Результат интеллектуальной деятельности: ПРЕСЕЛЕКТИВНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к механическим коробкам передач, обеспечивающим произвольный выбор передач и их переключение без разрыва потока мощности (под нагрузкой), предназначенным для использования в трансмиссиях различных транспортных средств: автомобилей, тракторов и других подобных транспортно-тяговых машин.

Известные из уровня техники преселективные коробки передач, позволяющие водителю при движении транспортного средства (ТС) вручную или с помощью устройств автоматического управления производить произвольный выбор с последующим переключением на выбранную передачу, в основе представляют собой две механические коробки или два узла: четных и нечетных передач с двумя фрикционными гидроподжимными сцеплениями.

Так, известна трансмиссия ТС с коробкой передач, обладающей функциями преселективной (RU 97465, 2010 г.), которая содержит главный входной вал и конечный выходной вал с жестко закрепленными на них шестернями, узел четных передач и узел нечетных передач, а также выходную диапазонную коробку с кинематически связанными между собой выходным, дополнительным и промежуточным валами. Валы узлов четных и нечетных передач снабжены фрикционными гидроподжимными муфтами, по меньшей мере двумя свободно вращающимися шестернями и синхронизаторами двойного действия, установленными с возможностью соединения входного вала каждого узла четных и нечетных передач с одной из свободно вращающихся шестерен. Ведущие шестерни главного входного вала находятся в зацеплении с действующими шестернями одного из узлов четных и нечетных передач. Конечный выходной вал и дополнительный вал узла диапазонов снабжены каждый своим синхронизатором двойного действия и по меньшей мере одной свободно вращающейся шестерней.

Громоздкое компоновочное решение и перенасыщенность кинематической схемы такой коробки элементами и связями следует отнести к ее недостаткам, поскольку это обуславливает неизбежность значительных потерь мощности и нецелесообразность использования такой схемы для переключения передач в программируемом автоматическом режиме.

Известны преселективные коробки передач (КП), обладающие оптимальным компоновочным решением и сочетающие в себе преимущества механических КП, как переключаемых от руки, так и автоматических, например автоматическая КП типа DSG (Direkt-Schalt-Getribe), описанная в материале «Пособие по программе самообразования 308» - перевод ООО «Фольксваген Груп Рус», октябрь 2003 г., стр. 4-5; 12-17;30.

Коробка DSG, в принципе, состоит из двух, параллельно работающих механических коробок, которые передают крутящий момент на общую главную передачу с дифференциалом, и содержит два, размещенных один в другом, первичных вала, по меньшей мере два вторичных (промежуточных) вала и сдвоенное управляемое сцепление, состоящее из двух гидроподжимных фрикционных муфт (размещенных по типу «одна в другой»), каждая из которых связана со своим первичным валом. Первичные и промежуточные валы содержат шестерни, образующие ряд четных передач и ряд нечетных передач. Поток мощности от двигателя делится на два, каждый из которых подводится соответственно к одному из двух первичных валов, создавая при этом важные эксплуатационные преимущества. Передачи обоих рядов переключаются независимо друг от друга. При этом выполняется требование произвольного выбора передач.

КП содержит датчики частоты вращения входного и выходного валов, сигналы которых передаются на электронные анализаторы частот, кратных скоростям этих валов, и клапаны регулирования давления в гидроподжимных фрикционных муфтах сцепления, подключенные к электрогидравлическому блоку управления, связанному с бортовым компьютером автомобиля.

Использование сдвоенного сцепления, предопределяя указанное выше выполнение и взаиморасположение первичных валов, несколько осложняет алгоритм управления, что при использовании такой КП в трансмиссиях легковых автомобилей приемлемо и экономически вполне оправдано, но при использовании, например, в тракторах или других транспортно-тяговых машинах, может привести к нецелесообразному завышению затрат.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является тракторная преселективная КП типа «Direct Drive» фирмы John Deere (США), представленная в статье «Формула 1 для поля», автор Hubert Wilmer, журнал «Profi», №8, 2012 г., стр. 64. Эта коробка передач содержит входной вал с жестко закрепленными на нем двумя ведущими шестернями и выходной вал с жестко закрепленными на нем ведомыми шестернями и два промежуточных вала (ПВ), каждый из которых имеет свое управляемое сцепление, выполненное в виде гидроподжимной фрикционной муфты, а также две пары свободно вращающихся шестерен. Шестерни одного из ПВ обеспечивают четные номера передач (более высокие), а шестерни другого - нечетные (менее высокие). Подключение шестерен производится при помощи электрогидравлических актюаторов.

