TWELVE-STAGE NON-COAXIAL TRANSFER GEARBOX WITH DOUBLE CLUTCH
Двенадцатиступенчатая несоосная раздаточная коробка со сдвоенным сцеплением

Изобретение относится к транспортному машиностроению, к трансмиссии транспортных машин.
Известны агрегаты трансмиссии - КП (коробки передач) и РК (раздаточные коробки) со ступенчатым изменением передаточных чисел, содержащие шестерни, валы, опоры, устройства переключения передач, применяемые на отечественных и зарубежных автомобилях (1. Литвинов А.С, Ротенберг Р.В., Фрумкин А.К. Шасси автомобиля: Конструкция и элементы расчета. - М.: Машгиз, 1963. - 504 с. 2. Некрасов В.И. Многоступенчатая трансмиссия. Конструкция, конструирование и расчет: Учеб. пособие. - Курган, изд-во Курганского гос. ун-та, 2001. - 155 с.).
Эти агрегаты конструктивно сложны, металлоемки. Стремление к обеспечению высокого уровня унификации за счет применения одинаковых КП на автомобилях с разными колесными формулами (неполноприводные, многоприводные и полноприводные) и установки дополнительной РК приводит к увеличению металлоемкости трансмиссии, так как два отдельных агрегата (КП и РК) имеют габаритные размеры и расход металла больше, чем один агрегат (МРК - многоступенчатая раздаточная коробка).
Например, масса агрегатов автомобиля ГА3-66 составляет: 4-ступенчатая КП - 55 кг; 2-ступенчатая РК - 53 кг; соответственно ЗИЛ-157: 110 и 124 кг; ЗИЛ-131: 105 и 112 кг; Урал-375: 235 и 178 кг; Урал-4320: 246 и 178 кг; КрАЗ-255: 215 и 420 кг; КрАЗ-260: 340 и 360 кг. Масса РК, в основном, больше массы КП. Тяжелый и массивный агрегат РК используется неэффективно (2. с. 102).
Распределение передаточных чисел на выходе РК неоптимально. Например, на автомобиле ГАЗ-66 установка двухступенчатой РК с передаточными числами 1,98 и 1,0 должна удвоить число передач в трансмиссии, но полученное распределение передаточных чисел далеко от оптимального. На выходе РК получаем следующий ряд передаточных чисел: 12,98; 6,55; 6,12; 3,39; 3,09; 1,98; 1,71 и 1,0. Теоретически получили 8 передач в диапазоне 12,98 со средним интервалом 1,44. Фактически реализуются только 5 передач со средним интервалом 1,67; так как между тремя парами передач интервалы крайне малы (от 1,07 до 1,16), использование передач с такими малыми интервалами нецелесообразно. Аналогичная картина и для других рассмотренных автомобилей.
Находят применение РК, пристыкованные к КП. Например, РК с дифференциальным приводом без демультипликатора состоит из 5-ступенчатой КП и одноступенчатой РК (1. с. 171, фиг. 125), что приводит к снижению габаритов и массы, но они также недостаточно эффективны.
Наиболее близкой к предлагаемому устройству является 6-ступенчатая несоосная РК со сдвоенным сцеплением (Патент RU №2542814 от 23.01.2015. Авторы Некрасов В.И., Шпитко Г.Н., Богатырева А.С.).
Раздаточная коробка содержит корпус агрегата, на входе в РК расположено сдвоенное сцепление, часть ведомых дисков этого сцепления установлена на ведущем трубчатом валу, внутри трубчатого вала расположен первичный вал РК, на валах агрегата расположены четыре пары шестерен прямого хода и ряд шестерен заднего хода, на первичном валу закреплены четыре шестерни, одна из них заднего хода, на выходном трубчатом валу все шестерни установлены свободно и расположены две трехпозиционные муфты переключения передач.
Описанная РК проще типовых конструкций трансмиссионных агрегатов, приведенных в источниках, выше интенсивность использования шестерен на различных передачах, но она имеет недостатки, которые заключаются в ограничении эксплуатационных и компоновочных характеристик транспортного средства при недостаточном числе передач и диапазоне РК (отношение передаточных чисел низшей и высшей передач.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении эксплуатационных и компоновочных возможностей транспортного средства за счет увеличения числа передач и диапазона РК.
