Результат интеллектуальной деятельности: Трансмиссия машины с бортовым способом поворота

Изобретение относится к гусеничным, многоколесным и др. транспортным средствам (ТС) с бортовым способом поворота, преимущественно к быстроходным гусеничным машинам.

Бортовые коробки передач (БКП) [1. Расчет и конструирование гусеничных машин / Н.А. Носов и др.; под ред. проф. Н.А. Носова. - П.: Машиностроение, 1972. - 560 с. - Гл. IX «Механизмы поворота», С. 368-369.] серийно выпускаемых транспортных гусеничных машин проектировались без возможности обеспечения поворота с нулевым радиусом. В дальнейшем создавались экспериментальные двухпоточные трансмиссии на базе шасси с БКП. Такие трансмиссии (см., например [2. Фрикционные механизмы поворота в двухпоточных трансмиссиях транспортных гусеничных машин / Н.Н. Демидов [и др.] // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2019. - №1. - С. 60-69. DOI: 10.31992/0321-4443-2019-1-60-69]) кинематически допускали поворот вокруг центра тяжести.

Однако мощности трансформатора крутящего момента, установленного в параллельном потоке мощности, для реализации такого режима работы было недостаточно.

Вместе с тем, парк находящихся на консервации машин, вновь выпускаемые шасси с БКП и специальные машины, использующие комплектующие от шасси с БКП, нуждаются, согласно современным представлениям, в наличии возможности разворота с нулевым радиусом для маневрирования в стесненных условиях и для полной реализации тягово-сцепных свойств машины на специфических грунтах. В частности, разворот с нулевым радиусом необходим в глубоком снегу. Угловая скорость поворота пока не регламентируется.

Другой из числа известных способов бортового поворота машин - посредством установленных бортовых планетарных механизмов поворота (одно- и двухступенчатых ПМП), бортовых фрикционов (БФ), управляемых посредством тормозов и фрикционов в их составе [1, с. 360-368].

БКП, ПМП, БФ схематически подобны, относительно просты по конструкции и компактны, но имеют, по современным понятиям, ограниченные возможности.

Известна также автоматизация управления поворотом введением обратной связи для управления скоростью буксования дисковых фрикционных элементов, в частности, в БКП и ПМП [3. К методу оценки частоты импульсного управления поворотом гусеничной машины / 4. Бойков А.В., Григорьев А.П., Русинов Р.В. // Рабочие процессы в компрессорах и установках с ДВС: межвузовский сборник. - Л.: Изд-во ЛПИ им. М.И. Калинина, 1987. - С. 73-78].

Наиболее близким аналогом заявляемой трансмиссии (выбран за прототип) является трансмиссия танка Т-90, содержащая бортовые коробки передач с передаточным отношением на заднем ходу, отличным от передаточного отношения на первой передаче переднего хода как по знаку, так и по модулю, входной редуктор, соединяющий входные валы коробок передач с выходным валом двигателя, остановочные тормоза, соосные бортовые редукторы и систему гидроуправления [5. Основной боевой танк Т-90 «Владимир». - URL: https://vpk.name/library/f/tank-t-90.html (Дата обращения: 03.12.2022)].

Однако трансмиссия-прототип [5] не обеспечивает возможность поворота с нулевым радиусом (на месте), что отрицательно отражается на технико-эксплуатационных и особенно на тактико-технических возможностях и характеристиках машин (ТЭВЛТВ и ТТВ/ТТХ). Обращает на себя внимание и выраженная ступенчатость спектра фиксированных радиусов поворота.

