Коробка передач

 

Использование: транспортное машиностроение, трансмиссии транспортных средств, в частности, автомобилей. Цель - повышение коэффициента загруженности двигателя при изменяющейся внешней нагрузке за счет возрастания числа передач при одновременном сближении передаточных отношений между соседними передачами и сокращения времени разрыва потока мощности. Сущность изобретения: ведущий и ведомые валы коробки передач выполнены в виде дисков. Зубчатые колеса - в виде цилиндрообразных колец с венцами по внутреннему и наружному диаметрам. Зубчатые колеса установлены концентрично одно относительно другого на торцах дисков-валов посредством опорных элементов и с возможностью свободного вращения каждого относительно своего диска. Совокупность зубчатых колес ведущего диска установлена с эксцентриситетом относительно совокупности зубчатых колес ведомого диска. Переключение передач осуществляется путем управляемой блокировки колес, соответствующих нужной передаче, относительно своих дисков. Положительный эффект: характеристики механической ступенчатой коробки передач максимально приближены к бесступенчатой трансмиссии. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Предложенное изобретение относится к транспортному машиностроению и предназначено для использования в трансмиссиях транспортных средств, в частности, автомобилей.

Известны решения задачи повышения экономичности транспортных средств за счет более полной загрузки двигателя на любых режимах работы. Эта задача, в частности, решается путем создания более гибких систем трансмиссии, разработкой различных по структурным схемам и принципам работы коробок передач, позволяющих регулировать загруженность двигателя в зависимости от постоянно меняющихся внешних нагрузок.

Известно решение коробки передач, эффективность которой повышена за счет увеличения числа передач и возможности переключения передач без разрыва потока мощности (авт.св. N 1131685, 1984). Конструкция коробки содержит два концентрично расположенных первичных вала с приводом от двух сцеплений. На одном из этих валов установлен блок шестерен, которые находятся в зацеплении с шестернями промежуточного вала, снабженными двухсторонней муфтой для соединения их с этим валом. Кроме этого на промежуточном валу свободно установлены три блока шестерен. Крайние из них снабжены муфтами для сцепления их с валом и находятся в зацеплении с блоками шестерен вторичного вала, которые также снабжены муфтами для соединения их со своим валом. Средний блок шестерен промежуточного вала снабжен муфтами для соединения его с крайними блоками и находится в постоянном зацеплении с блоками шестерен второго первичного вала, которые также соединяются со своим валом посредством двухсторонней муфты. Для передачи потока мощности от двигателя к вторичному валу в такой конструкции могут быть образованы две кинематические цепи, и для того, чтобы осуществить переключение передач без разрыва потока мощности, необходимо во время работы одной кинематической цепи от одного из сцеплений и одного из первичных валов подключить вторую кинематическую цепь к вторичному валу от другого сцепления и другого первичного вала, а затем плавным переключением с перекрытием сцеплений произвести смену ступеней.

Решение задачи увеличения числа передач и исключения разрыва потока мощности наращиванием количества шестерен и введением многопозиционных муфт ведет к увеличению массогабаритных показателей и усложнению конструкции.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является коробка передач, содержащая ведущий вал, на котором установлены концентричные зубчатые колеса с наружными и внутренними венцами. Последние вводятся в зацепление с внутренними и наружными венцами других концентричных зубчатых колес, установленных с эксцентриситетом и имеющих возможность осевого перемещения посредством управляющих движков.

Недостатком прототипа является ограниченное количество передач и имеющий место при переключении передач разрыв потока мощности.

Цель изобретения - повышение коэффициента загруженности двигателя при изменяющейся внешней нагрузке за счет возрастания числа передач при одновременном сближении передаточных отношений между соседними передачами и сокращения времени разрыва потока мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в коробке передач, содержащей корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, установленные на каждом из них концентричные цилиндрообразные кольца, по внутренним и наружным поверхностям которых выполнены элементы зацепления, причем ось вращения ведущего вала размещена со смещением относительно оси вращения ведомого вала таким образом, что внутренние и наружные элементы зацепления колец ведущего вала находятся во взаимодействии соответственно с наружными и внутренними элементами зацепления колец ведомого вала, ведущий и ведомый валы выполнены в виде разнесенных, обращенных друг к другу торцами дисков, которые снабжены концентричными элементами для установки цилиндрообразных колец, последние установлены посредством этих элементов с возможностью вращения относительно дисков и таким образом, что элементы зацепления размещены между дисками, при этом коробка передач снабжена системой управления блокированием каждого из колец относительно соответствующего диска со средствами блокирования, связанными с частью каждого кольца, размещенной в элементах его установки.

