Требования к агрегатам трансмиссии

Трансмиссия автомобиля выполняет две функции: она передаёт крутящий момент от двигателя ведущим колёсам автомобиля, а также изменяет его величину и направление. При передаче крутящего момента трансмиссия, кроме того, перераспределяет его между отдельными колёсами. Двигатели имеют максимальные значения крутящего момента и мощности при разных значениях частоты вращения коленчатого вала. Для того, чтобы использовать соответствующие обороты двигателя при различных скоростях движения автомобиля, необходимо иметь возможность изменять передаточное число трансмиссии. Общее передаточное число трансмиссии в любой момент времени можно определить отношением частоты вращения коленчатого вала двигателя к частоте вращения ведущих колёс.

Крутящий момент, передающийся на ведущее колесо, определяет тяговое усилие, действующее в контакте колеса с дорогой. Это усилие определяется делением величины крутящего момента на радиус колеса. Для движения автомобиля необходимо, чтобы тяговое усилие было больше суммы сил сопротивления движению. Сумма сил сопротивления движению изменяется в широких пределах в зависимости от условий движения, поэтому трансмиссия автомобиля должна обеспечивать возможность изменения тягового усилия путём изменения в широком диапазоне крутящего момента. Максимальное тяговое усилие ограничивается не возможностями двигателя и трансмиссии, а сцеплением колёс с дорогой. Силу сцепления можно определить, умножив часть массы автомобиля, приходящегося на одно колесо, на коэффициент сцепления – φ.

Наибольшее суммарное тяговое усилие может быть реализовано, если все колёса являются ведущими. Тем не менее для движения автомобиля пол дороге с твёрдым покрытием достаточно двух ведущих колёс на одной оси.

Выбор типа привода ведущих колёс и компоновки автомобиля определяют возможность в наибольшей степени реализовать те или иные его свойства.

Для надёжно работы автомобиля к сцеплению, кроме общих требований к конструкции автомобиля предъявляются специальные требования в соответствии с которыми оно должно обеспечивать:

- надёжную передачу крутящего момента от двигателя к трансмиссии;

- плавность и полноту включения;

- минимальный момент инерции ведомых частей;

- хороший отвод теплоты от поверхностей трения ведущих и ведомых частей;

- предохранение механизмов трансмиссии от динамических нагрузок;

- поддержание нажимного усилия в заданных пределах в процессе эксплуатации;

- лёгкость управления и минимальные затраты физических усилий на управление;

- хорошую уравновешенность.

Выполнение всех указанных требований обеспечить в одном сцеплении невозможно. Поэтому в разных сцеплениях в соответствии с конструкцией выполняются в первую очередь главные для них требования.

Надёжная работа сцепления без перегрева и значительных износов особенно важна в тяжёлых дорожных условиях движения автомобиля и при наличии прицепа и полуприцепа, когда имеют место более частые включения и выключения, а также пробуксовка сцепления.

Сцепление должно включаться плавно, чтобы не вызвать повышенных нагрузок в механизмах трансмиссии и очень больших ускорений автомобиля, которые отрицательно влияют на водителя, пассажиров и перевозимые грузы.

Плавность включения сцепления обеспечивается главным образом благодаря упругим свойствам ведомого диска, которые зависят от его конструкции. При резком включении сцепления уменьшается угловая скорость коленчатого вала двигателя и на трансмиссию передаётся повышенный крутящий момент.

Полнота включения сцепления достигается специальными регулировками сцепления и его привода.

Включение сцепления сопровождается его буксованием. Буксование происходит с момента начала включения и до момента полного включения сцепления.

Автомобиль трогается с места только тогда, когда крутящий момент двигателя М_с становится равным моменту сопротивления движению М_ψ, приведённому к ведущему валу коробки передач. Работа буксования представляет собой часть работы двигателя, которая расходуется на буксование сцепления, т.е. работа, превращаемая в теплоту. Наибольшая работа буксования сцепления происходит при трогании автомобиля с места:

L_б= ,

где:

J_a= - момент инерции автомобиля, приведённый к валу сцепления;

М_ψ= .

G_a – полный вес автомобиля;

r_k – радиус колеса;

g – ускорение силы тяжести;

u_k – передаточное число коробки передач;

u_г – передаточное число главной передачи;

u_т – передаточное число трансмиссии;

ψ – коэффициент сопротивления дороги;

η_тр – КПД трансмиссии;

b_д – коэффициент, характеризующий тип двигателя.

