Трансмиссия секционной колесной машины, преимущественно трактора с шарнирно-сочлененной рамой Российский патент 2023 года по МПК B60K17/35 F16H37/08 

Изобретение относится к колесным транспортным средствам (ТС) - наземным ТС и планетоходам, преимущественно к тракторам с шарнирно-сочлененной рамой.

Значительную часть времени движения ТС находится в повороте, в широком диапазоне сопротивления со стороны окружающей среды (местности). Кроме того, и при прямолинейном движении ТС неодинаковое сопротивление движению под левыми и правыми бортами (гусеницами или колесами) обусловливает неустойчивость заданного режима движения.

Устойчивость, управляемость, тягово-динамические характеристики, проходимость на местности современных ТС обеспечиваются установкой на их шасси механизмов распределения мощности (МРМ) между «бортами» - левым(и) и правым(и) ведущим(и) колесом(ми), которые во многих литературных источниках (в основном в отношении к гусеничным машинам) называют механизмами передачи и поворота (МПП) [1. Расчет и конструирование гусеничных машин / Н.А. Носов и др.; под ред. проф. Н.А. Носова. - Л.: Машиностроение, 1972. - 560 с. - Гл. IX « Механизмы поворота, С. 346-398.].

Одним из примеров МРМ (МПП) может служить МРМ, содержащий двухстепенную редукторную часть, входное звено которого опосредованно связано с двигателем, а выходные звенья опосредованно, например через полуоси, связаны с левым и правым ведущими колесами ТС, с планетарными зубчатыми рядами - нулевым, первым и вторым, причем нулевой, непосредственно связанный с упомянутым входным звеном, - с функцией простого дифференциала, а также содержащий тормозные элементы с возможностью выборочного, управляемого тормозного воздействия на звенья редукторной части и электронную систему управления упомянутыми тормозными элементами, при этом редукторная часть выполнена с четырьмя цилиндрическими трехзвенными планетарными зубчатыми рядами, включая дополнительный редукторный, при этом входное ее звено непосредственно соединено со звеньями двух планетарных рядов, а система управления тормозными элементами выполнена с возможностью широтно-импульсной модуляции давления (ШИМД) во фрикционных парах тормозных элементов [2. RU 2634062 С1, B60K 17/35, F16H 48/30, F16H 37/08, 23.10.2017].

В связи с упоминанием ШИМД, следует отметить, что в области транспортного машиностроения (в том числе в системах управления поворотом гусеничных машин с использованием фрикционных тормозных элементов) рассматриваются возможности реализации ШИМД [3. К методу оценки частоты импульсного управления поворотом гусеничной машины / Бойков А.В., Григорьев А.П., Русинов Р.В. // Рабочие процессы в компрессорах и установках с ДВС: межвузовский сборник. - Л.: Изд-во ЛПИ им. М.И. Калинина, 1987. - С.73-78].

Близким аналогом заявляемого устройства является МРМ в трансмиссии автомобиля, содержащий редукторную часть с двумя степенями свободы («двухстепенной редуктор»), входное звено которого опосредованно связано с двигателем, а выходные звенья опосредованно, например через полуоси, связаны с ведущими колесами автомобиля, с планетарными зубчатыми рядами - нулевым, первым и вторым, причем нулевой, непосредственно связанный с входным звеном, является простым дифференциалом, тормозные элементы с возможностью дифференцированного тормозного воздействия на звенья редукторной части и электронную систему управления упомянутыми тормозными элементами, связанную с рулевым механизмом с возможностью поворота управляемых колес автомобиля [4. Dr. Claus Granzov. ZV Vector Drive - better driving dynamics and diving Satety through Torque Vectoring // http://www.irs.kit.edu/download/131213_GC_TorqueVectoring_ZF_Handout.pdf. 13.12.2013].

В нем редукторная часть выполнена с простым коническим дифференциалом и двумя, слева и справа от упомянутого конического дифференциала, одинаковыми цилиндрическими трехзвенными планетарными зубчатыми рядами со ступенчатыми сателлитами, при этом входное звено редукторной части (корпус конического дифференциала) соединено с зубчатым солнцем малой ступени указанного сателлита, большая ступень последнего соединена посредством другого зубчатого солнца с одной из полуосей и, далее, с одним из ведущих колес автомобиля, а водило -с дисковыми подвижными элементами тормоза.