Коробка передач может быть снабжена по меньшей мере еще одним дополнительным диском с цилиндрообразными кольцами, который аналогичен ведомому диску, ось вращения дополнительного диска размещена со смещением относительно оси вращения ведомого диска, последний выполнен с концентричными элементами и с установленными посредством этих элементов цилиндрообразными кольцами на другом торце, а элементы зацепления колец дополнительного диска находятся во взаимодействии с соответствующими элементами зацепления упомянутых колец ведомого диска.

В частном случае концентричные элементы для установки цилиндрообразных колец выполнены в виде кольцевых проточек на торцах дисков, каждое кольцо выполнено с элементами зацепления в виде зубчатых венцов, смещенных к одному его концу и с гильзообразной ступицей, расположенной в проточке, а каждое из средств блокирования выполнено в виде закрепленного на поверхности гильзообразной ступицы пьезокерамического кольцевого вкладыша и установленного с возможностью взаимодействия с этим вкладышем в кольцевой проточке с изоляцией относительно тела диска кольцевого электрода, связанного с системой управления блокированием.

Одновременное блокирование двух колец, одно из которых установлено на ведущем, а второе на ведомом дисках, является включением передачи.

Выполнение валов в виде разнесенных обращенных друг к другу торцами дисков и размещение колец с элементами зацепления на торцах этих дисков позволяет использовать в конструкции большее количество этих колец, незначительно отличающихся друг от друга по диаметру. Этим достигается минимальная разница передаточного числа между ступенями. Поскольку кольца между торцами дисков находятся в постоянном последовательном зацеплении, а относительно тела диска каждое кольцо имеет возможность свободного вращения и автономного блокирования, переключение передач возможно в любой последовательности, так как передача крутящего момента возможна с ведущего вала на любое его кольцо, а через элементы зацепления на любое кольцо ведомого вала.

Введение в конструкцию дополнительных дисков значительно увеличивает количество передач и одновременно максимально сближает передаточные отношения между передачами. Общий передаточный диапазон коробок передач в этом случае будет равен произведению передаточных диапазонов всех кинематических цепей, каждая из которых образована торцами двух рядом установленных дисков и кольцами с элементами зацепления, размещенными в пространстве между этими дисками. Общее количество передач такой коробки также будет равно произведению максимального числа передач таких кинематических цепей. При таком исполнении первая кинематическая цепь (или несколько первых цепей) будет выступать в коробке передач в роли сложного многоступенчатого делителя, от каждой ступени которого можно получить свой ряд передач для последующих кинематических цепей. В результате того, что общее количество передач увеличивается значительно быстрее, чем происходит рост максимального передаточного диапазона коробки передач, при введении в ее конструкцию дополнительных дисков и дополнительных кинематических цепей между ними происходит еще большее сближение минимального интервала в передаточном отношении между соседними передачами, т. е. происходит уплотнение передаточного диапазона коробки передач путем значительного увеличения числа передач в этом диапазоне.

На фиг. 1 изображена коробка передач, общий вид в разрезе; на фиг.2 - ступенчатый разрез А-А на фиг,1; на фиг.3 - узел блокировки (фрагмент 1 на фиг. 1 в увеличенном масштабе); на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - схема.

