Модульная планетарная коробка передач

Модульная планетарная коробка передач

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам ступенчатого переключения скоростей, и может использоваться для построения коробок передач в станкостроении, а также в транспортном машиностроении, преимущественно для автомобилей, большую часть времени работающих на пониженных передачах. Среди грузовой техники это тракторы, тягачи, грузовики - вездеходы, а среди пассажирской техники это автобусы или легковые автомобили, предназначенные для работы в городских условиях.

Известно, что «идеальная» коробка передач для автомобиля - это трансмиссия с непрерывно изменяющимся передаточным отношением, и приблизиться к этой «идеальной» трансмиссии можно, увеличивая количество передач в коробке с одновременным уменьшением шага между ступенями. В то же время число скоростей в коробке передач почти напрямую связано с числом передаточных ступеней и элементов переключения, поэтому увеличение количества передач вступает в противоречие с такими требованиями, как простота конструкции и экономичность.

В настоящее время широко используются четырехскоростные коробки передач, построенные на 2 планетарных рядах с пятью и более элементами управления (см. Нагайцев М.В., Харитонов С.А., Юдин Е.Г. Автоматические коробки передач современных легковых автомобилей. М.: Легион-Автодата, 2003, стр.23-30).

Дальнейшее увеличение числа передач потребовало увеличения числа планетарных рядов и элементов управления. В патенте US 4046031 описана восьмискоростная коробка передач на четырех планетарных рядах с восемью управляемыми элементами переключения. В последние годы практически одновременно во всех крупных автомобильных фирмах появились разработки, которые обеспечивали на трех планетарных рядах шесть и более скоростей вперед. Так, например, коробка передач фирмы ZF Friedrichshafen (US 6572507) с помощью трех тормозов и двух блокировочных муфт обеспечивает шесть скоростей переднего и одну скорость заднего хода. В патенте US 6083135 фирмы Ford Global Technologies описана коробка передач, обеспечивающая на трех модулях и 7 переключающих элементах 6 или 7 скоростей вперед и несколько скоростей назад. Коробка передач по патенту US 6752739 позволяет получить на трех модулях и шести элементах переключения 7 скоростей вперед, а в патенте US 6634980 для увеличения числа скоростей до 10 увеличивают число планетарных рядов до 4. Таким образом, увеличение числа передач в коробках требует увеличения числа планетарных рядов и управляемых элементов переключения, что усложняет коробку и увеличивает ее габариты.

Патент ЕР 0102136 решает задачу получения большого количества передач на сравнительно небольшом числе передающих понижающих модулей. Модуль имеет два передаточных отношения, и ряд передач на ведомом валу получают, используя метод перебора этих отношений у включенных последовательно модулей (метод двоичной логики). В качестве модуля используется понижающий планетарный ряд с двумя или более центральными колесами и соответственно с одновенцовыми или многовенцовыми сателлитами на одном водиле. Разные передаточные отношения в модуле обеспечиваются переключателями, которые в одном из положений блокируют планетарный ряд, обеспечивая передачу без изменения скорости, а в другом положении соединяют с корпусом промежуточное звено планетарного модуля, обеспечивая передаточное отношение больше 1, т.е. модуль понижает скорость вращения.

Элементами переключения передач в разных схемах являются либо двухпозиционная дисковая муфта, либо тормоз и блокировочная муфта. В модуле на фиг.14 этого патента вместо тормоза используют муфту свободного хода, время включения которой значительно меньше, чем время срабатывания ленточного или дискового тормоза, и которая срабатывает автоматически и не требует привода управления. Для этого муфта свободного хода включена между промежуточным звеном - большим центральным колесом планетарного ряда и корпусом. Переключение множества соединенных последовательно модулей дает на ведомом валу коробки передач 2ⁿ передач, где n - число модулей. Коробка позволяет на трех планетарных рядах, трех управляемых блокировочных муфтах и трех муфтах свободного хода получать до 8 передач. Указанную коробку передач принимаем за прототип.

