способ и устройство переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке передач

Формула изобретения

1. Способ переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке передач путем изменения межосевого расстояния шестерен, отличающийся тем, что общую ось промежуточных шестерен включаемой и выключаемой передач, находящихся в постоянном зацеплении с шестернями ведомого или ведущего валов, расстопоривают и вращают вокруг оси вала коробки передач, с шестернями которого промежуточные шестерни находятся в постоянном зацеплении, при этом промежуточную шестерню выключаемой передачи выводят из зацепления с шестерней другого вала, а шестерню включаемой передачи синхронно вводят в зацепление с шестерней другого вала до полного включения соответствующей передачи, при этом для выбора направления переключения двигатель машины переводят в тяговый или тормозной режим, а после переключения передачи ось промежуточных шестерен стопорят.

2. Устройство переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке передач, по крайней мере, с двумя передачами, каждая из которых содержит ведущий вал с закрепленными на нем шестернями, соединенный через трансмиссию с ведущими колесами машины ведомый вал с закрепленными на нем шестернями и промежуточные шестерни, отличающееся тем, что промежуточные шестерни установлены свободно вращающимися на криволинейной оси, которая закреплена в коробке передач с возможностью поворота вокруг оси ведущего или ведомого валов и которая снабжена стопором, при этом промежуточные шестерни расположены на оси с угловым сдвигом.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к транспортному машиностроению, в частности к механизмам трансмиссий транспортных средств.

Известен способ переключения зубчатых передач в многоступенчатых коробках путем перемещения шестерен в осевом направлении на величину ширины зуба и выхода, таким образом, зубьев одной из шестерен из зацепления с шестерней выключаемой передачи и входа зубьев другой шестерни в зацепление с шестерней включаемой передачи [В.В.Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета. М.: Машиностроение, 1989, с.66].

Недостатком такого способа является необходимость синхронизации вращения включаемых шестерен до выравнивания окружных скоростей включаемых зубьев, что усложняет конструкцию и существенно увеличивает время включения. Другим недостатком такого способа является возможность утыкания торцев зубьев при входе их в зацепление, особенно при включении первой передачи при неподвижном ведомом валу, в результате чего необходимо делать новую попытку включения. Кроме того, перед включением выбранной передачи необходимо полностью вывести из зацепления шестерни ранее включенной передачи. Следовательно, при таком способе переключение передач возможно только с разрывом потока мощности.

Существенным недостатком способа является также то, что при включении в зацепление входит один зуб и начальная ширина контакта зубьев равна нулю, в процессе включения она постепенно увеличивается до полной ширины зуба в конце включения. Это приводит к большой механической нагруженности зуба по всем видам напряжений, повышенному износу торцов зубьев, выкрашиванию контактных поверхностей и поломке зубьев [В.В.Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета. М.: Машиностроение. 1989, с.66].

Большая масса перемещаемых шестерен затрудняет быстрое включение из-за значительных сил инерции и требует больших усилий на органах управления коробки передач, сопровождается повышенным шумом.

Известен способ переключения зубчатых передач в многоступенчатых коробках, шестерни каждой передачи в которых находятся в постоянном зацеплении между собой, а зацепление одной из шестерен с валом достигается путем использования зубчатых муфт, перемещаемых в осевом направлении, кинематически связанных с валом и входящих при включении с зубьями полумуфты в шестерни включаемой передачи. При выключенной передаче шестерня свободно вращается на валу на подшипниковом сопряжении, а после зацепления с зубьями перемещаемой муфты блокируется на валу и включается выбранная передача. [В.В.Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета. М.: Машиностроение. 1989, с.66, 67].

Этот способ устраняет некоторые недостатки изложенного выше способа благодаря малой массе перемещаемой муфты и ввода в зацепление практически одновременно большого количества зубьев для действующих механических нагрузок. Недостатками данного способа остается необходимость синхронизации вращения до выравнивания окружных скоростей зубьев муфты и полумуфты, что увеличивает количество деталей, усложняет конструкцию, вызывает повышенные износы синхронизаторов трения. Кроме того, невозможно переключение передач без разрыва потока мощности. Рабочая поверхность зубьев муфт в начале процесса включения так же, как и в первом случае, равна нулю и достигает максимального значения только в конце процесса включения. Это приводит к большим напряжениям, возможности поломки и повышенному износу зубьев.

