ПЛАНЕТАРНАЯ КОРОБКА ПЕРЕДАЧ Российский патент 1997 года по МПК F16H3/44 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, может быть использовано преимущественно в трансмиссиях промышленного и сельскохозяйственного назначения, имеющих равное количество передач переднего и заднего хода.

Известная планетарная коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, шесть элементов управления: две сцепные муфты и четыре тормоза, один из которых самоуправляемый, четыре планетарных ряда, каждый из которых имеет солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпицикл [1]
При наличии равного количества передач переднего и заднего хода указанная кинетическая схема коробки передач имеет перегруженные звенья и элементы управления третьего и четвертого планетарных рядов, что увеличивает массу и габариты коробки в целом. К недостаткам этой коробки передач относятся также высокие скорости относительного скольжения дисков первой сцепной муфты в выключенном состоянии на передачах переднего и заднего хода, низкие значения коэффициентов полезного действия (КПД) на первой передаче как переднего, так и заднего хода и невозможность получения режима торможения выходного вала при вращении входного вала.

Наиболее близким по техническом уровню к достигаемому результату является планетарная коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, два планетарных ряда, имеющий каждый солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпицикл, два тормоза и две сцепные муфты, водила обоих рядов соединены между собой, входной вал соединен с солнечной шестерней второго ряда и через одну из сцепных муфт с эпициклом первого ряда, который связан с одним из тормозов, а выходной вал соединен с эпициклом второго ряда и через вторую сцепную муфту - с солнечной шестерней первого ряда, которая связана со вторым тормозом.

Указанная планетарная коробка передач решает техническую задачу, связанную с получением равного количества передач как переднего, так и заднего хода для узкоспециализированного применения за счет малого количества передач переднего и заднего хода.

Данная планетарная коробка передач имеет невысокий технический уровень, что обусловлено ограниченными кинематическими возможностями коробки передач и малым диапазоном передаточных отношений, что приводит к неполному использованию мощности двигателя и, тем самым, снижается эффективность ее применения. В результате этого снижается возможность применения этой коробки передач для высокоманевренных транспортных средств.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой кинематической схемы коробки передач с равными количествами передач переднего и заднего хода с тремя дополнительными планетарными рядами с тремя управляемыми тормозами, обеспечивающими увеличение числа передач и заднего хода, снижение нагруженности звеньев и элементов управления дополнительных планетарных рядов, повышение КПД на пониженных передачах как переднего, так и заднего хода, получение режимов торможения выходного вала при вращении входного вала и одинаковых соответствующих зубчатых колес всех пяти планетарных рядов, что достигается новым соединением звеньев дополнительных планетарных рядов, образующих двухстепенной блок, с базовой коробкой передач, при котором солнечная шестерня пятого дополнительного ряда и эпициклы третьего и четвертого дополнительных рядов соединены с выходным валом, а солнечная шестерня и водило с сателлитами соответственно третьего и четвертого дополнительных рядов соединены с солнечной шестерней первого ряда.

Техническим результатом заявленной планетарной коробки передач является создание новой кинематической схемы с высокими значениями КПД пониженных передач переднего и заднего хода, что приводит к уменьшению расхода топлива и, как следствие, к увеличению срока службы передачи в целом, с малой нагружаемостью звеньев и элементов правления, что уменьшает массу и габариты коробки в целом, имеющей одинаковые числа зубьев у соответствующих зубчатых колес всех планетарных рядов, что позволит выполнить соответствующие зубчатые колеса планетарных рядов одинаковыми и, тем самым, обеспечить высокую степень унификации элементов и упростить изготовление коробки передач и позволяющей получить режимы торможения выходного вала при вращении входного вала, что дает возможность тормозить транспортное средство за счет элементов управления коробки передач и, как следствие, исключить из конструкции транспортного средства остановочные тормоза.

Тем самым достигается качественно новый принцип работы, что отрывает новые возможности в создании планетарной коробки передач, позволяющей повысить кинематические, динамические и эксплуатационные качества машин, в трансмиссиях которых она будет установлена.

