Бесступенчатая коробка передач Российский патент 2023 года по МПК F16H37/08 F16H9/12 

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам привода с бесступенчатым изменением оборотов и направления вращения выходного вала, и может быть использовано в наземной транспортной технике.

Уровень техники

Известна бесступенчатая передача, раскрытая в патенте РФ на изобретение №2656941 (опубликовано 07.06.2018, МПК F16H 15/50). Бесступенчатая передача содержит фрикционный вариатор и простой трехзвенный планетарный механизм, состоящий из солнечной шестерни, эпициклического колеса и водила с сателлитами. Входной и выходной валы установлены параллельно, на входной валу закреплен зубчатый венец с муфтой включения ведущей цилиндрической шестерни, которая свободно установлена на входном валу и зацеплена с ведомым цилиндрическим колесом, закрепленным на корпусе эпициклического колеса. На зубчатом венце трубчатого вала корпуса установлена муфта блокировки планетарного механизма или остановки эпициклического колеса. Малое фрикционное колесо установлено на шпонке входного вала, прижато к большому фрикционному колесу ведомого вала, которое конической передачей и валом соединено с солнечной шестерней. Водило закреплено на выходном валу. Зубчатый венец этого вала расположен рядом с зубчатыми венцами трубчатого вала корпуса эпициклического колеса и корпуса бесступенчатой передачи.

Известно устройство привода, раскрытое в патенте РФ на изобретение № 2748081 (опубликовано 19.05.2021, МПК F16H 37/08). Известное устройство привода содержит на входе дифференциал, на выходе планетарную передачу, водило которой выполнено заодно с выходным валом устройства, и клиноременный вариатор, связанный с дифференциалом и планетарной передачей через зубчатые передачи. Обороты полуосей дифференциала изменяются посредством изменения передаточного числа вариатора и раздельно подаются на солнечную и коронную шестерни планетарной передачи. Один из потоков подается в противоположном направлении вращения. Обороты солнечной и коронной шестерен дифференциально зависимы. Оси сателлитов увлекаются суммарной скоростью вращения солнечной и коронной шестерен в сторону вращения входного вала или в противоположную с переходом через «ноль».

Известна бесступенчатая вариаторная коробка передач Jatco JF015E – прототип. Известная бесступенчатая коробка передач Jatco JF015E характеризуется последовательным расположением гидротрансформатора, пакета (блока шестерней) передней и задней передач, вариатора и двухступенчатого редуктора со встроенным межколесным дифференциалом. Недостатком данной вариаторной коробки является наличие в конструкции гидротрансформатора, пакета (блока шестерней) передней и задней передач, а также ограниченный эксплуатационный пробег 200…220 тыс. километров. Это связано с растяжением ремня, износом ремня и рабочих поверхностей шкивов вариатора. Модель вариаторной коробки Jatco JF015E устанавливается на легковые автомобили заводов Nissan, Mitsubishi, Chevrolet, Daewoo и др.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в расширении ассортимента клиноременных бесступенчатых коробок передач.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в увеличении эксплуатационного пробега клиноременной бесступенчатой коробки передач.

Дополнительные технические результаты – упрощение конструкции бесступенчатой коробки передач и повышение ее надежности.

Технический результат достигается настоящим изобретением, в качестве которого предложена бесступенчатая коробка передач. Предложенная бесступенчатая коробка передач включает в себя первичный вал, вариатор, который состоит из связанных ремнем ведущего шкива и ведомого шкива, трехзвенный планетарный механизм, который состоит из водила с сателлитами, эпицикла и солнечной шестерни, и выходной вал. В отличие от прототипа предложенная бесступенчатая коробка передач дополнительно включает в себя фрикционно-зубчатую муфту, которая выполнена с возможностью соединять и разъединять первичный вал и первую шестерню, связанную с первым и вторым зубчатыми колесами, зубчатую муфту, которая выполнена с возможностью соединять и разъединять ведущий шкив упомянутого вариатора и второе зубчатое колесо, причем первое зубчатое колесо связано с водилом упомянутого планетарного механизма, при этом эпицикл упомянутого планетарного механизма связан с ведомым шкивом упомянутого вариатора, а сателлиты упомянутого планетарного механизма связаны с солнечной шестерней, которая связана с последовательно связанными выходным валом, второй шестерней и третьим зубчатым колесом.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:

– на ФИГ.1 представлена кинематическая схема бесступенчатой коробки передач;

– на ФИГ.2 представлена конструктивная схема бесступенчатой коробки передач;

– на ФИГ.3 представлен сборочный чертеж бесступенчатой коробки передач;

– на ФИГ.4 представлена первая схема вариатора;

– на ФИГ.5 представлена вторая схема вариатора;

– на ФИГ.6 представлена третья схема вариатора.

