ДЕСЯТИСТУПЕНЧАТАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ
TEN-SPEED GEARBOX

Изобретение относится 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).
На автопоездах, имеющих малую удельную мощность (мощность, приходящуюся на единицу полной массы 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. 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 10-ти ступенчатая трехвальная соосная КП (с.64, рис.41) автомобилей КамАЗ, предназначенных для постоянной работы с прицепом или полуприцепом.
Этот трансмиссионный агрегат состоит из базовой 5-ти ступенчатой КП, дополненной передним делителем. Эту конструкцию можно рассматривать как картер с промежуточной стенкой. В опорах стенок пятиступенчатой базовой КП размещены три вала, причем первичный и выходной валы соосны, а промежуточный вал расположен параллельно соосным валам. Одна шестерня выполнена совместно с первичным валом, пять шестерен на выходном валу установлены свободно, на промежуточном валу шесть шестерен закреплены и зацеплены с шестернями соосных валов. Ведущая шестерня заднего хода промежуточного вала зацеплена с ведомой шестерней выходного вала через блок шестерен заднего хода, расположенных на отдельном валу. Между шестернями выходного вала установлены три трехпозиционные муфты переключения передач.
На ведущем валу делителя, являющегося опорой для первичного вала базовой КП, свободно установлена шестерня, находящаяся в постоянном зацеплении с шестерней промежуточного вала делителя, который при помощи шлицев соединяется с промежуточным валом базовой КП. Между шестерней ведущего вала делителя и кареткой первичного вала базовой КП установлена трехпозиционная муфта переключения передач.
Рассмотренная КП автомобилей КамАЗ конструктивно сложна и имеет ограниченные эксплуатационные возможности. Для десяти передач переднего хода используются 12 шестерен, расположенных на четырех валах, и 4 шестерни для двух передач заднего хода, в том числе, блок из двух шестерен на отдельной оси.
np
1
Недостаток известной КП состоит в том, что она не является автономной - передний конец входного вала должен иметь опору в торце коленчатого вала двигателя. Кроме того, опора выходного вала, расположенная в торце первичного вала базовой КП, увеличивает диаметр шестерни этого вала и снижает величину передаточного числа зубчатого зацепления между первичным и промежуточным валами - U=46/25=1,84, что ограничивает диапазон коробки передач (отношение передаточных чисел низшей передачи к высшей) D=U=7,82 и эксплуатационные возможности транспортного средства. Для обеспечения достаточного диапазона передаточных чисел делитель выполнен ускоряющим - высшая, 10-я передача имеет передаточное число 0,815. D=7,82/0,815=9,6. Применение ускоряющей передачи в КП приводит к увеличению передаточного числа и габаритов главной передачи. Современные КП, как правило, имеют высшую передачу прямую. Консольная установка шестерни первичного вала с опорой в ней выходного вала, значительная длина выходного и промежуточного валов приводит к тому, что при высоких нагрузках из-за изгибных напряжений и деформаций нарушается точность контакта зубчатых зацеплений, которая приводит к снижению долговечности КП.
Задачей изобретения является расширение компоновочных и эксплуатационных возможностей транспортного средства.
Технический результат обеспечивается за счет обеспечения автономности КП и уменьшения числа валов с 4-х до 3-х, увеличение ее долговечности за счет повышения жесткости валов при уменьшении их длины и исключении консольной опоры выходного вала, а также увеличении числа передач заднего хода и 2-х до 5-и.
Указанный технический результат достигается тем, что в десятиступенчатой коробке передач, содержащей картер с промежуточной стенкой, с размещенными в нем входным, выходным и промежуточным валами, причем входной и выходной валы установлены соосно, а промежуточный вал установлен параллельно этим валам, на валах расположены шесть пар шестерен переднего хода и ряд шестерен заднего хода, причем ведущая шестерня заднего хода зацеплена с ведомой шестерней через дополнительную шестерню или блок из двух шестерен заднего хода, установленных на отдельном валу, на выходном валу две шестерни установлены свободно, между этими шестернями расположена трехпозиционная муфта переключения передач, ведущая шестерня передач переднего хода входного вала и три шестерни промежуточного вала закреплены на валах, при этом наконечник выходного вала с двухпозиционной муфтой переключения установлен в опоре промежуточной стенки, в этом наконечнике расположена опора входного вала, на входном валу рядом с опорой свободно установлена шестерня с двухпозиционной муфтой переключения, зацепленная с шестерней, закрепленной на промежуточном валу, две трехпозиционные муфты переключения расположены между шестернями, свободно установленными на промежуточном валу и зацепленными с ведущими шестернями, закрепленными на входном валу.