Известен способ переключения передач в многоступенчатых коробках путем применения блокирующих фрикционов для каждой включаемой передачи [В.В.Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета. М.: Машиностроение. 1989, с.87, 88]. При этом способе шестерни одного из валов (ведомого или ведущего) находятся в жесткой кинематической связи, например соединены с валом шлицами, а шестерни другого вала вращаются относительно него на подшипниках. Между собой шестерни находятся в постоянном зацеплении. Ведущие элементы фрикциона связаны постоянно с этим валом, а ведомые - с шестерней соответствующей передачи. Включение фрикциона - сжатие с необходимым усилием ведущих и ведомых дисков - приводит к блокировке шестерни включаемой передачи на валу и осуществляет включение передачи. Выключение фрикциона освобождает шестерню и выключает передачу. При частичном включении и буксовании двух фрикционов возможно одновременное включение двух передач и, следовательно, переключение передач без разрыва потока мощности.

Недостатком данного способа является необходимость применения индивидуальных фрикционов для каждой передачи, что приводит к конструктивной сложности коробки передач, необходимости гидравлических систем сжатия дисков и управления фрикционами, дает повышенный износ фрикционов и большое количество дефектов в эксплуатации, существенные потери на трение между большим количеством дисков выключенных фрикционов вследствие относительного вращения с высокой относительной скоростью в среде масла с малыми зазорами. Такими же недостатками обладают планетарные коробки передач, в которых включение также осуществляется блокировочными фрикционами или фрикционными тормозами [В.В.Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкций, элементы расчета М.: Машиностроение. 1989, с.89].

Наиболее близким к заявляемому является способ переключения, применяемый в коробке передач станочного привода, рис.1 [Машиностроение. Энциклопедический справочник. Т.9. М.: Машиностроение. 1949, с.39, табл.5, фиг.1]. Оси валов 1 и 2 параллельны, колесо 4 перемещается вдоль вала 2 и через промежуточную шестерню 5 вводится в зацепление с одной из шестерен, установленных на валу 1. Ось промежуточной шестерни 9 размещена в поворотной каретке. Путем поворота каретки изменяют и получают требуемое межосевое расстояние между осью шестерни 5 и осью вала 1. В каждом положении промежуточной шестерни 5 участвуют в зацеплении шестерни с различными числами зубьев, благодаря чему получают различные передаточные отношения.

Недостатком данного способа является значительное перемещение промежуточной шестерни по сложной траектории и большое время переключения. Для переключения необходимо повернуть вручную каретку, вручную переместить ее в осевом направлении, установить точно против шестерни включаемой передачи вала 1, повернуть каретку для зацепления шестерни 5. Недостатком является также то, что переключение происходит с длительным разрывом кинематической связи и разрывом потока мощности. Другим недостатком данного способа является необходимость использования для всех передач одной промежуточной шестерни, что ограничивает возможность конструирования необходимостью выбора одного модуля для всех зубчатых зацеплений всех передач коробки и ограничений по числу зубьев в зависимости от траектории перемещения оси промежуточной шестерни. Недостатком данного способа является также необходимость приложения внешнего усилия для перемещения оси промежуточной шестерни при включении и при выключении. Причем из-за сложности пространственной траектории оси промежуточной шестерни вектор силы должен быть переменным по величине и направлению, что затрудняет управление и, особенно, автоматизацию переключения.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство переключения зубчатых передач гитары станочного привода, фиг.2 - устройство установки зубчатых колес между валами с неизменным межосевым расстоянием с целью изменения передаточного отношения [Крайнев A.M. Словарь-справочник по механизмам. М.: Машиностроение, 1984, с.64].

Устройство устанавливают между шпинделем и валом коробки передач. Передаточное отношение изменяют подбором и сменой зубчатых колес 3 и 4. Зубчатое колесо 5 промежуточное, его число зубьев не влияет на передаточное отношение. Межосевое расстояние задают с помощью фиксатора 10. Поворот кулисы 9 определяет межосевое расстояние aw1. Кулису закрепляют в определенном угловом положении фиксатором 10, расположенным в круговом пазу кулисы 9.

Недостатком этого устройства-прототипа является наличие дополнительных ручных операций для осуществления переключения - ослабления и закрепления фиксатора 10, перемещение, поворот и точную установку кулисы 9, перемещение колеса 5, причем необходима точная регулировка бокового зазора в зубчатых зацеплениях, т.е. необходима при каждом переключении настройка зубчатых зацеплений, что требует больших затрат труда и высокой квалификации оператора. Эти недостатки делают указанные способ и устройство неприемлимыми для коробок передач транспортных машин, в которых переключение должно происходить быстро и просто.

Технической задачей предлагаемого изобретения является переключение передач в многоступенчатой коробке практически без разрыва потока мощности и без синхронизации скоростей вращения шестерен включаемой передачи, входом зубьев в контакт при включении по полной линии зацепления, а также упрощение конструкции передачи.

