Бесступенчатые передачи

Недостатками автомобиля со ступенчатой коробкой передач является неполное в целом ряде случаев использование мощности двигателя, что снижает тяговые качества или не обеспечивается работа двигателя с наименьшим расходом топлива. Частота вращения коленчатого вала определяется скоростью движения автомобиля, радиусом качения колеса, передаточным числом главной передачи и включенной передачей в коробке передач.

В бесступенчатой передаче передаточное число изменяется автоматически в зависимости от сопротивления движению. Выбранная водителем частота вращения коленчатого вала из условия минимального расхода топлива или максимального разгона остается постоянной, кривая крутящего момента на выходе из бесступенчатой передачи приобретает вид равносторонней гиперболы (рис. 68, кривая 1), что наиболее соответствует условиям работы автомобиля. Поршневые двигатели не имеют такой характеристики. Малый коэффициент приспосабливаемости – серьезный недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания, для устранения которого применяются коробки передач.

Рис. 68. Крутящий момент двигателя:

1 – желательная характеристика; 2 – существующая характеристика

Клиноременные вариаторынашли применение в авто­матических трансмиссиях легковых автомобилей, снегоходов, мотосанях, мото­роллерах и т.п. В 2008 г. в России продано 555,1 тыс. иномарок с автоматическими коробками передач, 80 тыс. из них – с клиноременными вариаторами.

Трансмиссия с клиноременным вариатором отличается простотой, обеспечивает работу двигателя на оптимальных режимах, управляется одной ручкой или педалью газа, что повышает безопасность движения. Система уп­равления клиноременным вариатором настроена таким образом, что в процессе разгона двигатель работает на посто­янных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон происходит за счет изменения передаточ­ного отношения клиноременного вариатора.

Клиноременный вариатор включает в себя два шкива и ме­таллический ремень. Использование клиноременных вариаторов на легковых автомобилях стало возможно после разработки голландской фирмой Van Doorne's Transmission B.V. (VDT) металлического ремня, получившего название металлический ремень типа VDT. Такой ремень применяется в клиноременных вариато­рах фирмами Ford, Fiat, Subaru, Honda, Volvo и др. Лидирует в создании передач с вариаторами фирма Nissan.

Металлический ремень типа VDT, называемый еще “сегментированный стальной ремень”, состоит из двух многослой­ных металлических лент, на которые рядом друг с другом закреплены металлические звенья – рис. 69. После установки на шкивы ремень растянут. Наклонные боковые поверхности звеньев входят в контакт с коническими поверхностями шкивов, за счет трения о которые обеспечивается передача тягового усилия с ведущего шкива на ведомый. При передаче тягового усилия металлические звенья давят один на другой.

Рис. 69. Металлический ременьVDT

Шкивы вариатора состоят из подвижного и неподвиж­ного конусных дисков. Уве­личение или уменьшение передаточного отношения трансмиссии делается за счет изменения положения ремня на конусах. Сдвигая один и раздвигая другой шкивы, можно изменить радиусы расположения ремня на шкивах и получить бесступенчатое регулирование пере­даточного отношения.

Сила трения между металлическим ремнем и конусами шкивов создаются нажимными пружинами.

Рис. 70. Шкивы вариатора

.

Бустеры управления каждым из подвижных конусов шкивов состоят из управляющей и компенсирующей полостей. В управляющую по­лость подается масло под давлением и происходит изменение положения подвижного конуса. Компенсирующая полость необходима для уравновешива­ния давления масла, возникающего в полости управления от действия центробежной силы.

На рис. 71 показано устройство трансмиссии с клиноременным вариатором, разработанной фирмой Honda. Трансмиссия включает: масляный насос, клиноременный вариатор, муфту начала движения, муфту переднего хода, муфту заднего хода, планетарного механизма.

Рис. 71. Трансмиссия с клиноременным вариатором

Управление подвижными конусами осуществляется синхронно, т.е. насколько один из них отодвинулся от своего неподвижного конуса, настолько же второй подвижный конус должен приблизиться к своему неподвижному конусу

Ведущий шкив соединен с веду­щим валом вариатора через планетарный ряд – рис. 72. Дисковый тормоз останавливает коронную шестерню плане­тарного ряда и получается задний ход автомобиля. Блокировочная муфта планетарныого ряда, на­зываемая муфтой переднего хода, со­единяет солнечную шестерню и водило планетарно­го ряда и получается передний ход.

Рис. 72. Плане­тарный ряд в трансмиссии

с клиноременным вариатором

Вариаторы с клиновым прорезиновым ремнем на тканевой основе применяются на машинах с небольшой мощностью двигателя (снегоходы, мото­роллера и т.п.) – рис. 73. .

Регулирование передаточного числа достигается воздействием центробежного устройст­ва 7 и вакуума в правой полости камеры шкива 8. В ведомый шкива подпружинен. При малой подаче топлива (дроссельная заслонка прикрыта) частоты вращения ва­ла двигателя и ведущего шкива минимальны; при этом внутри шкива создается раз­режение, действующее на ведущем шкиве 8 усилие минимально и пружина ведомого диска устанавливвает диски в положение, оответствующее максимальному передаточному числу.