Поставленная задача решается за счет изменения конструкции РК путем введения дополнительного вала с дополнительной опорой, соосного первичному валу, установки дополнительной пары шестерен и двух противоположно развернутых муфт с общей вилкой переключения передач.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что двенадцатиступенчатая несоосная раздаточная коробка содержит корпус агрегата, в опорах которого параллельно расположены валы, на которых установлены пары шестерен внешнего зацепления и шестерни заднего хода, на выходном трубчатом валу ведомые шестерни имеют зубчатые венцы и установлены свободно, на входном валу закреплен кожух сдвоенного сцепления с ведущими дисками, соосно входному валу установлен первичный вал с закрепленной на нем шестерней и с ведомыми дисками левого сцепления, между ними свободно расположен ведущий трубчатый вал, на котором установлены ведомые диски правого сцепления и закреплена шестерня, эти две шестерни зацеплены с шестернями, которые трубчатым валом объединены в блок, на выходном трубчатом валу между рядами шестерен расположены две трехпозиционные муфты переключения, при этом соосно входному валу в дополнительной опоре установлен дополнительный вал, на котором закреплены две шестерни переднего хода и ведущая шестерня заднего хода, промежуточные шестерни заднего хода установлены на валу, расположенном между дополнительным и трубчатым выходным валами, две противоположно развернутые муфты с общей вилкой переключения установлены на зубчатых венцах шестерен второго и третьего рядов.
Предлагаемое техническое решение расширяет эксплуатационные и компоновочные характеристики транспортного средства: позволяет увеличить число передач и диапазон передаточных чисел, попарно переключать передачи сдвоенным сцеплением (12-11, 10-9 и т.д.) практически без разрыва потока мощности, что облегчает процесс управления транспортным средством и повышает его проходимость.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема 12-ступенчатой несоосной РК 12R4 (12 передач переднего хода и 4 заднего хода) со сдвоенным сцеплением и дифференциалом. В нижней части (под фиг. 1) отмечены номера пар шестерен.
На фиг. 2 изображена лучевая диаграмма РК 12R4 с таблицами положений сцеплений и муфт переключения на различных передачах. В верхней строке таблицы указаны номера включенных пар шестерен. На горизонтальных шкалах диаграммы в логарифмическом виде представлены величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Над верхней горизонталью обозначены номера передач переднего хода (12-1), под нижней горизонталью -передачи заднего хода (4R-1R). На крайних горизонталях величина передаточных чисел приведена к выходному трубчатому валу, т. 0 на средней горизонтали - к входному валу. Номера пар шестерен указаны на лучах. Наклон луча направо указывает на замедляющий режим работы пары шестерен, чем положе луч, тем больше передаточное число, например луч 4 по отношению к другим лучам. Наклон луча налево характеризует ускоряющий режим работы пары шестерен, например, луч 3 к передачам 12 и 11. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
Предлагаемое устройство состоит из корпуса РК 1 и корпуса сдвоенного сцепления 2, в их опорах соосно расположены входной 3 и первичный 4 валы, а также дополнительный вал 5 с дополнительной опорой 6. Параллельно им расположен выходной трубчатый вал 7, внутри этого вала установлен вал 8 для привода переднего моста автомобиля. На первичном валу 4 свободно установлен ведущий трубчатый вал 9 с закрепленной на нем шестерней 10. Шестерня 11 жестко закреплена на первичном валу 4, а шестерни 12, 13 и 14 - на дополнительном валу 5. Шестерни 15 и 16 объединены в блок трубчатым валом 17, свободно установленным на валу 8 привода переднего моста автомобиля и частично расположенным внутри выходного трубчатого вала 7. Шестерня 18 свободно установлена на валу 8 привода переднего моста автомобиля и зацеплена с шестерней 12. Шестерни 19 и 20 свободно установлены на выходном трубчатом валу 7 и зацеплены соответственно с шестернями 13 и 14 дополнительного вала 5. Ведущая шестерня заднего хода 21 закреплена на дополнительном валу 5 и зацеплена с промежуточной шестерней 22, закрепленной на валу 23 с шестерней 24, зацепленной с ведомой шестерней заднего хода 25, которая свободно установлена на выходном трубчатом валу 7. Противоположно развернутые муфты одностороннего действия расположены на зубчатых венцах шестерен: верхняя 26 - между шестерней 11 первичного вала 4 и шестерней 12 дополнительного вала 5, нижняя 27 (А) - между шестернями 16 и 17 вала 8. Муфты 26 и 27 (А) взаимосвязаны вилкой 28 переключения передач. Между шестернями 18 и 25 на ступице выходного трубчатого вала 7 расположена первая трехпозиционная муфта 29 (В). Вторая трехпозиционная муфта 30 (С) выходного трубчатого вала 7 расположена между шестернями 19 и 20. На входном валу 3 закреплен кожух 31 сдвоенного сцепления с перегородкой 32, в нем расположены ведущие диски 33 сцеплений. Ведомые диски 34 левого сцепления (Л) установлены на первичном валу 4, а ведомые диски 35 правого сцепления (П) установлены на ведущем трубчатом валу 9. Бустеры и нажимные устройства, прижимающее ведущие и ведомые диски при включении сцеплений, не показаны. Корпус дифференциала 36 закреплен к корпусу РК 1. Чашки 37 дифференциала с водилом 38 закреплены на выходном трубчатом валу 7. Сателлиты 39 установлены на водиле 38 и зацеплены с шестернями 40 и 41, которые установлены на валах 8 и 42 привода переднего и заднего ведущих мостов. Муфта блокировки дифференциала 43 расположена на зубчатом венце 44 выходного трубчатого вала 7 или зубчатом венце 45 вала 42.
