Трансмиссия транспортного средства

 

Сущность: одновальная коробка передач с двумя зубчатыми колесами постоянного зацепления посредством двусторонней муфты передает вращение главной передаче, также с двумя зубчатыми колесами и далее через дифференциальный механизм - полуосям. Дифференциальный механизм выполнен в виде механического планетарного трансформатора с прецессирующими сателлитами. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а точнее к трансмиссиям транспортных средств, и может быть использовано в автотракторостроении.

Известны трансмиссии транспортного средства, снабженные гидротрансформатором вращающего момента. Однако такие трансмиссии имеют большие габариты и массу, сложную конструкцию и низкий КПД.

Известны трансмиссии, снабженные фрикционно-механическим трансформатором вращающего момента. Однако они имеют сложную конструкцию, малые надежность и ресурс и низкий КПД.

Известны более компактные, простые и надежные механические шестеренные трансмиссии, имеющие ступенчатую коробку передач и главную передачу, расположенные в одном картере. Однако ступенчатое изменение передаточного отношения, связанное с разрывом силового потока, ухудшает тяговую динамику и топливную экономичность транспортного средства, а коробка передач остается сложной по конструкции и в управлении.

Такова принятая за прототип трансмиссия автомобиля, схема и описание которой представлены, например, в книге: Гришкевич А.И. и др. Проектирование трансмиссий автомобилей. Справочник. Под общ. ред. А.И. Гришкевача. М. Машиностроение, 1984, с. 13, рис. 1.6.

По прототипу трансмиссия транспортного средства имеет входную муфту (сцепление), вальную коробку передач, взаимодействующую с входной муфтой, главную цилиндрическую передачу, объединенную с коробкой передач в одном картере, и дифференциальный механизм, связывающий главную передачу с полуосями ведущего моста, причем коробка передач имеет цилиндрические зубчатые колеса постоянного зацепления, связанные с валом порознь через зубчатые подвижные муфты управления, снабженные синхронизаторами, промежуточную шестерню, установленную на неподвижной оси и входящую в зацепление с одним из упомянутых зубчатых колес, и орган управления, взаимодействующий с подвижной муфтой управления и снабженный фиксатором положения для передач прямого и обратного хода.

К основным недостаткам прототипа относятся сложность конструкции, характеризуемая использованием около двух десятков зубчатых колес, нескольких зубчатых муфт с синхронизаторами и громоздкого механизма переключения передач, снижение тяговой динамики из-за разрыва силового потока при переключениях и ухудшение показателей топливной экономичности и токсичности ОГ из-за невозможности оптимизировать режим работы двигателя при ограниченном числе ступеней в коробке передач. Кроме того, такая трансмиссия затрудняет управление автомобилем и повышает опасность ДТП, поскольку имеет двухпедальное управление (сцепление и коробка).

Желательна трансмиссия простая по конструкции и в управлении, обеспечивающая повышение динамики и КПД транспортного средства.

Изобретение выполнено с целью упрощения конструкции и управления и повышения тяговой динамики и КПД транспортного средства.

Поставленная цель достигается тем, что входная муфта выполнена в виде соединительной компенсирующей муфты, например зубчатой, коробка передач выполнена одновальной так, что вал взаимодействует с входной муфтой и несет два зубчатых колеса постоянного зацепления, взаимодействующих с двухсторонней муфтой управления, главная передача выполнена с двумя зубчатыми колесами, входящими в зацепление порознь с промежуточной шестерней и цилиндрическим зубчатым колесом коробки передач, дифференциальный механизм выполнен в виде механического планетарного трансформатора вращающего момента, выполненного двухсекционным с секциями, расположенными по сторонам от пары зубчатых колес главной передачи, имеющими общий входной вал, жестко связанный с колесами главной передачи, и связанными через выходные звенья с полуосями, а орган управления имеет одно из фиксируемых положений для прямого хода, причем трансформатор вращающего момента в каждой секции имеет процессирующий сателлит, ось которого жестко связана с входным валом и наклонена к оси его вращения, процессирующий сателлит имеет инерционную массу, распределенную по ободу, и жестко закрепленный зубчатый венец, а выходное звено выполнено в виде конического зубчатого колеса, соосного входному валу и взаимодействующего с зубчатым венцом процессирующего сателлита и полуосью.

Поставленная цель достигается тем, что оси вращения вала коробки передач, промежуточной шестерни и входного вала трансформатора вращающего момента лежат в одной плоскости, а вал коробки передач несет одно зубчатое колесо, жестко связанное с муфтой управления.

Поставленная цель достигается также тем, что коническое зубчатое колесо секции и входной вал трансформатора вращающего момента снабжены соответственно внутренним подшипником и цапфой, взаимодействующими между собой.

Поставленная цель достигается также тем, что оси процессирующих сателлитов имеют одинаковый по величине наклон в противоположные от оси вращения входного вала стороны.

