МНОГОВАЛЬНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ "РОМАШКА"
“DAISY WHEEL” MULTIPLE SHAFT GEARBOX

Изобретение относится к вальным коробкам передач, преимущественно механического типа, с несколькими промежуточными параллельными валами с зубчатыми колесами, для транспортных средств, главным образом семейства колесных тракторов тягового класса 4 и 6-8. Область применения, в расширенном представлении: колесные трактора 4×4 общего назначения, транспортно-технологические машины с др. колесной формулой, гусеничные трактора (сельскохозяйственные, трелевочные, общего назначения), строительно-дорожные машины.
На отечественных и зарубежных колесных тракторах (в основном сочлененных) широкое применение нашли вальные коробки передач (КП) механического типа, с несколькими ведомыми (промежуточными) параллельными, последовательными или параллельно-последовательными валами, на которых установлены зубчатые колеса и элементы управления (фрикционные и/или зубчатые муфты), причем они, как правило, автоматизированы или адаптированы к автоматизации [Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. П.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986 - 126 с., ил. - С. 5-8, рис. 1.1, 1.2; RU 00131781, МПК В60K 17/32, 27.05.2000; RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011; RU 2167772, МПК В60K 17/00, В60K 17/08, 27.05.2001].
При всех своих положительных свойствах и востребованности в прошлом, настоящем и будущем автотракторостроения технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) таких КП уже не удовлетворяют современным запросам потребителей (требованиям заказчика) и уровню развития трансмиссий тяговых транспортных средств, к каковым относятся трактора. Это касается и компоновочных проблем.
В частности, расширяется практика применения дисковых фрикционных элементов управления (переключения передач) [RU 2167772, МПК В60K 17/00, В60K 17/08, 27.05.2001], существенно повышающих плавность переключения и являющихся инструментом реализации принципа безразрывности переключения передач в КП (несмотря на такой недостаток, как несколько большие габариты, стоимость, повышенные требования к условиям работы).
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения, то есть совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам, является многовальная коробка передач, содержащая входной ведущий, ведомые, в том числе промежуточные, и выходной валы, расположенные преимущественно параллельно друг другу в картере на подшипниках, и установленные на валах зубчатые колеса с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления [Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986. - 126 с., ил. - С. 1-10, 14, рис. 1.3, 1.4, 1.10].
В ней ведомые валы (включая выходной, но без учета приводов на вспомогательные агрегаты) установлены с одной стороны от ведущего вала, в узком секторе поперечной проекции КП, практически в один ряд. Кроме того, часть элементов управления КП, а именно - предназначенные для переключения режимов, представляют собой зубчатые муфты. Фрикционные же муфты предназначены только для включения передач.
Устройству-прототипу свойственны следующие недостатки: во-первых, завышенный осевой габарит КП;
во-вторых, завышенная длина валов КП, что определяет нужду в увеличении их жесткости;
в-третьих, некоторая сложность схемы КП, обусловленная ее несимметричностью;
в-четвертых, недостаточна унификация большинства деталей и узлов КП, элементов управления, особенно с позиций адаптации элементов управления к автоматизации переключения передач в КП (нежелательность наличия зубчатых муфт переключения режимов);
в-пятых, разрывы потока мощности при переключении режимов зубчатыми муфтами (почему в предыдущем недостатке, собственно, и оговорена нежелательность зубчатых муфт в конструкции);
в-шестых, вероятность возникновения флаттера во фрикционных элементах управления при противовращении;
в-седьмых, невозможность варьирования передаточных отношений режимов;
в-восьмых, невозможность использования любого ведомого вала для получения группы передач заднего хода;
в-девятых, проблемность применения с гидротрансформатором и любым двигателем даже при установке согласующего редуктора на входе и корректировке передаточного отношения сумматора;
в-десятых, конструктивная и компоновочная нерациональность с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования), с двигателем компоновочной схемы «звезда» (звездообразное расположение блоков цилиндров ДВС, что, разумеется, не относится к тракторам, но не исключено на некоторых др. транспортных средствах);
в-одиннадцатых, конструктивная и компоновочная неадаптированность к организации на базе КП трансмиссии с параллельными потоками мощности.
