2813.Планетарные передачи в автомобилестроении
..pdf
Рис. 8.18. Схема АКПП F4AEL-K автомобиля Kia Spectra: 1 – гидротрансформатор; 2 – малая солнечная шестерня; 3 – малое зубчатое колесо; 4 – большое зубчатое колесо; 5 – муфта заднего хода; 6 – ленточный тормоз пониженной передачи и передачи заднего хода; 7 – муфта третьей и четвертой передачи; 8 – обгонная муфта; 9 – ленточный тормоз второй и четвертой передачи; 10 – большая солнечная шестерня
2.Планетарный ряд – служит для изменения передаточного отношения
вавтоматической трансмиссии при переключении передач.
3.Ленточный тормоз, муфта переднего хода, муфта заднего хода – компоненты, посредством которых осуществляется переключение передач.
4.Устройство управления. Этот узел состоит из маслосборника (поддон коробки передач), шестеренчатого насоса и клапанной коробки, которая представляет собой систему каналов с расположенными в них клапанами и плунжерами, выполняющими функции контроля и управления.
Это устройство преобразует скорость движения автомобиля, нагрузку двигателя и степень нажатия на педаль газа в гидравлические сигналы. На основе этих сигналов, за счет последовательного включения и выхода из рабочего состояния фрикционных блоков, автоматически изменяются передаточные отношения в коробке передач.
8.10.Автоматическая коробка передач грузовых автомобилей
Коробки передач грузовых автомобилей стараются разрабатывать так, чтобы они гарантировали машине необходимые динамические и экономические свойства, работали бесшумно, с высоким КПД, отличались надежностью, простотой обслуживания, имели по возможности малые габариты и массу, а также невысокую стоимость.
181
По способу изменения передаточных чисел коробки передач делятся на ступенчатые и бесступенчатые. Бесступенчатое изменение передаточного числа, как правило, достигается за счет гидротрансформатора, хотя на легких машинах могут использоваться и вариаторы, а на специальных шасси встречается объемный гидропривод. На концептуальных машинах можно найти и вовсе экзотические конструкции, но в эксплуатацию они, естественно, не попадают. Кроме того, коробки передач могут иметь неподвижные или вращающиеся (планетарные) оси валов, а также их комбинацию.
В последние годы изготовители грузовиков все больше внимания уделяют автоматизации процесса переключения передач. На грузовых автомобилях, работающих в городе, это кардинально улучшает условия труда водителя и, соответственно, положительно сказывается на безопасности движения. На магистральном транспорте автоматизация переключения передач еще и повышает эффективность перевозок, поскольку позволяет оптимизировать взаимодействие двигателя и трансмиссии.
Полуавтоматические коробки передач (как правило, без гидротрансформатора) получают все большее распространение. Они избавляют водителя от одной из наиболее энергоемких операций, связанных с переключением передач: или от выжима педали сцепления, или от собственно переключения, которое сводится к заданию передачи с помощью джойстика. Появились уже конструкции, например, Volvo I-Shift, работающие как полный автомат с гидротрансформатором.
Ступенчатые коробки передач, обладая большим КПД (при передаче полной мощности он составляет от 0,96 до 0,98), по конструкции проще бесступенчатых, дешевле в производстве и поддаются автоматизации процесса управления, поэтому они и получили наибольшее распространение на грузовых автомобилях.
Необходимые динамические и экономические качества машины достигаются правильным выбором диапазона передаточных чисел в коробке передач, числом передач и тщательным подбором передаточного числа каждой из них. Диапазоном называют частное от деления передаточных чисел низшей и высшей передачи. Он должен быть тем больше, чем разнообразнее дорожные условия, в которых работает грузовой автомобиль, и меньше удельная мощность его двигателя.
Для коммерческих автомобилей, работающих преимущественно в городских условиях, диапазон передаточных чисел современных коробок передач составляет 5,0–8,0; для магистральных тягачей и грузовых автомобилей повышенной проходимости он уже равен 10–20. Число передач в механических коробках грузовых автомобилей варьируется от 5 до 16.
