Механические коробки передач

Трансмиссия

Трансмиссией называется совокупность агрегатов и механизмов, связывающих двигатель с ведущими колесами автомобиля. Она служит для передачи и распределения мощности двигателя на ведущие колеса автомобиля при изменении подводимого к ним крутящего момента и частоты их вращения по величине и направлении.

В зависимости от способа передачи, изменения и распределения крутящего момента на современных легковых автомобилях применяются механические, гидромеханические и механические бесступенчатые трансмиссии.

Сцепление

Механические коробки передач пока еще не потеряли своей актуальности. Однако управление такой коробкой требует как достаточного опыта, так и определенных усилий. Поэтому ряд фирм предлагают различные способы автоматизации управления сцеплением для стандартных коробок передач.

Фирма FTE Automotive разработала универсальный электрогидравлический актюатор (исполни­тельный механизм) сцепления СР1 (Controlled Piston) – управляе­мый поршень.

Исполнительный механизм содер­жит главный цилиндр 9, поршень с винтовым штоком 4 и бесщеточный электродвигатель 6 посто­янного тока (рис. 10.1, а). Механизм управляется электронным блоком управления 13, в который поступает информация от датчиков о положении педали сцепления 2, положении поршня 11, давлении в рабочем цилиндре 12. Блок управления обрабатывает полученные сигналы, включает электродвигатель и изменяет силу тока в нем. Ротор электродвигателя в виде гайки, вращаясь, передвигает шток с резьбой. Шток толкает поршень главного цилиндра и под действием давления жидкости срабатывает рабочий цилиндр, поршень которого выключает сцепление. Усилие на педали при этом минимально. Чтобы уменьшить трение, гайка заполнена внутри шариками, обкатывающими «резьбу» на штоке.

Рис. 10.1. Универсальный электрогидравлический исполни­тельный механизм выключения сцепления:

а – управление по сигналу датчика педали; б – управление по датчику давления;

1 – педаль сцепления; 2 – датчик педали сцепления; 3 – пружина; 4 – поршень с винтовым штоком; 5 – ротор электродвигателя; 6 – электродвигатель; 7 – питательный бачок; 8 – дополнительный главный цилиндр; 9 – главный цилиндр; 10 – рабочий цилиндр; 11 – датчик положения поршня; 12 – датчик давления; 13 – электронный блок управления

 

Более совершенной является конструкция исполнительного механизма повышенной надежности (рис. 10.1, б), позволяющего выключать сцепление при отказе основной системы. В таком механизме с педалью выключения сцепления соединен дополнитель­ный гидравлический цилиндр, жидкость из ко­торого поступает за поршень главного цилин­дра. Датчик давления определяет давление жидкости за поршнем главного цилиндра, а датчик положения поршня положение поршня в данный конкретный момент. В зависимости от полученных сигналов блок управления, изменяется сила тока в роторе, поворачивая его. При этом поршень главного цилиндра передвигается на необходимую величину.

Прелагаемый узел СР1 универсален и его можно использовать для авто­матического управления роботизированной коробкой передач без педали выключения сцепления.

Другой системой автоматического выключения сцепления является система, реагирующая на положе­ние педали подачи топлива, является система фирмы "Драйв-Матик" (рис. 10.2), выпускаемая в Германии в качестве оборудования ав­томобилей, предназначенных для ин­валидов.

Исполнительное устройство этой системы представляет собой вакуум­ную сервокамеру 1, между корпусом которой и диафрагмой 3 располагает­ся полость 2 разряжения регулирующая режимы включения и выключения сцепления.