Все перечисленные недостатки в отдельности и тем более в совокупности обусловливают недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики и возможности КП-прототипа.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа и, соответственно, в улучшении технико-эксплуатационных характеристик и компоновочных возможностей за счет:
- снижения осевого габарита КП;
- снижения длины валов и увеличения их жесткости;
- упрощения схемы за счет ее осевой симметрии;
- унификации ведомых валов, большинства деталей и узлов КП, оптимизации системы управления, а также обеспечения безразрывности переключения режимов работы (переключения всех передач) путем отказа от зубчатых муфт и обеспечения кратковременной работы параллельно двух промежуточных валов;
- «бесфлаттерности» фрикционных элементов (муфт) при противовращении;
- обеспечения возможности варьирования передаточных отношений режимов;
- обеспечения возможности использования любого ведомого вала для получения группы передач заднего хода;
- обеспечения возможности применения КП с гидротрансформатором и любым двигателем при установке согласующего редуктора на входе КП и корректировке передаточного отношения сумматора;
- конструктивной и компоновочной рациональности с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования), с двигателем схемы «звезда»;
- конструктивной и компоновочной адаптации к организации на базе КП трансмиссии с параллельными потоками мощности.
n
Решение поставленной проблемы достигается тем, что в многовальной коробке передач, содержащей входной ведущий, ведомые, в том числе промежуточные, и выходной, валы, расположенные преимущественно параллельно друг другу в картере на подшипниках, и установленные на валах зубчатые колеса с возможностью выборочного их включения в работу посредством дисковых фрикционных элементов управления, согласно заявляемому изобретению один вал установлен в качестве центрального, а остальные размещены преимущественно вокруг центрального вала симметрично с угловым шагом φ=3607 , где n - количество валов, расположенных вокруг центрального вала.
Решение поставленной проблемы достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- промежуточные валы могут быть связаны с выходным валом независимо друг от друга, посредством зубчатых колес, через сумматор (это не только оптимизирует распределение нагрузок между валами и улучшит условия реализации принципа равнопрочности элементов КП, но и повысит ее работоспособность в условиях возможного выхода из строя той или иной передачи, поскольку увеличивается «специализация» каждого промежуточного вала);
- промежуточные валы могут быть связаны с выходным валом посредством индивидуальной фрикционной муфты (это позволит разгрузить фрикционные муфты системы управления КП от чрезмерных нагрузок и, соответственно, увеличить срок службы фрикционных муфт и КП в целом);
- по меньшей мере, одна из упомянутых индивидуальных муфт может быть выполнена бесфлаттерной (это позволит избежать вредного явления «флаттер» при реверсировании на «скоростной(ых)» передаче(ах) и тем самым дополнительно увеличить работоспособность и ресурс работы КП);
- входным ведущим валом может являться один из валов, расположенных вокруг центрального, первым промежуточным валом - центральный, а последующими промежуточными - остальные валы по параллельной схеме с возможностью выборочного включения в работу только одного из них (это позволит получить короткие валы, соответственно с высокой жесткостью, а также максимальную компактность КП в осевом направлении);
- входным ведущим валом может являться центральный, а промежуточными валами - валы, расположенные вокруг центрального, по параллельной схеме с возможностью выборочного включения в работу только одного из них (это даст максимальные возможности по унификации конструкции валов и фрикционов).
Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с проблемой.
Заявляемое устройство многовальной коробки передач пояснено (на примерах КП «А» и «Б») на чертежах:
ϕ
0
Х
X
А-А
на фиг. 1 показана упрощенная кинематически-блочная схема КП, поперечная проекция коробки передач с пятью промежуточными ведомыми валами, где  - угловой шаг между промежуточными ведомыми валами по отношению к центральному валу; ,  - входной и выходной валы соответственно к двигателю и к движителю транспортного средства; ' - частный пример центрального выходного вала через сумматор (показан пунктиром);  - сечение на чертеже;
на фиг. 2 - упрощенная кинематически-блочная схема КП, частный случай (пример) «А»; вид сбоку, разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - то же, частный случай (пример) «Б»;
на фиг. 4 - упрощенная кинематическая схема фрикционной муфты;
Позициями на фиг. 1-3 обозначены:
1-5
- валы, размещенные преимущественно вокруг центрального вала;
6
- упомянутый центральный вал;
7-15
- фрикционные элементы управления (фрикционные муфты) КП;
16-23, 25, 26
- зубчатые колеса (шестерни);
24
- суммирующий зубчатый механизм (сумматор).