На фиг 1 показан узел деления потока мощности в виде симметричного конического дифференциала 37. Узел деления потока мощности может быть любым: симметричным и несимметричным дифференциалом, с коническими или цилиндрическими шестернями, типа Torsen, многодисковые муфты и т.д. Узел деления потока мощности может быть расположен как на выходе РК, так и внутри агрегата. Компоновка дифференциала внутри корпуса РК приведет к увеличению его габаритов. При использовании современных компактных синхронизаторов, например, фирмы ZF, расстояние между шестернями уменьшается, РК будет иметь минимальные габаритные размеры.
Между входным валом 3 и кожухом 31 сдвоенного сцепления возможна установка зубчатой передачи (цилиндрической, конической, гипоидной и т.п.).
Шестерни заднего хода могут быть выполнены в один ряд.
Для высокомоментных РК выходной трубчатый вал 7 может быть удлинен и установлен в опоре передней стенки корпуса 1, а трубчатый вал 17 блока шестерен 15 и 16, а также шестерня 18 будут расположены на валу 7.
На выходе дополнительного вала 5 возможна установка ВОМ (вала отбора мощности).
РК работает следующим образом: сдвоенное сцепление срабатывает при каждом переключении, которое происходит практически без разрыва потока мощности. Муфты 26 и 27 (А) изменяют свое положение после двух переключений, муфты 29 (В) и 30 (С) - после четырех последовательных переключений передач. Муфта 43 блокировки дифференциала 37 при разомкнутом состоянии зубчатых венцов 44 и 45 не ограничивает работу дифференциала. В этом случае симметричный дифференциал распределяет крутящий момент поровну, но по худшим сцепным условиям колес ведущих мостов с дорогой, на чашках дифференциала 37 будет удвоенный момент по минимальным сцепным условиям. Для повышения проходимости транспортного средства в плохих дорожных условиях дифференциал блокируют, смещая муфту 43 и замыкая ей зубчатые венцы 44 и 45. В этом случае крутящий момент и сила тяги на колесах ведущих мостов будет определяться сцепными условиями колес каждого моста с дорогой и на чашках дифференциала 37 будет сумма крутящих моментов от валов 8 и 42.
При колесной формуле транспортного средства 6×6 применяют несимметричный дифференциал, в этом случае от солнечного колеса дифференциала на вал 8 привода переднего ведущего моста будет распределяться 1/3 крутящего момента дифференциала, а от эпициклического колеса на вал 42 привода мостов задней тележки - 2/3 крутящего момента.
Первая передача
Включаем правое сцепление (П), муфты А и С в левом (Л) положении, муфта В - в нейтральном (Н); (фиг. 2, верхняя таблица над т. 1). Включены 1-я, 3-я и 4-я пары шестерен.
Крутящий момент от ведомых дисков 35 правого сцепления (П) передается на ведущий трубчатый вал 9, на паре шестерен 10-15, по блоку 17, по нижней муфте 27, по паре шестерен 18-12, дополнительному валу 5, на пару шестерен 13-19 и муфтой С (30) на выходной трубчатый вал 7, на дифференциала 37, от водила 38 и сателлитов 39 на шестерни 40 и 41, от них соответственно на валы 8 и 42 привода ведущих мостов.
На лучевой диаграмме (фиг. 2) эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали (т. 9), затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч 4 направо вверх к т. 1.
Вторая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Заменяем 1-ю пару на 2-ю пару шестерен.
