Синхронизатор коробки передач
GEARBOX SYNCHRONIZER

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и предназначено для использования в различных модификациях трансмиссий с разнообразными схемами коробок передач, раздаточных коробок.
Известны инерционные синхронизаторы, имеющие подвижную в осевом направлении шлицевую муфту, расположенные в отверстиях муфты параллельно ее оси пальцы с блокирующими коническими фасками, блокирующие кольца, жестко связанные с пальцами, ограниченно подвижные в окружном направлении относительно муфты и имеющие конические фрикционные поверхности, соединяемые с муфтой шестерни с конической поверхностью, соответствующей конической поверхности блокирующего кольца, упругое устройство для начального прижатия блокирующего кольца к конусу шестерни. Примером выполнения являются конструкции по авторскому свидетельству SU 313456, патенту US 3804218, конструкции, представленные в книге «Автомобили КАМАЗ» - В.Н. Барун, Р.А. Азаматов и др., Москва, «Транспорт», 1984 г., с. 109 рис. 111, с. 112 рис. 115. Особенностью этого типа синхронизатора является то, что блокирующие поверхности, выполненные на муфте синхронизатора и пальцах, являются автономными - предназначены лишь для функции блокирования в процессе синхронизации и не работают в других стадиях включения передачи. Характерно также меньшее значение радиуса расположения блокирующих поверхностей по отношению к радиусу поверхностей трения. Эти особенности являются положительными, поскольку позволяют оптимизировать геометрию блокирующих поверхностей. Вместе с тем, шлицевый венец муфты имеет существенно меньший радиус, чем средний радиус конических поверхностей трения, и, как следствие, малое число зубьев шлицев. Эта особенность является недостатком, поскольку может приводить к повышенным усилиям на заключительной стадии включения передачи.
Известны конструкции синхронизаторов, в которых конические поверхности трения выполнены на муфте и блокирующих кольцах. Блокирующими поверхностями являются скосы торцев зубьев соответствующих шлицевых венцов шестерни и блокирующего кольца. Радиус расположения блокирующих поверхностей соответствует радиусу шлицевых венцов. Такое сочетание параметров не может считаться оптимальным, поскольку не позволяет оптимизировать выбор угла скосов блокирующих поверхностей и приводит к повышенным усилиям на ряде стадий включения передачи. В этом типе синхронизатора шлицевые венцы муфты имеет несколько меньший радиус, чем средний радиус конических поверхностей трения, однако реальное сочетание размеров является приемлемым. Двойное назначение - как для блокирования, так и для облегчения входа шлицевых венцов муфты в зацепление, имеют скосы зубьев шестерни. Двойное назначение скосов может вызывать, при жестком режиме включения передачи, повреждение геометрии скосов муфты и шестерни. Поврежденные скосы шестерни вызывают, в свою очередь, повреждение геометрии скосов блокирующего кольца, изготавливаемого обычно из цветного металла. В итоге становится возможной потеря синхронизации. Примером выполнения является, в частности, конструкция, представленная в книге «Автомобиль НИВА ВАЗ 21213» - В.А. Вершигора, А.П. Игнатов и др., Москва, «Транспорт», 1991 г., с. 108 рис. 86, а также конструкции по патенту ЕР 0272134 А2 (другие номера DE 3763816 D1, US 4809832) и патенту ЕР 0933547 А2 (другие номера DE 19755613A1, ЕР 0933547 A3)
Известны также конструкции, в которых блокирующими поверхностями являются скосы торцев зубьев соответствующих шлицевых венцов муфты и блокирующего кольца. Радиус расположения блокирующих поверхностей соответствует радиусу шлицевого венца муфты. Двойное назначение имеют скосы торцов зубьев муфты - они служат как для блокирования, так и для облегчения входа шлицевого венца муфты в зацепление со шлицевым венцом шестерни. Недостатки двойного назначения блокирующих скосов описаны для предыдущего аналога. Расположение шлицев шестерни и муфты на большем радиусе, чем конические поверхности трения, благоприятно для заключительных стадий включения, однако совокупное сочетание геометрических параметров не может считаться оптимальным, поскольку не позволяет оптимизировать выбор угла скосов блокирующих поверхностей. Примером выполнения является конструкция, представленная в книге «Автомобиль Москвич 2140» - Л.И. Белкин, Н.С. Бученков и др., Москва, «Машиностроение», 1985 г., с. 165…169, рис. 73, рис. 74.