182
Увеличение числа ступеней в коробке позволяет лучше использовать мощность двигателя и, соответственно, меньше расходовать топливо, повышает среднюю скорость движения, и как результат – большая производительность автомобиля и снижение стоимости перевозок. Отметим, что увеличение числа ступеней в коробке усложняет и утяжеляет ее, возрастают размеры и стоимость агрегата, усложняется привод управления коробкой.
При механическом приводе быстрое и безошибочное переключение шести передач прямого хода осуществить уже довольно трудно. Именно такое их количество сегодня принято считать предельным при ручном переключении. Дальнейшее увеличение числа передач требует усложнения привода или установки дополнительной коробки со своим независимым приводом, который используется сравнительно редко – только на определенных режимах движения.
Одно время в коробках передач грузовиков (рис. 8.19) широко применялась «ускоряющая» высшая передача, которая имела передаточное отношение 0,7–0,8. Считалось, что это позволяет полнее использовать мощность двигателя, снизить суммарное число оборотов коленвала на 1 км пути и в конечном счете экономить топливо. Однако эффект от их применения оказался сомнительным: по сравнению с прямой высшей передачей «ускоряющие» имели меньший КПД, и вскоре от них отказались. Этому способствовал также рост удельных мощностей двигателей грузовых автомобилей.
Рис. 8.19. АКПП грузовых автомобилей
183
К числу важнейших факторов, влияющих на КПД ступенчатых коробок передач, относятся правильный выбор кинематической схемы, от которой зависит число пар зубчатых колес, находящихся в зацеплении при передаче момента, а также частоты вращения, передаваемая мощность, эффективность системы смазки, точность изготовления зубчатых колес и деталей картера.
Рассмотрим двенадцатиступенчатую коробку передач фирмы ZF, состоящую из основной, шестиступенчатой коробки и двухступенчатого делителя (см. рис. 8.19).
На грузовых автомобилях наибольшее распространение получили трехвальные коробки с прямой передачей, получающейся при соединении первичного и вторичного валов. По взаимному расположению ведущего и ведомого валов коробки передач разделяют на соосные и несоосные. Последние встречаются в основном на переднеприводных грузовых автомобилях.
Подавляющее большинство механических коробок передач выполняют с неразветвленным силовым потоком, так что через каждое включенное зубчатое зацепление проходит весь поток мощности. Встречаются, однако, коробки, в которых поток мощности делится на две или три ветви. В них больше зубчатых колес, которые имеют меньшие размеры, а следовательно, меньшие моменты инерции и окружные скорости. Применение таких схем объясняется желанием повысить срок службы трансмиссии при большой передаваемой мощности.
Рис. 8.20. Демультипликатор на коробке передач ZF GG
Многоступенчатые трансмиссии создают на базе основной четырех-, пятиили шестиступенчатой базовой соосной трехвальной коробки, присоединяя к ней дополнительную коробку. Обычно она имеет две передачи
184
(прямую и понижающую) и обеспечивает удвоение числа передач. Применение трехступенчатой дополнительной коробки позволяет утроить число передач базовой коробки. Водитель в обоих случаях использует два органа управления: один – базовой, другой – дополнительной коробкой.
Если передаточное число пониженной передачи в дополнительной коробке достаточно большое, чтобы увеличить общий диапазон, по крайней мере вдвое, ее называют «демультипликатор» (рис. 8.20). Если же она почти не увеличивает общий диапазон, а служит для получения «половинок» между передачами основной коробки, ее называют «делителем», имея в виду, что она делит имеющийся диапазон на большее число ступеней. Сегодня к базовой коробке часто пристыковываются две дополнительных – и спереди, и сзади. Естественно, одна из них является демультипликатором, другая – делителем.
