В функции трансмиссии входит трансформирование крутящего момента, создаваемого ДВС, передача и распределение его по ведущим колесам и осям автомобиля.
В настоящее время наибольшее распространение на автомобилях получили механические и гидромеханические трансмиссии.
Схема механической трансмиссии проиллюстрирована на рис. 1.27 на примере автомобиля с колесной формулой 4×2 (четыре колеса из них два ведущих).
В состав механической трансмиссии входят:
- сцепление 2, позволяющее отсоединить вал двигателя 1 от трансмиссии и плавно соединить;
- коробка перемены передач (КПП) 3, позволяющая ступенчато трансформировать крутящий момент и изменить направление вращения в трансмиссии для движения автомобиля назад;
- карданный вал 4, передающий крутящий момент от КПП к ведущему мосту 6;
- главная передача ведущего моста 5, дополнительно трансформирующая крутящий момент;
- диференциал 7, позволяющий перераспределять крутящий момент между колесами ведущей оси и вращаться им с разной частотой;
- полуоси 8, передающие крутящий момент от главной передачи к ведущим колесам автомобиля.
Кроме показанной на рис. 1.27 классической трансмиссии для автомобилей с колесной формулой 4×2 используются трансмиссии с приводом на передние колеса (рис. 1.28, а) и на задние — при заднем расположении двигателя (рис. 1.28, б).
В таких вариантах конструкции КПП, главная передача и дифференциал объединены в один блок с общей системой смазки. Такое решение обеспечивает снижение массы автомобиля, отсутствие длинных карданных валов и, как следствие, более удобную компоновку салона легкового автомобиля, а также уменьшает затраты на обслуживание.
На рис. 1.29 показаны трансмиссии автомобилей с колесной формулой 4×4 (а) 6×4 (б) и 6×6 (в). Особенностью этих трансмиссий является наличие дополнительных КПП и раздаточных коробок. Эти узлы позволяют (при необходимости) дополнительно повысить крутящий момент на ведущих колесах (автомобили повышенной проходимости), а также раздать крутящий момент ко всем ведущим осям автомобиля. Распределение крутящего момента между ведущими осями осуществляется межосевыми дифференциалами.
Дополнительную КПП, раздаточную коробку и межосевой дифференциал (рис. 1.29, а, в) или главную передачу, межколесный и межосевой дифференциалы (рис. 1.29, б), как» правило, объединяют в один блок с общей си- [ стемой смазки.
Узлы главных передач, КПП, раздаточных коробок и дифференциалов являются одними из наиболее нагруженных в автомобилях и нуждаются в постоянной смазке.
Главная передача предназначена для повышения предаваемого крутящего момента и снижения частоты вращения ведущих колес до значений, обеспечивающих движение автомобиля с заданными скоростями. Передаточное отношение главной передачи зависит в основном от мощности и быстроходности двигателя, массы и назначения автомобиля. Обычно для грузовых автомобилей передаточное отношение находится в пределах 6,5-9, легковых — 3,5-5,5.
Главная передача является наиболее нагруженным и подверженным износу узлом трансмиссии, что связано с большими усилиями, действующими в ней.
В зависимости от назначения и конструкции автомобиля в нем могут использоваться различные типы главных передач. На рис. 1.30 показаны одинарные главные передачи, используемые в легковых автомобилях, автомобилях малой и средней грузоподъемности. У заднеприводных автомобилей (рис. 30, а, б, в) малая ведущая шестерня соединяется с карданным валом, а большая через дифференциал — с полуосями. Из них наиболее простой в изготовлении является передача с коническими шестернями (рис. 30, а). Для уменьшения шумности шестерни снабжают спиральными зубьями.
Наибольшее распространение на современных заднеприводных автомобилях получи-ла гипоидная передача (рис. 30, б). Она отличается тем, что ось ведущей шестерни смещена на некоторое расстояние е относительно оси ведомой. Это позволяет понизить высоту расположения карданного вала, разместить пол в автомобилей ниже и, тем самым, снизить его центр тяжести. Гипоидная передача работает менее шумно, а зубья имеют большую по сравнению с конической толщину ножки. Это увеличивает их износостойкость и нагрузочную способность. Однако, нагрузки в гипоидной передаче по сравнению с конической выше.
Червячные главные передачи (рис. 1.30, в) отличаются небольшими размерами при больших передаточных числах- и отсутствием шума при работе. Однако, из-за меньшего КПД по сравнению с коническими и гипоидными передачами, необходимости применения дорогостоящих материалов и высокой стоимости производства червячные главные передачи получили ограниченное распространение.