Работа буксования определяется для легковых автомобилей и автобусов при трогании с места на 1 передаче, а для грузовых автомобилей – при трогании на II передаче.

К коробке передач предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми она должна обеспечивать:

- оптимальные тягово-скоростные свойства и топливную экономичность;

- бесшумность при работе и переключении передач;

- лёгкость и удобство управления;

- высокий КПД;

- возможность отбора мощности для привода дополнительного оборудования.

Число передач в коробках скоростей составляет 4…5 для легковых автомобилей и автобусов малой вместимости, грузовых автомобилей малой и средней грузоподъёмности и 6…16 для грузовых автомобилей большой грузоподъёмности и высокой проходимости.

У автомобилей – тягачей, работающих с прицепами и полуприцепами, используются многоступенчатые коробки передач число которых может составлять 8…24. Увеличение числа передач достигается установкой совместно с основной коробкой передач дополнительной, обычно двухступенчатой (делителя, демультипликатора). В этом случае общее число передач равно произведению числа передач основной коробки на число передач дополнительной коробки.

Коробки с наибольшим числом передач используются на грузовых автомобилях с дизелями, имеющими меньший коэффициент приспосабливаемости (к_м =1,15), чем бензиновые двигатели (к_м =1.3).

Увеличение числа передач с одной стороны повышает степень использования мощности двигателя, топливную экономичность, среднюю скорость движения, производительность автомобиля, а с другой – усложняется конструкция коробки передач, увеличивается её масса. Размеры, стоимость и затрудняется управление автомобилем. Кроме того. С увеличением числа передач возрастает время разрыва потока мощности от двигателя к ведущим колёсам, что приводит к ухудшению тягово-скоростных свойств и топливной экономичности. Поэтому максимальное число передач не превышает 5 для легковых и 16 для грузовых автомобилей.

Увеличение числа передач в коробке передач приводит к возрастанию средней скорости движения автомобиля. Диапазон передаточных чисел представляет собой отношение передаточного числа u_к.н. низшей передачи коробки передач к передаточному числу u_к.в. высшей передачи:

Д = u_к.н./ u_к.в.

Чем меньше удельная мощность двигателя автомобиля, тем больше должен быть диапазон передаточных чисел коробки передач автомобиля.

Плотность ряда передаточных чисел коробки передач определяется соотношением передаточных чисел промежуточных передач. При этом отношение передаточных чисел соседних передач должно изменяться по геометрической прогрессии. Высокая плотность ряда передаточных чисел коробки передач кроме повышения тягово-скоростных свойств и топливной экономичности автомобиля создаёт более благоприятные условия работы синхронизатора.

Ступенчатая коробка передач представляет собой шестерённый механизм, в котором изменение передаточного числа происходит ступенчато.

На автомобилях применяют различные типы ступенчатых коробок передач.

Двухвальные коробки передач применяются на переднеприводных легковых автомобилях малого класса и заднеприводных легковых автомобилей с задним расположением двигателя. Число передач таких коробок составляет 4…5. высшая передача в двухвальных коробках часто бывает повышающей, а большинство передач синхронизировано.

Трёхвальные коробки передач устанавливаются в заднеприводных автомобилях с передним расположением двигателя, на грузовых автомобилях малой и средней грузоподъёмности и на автобусах.Число передач в таких коробках – не менее 4 для легковых автомобилей и грузовых малой подъёмности и 4…6 для грузовых автомобилей средней грузоподъёмности.

Многовальные коробки передач применяются на грузовых автомобилях большой грузоподъёмности с целью увеличения числа передач. Чем больше число передач, тем лучше используется мощность двигателя и выше тягово – скоростные свойства и топливная экономичность автомобиля. Однако при этом затрудняется выбор передачи, усложняется конструкция коробки передач. В многовальных коробках передач число передач может быть от8 до 24. Поэтому многовальные коробки передач получили большое распространение на автомобилях-тягачах, работающих с прицепами и полуприцепами.

Основным недостатком при использовании механических ступенчатых коробок является то, что водителю для переключения передач постоянно приходится нажимать на педаль сцепления и перемещать рычаг переключения передач. Для устранения таких неудобств и для облегчения работы водителя на легковых, грузовых автомобилях и автобусах широкое применение получают гидромеханические коробки передач. Они выполняют одновременно функции сцепления и коробки передач с автоматическим или полуавтоматическим переключением передач. При гидромеханической коробке передач управление движением автомобиля осуществляется педалью подачи топлива и при необходимости тормозной педалью.

