Двухрежимный дифференциальный механизм распределения мощности Российский патент 2025 года по МПК F16H3/64 B60K17/346 B60K17/348 F16H48/06 F16H48/30 B60K23/08 F16H37/08 

Изобретение относится к колесным и гусеничным транспортным средствам (ТС) с распределением мощности между передними и задними ведущими осями (мостами).

Конкретно - к многоприводным автомобилям (легковым и специальным повышенной проходимости, грузовым с приводом более, чем на одну ось), сочлененным колесным и гусеничным машинам с активными секциями; автопоездам с активным прицепным звеном; гусеничным машинам с четырьмя гусеничными обводами и одним корпусом. Модификации заявляемого механизма применимы, в принципе, и на легковых автомобилях и шасси колесных роботов экстремальной проходимости (и геометрической, и опорно-сцепной). Один из вероятных сегментов применимости - беспилотные (дистанционно и автоматически управляемые) мобильные платформы модульных ТС.

Для грузовых автомобилей и форвардеров характерна большая разница значений нормальных реакций под колесами ведущих мостов в снаряженном состоянии и при полной загрузке ТС. Колеса более нагруженных мостов могут передать больший крутящий момент по условию сцепления с грунтом, следовательно, возникает потребность в асимметричном распределении крутящего момента между ведущими осями. В трансмиссиях грузовых автомобилей эта задача решается установкой несимметричного дифференциала в раздаточной коробке [1. Андреев А.В., Ванцевич В.В., Лефаров А.Х. Дифференциалы колесных машин. - М.: Машиностроение, 1987. - 176 с. (с. 5-8, рис. 2). - URL: http://automobile.narod.ru/Books/differential.pdf]. Типично решение, при котором на задние ведущие мосты трехосного грузовика направляется 2/3 крутящего момента, на передний мост - 1/3.

Такое решение отличается относительной простотой, надежностью, долговечностью узла, высоким КПД. Однако, несимметричный дифференциал не допускает регулирования соотношения передаваемых на оси моментов в зависимости от распределения нормальных реакций по осям.

В ряде эксплуатационных условий используют блокировку (самоблокировку) дифференциала посредством предусмотренной для этого фрикционной муфты [1, С. 96-97, рис. 74 Конструкция несимметричного самоблокирующегося дифференциала)] (или самоблокировку - например, в дифференциалах повышенного трения).

Значительную часть времени движения ТС находится в повороте в широком диапазоне изменения значений сил сопротивления движению. 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) [2. 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 редукторную часть в виде планетарного механизма с двумя степенями свободы, 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 управления 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) в гидравлическом приводе элемента управления с целью контроля над силой сжатия во фрикционных парах тормозных элементов [3. RU 2634062 С1, B60K 17/35, F16H 48/30, F16H 37/08, 23.10.2017].

Конструкции, естественно, достаточно сложны, особенно при использовании упомянутого принципа ШИМД.

Интересен, под углом зрения заявляемого изобретения, 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 safety 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 симметричным 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.

Однако это МРМ «межколесный» - устанавливается между левым и правым колесами после главной передачи и в таком виде неприемлем для использования в качестве межосевого распределителя мощности, главным образом из-за чрезмерных для этого массогабаритных показателей и сложности конструкции.

Близким аналогом заявляемого межосевого дифференциального МРМ является межосевой дифференциальный МРМ, содержащий входной вал, связанный с ведущим звеном блокируемого фрикционной муфтой дифференциала, выходные звенья которого связаны с выходными валами переднего и заднего мостов, причем одного из них - непосредственно, а второго - во взаимосвязи с дополнительной зубчатой передачей [5. Андреев А.В., Ванцевич В.В., Лефаров А.Х. Дифференциалы колесных машин. - М.: Машиностроение, 1987. - 176 с. (с. 33-35, рис. 19 «Схема дифференциального межосевого привода с ограниченным передаточным отношением»). - URL: http://automobile.narod.ru/Books/differential.pdf].