Рис. 73. Aвтоматическая передача легкового автомобиля DAF-55:

а — общий вид; б — разрез ведущего шкива; / — коническая пере­дача; 2 — ведущий шкив вариатора; 3 — ремень; 4 — ведомый шкив; 5 — зубчатая передача; 6 — задняя полуось; 7 — центробежный регу­лятор; 8 — вакуумная камера

По мере увели­чения частоты вращения двигателя осевая сила, создаваемая центробежным устройством, вытесняет ремень на больший диаметр, пока не установится определенное соотношение между действующими силами в звисимости от скорости нажатия на педаль подачи топлива

Инерционные трансформаторы являются бесступенчатыми автоматическими передачами механического типа, предназначенными для преобразования скорости и вращающего момента на рабочих органах машин. Обладая высоким кпд, близким к кпд ступенчатых передач, они то же время компактны, вписываются в габариты ступенчатых приводов, а в ряде случаев меньше их, защищают дви­гатель от перегрузки и остановки в случае затормаживания рабо­чих органов, могут иметь коэффициенты трансформации момента численно больше, чем, гидротранс­форматоры. На режиме прямой передачи инерционный трансформатор работает как упругая ди­намическая муфта и снижает крутильные колебания в трансмиссии гораздо лучше, чем ступенчатая передача. На горных, строительных, сельскохозяйствен­ных, дорожных и других машинах, стендах для имитационных и ускоренных испытаний полезней использовать вибрационную подачу момента на рабочий орган.

Инерционные передачи были изобретены в 20-х годах прошлого века. До начала 60-х годов появились инерционные передачи Спонтан, Хоббса, Заславского и др. Более поздний период характеризуется исследованиями инерционных передач, накоплением теоретических и экспе­риментальных данных и реализацией теоретических разработок в опытных образцах этих передач.

Принцип работы инерционной передачи показан на рис. 74. С коленчатым валом двигателя соединен кривошип 1, который соединянтся с шатуном 2 и коромыслом 3, закрепленном на наружной обойме муфты свободного хода. Внутренняя обойма муфты свободного хода соединяется с выходным валом передачи. При вращении коленча Рис. 74. Принцип действия того вала коромысло 3 совершает колебательные

импульсной передачи движения на угол, показанный на схеме на рис.74.

В пределах этого угла муфта свободного хода передает крутящий момент двигателя на выходной вал 5 Далее коромысло возвращается в исходное положение и процесс повторяется. Таким бразом, крутящий момент передается импульсами. Изменяя длины кривошипа 1 и коромысла 3, можно изменять передаточное число импульсной передачи.

На рис. 75 показан инерционный трансформатор двигателя автомобиля УАЗ-469. Мощность двигателя 53 кВт при частоте вращения коленчатого вала 3800 об/мин.Коэффициент трансформации момента – К= 5,2. Маховик 1 двигателя приводит в движение плавающие сателли­ты 2 с неуравновешенными грузами 3. На реакторе 4 закреплены храповики 7, 13 и диск 8. Последний служит для передачи рас­четного момента инерции реактора. Обратный импульс воспри­нимается упругими пластинами 5, оси которых закреплены в кор­пусе передачи. Пластины 5 поджимаются к храповику с помощью рычагов 6 и пружин.

Прямой импульс момента передается через упругие пластины 11 на ведомый маховик 10. Пластины 11 под­жимаются к храповику 13 с помощью рычагов 12, грузов 9 и пружин. Грузы 9, жестко связанные с осями рычагов 12, служат для уравновешивания инерционных сил пластин 11. При большой частоте вращения ведомого маховика центробежная сила дости­гает 300—400 Н на одну пластину, в связи с чем поджим пластины к храповику упругими элементами оказывается неэффективным.

Рис. 75. Инерционный трансфор-

матор автомобиля УАЗ-469

В конструкции использован комбинированный поджим: инерци­онный с помощью грузов 9 и упругий с помощью пружин, фикси­рующих положение грузов 9.

Инерци­онный трансформатор снижает осевые габариты по сравнению со сцеплением и коробкой передач на 120 мм, сохраняя радиаль­ные габариты. Применение инерци­онных трансформаторов сдеоживается износами автологов.

В ограниченном объеме применяется гидростатическаяавтоматическая передача с регулируемой производительностью насоса и мотора. Но из-за высокой стоимости её изготовления и обслуживания, ограниченном сроке службы широкого применения она не находит. Гидростатическая передача устанавливается, например, на инженерном двухосном тягаче КЗКТ-538ДК для получения очень небольших скоростей движения (от 0 до 1300 м/ч), необходимых при рытье канав установленной на тягаче фрезой.

Электрическая автоматическая передача (генератор соединен с двигателем, электромоторы – в колесах или около) обладает хорошими регулирующими возможностями, но вследствие большой стоимости, большого веса, низкого КПД применяется очень ограниченно, например, на самосвалах большой грузоподъемности (БЕЛАЗ-549 грузоподъемностью 75 тонн, БЕЛАЗ-7519 грузоподъемностью 100 тонн и др.).

С достаточным основанием можно утверждать, что пригодной для широкого применения на тяжелых грузовиках бесступенчатой автоматической передачи пока не создано, хотя такие работы ведутся во многих странах.