По числу совпадающих существенных признаков наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемой конструкции является синхронизатор по авторскому свидетельству SU 313456, содержащий подвижную в осевом направлении шлицевую муфту с отверстиями, расположенные в отверстиях муфты пальцы, оси которых параллельны оси муфты, кольца с коническими фрикционными поверхностями, жестко связанные с пальцами, конические поверхности трения, соответствующие коническим поверхностям трения колец, на шестернях со шлицевым венцом. Блокирующие поверхности выполнены на пальцах и в отверстиях муфты.
Упругое устройство синхронизатора имеет пружинные кольца, опирающиеся на фиксирующую канавку пальцев, выполненную в виде лыски. Каждая боковая поверхность лыски располагается между соответствующими ей по направлению включения блокирующей поверхностью пальца и кольцом с конической фрикционной поверхностью. Каждое пружинное кольцо упругого устройства расположено у соответствующей ему боковой поверхности лыски, при этом пружинные кольца разнесены друг от друга по меньшей мере на величину хода каждого из колец.
В прототипе коническая поверхность трения имеет максимально возможный для конструкции радиус, что обеспечивает высокую эффективность синхронизатора как в части снижения усилий на муфте в процессе синхронизации, так и долговечности. Первый пик усилия - в фазе синхронизации, является в принципе неизбежным для любой конструкции синхронизатора инерционного типа, поскольку обеспечивает создание момента трения, посредством которого и осуществляется процесс выравнивания угловых скоростей для безударного включения передачи. Максимально возможный диаметр поверхностей трения в прототипе позволяет снизить значение первого пика в характеристике усилий включения. Вместе с тем, поскольку шлицы муфты и соответствующий шлицевый венец шестерни имеют сравнительно малый радиус расположения и, как следствие, относительно малое число зубьев, на завершающей стадии включения передачи возникает второй существенный пик усилий. Проявление второго пика усилий, если он сопоставим по значению с усилием в стадии синхронизации, является недостатком. Величина усилия второго пика зависит от взаимного положения скосов шлицев в момент вхождения в зацепление и нестабильна, поскольку взаимное положение скосов имеет случайный характер. При неблагоприятном взаимном положении скосов происходит разворот включаемой шестерни относительно муфты, и этот разворот связан с преодолением момента инерции всей группы кинематически связанных с ней деталей.
Особенность расположения пружинных колец упругого устройства в прототипе - кольца разнесены друг от друга по меньшей мере на величину хода каждого из колец, позволяет выполнить дисковую часть муфты с минимальной толщиной, но, вместе с тем, ограничивает возможность сокращения длины пальца синхронизатора.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание конструкции синхронизатора с рациональным соотношением определяющих геометрических параметров, обеспечивающим гармоничное соотношение характеристик усилий включения передачи на всех стадиях процесса, исключающим проявление нескольких отчетливо выраженных пиков усилий. Задача изобретения направлена также на совершенствование конструкции упругого устройства - поддержание синхронизированного состояния на промежуточных стадиях процесса включения передачи, на сокращение осевых габаритов синхронизатора.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в снижении усилий включения передач на всех характерных для инерционного синхронизатора стадиях включения по отношению к определяющему усилию - усилию синхронизации, в снижении осевых габаритов синхронизатора и повышении его надежности.
Сущность изобретения состоит в том, что в синхронизаторе, имеющем подвижную на ступице в осевом направлении шлицевую муфту с отверстиями и коническими блокирующими фасками в них, расположенные в отверстиях муфты параллельно ее оси пальцы с блокирующими коническими фасками и фиксирующей канавкой - лыской, жестко связанные с пальцами блокирующие кольца, ограниченно подвижные в окружном направлении относительно муфты и имеющие конические поверхности трения, шестерни с соответствующим муфте шлицевым венцом и конической поверхностью трения, соответствующей поверхности трения блокирующего кольца, упругое устройство, пружинные элементы которого опираются на дно канавок пальцев, располагаясь между соответствующей ходу включения боковой поверхностью муфты и боковыми скосами фиксирующих канавок пальцев, в отличие от прототипа шлицевый венец шестерен располагается на максимально возможном, по условию соседства с параллельным валом, радиусе, большем, чем радиусы расположения блокирующих поверхностей и конических поверхностей трения, муфта имеет два яруса шлицевых венцов - один ярус соответствует шлицевым венцам шестерен, а другой располагается на малом радиусе и соответствует шлицам ступицы, при этом блокирующие пальцы располагаются на радиусе между ярусами шлицевых венцов муфты.
Дополнительное отличие состоит в том, что упругое устройство имеет единую двухвитковую кольцевую пружину с перемычкой между витками, при этом витки пружины расположены на меньшем расстоянии друг от друга, чем ход перемещения муфты относительно пальцев, перемычка витков пружины располагается в отверстии дисковой части муфты между отверстиями под блокирующие пальцы.
