Коробка передач автомобиля. Виды, устройство и работа коробок передач

1. Назначение коробки передач

Коробка передач предназначена для изменения силы тяги на ведущих колесах автомобиля, скорости и направления его движения и длительного отсоединения двигателя от трансмиссии.

В процессе эксплуатации автомобиля условия его движения (скорость и ускорение , количество пассажиров и масса перевозимого груза, характеристики продольного профиля пути движения, качество дорожного покрытия , другие факторы) все время меняются. Поэтому меняется и нагрузка на двигатель.

Особенностью поршневых двигателей внутреннего сгорания (двигатель, две), используемых на ТС, является их относительно малая приспособляемость к изменениям внешней нагрузки — сопротивлению движению. Внешняя скоростная характеристика две (рис. 1) не обеспечивает изменения мощности Ре и крутящего момента Те двигателя в зависимости от оборотов коленчатого вала п в диапазоне, достаточном для движения автомобиля при всех возможных нагрузочных режимах.

Рис. 1. Внешняя скоростная ДВС: 1- мощность; 2 — крутящий момент двигателя

Коэффициент k приспособляемости автомобильных двигателей, определяемый в соответствии с выражением k = Т_еmах / Т_Реmах, приблизительно равен (1,15 — 1,25), где Т_{еmах —} максимальное значение крутящего мо­мента двигателя; Т_{Pеmах —} значение крутящего момента при максимальной мощности.

Для постоянных условий движения можно подобрать оптимальное передаточное число трансмиссии , при котором двигатель будет работать в диапазоне оборотов (n_{те …} n_Ре ), обеспечивающем низкий расход топлива и высокие динамические показатели. Любое изменение условий движения приводит к изменению оборотов коленчатого вала, изменению мощности и крутящего момента двигателя в соответствии с внешними скоростными характеристиками и скоростью движения автомобиля.

В этом случае водитель вынужден реагировать — управлять режимом работы двигателя. Но если при уменьшении внешней нагрузки достаточно уменьшить подачу топлива, то увеличение нагрузки вследствие малых значений коэффициента приспособляемости двигателя компенсировать таким образом невозможно и двигатель заглохнет. Поэтому передаточное число трансмиссии автомобиля должно изменяться в зависимости от условий движения. Эту функцию может выполнять редуктор, в котором передача и трансформация крутящего момента обеспечивается с помощью одной или нескольких пар шестерен, а изменение передаточного числа выбором (переключением передач) — соответствующих пар шестерен, обеспечивающих движение с заданной скоростью. На транспортных и транспортно-технологических машинах редукторы, обеспечивающие дискретное изменение передаточного числа в необходимом диапазоне, называют механическими ступенчатыми коробками переключения передач (коробка передач, КП).

В зависимости от конструктивных особенностей коробок передач (КП) передаточное число может изменяться и другим способом. Кроме указанной функции, КП обеспечивает реверсирование (изменение направления) движения автомобиля и обеспечивает долговременное отсоединение двигателя от трансмиссии.

2. Классификация, общие сведения и требования к коробкам передач

Коробки передач классифицируются:

• по способу изменения передаточного числа (ступенчатые с указанием числа ступеней переднего хода, бесступенчатые, комбинированные);
• по положению и количеству осей (с неподвижными осями валов -двух, трех и многовальные, с вращающимися осями валов — планетарные, комбинированные);
• по способу управления (непосредственное или прямое, дистанционное, полуавтоматическое или командное, автоматическое).

Важнейшими показателями, характеризующими коробку передач, являются число передач и диапазон передаточных чисел.

Диапазоном передаточных чисел называют отношение наибольшего и наименьшего их значений для передач переднего хода. Чем разнообразнее дорожные условия, для которых предназначен автомобиль, и чем меньше удельная (отнесенная к полной массе автомобиля или автопоезда) мощность его двигателя, тем большим должен быть диапазон передаточных чисел коробки передач. Диапазоны передаточных чисел современных коробок передач составляют: (3,1 — 4,5) для легковых автомобилей, (5 — 8) для автобусов и грузовых автомобилей, работающих без прицепа, и (10 — 20) для тягачей и автомобилей высокой проходимости.

Передаточное число высшей передачи близко к единице. В коробках передач многих легковых автомобилей передаточное число высшей передачи может быть меньше единицы и равным 0,7 — 0,9. При определенных условиях движения это обеспечивает экономию топлива. Число передач непосредственно связано с диапазоном передаточных чисел (чем он шире, тем больше передач в коробке). На число передач оказывает влияние не только тип автомобиля и мощность его двигателя, но и вид скоростной характеристики (чем меньше коэффициент приспособляемости двигателя, тем большим должно быть число передач).