Этот аналог позволяет реализовывать подводимую к ведущим колесам автомобиля мощность в соответствии с условиями движения ТС. Однако, во-первых, расположение этого МРМ после главной передачи и, во-вторых, «обрастание» МРМ дополнительными механическими, гидравлическими и электронными устройствами приводит к ухудшению массогабаритных показателей и росту себестоимости.

Другим близким аналогом является МРМ в трансмиссии автомобиля, содержащий двухстепенную редукторную часть с нулевым с функцией простого дифференциала, первым и вторым зубчатыми планетарными механизмами - рядами, входное звено которой, состоящее из двух параллельных частей, с одной стороны опосредованно, по меньшей мере через коробку передач, связано с двигателем ТС, с другой стороны соединено со звеньями, по меньшей мере, двух ее планетарных рядов, а выходные звенья опосредованно, например через полуоси и бортовые передачи, связаны с ведущими колесами ТС, тормозные элементы с возможностью дифференцированного тормозного воздействия на звенья редукторной части, и электронную систему управления тормозными элементами, связанную с устройством управления поворотом ТС, при этом редукторная часть выполнена с тремя цилиндрическими трехзвенными планетарными зубчатыми рядами, при этом входное ее звено соединено со звеньями, по меньшей мере, двух планетарных рядов, а система управления тормозными элементами выполнена с использованием принципа ШИМД во фрикционных контактных парах тормозных элементов [5. RU 2618830 С2, B60K 17/35, F16H 48/30, F16H 37/08, 11.05.2017, пп. 1 и 2 ф-лы изобретения].

В качестве недостатка аналога можно отметить его относительную конструктивную сложность.

К числу близких аналогом можно приобщить также МРМ, содержащий связанный входным звеном с электродвигателем вспомогательный редуктор R1, выходное звено которого связано, в параллель, с управляемым дифференциалом и зубчатым планетарным редуктором R2 перераспределения силы тяги по полуосям X₁ и Х₂ трансмиссии, выходное звено которого связано с одной из упомянутых полуосей, например X₂, дисковые фрикционные муфты, управляемые, посредством гидравлического или электромагнитного приводов и электронной системы управления, взаимосвязанными с устройством управления поворотом транспортного средства, а также картер механизма [6. RU 2763002 С1, МПК (2006.01) B60K 17/35; F16H 48/30; F16H 37/08, 24.12.2021.].

В нем редуктор R2 выполнен в виде двух планетарных рядов со сдвоенными сателлитами, при этом входное звено (1) редуктора R2 связано с эпициклом первого (левого) планетарного ряда, выходное звено (3) - с эпициклом второго (правого) ряда, а водила (4) и (5) этих рядов перекрестно связаны с солнечными шестернями соседних рядов и с управляемыми тормозами (Т3), (Т4), при этом предусмотрены фрикцион и тормоз на входе в дифференциал.

Такое устройство также недостаточно просто конструктивно и не адаптировано к колесным машинам с сочлененными рамами (секционным машинам).

Наиболее близким аналогом заявляемой трансмиссии (выбран за прототип) является трансмиссия трактора с шарнирно-сочлененной рамой (трактора семейства «Кировец»), содержащая связанный соединительным механизмом трансформирующий механизм (коробку передач), раздаточный механизм, выходы которого связаны карданными передачами со встроенными в центральные части ведущих колесных мостов и последовательно соединенными главными передачами и механизмами распределения мощности между колесами, причем симметричные оппозитные выходы последних связаны, посредством полуосей, с колесными редукторами, а также систему управления поворотом машины, снабженную рулевым приводом [7. Шувалов Е.А. Повышение работоспособности трансмиссий тракторов. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. - 126 с, ил. Предисловие с. 3, последний абз.; с. 8, п. 1.2, рисунки 1.3, 1.4, 1.10, 1.12; 8. (Доп.источник информации): Теория и расчет трактора «Кировец» / Е.А. Шувалов и др. Под общей ред. А.В. Бойкова. - Л., Машиностроение, 1980. - 208 с. - Рис. 6.12 Схема карданных передач трактора].

Она выполнена бездифференциальной на основе муфт свободного хода (МСХ), иначе говоря - обгонных муфт, связанных каждая выходным своим звеном с упомянутой полуосью. Это характеризует прототип как достаточно простое техническое решение (что хорошо).