В прототипе управляемым элементом переключения является блокировочная муфта, которая соединяет между собой два вращающихся звена. Соответственно и привод управления муфтой должен быть вращающимся, что усложняет и удорожает систему управления в целом, так как в гидравлической системе управления приходится решать несколько сложных технических задач, а именно задачу предотвращения самопроизвольного срабатывания муфты под действием центробежной силы, а также задачу подачи жидкости во вращающийся бустер.

Таким образом, задачей изобретения является создание многоскоростной коробки передач на наименьшем количестве планетарных рядов с использованием минимального числа управляемых элементов управления.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в упрощении системы управления коробкой передач. В отдельных вариантах конструкции предлагаемой коробки передач достигается уменьшение расхода и давления в гидравлической системе управления при прочих равных условиях.

Дополнительный технический результат заключается в повышении КПД коробки передач на низших передачах, что важно для тяжелой техники, большую часть времени работающей при повышенных моментах.

Для решения задачи коробка передач, как и прототип, основана на методе перебора передаточных отношений соединенных последовательно планетарных модулей. Перебор передаточных отношений осуществляется с помощью управляемых элементов переключения передач и муфт свободного хода, которыми снабжен каждый планетарный модуль. В отличие от прототипа все планетарные модули выполнены повышающими, управляемые элементы переключения передач выполнены в виде тормозов, а муфты свободного хода включены между входным и выходным звеньями планетарного модуля.

Таким образом, коробка передач ступенчато повышает скорость вращения. Для получения ряда понижающих передач между двигателем и коробкой передач включена дополнительная понижающая передача с передаточным отношением, равным требуемому передаточному отношению низшей передачи. При использовании предлагаемой передачи с низкооборотными двигателями возможно включение понижающей передачи и после коробки передач. Кроме того, в некоторых типах автомобилей двигатель расположен параллельно коробке передач, и вращение на вал коробки передается с помощью зубчатой или шкивоременной передачи. В таких схемах в качестве дополнительной передачи может служить эта существующая передача, только необходимо ее выполнить понижающей с соответствующим передаточным отношением.

Таким образом, в предлагаемой коробке передач из управляемых элементов переключения остается только по одному тормозу на каждый модуль. Очевидно, что система управления тормозом гораздо проще, чем система управления блокировочной муфтой по той причине, что в тормозе одно из соединяемых звеньев - неподвижно. Система управления тормозом представляет собой неподвижный привод, который технически гораздо проще реализовать, чем вращающийся привод, как это имеет место в блокировочной муфте.

Если управляемый тормоз выполнить ленточным, то не только еще более упрощается система управления, но и снижается расход и давление жидкости в гидравлической системе управления.

На фиг.1 и 2 представлены принципиальные схемы восьмискоростной коробки передач для автомобиля с одной задней скоростью, реализованные на различных планетарных модулях.

В коробке передач на фиг.1 все три планетарных модуля I, II и III выполнены по одной схеме. Каждый модуль представляет собой планетарную повышающую передачу с двумя солнечными центральными колесами, находящимися в зацеплении с двухвенцовым сателлитом. Центральные солнечные колеса обозначены цифрами 1 и 2 в первом модуле, 3 и 4 - во втором, 5 и 6 - в третьем. Центральные колеса в каждом модуле являются входным и выходным звеном. Все модули соединены последовательно, т.е. выходное колесо 2 первого модуля соединено с входным колесом 3 второго и т.д. Центральное колесо 1 первого модуля соединено с ведущим валом 7 коробки передач, а выходное центральное колесо 6 последнего модуля связано с ведомым валом 8 коробки передач. Водила 9, 10 и 11 каждого модуля снабжены тормозами 12, 13 и 14. На фиг.1 тормоза выполнены ленточными. Ленточный тормоз по сравнению с фрикционной дисковой муфтой имеет более простую конструкцию и предъявляет более низкие требования к давлению и расходу жидкости в гидравлической системе управления. Входные и выходные звенья в каждом модуле связаны друг с другом муфтами свободного хода. В первом модуле это муфта 15, включенная между колесом 1 и колесом 2. Во втором модуле аналогично включена муфта свободного хода 16 и в третьем модуле - муфта 17.