В такой КП так же, как и в предыдущем аналоге, обеспечивается выборочный и без разрыва потока мощности переход с одной передачи на другую: смежную или любую соседнюю, в т.ч. и переход с четной передачи на четную или с нечетной передачи на нечетную.

Предпочтительным, с нашей точки зрения, является первый вариант, поскольку он отвечает общепринятому и наиболее употребляемому алгоритму управления автомобилями и тракторами.

В приведенных примерах известных преселективных КП (аналоге и прототипе), как и в других известных КП при двух фрикционных гидроподжимных сцеплениях и двух ПВ с шестернями нечетных и четных передач, процесс переключения заключается в том, что при работе нечетных передач четные отключены, и шестерни четных передач вращаются вхолостую и наоборот; при работе шестерен четных передач вхолостую вращаются шестерни нечетных. При этом более значительные потери на трение образуются исключительно в отключенных, буксующих сцеплениях.

Поскольку включение и отключение гидроподжимных сцеплений выполняется путем изменения давления масла, сжимающего их фрикционные диски, то при переключении передач происходит следующее. С увеличением скорости (переключение вверх) давление в муфте ПВ нечетных передач (1;3 и т.д.) уменьшается, а в муфте ПВ четных передач (2;4 и т.д.) увеличивается, и, чтобы произошло переключение и скорость машины увеличилась, должен установиться определенный силовой баланс крутящих моментов, развиваемых сцеплениями, при котором в ряде случаев возникает циркуляция мощности в контуре, включающем обе муфты. При этом, поскольку крутящий момент выключаемой муфты должен изменить свой знак на противоположный, происходит скачкообразное уменьшение суммарного крутящего момента, в силу чего скорость машины не только не увеличится, но и резко уменьшится. «Провал скорости» возникает, когда крутящий момент на выключаемой муфте начинает тормозить процесс переключения.

При переключении «вниз» (с уменьшением скорости) давление в муфте одной из включенных четных передач должно понижаться, а во включаемой нечетной - увеличиваться, тогда по аналогии с рассмотренным выше условием возникнет циркуляция мощности, которая приведет опять-таки к скачкообразному снижению скорости.

Таким образом, все переключения и в одном, и в другом случаях происходят в соответствии с силовыми балансами крутящих моментов двух фрикционных муфт и третьим крутящим моментом сопротивления на выходном валу коробки передач. Из чего следует, что наиболее существенным общим недостатком, присущим всем известным КП с двумя муфтами сцеплений, в т.ч. и прототипу, является то, что изменяющийся момент сопротивления (иногда в очень широких пределах в зависимости от нагрузки - условно от нуля до единицы) отрицательно влияет на стабильность и четкость исполнения системой управления запрограммированных алгоритмов включения и переключения передач и может приводить к снижению эффективности таких КП.

Используемая зачастую разбивка диапазона нагрузок на несколько поддиапазонов не устраняет указанный недостаток, т.к. направлена лишь на решение задачи поиска допустимых неточностей.

К тому же в процессе эксплуатации нестабильность переключения передач может увеличиваться дополнительно еще и тем, что кроме нагрузки меняется температура масла, влияющая на трение, давление и другие показатели.

Задача, решаемая изобретением, и технический результат, получаемый при реализации изобретения, направлены на дальнейшее повышение эффективности преселективных коробок передач с двумя сцеплениями за счет увеличения стабильности и четкости переключения; упрощения программы управления.

Технический результат достигается тем, что в преселективной коробке передач, содержащей входной вал с закрепленными на нем ведущими шестернями и выходной вал с закрепленными на нем ведомыми шестернями, по меньшей мере пару промежуточных валов: первый и второй, каждый из которых имеет свое управляемое сцепление, свободно вращающиеся шестерни и исполнительный механизм переключения, причем шестерни первого промежуточного вала образуют с шестернями выходного вала ряд четных передач, шестерни второго промежуточного вала - ряд нечетных передач, и сцепление первого промежуточного вала выполнено в виде гидроподжимной фрикционной муфты, содержащей также шестеренные приводы, обеспечивающие передачу крутящего момента с входного вала на промежуточные валы, и систему управления, согласно изобретению сцепление второго промежуточного вала, содержащего шестерни нечетного ряда передач, выполнено в виде обгонной муфты свободного хода, а гидроподжимная фрикционная муфта первого промежуточного вала выполнена с коэффициентом запаса, величина которого достаточна для передачи увеличенного крутящего момента при разгоне транспортного средства на второй передаче с нагрузкой, реализуемой на первой передаче, при этом шестеренный привод первого промежуточного вала образован большей шестерней входного вала и шестерней, жестко закрепленной на промежуточном валу перед муфтой сцепления, шестеренный привод второго промежуточного вала образован меньшей шестерней входного вала и шестерней, которой снабжена обгонная муфта свободного хода, и система управления включает в себя два датчика частоты вращения входного и выходного валов, сигналы которых передаются на электронные анализаторы частот, кратных скоростям этих валов, клапан регулирования давления в гидроподжимной фрикционной муфте сцепления, подключенные к электрогидравлическому блоку управления, и дополнительно по меньшей мере один датчик частоты первого промежуточного вала, также подключенный к блоку управления.