Делитель имеет простую конструкцию и минимальное число зубчатых колес. КПД коробки с делителем практически не отличается от КПД базовой коробки, так как сохраняется число зубчатых зацеплений, передающих силовой поток. При передней установке недостатком делителя является увеличение крутящего момента на входе базовой коробки, что заставляет использовать в ее качестве более мощный, и соответственно, тяжелый агрегат. Эту проблему можно решить, установив делитель сзади, однако там обычно оставляют место для демультипликатора, установка которого спереди практически исключена из-за большого передаточного числа низшей передачи.
Рис. 8.21. Десятиступенчатая коробка передач David Brawn, тип 557А
Задний демультипликатор конструктивно может повторять делитель или выполняться планетарным. При этом не происходит увеличения нагрузок в базовой коробке. Его диапазон ограничивают 4,0, поскольку при больших величинах усложняется переключение ступеней.
185
Большой диапазон демультипликатора (рис. 8.22) используют как для расширения общего диапазона многоступенчатой трансмиссии, так и для одновременного сокращения диапазона базовой коробки. Правда, в таком случае уменьшается унификация базовой коробки и коробки с редуктором, так как сокращенный диапазон не позволяет использовать ее без демультипликатора. Зато уменьшается крутящий момент на вторичном валу базовой коробки, и она может быть выполнена более компактной и легкой. Кроме того, значительно уплотняется ряд ее передаточных чисел, что облегчает как работу синхронизаторов (можно поставить их на все передачи), так и собственно переключение передач. Вместе с тем при работе на низшей передаче демультипликатора КПД трансмиссии снижается на 3–4 %. Применение в демультипликаторах планетарных рядов сделает конструкцию легче и компактнее.
Рис. 8.22. АКПП с демультипликатором
8.11. АКПП марки Allison
Американская компания Allison Transmission – крупнейший производитель автоматических коробок передач и гибридных силовых агрегатов, которыми оснащают свою технику свыше 250 ведущих автопроизводителей по всему миру (рис. 8.23). Продукция фирмы применяется на автобусах, грузовиках, строительно-дорожных и военных машинах.
Allison разрабатывает и выпускает самый большой в мире модельный ряд автоматических трансмиссий для стационарной и мобильной техники. Модели последнего поколения агрегатируются двигателями, соответствующими требованиям экологического стандарта Евро-4 и выше (рис. 8.23).
186
Рис. 8.23. АКПП марки Allison Transmission
Allison Transmission разрабатывает автоматические коробки передач, объединенные в несколько семейств. Агрегаты серии OFS предназначены для использования в нефтегазовом комплексе. Дорожные автомобили комплектуются моделями серии 1000, 2000, 3000 и 4000, а специально для автобусов созданы АКПП Torqmatic. Внедорожники оснащаются коробками серий 5000, 6000, 8000 и 9000.
Разборка АКПП
Важнейшее достоинство автоматических коробок передач Allison – их техническое совершенство. Каждый агрегат включает гидротрансформатор, механическую коробку передач, систему управления, ретардер и вспомогательные механизмы.
Гидротрансформатор выполняет роль гидравлической передачи, в которой энергию передаёт поток циркулирующей жидкости. Этот узел состоит из насосного и турбинного колес, а также статора.
Гидротрансформатор обеспечивает эластичную связь двигателя с коробкой передач, снижает динамические нагрузки, предотвращает остановку двигателя при перегрузках и увеличивает крутящий момент при старте и в сложных дорожных условиях
Allison 1000/2000
Механическая передача – основная часть АКП, состоящая из трёх планетарных рядов и фрикционных муфт, обеспечивающих переход с одной скорости на другую (рис. 8.24). Это устройство обеспечивает ступенчатое измене-
187
ние передаточного числа без разрыва потока мощности. Управление переключением может осуществляться в автоматическом режиме или вручную (например, на приводах бурового оборудования в нефтегазовой отрасли).
Рис. 8.24. Коробка передач Allison 1000/2000
Ретардер, или гидродинамический замедлитель, служит для уменьшения скорости транспортного средства. Его применение существенно снижает расходы перевозчика на тормозные колодки. Тормозное усилие ретардера соответствует мощности двигателя. Без данного механизма невозможно представить современные автобусы и технику, работающую в горных условиях.