Коробка передач состоит из ведущего вала 1 и ведомого вала 2, установленных в корпусе 3 на подшипниках 4 и 5 со смещением Е между их параллельными осями вращения. Указанные валы 1 и 2 выполнены в виде двух установленных параллельно дисков. На обращенных друг к другу плоскостях 6 и 7 дисков 1 и 2 выбраны кольцевые концентричные проточки 8, выполняющие функцию опорных элементов для установки цилиндрообразных колец 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15. Указанные кольца снабжены внутренними и наружными зубчатыми венцами (кольцо 9 имеет наружный зубчатый венец, кольцо 15 - внутренний зубчатый венец, остальные кольца снабжены как внутренними, так и наружными венцами), которые смещены по образующей цилиндра к одному его торцу (вершине). Свободным торцом (основанием) каждое кольцо установлено в соответствующей своему диаметру кольцевой проточке 8, так что зубчатые венцы всех колец оказываются размещенными в пространстве между параллельными плоскостями 6 и 7 дисков 1 и 2. Благодаря установке дисков со смещением Е все зубчатые венцы колец находятся в непрерывном зацеплении и образуют цепь, в которой наружный венец одного кольца находится в зацеплении с внутренним венцом кольца, установленного на другом диске, т.е. установленного со смещением, наружный венец которого в свою очередь входит в зацепление с внутренним венцом следующего кольца в секторе, диаметрально противолежащем предыдущему сектору зацепления. А именно: кольцо 9 своим наружным венцом находится в зацеплении с внутренним венцом кольца 10; наружный венец кольца 10 в секторе, диаметрально противолежащем, находится в зацеплении с внутренним венцом кольца 11; наружный венец кольца 11 в секторе, диаметрально противолежащем предыдущему зацеплению, находится в зацеплении с внутренним венцом кольца 12; наружный венец кольца 12 - аналогично с внутренним венцом кольца 13; наружный венец кольца 13 - с внутренним венцом кольца 14; наружный венец кольца 14 - с внутренним венцом кольца 15, т.е. все зубчатые венцы находятся в постоянном последовательном внутреннем зацеплении, образуя цепь с различными угловыми скоростями вращения цилиндрообразных колец.

Образованная таким образом цепь в пространстве между плоскостями 6 и 7 дисков 1 и 2 размещена в распор за счет того, что каждое кольцо установлено свободно в соответствующей кольцевой проточке 8, опирается основанием кольца на радиально-упорный подшипник 16, а вершиной через упорный подшипник 17 упирается в диаметральную плоскость противолежащего диска. Основание каждого кольца выполнено в виде гильзообразной ступицы, установлено в кольцевой проточке 8 с зазором и снабжено средством блокирования этого кольца относительно тела диска, включающим закрепленный по внутреннему диаметру основания кольца с помощью глухой посадки кольцевой вкладыш 18 из пьезокерамики (например, марки ЦТБС-3) и размещенный на внутренней поверхности проточки 8 со стороны вкладыша 18 через изолятор 19 электрод 20, электрически связанный через проводник 21 с кольцевой контактной поверхностью 22. Целесообразно изолятор 19 изготовить из пьезоэлектрической керамики, а электрод 20 выполнить напылением токопроводящего материала на пьезокерамику. Через проводник 21, кольцевую поверхность 22 и через контактный узел, включающий контактный шарик 23, подпружиненный к контактной поверхности 22 элементом 24, одновременно являющимся токопроводящим, а также через узел 25 управления подачей напряжения на электроды, состоящий, например, из двух ползунковых контактов, замыкающих проводники электродов той или другой ступени на источник напряжения, электрод 20 средства блокирования каждого кольца связан с источником 26 высокого напряжения. В итоге в предлагаемом варианте электрод средства блокирования кольца 9 замыкается на клемму 27, кольца 10 - на клемму 28, кольца 11 - на клемму 29, кольца 12 - на клемму 30, кольца 13 - на клемму 31, кольца 14 - на клемму 32, кольца 15 - на клемму 33. Контактные кольцевые поверхности 22 нанесены через изоляцию на обратную по отношению к опорным элементам сторону диска и представляют собой концентричные окружности, повторяющие проекцию этих элементов.