Число передач при ручном управлении обычно стремятся сделать не более шести. Увеличение числа передач может привести к усложнению задачи выбора требуемой передачи в силу субъективных особенностей физиологии и психики водителя. В случае необходимости использования более широкого диапазона передаточных чисел используются дополнительные коробки передач: раздаточные, делители и демультипликаторы. В некоторых случаях расширение диапазона передаточных числе трансмиссии обеспечивается за счет дополнительной ступени главной передачи.

Коробка передач должна обеспечивать:

• высокие тягово-скоростные и топливно-экономические свойства автомобиля за счет обоснованного выбора значений и закона изменения передаточных чисел, достаточного диапазона их изменения;
• легкость и удобство управления за счет ограничения количества передач, снижения усилий, необходимых для их переключения, выполнения основных эргономических требований в отношении траектории и характера движения органа управления;
• высокий коэффициент полезного действия за счет использования простой конструктивной схемы с минимальным числом шестерен, передающих крутящий момент на каждой передаче; низкий уровень шума за счет использования качественных подшипников и высокотехнологичных приемов обработки поверхностей зубьев шестерен.

3. Типы шестерен и способы включения передач

Коробка передач представляет собой механизм, шестерни которого образуют зубчатые пары, которые можно поочередно включать и выключать из работы, меняя при этом передаточное число. В коробках передач используются прямозубые и косозубые шестерни. Косозубые шестерни долговечнее прямозубых, создают меньший шум и, несмотря на действующие на них при работе дополнительные — осевые силы, практически вытеснили прямозубые шестерни. Прямозубые шестерни применяются лишь в передачах, работающих относительно небольшое время — в первых передачах и передачах заднего хода. Тип шестерен и конструктивные особенности коробок передач влияют на способ включения передач. В основном используются следующие способы включения передач (рис. 2.):

• за счет осевого перемещения шестерни с внутренней шлицевой поверхностью ступицы по шлицам вала;
• за счет перемещением зубчатой муфты с внутренней шлицевой поверхностью по шлицам ступицы, неподвижно закрепленной на валу;
• с помощью зубчатой муфты и синхронизатора; с помощью фрикционных элементов.

В одной коробке передач могут применяться один или несколько указанных способов включения передач.

Переключение передач за счет осевого смещения шестерни 1 (рис. 2, а) с внутренней шлицевой поверхностью её ступицы 2 по шлицам вала 3 лучше всего подходит для прямозубых шестерен (так как для введения в зацепление косозубых шестерен шлицы пришлось бы делать винтовыми). Этот способ наиболее прост в конструктивном отношении и требует минимальных осевых размеров коробки. Однако из-за несовпадения окружных скоростей шестерни 1 (ведомой) и жестко закрепленной на валу 4 шестерни 5 (ведущей) в момент включения возможен удар, энергию которого приходится воспринимать небольшому числу зубьев, что приводит к значительному их износу.

Рис. 2. Способы включения передач: а — с осевым смещением шестерни; б — перемещением зубчатой муфты; в — зубчатой муфтой и синхронизатором; г — фрикционными элементами

Данный способ в настоящее время применяется редко и только на низших передачах и передачах заднего хода.

Большую долговечность обеспечивает способ включения передачи, показанный на рис.3 .2, б. Ведущая шестерня 1 неподвижна в осевом направлении, но может вращаться относительно вала 3 (отверстие ступицы 2 имеет гладкую цилиндрическую поверхность). Ведомая шестерня 5 установлена на валу 4 неподвижно.

Зубчатая муфта 6 может передвигаться в осевом направлении по шлицевой поверхности вала 3. Для включения передачи, вращающуюся шестерню 1 соединяют с валом 3 при помощи зубчатой муфты 6, внутренний зубчатый венец 7 которой входит в зацепление с наружным зубчатым венцом 8 шестерни 1. Ударное включение передачи при неодинаковых угловых скоростях шестерни 1 и вала 3 возможно, но в этом случае энергия удара воспринимается всеми зубьями муфты. При невысокой квалификации водителя такой способ включения передач не может обеспечить необходимой долговечности часто включаемых шестерен.

Для снижения и исключения ударных нагрузок на зубья муфты при включении передач применяют устройства, получившие название «синхронизатор». Синхронизаторы, какого бы типа они не были, не допускают соединения зубьев муфты и шестерни при разных угловых скоростях, рис. 2, в.

