Результат интеллектуальной деятельности: 24-режимная однопоточная вальная коробка передач "Конфигурация-24"

Изобретение относится к однопоточным вальным коробкам передач с промежуточными параллельными валами и зубчатыми колесами, для колëсных и гусеничных машин, главным образом семейства колесных тракторов тягового класса 4 и 6–8. Область применения, в расширенном представлении: колесные трактора 4х4 общего назначения, транспортно-технологические машины с другой колесной формулой, гусеничные трактора (сельскохозяйственные, трелевочные, общего назначения), строительно-дорожные машины.

На отечественных и зарубежных колесных тракторах 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 [1. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ие. 1986.– 126 с., ил. – С. 1-10, 14, рис. 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.10 ; 2. RU 00131781, МПК B60K 17/32, 27.05.2000 ; 3. RU 2419007, МПК F16H 3/083, F16H 37/04, 20.05.2011; 4. RU 2167772, МПК B60K 17/00, B60K 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) [5. RU 2167772, МПК B60K17/00, B60K 17/08, 27.05.2001 ; 6. RU 2657483, МПК F16H 3/08, F16H 3/093, 14.06.2018], 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 многорежимная однопоточная вальная коробка передач, содержащая ведущий 0, промежуточные А, B, C и выходной X валы, расположенные параллельно друг другу в картере на подшипниках так, что валы А и B являются смежными с валом 0, и установленные на валах зубчатые колеса и элементы управления, с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с вала 0 выборочно напрямую через вал A или вал B на вал C и далее на вал X [7. RU 2658474, МПК F16H 3/095, F16H 3/097, 21.06.2018, табл. 1, схема № 4].

В КП-прототипе по меньшей мере вал С (здесь и далее – в обозначениях заявляемого изобретения; A и B соответствуют, например, позициям 1 и 2 в прототипе) является тоже смежным по отношению к валу 0 и, совместно с валами A и B расположены периферийно по отношению к центральному валу 0 симметрично с угловым шагом φ = 120°.

При всех положительных качествах КП-прототипа (снижение осевого габарита КП; снижение длины валов и увеличение их жесткости; упрощение схемы за счет ее осевой симметрии; повышение унификации ведомых валов, большинства деталей и узлов КП, оптимизация системы управления, обеспечение безразрывности переключения режимов работы путем отказа от зубчатых муфт; обеспечение возможности варьирования передаточных отношений режимов; обеспечение 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); возможность применения с гидротрансформатором и любым двигателем, установив согласующий редуктор на входе и скорректировав передаточное отношение сумматора; конструктивная и компоновочная рациональность с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования), с двигателем компоновочной схемы «звезда»; конструктивная и компоновочная адаптация к организации на базе КП трансмиссии с параллельными потоками мощности), ему свойственен, однако, следующий недостаток: не предусмотрена возможность придания совокупности всех валов, в поперечном сечении КП, различной конфигурации, определяющей компактность и плотность компоновки КП и моторно-трансмиссионного (силового) отделения транспортного средства, главным образом в условиях агрегатирования. Например, при компоновочной целесообразности двухстороннего охвата коробкой передач двигателя внутреннего сгорания (Г-образность КП), особенно в моноблочных конструкциях, где минимизируются габариты моноблока и одновременно максимизируется плотность компоновки.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанного недостатка КП-прототипа и, соответственно, в разработке компактной коробки передач с расширенными компоновочными возможностями КП и моторно-трансмиссионного отделения транспортного средства за счет плотной компоновки, с рационализацией конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении КП.

Решение поставленной проблемы достигается тем, что в 24-режимной однопоточной вальной коробке передач, содержащей ведущий, три промежуточных и выходной валы, расположенные параллельно друг другу в картере на подшипниках так, что два промежуточных вала являются смежными с входным валом, и установленные на валах зубчатые колеса и элементы управления, с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с входного вала напрямую через один из смежных промежуточных валов на третий промежуточный вал и далее на выходной вал, согласно заявляемому изобретению, третий промежуточный вал не является смежным по отношению к входному валу, конфигурация совокупности осей валов в поперечном сечении коробки передач выполнена фигурной, с расширенными компоновочными возможностями КП и моторно-трансмиссионного отделения транспортного средства, а также агрегатирования, с плотной их компоновкой.