Однако трансмиссия-прототип (трансмиссия «Кировца» с МСХ) [7] ненадежна (МСХ изнашивались быстро, работали неправильно, машина имела склонность к заносу и опрокидыванию). Заменив механизм с МСХ на дифференциалы, создатели семейства «Кировец» получили проблемы распределения мощности при значительной разнице коэффициентов сцепления под колесами моста. Возможная, в принципе, доработка дифференциала устройством его блокировки, например с пневмоприводом, представляется не лучшим вариантом решения описанных проблем.

Повышенные нагрузки на механизм поворота и, наоборот, пониженные показатели устойчивости движения, управляемости и проходимости сочлененного (секционного) шасси обусловливают недостаточно высокие технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) машины.

Проблема (задача) заявляемого изобретения заключается в устранении указанных недостатков прототипа [7] и в улучшении ТЭХ ТС за счет:

- превентивного решения вопроса блокировки дифференциала по сравнению с дифференциальными трансмиссиями;

- снижения нагрузки на рулевой механизм и привод;

- повышения надежности срабатывания МРМ по сравнению с прототипом, имеющим МРМ на основе МСХ;

- увеличения дорожного просвета;

- выигрыша в радиальном габарите по сравнению с предложениями по использованию управляемых МРМ.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в трансмиссии секционной колесной машины, преимущественно трактора с шарнирно-сочлененной рамой, содержащей связанный непосредственно или соединительным механизмом трансформирующий механизм, например коробку передач, раздаточный механизм, выходы которого связаны карданными передачами или валами с ШРУС со встроенными в центральные части ведущих колесных мостов и последовательно соединенными главными передачами и механизмами распределения мощности между колесами, причем симметричные оппозитные выходы последних связаны, посредством полуосей, с колесными редукторами, а также систему управления поворотом машины, снабженную рулевым приводом, согласно заявляемому изобретению, каждый механизм распределения мощности выполнен в виде расположенных непосредственно слева и справа от главной передачи двух одинаковых простых планетарных рядов, связанных каждый первым основным звеном с выходным звеном главной передачи, вторым - с нормально включенным управляемым тормозом фрикционного типа, а третьим - с упомянутой полуосью.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- в качестве упомянутых первого, второго и третьего основных звеньев планетарного ряда могут быть использованы, соответственно, солнечная шестерня, эпицикл и водило (это это в наибольшей степени рационализирует выбор потребных передаточных отношений в МРМ, в том числе и для главной передачи, и для простых планетарных рядов, дополнительно улучшает компоновку МРМ в мостах, обеспечивая их компактность);

- тормоза механизма распределения мощности могут быть связаны с системой управления, включая упомянутый рулевой привод и, дополнительно, подсистему управления тормозами с использованием широтно-импульсной модуляции, с возможностью выборочного или совместного выключения-включения тормозов в регулируемом импульсном режиме с частотой, зависящей от потребного распределения мощности между колесами ведущего моста (это позволяет удачно дополнить механическую часть предлагаемого МРМ в сочетании с рулевым управлением секционного ТС с «ломающейся» рамой известной, в принципе, системой ШИМ, с ее адаптацией именно к колесным шасси с указанным способом поворота).

Среди известных устройств и способов не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Четкое разграничение ограничительной и отличительной частей приведенных совокупностей существенных признаков, отражающее результаты сравнительного анализа заявляемого устройства с прототипом, соотносятся с мировым уровнем новизны технического решения. Мировой уровень новизны - первый из триады признаков (критериев) изобретения.

Далее, совокупности отличительных существенных признаков заявляемой трансмиссии не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место «эмерджентность», т.е. «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), которая(ый) не была(ыл) очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники, разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения. С целым спектром дополнительных технико-эксплуатационных возможностей. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же накопленного опыта проектирования, производства и эксплуатации (практического использования) планетарных зубчатых механизмов, фрикционных элементов и систем управления трансмиссиями и их составными частями (включая ШИМ).

Заявляемое устройство трансмиссии пояснено на чертежах (фиг.1-3): на фиг.1 показана схема трансмиссии (устройства), где 1 - соединительный механизм между двигателем и трансформирующим механизмом (может отсутствовать); 2 - трансформирующий механизм; 3 - раздаточный механизм; 4 - карданные передачи или валы с ШРУС; 5 - главная передача; 6 - механизм распределения мощности (МРМ) управляемый бездифференциальный; 7л и 7п - полуоси или вал (7) привода колесных редукторов; 8п и 8 л. - колесные редукторы.