Проблема (задача), на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков прототипа [5] и в улучшении технико-эксплуатационных и тактико-технических возможностей и характеристик за счет:

- обеспечения возможности поворота машины с нулевым радиусом (на месте);

- расширения спектра фиксированных радиусов поворота.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в трансмиссии машины с бортовым способом поворота, содержащей бортовые коробки передач с передаточным отношением на заднем ходу, отличным от передаточных отношений на переднем ходу как по знаку, так и по модулю, входной редуктор, соединяющий входные валы коробок передач с выходным валом двигателя, остановочные тормоза, соосные бортовые редукторы и систему управления, согласно заявляемому изобретению, дополнительно предусмотрены управляемые двухрежимные бортовые редукторы, каждый с передаточными отношениями режимов u_PI и u_PII, из которых второе значение

где u_{БКП ЗХ} - передаточное отношение в коробке передач на передаче заднего хода;

u_{БКП i} - передаточное отношение в коробке передач на первой передаче переднего хода,

при этом упомянутые дополнительные бортовые редукторы установлены между входным редуктором и бортовыми коробками передач, с возможностью поворота машины в ту или другую сторону с нулевым расчетным радиусом в режимах

где индексы 1 и 2 относят величины к номеру борта машины.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- дополнительные редукторы могут быть выполнены с передаточным отношением первой ступени либо u_PI=1, либо u_PII≠1, при этом во втором случае передаточное отношение входного редуктора должно быть скорректировано в u_PI раз по условию сохранения исходного передаточного отношения трансмиссии (в первом случае это исключает необходимость при модернизации машины, предполагающей обеспечение дополнительно нулевого радиуса поворота, корректировать передаточное отношение, например, входного редуктора, в обеспечение сохранения величины общего передаточного отношения трансмиссии; а во втором случае такая корректировка допускается, а в некоторых случаях и целесообразна по другим основаниям, например, изменение положения двигателя и т.д.);

- дополнительные редукторы могут быть выполнены с передаточным отношением второй ступени либо u_PII>1, либо u_PII<1 (это позволяет дополнить, при возникшей целесообразности, уже имеющуюся ступенчатую гамму радиусов поворота дополнительными радиусами поворота, включая фиксированные, тем самым «попутно» приблизить трансмиссию к бесступенчатым устройствам);

- каждый упомянутый дополнительный редуктор может быть выполнен управляемым посредством предусмотренных для этого фрикционных элементов управления, по схеме двухступенчатого планетарного механизма поворота «ПМП» (это наиболее простое и универсальное средство управления);

- при этом фрикционные элементы управления дополнительных редукторов могут быть связаны с системой управления с возможностью широтно-импульсной модуляции давления «ШИМД», с выборочным или совместным выключением-включением этих фрикционных элементов в регулируемом импульсном режиме со скважностью, зависящей от потребного распределения мощности между бортами (это в наибольшей степени отвечает стремлению получить «попутно» с возможностью обеспечения нулевого радиуса поворота «квазибесступенчатость» трансмиссии).

Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявляемой. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Четкое разграничение ограничительной и отличительной частей приведенных совокупностей существенных признаков, отражающее результаты сравнительного анализа заявляемого устройства с прототипом, соотносятся с мировым уровнем новизны технического решения. Мировой уровень новизны - первый из триады признаков (критериев) изобретения.

Далее, совокупности отличительных существенных признаков заявляемой трансмиссии не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место «эмерджентность», т.е. «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), которая(ый) не была(был) очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники, разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения. С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же накопленного опыта проектирования, производства и эксплуатации (практического использования) планетарных зубчатых механизмов, фрикционных элементов и систем управления трансмиссиями и их составными частями (включая ШИМД).

Заявляемое устройство трансмиссии пояснено на чертежах (фиг. 1, 2): на фиг. 1 показана блок-схема трансмиссии (устройства), где 1 - входной редуктор (главная коническая передача или «гитара» (цилиндрический вальный редуктор); 2 - дополнительные бортовые редукторы (2 шт. Р - по одному на борт машины); 3 - остановочные тормоза; 4 - бортовые коробки передач (2 шт. БКП - по одной на борт машины; 5 - бортовые редукторы (основные, 2 шт. - по одному на борт машины).

на фиг. 2 - схема поворота гусеничной машины, вид сверху (в плане), где V₁ - вектор линейной скорости одного борта машины, V₂ - вектор линейной скорости другого борта машины; стрелками показано направления поворота машины -по- или против часовой стрелки; 6 - машина с бортовым управлением поворотом (на примере гусеничной машины).

