Автоматическая коробка передач

(51) 60 31/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ половина установлена на обгонных муфтах,ступицы которых по скользящей посадке связаны с ведомым валом, при этом ступицы имеют возможность разъединения и соединения с ведомым валом посредством подпружиненных шариков,размещенных в радиальных отверстиях вала, кроме этого тихоходная передача установлена одновременно на двух обгонных муфтах противоположного зацепления. Радиальное перемещение шариков осуществляются посредством ключа управления, который расположен в центральном отверстии ведомого вала и выполнен с двумя ступенчатыми цилиндрическими поверхностями и наклонной поверхностью между ними, которые взаимодействуют с шариками, кроме этого торцевые поверхности ключа управления постоянно контактируют с плавающим валом и с упругим элементом. Плавающий вал выполнен с винтовой и шлицевой поверхностями, которые постоянно находятся в контакте соответственно с внутренними шлицами вала механизма сцепления и с винтовой нарезкой полого первичного вала коробки передач, и имеет возможность возвратнопоступательного движения в осевом направлении.(76) Овчаров Михаил Степанович , Овчаров Андрей Михайлович(56) Проектирование трансмиссий автомобилей Справочник/Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М. Машиностроение, 1984(57) Изобретение относится к механическим передачам, в частности к автоматическим коробкам передач. Задачей изобретения - автоматизация процессом работы механической коробки передач, снижение сложности конструкции и повышение коэффициента полезного действия. Устройством для достижения указанной цели является коробка передач автомобиля в котором первичный и ведомый валы выполнены полыми соответственно с винтовой нарезкой и цилиндрической поверхностью, а все шестерни(кроме шестерни включения в работу) находятся в постоянном зацеплении, причем половина из них жестко связана с промежуточным валом, а другая 20790 Предлагаемое изобретение относится к механическим передачам,которые широко используются на морских судах, автомобилях,тракторах, строительно-дорожных и подъемно транспортных машинах, в частности, в коробках передач автомобилей. Известны гидромеханические передачи, которые состоят из гидромуфты или гидротрансформатора,многоступенчатого механического редуктора и системы управления. Гидромеханические передачи устроены так, что вся мощность двигателя поступает на насосное колесо гидромуфты, либо гидротрансформатора, а турбинное колесо связано с ведущим валом гидромеханической коробки передач. Гидромеханическая коробка передач включает двух-пятиступенчатый редуктор,переключение ступеней передач в которых осуществляется посредством многодисковых муфт. Главное достоинство гидромеханической передачи является то, что режим работы двигателя независим от режима работы ведомого вала, снижаются динамические нагрузки в трансмиссии и на рабочих органах машин.(Гидравлический привод. Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рождественский Н.М. М Машиностроение, 1968 Дробнис В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины. М. Просвещение, 1987 Проектирование трансмиссий автомобилей Справочник / Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М. Машиностроение, 1984). К недостаткам гидромеханической передачи можно отнести низкий КПД гидротрансформатора(93-97), сложность изготовления, необходимость питания жидкостью и е охлаждения. Кроме этого,гидромеханическая передача снижает маневренность автомобиля,что ухудшает организацию безопасного движения на дорогах. В качестве прототипа принята ступенчатая коробка передач с неподвижными осями валов. Они имеют не более шести передач (редко бывают более шести) и служат для изменения крутящего момента по величине и направлению. Необходимость изменения крутящего момента возникает в связи с изменением условий движения автомобиля. При трогании автомобиля с места или при движении на подъем к ведущим колесам должен быть подведен значительно больше крутящий момент, чем при равномерном движении по горизонтальному участку дороги. Изменение крутящего момента достигается при помощи зацепления пар шестерен с различными числами зубьев. Разъединение двух участвующих в передаче шестерен ведет к выключению передачи. Конструкция ступенчатых коробок передач достаточно хорошо отработаны и широко используются в технике. Недостатком ступенчатой коробки передач является сложность конструкции(наличие синхронизаторов), кроме этого водителю, при изменении дорожных условий приходится очень часто переключать передачи, что его утомляет и отвлекает от организации безопасного движения на дорогах автомобилей Справочник / Под общ. ред. А.