Сопоставление заявленной трансмиссии с прототипом показывает, что соединительная зубчатая муфта значительно проще фрикционной муфты сцепления; одновальная коробка передач с тремя шестернями и одной муфтой управления значительно проще двухвальной с блоком промежуточных шестерен; в главной передаче общее число зубчатых колес одинаковое; дифференциалы по числу зубчатых элементов одинаковы; габариты и масса у заявленного дифференциала несколько больше, чем у прототипа за счет двухсекционности трансформатора вращающего момента, однако в целом по массо-габаритным показателям заявленная трансмиссия предпочтительнее. Неоспоримыми ее преимуществами является упрощение управления, поскольку трансформатор автоматически устанавливает передаточное отношение, соответствующее балансу мощностей на выходном и входном валах и нет необходимости в переключении передач на прямом ходу или на обратном ходу. Коробка служит лишь для переключений с прямого хода на обратный через нейтральное положение и наоборот. Поскольку эти переключения делают при минимальных оборотах холостого хода ДВС, а момент инерции частей, предшествующих сателлитам, небольшой, то бесшумное переключение обеспечивают синхронизаторы. В варианте трансмиссия выполнена без синхронизаторов, что дополнительно упрощает конструкцию трансмиссии автомобилей, редко использующих задний ход или отвечающих пониженным требованиям по шуму и долговечности трансмиссии. Расположение осей сателлитов с наклоном в разные стороны при одинаковом угле наклона и расположения осевых линий сателлитов и вала в одной плоскости обеспечивает повышение уравновешенности трансмиссии по моментам от сил инерции, передаваемым картеру.

Сокращение числа элементов трансмиссии и поверхностей трения служит повышению КПД и топливной экономичности транспортного средства. Дополнительное повышение КПД и снижение токсичности ОГ дают исключение холостого хода и перегазовок при смене тягового режима и повышение уравновешенности трансмиссии, а также повышение проходимости транспортного средства ввиду того, что автономная работа секции трансформатора обеспечивает распределение вращающего момента по полуосям по условиям сцепления колеса с дорогой.

Значителен эффект от снижения возможности ДТП в связи с облегчением процесса управления трансмиссией. Последние преимущества особенно значимы для автомобилей высокой проходимости. Абсолютно новыми признаками заявленного технического решения являются одновальная коробка передач, применение двух ведомых жестко связанных между собой зубчатых колес в одинарной главной передаче, применение в качестве дифференциала механического трансформатора, двухсекционный трансформатор, использование в трансформаторе процессирующего диска-сателлита, имеющего на ободе распределенную инерционную массу, использование гироскопического эффекта в трансмиссии машин. Судя по этому, заявленное техническое решение отвечает критерию "новизна".

Изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", поскольку применение гироскопического эффекта для трансформации вращающего момента в трансмиссии заявлено впервые и явным образом не следует из уровня техники. Будь это не так, гироскопический трансформатор имел бы уже широкое применение.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может найти широкое применение в автотракторостроении, продукция которого широко используется во всех отраслях народного хозяйства.

На фиг. 1 показана кинематическая схема трансмиссии с синхронизированными зубчатыми колесами коробки передач; на фиг. 2 то же, без синхронизатора, фрагмент.

Трансмиссия транспортного средства (фиг. 1) имеет картер 1, жестко связанный с картером маховика двигателя 2 внутреннего сгорания. В картере 1 установлен двухопорный вал 3 коробки передач, который зубчатой компенсирующей муфтой 4 соединен постоянно с двигателем 2. Вал несет два зубчатых колеса 5 и 6, установленных с возможностью вращения, и двухстороннюю муфту 7 управления, связанную с валом шпинделя, допускающими ее осевое смещение. Муфта 7 снабжена двухстороннним синхронизатором (не показаны) и взаимодействуют с органом 8 управления. Последний снабжен фиксаторами положения для прямого и обратного хода и для нейтрального положения. Коробка передач имеет промежуточную шестерню 9, установленную на неподвижной оси и взаимодействующую с зубчатым колесом 5.

Главная передача выполнена цилиндрической с двумя ведомыми зубчатыми колесами 10 и 11, находящимися в постоянном зацеплении, соответственно с промежуточной шестерней 9 и зубчатым колесом 6. Колеса 10 и 11 жестко связаны, будучи жестко установлены на входном вале 12 трансформатора вращающего момента, который размещен в одном картере с коробкой передач и главной передачей вместо дифференциального механизма. Трансформатор вращающего момента выполнен двухсекционным, содержащим две одинаковые секции, размещенные по сторонам от пары колес 10 и 11. В каждой секции имеется прецессирующий сателлит 13, имеющий инерционную массу 14, закрепленную на ободе при равномерном ее распределении по ободу, и жестко закрепленный зубчатый венец 15. Прецессирующие сателлиты установлены с возможностью вращения на осях 16 и 17 входного вала 12, выполненных зацело с валом наклонными по отношению к оси входного вала. Для повышения динамической уравновешенности трансмиссии наклон осей 16 и 17 одинаков по величине (около 30^о, в общем случае от 0,5 до 45^о), но направлен в противоположные стороны при расположении осевых линий осей 16 и 17 и вала 12 в одной плоскости.