Особенностью конструкции переднеприводных автомобилей с поперечным расположением двигателя (рис. 1.28, а) является то, что главная передача у них может быть цилиндрической (рис. 1.30, г), так как оси колес и вал двигателя параллельны. Шестерни такой передачи выполняют косозубыми или винтовыми, что позволяет снизить их шумность и повысить способность противостоять нагрузкам. Действующие нагрузки в таких передачах ниже чем у конических и гипоидных.
Двойные главные передачи (рис. 1.31) устанавливают на автомобилях большой грузоподъемности. При разделении главной передачи на две части снижаются нагрузки в шестернях, а также уменьшаются размеры средней части ведущего моста. Кроме того, применение колесных редукторов позволяет увеличить на величину А (рис. 1.31, б) дорожный просвет Н и тем самым повысить проходимость автомобиля.
Валы шестерен главных передач устанавливают в подшипники качения. Для бесшумной и долговечной работы шестерни главных передач изготавливаются с высокой точностью, а их взаимное положение тщательно регулируется.
КПП, дополнительные и раздаточные коробки представляют собой редукторы, в которых используются цилиндрические шестерни с прямыми и косыми зубьями. Валы шестерен устанавливают в подшипниках качения. В зависимости от назначения КПП могут иметь различное количество ступеней. Переключение (ступенчатое изменение передаточного отношения) КПП обеспечивается с помощью синхронизаторов, облегчающих вхождение в зацепление вращающихся шестерен и уменьшающих износ зубьев.
Механические трансмиссии надежны в работе и имеют сравнительно высокие коэффициенты полезного действия (к.п.д. = 0,85 -0,95). Однако одним из недостатков их является разрыв потока мощности от двигателя при переключении передач в КПП, вызывающий замедление движения, что снижает интенсивность разгона и ухудшает проходимость автомобиля. Наряду с этим правильность выбора момента переключения передач в зависимости от условий движений во многом зависит от квалификации водителя, а поэтому выбор момента переключения передач не всегда близок к наиболее выгодным режимам работы двигателя, что существенно снижает срок службы автомобилей и ухудшает их экономичность. Значительное же число переключений передач особенно, в городских условиях движения, вызывает сильное утомление водителя.
Это обусловило применение на автомобилях гидромеханических трансмиссий.
Основной отличительной особенностью таких трансмиссий является использование в дополнение к механической КПП гидродинамической системы — гидротрансформатора.
Гидротрансформатор включается в трансмиссию между двигателем и КПП. Он обеспечивает автоматическое бесступенчатое изменение крутящего момента и частоты вращения колес автомобиля изменение передаточного числа трансмиссии в достаточно широком диапазоне избавляя водителя от необходимости переключения передачи.
Схема трансформатора показана на рис. 1.32 а. Коленчатый вал 1 двигателя жестко связан с корпусом 8 и насосом 3. Турбина 2 соединена с первичным валом 7 коробки передач. Между насосом и турбиной расположен реактор 4. Внутренняя полость гидротрансформатора примерно на 3/4 объема заполнена маловязким маслом.
При вращении коленчатого вала масло, захватываемое насосом, отбрасывается под действием центробежной силы к наружному краю колеса насоса и, ударяясь о лопатки турбины, приводит ее в движение. Из турбины масло поступает в реактор 4, изменяющий направление потока жидкости, а затем снова — в насос.
При медленном вращении турбины жидкость, поступающая в реактор, ударяясь об его лопатки с внутренней стороны, стремится повернуть реактор в сторону, противоположную вращению насоса и турбины, с силой РР (рис. 1.32, б). При этом сила РР направлена в туже сторону, что и сила Рн, действующая на насос, и в противоположную сторону по сравнению с силой Рт, действующей на турбину. Момент силы Рт, приложенной к турбине, равен сумме моментов сил Рн и РР. Таким образом, момент на первичном валу коробки передач оказывается больше момента двигателя. С увеличением сопротивления движению автомобиля угловая скорость турбины уменьшается. Давление жидкости на реактор увеличивается, в результате чего автоматически возрастает крутящий момент на турбине, а следовательно, и тяговая сила на ведущих колесах автомобиля.
С увеличением угловой скорости турбины из-за уменьшения нагрузки двигателя жидкость, поступающая на турбину, ударяет в лопатки реактора с внешней стороны (рис. 1.32, в). Сила РР изменяет свое направление, в результате чего крутящий момент на турбине становится равным разности моментов сил Рн и Рт. Следовательно, крутящий момент на первичном валу оказывается меньше крутящего момента двигателя. Чтобы избежать чрезмерного уменьшения момента, реактор 4 соединяют с неподвижной втулкой 6 с помощью муфты 5 свободного хода. Когда угловая скорость турбины меньше угловой скорости насоса, муфта 5 заклинивает реактор на втулке, и поэтому он остается неподвижным (не вращается). Когда угловые скорости турбины и насоса выравниваются, муфта расклинивает реактор, и он начинает вращаться в ту сторону, что и турбина. Лопатки реактора при этом не изменяют направления потока жидкости, уменьшение момента прекращается, и гидротрансформатор работает как гидромуфта.