Поставленная задача решается тем, что в способе переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке передач путем изменения межосевого расстояния шестерен, согласно изобретению, общую ось промежуточных шестерен включаемой и выключаемой передач, находящихся в постоянном зацеплении с шестернями ведомого или ведущего валов, расстопоривают и вращают вокруг оси вала коробки передач, с шестернями которого промежуточные шестерни находятся в постоянном зацеплении, при этом промежуточную шестерню выключаемой передачи выводят из зацепления с шестерней другого вала, а шестерню включаемой передачи синхронно вводят в зацепление с шестерней другого вала до полного включения соответствующей передачи, при этом для выбора направления переключения двигатель машины переводят в тяговый или тормозной режим, а после переключения передачи ось промежуточных шестерен стопорят.

Отличием предлагаемого способа от известных является то, что переключение осуществляется одновременно во всех передачах, связанных силовым взаимодействием через промежуточные шестерни и их общую ось, причем в момент выхода из зацепления шестерни выключаемой передачи шестерня включаемой передачи может находиться в зацеплении, осуществляя передачу крутящего момента на выходной вал и создает необходимый крутящий момент на оси промежуточных шестерен для завершения процесса включения-выключения.

Для осуществления заявляемого способа разработано устройство переключения зубчатых передач в многоступенчатой коробке передач, по крайней мере, с двумя передачами, каждая из которых содержит ведущий вал с закрепленными на нем шестернями, соединенный через трансмиссию с ведущими колесами машины, ведомый вал с закрепленными на нем шестернями и промежуточные шестерни, в котором, согласно изобретению, промежуточные шестерни установлены свободно вращающимися на криволинейной оси, которая закреплена в коробке передач с возможностью поворота вокруг оси ведущего или ведомого валов и которая снабжена стопором, при этом промежуточные шестерни расположены на оси с угловым сдвигом.

Особенностью изобретения является то, что для каждой передачи используется своя промежуточная шестерня, находящаяся с одной из шестерен передачи, ведомой или ведущей, в постоянном зацеплении. Все промежуточные шестерни перемещаются синхронно в процессе переключения и для этого используются силы, действующие на криволинейную ось промежуточных шестерен от зубчатых зацеплений и вращающих ее вокруг оси выходного или входного валов коробки передач.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.3 дана кинематическая схема устройства переключения передач, на фиг.4 - то же, вид сбоку.

Устройство переключения зубчатых передач содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, расположенные параллельно с постоянным межосевым расстоянием. Шестерни одной передачи 3 и 4 ведущего и ведомого валов входят в зацепление через промежуточную шестерню 5, а шестерни 6 и 7 другой передачи - через промежуточную шестерню 8. Промежуточные шестерни 5 и 8 расположены на подвижной криволинейной оси 9 с угловым смещением.

Ось 9 установлена с возможностью поворота вокруг оси ведущего вала 1 или ведомого вала 2 и может быть зафиксирована стопором 10.

Устройство работает следующим образом.

При повороте оси 9 вокруг оси ведущего вала 1 одна из промежуточных шестерен 5 или 8 выходит из зацепления, а вторая входит в зацепление с шестернями 4 или 7 ведомого вала 2 в зависимости от направления вращения оси 9.

Взаимное угловое положение промежуточных шестерен 5 и 8 на криволинейной оси 9 выбирают так, чтобы вход в зацепление одной из промежуточных шестерен происходил при неполном выходе из зацепления другой промежуточной шестерни. Этим обеспечивается перекрытие процессов включения-выключения передач. Промежуточные шестерни входят и выходят из зацепления по полной линии контакта и ширине зуба и, следовательно, способны в момент переключения принимать полную расчетную нагрузку.

При применении предлагаемого способа и устройства переключения зубчатых передач в многоступенчатых коробках передач на транспортных и тяговых машинах, например на автомобилях и тракторах, возможно использование для перемещения криволинейной оси 9 и переключения передач крутящего момента, действующего на оси 9 от окружных сил в зацеплении промежуточных шестерен 5 и 8 с шестернями валов 1 и 2. Изменение вида переключения (с первой передачи на вторую или наоборот) достигается изменением направления действия крутящего момента, то есть управлением работой двигателя в тяговом или тормозном режиме. Так, для схемы на фиг.3 и 4 переключение с первой передачи на вторую происходит при работе двигателя в тяговом режиме, когда крутящий момент на валу 1 направлен в сторону вращения по часовой стрелке, а тормозной момент на валу 2 действует со стороны ведущих колес. Для переключения со второй передачи на первую необходимо перевести двигатель в тормозной режим, например, уменьшением подачи топлива, тогда крутящим становится момент на валу 2 со стороны ведущих колес и ось промежуточных шестерен поворачивается в другую сторону.