Выходное звено каждой секции выполнено в виде конического зубчатого колеса 18, соосного входному валу 12 и взаимодействующего с зубчатым венцом 15 прецессирующего сателлита. Колесо 18 установлено в подшипниковых опорах картера 1 и взаимодействует с полуосью.

Для улучшения условий работы элементов трансмиссии выходное звено 18 и входной вал 12 снабжены соответственно внутренним подшипником 19 и цапфой 20, взаимодействующими между собой, благодаря чему входной вал 12 не имеет консолей. В полости корпуса 1 имеется трансмиссионное масло, с которым взаимодействуют зубчатые колеса 10 и 11.

Трансмиссия работает следующим образом.

Вращение от двигателя 2 передается через компенсирующую соединительную муфту 4 валу 3 коробки передач. Орган управления 8 установлен в положение, при котором муфта управления 7 имеет зацепление с зубчатым колесом 5 и передает ему вращение. Через промежуточную шестерню 9 и ведомую шестерню 10 вращение передается входному валу 12, вращающемуся в опорах картера 1 и дополнительных подшипниковых опорах, образованных подшипниками 19 и цапфами 20. Вследствие наклона осей 16 и 17 к оси вала 12 сателлиты 13 совершают коническую процессию, при которой оси сателлитов описывают поверхности конусов, вершины которых находятся в двух точках пересечения оси вала 12 с осями 16 и 17. В неподвижной системе координат, одна из осей которой направлена вдоль оси входного вала 12, а две других оси координат перпендикулярны ей, коническая процессия сателлита представляется в виде двух одновременно совершаемых возвратно-вращательных движений относительно двух осей координат, перпендикулярных оси вала. Эти вращения происходят с тем большей скоростью, чем выше скорость входного вала и больше угол наклона осей 16 и 17. Если же выходное звено 18 вращается по ходу вала 12, то скорость процессии уменьшается с ростом этой скорости и становится нулевой при равенстве скоростей входного и выходного звеньев. Поскольку сателлит имеет инерционную массу 14, закрепленную на ободе, то у него большой момент инерции относительно диаметральной оси, причем распределение массы по ободу служит увеличению момента инерции при заданных значениях массы и диаметра. Поскольку каждому из вращений соответствует свой вращающий момент, то приходим к выводу о том, что на прецессирующий сателлит действуют, по меньшей мере, два вращающих момента.

Известно, что вращение шарика подшипника одновременно относительно двух осей координат вызывает гироскопический эффект, проявляющийся возникновением гироскопического момента, стремящегося вращать шарик относительно третьей оси координат. Это явление характерно для радиально-упорных и упорных подшипников качения, причем, гироскопические моменты столь значительны, что для предупреждения поворачивания шариков с целью уменьшения их изнашивания предпринимают специальные меры.

Подобно тому, как возникает и проявляется гироскопический эффект в подшипниках, процессия сателлита вызывает образование третьего гироскопического момента, вызывающего вращение его относительно третьей оси координат, направленной вдоль оси входного вала. Благодаря большому моменту инерции, большой скорости прецессии и прямой зависимости гироскопического момента от произведения скоростей, составляющих прецессию, гироскопический момент получается достаточным для вращения сателлита и выходного звена 18, связанного с сателлитом через зубчатый венец 15. Через полуось момент передается ведущему колесу автомобиля, вызывая его движение прямым ходом. Установившемуся движению соответствует баланс мощностей, определяемых моментом и скоростью входного вала и моментами сопротивлений и скоростями двух ведущих колес. При этом отличие мощностей на колесах может быть самым разным в зависимости от условий сцепления или движения на повороте. Поскольку нет жесткой связи зубчатого колеса 18 с валом 12, трансформатор выполняет функции дифференциала.

Изменения в режиме движения принудительные или вынужденные дорожными условиями приводят к изменению разности скоростей входного и выходного звеньев секции трансформатора, что вызывает изменение скорости прецессии и установление баланса для нового режима движения. Следовательно, трансмиссия с гироскопическим трансформатором вращающего момента является саморегулируемой, автоматически изменяющей силовое передаточное отношение в зависимости от изменения внешних условий движения. При этом управляют скоростью через двигатель, изменяя топливоподачу. При работе двигателя на холостом ходу скорость прецессии так мала, что вращение входного вала вызывает лишь обкатывание колеса 18 зубчатым венцом 15 по кругу, а для движения гироскопического момента недостаточно. Для полного снятия момента орган управления 8 переводят в нейтральное положение.

