 1 (см. фиг.1) расположены входной 2, выходной 3 и промежуточный 4 валы. Входной 2 и выходной 3 валы расположены соосно, а промежуточный вал 4 установлен параллельно соосным валам. Промежуточная стенка картера 1 имеет опору 5, в которой установлен наконечник 6 выходного вала 3. В наконечнике 6 размещена опора входного вала 2. На входном валу 2 закреплены (изготовлены совместно с валом) ведущие шестерни 7-8, а шестерня 9 с зубчатыми венцами с обеих сторон свободно установлена на этом валу. Шестерня 10 свободно установлена на наконечнике 6, а шестерни 11 и 12 свободно установлены на выходном валу 3. Дополнительная шестерня заднего хода 13 установлена на отдельной оси 14. На промежуточном валу 4 шестерни 15-18 закреплены, а шестерни 19, 20 установлены свободно. Ведущие шестерни 7-8 зацеплены с шестернями 20 и 19 соответственно, между этими шестернями расположена трехпозиционная муфта переключения 20 (А) крайних шестерен промежуточного вала 4. Двухпозиционная муфта 22 (В) входного вала 2 установлена между шестернями 8 и 9. Трехпозиционная муфта 23 (С) расположена на наконечнике 6 выходного вала 3 между шестернями 9 и 10, зацепленными с шестернями 18 и 17 соответственно промежуточного вала 4. Трехпозиционная муфта 24 (D) выходного вала 3 расположена между шестернями 11 и 12, ведомая шестерня заднего хода 11 через дополнительную шестерню заднего хода 13 зацеплена с ведущей шестерней заднего хода 16, а шестерня 12 с шестерней 15 промежуточного вала 4.
Работа КП осуществляется следующим образом (см. фиг.1 и 2).
Первая передача
Муфта А в левом положении (Л), муфта D - в правом (П), а муфты В и С - в нейтральном (см. фиг.2, табл. справа над т.1). В работу включены пары шестерен 1п и 5п.
Крутящий момент (см. фиг.1) от входного вала 2 передается 1-й парой шестерен 7-20, муфтой 21 (А) на промежуточный вал 4, далее 5-й парой шестерен 15-12 и муфтой 24 (D) на выходной вал 3.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена двумя лучами: пологий луч 1п выходит из т.9 слева на верхней горизонтали и направлен направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч 5п к т.1 справа на верхней горизонтали - получили максимальное передаточное число.
Вторая передача
Переключаем муфту А в правое положение - заменяем 1-ю пару шестерен 2-й парой шестерен.
Крутящий момент от входного вала 2 по 2-й паре шестерен 8-19, затем муфтой 21 (А) передается на промежуточный вал 4 и далее, как на первой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 2п и 5п от т.9 к т.2.
Третья передача
Переключаем муфту А в нейтральное положение. Муфту В переключаем в левое положение. Выключаем 2-ю пару шестерен и включаем 3-ю пару шестерен.
Крутящий момент передается от входного вала 2 муфтой 22 (В) на шестерню 9, затем 3-й парой шестерен 9-18 до промежуточного вала 4 и далее, как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 3п и 5п от т.9 к т.3.
Четвертая передача
Включаем муфту А в левое положение, а муфту С в правое положение. Муфты В и D переключаем в нейтральное положение. Выключаем 3-ю и 5-ю пары шестерен и включаем 1-ю и 4-ю пары шестерен.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на первой передаче, далее по паре шестерен 17-10 и по муфте С на наконечник 6 и выходной вал 3.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 1п и 4п от т.9 к т.4.
Пятая передача
Возвращаем муфту А в положение второй передачи - заменяем 1-ю пару шестерен 2-й парой шестерен.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на второй передаче, далее как на четвертой передаче.
На лучевой диаграмме луч 2п направо вниз и луч 4п направо вверх к т.5 характеризуют эту передачу.
Шестая передача
Выключаем муфту А в нейтральное положение и включаем муфту В в левое положение, а муфту С в правое положение. Выключаем 2-ю пару шестерен и включаем 3-ю пару шестерен.
Крутящий момент от входного вала 2 на промежуточный вал 4 передается как на третьей передаче, далее как на предыдущих двух передачах.