Синхронизаторы обеспечивают принудительное выравнивание угловых скоростей муфты и шестерни 1, находящейся в постоянном зацеплении с шестерней 11 вторичного вала 12, сокращают время переключения передач и обеспечивают повышение динамических показателей автомобиля. Для включения передачи, вращающуюся ведущую шестерню 1 соединяют с валом 3 при помощи зубчатой муфты 6, внутренний зубчатый венец 7 которой входит в зацепление с наружным зубчатым венцом 8 шестерни 1. Выравнивание угловых скоростей вала 3 (муфты 6) и шестерни 1 происходит за счет трения между конструктивными элементами синхронизатора — блокирующим кольцом 9 с внутренней конической поверхностью и конической поверхностью 1О шестерни 1. Несмотря на значительное усложнение коробки передач и увеличение ее осевых размеров, синхронизаторы существенно упрощают включение передач, повышают долговечность конструктивных элементов КП и поэтому нашли широкое применение.

Фрикционный способ включения передач основан на применении многодисковых фрикционных муфт, работающих в масле, рис. 2, г. Для включения передачи ведущую шестерню 1 (свободно вращающуюся в исходном положении и находящуюся в постоянном зацеплении с жестко закрепленной на валу 7 ведомой шестерней 6) соединяют с валом 3 при помощи фрикциона, корпус которого 2 крепится к шестерне 1. На внутренней поверхности корпуса 2 имеется зубчатый венец, в зацепление с которым входят зубчатые венцы фрикционных дисков 4, чередующихся с фрикционными дисками 5, входящими в зацепление с помощью зубчатых венцов со шлицами вала 3.

Включение фрикционов производится за счет их сжатия, например, с помощью поршня, на который действует давление масла, создаваемое специальным насосом. Известны конструкции, в которых сжатие фрикционных дисков осуществляется пружиной, а выключение — за счет давления масла. Способ переключения передач с помощью фрикционов имеет определенные преимущества: повышается долговечность шестерен, процессы включения и выключения передач могут быть автоматизированы, переключение передач может осуществляться без разрыва потока мощности за счет постепенного снижения давления рабочего тела на поршень фрикциона, включающего передачу и одновременного увеличения давления на поршень фрикциона, выключающего передачу. Последний способ включения передач достаточно сложен, дорог и требует существенного увеличения размеров коробки, поэтому его применение ограничивается в основном гидромеханическими передачами.

4. Основные конструктивные схемы коробок передач

Наиболее распространенными конструктивными схемами ступенчатых КП являются двухвальная и трехвальная.

Трехвальные коробки передач (рис. 3) обычно применяют на автомобилях с классической компоновочной схемой. Особенностью режима работы многих типов автомобилей является то, что у них почти всегда можно выделить передачу, используемую большую часть пути.

Рис. 3. Трёхвальная коробка передач

Основными элементами трехвальной КП являются: соосно расположенные первичный 1 и вторичный 2 валы и промежуточный вал 3. Опорами каждого из валов яв­ляются подшипники качения: первичного вала — в маховике и в передней стенке 17 корпуса КП, вторичного вала — внутри первичного вала 6, промежуточной 18 и задней 19 стенках корпуса, промежуточного вала в передней 20 и задней 21 стенках корпуса.

Все шестерни (5, 11, 12, 13, 15) промежуточного вала 3 закреплены относительно друг друга неподвижно, и составляют одно целое с валом, шестерни переднего хода могут быть выполнены в виде блока шестерен, вращающихся на подшипниках относительно неподвижной оси, жестко закрепленной в корпусе КП.

Все шестерни (8, 9, 10) переднего хода вторичного вала 19 подвижны в окружном направлении — могут вращаться относительно вала. Шестерня заднего хода 14 крепится неподвижно. Включение передач переднего хода осуществляется при жестком соединении вала с одной из шестерен любым из способов, описанных в п. 3. Включение передачи заднего хода обеспечивается соединением шестерни 15 промежуточного вала с шестерней 14 вторичного вала за счет смещения шестерни 16 вдоль оси, закрепленной в корпусе КП.

Передача потока мощности (крутящего момента) через КП, например, при включенной третьей передаче, осуществляется по следующей схеме (рис. 3): первичный вал 1, шестерни постоянного зацепления 4 и 5 первичного и промежуточного валов, шестерни 11 и 8 третьей передачи промежуточного и вторичного валов, зубчатые венцы шестерни 8 и муфты 7, шлицевое соединение муфты 7 и вторичного вала 2, вторичный вал 2. Для включения передачи заднего хода между шестернями 14 вторичного и 15 промежуточного валов вводят дополнительную шестерню 16, свободно вращаюшуюся на оси, жестко закрепленной в задней стенке или перегородке корпуса КП.