При расчёте коробки передач выполняется следующее:

- определение момента трения синхронизатора М_тр, необходимого для выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей;

- определение работы трения (буксования) L_c синхронизатора, удельной работы трения L_уд, и температуры t синхронизатора при буксовании;

- расч1т деталей коробки на прочность.

Выравнивание угловых скоростей соединяемых деталей происходит за счёт трения, создаваемого на конических поверхностях блокирующего кольца синхронизатора и шестерни включаемой передачи, свободно вращающейся на вторичном валу коробки передач:

М_тр= _.,

где J – момент инерции соответствующий вращающимся деталям вместе с шестерней включаемой передачи (ведомый диск сцепления, первичный и промежуточный валы коробки передач, шестерни промежуточного вала и находящиеся с ними в постоянном зацеплении шестерни вторичного вала, свободно установленные на нём);

ω₁=ω_e/u_k+1 – угловая скорость включаемой шестерни более высокой передачи;

ω₂=ω_е/u_k – угловая скорость вторичного вала до переключения передачи;

t – время синхронизации (выравнивания) угловых скоростей ω₁ и ω₂.

Синхронизатор оценивают по удельной работе трения, т.е. по работе буксования, отнесённой к площади трения F конусной поверхности синхронизатора:

L_уд= .

Для синхронизированных высших передач коробки работа трения не должна превышать 0,2 МДж/м², а для низших передач – 0,3…0,5 МДж/м².

Температура нагрева деталей синхронизатора определяется за одно его включение: t= ,

где γ=0,5 – коэффициентперераспределения теплоты;

m – масса синхронизатора;

с – теплоёмкость материала.

За одно включение синхронизатора нагрев его деталей не должен превышать 15…30 ⁰С.

Раздаточной коробкой передач называется дополнительная коробка передач, распределяющая крутящий момент двигателя между ведущими мостами автомобиля.

Раздаточная коробка служит для увеличения тяговой силы на ведущих колёсах и повышения проходимости автомобиля.

В зависимости от назначения автомобилей на них применяются раздаточные коробки различных типов.

Раздаточные коробки с соосными валами привода ведущих мостов имеют широкое применение, так как они позволяют использовать для переднего и заднего ведущих мостов одну и ту же главную передачу. Однако в этом случае ведущая шестерня главной передачи переднего моста, имея левое направление спирали зубьев, будет работать на ввинчивание и может произойти заклинивание главной передачи переднего ведущего моста.

Раздаточные коробки с несоосными ведомыми валами более компактны, менее металлоёмки, более бесшумны и имеют более высокий КПД.

Раздаточные коробки с блокированным приводом ведущих мостов позволяют использовать полную по условиям сцепления ведущих колёс с дорогой тяговую силу без их пробуксовки. Однако при движении автомобиля на повороте или на неровной дороге при блокированном приводе неизбежно проскальзывание колёс, так как передние колёса проходят больший путь, чем задние. Для устранения отрицательных явлений передний мост отключают при движении по дорогам с твёрдым покрытием и включают только на тяжёлых участках дороги.

Раздаточные коробки с дифференциальным приводом ведущих мостов исключают возникновение перечисленных отрицательных явлений. Применяемый в этих коробках межосевой дифференциал позволяет приводным валам ведущих мостов вращаться с разными скоростями и распределять крутящий момент двигателя между мостами в соответствии воспринимаемыми ими вертикальными нагрузками. Если нагрузки одинаковы по величине, то используют симметричный дифференциал, а если неодинаковы, то несимметричный.

Наибольшее распространение на автомобилях повышенной проходимости получили двухступенчатые раздаточные коробки.

К раздаточной коробке предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми она должна обеспечивать:

- распределение крутящего момента между ведущими мостами автомобиля пропорционально приходящимся на мосты вертикальным нагрузкам;

- увеличение тяговой силы на ведущих колёсах, необходимое для преодоления повышенных сопротивлений при движении автомобиля по плохим дорогам, бездорожью и на крутых подъёмах;

- отсутствие циркуляции мощности в трансмиссии автомобиля;

- возможность движения автомобиля с минимальной устойчивой скоростью (2,5…5,0 км/ч) при работе двигателя на режиме максимального крутящего момента.