На фиг.1 изображена кинематическая схема десятиступенчатой трехвальной соосной КП 10R5 - 5×2 (10 передач переднего хода и 5 передач заднего хода, пять пар шестерен переднего хода на входе промежуточного вала и две пары шестерен на выходе), содержащей 12 шестерен для передач переднего хода и 3 шестерни для передач заднего хода (возможен вариант с 4 шестернями), пять муфт переключения передач. В нижней части приведены номера пар шестерен переднего хода (1-6) 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) и заднего хода (внизу). В верхней части таблиц обозначены включенные в работу пары шестерен (1-6) или ряд шестерен заднего хода (R). На горизонтальных шкалах приведены в логарифмическом виде величины передаточных чисел пар шестерен и передач. Крайние горизонтали соответствуют выходному валу, а средняя - промежуточному валу. Чем значительнее наклон луча направо, тем больше передаточное число. Левый наклон луча указывает на ускоряющий режим работы пары шестерен. Наклон луча каждой пары шестерен постоянный на любом участке лучевой диаграммы.
На фиг.3 изображена кинематическая схема десятиступенчатой трехвальной соосной КП 10R5 - 3×4 (10 передач переднего хода и 5 передач заднего хода, три пары шестерен переднего хода на входе промежуточного вала и четыре пары шестерен на выходе), содержащей 12 шестерен для передач переднего хода и 3 шестерни для передач заднего хода (возможен вариант с 4 шестернями), пять муфт переключения передач. В нижней части приведены обозначение ряда шестерен заднего хода - R и номера пар шестерен переднего хода (1-6).
На фиг.4 приведена лучевая диаграмма этой КП с таблицами положений муфт переключения на различных передачах переднего (вверху) и заднего хода (внизу). В верхней части таблиц обозначены включенные в работу пары шестерен (1-6) или ряд шестерен заднего хода (R).
В опорах картера 1 десятиступенчатой КП (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. Картер 1 в промежуточной стенке 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 7-10, а шестерня 11 свободно установлена на этом валу. Шестерни 12 и 13 свободно установлены на выходном валу 3. Ведомая шестерня заднего хода 13 через дополнительную шестерню заднего хода 14, установленную на отдельной оси 15, зацеплена с ведущей шестерней заднего хода 16, закрепленной на промежуточном валу 4. На этом валу также закреплены шестерни 17, 18 и свободно установлены шестерни 19-22. Шестерня 17 зацеплена с шестерней 12 выходного вала 3, а шестерни 18-22 зацеплены соответственно с шестернями 11-7 входного вала 2. Трехпозиционная муфта 23 (А) крайних шестерен промежуточного вала 4 установлена между шестернями 22 и 21, трехпозиционная муфта 24 (В) средних шестерен промежуточного вала 4 установлена между шестернями 20 и 19, двухпозиционная муфта 25 (С) расположена на зубчатом венце шестерни 11, двухпозиционная муфта 26 (D) расположена на зубчатом венце наконечника 6 выходного вала 3, трехпозиционная муфта 27 (Е) выходного вала 3 установлена между шестернями 12 и 13.
На фиг.3, в отличие от фиг.1, на входном валу 2 закреплены только две шестерни 7 и 8, а шестерня 9 установлена свободно. На выходном валу 3 свободно установлены шестерни 10-13, зацепленные с шестернями 14-17, закрепленными на промежуточном валу 4, на котором также закреплена шестерня 18, зацепленная с шестерней 9 входного вала 2, и свободно установлены шестерни 19 и 20. Шестерня 19 зацеплена с шестерней 8 входного вала 2, ведущая шестерня заднего хода 7 этого вала через дополнительную шестерню заднего хода 21, закрепленную на отдельной оси 22, зацеплена с ведомой шестерней заднего хода 20. Трехпозиционная муфта 23 (А) крайних шестерен промежуточного вала 4 установлена между шестернями 20 и 19, двухпозиционная муфта 24 (В) расположена на зубчатом венце шестерни 9, двухпозиционная муфта 25 (С) расположена на зубчатом венце наконечника 6 выходного вала 3, первая трехпозиционная муфта 26 (D) установлена между шестернями 10 и 11, а вторая трехпозиционная муфта 27 (Е) установлена между шестернями 12 и 13 выходного вала 3.