При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя момент на турбине гидротрансформатора незначителен, что позволяет обходится в трансмиссии без сцепления.
Учитывая, что гидротрансформатор изменяет крутящий момент без значительного снижения к.п.д. в недостаточном (2.5…3) для работы автомобиля диапазоне, его дополняют ступенчатой КПП. Для облегчения управления автомобилем переключение передач в КПП, как правило, автоматизируют. Переключение передач осуществляется фрикционными муфтами, (а при использовании планетарных редукторов с помощью специальных тормозных устройств), работающими в масляной среде.
Гидротрансформатор и автоматическую КПП объединяют в один блок и называют автоматической гидромеханической КПП.
Детали агрегатов трансмиссии работают в тяжелых условиях. Давление в местах контакта зубьев главных передач для конических и червячных передач составляют 1500-2000 МПа, для гипоидных — 3000-4000 МПа при скоростях скольжения до 15 м/с. В результате тяжелых условий работы температура в агрегатах трансмиссии достигает 125-150°С, а в местах контакта зубчатых зацеплений до 300°С.
Наряду с высокими давлениями и температурами масло в агрегатах подвергается контакту с кислородом воздуха и каталитическому воздействию металлов смазываемых деталей.
Смазывание деталей трансмиссии обеспечивают окунанием в масло и его разбрызгиванием вращающимися деталями. Для этого в агрегатах устраиваются картеры, заполняемые трансмиссионными маслами.
Трансмиссионные масла должны обеспечивать снижение трения между деталями трансмиссии, образовывать на их поверхности прочную пленку, выдерживающую значительные нагрузки без разрушения, предотвращать фиксацию отложений на деталях, удалять продукты износа с трущихся поверхностей, отводить теплоту, не пениться, противостоять окислению, не вызывать коррозии, не разлагаться не быть токсичными и др.
Так же как и моторные, трансмиссионные масла должны обладать достаточной для обеспечения жидкостного трения (при рабочих температурах) вязкостью. В то же время при снижении температуры увеличение вязкости должно быть минимальным, чтобы не увеличивать потери жидкостного трения и расход топлива автомобилем.
Основной функцией масел для автоматических гидромеханических КПП, кроме смазочной, является передача энергии от двигателя к КПП. Интенсивное циркулирование рабочего тела в гидротрансформаторе обуславливает необходимость использования масел с малой вязкостью и не склонных к пенообразованию.
Под действием нагрузок, высоких температур, кислорода воздуха характеристики трансмиссионных масел в процессе эксплуатации автомобиля изменяются. Масло окисляется, в нем срабатываются присадки, возрастает концентрация продуктов износа, в составе масла появляется вода вносимая парами, проникающими через систему вентиляции агрегата. По этой причине оно подлежит периодической замене.
Рис. 1.27. Трансмиссия автомобиля 4×2:
а — схематрансмиссии;
б — эпюрамоментов;
I— III— передачи. Мс— моментнавалудвигателя;МпиМл— моменты на правойилевойполуосяхавтомобилясоответственно.
Рис. 1.28. Варианты трансмиссии автомобиля 4×2:
а — сприводомнапередниеколеса,
б— призаднемрасположениидвигателя;
1 — двигатель; 2 — сцепление; 3 — коробкапеременыпередач; 4 — полуоси; 5 — главнаяпередачаидифференциал; 6 — шарнирыравныхугловыхскоростей.
а)б)в)
Рис. 1.29. Схемы трансмиссий автомобилей с колесной формулой 4 х 4(a), 6×4 (б), 6х 6 (в).
1 — двигатель; 2 ~ сцепление; 3 — коробкапеременыпередач; 4 — карданныйвал; 5 — главнаяпередачаимежколесныйдифференциал; 6 — шарнирыравныхугловыхскоростей; 7,8- дополнительнаякоробкапеременыпередач сраздаточнойкоробкой имежосевымидифференциалами.
Рис.1.30. Схемы одинарных главных передач
Рис. 1.31. Схемы двойных главных передач
Рис. 1.32. Схемы устройства гидротрансформатора и его работы:
а– схемаустройства гидротрансформатора; б и в —схемыработыгидротрансформатора;
1 — коленчатыйвал; 2 — турбина; 3 — насос; 4 — реактор; 5 — муфтасвободногохода; 6 — втулка; 7 — первичныйвалкоробкипередач; 8 — корпус.