Основным преимуществом трехвальных коробок передач является наличие в них «прямой» передачи с передаточным числом равным единице, получающейся при непосредственном соединении первичного 1 и вторичного 2 валов. В этом случае все шестерни и подшипники валов, в том числе и промежуточного вала 3, освобождаются от действия осевых, тангенциальных и радиальных сил, а первичный и вторичный валы нагружены только крутящим моментом. Износ деталей коробки передач и шум при работе на прямой передаче минимальны, а КПД максимален.

Важным конструктивным преимуществом трехвальных КП является относительная легкость получения большого передаточного числа на низшей (первой) передаче при малом межосевом расстоянии. Это объясняется тем, что передаточное число всех передач, кроме прямой, образуется двумя последовательно работающими парами шестерен.

На рис. 4 приведен пример конструктивного варианта трёхвальной четырехступенчатой КП грузового автомобиля с обозначениями элементов, показанными на рис. 3. Особенностью конструкции КП является использование прямозубой шестерни первой передачи вторичного вала 10, для включения первой передачи и передачи заднего хода. Коробка передач состоит: из первичного 1, вторичного 2 и промежуточного 3 валов. Левый конец вторичного вала крепится с помощью подшипника

6 во внутренней полости первичного вала. На промежуточном валу установлен блок шестерен, состоящий из шестерни постоянного зацепления 5, шестерен второй 12, третьей 11 передач переднего хода и шестерни 13 первой передачи хода.

Рис. 4. Трехвальная четырехступенчатая коробка передач

Передача потока мощности (крутящего момента) через КП, например, при включенной четвертой (прямой) передаче осуществляется по следующей схеме (рис. 4): муфта 7 смещается влево до зацепления с шестерней 4, первичный и вторичный валы оказываются заблокированными, а шестерни 9 и 8 второй и третьей передач свободно вращаются на вторичном валу 2.

Включение третьей передачи обеспечивается блокированием шестерни 8 относительно вала с помощью муфты 7 синхронизатора. Вторая передача включается при смещении шестерни 10 влево, при этом зубчатые венцы шестерен 9 и 10 соединяются, а шестерня 9 блокируется относительно вторичного вала. Включение первой передачи происходит при смещении шестерни 10, установленной на шлицах, вправо до соединения с шестерней 13 промежуточного вала. Передача заднего хода включается при смещении блока шестерен 16 влево. На передаче заднего хода крутящий момент передается: первичный вал 1, шестерни постоянного зацепления 4 и 5, промежуточный вал 3, шестерня первой передачи 13, большая шестерня блока 16 (блок шестерен смещается влево), малая шестерня блока 16, шестерня 10 вторичного вала, шлицевое соединение, вторичный вал 2.

Двухвальные коробки передач (рис. 5) конструктивно проще, дешевле и имеют КПД всех передач более высокий, чем КПД любой промежуточной передачи трехвальной КП. Большим преимуществом двухвальных коробок передач является простота вывода крутящего момента на любую сторону коробки (переднюю или заднюю или на обе сразу), что в некоторых случаях, например, при заднемоторных, переднеприводных и полноприводных конструктивных схемах трансмиссий автомобилей представляет большие компоновочные возможности.

Рис. 5. Двухвальная пятиступенчатая коробка передач

Основными элементами КП являются: первичный вал 1 с шестернями переднего хода 3, 5, 6, 7, 8 и шестерней заднего хода 3; вторичный вал 2 с ше­стернями переднего хода 9, 11, 12, 13, 14, шестер­ней заднего хода 4 и 9.

Все шестерни первичного вала неподвижны (жестко соединены с валом), а шестерни вторичного вала подвижны в окружном направлении.

Опорами валов служат подшипники качения 18, 19, 20, 21, установленные в корпусе КП. Включение передач переднего хода осуществляется с помощью синхронизированных муфт 15, 16 и 17.

Передача крутящего момента через КП, например, при включенной третьей передаче, осуществляется по следующей схеме, рис. 4: первичный вал 1, шестерни 6 и 12 соответственно первичного и вторичного валов, зубчатые венцы шестерни 12 и муфты 16, шлицевое соединение муфты и вторичного вала, вторичный вал 2.

Для включения передачи заднего хода между шестернями 4 и 10 первичного и вторичного валов вводят дополнительную шестерню 22. Передача крутящего момента через КП при включенной передаче заднего хода осуществляется по следующей схеме: первичный вал 1, шестерни 4, 22, 10, зубчатые венцы шестерни 10 и муфты 15, шлицевое соединение муфты и вторичного вала, вторичный вал 2.

