30.1.88. Бесступенчатые передачи. Конструкция, назначение.

Назначение. В трансмиссии автомобиля объективно необходимы по крайней мере два передаточных числа — максимальное, при котором авто­мобиль преодолевает максимальное заданное сопротивление дви­жению, и минимальное, необходимое для движения с максимальной заданной скоростью или для движения с минимально возможным расходом топлива в благоприятных дорожных условиях.

Существуют два принципиальных способа изменять передаточ­ные числа трансмиссии при движении автомобиля:

1. последова­тельный выбор дискретных значений передаточных чисел

2. бес­ступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии в диапа­зоне от максимального до минимального.

Применение бесступенчатой передачи в трансмиссии автомобиля позволяет при автоматическом регулировании передаточных чисел существенно упростить процесс управления автомобилем, а при определенных условиях и улучшить динамические и топливно-экономические характеристики автомобиля. Таким образом, назначение бесступенчатых передач — изменение передаточного числа трансмиссии, обеспечивающее при этом уп­рощение и облегчение процесса управления автомобилем.

Классификация бесступенчатых передач.

По принципу работы бесступенчатые передачи можно разделить на:

(1) гидродинамические; (2) объемные гидропередачи; (3) электрические; (4) импульсные; (5) фрикционные.

По принципу управления передачи можно разделить на управ­ляемые вручную и автоматические. Автоматические передачи в свою очередь можно разделить на передачи, обладающие внутренним автоматизмом, и передачи, требующие наличия внешнего автоматического регулятора. Следует отметить, что из всего многообразия возможных бес­ступенчатых передач в массовом автостроении применяются в ос­новном гидродинамические передачи в сочетании со ступенчатой коробкой передач, получившие название гидромеханических пере­дач, и фрикционные передачи (с непосредственным контактом или с гибкой связью).

Объемной гидропередачей называют гидравлическую систему, включающую в себя объемный гидравлический насос, объемный гидравлический мотор и систему регулирования, которая служит для передачи энергии от одного узла к другому. В объемных гидравлических машинах передача механической энергии осуществляется изменением объемов рабочих камер гид­равлических машин.

Потенциальной энергией положения (высота столба жидкости), и кинетической энергией потока жидкости обычно пренебрегают.

Основным преимуществом объемных гидравлических передач являются малые габариты и удельная масса. Так, например, объемный гидравлический насос при частоте вращения рабочего вала 2500— 3000 об/мин и давлении 20—25 МПа имеет удельную массу 0,2— 0,3 кг/кВт. Теоретически в качестве машин объемной гидропередачи можно использовать объемные гидравлические насосы и моторы разнооб­разной конструкции — поршневые, лопастные, винтовые и зубчатые. Однако при использовании объемной гидропередачи в качестве бесступенчатой трансмиссии одним из основных требований, предъ­являемых к ним, является необходимость обеспечения максимально возможного КПД. Из всех возможных типов конструкций наилучшие показатели в этом отношении имеют поршневые гидромашины, поэтому именно они чаще всего применяются как в качестве насоса, так и в качестве мотора объемных гидропередач, используемых в качестве бесступенчатой передачи автомобиля.

Все многообразие поршневых гидромашин можно разделить на две основные группы: радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Радиально-поршневые машины в свою очередь можно также раз­делить на две группы: радиально-поршневые машины однократного действия и радиально-поршневые машины многократного действия. Радиально-поршневая машина одно­кратного действия состоит из статора и ротора цилиндрической формы, расположенных таким обра­зом, что их центры имеют относи­тельное смещение (е). Один из этих элементов может быть остановлен, другой может вращаться, при этом вращающийся элемент соединен либо с валом двигателя (насос), либо с ва­лом трансмиссии (мотор). Во внут­реннем элементе радиально располо­жены цилиндры, в которых помеще­ны поршни.

Радиально-поршневая машина много­кратного действия представляет собой сочетание концентрично расположен­ных статора и ротора. Наружное кольцо имеет профилированную рабочую по­верхность, представляющую собой рав­номерно чередующиеся выступы, опи­санные чаще всего параболической за­висимостью. Во внутреннем блоке рас­положены цилиндры и вставленные в них поршни.

В гидромашинах много­кратного действия условия работы по­ршней ухудшены вследствие больших тангенциальных составляющих сил дав­ления жидкости, поэтому в большин­стве конструкций для улучшения условий работы поршни снабжены шарико- или роликоподшипнико­выми головками. Аксиально-поршневыми называют объемные гидромашины, у которых рабочие камеры вращаются относи­тельно оси ротора, а оси поршней или плунжеров параллельны оси ротора. Аксиально-поршневые машины мож­но разделить на два класса: — машины с наклонным блоком ци­линдров. У таких машин оси ведущего звена и вращения ротора пересекаются;

— машины с наклонным упорным диском. У таких машин ось ведущего звена совпадает с осью блока цилинд­ров.

