Клиноременная передача
Вариатор на автомобиле «Вольво» установлен в трансмиссии между главной передачей и ведущими колесами. Изменение передаточного числа в вариаторе происходит автоматически за счет изменения диаметров шкивов. Ведущая шестерня 1 главной передачи находится в зацеплении с двумя шестернями 2 и 5, свободно сидящим на валу 3. Шестерни могут соединяться с валом через кулачковую муфту 4, при включении левой шестерни происходит движение автомобиля вперед, правой – задний ход.
На обоих концах поперечного вала 3 закреплены ведущие шкивы вариатора 6. Левая часть шкива закреплена на валу жестко, правая может перемещаться вдоль оси вала. Подвижный правый шкив соединен с грузиками центробежного регулятора 11 и с поршнем цилиндра, связанного с впускным трубопроводом двигателя. Ведомый шкив 8 также состоит из двух частей, при этом правая неподвижна на ведомом валу, а левая подвижна в осевом направлении и нагружена пружиной 9. Ведомый вал вариатора через редуктор связан с ведущими колесами автомобиля.
Работает вариатор следующим образом. При малой частоте вращения коленчатого вала (начало трогания автомобиля) пружина 9 выжимает ремень на ведомом шкиве на больший радиус. Вследствие малой частоты вращения и сдвинутых грузиков регулятора 11 половины 6 ведущего шкива раздвинуты за счет действия пружины 14, и ремень располагается на малом радиусе. Передаточное число наибольшее. По мере разгона автомобиля и увеличения частоты вращения вала 3 увеличивается сила действия центробежного регулятора, которая смещает подвижную часть шкива и увеличивает его рабочий диаметр. Разрежение, создаваемое во впускных трубопроводе двигателя, передается в цилиндр 13, связанный с подвижной частью шкива. При уменьшении нагрузки, когда разрежение во впускном трубопроводе возрастает, рабочий диаметр шкива ведущего увеличивается, уменьшая передаточное число. Таким образом, осуществляется автоматическое изменение передаточного числа вариатора в зависимости от скорости движения и нагрузки двигателя.
Рис. Клиноременная передача:
1– ведущая шестерня; 2, 5 – шестерни; 3 – вал; 4 – кулачковая муфта; 6 – ведущий шкив вариатора; 7 – ремень; 8 – ведомый шкив; 9, 12, 14 – пружины; 10 – цилиндрическая передача; 11 – центробежный регулятор; 13 – цилиндр
Бесступенчатые коробки передач с электронным управлением
Основными элементами бесступенчатой коробки передач автомобиля являются:
- механизм включения для начала движения (фрикционы с дисками в масле), ведущий и ведомый шкивы с аксиально перемещаемыми дисками и стальной ремень, предназначенный для передачи мощности
- система электронно-гидравлического управления коробкой передач
- узел движения задним ходом
- главная передача с дифференциалом
Рис. Схема бесступенчатой коробки передач автомобиля Ауди:
1 – маховик с встроенным демпфером; 2 – фрикционы для движения задним ходом; 3 – промежуточная передача; 4 – вариатор с цепью; 5 – электронный блок управления коробкой; 6 – гидравлическое управляющее устройство; 7 – гидравлическая система передвижения вариаторов; 8 – фрикционы для движения передним ходом; 9 – планетарный передаточный механизм
Вариатор состоит из ведущего и ведомого конических шкивов с аксиально перемещаемыми дисками, и передающей вращения специальной цепи. На ведущий привод передается вращения от двигателя через промежуточный передаточный механизм, ведомый привод передает крутящий момент на дифференциал. При передачи движения цепь всегда натянута.
Для плавного трогания с места при включения передачи переднего и заднего хода служит многодисковое сцепления включаемое с помощью гидравлики. Изменение направления вращения производится с помощью шестерен планетарного механизма.
Для привода ведомого шкива применяется многорядная стальная цепь, при этом со шкивами контактируют не сегменты ремня, как было в прежних конструкциях, а скошенные торцы соединительных осей звеньев. Чтобы исключить проскальзывание, прижим скошенных торцов осуществляется сложной следящей гидравлической системой, которая создает в каждый момент необходимое давление от 20 до 60 кгс/см2. В результате износ штифтов составляет лишь 0,2 мм за весь срок службы.
Рис. Вариаторная цепь:
1 – соединительные оси; 2 – звенья; а – вид сверху; б – вид сбоку
Цепь обеспечивает не только передачу значительной нагрузки, но еще и изменение передаточного отношения в диапазоне от 1:2,1 до 1:12,7. Это позволило отказаться от гидротрансформатора, а значит, и от дополнительных потерь мощности.
Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронного блока управления. Для принятия определенного решения в блок управления поступает информация от различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала двигателя, частоты вращения входного передаточного механизма, положения педали подачи топлива, крутящего момента двигателя, температуры масла в коробке передач.
Электронный блок управления способен распознать по характеру движения педали подачи топлива, какой режим предпочитает водитель – экономичный или спортивный. В последнем случае уже со скорости 60 км/ч вариатор включает режим «овердрайв», то есть занижает передаточное отношение. При энергичном нажатии педали подачи топлива включается спортивный режим. Блок управления реагирует включением пониженной передачи и на наличие прицепа или крутого подъема, необходимость торможения двигателем. Программа блока управления позволяет работать коробке передач в ручном режиме, когда из памяти извлекаются заранее запрограммированные значения передаточного отношения. В этом случае бесступенчатая коробка действует как шестиступенчатая коробка передач с последовательным переключением.