Коробка передач, снабженная дополнительным диском, содержит ведущий диск 1 и параллельно установленные ему ведущий диск 2 и дополнительный диск 2'. Указанные диски установлены в корпусе 3 посредством подшипниковых узлов 34, 35 и 36. Ось вращения ведомого диска 2 смещена относительно оси вращения ведущего диска 1, а ось вращения дополнительного диска 2' смещена относительно оси вращения ведомого диска 2. Обе диаметральные плоскости ведомого диска 2 снабжены концентричными опорными элементами 8 для установки цилиндрообразных колец, так как обе плоскости являются обращенными к диаметральным плоскостям рядом лежащих дисков: ведущего 1 и дополнительного 2'. Аналогичные опорные элементы размещены на диаметральной плоскости ведущего вала 1, обращенной к ведомому валу 2, и на диаметральной плоскости дополнительного вала 2', обращенной к ведомому валу 2. В промежутках между этими плоскостями дисков размещены цепи постоянно взаимодействующих зубчатых венцов колец: между ведущим диском 1 и ведомым диском 2 - цепь из зубчатых венцов колец 37-47, между ведомым диском 2 и дополнительным диском 2' - цепь из зубчатых венцов колец 48-57. При этом кольца 37, 39, 41, 43, 45 и 47 установлены в опорных элементах ведущего диска 1, кольца 38, 40, 42, 44 и 46 - в опорных элементах на плоскости ведомого диска 2, обращенной к ведущему диску 1, кольца 48, 50, 52, 54 и 56 - в опорных элементах на плоскости ведомого диска 2, обращенной к плоскости дополнительного диска 2', а кольца 49, 51, 53, 55 и 57 - в опорных элементах на плоскости дополнительного диска 2', обращенной к плоскости ведомого диска 2. Все кольца установлены в опорных элементах с возможностью свободного вращения и снабжены средствами блокирования каждого кольца относительно своего диска, связанными электрическими связями 58 через систему управления подключения электродов к источнику высокого напряжения (на чертеже не показан).

Коробка передач работает следующим образом.

Крутящий момент от двигателя подается на ведущий диск 1 и приводит его во вращение. При этом все кольца находятся в свободном состоянии (нейтральная передача), и крутящий момент не передается на ведомый вал.

Включение первой передачи. При установке ползунковых контактов узла 25 на клеммы 27 и 32 через соответствующие электрические проводники, элементы 24, контактные шарики 23, контактные поверхности 22, проводники 21 подается напряжение на электроды 20 средств блокирования колец 9 и 14. Между ступицей и электродом каждого из этих колец возникает сильное электрическое поле, под воздействием которого пьезокерамический вкладыш 18 деформируется в радиальном направлении, т.е. увеличивается его наружный диаметр (за счет возникновения обратного пьезоэффекта и правильной поляризации пьезокерамики). За счет усилий, возникающих при увеличении радиальных размеров, происходит давление на внутреннюю цилиндрическую поверхность тонкостенной ступицы кольца, деформирующее последнюю в радиальном направлении и выбирающее зазор между поверхностями ступицы и диска, который меньше величины, определяемой упругой деформацией материала ступицы. Происходит блокировка кольца и диска путем их фрикционного сцепления. Таким образом, крутящий момент с диска 1 через средство блокирования кольца 9 передается на зубчатый наружный венец этого кольца, а так как все зубчатые венцы колец находятся в постоянном последовательном зацеплении, то крутящий момент передается на все кольца (10, 11, 12, 13, 14 и 15), приводя их во вращение, и при одновременном блокировании с кольцом 9 кольца 14 относительно тела диска 2, крутящий момент передается на этот ведомый диск. Осуществляется первая передача, кинематическую цепь которой можно описать следующим образом: ведущий диск 1 - средство блокирования ступицы кольца 9 - зубчатый венец кольца 9 - зубчатые венцы колец 10, 11, 12 и 13 - зубчатый венец кольца 14 - средство блокирования ступицы кольца 14 - ведомый диск 2, с которого крутящий момент снимается.