При расчёте сил, действующих на зубья шестерён, необходимо учитывать передаточное число низшей передачи раздаточной коробки. При этом должны быть известны максимальные крутящие моменты на ведомых валах раздаточной коробки. Эти моменты определяются исходя из условий сцепления колёс автомобиля с дорогой.

Расчётный крутящий момент на ведомом валу равен

М_в= ,

где φ_х =0,8 – коэффициент сцепления;

G_в – нагрузка на колёса ведущего моста;

r_k – радиус колеса;

u_г – передаточное число главной передачи.

Расчётный крутящий момент на ведущем валу раздаточной коробки определяется из уравнения мощности, подводимой к раздаточной коробке:

М_вω_в=М₁ω₁+М₂ω₂,

где М₁ и М₂ – максимальные крутящие моменты на ведомых валах привода переднего и заднего ведущих мостов;

ω₁,ω₂ – угловые скорости ведомых валов;

ω_в – угловая скорость ведущего вала.

Из последнего выражения находим

М_в=М₁ u₁+ М₂ u₂,

где u_1, u₂ – передаточные числа между ведомыми валами переднего и заднего мостов и ведущим валом раздаточной коробки.

Время работы раздаточной коробки на высшей передаче составляет 85…90 %, а на низшей передаче – 10…15 % общего времени её работы.

Карданнаяпередачаосуществляетсиловуюсвязь механизмов автомобиля, валы которых несоосны или расположены под углом и служит для пердачи крутящего момента между валами механизмов.

В зависимости от типа, компоновки и конструкции автомобиля карданная передача может передавать крутящий момент от коробки передач к раздаточной коробке или к главной передаче ведущего моста, от раздаточной коробки к главным передачам ведущих мостов, между главными передачами среднего и заднего ведущих мостов, от полуосей к передним ведущим и управляемым колёсам, от главной передачи к ведущим колёсам с независимой подвеской.

К карданной передаче предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми она должна обеспечить:

- передачу крутящего момента и равномерное вращение валов соединяемых механизмов независимо от угла между валами;

- передачу крутящего момента без создания в трансмиссии автомобиля дополнительных нагрузок;

- высокий КПД;

- бесшумность при работе.

Взаимное расположение валов механизмов, соединяемых карданной передачей, и угол между валами существенно влияют на конструкцию и работу карданной передачи.

Когда карданная передача соединяет коробку передач и раздаточную коробку, то угол наклона соединяющего карданного вала составляет 3…5⁰ . Если карданная передача связывает коробку передач или раздаточную коробку с главной передачей, наклон карданного вала может быть 12…15⁰. Наибольший угол между соединяемыми валами может достигать 30…32⁰ в том случае, когда карданная передача применяется для передачи крутящего момента ведущему управляемому колесу.

Значение КПД карданной передачи имеет большое значение в многоосных автомобилях вследствие большого числа карданных шарниров. Поэтому даже при высоком КПД одного шарнира (0,985…0,99) и обычном распределении мощности и крутящего момента на трение во всех карданных шарнирах могут быть значительными (4…6 %), что приводит к снижению общего КПД трансмиссии автомобиля.

При расчёте карданной передачи производится следующее:

- определение критической частоты вращения карданного вала;

- расчёт деталей карданной передачи на прочность.

При вращении карданного вала возникает центробежная сила вследствие неравномерного распределения массы вала по диаметру и его кривизны по длине. Центробежная сила вызывает дополнительный прогиб вала:

Р_ц=m(f+e)ω²,

где е – смещение центра тяжести вала вследствие неуравновешенности;

f – дополнительный прогиб вала;

m – масса вала:

ω – угловаяскоростьвала.

Центробежная сила уравновешивается силой упругости вала

Р_у=cf,

где с – изгибная жёсткость вала.

Из условия равенства сил Р_ц=Р_у имеем f= .

C учётом выражений массы вала и его изгибной жёсткости критическая частота вращения будет:

для трубчатого вала n_кр= ;

для сплошного вала n_кр= .

В процессе эксплуатации вследствие изнашивания трущихся поверхностей, увеличения зазоров и нарушения центрирования карданного вала критическая частота вращения карданного вала постепенно уменьшается.

В связи с этим при выборе размеров карданного вала для удовлетворительной работы карданной передачи необходимо, чтобы критическая частота вращения была в 1.5…2 раза больше максимальной частоты вращения карданного вала, соответствующей максимальной скорости движения автомобиля. Для повышения критической частоты вращения карданного вала следует уменьшить его длину и увеличить диаметр.