Ауди с бесступенчатой коробкой передач расходует на 0,9 л/100 км меньше топлива, чем с традиционной автоматической коробкой, и на 0,2 л меньше, чем с механической пятиступенчатой коробкой передач. При этом разгон до 100 км/час занимает соответственно на 1,3 с и на 0,1 с меньше времени.
Тороидный вариатор
К бесступенчатым передачам относится и тороидный вариатор, применяемый в автомобилях японского производства «Глория» и «Скайлайн».
Рис. Схема тороидного вариатора:
а – высшая передача; б – низшая передача; 1 – ведущий диск; 2 – ведомый диск; 3 – промежуточные ролики
Вариатор состоит из соосных дисков ведущего 1, ведомого 2 и промежуточных роликов, передающих момент от одного диска к другому. Один диск является ведущим, а другой – ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями дисков и роликов. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски.
В зависимости от угла поворота ролика ведомый диск может вращаться с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей или меньшей (если ролик поворачивается).
Поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску (до 3000 Нм). Возможность передачи таких усилий обеспечивается применением высококачественных сталей, особых масел и специальной системой, в которой управляемый электронным блоком управления прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам. Кроме того, чтобы разгрузить детали и уменьшить размеры тороидной коробки передач, в ней работают два вариатора. При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления. Задний ход обеспечивает планетарная передача, а для нейтральной передачи используется гидротрансформатор.
Для смазки бесступенчатых коробок передач специальное масло с маркировкой CVT, которое не совместимо с маслом ATF, применяемом для традиционных автоматических коробок передач.
Бесступенчатые коробки передач до сих пор не нашли широкого применения из-за некоторых имеющихся в них существенных недостатков по сравнению с механическими ступенчатыми коробками (размер, масса, диапазон преобразования, производственные расходы, к.п.д. коробки передач, компоновочные ограничения).
В гидрообъемных бесступенчатых передачах крутящий момент и мощность с ведущего звена (насоса) на ведомое звено (гидромотор) передается жидкостью по трубопроводам. Мощность N, кВт, потока жидкости определяется произведением напора H, м, на расход Q, м3/с:
N = HQpg / 1000,
где р — плотность жидкости.
Гидрообъемные передачи не обладают внутренним автоматизмом, для изменения передаточного числа требуется САУ. Однако для гидрообъемной передачи не нужен механизм реверса. Задний ход обеспечивается изменением соединения насоса с линиями нагнетания и возврата жидкости, что заставляет вал гидромотора вращаться в обратном направлении. При регулируемом насосе не нужна муфта начала движения.
Гидрообъемные передачи (как и электропередачи) по сравнению с фрикционными и гидродинамическими имеют гораздо более широкие компоновочные возможности. Они могут быть частью комбинированной гидромеханической коробки передач при последовательном или параллельном соединении с механическим редуктором. Кроме того, они могут быть частью комбинированной гидромеханической трансмиссии, когда гидромотор установлен перед главной передачей — рис. а (сохранен ведущий мост с главной передачей, дифференциалом, полуосями) либо в двух или во всех колесах установлены гидромоторы — рис. а (они дополнены редукторами, выполняющими функции главной передачи). В любом случае гидросистема является замкнутой, причем в нее включен насос подпитки для поддержания избыточного давления в линии возврата. Из-за потерь энергии в трубопроводах обычно считают целесообразным применение гидрообъемной трансмиссии при максимальном расстоянии между насосом и гидромотором 15… 20 м.
Рис. Схемы трансмиссий автомобилей с гидрообъемными или с электрическими передачами:
а — при использовании мотор-колес; б — при использовании ведущего моста; Н — насос; ГМ — гидромотор; Г — генератор; ЭМ — электромотор
В настоящее время гидрообъемные передачи применяются на малых автомобилях-амфибиях, например «Джиггер» и «Мул», на автомобилях с активными полуприцепами, на небольших сериях большегрузных (полной массой до 50 т) самосвалов и на опытных городских автобусах.
Широкое применение гидрообъемных передач сдерживается в основном их высокой стоимостью и недостаточно высоким КПД (около 80…85%).
Рис. Схемы гидромашин объемного гидропривода:
а — радиально-поршневой; б — аксиально-поршневой; е — эксцентриситет; у — угол наклона блока
Из всего многообразия объемных гидромашин: винтовых, шестеренных, лопастных (шиберных), поршневых — для автомобильных гидрообъемных передач в основном находят применение радиально-поршневые (рис. а) и аксиально-поршневые (рис. б) гидромашины. Они позволяют использовать высокое рабочее давление (40… 50 МПа) и могут быть регулируемыми. Изменение подачи (расхода) жидкости обеспечивается у радиально-поршневых гидромашин изменением эксцентриситета е, у аксиально-поршневых — угла у.
Потери в объемных гидромашинах делят на объемные (утечки) и механические, к последним относят и гидравлические потери. Потери в трубопроводе делят на потери трения (они пропорциональны длине трубопровода и квадрату скорости жидкости при турбулентном течении) и местные (расширение, сужение, поворот потока).