Электрические передачи. Электрическая передача, используемая в качестве бесступенча­того трансформатора крутящего момента, состоит из генератора, якорь которого вращается двигателем внутреннего сгорания, и тя­гового электродвигателя, якорь которого связан с валом трансмиссии автомобиля. Электрический ток, снимаемый с обмоток генератора, подается на обмотки тягового электродвигателя. Возможен вариант применения так называемых мотор-колес, когда якорь электродви­гателя связан непосредственно со ступицей ведущего колеса или с входным элементом колесного редуктора, встроенного также в ступицу колеса. В случае применения генератора постоянного тока и сериесного (с последовательным возбуждением) электродвигателя электротранс­миссия обладает внутренним автоматизмом.

Автоматизм работы электрической трансмиссии можно объяс­нить следующими факторами. При постоянном режиме работы двигателя внутреннего сгорания работа генератора описывается его внешней характеристикой, представляющей зависимость напряже­ния от тока.

Импульсные передачи. По способу регулирования импульсные передачи можно разделить на две группы: импульсные передачи с переменной амплитудой ко­лебаний и инерционно-импульсные. Первые требуют внешнего авто­матического управления, вторые обладают внутренним автоматизмом. Импульсная передача с переменной амплитудой колебаний отно­сится к передачам, требующим внешнего автоматического управ­ления. В импульсных передачах с переменной амплитудой колебаний вращение ведущего вала преобразуется в колебательное движение с переменной амплитудой звена, связанного с выходным валом. Кроме того, такие передачи могут служить источником высо­кочастотных крутильных колебаний в трансмиссии, что также от­рицательно сказывается на эксплуатационных качествах автомобиля. Инерционно-импульсные передачи относятся к числу передач с внут­ренним автоматизмом. Принцип работы такой передачи можно по­яснить следующим примером: имеется ряд колеблющихся масс (ма­ятников, маховиков или поступательно движущихся грузов), которые связаны с входным и выходным валами передачи таким образом, что при вращении валов с разными угловыми скоростями массы колеблются с амплитудой, зависящей от частоты вращения ведущего вала и от разницы частот вращения ведущего и ведомого валов. Цикл колебания каждой массы имеет четыре фазы. В первой фазе масса ускоряется в одном направлении, накапливая при этом энергию, поступающую от ведущего вала. Во второй фазе масса замедляется и при этом отдает накопленную энергию выходному валу. В третьей фазе масса снова ускоряется, но уже в противоположном направлении, а в четвертой фазе еще раз отдает накопленную энергию, но, поскольку масса движется в противоположном направлении, в конструкции дол­жно быть предусмотрено устройство реверсирования усилия, при­кладываемого на ведомый элемент. Чем больше разница частот вра­щения входного и выходного валов передачи, тем больше значение ускорения и замедления масс, а следовательно, и инерционная добавка момента, прикладываемого к выходному валу. По мере уравнивания частот вращения валов инерционная добавка уменьшается, таким образом передача автоматически, без внешнего воздействия, умень­шает передаточное число по мере разгона выходного вала. Конструкции инерционно-импульсных передач можно разделить на две категории: передачи с неуравновешенными массами, совершающими колебательные движения, и передачи с вращающимися неуравновешенными массами.

Фрикционные передачи. Все многообразие фрикционных передач можно с определенной долей условности разделить на две основные группы: фрикционные передачи с непосредственным контактом и фрикционные передачи с гибкой связью. Особенностью всех типов фрикционных передач является не­обходимость прижатия одного фрикционного элемента к другому со значительной силой. Это обуславливает большое давление на опоры, что увеличивает потери в подшипниках и уменьшает срок службы основных рабочих деталей. Условие работы фрикционной передачи выражается неравенством: m/k>1 где m — коэффициент трения; к— коэффициент тяги, равный отношению реализуемой касательной силы к нормальной силе в контакте. Для обеспечения наименьшего нагружения контакта и подшип­ников передачи желательно, чтобы отношение т/к в регулируемом диапазоне оставалось постоянным, следовательно, прижатие фрик­ционных элементов должно изменяться автоматически в функции передаваемого передачей усилия (крутящего момента). Автомати­ческое изменение прижатия может осуществляться либо специаль­ным промежуточным элементом под действием активных или ре­активных сил, либо специальным нажимным устройством, в основе которого лежит принцип разложения активной силы на состав­ляющие с помощью клинового механизма. В современных системах управления фрикционными передачами с использованием микро­процессора оптимальное усилие прижатия задается программой мик­ропроцессора. Отличительной особенностью фрикционных бесступенчатых пе­редач является скольжение в контакте. Чем меньше изменяется относительное скольжение в контакте во всем диапазоне регули­рования, тем более благоприятными будут условия работы фрик­ционных элементов. Фрикционные передачи с гибкой связью -представляют собой варьирование известной бесступенчатой передачи — клиноременного вариатора.