Указанный технический результат достигается тем, что планетарная коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, два планетарных ряда, имеющий каждый солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпицикл, два управляемых тормоза и две сцепные муфты, водила обоих рядов соединены между собой, входной вал соединен с солнечной шестерней второго ряда и через одну из сцепных муфт с эпициклом первого ряда, который связан с одним из тормозов, а выходной вал соединен с эпициклом второго ряда и через вторую сцепную муфту с солнечной шестерней первого ряда, которая связана со вторым тормозом, и снабжена тремя дополнительными планетарными рядами с тремя управляемыми тормозами, солнечная шестерня третьего ряда соединена с водилом с сателлитами четвертого ряда, которое соединено с солнечной шестерней первого ряда, водило с сателлитами соединено с водилом пятого ряда и связано с третьим управляемым тормозом, а его эпицикл соединен с эпициклом четвертого ряда, с солнечной шестерней пятого ряда и с выходным валом, солнечная шестерня четвертого дополнительного ряда связана с четвертым управляемым тормозом, эпицикл пятого дополнительного ряда связан с пятым управляемым тормозом.[2]
Создание новой кинематической схемы, в которой присоединение третьего и пятого дополнительных рядов с двумя управляемыми тормозами к основной коробке осуществлено так, что эпицикл третьего дополнительного ряда соединен эпициклом четвертого дополнительного ряда с солнечной шестерней пятого ряда и с выходным валом, водило с сателлитами соединено с водилом пятого ряда, а солнечная шестерня соединена с водилом четвертого дополнительного ряда и с солнечной шестерней первого ряда, позволило организовать рабочий цикл на пониженных передачах переднего и заднего хода при высоких значениях КПД.

Введение новых подключений управляемых тормозов в звеньям коробки, когда третий и пятый управляемые тормоза связаны соответственно с водилом и эпициклом пятого дополнительного ряда, четвертый управляемый тормоз связан с солнечной шестерней четвертого дополнительного ряда, водило и эпицикл которого соединены соответственно с солнечной шестерней первого ряда и с эпициклом третьего дополнительного ряда, обеспечило малую нагружаемость звеньев и элементов управления, что уменьшило массу и габариты коробки в целом и позволило выполнить соответствующие зубчатые колеса планетарных рядов одинаковыми и, тем самым, обеспечить высокую степень унификации элементов и упростить изготовление коробки.

На чертеже изображена кинематическая схема планетарной коробки передач.

Планетарная коробка передач содержит корпус 1, выходной вал 2, выходной вал 3, первый планетарный ряд, включающий солнечную шестерню 4, эпицикл 5, взаимодействующие с ними сателлиты 6 и водило 7, второй планетарный ряд, включающий солнечную шестерню 8, эпицикл 9, взаимодействующие с ними сателлиты 10 и водило 11, третий дополнительный планетарный ряд, включающий солнечную шестерню 12, эпицикл 13, взаимодействующие с ними сателлиты 14 и водило 15, четвертый дополнительный планетарный ряд, включающий солнечную шестерню 16, эпицикл 17, взаимодействующие с ними сателлиты 18 и водило 19, пятый дополнительный планетарный ряд, включающий солнечную шестерню 20, эпицикл 21, взаимодействующие с ними сателлиты 22 и водило 23. Кроме того, коробка передач содержит пять управляемых тормозов 24 28, из которых тормоза 26 28 являются дополнительными, и две управляемые сцепные муфты 29 и 30.

Входной вал 2 соединен с солнечной шестерней 8 второго ряда и через сцепную муфту 29 с эпициклом 5 первого ряда, который связан с тормозом 24. Водило 11 соединено с водилом 7.

Выходной вал 3 соединен с эпициклом 13 и 17 соответственно третьего и четвертого дополнительных рядов, с солнечной шестерней 20 пятого дополнительного ряда и с эпициклом 9 второго ряда, который через сцепную муфту 30 связан с солнечной шестерней 4 первого ряда.

Солнечная шестерня 4 соединена с солнечной шестерней 12, с водилом 19 соответственно третьего и четвертого дополнительных планетарных рядов и связана с тормозом 25.