 

Рис. 10.2. Система автоматического управления сцеплением "Драйв-Матик":

1 – вакуумная сервокамера; 2 – полость разрежения; 3 – диафрагма; 4 – шток вакуумной камеры; 5 – рычаг; 6 – тяга; 7 – педаль сцепления; 8 – педаль подачи топлива; 9 – трос; 10 – рукоятка переключения передач; 11 – рычаг рукоятки переключения передач; 12 – датчик; 13 – ЭБУ; 14 – потенциометр; 15 – стравливающее отверстие; 16, 26 – обмотки электромагнитов; 17, 21 – каналы сервокамеры; 18 – корпус золотника; 19 – золотник; 20 – поворотный элемент; 22, 23 – каналы золотника; 24, 25 – соответственно воздушный и вакуумный клапаны; 27 – вакуум-ресивер; 28 – клапан; 29 – коллектор; 30 – трубопровод; МВх – контакты микровыклю­чателя; ВП, ВС – электроконтакты; К – клемма ЭБУ

 

При установке рычага 11 переклю­чения передач в нейтральное положе­ние и отпущенной педали подачи топ­лива 8 расположенные в его рукоятке и под рычагом электроконтакты ВС и ВП разомкнуты. Поэтому обмотки электромагнитов 16 и 26 оказываются отключенными от источника электро­питания. Вакуумный клапан 25 при этом закрыт, и полость 2 сервокамеры соединена не с вакуум-ресивером 27, а с атмосферой (через открытый воз­душный клапан 24). Сцепление нахо­дится во включенном состоянии. Как только водитель при неподвижном автомобиле включает какую-либо пе­редачу, на обмотки электромагнитов 16 и 26 через замкнувшиеся контакты выключателя ВП и замкнутую выход­ную цепь электронного блока управления (ЭБУ) 13 подается электропита­ние. В результате электромагниты сра­батывают и воздушный клапан 24 от­соединяет полость 2 сервокамеры от атмосферы, а клапан 25 подключает ее к вакуум-ресиверу 27. Сцепление выключается (позиция II).

Чтобы автомобиль начал движе­ние, водитель нажимает на педаль 8 подачи топлива. При этом контакты микровыключателя МВх размыкают­ся, и цепь питания обмотки электро­магнита 26 размыкается. Поэтому кла­пан 25 закрывается, отсекая полость 2 сервокамеры от ресивера. Но посколь­ку обмотка электромагнита 16 остает­ся под напряжением, воздушный кла­пан 24 оказывается также закрытым, и разрежение в полости 2 вакуумной ка­меры определяется только положением золотника 19. Дело в том, что корпус 18 золотника установлен по отноше­нию к его поворотному элементу 20 таким образом, что при отпущенной педали 8 подачи топлива и расположе­нии штока 4 вакуумной камеры в крайнем левом (по схеме) положении (полностью выключенное сцепление) каналы 22 и 23 золотника соединены между собой. Одновременно и полость 2 сервокамеры через каналы 17 и 21 соединяется с атмосферой, что приво­дит к постепенному уменьшению в ней разрежения и, как следствие, к переме­щению штока 4 слева направо.

Движение штока будет продол­жаться до тех пор, пока элемент 20, поворачиваемый этим штоком, не ра­зобщит каналы 22 и 23. Как только это произойдет, шток 4 прекратит дви­жение, поскольку связь полости 2 сер­вокамеры с атмосферой прерывается.

При дальнейшем перемещении пе­дали 8 подачи топлива трос 9 повора­чивает элемент 20, соединяя каналы 22 и 23. Это влечет за собой соединение полости 2 сервокамеры с атмосферой и дальнейшее перемещение штока в направлении включения сцепления. Перемещение прекратится, когда шток 4 опять установится в положение, со­ответствующее разобщению каналов 22 и 23. Очевидно, что чем на боль­ший угол была открыта дроссельная заслонка, тем дальше в направлении включения сцепления должен переме­щаться шток 4 — до положения, при котором произойдет разобщение кана­лов 22 и 23. Угол открытия дроссель­ной заслонки изменяется от минималь­ного в позиции III на рис. до мак­симального при полностью открытом дросселе в позиции I.