Пример «А» - КП с четырьмя степенями свободы, 16 - режимная, с общим числом валов 6; пример «Б» - КП с тремя степенями свободы, 15 - режимная, общее число валов 6.
X
X
X
X
n
n
Многовальная коробка передач (КП) по любому частному примеру (случаю), включая «А» или «Б» конструктивного исполнения (см. далее по тексту), содержит (см. фиг. 1-3) входной, он же ведущий (соединяемый с последним перед КП валом от двигателя) «0», и ведомые, в том числе промежуточные, 1-6 и выходной (первый вал за КП в направлении к движителю транспортного средства - «» или «'»), валы. При этом валы «0» и «» могут быть соединены муфтами (не показаны) и даже совпадать с какими-либо из остальных валов 1-6 (в зависимости от конкретной кинематической схемы КП). Они установлены, преимущественно (в основном), параллельно друг другу («преимущественно» или «в основном», поскольку наряду с этим могут быть последовательно установленные валы, например вал ') в картере (корпусе) КП на подшипниках (картер и подшипники на фиг. 1-3 не показаны). На валах установлены также зубчатые колеса 16-23, 25, 26 (зубчатое колесо сумматора 24 может и отсутствовать, в зависимости от конструкции сумматора 24 - см. ниже) и другие зубчатые колеса (установленные на валах, не попавших в сечения на фиг. 2, 3) с возможностью выборочного их включения в работу посредством соответствующих дисковых фрикционных элементов управления (фрикционных муфт) 7-15 и зубчатого сумматора 24. Валы 1-5 установлены преимущественно симметрично вокруг вала 6, являющегося по отношению к ним центральным, с равным (или примерно равным) угловым шагом ϕ=360°/, где  - количество валов (1-5), расположенных вокруг центрального вала 6. При этом валы 1-6 совместно образуют цилиндрическую или призматическую (примерно цилиндрическую), образно говоря, в проекции ромашка-образную структуру (в связи с чем КП получила название «Ромашка»).
Очевидная симметрия схемы КП определяет ее относительную простоту и существенно расширяет возможности унификации элементов непосредственно КП (унификации, по крайней мере, валов 1-5, фрикционных элементов и т.д.), так и элементов системы управления, оптимизируя ее.
Появляется возможность:
- варьирования передаточных отношений режимов (выбором того или иного сочетания одновременно включаемых муфт в количестве на единицу меньше степени свободы КП и, соответственно, включаемых в силовой «поток» зубчатых колес, через тот или иной вал);
- использования при этом любого ведомого вала для получения группы передач заднего хода;
- применения гидротрансформатора (ГТК) и любого двигателя, установив согласующий редуктор на входе КП и скорректировав передаточное отношение сумматора.
Дальнейшее описание устройства касается частных (то есть не обязательных, но рекомендуемых) конструктивных особенностей заявляемой КП.
X
Валы 1-6 могут быть связаны с выходным валом  независимо друг от друга, посредством зубчатых колес, соответствующих определенному режиму, в том числе с использованием определенных колес из числа упомянутых 16-23, 25, 26, через сумматор 24.
X
Валы 1-6 могут быть связаны с выходным валом  посредством индивидуальной фрикционной муфты 10, 13 (см. фиг. 2, 3).
По меньшей мере, одна из индивидуальных муфт может быть выполнена бесфлаттерной. Конкретно это предполагает разбиение пакета фрикционных дисков муфты на два подпакета с организацией последовательного их включения, сопровождающегося двухэтапным уравниванием скоростей вращения сцепляемых звеньев и снижением тем самым относительной скорости вращения в муфте вдвое.
Рассмотрим конкретные возможные схемы КП.
Проведенные авторами теоретические исследования с синтезом и анализом возможных кинематических схем можно кратко подытожить следующими данными с таблицами 1 и 2.
В таблице 1 всего 20 частных схем семейства четырехстепенных КП, из них схемы №№3, 9 и 6 представляют наибольший интерес.
Упомянутый ранее пример «А» (см. фиг. 1, 2) как раз и представляет собой схему №3. При шести валах и восьми фрикционных муфтах имеем 16-режимную КП.
