Коробки передач. Раздаточные коробки

Коробка передач (КП) предназначена для изменения силы тяги на ведущих коле­сах автомобиля путем изменения передаточного числа; дли­тельного отсоединения дви­гателя от ведущих колес; обеспечения движе­ния автомобиля задним ходом.

В зависимости от характера изменения передаточного числа КП под­разделяются на ступенчатые, бесступенчатые и комбинированные. Сту­пенчатые КП отличаются про­стой конструкцией и меньшей стоимостью по сравнению с бесступенчатыми. Поэтому они получили широкое примене­ние на автомобилях различных типов.

Основными преимуществами трехвальных КП (а) являются: наличие прямой пе­редачи, получающейся со­единением первичного 1 и вторичного 2 валов; простота полу­чения большего переда­точного числа на низшей сту­пени. Недостатком трехваль­ных КП является некоторое снижение КПД на промежу­точных передачах, поскольку крутящий момент передается че­рез шестерни и промежу­точный вал 3.

Двухвальные КП (б) имеют более простую конструкцию, низкий уро­вень шума и повышенный КПД на промежуточных передачах. Одним из важных преимуществ таких КП является удобство компоновки, а также простота конструкции трансмиссии при по­перечном расположении двига­теля в автомобилях переднеприводной и заднемоторной компоновки. К недостаткам двухвальных КП следует отнести отсутствие прямой пере­дачи и значительные ограничения в получении большого передаточного числа на низ­шей ступени (i₁£ 4 - 4,5).

КП с числом передач более пяти-шести называют многоступенча­тыми. Они об­разуются на базе основной четырех-, пяти- или шестисту­пенчатой трехвальной КП, пу­тем присоединения к ней дополнительного редуктора. Обычно этот редуктор имеет две ступени (прямую и редуктор­ную) и обеспечивает получение удвоенного числа передач. Редуктор мо­жет быть повышающим (делитель – мультипликатор) или понижающим (демультипликатор).

Делитель устанавливается перед основной КП и имеет на­значение уплотнить ряд ее пере­даточных чисел, что позволяет повысить среднюю скорость движения автомо­биля.

Делитель незначительно расширяет диапазон основной КП, которая сама имеет достаточно широ­кий диапазон передаточных чисел, что позволяет ис­пользовать ее на не­которых автомобилей без де­лителя, ав­тономно, и тем самым обеспе­чить высо­кую степень унификации. Другими преимущест­вами делителя является про­стота конструкции и ми­нимальное число зубчатых колес; вы­сокий КПД, так как сохраня­ется число пар зубча­тых колес, через которые передается кру­тящий момент. Недостатком мно­гоступенчатых КП с делителем, является большой кру­тящий момент на ве­домом валу основной КП, что уве­личивает ее массу и размеры.

Многоступенчатые КП с задним расположе­нием демуль­ти­плика­тора применяют при не­обходимости обеспече­ния зна­чи­тельного по­вышения тя­говых сил на ведущих ко­лесах. Заднее распо­ложение дополни­тель­ного редуктора обуслав­ливает воз­можность по­лучения большого диа­пазона.

Возможность иметь большой диапазон де­мультипликатора исполь­зуется для рас­ширения общего диапазона при малом диапазоне основной КП. Последнее является не­достатком, приводит к уменьшению степени унификации, так как малый диапазон основ­ной КП не позволяет использо­вать ее отдельно без демультип­ликатора. Преимуществом является умень­шение крутящего момента на ведомом валу ос­новной КП, и она может быть выполнена компактной с меньшим межосевым расстоя­нием. В каче­стве демультип­ликатора часто используют раздаточную коробку.

Способы переключения передач в механических КП:

- при помощи подвижных прямозубых колес (кареток);

- зубчатыми муфтами;

- синхронизаторами.