Дополнительное отличие коробки состоит в том, что передаточное число шестеренного привода между входным валом и промежуточным валом равно квадрату коэффициента геометрической прогрессии при соответствующем распределении перепадов смежных скоростей движения транспортного средства.

В частном случае исполнения в качестве исполнительных механизмов переключения в ней использованы сдвоенные синхронизаторы.

Применение на втором ПВ с шестернями нечетных передач в качестве сцепления обгонной муфты свободного хода - «автолога» непосредственно способствует обеспечению стабильного переключения передач, т.к. позволяет свести к минимуму число фрикционных сцеплений, и, следовательно, количество помех, связанных с ними при работе КП. К тому же обгонная муфта автоматически отключает от входного вала обслуживаемый ею вал в тех случаях, когда работают четные передачи, и подключает его при переходе на работу нечетных передач, следовательно, ее функционирование не требует программного управления.

Установленные на валах КП датчики частот вращения, например в виде датчиков Холла, подключенные к блоку управления, предназначены улучшить стабильность переключения за счет сравнения частот вращения валов и сведения их разности к минимальным значениям. Сигналы этих датчиков, установленных на первом ПВ с фрикционным гидроподжимным сцеплением, позволяют вместе с сигналом датчика частоты вращения на входе КП определить проскальзывание муфты. По величине проскальзывания система управления определяет степень замыкания муфт. Помимо этого определяется включенная передача. Проверка правильности включенной передачи производится с использованием датчиков частоты вращения на выходе коробки передач, а также контролируется скорость и направление движения. По сигналам датчиков блок управления может достаточно точно регулировать процессы замыкания или размыкания муфт сцепления.

На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемой преселективной коробки передач (кинематическая схема, пример); на фиг. 2 - график относительного расположения смежных передач.

Сущность изобретения поясняется на конкретном примере исполнения предлагаемой КП в соответствии с фиг. 1.

КП имеет входной вал 1 с двумя ведущими шестернями: меньшей 2 и большей 3, которые являются частью промежуточных передаточных элементов между входным валом 1 и выходным 4 с двумя ведомыми шестернями 5 и 6, и пару промежуточных валов (ПВ): первый ПВ 7 и второй ПВ 8.

Первый ПВ 7 содержит гидроподжимную фрикционную муфту 9, две свободно вращающиеся шестерни 10 и 11 и сдвоенный синхронизатор 12 между ними, а также шестерню 13, установленную перед муфтой 9.

Второй ПВ 8 снабжен обгонной муфтой свободного хода 14 с шестерней 15 и имеет аналогично валу 7 две свободно вращающиеся шестерни 16 и 17 и синхронизатор 18. Муфта свободного хода 14 позволяет автоматически разрывать передачу потока мощности с входного вала, когда в этом нет необходимости, например при движении на четных передачах или при разгоне ТС.

Шестерни 10 и 11 вала 7 образуют с шестернями выходного вала 4 ряд четных передач, а шестерни 16 и 17 - ряд нечетных передач. Передаточные числа, создаваемые шестернями ПВ 7, обеспечивают более высокий ряд скоростей движения, чем шестернями ПВ 8.

Шестерня 13 ПВ 7 и шестерня 3 входного вала 1 находятся в зацеплении и образуют шестеренный привод передачи Мкр с вала 1 на вал 7. Шестерня 15, принадлежащая муфте 14, находится в зацеплении с шестерней 2 вала 1 и образует с ней шестеренный привод передачи Мкр с вала 1 на вал 8.

Угловые скорости валов контролируются системой управления КП, которая включает в себя блок управления 19, содержащий запоминающие устройства, электронные анализаторы частот вращения валов и задающие устройства (условно не показаны), а также подключенные к блоку 19 исполнительные устройства, в частности электрогидравлический клапан 20, и измерительные средства - датчики частоты вращения.

