1.12. Коробка передач и раздаточная коробка

Без коробки передач (КП) автомобиль с двигателем внут­реннего сгорания не сможет ни начать движение, ни на­брать большую скорость. Возможности ДВС приспосаб­ливаться к постоянно меняющимся внешним условиям весьма ог­раничены. Например, машина преодолевает крутой подъем или водитель прибавляет газ — двигатель уже нуждается в помощи. Характер кривой крутящего момента (в зависимости от оборотов) не позволяет нивелировать изменение нагрузки за счет снижения или увеличения оборотов ДВС.

Двигателю внутреннего сгорания требуется многоступенчатая коробка передач. Она является тем самым агрегатом, благодаря которому мотор адаптируется к изменению нагрузок. Коробка, в частности, позволяет автомобилю двигаться с малыми скоростями, разъединяет двигатель и ведущие колеса на нейтральной передаче.

От передаточных чисел коробки и количества передач зависит эффективность использования тяговых возможностей мотора. Они же определяют динамические качества автомобиля и его топ­ливную экономичность. Диапазон передаточных чисел и количест­во ступеней (передач) являются поэтому основной характеристи­кой коробки вне зависимости от типа ее конструкции и класса автомобиля. Передаточное число определить очень просто: нуж­но разделить количество зубьев ведомой шестерни на количество зубьев ведущей. Если это число больше единицы, такую ступень называют понижающей. Крутящий момент двигателя увеличивает­ся в «передаточное число» раз, а угловая скорость коленвала при этом во столько же раз уменьшается. При передаточных числах, меньших единицы, ступень называют повышающей. Крутящий мо­мент соответственно уменьшается, а угловая скорость увеличива­ется. При числе, равном единице, передача называется прямой и характеристики не меняются.

Для того чтобы автомобиль сдвинулся с места и разогнался, не­обходимо преодолеть инерцию покоя. Поэтому первые несколько передач — как правило, от 1 -и до 3-й — понижающие, увеличива­ющие крутящий момент двигателя. После того, как инерция покоя преодолена, в увеличении момента нужда отпадает. Зато появляется потребность в увеличении угловой скорости коленчатого вала, чтобы ведущие колеса начали вращаться быстрей и скорость автомобиля нарастала. Поэтому все передачи, как правило, начиная с 4-й — повышающие (либо 4-я прямая, а затем повышающие).

Существует несколько типов классификации коробок передач (рис. 19). Все коробки передач по способу управления делятся на большие группы: имеющие автоматический режим и, соответственно, не имеющие автоматического режима. Последний вариант конструкции коробок называется механическим. Водитель, управляя машиной, должен сам выбрать нужную передачу, а затем ее включить. Именно непосредственное участие человека в процесса переключения передач отличает механические (ручные) коробки от всех остальных, где электроника частично или полностью берет на себя эти функции водителя.

По способу преобразования мощности все коробки можно также разделить на две группы: механические и гидромеханические. В разряд механических коробок здесь попадают как автоматические, так и не автоматические. Интересно, что одна же конструкция может быть причислена к категории механики или не причислена.

Ручные коробки позволяют водителю в полной мере управлять процессом преобразования мощности двигателя. Как уже было сказано, он самостоятельно выбирает передачу и включает ее. Орган управления ручной коробкой назван рычагом именно по­тому, что напрямую соединяет руку водителя и каретку синхрони­затора. Перемещаясь, каретка включает выбранную передачу. В коробках, имеющих автоматический режим, водитель ниче­го не включает, он лишь выбирает режим движения или переда­чу. Поэтому орган управления автоматической коробкой можно назвать только селектором. То, что он часто напоминает рычаг ручной коробки, никого не должно вводить в заблуждение. Это, скорее, дань традиции. Больше того, на многих современных ав­томобилях селектор скорее похож на джойстик для игровой при­ставки. Иногда он имеет вид диска, и нужный режим выбирается поворотом его вокруг оси. Чем свободнее становится полет ди­зайнерской мысли, тем больше появляется различных вариантов. Селектор может представлять собой как набор кнопок, так и тумблер.