Водило с сателлитами 15 третьего дополнительного ряда соединено с водилом 23 пятого дополнительного ряда и связано с третьим дополнительным управляемым тормозом 28. Солнечная шестерня 16 четвертого дополнительного ряда связана с четвертым дополнительным управляемым тормозом 26. Эпицикл 21 пятого дополнительного планетарного ряда связан с пятым дополнительным управляемым тормозом 27.

Такое совместное использование основной коробки передач и трех дополнительных планетарных рядов с тремя тормозами позволяет получить десять передач, в том числе пять передач заднего хода, вместо двух передач переднего хода и двух заднего хода в прототипе.

Планетарная коробка передач работает следующим образом.

При попарном включении соответствующих элементов правления звенья коробки передач соединяются в определенную схему и осуществляется определенное передаточное отношение.

Передачи в порядке возрастания угловой скорости выходного звена реализуются при включении следующих пар элементов управления, а именно:
передачи переднего хода
29 28, 29 27, 29 25, 29 26, 29 30;
передачи заднего хода
24 28, 24 27, 24 25, 24 26, 24 30.

В табл. 1 приведены номера передач переднего и заднего хода, тормозных режимов и включаемые при этом элементы управления, даны формулы передаточных отношений по передачам.

В табл. 2 приведены величины передаточных отношений и КПД по передачам при K₁ K₂ K₃ K₄ K₅ 2,0, где K₁, K₂, K₃, K₄, K₅ внутреннее передаточное отношение соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого планетарного ряда

где Z_iэ и Z_iс число зубьев эпициклического и солнечного колеса
i планетарного ряда, i 1, 2, 3, 4 и 5.

Параметр K в формулах передаточных отношений следует брать положительным, так как знак минус учтен при преобразовании.

Из табл. 1 видно, что из двадцати одного варианта попарного включения элементов управления можно использовать двадцать, что соответствует получению десяти передач, в том числе пяти передач заднего хода, и десяти режимам торможения выходного вала при вращении входного вала. Выходной вал 3 тормозится при включении любой пары элементов управления из элементов управления 25 30. Включение тормоза 24 и сцепной муфты 29 приводит к торможению входного вала 2.

Кроме того, из табл. 1 видно, что переход с одной передачи на любую другую передачу как при движении передним ходом, так и задним ходом, а также переход с любой передачи переднего хода на соответствующую по абсолютной величине передаточного отношения передачу заднего хода и наоборот осуществляется включением только одного элемента управления. Это значительно упрощает процесс переключения передач.

Выполнение коробки передач по изобретению позволяет по сравнению с известной коробкой [1] повысить степень унификации элементов (колес, водил и сателлитов) планетарных рядов, увеличить число передач с восьми до десяти, повысить КПД пониженных передач как переднего, так и заднего хода, уменьшить нагруженность звеньев и элементов управления, снизить относительные скорости скольжения дисков фрикционных муфт в выключенном состоянии и обеспечить десять режимов торможения выходного вала при вращении входного вала.

Так, КПД на первой передаче переднего хода повысился на 6% а на первой передаче заднего хода на 7% (см. табл.2).

Необходимо также отметить важное свойство передаточных отношений предлагаемой планетарной коробки передач, которое является следствием соотношения (см. табл. 1):

где U₁, U₂, U₃, U₄ и U₅ передаточное отношение коробки соответственно на первой, второй, третьей, четвертой и пятой передаче переднего хода;
U_13x, U_23x, U_33x, U_43x и U_53x - передаточное отношение коробки соответственно на первой, второй, третьей, четвертой и пятой передаче заднего хода.

Оно заключается в том, что перепад между передаточными отношениями передач переднего хода всегда равен перепаду между соответствующими передаточными отношениями передач заднего хода. Это значит, что коробка передач позволяет получить либо равные по абсолютному значению передаточные отношения передачи переднего и заднего хода (см. табл. 2), либо все замедленные передачи переднего хода по сравнению с соответствующими передачами заднего хода, либо наоборот, т.е. в любом случае между передаточными отношениями будет выполняться соотношение (2).

Так, если между внутренними передаточными отношениями первого и второго планетарного ряда K₁ и K₂ будет выдержано соотношение:

то можно получить множество симметричных гамм передаточных отношений. При этом передаточное отношение пятой передачи заднего хода U_53x будет всегда равно -1.