5. Устройство и работа синхронизаторов

Синхронизаторы обеспечивают выравнивание угловых скоростей шестерни и вала (или двух валов) при включении передачи и не допускают их соединения до окончания этого процесса. При таком способе включения передачи увеличивается долговечность зубчатых муфт, упрощается процесс переключения передач, снижается нагрузка на водителя и уменьшается время включения передачи. Конструкции синхронизаторов, применяемых в современных КП, разнообразны, но принцип их действия одинаков.

Синхронизаторы с толкающими сухарями являются наиболее распространенными конструкциями в настоящее время. Синхронизатор (рис. 6.) состоит из ступицы 4, неподвижно установленной на вторичнам валу 11 КП и муфты 3, которая может перемещаться в осевом направлении по шлицам ступицы.

Рис. 6. Синхронизатор с толкающими сухарями

В наружном зубчатом венце ступицы 4 выполнены три продольных паза 5, равномерно расположенных по окружности. В пазах 5 установлены сухари 2, имеющие наружные выступы, заходящие в кольцевую канавку, выполненную с внутренней стороны муфты. Су­хари фиксируются относительно муфты за счет двух кольцевых пружин 6, поджимающих их к муфте. По бокам ступицы расположены блокирующие кольца 8, с внутренними коническими поверхностями 9, опирающимися на конические поверхности шестерен 1 и 5. Коническая поверхность 9 колец 8 имеет неглrубокие кольцевые проточки, обеспечивающие разрушение пленки масла и увеличение трения между сопряженными коническими поверхностями при включении передачи.

Шестерни 1 и 5 имеют зубчатые венцы 10, с помощью которых они соединяются с подвижной муфтой 3 и ступицей 4 (валом ) КП. Зубья 12 наружной поверхности колец 8 имеют профиль, подобный профилю зубьев ступицы 4 и зубчатых венцов шестерен (вала). Торцовые поверхности зубьев колец, муфты и зубчатых венцов шестерен (вала), обращенных к муфте, сверху имеют вид треугольника. Блокирующие кольца имеют три торцевых паза 13, в которые входят концы сухарей 2. Ширина паза в блокирующем кольце больше ширины сухаря и образовавшийся зазор «а» (рис. 7) позволяет кольцам смещаться в окружном направлении относительно ступицы, а следовательно и относительно подвижной муфты. При включении передачи вилка механизма переключения воздействует на муфту 3 (рис. 6) Муфта вместе с сухарями 2 смещается, торцы сухарей воздействуют

на блокирующее кольцо 8, коническая поверхность которого прижимается к конической поверхности шестерни 1. При несовпадении угловых сжоростей соединяемых валов (рис. 6) блокирующее кольцо 8, увлеченное трением о конус шестерни, повертывается в окружном направлении относительно подвижной муфты. При этом величина угла поворота (рис. 7), определяемого зазором «а», такова, что скошенные поверхности треугольного профиля зубьев 12 (рис. 6) блокирующего кольца и подвижной муфты 3 оказываются друг против друга, рис. 7.

Рис. 7. Профиль зубьев

Дальнейшее осевое смещение муфты приводит к тому, что выступы сухарей выходят из впадин подвижной муфты, а наклонные торцы зубьев муфты и кольца входят в соприкосновение. После этого, приложенная к муфте осевая сила передается непосредственно на блокирующее кольцо, вызывая его прижатие к конусу шестерни 1 и возникновение значительного момента трения между коническими поверхностями блокирующего кольца и шестерни. Под действием момента трения угловые скорости соединяемых валов уравниваются.

Так как осевая сила передается через наклонные грани торцов зубьев, то возникает поворачивающий кольцо момент, стремящийся поставить впадины кольца против зубьев муфты, тем самым позволить последним пройти к зубчатой муфте 3 шестерни и соединить ее с валом до выравнивания их скоростей. Однако этому препятствует инерционный момент движущейся ускоренно шестерни, увлекающей кольцо 8 в противоположном направлении. После завершения процесса синхронизации угловых скоростей инерционный момент становится равным нулю и не препятствует повороту кольца 8 и прохождению сквозь него зубьев муфты 3 к зубчатому венцу 12 шестерни и подвижная муфта 3 входит в зацепление с зубчатым венцом 12.

Синхронизатор с блокирующими кольцами (рис. 8, а) имеет неподвижную ступиц у 8, установленную на валу 14, и скользящую по шлицам ступицы подвижную муфту 6. На шлицах 3 шестерни 1 установлено блокирующее кольцо 5. Торцы шлицев 3 и зубьев 7 блокирующих колец 5 имеют треугольный профиль (рис. 8, б). Блокирующее кольцо 5 под действием пружины 2 упирается в стопорное кольцо 9.