В указанном аналоге дополнительная зубчатая передача выполнена в виде цилиндрических зубчатых передач внешнего зацепления с определенным передаточным отношением, обеспечивающим упомянутое распределение мощности между передней и задней осями ТС.

В негативном плане, этот аналог обладает недостаточно высокими массогабаритными характеристиками и возможностями: несимметричный межосевой дифференциал не допускает регулирования соотношении передаваемых на оси крутящих моментов в зависимости от распределения нормальных реакций по осям ТС (вследствие изменения условий движения и загрузки ТС); применение же для этого известных «межколесных» МРМ крайне нецелесообразно по причинам относительной конструктивной сложности, неприемлемости массогабаритных показателей; он практически не адаптирован к разным ТС.

Наиболее близким аналогом заявляемого межосевого дифференциального МРМ (выбран за прототип) является управляемый МРМ между осями ТС, содержащий планетарный ряд («простой дифференциал») с функцией дифференциала, ведущим звеном которого, связанным с входным валом механизма, является эпицикл, водило с установленными на нем сдвоенными сателлитами связано с передним выходным валом механизма, а первые сателлиты из указанных сдвоенных пар связаны, посредством солнечной шестерни, с задним выходным валом механизма, при этом предусмотрен, по меньшей мере, один элемент управления механизмом [6. RU 2785499 С1, МПК F16H 48/30, F16H 37/08, F16H 3/64, 08.12.2022, фиг. 2, СПбПУ Петра Великого, авторы Добрецов Р.Ю. и Семенов А.Г.].

В прототипе дополнительно предусмотрен второй (дополнительный к основному) планетарный ряд, солнечная шестерня, водило и эпицикл которого связаны, соответственно, с эпициклом, солнечной шестерней (и с задним выходным валом) основного планетарного ряда «простой дифференциал» и с элементом управления, причем последний выполнен в виде тормоза. Как обязательный элемент, фигурирует дисковая фрикционная блокирующая муфта (фрикционная муфта сцепления).

Однако при всех своих положительных качествах (снижение упомянутых выше недостатков близкого аналога) и востребованности, прототип не позволяет без конструктивных излишеств обеспечить управляемую двухрежимность механизма - на выбор как симметричного и как несимметричного межосевого дифференциала (со свойственными каждому из них известными преимуществами). Его лишь условно можно назвать конструктивно простым и обладающим достаточно высокими массогабаритными характеристиками.

Задача заключается в устранении указанных недостатков прототипа (с учетом упомянутых аналогов из числа МРМ) и в улучшении технико-эксплуатационных (в приложении к шасси гражданских ТС) или тактико-технических (в приложении к шасси военных и специальных ТС) характеристик за счет относительно простого конструктивно и оригинального обеспечения возможности (с соответствующими корректировками), в дополнение к прототипу, перераспределять, в достаточно широком диапазоне соотношения, крутящий момент между ведущими осями ТС, а также повышения компактности устройства, уменьшения его массы и габаритов, адаптации к разным ТС.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в двухрежимном дифференциальном механизме распределения мощности, содержащем планетарный ряд с функцией дифференциала, ведущим звеном которого, связанным с входным валом механизма, является эпицикл, водило, с установленными на нем сдвоенными сателлитами, связано с передним выходным валом механизма, а первые сателлиты из указанных сдвоенных пар связаны, посредством солнечной шестерни, с задним выходным валом механизма, при этом предусмотрен, по меньшей мере, один элемент управления механизмом, согласно заявляемому изобретению, дополнительно предусмотрена вторая солнечная шестерня, посредством которой вторые сателлиты из указанных сдвоенных пар также связаны с задним выходным валом механизма в параллель с первыми, а элемент управления механизмом выполнен в виде, по меньшей мере, двухпозиционной зубчатой муфты, с возможностью выборочного соединения с задним выходным валом механизма либо первой, либо второй солнечной шестерни из упомянутых.