Работа КП осуществляется следующим образом (см. фиг.1 и 2):
Первая передача
Муфта А в правом положении (П), муфта Е в левом положении (Л), а муфты В, С и D - в нейтральном (см. фиг.2, табл.справа над т.1).
В работу включены 2-я и 6-я пары шестерен.
Крутящий момент (см. фиг.1) от входного вала 2 передается парой шестерен 8-21, муфтой 23 (А) на промежуточный вал 4, далее парой шестерен 17-12 и муфтой 27 (Е) на выходной вал 3.
На лучевой диаграмме (см. фиг.2) эта передача представлена двумя лучами: луч 2Л выходит из т.10 слева на верхней горизонтали и направлен направо вниз к средней горизонтали, далее луч 6Л к т.1 справа на верхней горизонтали.
Вторая передача
Переключаем муфту А в левое положение (Л) - выключаем из работы 2-ю пару шестерен 8-21 и включаем 1-ю пару шестерен 7-22.
Крутящий момент от входного вала 2 по паре шестерен 7-22 передается муфтой 23 (А) на промежуточный вал 4 и далее, как на первой передаче. На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 1Л и 6Л от т.10 к т.2.
Третья передача
Перемещаем муфту А в нейтральное положение, а муфту В переключаем из нейтрального в левое положение - выключаем из работы 1-ю пару шестерен 7-22 и включаем 3-ю пару шестерен 9-20.
Крутящий момент от входного вала 2 по паре шестерен 9-20 передается муфтой 24 (В) на промежуточный вал 4 и далее, как на первой передаче. На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 3Л и 6Л от т.10 к т.3.
Четвертая передача
Перемещаем муфту В из левого в правое положение - выключаем из работы 3-ю пару шестерен 9-20 и включаем 4-ю пару шестерен 10-19. Крутящий момент от входного вала 2 по паре шестерен 10-19 передается муфтой 24 (В) на промежуточный вал 4 и далее, как на первой передаче. На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 4Л и 6Л от т.10 к т.4.
Пятая передача
Перемещаем муфту В в нейтральное положение, а муфту С переключаем из нейтрального в левое положение - выключаем из работы 4-ю пару шестерен 10-19 и включаем 5-ю пару шестерен 11-18. Крутящий момент передается от входного вала 2 по шестерне 10, муфте переключения 25, паре шестерен 11-18 на промежуточный вал 4, далее, как на предыдущих передачах. На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 5Л и 6Л от т.10 к т.5.
На следующих передачах на выходе КП вместо 6-й пары шестерен работает 5-я пара: 6-я передача соответствует 1-й, 7-я - 2-й, 8-я - 3-й, 9-я - 4-й и 10-я передача - прямая.
Шестая передача
Переключаем муфты С и Е в нейтральное положение, муфту А в правое, а муфту D в левое положение, при этом включаются в работу 2-я и 5-я пары шестерен 8-21 и 18-11.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на первой передаче, от промежуточного к выходному валу 3 по паре шестерен 18-11. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 2Л и 5Л от т.10 к т.6.
Седьмая передача
Перемещаем муфту А из правого в левое положение - выключаем из работы 2-ю пару шестерен 8-21 и включаем 1-ю пару шестерен 7-22.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на второй передаче, от промежуточного к выходному валу 3, далее как на предыдущей передаче. На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1Л и 5Л от т.10 к т.7.
Восьмая передача
Переключаем муфту А в нейтральное положение, а муфту В в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на третьей передаче, далее как на предыдущих передачах. На лучевой диаграмме луч 3Л направо вниз и луч 5Л вверх к т.8 характеризуют эту передачу.
Девятая передача
Перемещаем муфту В из левого в правое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на четвертой передаче, далее как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме луч 4Л направо вниз и луч 5Л вверх к т.9 характеризуют эту передачу.