В примере «А» входным (ведущим) валом (соединенным с валом «0» или служащим таковым) является вал 1, первым промежуточным валом - центральный вал 6, а последующими промежуточными (ведомыми) - остальные валы 2-5 по параллельной схеме с возможностью выборочного включения в работу только одного из них, со спектром передач (здесь показан включенным вал 4).
В таблице 2 всего 15 частных схем семейства трехстепенных КП, из них схемы №№13, 9 и 10 представляют наибольший интерес.
Упомянутый ранее пример «Б» (см. фиг. 1, 3) как раз и представляет собой схему №9. При том же количестве валов и фрикционных муфт (шесть и восемь соответственно) имеем 15-режимную КП.
В примере «Б» входным (ведущим) валом является центральный вал 6, а промежуточными валами - валы 1-5 по параллельной схеме с возможностью выборочного включения в работу только одного из них, со спектром передач (здесь показан включенным вал 4 или 1).
Основное преимущество примера «А» - короткие валы, максимальная компактность в осевом направлении.
Основное преимущество примера «Б» - максимальные возможности по унификации конструкции валов, фрикционов.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
X
X'
В примере «А» (см. фиг. 1, 2) мощность от двигателя (вал «0») передается входному валу 1, в связи с чем вал 1 можно рассматривать как ведущий. При включении (см. фиг. 4) трех соответствующих муфт (например 7, 12, 10 или 7, 14, 10 или 13, 12, 10 или 13, 14, 10 - см. фиг. 2) из числа восьми фрикционных элементов управления 7-9, 11-15 (сочетании включаемых муфт, соответствующем нужному режиму работы КП) происходит безразрывное плавное переключение передач в КП. Мощность с вала 1 («0») по соответствующим зубчатым передачам (включенным в работу зубчатым колесам из числа колес 20, 21, 23-26 и др.) и промежуточным (ведомым) валам из числа валов 2-6 передается на выходной вал  (или с него на вал  при наличии сумматора 24 (на основе дополнительной зубчатой передачи, в зависимости от конкретной схемы КП, компоновки двигателя с трансмиссией).
X
Х
В примере «Б» (см. фиг. 1, 3) мощность от двигателя (вал «О»), передается центральному валу 6, в связи с чем вал 6 можно рассматривать как ведущий. При включении двух соответствующих муфт (см. фиг. 4) из числа фрикционных элементов управления 7-9, 11, 12, 14 и 15 (при сочетании включаемых муфт, соответствующем нужному режиму работы КП: например 12, 10 или 12, 13 или 14, 10 или 14, 13 или 15, 10 или 15, 13 - см. фиг. 3), а также муфт 10 и 13, происходит безразрывное плавное переключение передач в КП. Мощность с вала 6 («0») по соответствующим зубчатым передачам (включенным в работу зубчатым колесам из числа колес 16-23 и др.) и промежуточным (ведомым) валам из числа валов 2-5 передается на выходной вал(или с него на вал ' при наличии сумматора 24 (на основе дополнительной зубчатой передачи, в зависимости от конкретной схемы КП, компоновки двигателя с трансмиссией).
Таким образом, заявляемое устройство позволяет устранить отмеченные выше недостатки прототипа и улучшить технико-эксплуатационные характеристики и возможности КП, за счет:
- снижения осевого габарита КП;
- снижения длины валов и увеличения их жесткости;
- упрощения схемы за счет ее осевой симметрии;
- повышения унификации ведомых валов, большинства деталей и узлов КП, оптимизации системы управления, а также обеспечения безразрывности переключения режимов работы (переключения всех передач) путем отказа от зубчатых муфт;
- «бесфлаттерности» одного из фрикционных элементов (муфт) управления;
- обеспечения возможности варьирования передаточных отношений режимов;
- обеспечения возможности использования любого ведомого вала для получения группы передач заднего хода (т.к. пара зубчатых колес, установленных на центральном 6 и любом другом валу 1-5 соответственно, дает изменение направления вращения);
- возможности применения с гидротрансформатором и любым двигателем, установив согласующий редуктор на входе и скорректировав передаточное отношение сумматора;
- конструктивной и компоновочной рациональности с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования), с двигателем компоновочной схемы «звезда»;
- конструктивной и компоновочной адаптации к организации на базе КП трансмиссии с параллельными потоками мощности.