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

- дифференциал механизма может быть выполнен цилиндрическим или коническим, с кинематическими параметрами k1=+2 и k2=-2 (это позволяет получить наиболее простые схему и конструкцию, расширить возможности использовать широко распространенные симметричные дифференциалы в качестве базового узла устройства механизма, с учетом того, что режим простого симметричного дифференциала выгоден при снаряженной массе ТС);

- механизм может дополнительно содержать дисковую фрикционную блокирующую муфту, выполненную с возможностью соединения выходного вала переднего моста с эпициклом планетарного ряда (это позволяет осуществлять полезную функцию «блокировка дифференциала», при этом дает компоновочные преимущества).

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, совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов устройства. Имеет место эмерджентность («сверхэффект» в патентоведческом значении этого термина), которая(ый) не был (была) очевидной(ым) 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) двух- и трехстепенных планетарных зубчатых механизмов, фрикционных элементов и систем управления трансмиссиями и их составными частями.

Заявляемое устройство двухрежимного дифференциального МРМ в трансмиссии ТС пояснено на чертеже, где показана упрощенная кинематическая схема примера двухрежимного управляемого дифференциального механизма распределения мощности между осями ТС - на основе простого дифференциала, где введены следующие обозначения и номера позиций элементов:

0 - входной («нулевой») вал; х1 и х2 - соответственно передний (к передней оси ТС) и задний (к задней оси ТС) выходные валы механизма; Д - планетарный ряд (дифференциал, на примере зубчатого планетарного ряда); С - зубчатая муфта переключения МРМ в режимах С1 (вправо на фигуре) или С2 (влево на фигуре) механизма; С0 - дисковая фрикционная блокирующая муфта (фрикционная муфта сцепления), являющаяся в данном примере элементом не обязательным, но рекомендуемым; k1 и k2 - кинематические параметры (внутренние передаточные отношения на первом и втором режимах механизма) простого симметричного дифференциала Д в основе механизма (при использовании первого и второго рядов сателлитов соответственно установкой зубчатой муфты С в положения С1 и С2 соответственно);

1 - ведущее звено планетарного ряда с функцией дифференциала; 2 - эпицикл планетарного ряда; 3 - водило планетарного ряда; 4 и 5 - сдвоенные сателлиты в составе планетарного ряда; 6 и 7 - соответственно первая и вторая солнечные шестерни планетарного ряда.

Двухрежимный дифференциальный МРМ содержит планетарный ряд Д с функцией дифференциала. Ведущим звеном 1 дифференциала Д, связанным с входным валом О МРМ, является эпицикл 2. Водило 3 с установленными на нем сдвоенными сателлитами 4 и 5 связано с передним выходным валом х1 МРМ, а первые сателлиты 4 из указанных сдвоенных пар 4, 5 связаны, посредством солнечной шестерни 6, с задним выходным валом х2 МРМ.

В МРМ дополнительно предусмотрена вторая солнечная шестерня 7, посредством которой вторые сателлиты 5 также связаны с задним выходным валом МРМ в параллель с первыми 5. Предусмотрен минимум один элемент управления МРМ, который выполнен в виде, по меньшей мере, двухпозиционной (поз. С1 и С2) зубчатой муфты С, с возможностью выборочного соединения с задним выходным валом х2 МРМ либо первой 6, либо второй 7 солнечной шестерни.

Последующее описание распространяется на дополнительные (не обязательные, но рекомендуемые в соответствующих условиях) конструктивные признаки, «работающие» в сочетании с описанными выше основными признаками заявляемого устройства.

Дифференциал механизма может быть выполнен простым симметричным, причем цилиндрическим или коническим, с кинематическими параметрами k1=+2 и k2=-2 (при использовании первого и второго рядов сателлитов соответственно установкой зубчатой муфты С в положения С1 и С2 соответственно).