Кроме того, в предлагаемой коробке передач передаточные отношения либо переднего хода, либо заднего хода независимы друг от друга. Это значит, что с помощью этой коробки передач можно реализовать множество гамм с произвольным распределением передаточных отношений на передачах либо переднего, либо заднего хода, в том числе с геометрическим рядом передаточных отношений.

Так, например, нам нужно получить симметричную гамму передаточных отношений:
5,0625, 3,375, 2,256, 1,5, 1,0,
-5,0625, -3,375, -2,25, -1,5, -1,0,
в которой знаменатель геометрической прогрессии равен q 1,5.

Из рассмотрения табл. 1 и заданной гаммы видно, что передаточное отношение -2,25 можно реализовать на третьей передаче заднего хода, т.е. внутреннее передаточное отношение второго планетарного ряда равно K₂2,25.

Из соотношения (3) находим внутреннее передаточное отношение первого планетарного ряда.

При этом передаточное отношение пятой передачи заднего хода будет равно

Приравнивая U_13x -5,0625 (или U₁5,0625), находим величину внутреннего передаточного отношения третьего дополнительного планетарного ряда K₃ 2,25.

Приравнивая U_43x -1,5 (или U₄1,5), находим величину внутреннего передаточного отношения четвертого дополнительного планетарного ряда K₄ 1,5.

Далее приравнивая U_23x -3,375 (или U₂ 3,375), находим величину K₅ 1,41.

Очевидно, передаточные отношения переднего хода в соответствии с (2) будут равны соответствующим передаточным отношениям заднего хода.

Следовательно, в предлагаемой коробке передач имеются широкие возможности в выборе той или иной гаммы передаточных отношений, удовлетворяющей требуемым динамическим и экономическим качествам машин.

Установка этой коробки передач, например, в трансмиссию погрузчика обеспечит его высокую маневренность при выполнении различных видов работ.

Использование: транспортное машиностроение. Сущность изобретения: планетарная коробка передач содержит корпус, входной и выходной валы, пять планетарных рядов, пять управляемых тормозов и две сцепные муфты. Водила двух первых рядов соединены между собой. Входной вал соединен с солнечной шестерней второго ряда и через одну из сцепных муфт - с эпициклом первого ряда, который связан с одним из тормозов. Солнечная шестерня третьего ряда соединена с водилом с сателлитами четвертого ряда, которое соединено с солнечной шестерней первого ряда. Последняя соединена со вторым тормозом. Водило с сателлитами третьего ряда соединено с водилом пятого ряда и связано с третьим управляемым тормозом. Солнечная шестерня четвертого ряда связана с четвертым управляемым тормозом. Эпицикл пятого ряда связан с пятым управляемым тормозом. Выходной вал соединен с эпициклами второго, третьего и четвертого рядов, с солнечной шестерней пятого ряда и через вторую сцепную муфту - с солнечной шестерней первого ряда. 1 ил., 2 табл.

Пранетарная коробка передач, содержащая корпус, входной и выходной валы, два планетарных ряда, имеющие каждый солнечную шестерню, водило с сателлитами и эпицикл, два управляемых тормоза и две сцепные муфты, водила обоих рядов соединены между собой, входной вал соединен с солнечной шестерней второго ряда и через одну из сцепных муфт с эпициклом первого ряда, который связан с одним из тормозов, а выходной вал соединен с эпициклом второго ряда и через вторую сцепную муфту с солнечной шестерней первого ряда, которая связана с вторым тормозом, отличающаяся тем, что она снабжена тремя дополнительными планетарными рядами с тремя управляемыми тормозами, солнечная шестерня третьего ряда дополнительного ряда соединена с водилом с сателлитами четвертого ряда, которое соединено с солнечной шестерней первого ряда, водило с сателлитами соединено с водилом пятого ряда и связано с третьим управляемым тормозом, а его эпицикл соединен с эпициклом четвертого ряда, с солнечной шестерней пятого ряда и с выходным валом, солнечная шестерня четвертого дополнительного ряда связана с четвертым управляемым тормозом, эпицикл пятого дополнительного ряда связан с пятым управляемым тормозом.