Путем описанного принципа включения передач могут быть включены все 12 передач приведенного примера коробки передач с двумя дисками: одним ведущим и одним ведомым. Из этих 12 передач шесть передач понижающих и шесть повышающих крутящий момент двигателя. Повышающие передачи реализуются при замыкании в узле 25 на источник напряжения следующих клемм: 29 и 28, 31 и 30, 31 и 28, 33 и 32, 33 и 30, 33 и 28, при этом соответственно происходит блокирование следующих пар колец: 11 и 10, 13 и 12, 13 и 10, 15 и 14, 15 и 12, 15 и 10 (каждое кольцо блокируется со своим диском). Понижающие передачи реализуются при замыкании на источник напряжения следующих пар клемм: 27 и 28, 27 и 30, 27 и 32, 29 и 30, 29 и 32, 31 и 32 при соответствующем блокировании колец 9 и 10, 9 и 12, 9 и 14, 11 и 12, 11 и 14, 13 и 14 (каждое кольцо блокируется со своим диском).

Для включения передачи в коробке передач с тремя дисками необходимо посредством системы управления и электрических связей 58 одновременно подать напряжение на электроды средств блокирования любой из следующих пар колец, размещенных между плоскостями дисков 1 и 2: 37 и 40, 37 и 42, 37 и 44, 37 и 46, 39 и 40, 39 и 42, 39 и 44, 39 и 46, 41 и 42, 41 и 44, 41 и 46, 43 и 44, 43 и 46, 45 и 46, 47 и 46, 47 и 44, 47 и 42, и любой из следующих пар колец, размещенных между плоскостями ведомого диска 2 и дополнительного диска 2': 48 и 49, 48 и 51, 48 и 53, 48 и 55, 48 и 57, 56 и 55, 56 и 53, 56 и 51, 56 и 49, 54 и 53, 54 и 51, 54 и 49 и т.д. Процесс блокирования колец происходит аналогично описанному выше.

В конструкции коробки передач с ведущим, ведомым и дополнительным валами и установкой на плоскости ведущего диска шести колец на плоскости ведомого диска, обращенной к ведущему, пяти колец, на плоскости ведомого диска, обращенной к дополнительному диску, пяти колец и на плоскости дополнительного диска, обращенной к ведомому, пяти колец общее количество передач составит 750.

Формула изобретения

1. КОРОБКА ПЕРЕДАЧ, содержащая корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, установленные на каждом из них концентричные цилиндрообразные кольца, по внутренним и наружным поверхностям которых выполнены элементы зацепления, ось вращения ведущего вала размещена со смещением относительно оси вращения ведомого вала таким образом, что внутренние и наружные элементы зацепления ведущего вала находятся во взаимодействии соответственно с наружными и внутренними элементами зацепления колец ведомого вала, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента загруженности двигателя при изменяющейся внешней нагрузке за счет возрастания числа передач при одновременном сближении передаточных отношений между соседними передачами и сокращения времени разрыва потока мощности, ведущий и ведомый валы выполнены в виде разнесенных обращенных друг к другу торцами дисков, которые снабжены концентричными элементами для установки цилиндрообразных колец, последние установлены посредством этих элементов с возможностью вращения относительно дисков таким образом, что элементы зацепления колец расположены между дисками, а коробка передач снабжена системой управления блокированием каждого из колец относительно соответствующего диска со средствами блокирования, связанными с частью каждого кольца, размещенной в элементах его установки.

2. Коробка по п.1, отличающаяся тем, что коробка снабжена по меньшей мере еще одним дополнительным диском с цилиндрообразными кольцами, который аналогичен ведомому диску, ось вращения дополнительного диска размещена со смещением относительно оси вращения ведомого диска, последний выполнен с концентричными элементами и с установленными посредством этих элементов цилиндрообразными кольцами на другом торце, а элементы зацепления колец дополнительного диска находятся во взаимодействии с соответствующими элементами зацепления упомянутых колец ведомого диска.

3. Коробка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что концентричные элементы для установки цилиндрообразных колец выполнены в виде кольцевых проточек, каждое кольцо выполнено с элементами зацепления в виде зубчатых венцов, смещенных к одному его концу и с гильзообразной ступицей, расположенной в проточке, а каждое из средств блокирования выполнено в виде закрепленного на поверхности гильзообразной ступицы пьезокерамического кольцевого вкладыша и установленного с возможностью взаимодействия с этим вкладышем в кольцевой проточке с изоляцией относительно тела диска кольцевого электрода, связанного с системой управления блокированием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2