После того как автомобиль разго­нится до скорости срабатывания дат­чика 12, сигнал от этого датчика по­ступает на электронный блок 13. Пос­ледний отключает от "массы" свою клемму К, разрывая тем самым цепь питания обмотки электромагнита 16. В результате воздушный клапан 24 от­крывается, полость 2 сервокамеры со­единяется с атмосферой независимо от того, в каком положении находятся элементы золотника. Сцепление бло­кируется. Чтобы оно при этом вклю­чалось плавно, диаметр стравливаю­щего отверстия 15 выбран таким, что­бы скорость поступления воздуха че­рез него не зависела от скорости от­крытия воздушного клапана.

Принудительное выключение сцеп­ления в процессе переключения пере­дач при всех частотах вращения ко­ленчатого вала двигателя и скорости движения автомобиля обеспечивается замыканием контактов выключателя ВС, встроенного в рукоятку 10 пере­ключателя передач. В этом случае включается электромагнит 26, бла­годаря чему полость 2 сервокамеры через открывшийся вакуумный клапан соединяется с вакуум-ресивером. Сцеп­ление полностью выключается.

Система "Драйв-Матик" обеспечивает плавное увеличение кру­тящего момента, передаваемого сцеп­лением, только по мере увеличения угла открывания дроссельной заслон­ки. Если водитель уменьшает угол, то этот момент не уменьшается. Чтобы не произошло остановки двигателя или "рывков" автомобиля, водитель должен сначала полностью отпустить педаль подачи топлива (замкнуть кон­такты микровыключателя МВх и со­единить тем самым полость 2 сервока­меры с ресивером), а затем перевести эту педаль в требуемое условиями дви­жения положение.

Данная особенность с точки зрения уменьшения опасности работы сцепле­ния с длительной пробуксовкой – яв­ление положительное. Однако она ус­ложняет маневрирование на автомоби­ле при низких скоростях движения, а также ухудшает возможности трогания автомобиля с места на больших подъемах.

На автомобилях малого класса отдельных производителей автомобилей может применяться порошковое сцепление (рис. 10.3).

 

Рис. 10.3. Электромагнитное порошковое сцепление:

А, Б, В – зазоры; 1 – маховик; 2 – неподвижный корпус; 3 – обмотка возбуждения; 4 – ведомый диск

 

Ведущим элементом сцепления является маховик 1 с закрепленными на нем магнитопроводами с обмотками возбуждения 3. Ведомый диск 4 закреплен на ведущем валу коробки передачи. Меж­ду магнитопроводами и ведомым диском имеется воздушный зазор А, в который вво­дится специальный фрикционный поро­шок, обладающий высокими магнитными свойствами. При отсутствии тока в обмот­ках возбуждения между ведущими и ведо­мыми элементами сцепления силовой связи нет – сцепление выключено. Если к обмоткам возбуждения подводится электрический ток, то за счет образова­ния магнитного поля, частицы порошка выстраиваются по силовым линиям маг­нитного поля, и создается силовое взаи­модействие между ведущими и ведомыми элементами сцепления. Силовая связь зависит от силы тока, поступающего в об­мотку возбуждения. Основное достоинст­во такой конструкции заключается в том, что управление сцеплением можно пере­нести с педали сцепления на ручной, кно­почный вариант управления, что актуально для водителей с ограниченными физическими возможностями.

Более широкое распространение в трансмиссии легковых автомобилей нашли одно и многодисковые фрикционные сцепления, которые будут рассмотрены ниже.

Механические коробки передач

Шестиступенчатая механическая коробка передач. Тенденция к повышению мощности двигателей требуют разработки новых решений трансмиссий автомобилей. Одним из видов таких решений является переход на шестиступенчатые коробки передач, что позволяет снизить разрывы между передаточными числами соседних передач. Рабочие частоты вращения коленчатого вала двигателя при этом снижаются и как следствие уменьшается расход топлива, повышаются также комфорт и разгонная динамика автомобиля.

Из новых разработок механических передач в качестве примера приводится шестиступенчатая механическая коробка передач автомобиля Touareg (рис. 10.4). Эта коробка отличается плотным рядом передаточных отношений, обеспечивающим существенное повышение крутящего момента при движении по пересеченной местности и спортивный характер движения по дорогам с твердым покрытием.