Для обеспечения заднего хода первый модуль снабжен дополнительным центральным колесом внутреннего зацепления 18 и дополнительной двухпозиционной блокировочной дисковой муфтой 19. Муфта 19 в разных позициях соединяет с входным звеном 3 второго модуля либо солнечное колесо 2, либо коронное колесо 18 первого модуля. Цифрами 20 и 21, 22 и 23, 24 и 25 обозначены соответственно венцы сателлитов первого, второго и третьего модулей.

На входе коробки передач включена понижающая передача 26, на данном рисунке представленная простой зубчатой передачей. Цифрами 27 и 28 обозначены двигатель и сцепление.

Коробка передач на фиг.2 отличается выполнением тормозов 12, 13 и 14 в виде фрикционных дисковых муфт и схемой третьего модуля, который имеет более простую конструкцию. Последний модуль состоит из солнечного 5 и коронного 29 центральных колес и одновенцового сателлита 30 на водиле 11. Здесь тормозная дисковая муфта 14 соединяет с корпусом солнечное центральное колесо 5, а муфта свободного хода 31 соединяет водило 11 и коронное колесо 29, являющиеся входным и выходным звеньями планетарного модуля. Ведомый вал 8 коробки передач связан с выходным коронным колесом 29. Все остальные элементы на фиг.2 обозначены так же, как и на фиг.1.

Работает предлагаемая коробка передач следующим образом.

Рассмотрим работу в режиме прямого хода, когда муфта 19 соединяет с входом следующего модуля колесо 2. При включенном тормозе 12 водило 9 первого модуля неподвижно, и он работает как простая зубчатая передача с параллельными валами. Передаточное отношение u модуля определяется как u=z₂·z₂₀/z₁·z₂₁ и равно внутреннему передаточному отношению планетарного модуля (z с соответствующим индексом обозначает число зубьев соответствующего колеса). Для того, чтобы модуль имел передаточное отношение меньше 1, т.е. обеспечивал повышение скорости вращения, произведение z₁·z₂₁ должно быть больше, чем z₂·z₂₀. Поскольку модуль повышающий, то выходное колесо 2 вращается быстрее, чем колесо 1. При этом муфта свободного хода 15, включенная между колесами 1 и 2, выключена. При отключении тормоза 12 водило 9 начнет вращаться в том же направлении, что и ведущее колесо 1, и связь между колесами 1 и 2 через цепочку колес 20 и 21 прервется. Колесо 2 под действием нагрузки начнет затормаживаться, и как только его скорость сравняется со скоростью колеса 1 и начнет уменьшаться далее, сработает муфта свободного хода 15, заблокировав колеса 1 и 2. Вращение на входное звено второго модуля будет передаваться без изменения скорости. Таким образом, в зависимости от включения или выключения тормоза 12 модуль имеет два передаточных отношения, одно из которых равно 1. Здесь следует отметить, что использовать свойство обгонной муфты для блокировки модуля возможно только в повышающем модуле.

Аналогично работают и остальные модули, обеспечивая также по два передаточных отношения. В результате, включая или выключая тормоза 12, 13 и 14 в разных комбинациях, мы получим восемь передаточных отношений. В коробке передач, приведенной в конкретном примере, внутреннее передаточное отношение первого модуля составляет 0,36, второго 0,6, и третьего 0,77. Такие передаточные отношения выбраны для того, чтобы обеспечить необходимый диапазон и шаг между передачами для легкового автомобиля. Положение тормозов и соответствующее передаточное отношение коробки передач представлены в таблице 1.

Таблица 1.
Передаточное отношение	Тормоз 12	Тормоз 13	Тормоз 14	Общее передаточное отношение
0,17	включен	включен	включен	0,78
0,22	включен	включен	выключен	1
0,28	включен	выключен	включен	1,29
0,36	включен	выключен	выключен	1,66
0,47	выключен	включен	включен	2,15
0,6	выключен	включен	выключен	2,77
0,77	выключен	выключен	включен	3,57
1	выключен	выключен	выключен	4,6

Очевидно, что все передачи в коробке передач повышающие. Для получения понижения скорости необходимо понизить скорость на входе или выходе коробки передач. В приведенном примере для этого служит дополнительная передача 26 с передаточным отношением 4,6. Общее передаточное отношение передачи 26 и коробки передач приведено в последнем столбце таблицы 1. Как видим, получен ряд передач с одной повышающей и семью понижающими передачами, с диапазоном и шагом передач, удовлетворяющим требованиям к коробке передач для легкового автомобиля.