Дополнительное отличие также состоит в том, что лыска пальца имеет боковые стороны с двойными скосами, при этом первый заглубленный скос является фиксирующим и определяющим усилие начального поджатия конических поверхностей трения, а второй скос, расширяющий лыску, выполнен пологим, с углом наклона к оси пальца выше угла трения.
Предлагаемое выполнение шлицевого венца шестерни на максимально возможном, по условию соседства с параллельным валом, радиусе и с увеличенным числом зубьев обеспечивает уменьшение угла разворота включаемой шестерни на заключительной стадии - стадии скольжения скосов зубьев муфты и шестерни при неблагоприятном для включения взаимном положении зубьев муфты и впадин шлицев шестерни. Тем самым обеспечивается снижение усилия включения передачи на заключительной стадии и достигается требуемый технический результат.
Предлагаемое упругое устройство с единым двухвитковым пружинным кольцом и перемычкой, связывающей витки, позволяет расположить витки пружины на минимальном расстоянии друг от друга, предопределяемом толщиной дисковой части муфты. При этом надежно обеспечивается фиксированное в окружном направлении - без возможности поворота относительно оси, положение пружины, а также становится возможным сократить длину пальцев и, соответственно, осевые габариты синхронизатора.
Конфигурация лыски пальца, боковые стороны которой имеют двойной скос, обеспечивает двухступенчатую характеристику упругого устройства синхронизатора, расширяя функциональнее возможности устройства. Заглубленный скос является фиксирующим и определяющим усилие начального поджатия конических поверхностей трения, а дополнительный пологий скос лыски, расширяющий зону действия упругого элемента, способствует поддержанию синхронизированного состояния контактирующих поверхностей трения после стадии разблокирования, а также четкому возврату пальцев в нейтральное положение при выключении передачи.
На представленных чертежах: на фиг. 1 в качестве примера показан 2-х сторонний синхронизатор коробки передач, вид «А-А» и разрез «Б-Б» показывают положение витков и перемычки пружины упругого элемента; на фиг. 2 показана конфигурация лыски блокирующих пальцев с двойными скосами боковых сторон лыски; на фиг. 3 («а» и «б») схематично показаны возможные, как крайность, взаимные положения скосов шлицев муфты и шестерни к началу заключительной стадии включения передачи.
Шестерни 1 и 2 постоянного зацепления, фиг. 1, имеют наружные шлицевые венцы 3, предназначенные для зацепления со шлицевыми участками 4 скользящей муфты 5, имеющей дополнительное шлицевое отверстие 6, соединяющее муфту со ступицей 7, неподвижно установленной на валу 8. Шестерни 1 и 2 имеют также конические поверхности трения 9, выполненные или непосредственно на шестерне или, как показано на фиг. 1, на жестко связанной с ней детали 10.
Шлицевые венцы 3 шестерен выполнены на максимально возможном радиусе, а конические поверхности трения расположены на несколько меньшем радиусе.
Блокирующие пальцы 11 связывают блокирующие кольца 12, имеющие коническую поверхность трения, предназначенную для взаимодействия с коническими поверхностями шестерен. Пальцы расположены в отверстиях муфты с зазором, имеют конические блокирующие поверхности 13 (фиг. 2) и, с внутренней стороны пальцев, лыску с двойными скосами на боковых сторонах. Отверстия муфты, в свою очередь, имеют конические блокирующие фаски 14. Оси пальцев 11 расположены на окружности между шлицевыми венцами 4 и шлицевым отверстием 6. Радиус расположения пальцев и, соответственно, радиус расположения точек контакта блокирующих поверхностей меньше среднего радиуса конической поверхности трения блокирующего кольца.
Упругое устройство синхронизатора образовано скосами 15 и 16 на боковых поверхностях лысок пальцев 11 и единой пружиной 17 (разрез «Б-Б» фиг. 1), имеющей два витка и соединительную перемычку 18 между ними. Витки пружины расположены у боковых поверхностей дисковой части муфты, опираются на дно лысок пальцев и соседствуют с соответствующими им углубленными скосами 15 боковых поверхностей лысок. Расстояние между витками пружины меньше возможного хода муфты - расстояния между боковой поверхностью дисковой части муфты и соответствующим внутренним торцом блокирующего кольца 12. Перемычка пружины находится в отверстии 19 муфты (вид «А-А» фиг. 1), располагаемом между отверстиями для пальцев, обеспечивая фиксированное в окружном направлении - без возможности поворота относительно оси - положение пружины.