Передача мощности на ведущий вал глав­ной передачи осуществляется через три ва­ла с шестернями: первичный, вто­ричный и промежуточный.

Ведомый диск сцепления установлен непо­средственно на шлицах первичного вала. Передачи с 1-й по 4-ую являются понижающими, 5-я прямая и 6-я – повышающая.

Рис. 10.4. Механическая коробка передач автомобиля Touareg:

1 – картер сцепления; 2 – первичный вал; 3 – ведущая шестерня (постоянной передачи) на первичном валу; 4 – муфта синхронизатора; 5 – включаемая шестерня шестой передачи; 6 – вращающаяся вместе с валом шестерня третьей передачи; 7 – вращающаяся вместе с валом шестерня четвертой передачи; 8 – включаемая шестерня второй передачи; 9 – включаемая шестерня первой передачи; 10 – центральный шток переключения передач; 11 – включаемая шестерня передачи заднего хода; 12 – вторичный вал; 13 – промежуточный вал; 14 – задняя часть коробки передач; 15 – вращающаяся вместе с валом шестерня первой передачи и передачи заднего хода; 16 – вращающаяся вместе с валом шестерня второй передачи; 17 – включаемая шестерня четвертой передачи; 18 – включаемая шестерня третьей передачи; 19 – вращающаяся вместе с валом шестерня шестой передачи; 20 – ведомая шестерня постоянной передачи

 

Первичный вал вращается в радиальном шарикоподшипнике, установленном в картере сцепления. Между первичным и вторичным валами установлен подвижный в осевом направлении роликоподшипник с цилиндрическими роликами. Он расположен в расточке первичного вала. Ведущая шестерня постоянной передачи 3 выполнена заодно целое с первичным валом.

Вторичный вал вращается в радиальном шарикоподшипнике, установленном неподвижно в картере задней части коробки передач, и в подвижном в осевом направлении роликоподшипнике, расположенном в первичном вале. Заодно целое с вторичным валом выполнены шестерни третьей 6 и четвертой передач 7. Включаемые шестерни первой 9, второй 8, шестой передачи 5 и передачи заднего хода 11 установлены на нем на игольчатых подшипников. Их называют также свободно вращающимися шестернями. Эти шестерни находятся в постоянном зацеплении с соответствующими им шестернями, которые вращаются вместе с валами. При включении той или иной передачи они соединяются с вторичным валом посредством соответствующих муфт синхронизаторов и могут передавать на него крутящий момент.

Ступицы муфт синхронизаторов первой и второй передач, пятой и шестой передач, а также передачи заднего хода установлены неподвижно на шлицах вторичного вала.

Промежуточный вал установлен на одном неподвижном и одном подвижном в осевом направлении подшипниках. Двухрядный шарикоподшипник установлен в картере сцепления, а роликоподшипник с цилиндрическими роликами – в картере задней части коробки передач. Шестерни первой 15 и второй передач 16 выполнены заодно целое с вторичным валом.

Шестерни третьей 18 и четвертой передач 17 установлены на промежуточном вале на игольчатых подшипниках. Шестерня шестой передачи 19, а также шестерня постоянной передачи 20 закреплены на шлицах промежуточного вала. Эти шестерни вращаются вместе с промежуточным валом.

Ступица муфты синхронизатора третьей и четвертой передач установлена на промежуточном вале также неподвижно.

Для включе­ния передачи крутящего момента в коробке передач применяются синхронизированные муфты переключе­ния передач (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Синхронизированная муфта переключения передач

Муфта состоит из:

- ступицы 6, имеющей внутрен­ние шлицы, которые соединяют ее неподвиж­но с вторичным валом, и наружные шлицы, по которым может передвигаться наружное кольцо муфты с внутренними шлицами;

- наружного кольца 3 муфты, имеющего внутренние шлицы, соответствующие наруж­ным шлицам ступицы и шлицевым венцам свободно вращающихся шестерен соответст­вующих передач, и кольцевую канавку для зацепления с вилкой переключения передач;

- конических блокирующих колец 2, син­хронизирующих (уравнивающих) угловую скорость вращения вторичного и промежуточных валов и свободно вращающейся шестерни выбираемой передачи;

- сухарей 4 подпружиненные листовой пружиной 5.