На лучевой диаграмме крутой луч 3п направо вниз и луч 4п направо вверх к т.6 характеризуют эту передачу. Седьмая передача
Выключаем муфту В в нейтральное положение, включаем муфту А в левое положение, а муфту С переводим из правого в левое положение. Заменяем 4-ю пару шестерен 1-й парой шестерен.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на первой и четвертой передачах, далее по паре шестерен 18-9 в ускоряющем режиме и муфтой С на наконечник 6 и выходной вал 3.
На лучевой диаграмме пологий луч 1п направо вниз и луч 3п налево вверх к т.7 характеризуют эту передачу.
Восьмая передача
Переключаем муфту А в правое положение - заменяем 1-ю пару шестерен 2-й парой шестерен.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на второй и пятой передачах, от промежуточного вала 4 к выходному валу 3 - как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме луч 2п направо вниз и луч Зп налево вверх к т.8 характеризуют эту передачу.
Девятая передача - прямая
Выключаем муфту А в нейтральное положение, муфту В переводим в левое положение. Выключаем из работы все шестерни.
Крутящий момент от входного вала 2 шестерней 8, муфтой В, шестерней 9 и муфтой С передается на наконечник 6 и выходной вал 3 с высоким КПД без трансформации крутящего момента парами шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена точкой 9.
Передачи заднего хода включаются при перемещении муфты D в левое положение, при котором выключаем 5-ю пару шестерен и включаем ряд шестерен заднего хода, соединяя ведомую шестерню 11 с выходным валом 3. Муфта С находится в нейтральном положении. В остальном, передачи заднего хода соответствуют первым трем передачам переднего хода.
Первый задний ход - 1R
Муфты А и D находятся в левом положении, муфты В и С - в нейтральном. Включены 1-я пара шестерен и ряд шестерен заднего хода.
Крутящий момент от входного вала 2 на промежуточный вал 4 передается, как на первой передаче переднего хода, далее через ряд шестерен заднего хода 16-13-11 и через муфту D на выходной вал 3, который вращается в направлении, противоположном вращению входного вала 2.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: пологий луч 1 из т.9 слева на верхней горизонтали направо вниз к средней горизонтали, далее луч R также направо вниз к т.1R на нижней горизонтали.
Второй задний ход - 2R
Переключаем муфту А в правое положение - заменяем 1-ю пару шестерен 2-й парой шестерен.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на второй, пятой и восьмой передачах переднего хода, далее  - как на предыдущей передаче заднего хода.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 2п и R к T.2R на нижней горизонтали.
Третий задний ход - 2R
Переключаем муфту А в нейтральное положение, а муфту В в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на третьей и шестой передачах переднего хода, далее - как на первой и второй передачах заднего хода.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 3п и R к T.3R на нижней горизонтали.
Технико-экономическая эффективность заключается в следующем.
1. Автономность КП достигается без крышки-наконечника входного вала, что расширяет компоновочные возможности - допускается установка КП как в средней части транспортного средства аналогично автомобилю-самосвалу КА3-4540, так и компоновка "трансэксл" с расположением КП в задней части транспортного средства, для лучшей развесовки по осям.
2. Установка дополнительной опоры выходного и входного валов в средней части КП повышает ее долговечность за счет улучшения условий работы зубчатых зацеплений при уменьшении изгибных деформаций валов.
3. Устранение опоры выходного вала из торца входного вала позволяет увеличить величину передаточного числа пары шестерен привода промежуточного вала без увеличения межосевого расстояния, габаритов и массы КП, что расширяет диапазон КП и эксплуатационные возможности транспортного средства. Увеличение числа передач переднего хода с восьми до девяти и заднего хода с двух до трех также способствует расширению эксплуатационных возможностей транспортного средства.
1п
5п
1п
5п
1п
5п
1п
5п
3
5
4
Восьмиступенчатая КП автомобиля КА3-4540 имеет диапазон 9,42 со средним интервалом между передачами 1,378. Для девятиступенчатой КП при диапазоне 10 получим средний интервал между передачами 1,333. При этом на фиг.2 передаточные числа пар шестерен составят: U=1,333=2,37; U=1,333=4,21; диапазон - D=U×U=2,37×4,21=10. Если принять U=U=1,333=3,157, то максимальное передаточное число заметно снизилось. Конструкция КП допускает увеличение передаточного числа низшей передачи и диапазона, что приведет к дальнейшему расширению эксплуатационных возможностей транспортного средства. Если принять U=U=4, то диапазон увеличится до D=4×4=16.