Ручные коробки представляют собой многоступенчатые ре­дукторы. Для анализа их конструкции очень удобно использовать такой критерий, как «вольность». В современных легковых авто­мобилях используются ручные коробки только двух типов: двухвальные и трехвальные.

Под этими терминами подразумевается количество «условных» валов, участвующих в передаче мощности от ведомого диска сцепления к ведущей шестерне главной передачи. По простой формуле n+1 можно узнать, сколько же таких «условных» валов действительно присутствует в конструкции. Первое слагаемое «n» — число пар шестерен, задействованных в трансформации крутящего момента на участке «ведомый диск сцепления — веду­щая шестерня главной передачи».

Трехвальные коробки передач (рис. 20) характеризуются наличием прямой передачи. При этом на прямой передачи трехвальная коробка имеет более высокий КПД, чем другие типы коробок, так как в этом случае уменьшаются потери на трение. На остальных передачах трехвальной коробки в зацеплении находятся две пары зубчатых колес, в то время как у двухвальной – одна. Многие легковые автомобили с мощными двигателями сейчас комплектуются шестиступенчатыми коробками передач.

До недавнего времени такие коробки передач были наиболее распространенны. Это связано с тем, что уста­навливались они на автомобилях классической компоновки. На ведущем вале такой КП располагается ведомый диск сцепления и ведущая шестерня промежуточной пары постоянного зацепления. На промежуточном вале вместе с ведомой шестерней промежу­точной пары находятся все остальные ведущие шестеренки пе­редач переднего хода, за исключением прямой передачи. Пря­мая передача — один из признаков трехвальной коробки. При ее включении мощность передается от двигателя на элементы транс­миссии, следующие за коробкой передач — как правило, на кар­данный либо приводной вал — напрямую, без участия шестерен. Чаще всего передаточное отношение, равное единице, выпадает из рассчитанного конструкторами ряда передаточных чисел всей коробки. Тем не менее его используют всегда, поскольку в этом режиме КПД редуктора самый высокий. Кроме того, «прямая» из­бавляет от лишних зубчатых колес.

Долгое время на автомобилях применялись только трехвальные коробки передач. Крутящий момент от двигателя передается с помощью сцепления на ведущий (первичный) вал коробки передач, на котором имеется шестерня. Параллельно ведущему валу располагается промежуточный вал с набором соединенных с ним шестерен. Ведущий вал находится на одной оси с ведомым (вторичным) валом и может быть соединен с ним напрямую для получения прямой передачи с передаточным числом равным единице. Кроме того, одна из шестерен промежуточного вала находится в постоянном зацеплении с шестерней ведущего вала, а другие - со свободно вращающимися на ведомом вале шестернями.

Рис. 20. Трехвальная коробка - только для автомобилей классической компоновки:

характерна наличием первичного вала – 1; пары постоянного зацепления – 2; промежуточного вала – 3; выходного вала – 4

На рис. 21. представлены схемы направлений крутящего момента на передачах.

Первая передача включается перемещением муфты синхронизатора первой и второй передач назад, вследствие чего её зубчатый венец блокирует шестерню первой передачи на ведомом валу. Крутящий момент передаётся парами шестерён постоянного зацепления с ведущего вала на промежуточный и далее на ведомый вал. Передаточное отношение первой передачи наибольшее из всех передач переднего хода.

Вторая передача включается перемещением муфты того же синхронизатора вперёд, в результате чего на ведомом валу блокируется шестерня второй передачи. Направление силового потока в этом случае проходит через соответствующие шестерни постоянного зацепления всех трёх валов.

Рис. 21. Схемы направлений крутящего момента на передачах:

а – первой; б – второй; в – третьей; г – четвёртой; д – заднего хода

Третья передача включается по аналогии с первой перемещением муфты синхронизатора третьей и четвёртой передач назад. При этом на ведомом валу блокируется шестерня третьей передачи.