И. Гришкевича. М. Машиностроение, 1984). Задачей настоящего изобретения является автоматизация переключения скоростей коробки передач и снижение сложности е конструкции. Технический результат,для достижения указанной цели, обеспечивается тем, первичный вал коробки передач выполнен полым с винтовой нарезкой, а ведомый вал выполнен полым с цилиндрической поверхностью, при этом все шестерни (кроме шестерни включения коробки передач в работу) находятся в постоянном зацеплении, при этом половина из них жестко связана с промежуточным валом, а другая половина установлена на обгонные муфты, ступицы которых по скользящей посадке связаны с ведомым валом,кроме этого ступицы имеют возможность разъединения и соединения с ведомым валом посредством подпружиненных шариков,размещенных в радиальных отверстиях вала. Радиальное перемещение шариков осуществляются посредством ключа управления,который расположен в полом отверстии ведомого вала и выполнен с двумя ступенчатыми цилиндрическими поверхностями и наклонной поверхностью между ними, которые взаимодействуют с шариками, кроме этого торцевые поверхности ключа управления постоянно контактируют с плавающим валом и с упругим элементом. Плавающий вал выполнен с винтовой и шлицевой поверхностями, которые постоянно находятся в контакте соответственно с внутренними шлицами вала механизма сцепления и с винтовой нарезкой полого первичного вала коробки передач, и имеет возможность возвратнопоступательного движения в осевом направлении. На фиг. 1 и 2 представлены принципиальная конструкция автоматической коробки передач,соответственно для пятой и первой передач на фиг. 3 и 4 разрезы по сечениям А-А и В-В. Предлагаемая автоматическая коробка передач(фиг.1,2,3,4) содержит механизм сцепления 1,коробку передач 2 и упругий элемент 3. В механизм сцепления 1 входят маховик 4,цилиндрическая корзина 5, нажимной диск 6,тарельчатая пружина 7, регулировочные болты 8 и эластичная камера 9, наполненная каким-либо наполнителем (например, жидкостью, графитом и т.д.), ведомый диск 10, полый вал сцепления 11 и плавающий вал 12. Нажимной диск 6, может перемещаться только в осевом направлении, и связан с цилиндрической корзиной 5 через шпонку(на рисунке шпонка не показана). Кроме этого,нажимной диск 6 связан с тарельчатой пружиной 7 посредством регулировочных болтов 8,находящихся в направляющих втулках,выполненных в цилиндрической корзине 5. Ведомый диск 10, расположенный между маховиком 4 и нажимным диском 6,связан через шлицевое соединение с валом сцепления 11. Вал сцепления 11 выполнен полым с внутренней шлицевой нарезкой, с которой в зацеплении находится плавающий вал 12. Плавающий вал 12 выполнен ступенчатым, и на большем его диаметре 20790 имеется наружная винтовая нарезка, которая входит в зацепление с полым первичным валом 13 коробки передач 2. Угол винтовой нарезки выбран таким образом,чтобы обеспечивалось возвратнопоступательное движение плавающего вала 12, под действием осевой нагрузки. Наполнитель в камере 9, при определенной скорости вращения маховика,за счет сил инерции растекается по периферии,перемещает нажимной диск 6 и зажимает ведомый,диск 10. Тарельчатая пружина 7 обеспечивает размыкание ведомого диска 10 при малых(холостых) скоростях вращения маховика 4. Первичный вал коробки передач 13, кроме внутренней нарезки имеет наружные шлицы, по которым перемещается шестерня 14. Эта шестерня 14 при зацеплении с колесом 15, обеспечивает включение автоматической коробки передач в работу, а при зацеплении с колесом 16, через колесо 17, обеспечивает движение автомобиля задним ходом. В нейтральном положении шестерни 14 промежуточный вал 18, коробки передач не вращается. На промежуточном валу 18 шестерни 15,17,19,20,21 и 22 выполнены за одно с валом. Ведомый вал 23 выполнен полым с центральным и с радиальными отверстиями и сопрягается со ступенчатым цилиндрическим ключом