Для движения задним ходом орган управления устанавливают так, чтобы муфта 7 взаимодействовала с зубчатым колесом 6. Включение заднего хода на холостом ходу безударное из-за действия синхронизатора. Работа трансмиссии при заднем ходе аналогична рассмотренной с той особенностью, что момент от двигателя к валу 12 передается через колеса 6 и 11. Смазывание трансмиссии производится разбрызгиванием.

Основные преимущества заявленной трансмиссии были выше рассмотрены. Здесь следует отметить, что при движении автомобиля накатом при включенном прямом ходе двигатель может работать на холостом ходу, поскольку вращение от колес передается лишь сателлиту, как в обычной зубчатой передаче. Не вызывая образование прецессии, это вращение не генерирует гироскопический момент и не ускоряет валы коробки и двигателя. Благодаря этому исключается принудительный холостой ход двигателя, относящийся к наиболее неэкономичным и высокотоксичным режимам работы, отпадает потребность оборудования двигателя регулятором разрежения для принудительного холостого хода. Но вместе с этим исключается возможность торможения двигателем, что относится к недостаткам. Простые средства для устранения этого недостатка имеются (не рассмотрены).

В варианте трансмиссия транспортного средства вал 3 коробки передач несет одно зубчатое колесо 5, которое жестко связано (фиг. 2) с муфтой управления 7 и обладает возможностью осевого смещения на шлицах вала. При этом оси вращения валов 3 и 12 и промежуточной шестерни 9 лежат в одной плоскости по условиям зацепления.

Работает трансмиссия аналогично рассмотренной, но для включения переднего и заднего хода и нейтрали воздействиями на орган управления 8 перемещают зубчатое колесо 5, зацепляя его соответственно с шестерней 9, колесом 11, или устанавливая в промежуточное положение. Дополнительное упрощение конструкции, обусловленное исключением из нее указанных элементов, служит снижению массы и стоимости производства трансмиссии и некоторому увеличению шума при переключениях на задний или прямой ход. Однако для автомобилей некоторых классов и групп эти недостатки несущественны.

Формула изобретения

1. ТРАНСМИССИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, включающая входную муфту, вальную коробку передая, взаимодействующую с входной муфтой, главную цилиндрическую передачу, объединенную с коробкой передач в одном картере, и дифференциальный механизм, связывающий главную передачу с полуосями ведущего моста транспортного средства, причем коробка передач имеет цилиндрические зубчатые колеса постоянного зацепления, связанные с валом порознь через зубчатые подвижные муфты управления, снабженные синхронизаторами, промежуточную шестерню, установленную на неподвижной оси и входящую в зацепление с одним из упомянутых зубчатых колес, и орган управления, взаимодействующий с муфтой управления и снабженный фиксатором положения для передач прямого и обратного хода, отличающаяся тем, что входная муфта выполнена в виде соединительной компенсирующей муфты, преимущественно зубчатой, коробки передач выполнена одновальной так, что вал взаимодействует с входной муфтой и несет два зубчатых колеса постоянного зацепления, взаимодействующих с двусторонней муфтой управления, главная передача выполнена с двумя зубчатыми колесами, входящими в зацепление порознь с промежуточной шестерней и зубчатым колесом коробки передач, дифференциальный механизм выполнен в виде механического планетарного трансформатора вращающего момента, выполненного двухсекционным с секциями, расположенными по сторонам от пары зубчатых колес главной передачи, имеющими общий входной вал, жестко связанный с зубчатыми колесами главной передачи, и связанными через выходные звенья с полуосями, а орган управления имеет одно из фиксируемых положений для прямого хода, причем трансформатор вращающего момента в каждой секции имеет прецессирующий сателлит, ось которого жестко связана с входным валом и наклонена к оси его вращения, прецессирующий сателлит имеет инерционную массу, распределенную по ободу, и жестко закрепленный зубчатый венец, а выходное звено выполнено в виде конического зубчатого колеса, соосного с входным валом и взаимодействующего с зубчатым венцом прецессирующего сателлита и полуосью.

2. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что оси вращения вала коробки передач, промежуточный шестерни и входного вала трансформатора вращающего момента лежат в одной плоскости, а вал коробки передач несет одно зубчатое колесо, жестко связанное с муфтой управления.

3. Трансмиссия по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что коническое зубчатое колесо секции и входной вал трансформатора вращающего момента снабжены соответственно внутренним подшипником и цапфой, взаимодействующими между собой.

4. Трансмиссия по пп. 1 3, отличающаяся тем, что оси прецессирующих сателлитов имеют одинаковый по величине наклон в противоположные от оси вращения входного вала стороны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2