на фиг.2 - кинематическая схема бездифференциального МРМ, где КР - колесный редуктор (одинаковые для левого и правого бортов); Т_л и Т_п - левый и правый тормоза (фрикционного типа) соответственно; 5 - главная передача; 9л и 9п -соответственно левый и правый простые планетарные ряды в составе (основе) МРМ; 10л и 10п - солнечные шестерни рядов 9; 11л и 11п - эпициклы рядов 9; 12л и 12п - водила рядов 9.

на фиг.3 - блок-схема системы управления (СУ) поворотом машины, снабженная подсистемой широтно-импульсной модуляции (ШИМ), где Т_л и Т_п - левый и правый тормоза; со - угол взаимного поворота секций рамы в плоскости плана (по азимуту); 13 - СУ; 14 - рулевое управление; 15 - приводы взаимного поворота секций (полурам) машины в плоскости плана (по азимуту); 16 - подсистема управления тормозами Тп и Тл; 17 - подсистема ШИМ; 18 - приводы управления тормозами Тл и Тп.

Трансмиссия секционной колесной машины (транспортного средства), преимущественно трактора с шарнирно-сочлененной рамой, содержит связанный непосредственно или соединительным механизмом трансформирующий механизм, например коробку передач, раздаточный механизм, выходы которого связаны карданными передачами или валами с шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС) со встроенными в центральные части ведущих колесных мостов и последовательно соединенными главными передачами и механизмами распределения мощности (МРМ) между колесами. Симметричные оппозитные выходы последних связаны, посредством полуосей, с колесными редукторами.

Предусмотрена система управления (СУ) поворотом машины, снабженная рулевым приводом.

Трансмиссия выполнена бездифференциальной.

При этом каждый МРМ выполнен в виде расположенных непосредственно слева и справа от главной передачи двух одинаковых простых планетарных рядов, связанных каждый первым основным звеном с выходным звеном главной передачи, вторым - с нормально включенным управляемым тормозом фрикционного типа, а третьим - с упомянутой полуосью.

Дальнейшее описание устройства распространяется на дополнительные конструктивные его признаки (совокупности признаков, которые в принципе не обязательны, но рекомендуются к использованию в усиление заявляемого технического результата.

В качестве первого, второго и третьего основных звеньев каждого планетарного ряда использованы, соответственно, солнечная шестерня, эпицикл и водило.

В принципе, можно было бы использовать, например, эпицикл, водило и солнечную шестерню соответственно. Но тогда параметры главной передачи и соотношение передаточных чисел устройств в центральной части моста будут менее рациональными (недоиспользование возможностей предлагаемой схемы).

Тормоза МРМ связаны с СУ 13 (см. фиг.3), включая упомянутый рулевой привод 15 и, дополнительно, подсистему 16 управления тормозами с использованием подсистемы 17 широтно-импульсной модуляции (ШИМ), с возможностью выборочного или совместного выключения-включения тормозов Т_л и Т_п в регулируемом импульсном режиме с частотой, зависящей от потребного распределения мощности между колесами ведущего моста.

При этом, согласно фиг.3, рулевой привод 15 связан подсистемой 15 рулевого управления, последняя взаимосвязана с блоком 17 ШИМ, а приводы 18 связаны с подсистемой 14 рулевого управления через подсистему 16 управления тормозами Т_л и Т_п.

Для контроля за работой МРМ, на выходных звеньях шасси устанавливают датчики частоты вращения (например, датчики Холла или датчики индукционные) -аналогично схеме прототипа (см. [5], фиг.1).

Возможны другие кинематические схемы и конструкции в рамках заявляемых основной и дополнительных совокупностей существенных признаков.

Устройство работает следующим образом, под электронным управлением.

Мощность от ведомой шестерни главной передачи передается на солнечные шестерни планетарных рядов 9 л и 9п.

При прямолинейном движении машины (ТС) тормоза Т_л и Т_п рядов 9л и 9п соответственно включены (дисковые фрикционные элементы управления - ФЭУ, нормально включенные), эпициклы 10л и 10п остановлены, мощность снимается с водил 11л и 11п и, посредством полуосей 7 л и 7п (или вала 7 - не показано) передается на колесные редукторы 8 л и 8п, а далее - на ведущие колеса (не показано). Прямолинейное движение устойчиво.