В настоящее время включение передач при помощи подвижных пря­мозубых колес (кареток) применяется главным образом в КП грузовых ав­томобилей для включения первой передачи и передачи заднего хода, включение которых производится в условиях, когда автомобиль неподви­жен. Ограниченное применение кареток объясняется возник­новением ударных нагрузок на зубья при включении передач, что приводит к быст­рому износу зубьев, а иногда и к их поломкам.

Применение в КП зубчатых колес постоянного зацепления привело к необходи­мости использования для включения передач кулачковых или зубчатых муфт. В этом случае ударные нагрузки при включении распре­деляются между всеми зубьями (кулач­ками), что, однако, не снижает уро­вень шума при включении и не облегчает процесс включения. Такой спо­соб переключения передач получил широкое распространение в раздаточ­ных коробках.

Помимо муфт, в КП с зубчатыми колесами постоянного зацепления, для пере­ключения передач в настоящее время широко применяются син­хронизаторы. Синхро­низаторы полностью исключают шум и ударные на­грузки в процессе включения пере­дач за счет выравнивания угловых ско­ростей соединяемых элементов (зубчатого колеса и вала) перед включе­нием передачи за счет трения. Наибольшее распространение полу­чили инерционные конусные синхронизаторы двухстороннего действия.

Процесс работы синхронизатора состоит из трех этапов (выравнива­ние, блоки­ровка и включение), в соответствии с чем синхронизатор имеет три обязательных эле­мента:

- выравнивающий 1 – фрикционный элемент, поглощаю­щий энергию сил инерции вращающихся масс за счет трения (у синхронизаторов КП легковых и грузовых автомо­билей вырав­нивающим элементом слу­жат латунные конусные кольца);

- блокирующий 2 – устройство, препятст­вующее переме­щению включающего элемента до полного выравнивания угло­вых скоростей (у синхронизаторов КП легковых автомобилей – блокирующие кольца, у синхронизаторов КП грузовых – блоки­рующие пальцы);

- включающий – зубчатая муфта 3 (у синхронизаторов КП легковых автомобилей) или каретка (у синхронизаторов КП гру­зовых автомобилей), жестко соединяющая зуб­чатое колесо с ва­лом.

Помимо этого, синхронизаторы имеют вспомогательные элементы – элементы упругой связи между деталями. Эти вспомогательные элементы способствуют уста­новке деталей синхронизатора нейтральное положение и, одновременно, не препятст­вует ра­боте синхронизатора.

Гидромеханические передачи (ГМП) состоят из гидротрансформа­тора, механиче­ского редуктора и системы управления. Дополнительным элементом гидромеханиче­ской передачи может быть тормоз-замедлитель.

При работающем дви­гателе воздействие лопастей насосного колеса Н на жид­кость заставляет ее не только вращаться вместе с ним, но и пере­мещаться вдоль лопа­стей к вы­ходу. Выйдя из на­сосного колеса жидкость по­падает на лопасти турбин­ного колеса Т, пе­редавая ему энергию потока; затем, про­ходя через реактор Р, изме­няет направление, и по­падает вновь в насосное колесо (а).

Поток жидкости выходит из любого лопастного колеса по направле­нию абсолют­ной скорости V, которая равна геометрической сумме окруж­ной скорости U, с которой вращается колесо, и относительной скорости W, с которой жидкость движется вдоль ло­пастей (б).Силовое воздействие потока на лопасти складывается из двух сил: активной силы, с которой поток воздействует на лопастное колесо при входе в него, и реактивной силы, с которой поток воздействует на лопаст­ное колесо при выходе из него.

Из условия равенства моментов можно записать: М_т = М_н + М_р. Та­ким образом, за счет наличия реактора происходит преобразование крутя­щего момента (у гидро­муфты – М_т = М_н). Благодаря своим свойствам гид­ротрансформатор изменяет крутящий момент не только бесступенчато, но еще и автоматически в зависимости от изменения нагрузки на валу тур­бинного колеса.