Система управления коробки передач четвёртого поколения, воплотившая в себе последние достижения техники, обеспечивает высокую адаптивность к дорожным условиям и стилю вождения, а также обладает дополнительными функциями и блокировками, исключающими движение в опасном режиме. По желанию заказчика АКПП оснащается кнопочным или рычажным переключателем передач.
Двигатель оснащен системой диагностики Prognostics, которая позволяет следить за состоянием основных узлов и агрегатов машины. Функция Oil Iife Filter контролирует расход топлива, функция Filter Life Monitor информирует о необходимости замены фильтра. Система Transmission Health Monitor следит за состоянием цепей управления трансмиссии и предупреждает о необходимости проведения технического обслуживания или перенастройки.
188
История Alison Transmission в России началась в 2003 году. Изделия американского производителя наиболее востребованы в нефтегазовой отрасли России, не менее значимым является автобусный рынок. Заводы, входящие в состав холдинга «Русские автобусы», устанавливают автоматические коробки передач Allison на городские машины большого класса ЛиАЗ5256 (и его пригородную модификацию), низкопольные ЛиАЗ-5293 и Ли- АЗ-6213, на сочлененную модель ЛиАЗ-6212 и на автобус малого класса ПАЗ-3237. Американские АКПП работают также на автомобилях марки «Волжанин».
Рис. 8.25. АКПП для специальных внедорожных машин
АКП фирмы Allison применяют также в грузовиках и специальных внедорожных автомобилях (рис. 8.25). Преимущества автоматических трансмиссий неоспоримы на полноприводных автомобилях, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации, а также на машинах для различных коммунальных служб, работа которых связана с движением на небольшой скорости и с частыми остановками.
АКП марки Allison используются в конструкции полноприводных шасси специального назначения таких известных предприятий, как Горьковский, Камский, Минский и Белорусский автозаводы, а также Минский завод колёсных тягачей. Американские АКПП монтируются на двухзвенные гусеничные транспортеры «Витязь» ДТ-30ПМН и ДТ-2П, а также на пожар-
ные автомобили АА-15/100-50/3 и АЦ-2.0-20/2.
Коробками передач Allison оснащаются и многие шасси зарубежных производителей, поступающие на российский рынок: Scania, Volvo, Interna-
tional, Freightliner, Shaanxi, Dongfeng и др. (рис. 8.26).
189
Рис. 8.26. АКПП, устанавливающаяся на автобусы Scania: 1 – планетарные передачи; 2 – гидротрансформатор; 3 – фрикционные пакеты; 4 – демпфер крутильных колебаний; 5 – фланец ведомого вала; 6 – масляный фильтр
8.12. Роботизированная коробка передач модели Opel
Основу классической механической коробки передач Opel составляют два вала – первичный (ведущий) и вторичный (ведомый). На первичный вал через механизм сцепления передаётся крутящий момент от двигателя. Со вторичного вала преобразованный момент идёт на ведущие колёса. И на первичный, и на вторичный валы посажены шестерни, попарно находящиеся в зацеплении. Но на первичном шестерни закреплены жёстко, а на вторичном – свободно вращаются. В положении «нейтраль» все вторичные шестерни прокручиваются на валу свободно, т.е. крутящий момент на колёса не поступает.
Перед включением передачи водитель выжимает сцепление, отсоединяя первичный вал от двигателя. Затем рычагом КПП через систему тяг на вторичном валу перемещаются специальные устройства – синхронизаторы. При подведении муфта синхронизатора жёстко блокирует на валу вторичную шестерню нужной передачи. После включения сцепления крутящий момент с заданным коэффициентом начинает передаваться на вторичный вал, а от него – на главную передачу и колёса. Для сокращения общей длины коробки вторичный вал часто делят на два, распределяя ведомые шестерни между ними.
Упрощённая схема работы пятиступенчатой механической коробки передач представлена на рис. 8.27.
190