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

- выходной вал может не являться смежным по отношению к входному валу (Это обеспечивает, в сравнении с др. частными случаями, умеренный поперечный габарит КП);

- КП может быть выполнена с крестообразной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (Это позволяет, в сравнении с др. частными случаями, сократить осевой габарит КП при минимальном отклонении от «плоскостности» КП);

- КП может быть выполнена с Г-образной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (Это позволяет «вписать» КП в «угол» удлиненной силовой установки и моторно-трансмиссионного отделения – МТО или добиться максимальной плотности компоновки при агрегатировании с двигателем или др. смежными устройствами);

- КП может быть выполнена с П-образной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (Это позволяет, в частности, скомпоновать КП с др. агрегатом с его боковым охватом, возможно сохранив соосность смежного с входным валом вала и выходного вала с валом этого агрегата, или обеспечить смещение выходного вала относительно входного вала);

- КП может быть выполнена с зигзагообразной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (Это может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двумя другими устройствами);

- КП может быть выполнена с Р-образной конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач (Это может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двигателем, силовой установкой или др. устройствами машины в соответствующей ситуации);

- при оговоренных в предыдущем абзаце условиях, все упомянутые элементы управления могут быть выполнены в виде дисковых фрикционных муфт с гидравлическим включением (Это более полно, чем в предыдущем частном случае КП, использует достоинства дисковых фрикционных элементов управления);

- при оговоренных в предыдущем абзаце условиях, все упомянутые элементы управления могут быть выполнены в виде дисковых фрикционных муфт с гидравлическим включением, три из которых установлены на ведущем валу (Размещение существенной части всех фрикционных муфт, конкретно трех, в начале силового потока, т.е. на входном валу КП обусловливает относительно небольшую их нагрузку с вытекающими отсюда такими положительными следствиями, как повышение работоспособности и срока службы, снижение вероятности коробления дисков, меньшая термонапряженность).

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

Заявляемое устройство 24-режимной однопоточной вальной коробки передач с четырьмя степенями свободы пояснено (на двух примерах – КП-I и КП-II) на чертежах:

на фиг.1 показана условно развернутая на плоскость кинематически-блочная схема коробки передач (частный пример КП-I с пятью параллельными валами при одной зубчатой муфте и остальными фрикционными) в продольной ее проекции, где 0, X − входной и выходной валы соответственно к двигателю и к движителю машины (в принципе, могут быть смежными); A и B − промежуточные валы, смежные с входным валом 0; С – последующий промежуточный вал, не смежный с валом 0 и смежный с валом(ами) А и/или B; c₀₁, c₀₂ – первая и вторая фрикционные дисковые муфты на валу 0; c_a1, c_a2 – первая и вторая фрикционные дисковые муфты на валу A; c_b1, c_b2 – первая и вторая фрикционные дисковые муфты на валу B; c_c1, c_c2 – первая и вторая фрикционные дисковые муфты на валу C; МЗ₁ –зубчатая муфта на валу X; i (с двойными индексами по номерам зубчатых колес «ведущее-ведомое») – передаточные отношения зубчатых пар;

на фиг. 2 – конфигурация К1 (одна из возможных, приоритетная) коробки передач; частный пример крестообразной конфигурации расположения валов), где 0, A, B, C, X − обозначения валов согласно фигуре 1, валы А и В смежные с входным валом 0, а валы С и Х не являются смежными с входным валом 0;

на фиг. 3 показана серия других возможных конфигураций (К2-К11) коробки передач;

на фиг. 4 показана условно развернутая на плоскость упрощенная кинематически-блочная схема коробки передач (частный пример КП-II с пятью параллельными валами и со всеми фрикционными элементами управления) в продольной ее проекции, где обозначения аналогичны фигуре 1 и введено дополнительно обозначение c₀₃ – третья фрикционная дисковая муфта на валу 0, при этом фрикционные дисковые муфты с их смежными зубчатыми колëсами показаны прямоугольниками.

Позициями на фиг. 1, 4 обозначены зубчатые колеса (условно показаны одинакового диаметра, что скомпенсировано обозначением различных величин передаточного отношения i ):

Пример КП-I есть КП 24-режимная, с общим числом валов 5, с дисковыми фрикционными и одной зубчатой муфтами управления режимами КП;

пример КП-II есть КП 24-режимная, общее число валов 5, со всеми дисковыми фрикционными муфтами управления режимами КП.