При повороте машины (ТС) от датчика (в составе СУ 13, подсистеме 14 - см. фиг.3, может быть расположен на рулевой колонке или на рулевом приводе) поступает сигнал, содержащий информацию о направлении поворота машины. С помощью приводаактуатора (гидроцилиндр или электромеханический привод - в зависимости от исполнения) отключается тормоз Т (один из тормозов Тл, Тп) ряда 9 (соответственно, 9 л или 9п), связанный с колесным редуктором КР отстающего борта (соответственно 8 л или 8п). Колесо отстающего борта вращается свободно. Сила тяги на забегающем борту формирует поворачивающий момент, помогая гидроприводу механизма поворота преодолеть момент сопротивления повороту). Дополнительный эффект можно получить, подтормаживая колесо отстающего борта.

Управление тормозами Тп и Тл осуществляется от СУ 13 очевидным из блок-схемы фи. 3 образом для специалистов по ТС и СУ.

При наличии ШИМ подсистема 15 обеспечивает требуемый режим подтормаживания (торможения) левого или правого колес машины (ТС).

Таким образом, если управление распределением мощности активно, соответствующие планетарные ряды 9п, 9 л увеличивают или уменьшают момент на своем выходном звене, а значит и на «своем» колесе ведущего моста.

На основании изложенного в описании, можно резюмировать, что заявляемое устройство, независимо от выбора того или иного частного примера схемы и конструкции (МРМ-1, МРМ-2 и т.д.), позволяет устранить отмеченные выше недостатки прототипа и улучшить технико-эксплуатационные характеристики машины, за счет снижения нагрузок на механизм поворота сочлененного шасси, повышения устойчивости движения, управляемости и проходимости сочлененного шасси.

А в более развернутом виде, за счет:

- превентивного решения вопроса блокировки дифференциала по сравнению с дифференциальными трансмиссиями;

- снижения нагрузки на рулевой механизм и привод (ожидаемый момент разгрузки составит (для одного МРМ)величину ϕGB, где ϕ - коэффициент сцепления с грунтом; G - сцепной вес машины; В - колея машины);

- повышения надежности срабатывания МРМ по сравнению с прототипом, имеющим МРМ на основе МСХ;

- увеличения дорожного просвета;

- выигрыша в радиальном габарите по сравнению с предложениями по использованию управляемых МРМ.

Изобретение относится к колесным транспортным средствам. Трансмиссия трактора с шарнирно-сочлененной рамой содержит трансформирующий механизм, раздаточный механизм и систему управления поворотом машины, снабженную рулевым приводом. Трансформирующий механизм связан непосредственно или с помощью соединительного механизма с двигателем и выполнен в виде коробки передач. Выходы раздаточного механизма связаны карданными передачами или валами с ШРУС со встроенными в центральные части ведущих колесных мостов и последовательно соединенными главными передачами и механизмами распределения мощности между колесами, причем симметричные оппозитные выходы последних связаны, посредством полуосей, с колесными редукторами. Каждый механизм распределения мощности выполнен в виде расположенных непосредственно слева и справа от главной передачи двух одинаковых простых планетарных рядов, связанных каждый первым основным звеном с выходным звеном главной передачи, вторым - с нормально включенным управляемым тормозом фрикционного типа, а третьим - с упомянутой полуосью. Достигается повышение технико-эксплуатационных характеристик машины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Трансмиссия секционной колесной машины, преимущественно трактора с шарнирно-сочлененной рамой, содержащая трансформирующий механизм, связанный непосредственно или с помощью соединительного механизма с двигателем и выполненный в виде коробки передач, раздаточный механизм, выходы которого связаны карданными передачами или валами с ШРУС со встроенными в центральные части ведущих колесных мостов и последовательно соединенными главными передачами и механизмами распределения мощности между колесами, причем симметричные оппозитные выходы последних связаны, посредством полуосей, с колесными редукторами, а также систему управления поворотом машины, снабженную рулевым приводом, отличающаяся тем, что каждый механизм распределения мощности выполнен в виде расположенных непосредственно слева и справа от главной передачи двух одинаковых простых планетарных рядов, связанных каждый первым основным звеном с выходным звеном главной передачи, вторым - с нормально включенным управляемым тормозом фрикционного типа, а третьим - с упомянутой полуосью.

2. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве упомянутых первого, второго и третьего основных звеньев планетарного ряда использованы соответственно солнечная шестерня, эпицикл и водило.

3. Трансмиссия по п. 1, отличающаяся тем, что тормоза механизма распределения мощности связаны с системой управления, включая упомянутый рулевой привод и дополнительно подсистему управления тормозами с использованием широтно-импульсной модуляции, с возможностью выборочного или совместного выключения-включения тормозов в регулируемом импульсном режиме с частотой, зависящей от потребного распределения мощности между колесами ведущего моста.