Блокирующая муфта С0 связывает выходной вал х1 переднего моста, предпочтительно с эпициклом 2 планетарного яда (дифференциала) Д (на фигуре показано пунктиром).

Для контроля за работой механизма, на выходных его звеньях устанавливают датчики частоты вращения (например, датчики Холла или датчики индукционные) - не показаны.

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

Устройство по принципам функционирования близко к межколесным управляемым МРМ и работает следующим образом.

При работающем двигателе ТС его мощность поступает на входной вал 0.

При положении (в позиции) С1 зубчатой муфты С (вправо на фигуре) механизм работает, как простой симметричный дифференциал, что выгодно при снаряженной массе ТС.

При положении (в позиции) С2 зубчатой муфты С (влево на фигуре) механизм работает, как простой несимметричный дифференциал, что выгодно при полностью загруженном грузовом ТС или при движении на подъем. 1/3 крутящего момента передается на передние ведущие мосты; 2/3 - на задние ведущие мосты, способные реализовать большие силы тяги вследствие большей доли сцепного веса.

При целесообразности временной блокировки МРМ с функцией блокируемого дифференциала, т.е. при наличии нормально выключенной управляемой фрикционной муфты С0, последнюю включают.

На основании изложенного в описании можно резюмировать, что заявляемое устройство позволяет устранить отмеченные выше недостатки прототипа и обеспечить возможность выбора рационального, в конкретных условиях эксплуатации ТС, режима работы МРМ (в режиме либо симметричного, либо несимметричного дифференциала - на выбор, с управлением за счет переключения зубчатой муфты С) при весьма заметных простоте и компактности МРМ.

Изобретение относится к колесным и гусеничным транспортным средствам (ТС) с распределением мощности между передними и задними ведущими осями (мостами). Двухрежимный дифференциальный механизм распределения мощности (МРМ) содержит планетарный ряд с функцией дифференциала (Д). Ведущим звеном (1) дифференциала (Д), связанным с входным валом (0) МРМ, является эпицикл (2). Водило (3) с установленными на нем сдвоенными сателлитами (4 и 5) связано с передним выходным валом х1 МРМ. Первые сателлиты (4) из указанных сдвоенных пар (4, 5) связаны, посредством солнечной шестерни (6), с задним выходным валом (х2) МРМ. В МРМ дополнительно предусмотрена вторая солнечная шестерня (7), посредством которой вторые сателлиты (5) также связаны с задним выходным валом МРМ в параллель с первыми (5). Предусмотрен минимум один элемент управления МРМ, который выполнен в виде по меньшей мере двухпозиционной (поз. С1 и С2) зубчатой муфты (С), с возможностью выборочного соединения с задним выходным валом (х2) МРМ либо первой (6), либо второй (7) солнечной шестерни. Достигается конструктивное упрощение устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухрежимный дифференциальный механизм распределения мощности, содержащий планетарный ряд с функцией дифференциала, ведущим звеном которого, связанным с входным валом механизма, является эпицикл, водило с установленными на нем сдвоенными сателлитами связано с передним выходным валом механизма, а первые сателлиты из указанных сдвоенных пар связаны посредством солнечной шестерни, с задним выходным валом механизма, при этом предусмотрен по меньшей мере один элемент управления механизмом, отличающийся тем, что в механизме дополнительно предусмотрена вторая солнечная шестерня, посредством которой вторые сателлиты из указанных сдвоенных пар также связаны с задним выходным валом механизма в параллель с первыми, а элемент управления механизмом выполнен в виде по меньшей мере двухпозиционной зубчатой муфты, с возможностью выборочного соединения с задним выходным валом механизма либо первой, либо второй солнечной шестерни из упомянутых.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что его дифференциал выполнен цилиндрическим или коническим, с кинематическими параметрами k1=+2 и k2=-2.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что содержит дисковую фрикционную блокирующую муфту, выполненную с возможностью соединения выходного вала переднего моста с эпициклом планетарного ряда.