Рис. 8. Синхронизатор с блокирующими кольцами

В этом положении кольцо 5 может занимать любое положение относительно шестерни 1 в пределах зазора «а» (рис. 8, б). При включении передачи подвижная муфта 6 силой водителя смещается влево и её внутренняя коническая поверхность касается наружного конуса блокирующего кольца 5. Между коническими поверхностями деталей 5 и 6 возникает трение, а величина момента трения на первом этапе работы синхронизатора обусловлена силой, создаваемой пружиной 2.

При различных угловых скоростях шестерни и вала момент трения увлекает кольцо 5 в окружном направлении, и оно, выбирая зазор «а», упирается скошенными торцами своих зубьев 7 в соответствующие торцы шлицев 3 (рис. 8, б). Коническая поверхность кольца устроена аналогично подобным поверхностям других синхронизаторов. Для уменьшения количества масла на поверхности трения в подвижной муфте имеются радиальные дренажные каналы 4.

После окончания синхронизации и исчезновения инерционного момента муфта 6 продолжает толкать влево кольцо 5, и его зубья своими наклонными торцами поворачивают шестерню относительно вала и сжимая пружину 2 входят во впадины шлицев шестерни 1. Подвижная муфта 6, продолжая движение в заданном направлении, обеспечивает соединение шестерни 1 со ступицей 8 (валом 14). Пружина 2 обеспечивает осевую фиксацию кольца 5 и гарантированную блокировку муфты синхронизатора. Для предотвращения самовыключения передачи основные шлицы 13 ступицы 8 и шлицы 1О муфты 6 выполнены с боковым зазором и имеют специальную форму, препятствующую самовыключению передачи.

Втулочно-пальцевые и пальцевые синхронизаторы применяют на грузовых автомобилях. Конструкция таких синхронизаторов проще за счет отсутствия в ней целого ряда деталей.

Втулочно-пальцевый синхронизатор (рис. 9) состоит из ступицы 6 с диском, в котором имеются несколько отверстий для пальцев 5 и фиксаторов 2, состоящих из двух частей.

Рис. 9. Синхронизатор пальцевого типа с составным фиксатором

Соединенные вместе части фиксатора образуют тело вращения, причем соприкасающиеся плоскости частей совпадают с осью вращения и отверстия в диске ступицы 6. Пальцы 5 жестко соединяют между собой блокирующие кольца 8 с коническими поверхностями трения, имеющими кольцевые проточки для удаления масла. Пальцы 5 свободно входят в отверстия 7 диска ступицы 6. Отверстия 7 имеют глубокие конические фаски 3, а пальцы — выточку в средней части, заканчивающуюся двумя конусами 4.

Центрирование конусов трения относительно ступицы и контакт с конусами шес­терен в начале процесса синхронизации осуществляются с помощью фиксаторов 2. Фиксаторы имеет в средней части выточку, заканчивающуюся коническими поверхностями. Внутри полости фиксаторов установлены пружины 1, в исходном состоянии обеспечивающие контакт наружной поверхности вьпочки фиксаторов с поверхностью отверстия, а конических поверхностей фиксаторов с коническими поверхностями отверстий в диске. Между частями фиксатора при этом имеется зазор.

При включении передачи диск ступицы вместе с фиксаторами и блокирующими кольцами смещается вдоль оси, и торцевые поверхности фиксаторов прижимают конусы трения блокирующего кольца к конусу шестерни. Окружное смещение блокирующих колец относительно диска ступицы происходит за счет момента трения, возникающего при разности угловых скоростей вала и шестерни и осевой деформации пружин фиксаторов 1. При этом конусы 4 пальцев 5 прижимаются к фаске 3 отверстия 7 и препятствуют смещению ступицы и соединению с шестерней. После выравнивания угловых скоростей вала и шестерни инерционный момента отсутствует и за счет осевой силы, действующей на ступицу, возникает поворачивающий момент. В результате воздействия фасками 3 отверстий 7 на конусы 4 пальцев 5 блокирующие кольца поворачиваются, и зубчатая муфта 9 ступицы входит в зацепление с внутренним зубчатым венцом шестерни, соединяя её с валом.

Пальцевый синхронизатор (рис. 10) состоит из ступицы 1 с жестко закрепленным на ней диском 2 с четырьмя отверстиями, в которых расположены пальцы 3, блокирующие кольца 6 относительно диска 2 шариками 4.

Рис. 10. Синхронизатор пальцевого типа

Шарики упираются с помощью пружин 5 в выточки пальцев. Блокирующие кольца 6 жестко соединяются между собой с помощью пальцев 7, неподвижно закрепленных в диске.