24-режимная однопоточная вальная коробка передач (КП) по любому частному примеру (случаю) конструктивного исполнения, включая КП-I и КП-II (см. далее по тексту), содержит (см. фиг. 1-4) валы – входной 0, он же ведущий (соединяемый с последним перед КП валом от двигателя), и ведомые, в том числе промежуточные A, B, C и выходной X. При этом валы 0 и X могут быть соединены муфтами (не показаны) с внешними по отношению к КП устройствами (двигателем, движителем и др.). Валы А и B являются смежными с валом 0. Все валы установлены параллельно друг другу в картере на подшипниках.

На валах 0, A, B, C, X установлены зубчатые колëса и элементы управления режимами КП (подробнее см. ниже по тексту конкретные примеры КП-I по фиг. 1 и КП-II по фиг. 4), с возможностью выборочного их включения в работу для однопоточной передачи мощности с вала 0 выборочно напрямую через вал A или вал B на вал C и далее на вал X.

Конфигурация совокупности осей валов в поперечном сечении коробки передач выполнена в общем случае криволинейной, более того – фигурной.

Дальнейшее описание устройства касается частных (то есть не обязательных, но рекомендуемых) конструктивных особенностей заявляемой КП.

Выходной вал X может не являться смежным по отношению к входному валу 0.

КП может быть выполнена как с крестообразной, иначе (с использованием стандартных символов в программном обеспечении персональных компьютеров) †-образной (см. фиг. 2) конфигурацией совокупности осей всех валов в поперечном сечении коробки передач, так и с иными конфигурациями (в зависимости от конкретных задач компоновки и/или агрегатирования при конструировании КП).

К «иным» конфигурациям («фигурам») относятся, согласно заявляемому изобретению, следующие (см. таблицу конфигураций – табл. 1 в порядке следования изображений в ней): линейная («плоскостная»); Г-образная; П-образная; зигзагообразная (например Z- или зеркально-Z-образная); P –образная (например d –образная, b-образная, q-образная, м-образная).

При любой из перечисленных выше совокупностей существенных конструктивных признаков (в том числе и конфигураций), упомянутые элементы управления могут быть выполнены либо в виде дисковых фрикционных муфт c₀₁, c₀₂, c_a1, c_a2, c_b1, c_b2, c_c1, c_c2 с гидравлическим включением и одной зубчатой муфтой МЗ₁ (конкретно пример КП-I, см. фиг. 1), либо все упомянутые элементы управления могут быть выполнены в виде дисковых фрикционных муфт, перечисленных выше в данном абзаце плюс фрикционная муфта c_a3, на замену зубчатой муфте МЗ₁ (конкретно пример КП-II, см. фиг. 4).

Рассмотрим конкретные возможные схемы КП.

Частный случай (пример) – КП-I (см. фиг. 1, где схема условно развернута в плоскости), как реализация 24 режимов (передач), включая 16 режимов (передач) переднего хода и 8 режимов (передач) заднего хода при использовании на заднем ходу зубчатой муфты. Имеет 8 фрикционных элементов управления (ФЭУ), четыре степени свободы. В то же время, при построении алгоритмов переключения на смежный режим (передачу) можно использовать только два ФЭУ, оставляя третий включенным (табл. 1).

Распределение ФЭУ и зубчатых колëс (далее просто «колëс», установлены на шлицах) по валам КП-I следующее (слева направо):

на входном валу 0 – колëса 1 и 2 с ФЭУ с₀₁ и с₀₂ соответственно при них;

на валу А – колëса 3, 4, 5, 6 с ФЭУ c_a1, c_a2, соответственно при колëсах 3 и 6;

на валу B – колëса 7, 8, 9, 10 с ФЭУ c_b1, c_b2, соответственно при колëсах 7 и 10;

на валу C – колëса 11, 12, 13, 14, 15, 16 с ФЭУ c_c1, c_c2, соответственно при колëсах 13 и 14, а также зубчатая муфта МЗ₁ между колесом 12 и ФЭУ c_c1 (колесом 13); на валу X – колëса 17, 18, 19, причëм колесо 17 связано с зубчатой муфтой МЗ₁, обеспечивая возможность реверса.

На фиг. 2 и 3 показаны возможные конфигурации (К1-К11) схемы по фиг. 1 в пространстве.

«Приоритетная» крестообразная конфигурация К1 (см. фиг. 2) характеризуется укороченным осевым размером КП при незначительном увеличении поперечного габарита и поперечной симметрии.

Линейная конфигурация К2 (см. фиг. 3 здесь и далее в обсуждении конфигураций) «крайний» в геометрическом плане частный случай изобретения, максимально приближенный к классической «плоскостной» схеме, по которой выполнена большая часть вальных КП, соответственно, с сохранением их достоинств.