На чертежах использованы следующие обозначения:

1 – первичный вал;

2 – фрикционно-зубчатая муфта;

3 – первая шестерня;

4 – первое зубчатое колесо;

5 – второе зубчатое колесо;

6 – ведущий шкив;

7 – ведомый шкив;

8 – ремень;

9 – водило;

10 – оси;

11 – сателлиты;

12 – солнечная шестерня;

13 – выходной вал;

14 – вторая шестерня;

15 – третье зубчатое колесо:

16 – зубчатая муфта;

17 – эпицикл;

18 – коленвал;

19 – двигатель внутреннего сгорания;

20 – приводные колеса;

21 – корпус

22 – одноступенчатый редуктор с межколесным дифференциалом.

Описание вариантов осуществления изобретения

На ФИГ.1 представлена кинематическая схема бесступенчатой коробки передач. В соответствии с представленной кинематической схемой первичный вал 1 бесступенчатой коробки передач входит в соединение с находящимися на одной оси фрикционно-зубчатой муфтой 2 и первой шестерней 3. Фрикционно-зубчатая муфта выполнена с возможностью соединять и разъединять первичный вал 1 и первую шестерню 3. Первая шестерня 3 входит в зацепление с первым зубчатым колесом 4 и вторым зубчатым колесом 5.

Вариатор состоит из ведущего шкива 6 и ведомого шкива 7, которые связаны между собой ремнем 8.

Первое зубчатое колесо 4 входит в соединение с находящимся на одной оси водилом 9 трехзвенного планетарного механизма. На осях 10 водила 9 установлены сателлиты 11. Сателлиты 11 входят в зацепление с солнечной шестерней 12, которая связана с последовательно связанными выходным валом 13, второй шестерней 14 и третьим зубчатым колесом 15.

Второе зубчатое колесо 5 входит в соединение с зубчатой муфтой 16, которая выполнена с возможностью соединять и разъединять второе зубчатое колесо 5 и ведущий шкив 6 вариатора. Ведомый шкив 7 вариатора входит в соединение с эпициклом 17. Эпицикл 17 входит в зацепление с сателлитами 11.

Первичный вал 1 связан с коленвалом 18 двигателя внутреннего сгорания 19. Третье зубчатое колесо 15 связано с приводными колесами 20.

Бесступенчатая коробка передач собрана в корпусе 21.

На ФИГ.2 представлена конструктивная схема бесступенчатой коробки передач, на ФИГ.3 представлен сборочный чертеж бесступенчатой коробки передач. Обозначения на указанных фигурах соответствуют обозначениям на ФИГ.1. В соответствии с ФИГ.2, солнечная шестерня 12 соединяется с одноступенчатым редуктором с межколесным дифференциалом 22.

Скорость вращения зубчатого колеса 15, равная скорости вращения приводных колес 20 определяется по формуле:

где n₁ – частота вращения первичного вала 1, равная частоте вращения коленвала 18, об/мин;

– передаточное число планетарной ступени с остановленной солнечной шестерней 12.

Передаточное число планетарного механизма определяется по следующей формуле:

где z₁₂ – число зубьев солнечной шестерни 12;

z₁₇ – число зубьев эпицикла 17;

i₃ – передаточное число зубчатой пары первой шестерни 3 и первого зубчатого колеса 4.

Передаточное число зубчатой пары 3 и 4 определяется по следующей формуле:

где z₃ – число зубьев первой шестерни 3;

z₄ – число зубьев первого зубчатого колеса 4;

i₁- переменное передаточное число вариатора.

Переменное передаточное число вариатора определяется по следующей формуле:

где n₆ – скорость вращения ведущего шкива вариатора 6, об/мин;

n₇ – скорость вращения ведомого шкива вариатора 7, об/мин;

i₂ – передаточное число зубчатой пары, включающей первую шестерню 3 и второе зубчатое колесо 5. Определяется по следующей формуле:

z₅ – число зубьев зубчатого колеса 5.

i₄ – передаточное число одноступенчатого редуктора 22. Определяется по формуле:

z₁₄ – число зубьев шестерни 14;

z₁₅ – число зубьев третьего зубчатого колеса 15;

– передаточное число планетарного механизма с остановленным водилом 9.

Коробка имеет следующие режимы работы – «Парковка», «Динамическая парковка», «Движение задним ходом», «Нейтральное положение», «Движение вперед».

В режиме «Парковка» первичный вал 1 с помощью фрикционно-зубчатой муфты 2 разъединен с первой шестерней 3.

В режиме «Нейтральное положение» ведущий шкив 6 вариатора с помощью зубчатой муфты 16 разъединен со вторым зубчатым колесом 5.