Отверстие диска имеет наружные конические поверхности, а палец проточку и конические поверхности между цилиндрическими частями разных диаметров. В исходном состоянии палец 7 и отверстие диска соосны. Центрирование блокирующих колец 6 относительно ступицы и контакт с конусами шестерен в начале процесса синхронизации осуществляются с помощью пальцев 3. При включении передачи диск 2 смещается вдоль оси и торцы пальцев 3 прижимают конус трения одного из блокирующих колец 6 к конусу соответствующей ше­стерни. Блокировка синхронизатора происходит при повороте блокирующего кольца относительно диска ступицы за счет зазора между поверхностями отверстий и пальцев 7.

При этом один из конусов пальцев 7 прижимается к конусу отверстия по наклонной линии (образующей конус а), на которой и возникает поворачивающий момент, разблокирующий синхронизатор после выравнивания угловых скоростей и исчезновения инерционного момента. В процессе разблокирования синхронизатора конусы отверстий диска 2 за счет осевой силы, приложенной к ступице 1, давят на конусы пальцев 7, сдвигая их в окружном направлении и позволяя ступице 2 пе­реместиться в осевом направлении для соединения шестерни и вала.

6. Устройство и работа механизмов переключения передач

В коробках передач с непосредственным управлением, рукоятка управления (рычаг) устанавливается в крышке картера коробки передач, где размещается механизм переключения. Такой вариант механизма управления возможен только при расположении КП вблизи места водителя. Привод механизма управления такого типа показан на рис. 11. Рычаг управления 1 поджимается пружиной 2 вверх и с помощью сферической поверхности 3, опирающейся на сферическую поверхность сухаря 4, удерживается в указанном положении (рис. 11, а). Нижний конец рычага входит в углубления верхних частей вилок переключения передач 5, 6, 7, жестко закрепленных на штоках 8, 9, 10, (рис. 11, 6).

Рис. 11. Механизм переключения передач

Штоки установлены в цилиндрических отверстиях крышки КП. Для переключения передач нижний конец рычага сдвигается в поперечном направлении и останавливается в углублении втулки соответствующей вилки (штока). Продольное движение нижнего конца рычага (вперед — назад) обеспечивает выбор требуемой передачи и её включение. Установка рычага в углубления втулок боковых вилок 5 и 6 (левой и правой) обеспечивается упором нижнего плеча рычага в боковые стенки втулок. Фиксация нижнего конца рычага в углублении втулки средней вилки 7 в основном обеспечивается с помощью подпружиненного упора 12. Упор ограничивает свободное поперечное качание рычага в пределах углублений двух оставшихся втулок.

Выбор передачи в этом случае сводится к перемещению нижнего конца рычага вперед — назад или к перемещению в поперечном направлении до упора в боковую поверхность втулки и продольному перемещению вперед — назад. Для введения рычага в зацепление с третьей втулкой необходимо за счет дополнительного усилия, приложенного к рычагу, преодолеть сопротивление пружины. Для предотвращения одновременного включения двух передач механизм переключения оснащается специальным устройством, получившим название «замковый или блокирующий» механизм (рис. 11, 6). Замковый механизм состоит из двух плунжеров 10 и штифта 13, уста­новленного между плунжерами в отверстии среднего штока 7.

При нейтральном положении коробки передач (все передачи выключены) оси цилиндрических выемок 3 (рис. 11, 6) на штоках и оси плунжеров 1О и штифта 13 совпадают. Расстояние между точками цилиндрических выемок, лежащих на общей оси крайних штоков, больше расстояния между наружными точками сферических выступов плунжеров, лежащих на той же оси, на величину расстояния между образующей цилиндра штока и углублением выемки в тело штока (глубина выемки).

При перемещении любого крайнего штока из нейтрального положения соответствующий плунжер механизма перемещается вдоль оси, сдвигает штифт 13 и противоположный плунжер . В результате сферическая поверхность плунжера упирается в цилиндрическую поверхность передвигаемого штока, а сферическая поверхность другого плунжера в выемку неподвижного штока. Таким образом, перемещение среднего штока становится невозможным вследствие смещения штифта и его упора в направляющую штоков, а перемещение крайнего штифта блокируется плунжером.

Для исключения самопроизвольного выключения передачи в механизмах переключения применяются специальные устройства — фиксаторы, обеспечивающие удержание штока вместе с вилкой в положении включенной (или) выключенной передачи. Фиксатор (рис. 12), состоит из шарика J и пружины 2.

Рис. 12. Фиксатор штока

При выключенной передаче шарик J упирается в одну из цилиндрических выемок 4 или 3 штока 5 и фиксирует его.