Трансмиссия машины (наземного транспортного средства) с бортовым способом поворота, преимущественно быстроходной гусеничной машины 6, содержит бортовые коробки передач (БКП) 4 с передаточным отношением u_{БКП ЗХ} на заднем ходу (З.Х.), отличным от передаточных отношений u_{БКП i} - на переднем ходу (П.Х.) как по знаку (sign), так и по модулю (т.е. без учета знака величины), входной редуктор 1, соединяющий входные валы бортовых коробок передач 4 с выходным валом двигателя (энергетической установки, моторной установки), остановочные тормоза 3, соосные бортовые редукторы (основные) 5 и систему управления (на фиг. 1, 2 не показана).

В трансмиссии (см. фиг. 1) дополнительно предусмотрены управляемые двухступенчатые бортовые редукторы (Р) 2, каждый с передаточными отношениями ступеней u_PI и u_PII, из которых второе значение

где u_{БКП ЗХ} - передаточное отношение в коробке передач 4 на передаче заднего хода;

u_{БКП i} - передаточное отношение в коробке передач 4 на первой передаче переднего хода.

При этом дополнительные бортовые редукторы 2 установлены между входным редуктором 1 и БКП 4, с возможностью поворота машины 6 в ту или другую сторону (см. фиг. 2) с нулевым расчетным радиусом в режимах

где индексы 1 и 2 относят величины к номеру борта машины 6.

Дальнейшее описание устройства трансмиссии распространяется на частные случаи (примеры) выполнения, то есть конструктивные признаки не обязательные, но рекомендуемые, дающие дополнительный положительный эффект (технический результат).

Дополнительные редукторы 2, в частности, выполнены с передаточным отношением первой ступени u_PI=1, или, как альтернатива этому, с u_PI≠1. В последнем случае передаточное отношение входного редуктора 1 следует скорректировать в u_PI раз по условию сохранения исходного передаточного отношения трансмиссии.

Дополнительные редукторы 2 могут быть выполнены либо с передаточным отношением второй ступени u_PII>1, либо, как альтернатива этому, с u_PII<1.

Каждый упомянутый дополнительный редуктор 2 выполнен, предпочтительно, управляемым посредством предусмотренных для этого двух фрикционных элементов (не показаны), по схеме двухступенчатого планетарного механизма поворота «ПМП», на который достаточно сослаться по причине известности вариантов схем ПМП [1].

Фрикционные элементы управления (желательно, тормоза) дополнительных редукторов 2 желательно связывать с системой управления (СУ) с возможностью широтно-импульсной модуляции «ШИМД» [3], с выборочным или совместным выключением-включением этих фрикционных элементов в регулируемом импульсном режиме со скважностью, зависящей от потребного распределения мощности между бортами машины 6.

Предусмотрена уже упомянутая выше система управления (СУ) прямолинейным движением и поворотом машины.

Возможны другие кинематические схемы и конструкции в рамках заявляемых основной и дополнительных совокупностей существенных признаков.

Устройство работает следующим образом.

Мощность от двигателя через входной редуктор 1 передается на БКП 4, затем на БР 5 и далее на ведущие колеса (не показаны) машины 6.

При прямолинейном движении машины 6 мощность распределяется между бортами 1 и 2 машины 6 теоретически поровну, а остановочные тормоза 3 включают по необходимости и синхронно.

При повороте машины 6, например, направо, «базовым» способом (исключительно за счет БКП 4) с радиусом, большим половине колеи В, при включенной передаче БКП₂ второго борта от второй и выше, в БКП1 на первом борту включают пониженную передачу, на одну ступень ниже.

Если на забегающем борту используется первая передача или передача заднего хода, на отстающем борту используется остановочный тормоз. Значение радиуса поворота обеспечивается за счет буксования этого тормоза.

Поворот таким же бортовым способом налево осуществляют аналогично («зеркально», «поменяв номера бортов»).

Все это соответствует и возможностям устройства-прототипа [5] (т.е. сохраняется).

Здесь важно, что при этом, как правило, дополнительные бортовые редукторы 2 работают одинаково, в режиме первой их ступени.

С позиций заявляемого изобретения важна, приоритетно, принципиальная возможность поворота машины 6 «на месте» (примерно вокруг центра тяжести) - с нулевым радиусом. Это уже главная дополнительная возможность, актуальная для ряда разновидностей машин, таких как, например, основные танки Т-64, Т-72, Т-80 и Т-90.