управления 24, один торец которого соединен через подшипник 25 с плавающим валом 12, а другой торец находится под постоянным давлением жидкости (графита) находящегося в полости А упругого элемента 3(гидропневмоаккумулятора). Ключ управления 24 имеет две цилиндрические поверхности разного диаметра и наклонную поверхность между ними. Наружная цилиндрическая поверхность большего диаметра находятся в контакте по скользящей посадке с центральным отверстием ведомого вала 23, и удерживает шариками 27, в радиальных отверстиях, обеспечивая зацепление их со ступицами обгонных муфт 28, 29, 30 и первичного вала 13 с ведомым валом 23 (фиг. 2,3). Ступицы обгонных муфт тихоходной передачи выполнены за одно с ведомым валом 23. Шарики 27 подпружинены плоскими пружинами 31. Они обеспечивают смещение шариков к центру ведомого вала. Это возможно,когда ступенчатый цилиндрический ключ 24 при смещении в правую сторону создает зазор между наружной цилиндрической поверхностью малого диаметра и внутренней поверхностью центрального отверстия ведомого вала 23, при этом шарики выходят из зацепления и позволяют свободно вращаться ступицам обгонных муфт. На роликах обгонных муфт находятся колеса 32,33, 34, 35, которые воспринимают крутящий момент от шестерен промежуточного вала 18 тогда, когда ролики обгонных муфт заклиниваются, обеспечивая соответственно прямую, четвертую, третью, вторую и первую передачи. В случае если скорость вращения ведущего вала 23 будет выше скорости вращения колес 32, 33, 34 и 35, то вал будет прокручиваться вхолостую. Колесо 35 установлено одновременно на двух обгонных муфтах, одна из которых заклинивает при прямом ходе автомобиля, другая при заднем ходе автомобиля. На конце ведомого вал 23, который выходит из коробки передач, установлен упругий элемент 3, он имеет две полостиполость А заполнена наполнителем, а полость Б газом. Наполнитель и газ разделены между собой диафрагмой 26. Давление газа в полости Б всегда обеспечивает максимальное действие силы со стороны жидкости на ступенчатый цилиндрический ключ 24, который равен по величине силе,действующей со стороны плавающего вала 12 на тот же ключ 24, при номинальном крутящем моменте развиваемом двигателем. Перед началом работы нажимной диск 6 занимает крайнее правое положение, которое он принимает за счет действия тарельчатой пружины 7,при этом ведомый диск 10 не зажат. При работе двигателя в режиме холостого хода, маховик 4 двигателя, вращаясь, вращает цилиндрическую корзину 5, которая через шпоночное соединение вращает нажимной диск 6, тарельчатую пружину 7 с регулировочными болтами 8 и эластичную камеру 9 с наполнителем. За счет центробежной силы,появляющейся при вращении механизма сцепления,наполнитель эластичной камеры 9 стремиться к периферии, и создает определенное давление на все окружающие его стенки. Чем больше скорость вращения, тем больше давление. Так как все стенки механизма сцепления неподвижны, кроме стенки нажимного диска 6, (она имеет возможность перемещаться по шпонке вдоль оси механизма сцепления), то нажимной диск/за счет давления наполнителя начинает перемещаться в направлении ведомого диска 10. Тарельчатая пружина 7, настроена на такое усилие, при котором,на холостых оборотах двигателя давление от действия центробежных сил не может преодолеть силы пружины 7, поэтому нажимной диск 6 не зажимает ведомый диск 10 и крутящий момент не передается коробке передач. За счет увеличения подачи топлива, число оборотов коленчатого вала повышается, повышается число оборотов маховика 4, корзины 5, подвижного нажимного диска 6 и соответственно эластичной камеры 9 с наполнителем. При значительном числе оборотов возникают значительные центробежные силы, которые увеличивают свое воздействие на наполнитель эластичной камеры 9. Давление в любой точке вращающейся массы этих наполнителей возрастает и, воздействуя на нажимной диск 6, перемещает его в сторону маховика 4, преодолевая усилие тарельчатой пружины 7. При этом стенки эластичной камеры 9 растягиваются и зажимают ведомый диск 10. Ведомый диск 10 начинает вращаться и передавать крутящий момент полому валу сцепления 11 и соответственно через шлицы плавающему винту 12,который через винтовую нарезку передает вращение полому первичному валу коробки передач 13. На первичном