Для получения заднего хода муфта 19 переводится в положение, соединяющее дополнительное колесо внутреннего зацепления 18 с входом второго модуля. В предлагаемой коробке передаточное отношение заднего хода составляет 7. Следует отметить, что дополнительное колесо заднего хода может быть расположено в любом из модулей, при этом будет меняться только передаточное отношение заднего хода.

Для описания работы коробки передач на фиг.2 рассмотрим работу последнего модуля. Первые два планетарных модуля в этой коробке работают точно так же, как и в предыдущей. Входным звеном последнего модуля является водило 11, а выходным - колесо внутреннего зацепления 29. При включенном тормозе 14 солнечное колесо 5 неподвижно, и вращение от водила 11 передается к колесу 29 с передаточным отношением u=z₂₉/z₅+z₂₉. Муфта свободного хода 31 в это время разблокирована, так как скорость вращения колеса 29 больше скорости водила 11 (модуль повышающий). При выключении тормоза 14 ведущее водило начинает вращать солнечное колесо 5. Колесо 29 под действием нагрузки тормозится, и после того, как его скорость становится меньше скорости водила 11, муфта 31 блокирует водило 11 и колесо 29 (ведущее и ведомое звенья планетарного модуля), и на выходной вал 8 вращение передается с неизменной скоростью. В коробке передач с указанными выше передаточными отношениями ступеней по такой упрощенной схеме может быть выполнен только последний модуль. Это обусловлено тем, что повышающий модуль с одновенцовым сателлитом имеет ограничения по передаточному отношению, которое не может быть меньше 0,75.

В таблицах 2 и 3 приведены расчетные значения КПД на разных передачах для схем на фиг.1 и фиг.2. При расчете КПД зубчатой понижающей передачи принимался равным 0,98, а КПД каждого повышающего модуля в первой схеме принимался равным 0,96 (как КПД двух пар внешнего зацепления).

Во второй схеме КПД первых двух повышающих модулей равен 0,96, а КПД последнего повышающего модуля составляет 0,956.

Таблица 2
Передача	1	2	3	4	5	6	7	8
Передаточное число	4,6	3,57	2,77	2,15	1,66	1,29	1	0,78
Расчетный КПД	0,98	0,94	0,94	0,90	0,94	0,90	0,90	0,86

Таблица 3
Передача	1	2	3	4	5	6	7	8
Передаточное число	4,6	3,57	2,77	2,15	1,66	1,29	1	0,78
Расчетный КПД	0,98	0,94	0,94	0,90	0,94	0,90	0,90	0,87

Как видно из таблиц, максимальный КПД имеет низшая передача, а минимальный - высшая передача. Таким образом, коробка передач наиболее экономична для автомобилей, которые большую часть времени ездят на более низких передачах. Это городской автомобиль и автобус, а также тяжелая техника, такая как трактор, карьерный самосвал, бульдозер и т.п.

Выше в качестве примера рассмотрены две схемы коробки передач автомобиля. Аналогично могут быть построены коробки скоростей для станков. В качестве планетарного модуля могут быть использованы и другие повышающие планетарные схемы, конкретный вид которых будет зависеть от требуемого диапазона переключения передач в коробке и от требуемых скоростей на каждой передаче.

1. Модульная планетарная коробка передач, основанная на методе перебора передаточных отношений соединенных последовательно планетарных модулей, в которой перебор осуществляется с помощью набора управляемых элементов переключения передач и муфт свободного хода в каждом планетарном модуле, отличающаяся тем, что все планетарные модули выполнены повышающими, управляемые элементы переключения в каждом модуле выполнены в виде тормозов, а муфта свободного хода в каждом планетарном модуле включена между его входным и выходным звеньями.

2. Модульная коробка передач по п.1, отличающаяся тем, что управляемый тормоз выполнен ленточным.

3. Модульная коробка передач по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что коробка на входе или выходе снабжена дополнительной понижающей передачей с передаточным отношением, равным требуемому передаточному числу низшей передачи.