При повороте машины 6 с нулевым радиусом (см. фиг. 2), что предпочтительно, учитывая максимальное сопротивление повороту именно в этом режиме, делать на низших передачах, например, направо, на втором забегающем борту включают первую передачу и, одновременно, вторую ступень дополнительного редуктора 2 на этом же, втором, борту. А на первом борту - передачу заднего хода, оставив при этом дополнительный редуктор 2 первого борта в исходном режиме на первой его ступени.

Это, разумеется, в примере с u_PII>1.

А в примере с u_PII<1 - наоборот.

Передаточные отношения дополнительных редукторов 2 компенсируют неодинаковость значений модулей передаточных отношений в БРП 4 на первой передаче и передаче заднего хода. Математически это выражается равенствами:

Поворот машины 6 в другую сторону (налево) реализуют аналогично («зеркально»).

Очевидно, что при u_PII=|u_БКПЗХ/u_БКПI|>1 забегающий борт будет замедляться относительно случая поворота без использования редуктора 4, а при u_PII=|u_бкпI/u_бкпзх|<1 отстающий борт будет ускоряться.

С точки зрения обеспечения требуемого значения межбортового передаточного отношения эти варианты равноценны. Но для БКП 4 характерен запас по крутящему моменту (приблизительно 15% перегрузка закладывается при расчетах, к тому же присутствует запас прочности) и предельные угловые скорости вращения сателлитов. С этой позиции представляется, что вариант u_PII>1 является предпочтительным, а вариант u_PII<1 - не столь перспективным.

Дополнительной полезной возможностью (еще в большей мере способной расширить ТЭВ/ГТВ машины в части маневренности) выступает (как «бесплатный бонус») возможность реализации дополнительных расчетных (фиксированных) радиусов поворота, существенно расширяющих общий спектр таковых.

При любом из описанных примеров будем иметь равенство модулей линейных скоростей V₁ и V₂ и их отличное на 180 градусов направление, что является условием поворота с нулевым радиусом.

При повороте машины 6 с ненулевым фиксированным радиусом с дополнительно включенной второй ступенью одного из бортов обеспечивает новые фиксированные радиусы поворота, в соответствии с номером передачи в БКП 4 и величиной передаточного отношения дополнительного редуктора 2 на второй его ступени.

Конкретно, наличие не прямой передачи в предлагаемом редукторе 2 позволяет получить дополнительную гамму межбортовых передаточных отношений для передач прямого хода:

В последнем выражении показатель степени x=sign(u_PII -1), а n - число передач прямого хода в БКП.

Соответствующие расчетные (получаемые без буксования в механизме поворота) радиусы поворота можно рассчитать по известной зависимости [6. Теория движения многоцелевых гусеничных и колесных машин. Тяговый расчет криволинейного движения: учебное пособие для вузов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение» / В.Б. Шеломов. - Санкт-Петербург: Изд-во Политехи, ун-та, 2013.-90 с.]:

где ρ - относительный радиус поворота машины; В - ширина ее колеи.

А с выполнением заявляемого устройства с использованием ШИМД в СУ тормозами дополнительных бортовых редукторов 2 (при наличии ШИМД подсистема 15 обеспечивает требуемый режим подтормаживания бортов 1 и 2), положительный эффект возрастает еще больше: расширение спектра возможных радиусов поворота делает поворотливость машины 6 ближе к поворотливости машин с бесступенчатым механизмом поворота. Правда, при этом существенно усложняется СУ.

Известно (см., например, [1, с. 360-368]), что увеличение числа расчетных радиусов положительно сказывается на энергоэффективности механизма поворота.

На основании изложенного в описании, можно резюмировать, что заявляемое устройство, независимо от выбора того или иного частного примера схемы и конструкции, позволяет устранить отмеченные выше недостатки прототипа и улучшить технико-эксплуатационные (тактико-технические) возможности и характеристики машины в части ее маневренности, не изменяя самые дорогостоящие, технологически и в эксплуатации отлаженные агрегаты - БКП 4.