При переключении передачисцепление отжато, т.е. коленчатый вал двигателя и пер­вичный вал КПП разъединены, следовательно, промежуточный вал с зафиксированными на нем шестернями, а также соответствующие им шестерни вторичного вала вращаются свободно, независимо от скорости вращения коленчатого вала двигателя и колес автомобиля.

Вилка штока переключения передач, нахо­дясь в постоянном зацеплении с наружным кольцом 3 синхронизированной муфты, передвигаясь в направлении шестерни соответствующей передачи через наружное кольцо, двигает внутренними шлицами сухарь 4, который прижимает коническое блокирующее кольцо 2 к конической поверхности соответствующего зубчатого колеса, создавая повы­шенное трение в зоне контакта, что приводит к выравниванию угловых скоростей зубчато­го колеса и синхронизированной муфты. На­ружное кольцо муфты заходит на шлицевой венец 1 шестерни. Таким образом, валы КПП оказываются соединены и вращаются с частотой, пропорциональной передаточному отношению выбранной передачи.

Особое внимание уделяется компактности коробок передач и их способности вписаться в отводимое для них пространство. Примером удачной в данном отношении конструкции является коробка передач модели 0A5 Фольксваген (рис.10.6). Эта коробка отличается малой длиной, благодаря чему она легко вписывается в затесненное подкапотное пространство автомобилей с поперечным размещением силовых агрегатов в передней части кузова. Существенное снижение длины коробки передач достигается в результате применения четырехвальной конструкции, позволяющей разместить шестерни в ограниченном по длине пространстве.

Рис. 10.6. Четырехвальная шестиступенчатая коробка передач:

1 – второй вторичный вал; 2 – первичный вал; 3 – первый вторичный вал; 4 – третий вторичный вал; 5 – шестерня главной передачи; R ­– шестерни передачи заднего хода; номерами обозначены шестерни соответствующих передач

 

На первичном валу на игольчатых подшипниках установлены соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни 5-й и 6-й передач. На этом же валу нарезаны ведущая шестерня 1-й передачи и шестерня второй и третьей передачи, а также напрессована ведущая шестерня 4-й передачи.

На первом вторичном валу на игольчатых подшипниках установлены соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни 1-й и 2-й передач, нарезана ведущая шестерня главной передачи и соединенная сваркой с шестерней 1-й передачи шестерня заднего хода.

На втором вторичном валу на игольчатых подшипниках установлены соединяемые с ним с помощью синхронизатора шестерни 3-й и 4-й передач. Ведомые шестерни 5-й и 6-й передач соединены с валом посредством горячей прессовой посадки, а ведущая шестерня главной передачи непосредственно нарезана на валу. Включение 3-й и 4-й передач осуществляется посредством 3-х конусного синхронизатора, ступица которого неподвижно установлена на шлицах.

На третьем вторичном валу на игольчатых подшипниках установлена соединяемая с ним с помощью синхронизатора включения заднего хода шестерня заднего хода и нарезана шестерня главной передачи.

Все передачи с первой по четвертую включаются посредством 3-х конусных синхронизаторов. Пятая и шестая передачи включаются посредством обычного одноконусного синхронизатора. Передача заднего хода включается посредством инерционного синхронизатора с наружным кольцом.

Передача крутящего момента с первичного вала на главную передачу осуществляется через один из трех вторичных валов, концевые шестерни которых постоянно находятся в зацеплении с ведомой шестерней главной передачи.

При включенной передаче заднего хода крутящий момент передается через шестерню 1-й передачи, вращающуюся на втором вторичном валу. К шестерне 1-й передачи приварена шестерня передачи заднего хода, через которую крутящий момент передается на третий вторичный вал и далее на главную передачу.