Таблица 1.

Использование ФЭУ для КП-I (см. фиг. 1)

Г-образная конфигурация позволяет «вписать» КП в «угол» удлиненной силовой установки и моторно-трансмиссионного отделения – МТО.

Конфигурация в виде равностороннего уголка позволяет «вписать» КП в «угол» укороченной силовой установки и МТО.

П-образная конфигурация позволяет, в частности, скомпоновать КП с др. агрегатом с его боковым охватом, возможно сохранив соосность валов B и X с валом этого агрегата, или обеспечить смещение вала X относительно вала 0.

Зигзагообразная конфигурация (например Z или зеркальная ей) может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двумя другими устройствами.

Р-образной конфигурация (см. выше про d-, b-, q-, м-конфигурации) может оказаться рациональным в плотной компоновке МТО и/или агрегатировании с двигателем, силовой установкой или др. устройствами машины в соответствующей ситуации.

Достоинства схемы КП-I:

- минимальное число дисковых ФЭУ;

- короткие жесткие валы;

- компактность в первую очередь в осевом направлении.

Отказ от зубчатой муфты МЗ₁ приводит к предложению не заменять ее на дисковый ФЭУ в схеме по фиг. 1, но пересмотреть саму кинематическую схему КП.

Частный случай (пример) – КП-II (см. фиг. 4), конструктивно отличающийся от КП-I, главным образом, отказом от зубчатой муфты (МЗ), то есть переходом на все ФЭУ (здесь их девять). Функционально – также обеспечивает 16 режимов (передач) переднего хода и восемь режимов (передач) заднего хода.

Распределение ФЭУ и зубчатых колëс (далее просто «колëс») по валам КП-II следующее (слева направо):

на входном валу 0 – колëса 1, 2 и 3 (на шлицах) с ФЭУ с₀₁, с₀₂ и с₀₃ при них соответственно, а также паразитные (на подшипниках) 22 и 24;

на валу А – колëса 4, 5, 6, 7 и 8 (на шлицах) с ФЭУ и c_a1 и c_a2, соответственно при колëсах 4 и 8, а также паразитные (на подшипниках) 23 и 25;

на валу B – колëса 9, 10, 11, 12, 13 (на шлицах) с ФЭУ c_b1, c_b2, соответственно при колëсах 9 и 13;

на валу C – колëса 14, 15, 16, 17, 18, 19 (на шлицах) с ФЭУ c_c1, c_c2, соответственно при колëсах 16 и 17;

на валу X – колëса 20, 21.

Колëса 22 и 23 обеспечивают передачу мощности с колеса 9 на колесо 15, а колëса 24 и 25 обеспечивают передачу мощности с колеса 13 на колесо 18.

Алгоритм переключения передач можно строить по тем же принципам, что и для КП-I (табл. 2).

Конфигурация в пространстве также соответствует частным случаям К1-К11 на фиг. 2, 3.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Мощность, поступающая извне на входной вал 0, передается неделимым потоком далее по КП, в зависимости от состояния (включен/выключен) элементов управления, на выходной вал X.

Определенный режим (передача) в КП-I (см. фиг. 1) определяется включением трех соответствующих муфт (например, на первом режиме – с_01, c_a1, c_c1). Условия получения любого из 24 режимов понятны из табл. 1.

Тот же подход и в отношении КП-II (см. фиг. 4 и табл. 2).

Таблица 2.

Использование ФЭУ для схемы КП-II (см. фиг. 4)

При этом муфты с₀₁, с₀₂ и с₀₃ , находясь на входном валу 0 КП-II в относительно большом количестве (из общего числа муфт), работают в наиболее благоприятных условиях в части крутящих моментов, что определяет дополнительные преимущества такой схемы.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет расширить габаритные и компоновочные возможности КП за счет многовариантности выбора конфигурации совокупности осей всех валов в поперечном сечении КП («фигурности под смежный агрегат или агрегаты»), сообразно компоновке и/или агрегатированию моторно-трансмиссионного отделения и машины в целом. Последний технический результат особенно важен с позиций совместного монтажа (и, особенно, агрегатирования) КП с двигателем. А это определяет улучшение технико-эксплуатационных показателей.

Целесообразность присвоения устройству названия «Конфигурация-24» обусловлена, во-первых, значимостью этого названия (привязкой к конструктивным особенностям), а во-вторых, различимостью (идентификацией) в линейке (спектре, семействе) запланированных конструктивных решений тракторных КП.