Четвёртая передача включается при перемещении муфты синхронизатора третьей и четвёртой передач вперёд. Внутренние зубья муфты в этом случае находят на зубчатый венец ведущего вала и крутящий момент передаётся без изменения на ведомый вал. Четвёртая передача является прямой.

Задний ход включается вводом в зацепление промежуточной шестерни заднего хода, расположенной на отдельном валике с прямозубой шестернёй промежуточного вала и зубчатым венцом на муфте синхронизатора первой и второй передач. Введение в схему передачи крутящего момента промежуточной шестерни позволяет изменять направление вращения ведомого вала коробки на обратное.

Нейтральное положение коробки передач получается в том случае, когда муфты синхронизаторов не зацеплены с соответствующими шестернями ведомого вала и передвижная шестерня заднего хода сдвинута назад. В этом положении крутящий момент от двигателя к колёсам не передаётся.

Для переключения передач необходимо обеспечить возможность жёсткого соединения отдельных шестерён ведомого вала непосредственно с самим валом.

Для безударного включения передач необходимо, чтобы угловые скорости вращения шестерен на ведомом вале и скорость самого вала были равны.

Зубчатые механизмы автомобильных коробок передач состоят обычно из цилиндрических зубчатых колес и выполняются или с неподвижными геометрическими осями зубчатых колес или планетарными (геометрические оси некоторых зубчатых колес могут вращаться вокруг общей оси механизма). Из двух находящихся в зацеплении зубчатых колес меньшее называют шестерней, большее – колесом.

Передаточное отношение – отношение числа зубьев ведомой шестерни к ведущей. Если в передаче несколько пар, то для определения передаточного отношения надо перемножить значения этих пар.

Синхронизатор – специальная фрикционная муфта, которая обеспечивает выравнивание угловых скоростей шестерен, свободно вращающихся на вале, с угловой скоростью самого вала и не допускает их соединения до момента, пока указанные скорости не сравняются.

Синхронизатор (рис. 22) состоит из ступицы 4, которая установлена на шлицах ведомого вала. На наружной поверхности ступицы, также имеющей шлицы, прорезаны три паза 6, в которые заложены сухари 3. Выступы сухарей входят в кольцевую проточку на зубьях муфты 2, которая надета на наружные шлицы ступицы. Сухари прижимаются к внутренним зубьям муфты пружинными кольцами 5. На конические поверхности включаемой шестерни посажены свободно бронзовые блокирующие кольца 1, зацепленные с концами сухарей. Пазы в блокирующих кольцах, куда входят сухари, имеют ширину, наполовину большую сухарей. Пазы в блокирующих кольцах, куда входят сухари, имеют ширину, наполовину большую сухарей. Кроме того, блокирующие кольца имеют снаружи зубья, одинаковые по размерам с зубьями ступицы венца включаемой шестерни.

Рис. 22. Синхронизатор

При включении передачи муфта 2 под действием вилки переключения передвигается в сторону включаемой шестерни. Конусная поверхность блокирующего кольца начинает соприкасаться с конусной поверхностью шестерни. Поскольку в начальный момент включения частоты вращения кольца и шестерни не совпадают, на поверхностях соприкосновения возникают силы трения, поворачивающие кольцо в направлении вращения на величину зазора между пазом и сухарём. Зубчатый венец муфты устанавливается против зубьев на поверхности кольца, упираясь в них.

В результате трения между коническими поверхностями соприкосновения муфты и шестерни их частота вращения выравнивается. В этот момент кольцо поворачивается против вращения, сухари занимают центральное положение относительно пазов и утапливаются в них, а зубья муфты входят в зацепление с зубьями кольца и включаемой шестерни, блокируя её на валу. Лёгкости окончательной фазы включения способствуют торцевые скосы на зубьях сопрягаемых венцов.

Двухвальные коробки передач применяются в переднеприводных и заднеприводных (с задним расположением двигателя) автомобилях (рис. 23).

Поперечное расположение коробки передач позволяет применять главную передачу с цилиндрическими шестернями. При продольной компоновке применяется главная передача с коническими или гипоидными шестернями; последняя является более сложной в изготовлении и регулировке. Основные достоинства двухвальных коробок передач:

- простота конструкции;

- малая масса;

- высокий КПД на промежуточных передачах.