валу коробки передач по шлицам перемещается шестерня 14. При е нейтральном положении первичный вал вращается вхолостую и не передает крутящий момент промежуточному 3 20790 валу 18. В этом случае и механизм сцепления 1 работает вхолостую. Включение шестерни 14 в режим автоматической работы коробки передач осуществляется на холостом режиме работы механизма сцепления 1, когда педаль подачи топлива полностью отпущена. В этот момент плавающий вал 12 и ступенчатый цилиндрический ключ 24, под действием силы газа полости Б и наполнителя полости А, находятся в крайнем левом положении. Все ступицы обгонных муфт посредством шариков 27 жестко замкнуты на ведомом валу 23 коробки передач 2. При увеличении скорости вращения механизма сцепления происходит включение ведомого диска сцепления 10, крутящий момент на шестерне 14 начинает возрастать и через колесо 15 и промежуточный вал 18 начинает одновременно воздействовать на все шестерни ведомого вала 23 коробки передач. Из механики известно, что одновременное включение двух и более пар шестерен заклинивает передачу. Следовательно,ведомый вал 23 вращаться не будет. В этом случае,плавающий 12 начинает по внутренней винтовой навивке первичного вала коробки передач 13 закручиваться и перемещать ступенчатый цилиндрический ключ 24 в правую сторону, образуя зазор между наружной поверхностью цилиндрического ключа малого диаметра и отверстием полого ведомого вала 23, выдавливать наполнитель из полости А, и сжимать газ, через диафрагму 26 в газовой полости Б. При своем движении вправо, ключ 24 своей цилиндрической поверхностью большого диаметра первым начинает освобождать шарик 27 быстроходной передачи(прямой передачи), при этом первичный вал 13 коробки передач расклинивается. Под действием пластинчатых пружин 31, шарики 27 выводятся из зацепления в зазор, образованный цилиндрической поверхностью ключа 24 малого диаметра. Однако вал 23 стоит на месте, так как в зацеплении находятся одновременно несколько шестерен. Плавающий вал 12 продолжает закручиваться и толкать ступенчатый цилиндрический ключ 24,освобождая шарики 27 у ступицы обгонной муфты четвертой передачи. Вал 23 продолжает стоять на месте. Усилия вновь недостаточны. Вал 12 будет закручиваться до тех пор, пока не включиться первая передача (возможно при определенных условиях автомобиль будет трогаться со второй,либо третьей передачи). Так как колеса 32, 33, 34 отключены от зацепления с валом 23, то крутящий момент от механизма сцепления через шестерни 14,15, 22 передается на колесо 35 и через ролики обгонной муфты ведомому валу 23. Автомобиль начинает трогаться с места и разгоняться. Как только автомобиль набрал определенную скорость, тяговое усилие на колесах падает,крутящий момент снижается (смотри всережимную скоростную характеристику двигателя и тяговую характеристику автомобиля). Учитывая, что давление газа в полости Б настроено на максимальный крутящий момент, развиваемый 4 двигателем, то под действием разности сил действующих на ступенчатый цилиндрический ключ 24, последний начинает перемещаться влево и шарик 27 наклонной поверхностью замка задавливается в клиновую полость ступицы 30,преодолевает усилие пружин 31 и заклинивает эту ступицу (второй передачи) с ведомым валом 23. Наличие запаса крутящего момента, начинает вращать колесо 34, которое через ролики обгонной муфты и ступицу 30 начинает вращать вал 23 с большей скоростью, чем колесо 35. Ролики обгонной муфты под колесом 35 расклиниваются и оно начинает вращаться вхолостую, не успевая за скоростью вращения вала 23. Автомобиль продолжает увеличивать скорость. Крутящий момент на валу 23 начинает падать, соответственно падает усилие в зацеплении плавающего вала 12 и первичного вала 13. За счет давления газа в полости Б, жидкость воздействует на ступенчатый цилиндрический ключ 24 перемещает его влево и через шарики 27 заклинивает колесо 33 третьей передачи. Наличие запаса крутящего момента,начинает вращать колесо 33, которое через ролики обгонной муфты и ступицу 29 начинает вращать вал 23 с большей скоростью, чем колесо 34. Так как колесо 34 связано с ведомым валом 23 через обгонную муфту, оно расклинивается и вращается вхолостую. Автомобиль продолжает увеличивать скорость. И так продолжается до прямой передачи. При изменении