Если нагрузка на вал турбинного колеса уменьшится, это приведет к увеличению U_т, вследствие чего вектор абсолютной скорости V_т изменит свое направление таким образом, что силовое воздействие потока жидко­сти на турбинное колесо уменьшится (уменьшится М_т). При определенном положении вектора V_т реактор отключается и сво­бодно вращается на муфте свободного хода, не воспринимая реактивного момента. Гид­ро­трансформатор работает в этом случае как гидромуфта.

С уменьшением угловой скорости турбинного колеса муфта свободного хода снова закли­нивается, реактор останавливается и вновь начинает воспринимать крутя­щий момент.

Преимуществами гидротрансформатора являются: малая масса и размеры; плав­ность трогания; способность гасить крутильные колебания в трансмиссии и снижать возможность передачи ударных нагрузок; способ­ность автоматически изменять переда­точное число при изменении сопро­тивлению движению, что облегчает управление ав­томобилем и повышает безопасность движения; повышение проходимости автомобиля в тяжелых дорожных условиях в результате непрерывного подвода крутящего мо­мента к ведущим колесам.

К недостаткам относятся: более низкий, чем у ступенчатых КП, КПД, вследствие чего снижаются тягово-скоростные и топливно-экономи­ческие свойства автомобиля; сложность конструкции, и, следовательно, более высокая стоимость; невозможность ав­тономного использования на автомобиле из-за сравнительно малого диапазона; невоз­можность обеспе­чения движения автомобиля задним ходом; невозможность отсоедине­ния ведущего вала от ведомого.

Для устранения последних трех недостатков гидротрансформатор на автомобиле всегда применяется в сочетании с механической ступенчатой КП, которая может быть выполнена вальной или планетарной. Переклю­чение передач в таких КП осуществля­ется с помощью ленточных тормозов или фрикционов.

Раздаточная коробка служит для распределения крутящего момента между не­сколькими ведущими мостами многоприводных автомобилей.

Обычно раздаточную коробку устанавливают в трансмиссии автомо­биля за КП, соединяя их карданной передачей. При этом раздаточную ко­робку одновременно ис­пользуют в качестве де­мультипликатора (если диа­пазона передаточных чисел основной КП недостаточно для многопривод­ного автомобиля), что дает возможность увеличить силу тяги, повысить проходимость и тем самым расширить возможность использования тягово-скорост­ных качеств автомобиля в различных дорожных условиях.

У автомобилей, имеющих раздаточные коробки с блокированным приводом, пе­редний мост подключается периодически (в тяжелых дорож­ных условиях). Однако при этом через трансмиссию может переда­ваться циркулирующая мощность. От­ключение привода перед­него моста исключает воз­можность такой циркуляции. Оно осу­ществля­ется принудительно или автоматически (например, с по­мощью муфт свободного хода).

При использовании раздаточных ко­робок с дифференци­альным приводом перед­ний мост посто­янно включен, так как возможность цирку­ляции мощности здесь ис­клю­чена, но обяза­тельно должно быть уст­ройство для бло­кировки дифферен­циала - при буксо­вании одного из ко­лес и неза­блоки­ро­ванном межколесном дифференциале дви­же­ние автомобиля не­возможно.

Для обеспечения дифференциального привода в раздаточной ко­робке может быть использован симметричный или несимметричный диф­ферен­циал.

Симметричный диф­ференциал (а) применяется в том случае, если в полно­при­водном двухосном авто­мобиле сцепной вес делится между мос­тами примерно поровну.

В полноприводных трехосных автомоби­лях, где вертикаль­ная нагрузка на передний мост со­ставляет приблизительно поло­вину на­грузки на заднюю те­лежку, диффе­ренциаль­ный привод должен распределять момент между пе­редним мос­том и мостами тележки в соответст­вующей пропорции. Такое распределе­ние осу­ществляется при помощи несим­метричного дифференциала (б).