Все последовательные стадии работы синхронизатора по блокированию хода муфты до выравнивания угловых скоростей соединяемой шестерни и муфты и последующему их безударному соединению являются, как известно, общими для всех синхронизаторов инерционного типа. Отличительные особенности конструкции направлены на реализацию дополнительных преимуществ - на снижение усилий перемещения муфты в заключительных - после выравнивания относительных скоростей вращения, стадиях включения передачи. Эти усилия обусловлены преодолением инерционных моментов кинематически связанных элементов коробки передач и сцепления транспортного средства, а также остаточного момента трения в контакте конических фрикционных поверхностей синхронизатора. При этом достигаемый положительный эффект должен сочетаться с обеспечением простоты конструкции.
c
б
c
б
При перемещении муфты 5 по шлицам ступицы 7 (например в направлении шестерни 1) ветвь пружины 17, расположенная по направлению хода муфты, воздействует на углубленные боковые поверхности 15 лысок пальцев, перемещает блокирующее кольцо 12 до касания конических поверхностей трения кольца и шестерни. Упругое устройство обеспечивает начальное прижатие блокирующего кольца с усилием, предопределяемым заданной характеристикой устройства -жесткостью пружины и углом наклона боковой стороны 15 лыски пальца. Разница угловых скоростей поверхностей трения, находящихся под воздействием усилия прижатия, приводит к возникновению момента трения и развороту блокирующего кольца до взаимного касания блокирующих поверхностей 13 пальцев и 14 в отверстиях муфты. С этого момента основная доля усилия на муфте передается на блокирующее кольцо непосредственно через контакт блокирующих поверхностей, создавая момент трения, пропорциональный прикладываемому к муфте усилию. Момент трения вызывает осевую реакцию в контакте конических блокирующих поверхностей, которая блокирует перемещение муфты до выравнивания угловых скоростей муфты и включаемой шестерни и исчезновения момента трения скольжения. Соотношение r>r, свойственное конструкции, обеспечивает благоприятное значение угла конусности блокирующих поверхностей (более «острый» конус). В результате стадия разблокирования, ставшая возможной после синхронизации скоростей вращения, будет требовать меньших усилий, чем в конструкциях с соотношением r<r.
В стадии разблокирования скольжение в контакте блокирующих поверхностей приводит к некоторому развороту шестерни относительно муфты. Угол разворота обусловлен размерами блокирующих фасок и радиусом их расположения. Усилие, необходимое для осуществления этого разворота, зависит от инерционности разворачиваемой группы деталей, но не связано, что важно, с преодолением трения покоя в контакте конических поверхностей трения. После схода блокирующих скосов друг с друга теоретически возможна потеря достигнутого синхронизированного состояния. Для предупреждения этого явления боковые поверхности лыски выполнены с перегибом - поверхности 16 являются более пологими и протяженными, имеют меньший угол наклона относительно оси пальца 11, чем поверхности 15.
При перемещении муфты в стадии разблокирования работающий виток пружины 17 деформируется, преодолевая уступы боковых поверхностей лысок пальцев - сначала боковые поверхности 15, а затем более пологие 16, при этом вторая ветвь пружины перемещается по дну лысок пальцев. Однако, благодаря тому, что перемычка 18 пружины сжимает примыкающую часть второй ветви, а хвостовая ее часть, в связи с малой жесткостью в осевом направлении, отстает с перемещением по дну лыски пальца, становится возможным выполнить лыску между поверхностями 15 более узкой. Таким образом, расстояние между витками пружины в нейтральном положении может быть меньшим, чем ход включения муфты. После перехода в стадии разблокирования работающего витка пружины с боковых поверхностей 15 лысок на более пологие поверхности 16 усилие прижатия фрикционного кольца к конусу шестерни снижается, но частично сохраняемый момент трения покоя в контакте конических поверхностей способствует сохранению синхронизированного состояния скоростей вращения. После прохождения работающего витка пружины 17 боковых сторон лысок пальцев сжатый рабочий виток пружины располагается в канавке 19 муфты. При дальнейшем перемещении муфты 5 рабочая ветвь пружины, располагаясь в канавке 19, скользит по пальцам 11.