В режимах «Динамическая парковка», «Движение задним ходом», «Движение вперед» коробка работает следующим образом. Вращение первичного вала 1 через включенную фрикционно-зубчатую муфту 2 и первую шестерню 3 одновременно вызывает противоположно направленное вращение второго и первого зубчатых колес 5 и 4. Вращение второго зубчатого колеса 5 воспринимается включенной зубчатой муфтой 16 и ведущим шкивом 6 вариатора, который через ремень 8 передает вращение ведомому шкиву 7 вариатора. Ведомый шкив 7 передает вращение эпициклу 17. Вращение первого зубчатого колеса 4 воспринимается водилом 9, которое передает диаметральное вращение осям 10 сателлитов и сателлитам 11.

В режиме «Динамическая парковка» одновременно входящие в зацепление с эпициклом 17 и солнечной шестерней 12 вращающиеся сателлиты 11 не вызывают вращение солнечной шестерни 12, т.е. скорость вращения третьего зубчатого колеса 15 равна нулю n₁₅=0. Это объясняется тем, что выдерживается соотношение скоростей вращений эпицикла 17 и водила 9, при котором соблюдается следующее равенство работы вариатора:

При этом ремень 8 вариатора (фиг. 4) находится в определенном срединном положении своего диапазона регулирования, которое рассчитывается исходя из цепи передаточных чисел всей схемы коробки. Таким образом, в режиме «Динамическая парковка» скорость вращения выходного звена третьего зубчатого колеса 15 имеет нулевое значение, а это значит, что гидротрансформатор в этой конструкции коробки не требуется.

В режиме «Движение задним ходом» одновременно входящие в зацепление с эпициклом 17 и солнечной шестерней 12 вращающиеся сателлиты 11 вызывают противоположно направленное вращение солнечной шестерни 12, выходного вала 13 и второй шестерни 14. Вторая шестерня 14 вызывает противоположно направленное вращение третьему зубчатому колесу 15, которое не совпадает с направлением вращения первичного вала 1. Это объясняется тем, что выдерживается соотношение скоростей вращений эпицикла 17 и водила 9, при котором соблюдается следующее условие работы вариатора:

Знак равенства означает, что режим «Движение задним ходом» имеет диапазон скоростей вращения третьего зубчатого колеса 15, в которое входит нулевое значение n₁₅=0.

В режиме «Движение задним ходом» вариатор работает на убыстрение (фиг. 5). Чем выше скорость вращения ведомого шкива 7, тем больше отрицательная, относительно первичного вала 1, скорость вращения выходного звена третьего зубчатого колеса 15. Таким образом, для работы коробки в режиме «Движение задним ходом» пакета (блока шестерней) передней и задней передач не требуется.

В режиме «Движение вперед» одновременно входящие в зацепление с эпициклом 17 и солнечной шестерней 12 вращающиеся сателлиты 11 вызывают совпадающее вращение солнечной шестерни 12, выходного вала 13 и второй шестерни 14. Шестерня 14 вызывает противоположно направленное вращение третьему зубчатому колесу 15, которое совпадает с направлением вращения первичного вала 1. Это объясняется тем, что выдерживается соотношение скоростей вращений эпицикла 17 и водила 9, при котором соблюдается следующее условие работы вариатора:

Знак равенства означает, что режим «Движение вперед» имеет диапазон скоростей вращения зубчатого колеса 15, в которое входит нулевое значение n₁₅=0.

В режиме «Движение вперед» вариатор работает на замедление (фиг. 6), чем ниже скорость вращения ведомого шкива 7, тем выше, относительно первичного вала 1, скорость вращения выходного звена третьего зубчатого колеса 15. Таким образом, для работы коробки в режиме «Движение вперед» пакета (блока шестерней) передней и задней передач не требуется.

Фрикционно-зубчатая муфта 2 предназначена для разъединения вращающегося первичного вала 1 с первой шестерней 3 при работе коробки в режиме «Парковка» и для плавного соединения вращающегося первичного вала 1 с первой шестерней 3 при работе коробки в режиме «Динамическая парковка». Зубчатая муфта 16 предназначена для защиты вариатора от перегрузки при работе коробки в режиме «Динамическая парковка» в случае, когда не выполняется условие:

Пример расчета скорости вращения зубчатого колеса 15 при работе коробки в режимах «Динамическая парковка», «Движение задним ходом», «Движение вперед».

Для расчёта скорости вращения зубчатого колеса n₁₅ принимаются следующие значения:

i₂=1,1

i₃=1,3

i₄=4,5

=1,3

=0,3,

диапазон регулирования вариатора Д=2,81.

При работе коробки в режиме «Динамическая парковка» скорость вращения первичного вала 1 принимается n₁=700…3500 об/мин и более.