Входной вал 1 и выходной 4 снабжены датчиками частоты 21 и 22, создающими импульсы кратно угловым скоростям этих валов. Кроме того, ПВ 7 также снабжен датчиками частоты, в приведенном примере на фиг. 1, двумя датчиками 23 и 24, установленными соответственно один за муфтой 9, а другой - за шестерней 11. Датчики 21-24 могут быть выполнены как датчики Холла, либо в виде прерывателей, либо тахогенераторов переменного тока, либо устройств другого типа и связаны с анализаторами блока 19, сравнивающими их сигналы и создающими свой код, на основе которого подается команда к электрогидравлическому клапану 20, изменяющему давление масла, подводимого по гидролинии 25 к гидроподжимной муфте 9.

Работа КП по кинематической схеме фиг. 1 происходит следующим образом.

В исходном состоянии все переключаемые элементы находятся в нейтральном или выключенном положении, двигатель запущен, давление масла рано нулю. При включении синхронизатора 12 на вторую передачу (шестерня 10) давление в муфте 9 начинает плавно увеличиваться, т.к. этим давлением управляет соотношение показателей частот тахометров 21 и 22 через анализаторы блока управления 19 и электромагнитный клапан 20. Когда это соотношение частот станет равно или приблизится вплотную к расчетному, хранящемуся в памяти электронного блока 19 отношению передаточных чисел i1 между валами 1 и 4 на первой передаче

i1=(z2/z15)*(z16/z5),

давление в муфте 9 увеличится до величины, при которой должно начаться движение машины со скоростью первой передачи. Таким образом, разгон подойдет к окончанию и для его завершения следует включить синхронизатор 18 в положение первой передачи (шестерня 16) и дать команду на изменение давления в муфте 9. В ходе плавного отключения муфты 9 обгонная муфта 14 автоматически замкнется и соединит вал 8 с входным валом 1.

В результате процесс разгона на первой передаче будет произведен на фрикционной муфте 9 при включении синхронизатора 12 во вторую передачу при участии шестерен 10 и 5 и на окончательном этапе при включении второго синхронизатора 18, шестерен 16 и 5 и замыкании муфты свободного хода 14, давление в муфте 9 может быть уменьшено до нуля, т.е. она выключится.

В случае возникновения необходимости экстренной остановки машины в описанном режиме, например при включении тормоза, программа под управлением тахометров 21-24 системы управления должна поднять давление в муфте 9 до уровня, обеспечивающего свободное переключение синхронизатора 16 в нейтраль, и произвести его выключение.

При отсутствии необходимости остановки дальнейшее управление должно состоять в повышении давления в муфте 9 до уровня второй передачи, при котором отношение передаточного числа между валами 1 и 4 должно стать равным или максимально приблизиться к указанному ранее отношению их частот. В таком режиме муфта свободного хода 14 разблокируется и обеспечит возможность ручного или автоматического переключения синхронизатора 18 в симметричную позицию, при которой возможна передача мощности от шестерни 17 к шестерне 6 при дальнейшем снятии давления в муфте 9. Рабочий процесс дальнейшего переключения передач полностью аналогичен описанному, как вверх в сторону увеличения скоростей, так и вниз в сторону уменьшения, включая режим экстренного торможения на любой передаче.

На графике фиг. 2 в координатах скорость машины и крутящий момент на выходе КП показано расположение смежных (соседних) передач применительно к тракторному варианту преселективной коробки передач. Все передачи, обозначенные треугольничками, расположены на гиперболической кривой, что указывает на постоянную мощность, передаваемую КП. Треугольнички, имеющие вершину, обращенную вверх, расположены на ПВ 7, другие отнесены к ПВ 8. Следовательно, перепад скоростей между соседними смежными передачами ПВ 7 и 8 должен быть равен q, где q - коэффициент геометрического ряда скоростей трактора.

Отсюда следует, что при постоянном коэффициенте q передаточное число между валом 1 четным и нечетным ПВ должно задаваться шестернями 2; 15 и 3; 13. Кроме того, в зависимости от требований, предъявляемых к скоростям, могут выполняться другие условия реализации передаточных чисел КП. В частности, диапазон скоростей четных передач, располагаясь на гиперболе, может быть назначен произвольно, но не должен выходить за пределы диапазона нечетных передач. Данный порядок зависит от пар шестерен 10 и 5, 11 и 6, а также 6 и 5, 17 и 16.