режима нагрузки на двигатель,например, автомобиль поднимается в гору либо тормозится, на ведомом валу 23 резко возрастает нагрузка, скорость его вращения падает. В этом случае плавающий вал 12 начинает закручиваться по винтовой линии первичного вала 13 коробки передач и перемещать ступенчатый цилиндрический ключ 24 поочередно расклинивая передачи и выбирая ту передачу, крутящий момент на которой обеспечит преодоление возникшей нагрузки. Для полной остановки автомобиля необходимо освободить педаль подачи топлива, при этом число оборотов двигателя падает до режима холостого хода, механизм сцепления отключается, и включаются тормоза. Автомобиль останавливается. Шестерня 14 выводится из зацепления с автоматической коробкой передач. Для движения автомобиля назад, на холостых оборотах двигателя водитель включает подачу заднего хода и увеличивает число оборотов двигателя. Процесс включения в работу автоматической коробки передач проходит те же стадии, что и при прямом движении автомобиля. Только в этом случае шестерня 13 вводится в зацепление с шестерней 16 через промежуточную шестерню 17. Промежуточный вал 18 начинает вращаться в противоположную сторону. Все колеса 32, 33, 34 вращаются на обгонных муфтах в противоположную сторону их заклинивания, только колесо 35 заклинивается на обгонной муфте заднего хода. Происходит движение автомобиля задним ходом на первой передаче. При необходимости движения автомобиля задним ходом на больших скоростях, все ведомые шестерни нужно установить 20790 одновременно на двух обгонных муфтах противоположного зацепления. Внедрение предлагаемого изобретения в народное хозяйство даст значительный экономический эффект, обеспечит бесступенчатое регулирование скорости движения машин, позволит автоматизировать работу водителя и снизит себестоимость изготовления автомобиля. Пример существующие конструкции автоматических коробок передач легковых автомобилей имеют вес до 80-100 кг, число деталей участвующих в работе более 170. В нашем случае вес коробки передач не превышает 20-30 кг, число деталей не более 35. При выпуске 1000000 автомобилей мы имеем экономию металла около 60000-70000 тонн металла. При средней цене стоимости качественного металла 500 долларов за тонну экономия составляет 30-35 млн. долларов. Здесь не учтены снижение стоимости изготовления коробки передач(снижение количества изготовляемых деталей, упрощение технологии производства коробок передач, снижение расходов на заработную оплату рабочих, увеличение оборота средств и т.д.). В среднем эта экономия составляет более 60 млн. долларов на 1000000 автомобилей. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Автоматическая коробка передач, содержащая механизм сцепления, коробку передач с валами и шестернями, отличающаяся тем, что первичный и ведомый валы выполнены полыми соответственно с винтовой нарезкой цилиндрической поверхностью,а все шестерни коробки передач, кроме шестерни включения коробки передач в работу, находятся в постоянном зацеплении, при этом половина из них жестко связана с промежуточным валом, а другая половина установлена на обгонные муфты, ступицы которых имеют возможность разъединения и соединения с ведомым валом посредством подпружиненных шариков,размещенных в радиальных отверстиях ведомого вала. 2. Автоматическая коробка передач по п.1,отличающаяся тем, что шарики в радиальных отверстиях размещены с возможностью перемещения посредством ключа управления,который расположен в полом отверстии ведомого вала и выполнен с двумя ступенчатыми цилиндрическими поверхностями и наклонной поверхностью между ними,которые взаимодействуют с шариками, а торцевые поверхности ключа управления постоянно контактируют с плавающим валом и с упругим элементом. 3. Автоматическая коробка передач по п.1,отличающаяся тем, что плавающий вал выполнен с винтовой и шлицевой поверхностями, которые постоянно находятся в контакте соответственно с внутренними шлицами вала механизма сцепления и с винтовой нарезкой полого первичного вала коробки передач и имеет возможность возвратнопоступательного движения в осевом направлении. 4. Автоматическая коробка передач по п.1,отличающаяся тем, что шестерня тихоходной передачи ведомого вала установлена одновременно на двух обгонных муфтах противоположного зацепления.