Коробка передач (КП). Необходимость применения коробки передач

Механическая коробка передач (КП) необходима для: изменения крутящего момента, идущего к колесам от двигателя; длительного отключения двигателя от трансмиссии; движения задним ходом; изменения скорости движения автомобиля.

Узкий диапазон крутящего момента и угловой скорости двигателя не позволяет использовать их без значительных преобразований во многих режимах движения автомобиля.

В качестве примера рассмотрим уравнение силового баланса легкового автомобиля:

Р_k = Р_f +P_i+P_w+P_j

где Р_k - сила тяги на ведущих колесах;

- сила сопротивления качению;

- сила сопротивления уклона;

- сила сопротивления воздуха;

- сила сопротивления инерции.

Графическое представление силового баланса показано на рис. При движении по горизонтальному асфальту на прямой (четвертой) передаче (КП не меняет крутящего момента и угловой скорости от двигателя) максимальная сила тяги ведущих колес соответствует кривой Р_k4. На этой передаче достигается наибольшая скорость движения . Однако, для трогания с места четвертая передача не пригодна по двум причинам. Первая – на этой передаче автомобиль имеет высокую минимально устойчивую скорость , что приводит к росту работы буксования сцепления с выделением большого количества тепловой энергии. Вторая причина заключается в недостаточном запасе силы тяги, идущей на преодоление сил инерции автомобиля , что дает малое ускорение. Следовательно, трогаться лучше на низшей передаче с большим передаточным числом (например на первой), которая позволит значительно увеличить тяговую силу на колесах P_k1.

При движении в гору по асфальтированной дороге кривая сил сопротивления «Асфальт» поднимается на величину силы сопротивления уклона и занимает место кривой «Уклон» выше кривой P_k4. Из чего следует, что движение на прямой передаче невозможно. Также требуется увеличить момент, подводимый к ведущим колесам при движении по сухому песку (кривая «Песок»), когда сила сопротивления качению вырастает до значения P_f1.

V1min

Р

Рk1

Рk2

Рk3

Рk4

Рk5

Асфальт

Уклон

Песок

Рi

Pf1

Pj

Pw

Pf

V4min

V5max

Vmax

V

Для экономичного расхода топлива можно использовать повышенную (пятую) передачу с наименьшим передаточным числом. Однако, максимальная скорость движения автомобиля уменьшится до величины V_5max.

Специальные требования к КП

1. Должна обеспечить необходимый диапазон изменения передаточных чисел (от 3…4 у легковых, до 20…25 – вездеходы).

2. Должна обеспечить минимально возможный интервал между передаточными числами соседних передач, для рациональной загрузки двигателя.

3. Сближение передаточных чисел наиболее ходовых передач.

4. Минимальную работу буксования сцепления при трогании автомобиля с места путем обеспечения низкой минимально устойчивой скорости.

5. Минимальное время для переключения передач.

6. Минимальные затраты энергии водителем на управление коробкой.

7. Возможность отбора мощности для использования вспомогательных агрегатов (кран, лебедка и т.д.).

8. Произвольный характер изменения передаточного числа, а не как на мотоциклах – только последовательно.

9. Устранение ошибок при включении передачи заднего хода и невозможность включения двух передач одновременно.

10. Надежная фиксация включенной передачи при любых режимах эксплуатации.

11. Бесшумность работы КП.

Классификация КП

1. По характеру изменения передаточного числа:

1) ступенчатые,

2) бесступенчатые.

2. Ступенчатые по способу изменения передаточного числа:

1) с подвижными шестернями (прямозубые),

2) с подвижными муфтами синхронизированного и несинхронизированного типов (при постоянно зацепленных косозубых шестернях).

3. По кинематике движения валов:

1) простые (закрепленные в пространстве валы),

2) планетарные.

4. По автоматизации:

1) не автоматические КП,

2) полуавтоматические,

3) автоматические.

Бесступенчатые трансмиссии

Ступенчатые коробки передач имеют некоторые недостатки. Водителю приходится постоянно (особенно в условиях городского движения) управлять КП, по своему опыту подбирая передачу. Меняются передачи всегда через нейтральную, во время которой ДВС отсоединен от ведущих колес. При движении в гору или по болоту потеря времени на переключение передач не позволяет изменить передачу, угрожая полной остановкой в самой невыгодной ситуации.