Рис. 23. Двухвальная коробка автомобиля малого класса:

1 – главная передача

В то же время в двухвальной коробке передач нет прямой передачи и максимальный КПД на высшей передаче ниже, чем на прямой передаче трехвальной коробки. Как уже говорилось двухвальные коробки устанавливаются на автомобили с по­перечным расположением двигателя. На том самом участке «от сцепления до главной передачи» мощность передается в них с помощью лишь одной пары шестерен. На подавляющем большинстве двухвальных коробок ведо­мые шестерни, например 1-й, 2-й, 3-й ступеней, располагаются на одном выходном вале. Ведомые шестерни остальных ступеней — на другом. Фактически такая конструкция имеет, как минимум, три вала, однако коробка относится к двухвальным.

Такое решение помогает уменьшить линейные габариты коробки.

Главная передача в таких случаях всегда цилиндрическая и объединена с корпусом КПП.

Многовальные коробки передач представляют собой четырех – шестиступенчатую трехвальную коробку передач со встроенным или совмещенным редуктором. Редуктор может быть повышающим или понижающим. Повышающий редуктор (делитель) устанавливается перед коробкой передач и предназначен для уменьшения разрыва между передаточными числами соседних передач, незначительно увеличивая диапазон. Делитель имеет обычно две передачи – прямую и повышающую, что позволяет увеличить число передач вдвое.

Понижающий редуктор (демультипликатор) размещается за коробкой передач. Демультипликатор выполняют двух или трёхступенчатым и обычно с большим передаточным числом, благодаря чему ещё больше расширяется диапазон возможных передаточных чисел.

Есть ли перспективы у ручных коробок? Сомнительно. Неко­торые компании, например Volkswagen, уже официально заявля­ют о том, что в ближайшее время откажутся от «механики». Раз­витие агрегатов, способных работать как в автоматическом, так и в ручном режиме, идет быстрым темпом. Спрос на автоматы разной конструкции растет еще быстрее. Специалисты прогно­зируют, что «механика» полностью отомрет уже в течение бли­жайших 15 лет.

Какую альтернативу предлагает сегодня мировой автопром механическим коробкам? Вариантов несколько, но все конку­ренты «механики» имеют и автоматический режим, и ручной. Вы­бор нужной передачи на них осуществляется с помощью селекто­ра или подрулевыми переключателями, которые часто называют лепестками.

Самый простой из альтернативных вариантов с точки зрения конструкции — обычная механическая коробка с автоматическим выключением сцепления (КПАС) (рис.24).

Рис. 24. Коробка передач с автоматическим выключением сцепления (КПАС)

На первый взгляд кажется, что в КПАС должны совмещать­ся все преимущества механики и автомата. Формально так оно и есть. Хочешь — переключай вручную, хочешь — отдай управле­ние электронике. Однако на практике все гораздо сложнее. Для адекватной работы коробки в автоматическом режиме прихо­дится изобретать адаптивные алгоритмы, которые помогают ей приспособиться к особенностям манеры езды водителя. Успеш­но эту задачу удалось решить лишь немногим конструкторским бюро. Практика показывает, что механические коробки с авто­матическим сцеплением по большей части переключают передачи совершенно не­ожиданно для водителя. Кроме того, мяг­кость переключения у КПАС также не на высоте.

Любая коробка-автомат предостав­ляет водителю возможность участвовать в процессе управления, но при этом огра­ничивает его участие только выбором передач. Такой режим работы коробки, когда водитель выбирает, а электроника включает, называется по теории АСУ (автомати­ческих систем управления) автоматизированным, либо серворежимом.

