Modern methods of synthesis of automatic planetary gearboxes

Full Text

Введение В настоящее время перед инженерами ставятся задачи повышения эффективности и топливной экономичности автомобильной техники, что связано с ужесточением требований к загрязнению окружающей среды, ростом стоимости топлива и потребительскими ожиданиями по снижению его расхода. Большинство современных автомобилей оснащены двигателями внутреннего сгорания, существенными недостатками которых являются низкий КПД (для бензиновых двигателей не превышает 35%; для дизельных - 55%) и малый диапазон изменения момента и скорости вращения коленчатого вала. Применение систем наддува позволяет поддерживать постоянную мощность двигателя в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Т.е. за счет источника мощности сокращается потребный диапазон регулирования скорости движения автомобиля. Но следует ли дорогой тепловой двигатель, работающий с огромными потерями энергии, использовать, как регулятор скорости? В современных условиях такой подход является паллиативным решением, нерационален и экономически неэффективен. Для расширения диапазона регулирования скорости и момента в трансмиссиях применяется коробка передач. А основным способом повышения эффективности автомобильной техники является обеспечение преимущественной работы двигателя в диапазоне скоростей, соответствующем минимальному расходу топлива. Сохранение широкого диапазона скоростей автомобиля и ограничение рабочих скоростей двигателя приводит к увеличению числа передач в коробках передач. Чем больше передач реализуется в коробке передач, тем лучше характеристики управления и топливной экономичности. Большое количество передач позволяет уменьшить шаг между передаточными отношениями, улучшить качество переключений, сделать их неощутимыми при ускорении транспортного средства и уменьшить шум от двигателя в салоне автомобиля. Поэтому за последние десять лет число передач в автоматических коробках передач увеличилось более чем в два раза (с 4 до 8-10). По данным компании Daimler применение 7-ми ступенчатой коробки передач позволяет снизить расход топлива на 7% по сравнению с 5-ти ступенчатой [1]. А по данным немецкого производителя компонентов подвесок, трансмиссий и коробок передач ZF Friedrichshafen, применение 9-ти ступенчатой коробки передач позволяет уменьшить расход топлива транспортного средства на 16% по сравнению с 6-ти ступенчатой [2]. Очевидно, что увеличение количества передач приводит к увеличению числа механизмов, их усложнению, что сказывается на габаритных размерах, массе и стоимости конструкции. В трансмиссиях автомобилей применяют зубчатые коробки передач двух типов: с неподвижными осями колес и планетарные. Коробкам передач, состоящим из планетарных механизмов, посвящена настоящая статья. Планетарные коробки передач применяют с начала XX века [3]. Их основными преимуществами являются: высокая нагрузочная способность, износостойкость, простая система управления, малый вес и габаритные размеры [3]. Конструктивно планетарные коробки передач состоят из набора планетарных механизмов (рядов) и управляющих элементов (тормозов и муфт), соединяющих звенья планетарных механизмов с неподвижным корпусом коробки или друг с другом. Далее по тексту статьи управляющие элементы называются муфтами. Количество ступеней в планетарной коробке передач зависит от количества и типа используемых планетарных механизмов. Цель исследования Целью исследования является анализ современных методов синтеза автоматических планетарных коробок передач. Аналитические методы синтеза Математические и графоаналитические методы синтеза планетарных коробок передач разрабатывались в СССР до конца 80-х гг. XX века, наиболее известные работы А.Д. Вашеца, П.Н. Иванченко, А.Ф. Крайнева, В.И. Красненькова, М.А. Крейнеса, М.К. Кристи, В.Н. Кудрявцева, Л.Н. Решетова и др. Разработанные методы вошли в состав расширенного курса по теории механизмов и машин для автомобилестроительных специальностей [4]. Основными недостатками этих методов являются использование только однорядных планетарных механизмов и не более 3-х степеней свободы в синтезируемой коробке передач, т.е. на каждой передаче включены две муфты управления. При синтезе коробок с числом передач большим восьми указанные ограничения приводят к увеличению числа планетарных механизмов и управляющих муфт. Из последних результатов синтеза коробок передач с использованием графоаналитического метода можно отметить схемы, полученные группой авторов: Нагайцев М.В., Харитонов С.А., Лысков А.