В бесступенчатой трансмиссии передаточное число меняется плавно и, если угловая скорость двигателя из-за растущих сил сопротивления движению падает, сила тяги на колесах также плавно, соответственно росту передаточного числа, увеличивается. Это соответствие отражено на рисунке:

РК

V

На рисунке кривые с цифрами 1,2,3 – силы тяги ведущих колес на соответствующих передачах в трехступенчатой КП. Непрерывной линией (гиперболой) показана характеристика силы тяги у автомобиля с бесступенчатой трансмиссией. Такая характеристика считается идеальной.

1. Клиноременный вариатор (фрикционная передача)

Клиноременные вариаторы уже давно применяются на сельхоз машинах (комбайнах), и снегоходах. Применение в автомобильном транспорте сдерживал быстрый износ клинового ремня. Сейчас эта проблема решена. Продолжительность работы ремней превышает 60 тыс. км пробега, после чего его не трудно сменить на новый.

Требуемое передаточное число поддерживает либо механическая система регулирования, либо – электронный блок управления.

D2

ДВС

Раздвижные шкивы

D1

Блок управления шкивом

Момент из двигателя переходит на верхний раздвижной шкив, положением которого управляет механический или электронный блок, которым, в свою очередь, управляет водитель и датчики. Например для уменьшения крутящего момента блок управления сдвигает правую чашку верхнего шкива влево. Клиновой ремень выдавливается из шкива к наружному диаметру. Поскольку ремень практически не растяжим, он врезается в нижний шкив, преодолевая сдвижную пружину и раздвигает нижний шкив. Таким образом, клиновой ремень охватывает верхний шкив по большому диаметру D₁, а нижний - по малому D₂. Передаточное число u = D₂/D₁ уменьшается.

2. Гидромеханическая передача ГМП (гидродинамическая)

ДВС

Гидро- трансформатор

Механическая КП

Фрикционы

К заднему мосту

Насосное колесо

Турбинное колесо

Реактор

Момент от ДВС попадает на насосное колесо. Насосное колесо своими лопатками разгоняет жидкость, которая динамическим напором давит на лопатки турбинного колеса, передавая ему кинетическую энергию.

Когда автомобиль стоит на месте, турбинное колесо неподвижно. В таком случае при работающем двигателе напор жидкости с насосного колеса на турбинное наибольший. Силовое передаточное число (коэффициент трансформации) также наибольшее (около 3,5). Однако такое передаточное число для грузовых автомобилей и автобусов недостаточно (требуется около 7,0). Поэтому, за гидротрансформатором в одном корпусе с ним располагают механическую КП (на рисунке 2-х ступенчатая КП). При трогании с места в КП включается низшая передача (верхний фрикцион разблокирован, нижний – заблокирован).

Момент с турбинного колеса идет по КП через две пары шестерен, увеличиваясь примерно в два раза. По мере разгона автомобиля (и турбинного колеса) коэффициент трансформации гидротрансформатора уменьшается. Происходит переключение на прямую передачу (верхний фрикцион блокируется, нижний – разблокируется). Момент с турбинного колеса через верхний фрикцион проходит КП насквозь не изменяясь (прямая передача). Поскольку передаточное число уменьшилось, турбинное колесо снизило во столько же раз скорость вращения и напор жидкости на него с насосного колеса резко возрос, увеличивая силовое передаточное число гидротрансформатора.

Характеристика тяговой силы, если в трансмиссии установлена ГМП с двухступенчатой КП показана на рисунке:

РК

VA

Момент переключения

Гидротрансформатор с пониженной передачей в КП

Гидротрансформатор с прямой передачей в КП

Для оптимизации характеристики трансмиссии в коробке передач ГМП могут быть и 3, и 4 передачи (у иномарок). Кроме того, имеется фрикцион, блокирующий насосное и турбинное колеса, когда разница скоростей между ними мала (на высокой скорости движения автомобиля).

3. Дизель-электрическая трансмиссия (электромеханическая)

Применяется в тепловозах и автомобилях особо большой грузоподъемности (автомобили БелАЗ полной массой более 100 тонн).

ДВС

Генератор

Мотор

Левое ведущее колесо

Провода

Характеристика крутящего момента генератора постоянного тока представляет собой идеальную. Такая характеристика передается на ведущие колеса автомобиля через моторы, встроенные прямо в колеса.

У троллейбуса ДВС и генератор отсутствуют, а электромоторы питаются прямо из контактной сети.