Десятая передача - прямая
Выключаем муфту B в нейтральное положение и включаем муфту С в левое положение.
Крутящий момент от входного вала 2 передается шестерней 10 и муфтой С на ступицу шестерни 11 далее муфтой D на выходной вал 3 с высоким КПД без трансформации крутящего момента парами шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена точкой т.10.
Передачи заднего хода включаются при перемещении муфты Е в правое положение, которая соединяет ведомую шестерню заднего хода 13 с выходным валом 3. Положения муфт А, В и С соответствуют первой, второй, третьей, четвертой и пятой передачам переднего хода (см. табл.внизу).
Первый задний ход - 1R
Муфты А и Е находятся в правом положении, муфты В, С и D - в нейтральном (см. фиг.2, табл.справа под т.1R).
Крутящий момент от входного вала 2 передается по шестерням 8-21, муфтой А на промежуточный вал 4, рядом шестерен заднего хода 16-14-13 и муфте Е на выходной вал 3, который вращается в направлении противоположном вращению входного вала 2.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: луч 2Л из т.10 слева на верхней горизонтали направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч R также направо вниз к т.1R на нижней горизонтали.
Второй задний ход - 2R
Переключаем муфту А в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на второй передаче, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме этой соответствуют лучи 1Л и R.
Третий задний ход - 3R
Переключаем муфту А в нейтральное положение, а муфту В в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на третьей передаче, далее как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме этой соответствуют лучи 3Л и R.
Четвертый задний ход - 4R
Переключаем муфту B в правое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на четвертой передаче, далее как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме этой соответствуют лучи 4Л и R.
Пятый задний ход - 5R
Переключаем муфту B в нейтральное положение, а муфту С в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на пятой передаче, далее, как на предыдущих передачах.
На лучевой диаграмме этой соответствуют лучи 5Л и R. На фиг.3 и 4 работа КП осуществляется следующим образом:
Первая передача
Муфты А и Е в правом положении (П), а муфты В, С и D - в нейтральном (см. фиг.4, табл.справа над т.1).
Крутящий момент (см. фиг.3) от входного вала 2 передается 1-й парой шестерен 8-19, муфтой 23 (А) на промежуточный вал 4, далее 6-й парой шестерен 14-13 и муфтой 27 (Е) на выходной вал 3.
На лучевой диаграмме (см. фиг.4) эта передача представлена двумя лучами: луч 1Л выходит из т.10 слева на верхней горизонтали и направлен направо вниз к средней горизонтали, далее луч 6Л к т.1 справа на верхней горизонтали.
Вторая передача
Выключаем муфту А в нейтральное положение, включаем муфту В в левое положение (Л).
Крутящий момент от входного вала 2 по шестерне 8 передается муфтой 24 на пару шестерен 9-18, промежуточный вал 4 и далее, как на первой передаче.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: 2Л и 6Л от т.10 к т.2.
Третья передача
Возвращаем муфту А в положение первой передачи. Муфту В переключаем в нейтральное положение, а муфту Е - из правого положения в левое - выключаем из работы пару шестерен 14-13 и включаем пару шестерен 15-12.
Крутящий момент передается от входного вала 2 до промежуточного вала 4, как на первой передаче, далее парой шестерен 15-12 и по муфте Е на выходной вал 3.
На лучевой диаграмме эта передача представлена лучами 1Л и 5Л к т.3. Луч 5Л значительно короче луча 6Л, что указывает на меньшее передаточное число во включенной паре шестерен.
Четвертая передача
Переключаем муфту А в нейтральное положение, включаем муфту В в положение второй передачи.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на второй передаче, от промежуточного к выходному валу 3 - как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи 2Л и 5Л от т.10 к т.4.
Пятая передача
Возвращаем муфту А в положение первой передачи и включаем муфту D в правое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на первой и третьей передачах, далее по паре шестерен 16-11 и по муфте D на выходной вал 3.
На лучевой диаграмме луч 1Л направо вниз и луч 4Л направо вверх к т.5 характеризуют эту передачу.