Автоматические коробки передач традиционной конструк­ции называются также гидромеханичес­кими, что верно лишь отчасти: подавля­ющее большинство коробок типа CVT (Continuously Variable Transmission) также гидромеханические. Как неслож­но догадаться, это определение отра­жает принцип преобразования крутяще­го момента. С коленчатым валом двига­теля посредством приводной пластины соединен гидротрансформатор (ГТ), обеспечивающий увеличение крутящего момента двигателя (рис. 25). Он со­стоит из трех основных элементов: насосного колеса, соединен­ного с коленвалом, турбинного колеса, посредством шлицевого соединения связанного с ведущим валом механической час­ти КП, и реактора, установленного на муфте свободного хода. Особенностью гидротрансформатора является то, что в рабо­чем диапазоне он изменяет крутящий момент бесступенчато, то есть имеет бесконечное количество передач. Сам по себе гидро­трансформатор вполне можно использовать как самостоятель­ную АКП, причем безо всякой электроники. Однако работает он весьма неэффективно, поэтому к нему добавляют набор плане­тарных рядов.

В качестве номинального количества ступеней для каждой кон­кретной коробки указывается количество ступеней ее механи­ческой части. То есть, если планетарный редуктор имеет шесть ступеней, такую АКП позиционируют как 6-ступенчатую. Сегодня рекорд принадлежит Toyota – 8 передач.

Рис. 25. Гидротрансформатор:

1 – насосное колесо; 2 – турбинное колесо; 3 – реактор; 4 – муфта свободного хода; 5 – механизм блокировки; 6 - демпфер

В традиционных автоматических коробках крутящий момент может меняться последовательно в две стадии — сначала в гидротрансформаторе, затем посредством планетарных рядов (рис. 26 – 27). Также он мо­жет меняться лишь в механической части. Современные конструк­ции предусматривают блокировку гидротрансформатора сразу же после начала движения автомобиля, и его передаточное чис­ло становится равным единице.

Коробки такого типа постепенно сдают свои позиции. Со временем они останутся только на авто­мобилях представительского класса, а затем и вовсе исчезнут. Что же придет им на смену?

Рис. 26. АКПП немецкой фирмы ZF

Рис. 27. Кинематическая схема типичной АКП классической конструкции

В 2002 году концерн Volkswagen начал устанавливать на свои автомобили коробки типа Double Clutch Transmission (DCT). В картер КП инженеры кампании интегрировали два пакета фрикционов, подобных тем, что используются для ос­тановки коронных шестерен (эпициклов планетарных рядов в тра­диционных автоматических коробках передач. Одно сцепление работает на вал с четными номерами передач, второе — на вал с нечетными. При этом в момент, когда работает первая переда­ча, синхронизатор второй уже включен.

Рис. 28. АКПП с двойным сцеплением

Производители ОЕМ–сектора освоили производство коробок передач с двойным сцеплением. На рис. 28 показана 7-ступенчатая конструк­ция фирмы ZF, рассчитанная на входной момент 500 Нм.

Чем же хороши такие конструкции? Прежде всего тем, что ра­ботают они без разрыва потока мощности. Это положительно сказывается и на динамике автомобиля, и на комфорте всех на­ходящихся в салоне пассажиров. Естественно, коробки DCT могут работать как в автоматическом

Рис. 29. Схемы включения передач в АКПП

режиме, так и в режиме ручного выбора ступеней. Кроме того, они компактны и недороги в про­изводстве. Решение простое и одновременно гениальное, но ин­женеры почему-то долго не могли до него додуматься. У коробок с двумя многодисковыми сцеплениями большие перспективы на будущее, так как они ни в чем не уступают ни ручным коробкам, ни автоматическим традиционной конструкции.

Основное преимущество КП с двойным сцеплением - переключение передач без разрыва потока мощности. Обеспечивается это таким же образом, как и в АКП классической конструкции (рис. 29). 1 Работа КП на передаче IV, при этом передача V уже включена: 2 момент выключения первого сцепления при одновременном включении второго; 3 работа на передаче V.

Однако будущее принадлежит все же бесступенчатым агрега­там, называемым Continuously Variable Transmission (CVT). В на­стоящее время выпускается два типа таких коробок: Belf CVT на базе клиноременного и Toroidal на базе торового вариа­торов (рис. 30, 31).