Крутящий момент от ведомых дисков 34 левого сцепления (Л) передается на первичный вал 4, пару шестерен 11-16, далее как на первой передаче.
На лучевой диаграмме передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 2 направо вверх к верхней горизонтали (т. 10), затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч 4 направо вверх к т. 2.
Третья передача
Сцепление, как на первой передаче, муфту А переключаем в правое положение (П). Включены 1-я, 2-я и 4-я пары шестерен.
Крутящий момент как на первой передаче от ведущего трубчатого вала 9 передается парой шестерен 10-15, по блоку 17, по паре шестерен 16-11, по верхней муфте 26, дополнительному валу 5, затем как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали (т. 9), затем крутой луч 2 налево вниз к средней горизонтали, далее пологий луч 4 направо вверх к т. 3.
Четвертая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Выключаем из работы 1-ю и 2-ю пары шестерен.
От левого сцепления крутящий момент, как на второй передаче, передается на первичный вал 4, далее, как на третьей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена пологим лучом 4 из т. 0 на средней горизонтали направо вверх к т. 4 на верхней горизонтали.
Пятая передача
Включаем правое сцепление (П), муфты А переводим в левое положение (Л), а муфту С переводим в правое положение (П). Работают 1-я, 3-я и 5-я пары шестерен.
Крутящий момент передается от входного вала 3 до дополнительного вала 5, как на первой передаче, далее парой шестерен 14-20 и муфтой 30 (С) на выходной трубчатый вал 7 и дифференциал 37.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали (т. 9), затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее луч 5 направо вверх к т. 5.
Шестая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Работают 2-я, 3-я и 5-я пары шестерен.
До дополнительного вала 5 крутящий момент поступает, как на второй передаче, затем, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 2 направо вверх к верхней горизонтали (т. 10), затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее луч 5 направо вверх к т. 6.
Седьмая передача
Включаем правое сцепление (П), муфты А переводим в правое положение (П). Работают 1-я, 2-я и 5-я пары шестерен.
Крутящий момент передается от входного вала 3 до дополнительного вала 5, как на третьей передаче, далее, как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали (т. 9), затем крутой луч 2 налево вниз к средней горизонтали, далее луч 5 направо вверх к т. 7.
Восьмая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Выключаем из работы 1-ю и 2-ю пары шестерен.
От левого сцепления крутящий момент, как на второй передаче, передается на первичный вал 4, далее, как на седьмой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучом 5 из т. 0 на средней горизонтали направо вверх к т. 8 на верхней горизонтали.
Девятая передача
Включаем правое сцепление (П), муфты А и В переводим в левое положение (Л), а муфту С в нейтральное (Н) положение.
Работает 1-я пара шестерен. Крутящий момент передается от входного вала 3 до шестерни 18, как на 1-й, 3-й, 5-й и 7-й передачах, далее муфтой В (29) на трубчатый выходной вал 7 и как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучом 1 из т. 0 на средней горизонтали направо вверх к т. 9 на верхней горизонтали.
Десятая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Работает 2-я пара шестерен.
До нижней муфты 27 (А) крутящий момент поступает, как второй и шестой передачах, затем, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучом 2 из т. 0 на средней горизонтали к т. 10.
Одиннадцатая передача
Включаем правое сцепление (П), муфты А переводим в правое положение (П). Работают 1-я, 2-я и 3-я пары шестерен.
Крутящий момент передается от входного вала 3 до дополнительного вала 5, как на третьей и седьмой передачах, далее парой шестерен 12-18, муфтой 29 (В) на трубчатый выходной вал 7.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали (т. 9), затем крутой луч 2 налево вниз к средней горизонтали, далее луч 3 налево вверх к т. 11.
Двенадцатая передача
Включаем левое сцепление (Л), остальные муфты в прежних положениях. Работает 3-я пара шестерен.
Крутящий момент от ведомых дисков 34 левого сцепления (Л) передается на первичный вал 4, верхней муфтой 26 на пару шестерен 12-18, далее, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучом 3 из т. 0 на средней горизонтали налево вверх к т. 12.
Передачи заднего хода соответствуют первым четырем передачам переднего хода, но вместо 4-й пары шестерен муфтой В в правом положении включаем шестерни заднего хода 21-25.
Первый задний ход - 1R
Включаем правое сцепление (П), муфты А в левом положении (Л), муфта В в правом (П) положении, муфта С - в нейтральном положении (Н). Включены 1-я и 3-я пары шестерен, а также шестерни заднего хода R.