z
c
z
Последующее перемещение муфты после стадии разблокирования подводит скосы зубьев шлицев 4 муфты к скосам шлицевого венца 3 шестерни. Взаимное положение скосов носит случайный характер - от полного совпадения скосов зуба муфты с впадиной шлицев шестерни как одна крайность (благоприятная, см. фиг. 3а), до попадания вершин скосов друг в друга как другая (неблагоприятная, см. фиг. 3б) крайность. В неблагоприятной ситуации вынужденный относительный разворот включаемой шестерни может составить 1/2 шага шлицев, и на этот разворот потребуется усилие, необходимое для преодоления момента инерции группы кинематически связанных деталей коробки передач и сцепления - от включаемой шестерни до ведомого диска сцепления, а также для преодоления момента трения покоя в контакте конических поверхностей - т.е. «срыва» блокирующего кольца 12 с конуса включаемой шестерни. Ситуационный разброс усилий включения на этой стадии влияет на оценку качества всего процесса включения передачи из-за вероятности проявления второго пика усилий, существенного в сравнении с пиком процесса синхронизации. Для снижения усилий в этой фазе разворота целесообразно обеспечить условия: r>r и r→max, что и реализовано в предлагаемой конструкции. Максимально возможное (в располагаемом между валами агрегата пространстве) увеличение радиуса расположения шлицев позволяет предельно увеличить число зубьев, тем самым уменьшить угол разворота и благоприятно изменить передаточное число в процессе передачи усилий в контакте скосов зубьев, облегчая угловой разворот и срыв блокирующего кольца с конуса шестерни. В результате на этой важной для оценки технического уровня конструкции завершающей стадии включения передачи обеспечивается малое значение пика усилия, не выделяющегося по отношению к усилию стадии синхронизации - характеристика усилий включения передачи не воспринимается как двухступенчатая.
По окончании взаимного скольжения скосов шлицев 4 муфты и скосов шлицев 3 шестерни муфта 5 входит в зацепление со шлицами шестерни и перемещается до полного завершения хода включения передачи. Осевое перемещение муфты 5 ограничивается упором ее дисковой части в торец на краю конуса трения шестерни 1 или, при другом направлении включения, шестерни 2. Тем самым исключается необходимость в каких либо специальных дополнительных устройствах ограничения хода муфты.
При выключении передачи муфта 5, перемещаясь в направлении нейтрального положения, пружинным кольцом 17 перемещает пальцы 11 и блокирующие кольца 12 на величину их полного осевого зазора между конусами шестерен 1 и 2, после чего блокирующие кольца и пальцы останавливаются. При дальнейшем перемещении муфты 5 пружинное кольцо 17 скользит по пальцам 11, при этом рабочая ветвь пружины, перемещаясь по пологому скосу 16 лыски, способствует возврату пальцев 11 с кольцами 12 в нейтральное положение. Шлицы муфты выходят из зацепления со шлицевым венцом 3. Пологие скосы 16 лысок пальцев, увеличивая общую ширину лыски, создают условия для полного возврата пальцев 11 в нейтральное положение даже при износе конических поверхностей трения и увеличившемся осевом зазоре колец между конусами шестерен, исключая тем самым вероятность «пробоя» синхронизатора при повторном включении той же передачи из нейтрального положения. Последующее перемещение рабочей ветви пружины 17 по скосу 15 лыски завершает установку пальцев 11 и колец 12 в нейтральное по отношению к муфте 5 положение. В нейтральном положении ветви пружинного кольца 17 устанавливаются у своих боковых фиксирующих поверхностей 15.
Таким образом, выполнение шлицевого венца шестерни на максимально возможном, по условию соседства с параллельным валом, радиусе и с увеличенным числом зубьев, обеспечивает снижение усилия включения передачи на заключительной стадии - стадии скольжения скосов зубьев муфты и шестерни при неблагоприятном для включения взаимном положении зубьев муфты и впадин шлицев шестерни.
Упругое устройство с единым двухвитковым пружинным кольцом и перемычкой, связывающей витки, позволяет расположить витки пружины на минимальном расстоянии друг от друга, предопределяемом толщиной дисковой части муфты, что обеспечивает возможность сокращения длины пальцев и, соответственно, осевых габаритов синхронизатора. При этом надежно обеспечивается фиксированное в окружном направлении - без возможности поворота относительно оси, положение пружины.
Конфигурация лыски пальца, боковые стороны которой имеют двойной скос, обеспечивает двухступенчатую характеристику упругого устройства синхронизатора, расширяя функциональнее возможности устройства. Заглубленный скос является фиксирующим и определяющим усилие начального поджатая конических поверхностей трения, а дополнительный пологий скос лыски, расширяющий зону действия упругого элемента, способствует поддержанию синхронизированного состояния контактирующих поверхностей трения после стадии разблокирования, а также четкому возврату пальцев в нейтральное положение при выключении передачи.