Шестая передача
Выключаем муфту А в нейтральное положение и включаем муфту В в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на второй и четвертой передачах, от промежуточного к выходному 3, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме луч 2Л направо вниз и луч 4Л направо вверх к т.6 характеризуют эту передачу.
Седьмая передача
Выключаем муфту B в нейтральное положение, включаем муфту А в правое положение, а муфту D переводим из правого в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается как на пятой передаче, далее по паре шестерен 17-10 и по муфте D на выходной вал 3. Пара шестерен 17-10 работает в ускоряющем режиме.
На лучевой диаграмме луч 1Л направо вниз и луч 3Л налево вверх к т.7 характеризуют эту передачу.
Восьмая передача
Выключаем муфту А в нейтральное положение и включаем муфту В в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на второй и четвертой передачах, от промежуточного к выходному 3, как на предыдущей передаче.
На лучевой диаграмме луч 2Л направо вниз и луч 3Л налево вверх к т.8 характеризуют эту передачу.
Девятая передача
Выключаем муфты В и D в нейтральное положение, муфту А переводим в правое положение, а муфту С - в левое.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на первой, третьей и пятой передачах, далее по паре шестерен 18-9, работающей в ускоряющем режиме и по муфте С на выходной вал 3. Ранее эта пара шестерен работала в замедляющем режиме - от шестерни 9 к шестерне 18. На лучевой диаграмме луч 1Л направо вниз и луч 2Л налево вверх к т.9 характеризует эту передачу.
Десятая передача - прямая
Выключаем муфту А в нейтральное положение и включаем муфту В в левое положение.
Крутящий момент от входного вала 2 передается шестерней 8 и муфтой В на ступицу шестерни 9 далее муфтой С на выходной вал 3 с высоким кпд без трансформации крутящего момента парами шестерен.
На лучевой диаграмме эта передача представлена точкой 10.
Передачи заднего хода включаются при перемещении муфты А в левое положение, которая соединяет шестерню 20 с промежуточным валом 4. Положения муфт Е, D и С соответствуют первой, третьей, пятой, седьмой и девятой передачам переднего хода (см. табл.внизу).
Первый задний ход - 1R
Муфта А находится в левом положении, муфты С и D - в нейтральном, а муфта Е - в правом положении (см. фиг.4, табл.справа под t.1R).
Крутящий момент от входного вала 2 передается рядом шестерен заднего хода 7-21-20, муфтой А на промежуточный вал 4, далее, как на первой передаче переднего хода по шестерням 14-13 и муфте Е на выходной вал 3, который вращается в направлении противоположном вращению входного вала 2.
На лучевой диаграмме эта передача представлена двумя лучами: луч R из т.10 слева на верхней горизонтали направо вниз к средней горизонтали, далее пологий луч 6Л также направо вниз к t.1R на нижней горизонтали.
Второй задний ход - 2R
Переключаем муфту Е в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на предыдущей передаче, далее, как на третьей передаче переднего хода. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи R и 5Л.
Третий задний ход - 3R
Переключаем муфту Е в нейтральное положение, а муфту D в правое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на предыдущих передачах, далее, как на пятой передаче переднего хода. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи R и 4Л.
Четвертый задний ход - 4R
Переключаем муфту D в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на предыдущих передачах, далее, как на седьмой передаче переднего хода. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи R и 3Л.
Пятый задний ход - 5R
Переключаем муфту D в нейтральное положение, а муфту С в левое положение.
До промежуточного вала 4 крутящий момент передается, как на предыдущих передачах, далее, как на девятой передаче переднего хода. На лучевой диаграмме этой передаче соответствуют лучи R и 2Л. Технико-экономическая эффективность заключается в следующем:
1. Автономность КП 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 долговечность КП 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 заднего хода с двух до пяти также способствует расширению эксплуатационных возможностей транспортного средства.
2
6
1
6
Десятиступенчатая КП автомобиля КамАЗ имеет диапазон 9,6. На фиг.2 и 4 приведены данные для диапазона 12. При этом на фиг.1 и 2 передаточные числа пар шестерен составят: U=2,98; U=4,01; диапазон - D=U×U=2,98×4,01=12. Конструкция КП допускает увеличение передаточного числа низшей передачи и диапазона, что приведет к дальнейшему расширению эксплуатационных возможностей транспортного средства.