Крутящий момент до дополнительного вала 5 поступает, как на первой передаче переднего хода, далее по рядам шестерен и валу заднего хода 21-22-23-24-25, муфтой В (29) на выходной трубчатый вал 7 и дифференциал 37.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали, затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч R вниз направо на нижнюю горизонталь к т. 1R.
Второй задний ход - 2R
Включаем левое сцепление (Л), муфты остаются в прежнем положении.
Крутящий момент до дополнительного вала 5 поступает, как на второй передаче переднего хода, далее по рядам шестерен и валу заднего хода 21-22-23-24-25, муфтой В (29) на выходной трубчатый вал 7 и дифференциал 37.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 2 направо вверх к верхней горизонтали, затем крутой луч 3 направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч R вниз направо на нижнюю горизонталь к т. 2R.
Третий задний ход - 3R
Включаем правое сцепление (П), муфты А и В в правом (П) положении, муфта В - в нейтральном положении (Н). Включены 1-я и 2-я пары шестерен, а также шестерни заднего хода R.
Крутящий момент до дополнительного вала 5 поступает как на третьей передаче переднего хода, далее по рядам шестерен и валу заднего хода 21-22-23-24-25, муфтой В (29) на выходной трубчатый вал 7 и дифференциал 37.
На лучевой диаграмме эта передача представлена тремя лучами: из т. 0 на средней горизонтали крутой луч 1 направо вверх к верхней горизонтали, затем крутой луч 2 налево вниз к средней горизонтали, далее пологий луч R вниз направо на нижнюю горизонталь к т. 3R.
Четвертый задний ход - 4R
Включаем левое сцепление (Л), муфты остаются в прежнем положении.
Крутящий момент до дополнительного вала 5 поступает, как на четвертой передаче переднего хода, далее по рядам шестерен и валу заднего хода 21-22-23-24-25, муфтой В (29) на выходной трубчатый вал 7 и дифференциал 37.
На лучевой диаграмме эта передача представлена пологим лучом R вниз направо на нижнюю горизонталь к т. 4R.
Обозначения
1 - корпус РК; 2 - корпус сдвоенного сцепления;
3 - входной вал; 4 - первичный вал; 5 - дополнительный вал;
6 - дополнительная опора дополнительного вала 5;
7 - выходной трубчатый вал; 8 - вал привода переднего моста автомобиля;
9 - ведущий трубчатый вал; 10 - шестерня ведущего трубчатого вала 9,
11 - шестерня первичного вала 4;
12, 13 и 14 - шестерни переднего хода дополнительного вала 5;
15 и 16 - шестерни блока на трубчатом валу 17;
17 - трубчатый вал блока шестерен 15 и 16;
18 - шестерня, свободно установленная на валу 8 привода переднего моста автомобиля, и зацепленная с шестерней 12;
19 и 20 - ведомые свободно установленные шестерни выходного трубчатого вала 7;
21 - ведущая шестерня заднего хода дополнительного вала 5;
22 - промежуточная шестерня заднего хода, закрепленная на валу 23;
23 - вал промежуточных шестерен заднего хода;
24 - вторая промежуточная шестерня заднего хода, закрепленная на валу 23;
25 - ведомая шестерня заднего хода, свободно установленная на выходном трубчатом валу 7;
26 - верхняя муфта одностороннего действия;
27(А) - нижняя муфта одностороннего действия;
28 - вилка противоположно развернутых муфт одностороннего действия 26 и 27;
29(В) - первая трехпозиционная муфта выходного трубчатого вала 7, расположенная между шестернями 18 и 25;
30(С) - вторая трехпозиционная муфта выходного вала 7, расположенная между шестернями 19 и 20;
31 - кожух сдвоенного сцепления;
32 - перегородка кожуха сдвоенного сцепления 31;
33 - ведущие диски сцепления 31;
34 - ведомые диски левого (Л) сцепления 31, установленные на первичном валу 4;
35 - ведомые диски правого (П) сцепления 31, установленные на ведущем трубчатом валу 9;
36 - корпус дифференциала; 37 - чашки дифференциала;
38 - водило дифференциала; 39 - сателлиты;
40, 41 - шестерни валов привода ведущих мостов;
42 - вал привода заднего ведущего моста,
43 - муфта блокировки дифференциала,
44 - зубчатый венец выходного трубчатого вала 7,
45 - зубчатый венец вала 42 привода заднего ведущего моста.