Н. и др. В этих схемах используются комбинации двух однорядных планетарных механизмов и одного планетарного механизма с парным сателлитом (два сателлита, находящиеся в зацеплении друг с другом и размещенные на одном водиле), что позволяет получить от шести до десяти передач, используя при этом от пяти до восьми управляющих муфт. Например, кинематическая схема 6-ти ступенчатой коробки передач [5] с тремя степенями свободы, в которой использована указанная комбинация планетарных механизмов, показана на рис. 1. Большинство современных коробок передач, состоящих из однорядных трехзвенных планетарных механизмов, получены методами комбинаторики. Одним из примеров является алгоритм, использующийся в американской корпорации General Motors [6]. Метод предполагает задание числа используемых однорядных планетарных механизмов, числа муфт и необходимого количества ступеней. Составленная компьютерная программа после расчета возможных комбинаций соединений звеньев планетарных рядов друг с другом отбирает варианты схем, удовлетворяющих заданному ряду критериев. С помощью данного методы были получены схемы 7-ми ступенчатых коробок передач с тремя степенями свободы [7], состоящие из трех однорядных планетарных механизмов и 6 - 7 элементов управления. В [8] представлены схемы с пятью степенями свободы и для получения 8 - 11 ступеней переднего хода и до трех ступеней заднего использованы различные комбинации из семи управляющих элементов при трех однорядных планетарных механизмах. Рис. 1. Кинематическая схема 6-ти ступенчатой планетарной коробки передач фирмы ООО «КАТЕ»: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5 - управляющие муфты На рис. 2 представлена схема 6-ти ступенчатой планетарной коробки передач с тремя степенями свободы, применяемая в трансмиссиях автомобилей концерна General Motors [9], состоящая из трех однорядных планетарных механизмов и шести элементов управления. Рис. 2. Кинематическая схема 6-ти ступенчатой планетарной коробки передач фирмы General Motors: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5 - управляющие муфты; owc - муфта свободного хода Рис. 3. Кинематическая схема 10-ти ступенчатой планетарной коробки передач фирмы Honda Motor: I - входной вал; O - шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом выходного вала (не показан); с1, с2, с3, с4, с5, c6, c7 - управляющие муфты Метод перебора возможных соединений звеньев планетарных механизмов и управляющих муфт был использован японской компанией Honda Motor [10] для получения 10-ти ступенчатой коробки передач [11] (рис. 3). Эта коробка передач имеет 4 степени свободы, предназначена для переднеприводных автомобилей и будет устанавливаться на автомобили марки, выпускаемые с 2017 г. Коробка передач (рис. 3) состоит из четырех однорядных трехзвенных планетарных механизмов и 7 управляющих муфт. Для получения этой схемы было просчитано более 1 триллиона комбинаций соединений звеньев планетарных механизмов и управляющих муфт. Производитель заявляет, что 10-ти ступенчатая коробка передач по сравнению с 6-ти ступенчатой позволяет экономить более 6% топлива, а также за счет более широкого диапазона реализуемых передаточных отношений снизить обороты двигателя на крейсерских скоростях на 22%. Метод перебора вариантов соединений звеньев и управляющих муфт громоздок, сложен и требует большого времени проведения вычислений. Отметим также, что корректному математическому описанию поддаются только однорядные трехзвенные планетарные механизмы, поэтому только из таких механизмов состоят коробки передач, полученные с использованием метода перебора. Модульный принцип синтеза В виду ограничений, накладываемых на габаритные размеры и массу конструкций коробок передач, а также проблем, связанных с существенным усложнением синтеза новых схем с увеличенным количеством ступеней, в современном машиностроении наблюдается тенденция использования комбинаций различных удачных и хорошо зарекомендовавших себя конструктивных решений. Следует отметить два типа схем соединения планетарных механизмов: Симпсона и Равинье. Американский инженер Говард Симпсон (Howard Simpson) предложил ряд конструкций планетарных коробок передач [12], отличающихся тем, что в них использовано последовательное соединение двух однорядных планетарных механизмов, у которых солнечные колеса неподвижно соединены друг с другом. Схема Симпсона позволяет получить до 4-х ступеней переднего хода, причем высшая ступень имеет передаточное отношение 1. Коробки передач по схеме Симпсона производились с 1964 г. более 20 лет, ими оснащались большинство автомобилей, производимых в США [13]. Необходимость улучшения тягово-скоростных показателей привела к созданию схем 5-ти скоростных коробок передач, в которых к схеме Симпсона был последовательно присоединен еще один однорядный планетарный механизм (рис. 4) [3]. Это позволило добавить еще одну передачу с передаточным отношением меньшим 1. Французский инженер Поль Равинье (Pol Ravigneaux) в конструкциях своих многоскоростных редукторов [14] использовал планетарные механизмы, имеющие сложные сателлиты: парные, двух- и трехвенцовые. Схемой Равинье называют четырехзвенную планетарную передачу, в которой на водиле вращаются пары сателлитов, находящиеся в зацеплении друг с другом, с независимыми солнечными колесами и эпициклами. Такой механизм позволяет получить 4 ступени переднего хода. Рис. 4. Кинематическая схема 5-ти ступенчатой планетарной коробки передач с тремя степенями свободы фирмы ZF Fridrichshafen: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5, c6 - управляющие муфты Для получения 