В тех случаях, когда конструкция КП и компоновочная схема автомобиля не позволяют установить рычаг переключения передач непосредственно в механизме переключения, передача движения от рычага на штоки КП обеспечивается за счет кинематических механизмов различной сложности, получивших название дистанционный привод механизма переключения передач.

Наиболее распространенные принципиальные схемы дистанционных приводов (рис. 13) отличаются степенью разделения в приводе избирательных и исполнительных движений, производимых при переключении передач. Кинематический механизм приводов состоит из многих звеньев, совершающих колебательные и возвратно-поступательные движения.

Соединения звеньев должны обладать несколькими степенями подвижности. Подвижные (вращающиеся и скользящие) звенья для снижения усилий устанавливаются с зазорами, которые могут компенсироваться с помощью воздействия на звенья подпружиненными шариками или другими устройствами . Необходимо учитывать, что усилия в звеньях, передающих исполнительное движение, существенно больше, чем в звеньях, осуществляющих избирательное движение, поэтому при компенсации зазоров в звеньях исполнительного движения необходимо учитывать упругость всех конструктивных элементов.

Рис. 13. Основные схемы дистанционных приводов

7. Автоматические ступенчатые механические коробки передач

Ступенчатые механические КП устанавливаются на автомобили более ста лет, они конструктивно и технологически совершенны, поэтому понятен интерес к созданию для них автоматических систем управления. Автоматическое управление механическими ступенчатыми КП осуществляется с помощью современных электронных и исполнительных устройств. Одна из первых конструкций автоматических коробок передач — Sequential М Gearbox (SMG) была разработана компанией ВМW. Эта коробка передач имеет шесть передач для движения вперед и может работать в двух независимых, управляемых сервомеханизмами режимах.

В первом, экономичном режиме, коробка передач работает полностью автоматически, как и любая другая автоматическая коробка. Этот режим включается каждый раз, когда включается зажигание. Второй — спортивный режим, который выбирает сам водитель, дает возможность автоматически переключать передачи вверх — вниз (система Тiptronic). Для переключения передач используются гидравлические исполнительные механизмы, обеспечивающие при разгоне автомобиля время переключения передач не более 0,08 с.

Электронный блок управления коробкой передач контролирует не только исполнительные устройства, но и управляет работой двигателя, обеспечивая изменение режима его работы при переключении на низшие передачи. При снижении скорости до 15 км/ч автоматически включается вторая передача, а при полной остановке первая. В качестве исполнительных устройств механизма переключения передач на небольших автомобилях могут использоваться шаговые электродвигатели. КП в этом случае получается легкой и компактной, но переключение передач осуществляется медленнее, чем в коробках передач с гидравлическим управлением.

Управление трансмиссией грузовых автомобилей, в особенности коробками передач магистральных тягачей с большим числом передач, всегда требовало большого умения от водителя. Неслучайно, что автоматизация коснулась и таких коробок. Большинство производителей грузовых автомобилей предлагают в качестве вариантов автоматические и полуавтоматические коробки передач.

В некоторых случаях может использоваться КП с двумя сцеплениями и параллельными валами. Впервые такая КП была установлена на гоночном автомобиле Audi Quattro в 1978 году. В коробках передач такой конструкции переключение передач при разгоне происходит без разрыва потока мощности. Крутящий момент от двухмассового маховика двигателя (рис. 14) передается на многодисковые сцепления 7 и 8, связанные с ведущими валами 9 и 10. Параллельно ведущим валам расположены два ведомых вала 11 и 12.

Рис. 14. Принципиальная схема коробки передач с двумя сцеплениями

С ведущим валом 9 жестко связаны ведущие шестерни нечетных передач (1, 3, 5 и передача заднего хода R), а с ведущим валом 10 ведущие шестерни четных передач (2, 4, 6). Шестерни ведомых валов свободно вращаются и могут жестко соединяться с валами с помощью муфт синхронизаторов. Управление сцеплениями и перемещением муфт осуществляется посредством гидравлических исполнительных устройств. Необходимое давление в гидравлической системе создается электрическим гидронасосом. Управляет работой коробки передач электронный блок управления, который получает информацию от десяти датчиков, расположенных в коробке, и связан высокоскоростной шиной с электронным блоком управления двигателем.

При трогании автомобиля с места электронный блок дает команду, включая первую передачу, а затем первое сцепление, после чего крутящий момент передается на ведомый вал КП, который через ведущую шестерню приводит во вращение ведущую шестерню главной передачи. При достижении соответствующей скорости и за счет простого переключения сцеплений на параллельном ведомом валу включается вторая передача. Переход на последующие передачи происходит аналогично, без разрыва потока мощности, неизбежного в простых механических коробках передач.