Соблюдая условие:

получаем i₁=0,9091, n₁₅=0 об/мин.

При работе коробки в режиме «Движение задним ходом» скорость вращения первичного вала 1 принимается n₁=700…1500 об/мин.

Соблюдая условие:

и ограничение диапазона регулирования вариатора получаем i₁=0,9091...0,7, n₁₁=0…-476 об/мин.

При работе коробки в режиме «Движение вперед» скорость вращения первичного вала 1 принимается n₁=700…3500 об/мин.

Соблюдая условие

и ограничение диапазона регулирования вариатора получаем i₁=0,9091..2,77, n₁₅=0…1656,6 об/мин.

При определении скорости автомобиля по формуле V=0,19Dn₁₂ (км/час), где диаметр колеса D=0,7м (шина 225/55R18) получаем следующие значения:

Режимы работы коробки Передаточное число вариатора, i₁ Частота вращения коленвала n₁, об/мин Скорость вращения колёс n₁₅, об/мин Скорость автомобиля V, км/час Динамическая парковка 0,9091 700 и более 0 0 Движение вперед 0,9091…2,77 700…3500 0…1656 0…220 Движение задним ходом 0,9091…0,7 700…1500 -476…0 0…63

Крутящий момент М₁₅ на выходном звене третьего зубчатого колеса 15 в режимах «Движение задним ходом», «Движение вперед» определяется по формуле:

M₁₅=M₁U_к

где: М₁ – крутящий момент на первичном валу 1, равный крутящему моменту двигателя внутреннего сгорания 19;

U_k – передаточное число коробки.

Увеличение эксплуатационного пробега на 50% достигается тем, что полученный первичным валом 1 от двигателя внутреннего сгорания 19 крутящий момент с помощью первой шестерни 3 и зубчатых колес 4 и 5 делится на два равных параллельно идущих потока, один из которых вращает водило 9, а второй через вариатор эпицикл 17. В результате получаем, что вариатор воспринимает 50% крутящего момента двигателя внутреннего сгорания 19. С учетом передаточного числа i₂ крутящий момент вариатора Мв при работе коробки в режимах «Движение задним ходом» и «Движение вперед», определяется по формуле:

M_в=0,5M₁i₂

Таким образом, принимаем, что растяжения ремня, износ ремня и рабочих поверхностей шкивов вариатора за период эксплуатации равному периоду эксплуатации прототипа, уменьшаются вдвое и устанавливаем, что у коробки со встроенным вариатором, рассчитанным на максимальный крутящий момент, как у прототипа, при использовании материалов с теми же износостойкими и прочностными характеристиками коробки, эксплуатационный пробег увеличится на 50% до 300...320 тыс. км.

Изобретение относится к устройствам привода с бесступенчатым изменением оборотов и направления вращения выходного вала. Бесступенчатая коробка передач включает в себя первичный вал, вариатор, трехзвенный планетарный механизм и выходной вал. Вариатор состоит из связанных ремнем ведущего шкива и ведомого шкива. Бесступенчатая коробка передач дополнительно включает в себя фрикционно-зубчатую муфту, выполненную с возможностью соединять и разъединять первичный вал и первую шестерню, связанную с первым и вторым зубчатыми колесами. Бесступенчатая коробка передач также дополнительно включает зубчатую муфту, выполненную с возможностью соединять и разъединять ведущий шкив вариатора и второе зубчатое колесо. Первое зубчатое колесо связано с водилом планетарного механизма. Эпицикл планетарного механизма связан с ведомым шкивом вариатора, а сателлиты планетарного механизма связаны с солнечной шестерней, которая связана с последовательно связанными выходным валом, второй шестерней и третьим зубчатым колесом. Достигается упрощение конструкции бесступенчатой коробки передач и повышение ее надежности. 6 ил.

Бесступенчатая коробка передач, включающая в себя первичный вал, вариатор, который состоит из связанных ремнем ведущего шкива и ведомого шкива, трехзвенный планетарный механизм, который состоит из водила с сателлитами, эпицикла и солнечной шестерни, и выходной вал, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя фрикционно-зубчатую муфту, которая выполнена с возможностью соединять и разъединять первичный вал и первую шестерню, связанную с первым и вторым зубчатыми колесами, зубчатую муфту, которая выполнена с возможностью соединять и разъединять ведущий шкив упомянутого вариатора и второе зубчатое колесо, причем первое зубчатое колесо связано с водилом упомянутого планетарного механизма, при этом эпицикл упомянутого планетарного механизма связан с ведомым шкивом упомянутого вариатора, а сателлиты упомянутого планетарного механизма связаны с солнечной шестерней, которая связана с последовательно связанными выходным валом, второй шестерней и третьим зубчатым колесом.