6-ти ступенчатой коробки передач при сохранении относительно небольших габаритных размеров конструкции французский инженер Пьер Лепеллетье (Pierre Lepelletier) в начале 90-х гг. XX в. использовал [15] комбинацию механизма, построенного по схеме Равинье, и однорядного планетарного механизма. На рис. 5 представлена схема 6-ти ступенчатой коробки передач [16] с тремя степенями свободы, в которой использована указанная комбинация механизмов. Рис. 5. Кинематическая схема 6-ти ступенчатой планетарной коробки передач фирмы ZF Friedrichshafen: I - входной вал; O - шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом выходного вала (не показан); с1, с2, с3, с4, с5 - управляющие муфты По данным компании ZF Friedrichshafen 6-ти ступенчатая коробка передач (рис. 5) легче 5-ти ступенчатой коробки передач (рис. 4) на 11 кг и производится с использованием на 30% меньшего числа деталей и узлов. С 2001 по 2010 гг. в мире было произведено более 15 миллионов 6-ти ступенчатых коробок передач по схеме Лепеллетье [13]. Рис. 6. Кинематическая схема 7-ми ступенчатой планетарной коробки передач фирмы DaimlerChrysler: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5, c6 - управляющие муфты; owc - муфта свободного хода Компания DaimlerChrysler для получения 7-ми ступенчатой коробки передач с числом степеней свободы 4 (рис. 6) [17] использовала схему Симпсона вместе со схемой Равинье. Рис. 7. Кинематическая схема 8-ми ступенчатой планетарной коробки передач фирмы Toyota: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5, c6 - управляющие муфты; owc - муфта свободного хода Компания Toyota разработала 8-ми ступенчатую коробку передач с тремя степенями свободы (рис. 7) [18], состоящую из комбинации схемы Равинье и планетарного механизма с парным сателлитом. Немецкая фирма ZF Friedrichshafen, добавив к схеме Симпсона два однорядных планетарных механизма и используя всего пять управляющих муфт, создала 8-ми ступенчатую коробку передач (рис. 8) [19]. Рис. 8. Кинематическая схема 8-ми ступенчатой планетарной коробки передач фирмы ZF Friedrichshafen: I, O - входной и выходной валы соответственно; с1, с2, с3, с4, с5 - управляющие муфты Коробка передач (рис. 8) имеет четыре степени свободы, т.е. на каждой передаче работают три муфты, что позволяет уменьшить потери в оставшихся двух незадействованных управляющих элементах. Следует отметить, что такая комбинация планетарных механизмов была впервые предложена в 60-е гг. XX в. фирмой Allison Transmission [20] с шестью муфтами управления (на каждой ступени включаются две), которая позволяет получить 6 передач переднего хода и 2 передачи заднего. 9-ти ступенчатая планетарная коробка передач фирмы ZF Friedrichshafen [21], кинематическая схема которой показана на рис. 9, тоже имеет четыре степени свободы и состоит из комбинации схемы Симпсона и двух однорядных планетарных механизмов, в которых сателлиты размещены на общем водиле. При этом один планетарный механизм размещен над другим, это компоновочное решение связано с необходимостью уменьшения продольного размера, т.к. коробка передач предназначена для трансмиссий переднеприводных автомобилей. Таким образом, модульный принцип синтеза коробок передач заключается в присоединения и комбинирования одних известных и отработанных конструкций с другими. Данный подход, скорее всего, обусловлен отработанной технологией производства используемых механизмов, что позволяет перейти к внедрению новых коробок передач достаточно быстро и с меньшими затратами. Рис. 9. Кинематическая схема 9-ти ступенчатой планетарной коробки передач фирмы ZF Friedrichshafen: I - входной вал; O - шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом выходного вала (не показан); с1, с2, с3, с4, с5, с6 - управляющие муфты Выводы Почти все представленные выше кинематические схемы планетарных коробок передач применялись или используются в современных автомобильных трансмиссиях. Именно этот факт позволяет сделать вывод, что в настоящее время только два метода синтеза являются основными при конструировании современных планетарных коробок передач: 1) метод перебора возможных комбинаций соединения планетарных механизмов и управляющих муфт; 2) метод присоединения и комбинирования различных известных и отработанных конструкций с другими. Первый метод - аналитический предполагает использование только однорядных планетарных механизмов и может быть формализован для расчета на компьютере. Основными недостатками являются ограниченность по типу используемых механизмов и длительному времени поиска оптимального варианта кинематической схемы коробки передач. Второй метод не поддается формализации, основан на опыте и мастерстве конструктора. Модульный принцип синтеза во многом связан с экономической эффективностью при модернизации производства для выпуска новых коробок передач и ограничен имеющейся номенклатурой производимых механизмов.

About the authors

K. B Salamandra

Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of Sciences (IMASH RAN)

Email: ksalamandra@yandex.ru
Ph.D.

References

Supplementary files