Содержание страницы
Современные автомобили, особенно те, что используются в специализированных отраслях — строительстве, сельском хозяйстве, коммунальном и военном транспорте — всё чаще оснащаются сложными трансмиссионными системами, включающими дополнительные, раздаточные коробки передач и коробки отбора мощности. Эти элементы существенно расширяют возможности транспортного средства, позволяя ему выполнять не только функции передвижения, но и работать в качестве мобильной энергетической установки, приводящей в действие самые разнообразные исполнительные механизмы.
В данной статье подробно рассмотрены три ключевых элемента трансмиссии, обеспечивающие универсальность и адаптивность автомобиля в условиях реальной эксплуатации: дополнительные коробки передач, раздаточные коробки и коробки отбора мощности (КОМ). Разобраны их конструкции, принципы работы и особенности применения в различных типах транспортных средств.
Первое использование дополнительных коробок передач восходит к началу XX века, когда инженеры стремились увеличить передаточное число для преодоления бездорожья и крутых подъемов. Это особенно актуализировалось в период активного развития военной техники, где надежность и тяговое усилие играли решающую роль.
Раздаточные коробки начали активно применяться с развитием полноприводных автомобилей. Одним из первых автомобилей с полноценной раздаточной коробкой считается американский Jeep Willys MB, массово использовавшийся в годы Второй мировой войны. Эта конструкция стала прообразом всех современных внедорожников и армейских вездеходов.
Коробки отбора мощности, в свою очередь, появились как решение для мобильного привода оборудования: насосов, генераторов, лебедок и т.д. Их развитие шло параллельно с развитием коммунальной, пожарной и строительной техники. Уже в 1950-х годах они стали неотъемлемой частью грузовиков и спецмашин по всему миру.
1. Дополнительные коробки передач
На транспортных средствах, оснащённых силовыми установками с невысокой удельной мощностью, для повышения динамических и экономических характеристик на разных режимах движения устанавливаются многоступенчатые коробки передач — как правило, с числом ступеней, превышающим 5–6.
Одним из способов повышения количества передач в трансмиссии, а также уменьшения расстояния между осями валов и увеличения их общей жёсткости, является применение дополнительных коробок передач (ДК). Конструктивно они чаще всего выполняются двухступенчатыми.
Благодаря установке ДК возможно значительное расширение общего диапазона передаточных чисел трансмиссии. По сути, они удваивают количество доступных передач, что особенно важно для автомобилей, работающих в тяжёлых условиях. Передаточный диапазон при этом условно делится на два ряда, выбор которых зависит от текущей ступени в ДК.
Существует два базовых способа разбиения передаточного диапазона на ряды, что обуславливает конструктивные отличия как самих дополнительных коробок, так и их взаимодействия с основной трансмиссией.
Одним из распространённых типов ДК является делитель — устройство, оснащённое, помимо прямой передачи (передаточное число 1), также и понижающей передачей с коэффициентом 1,2–1,3. Пример конструкции делителя представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема делителя
Делитель позволяет получить передаточные числа, изменяющиеся по закону геометрической прогрессии. Это достигается за счёт того, что передача в делителе может быть включена на каждой ступени основной коробки передач. Такая реализация требует высокой точности при управлении переключением.
Картер делителя 9 жёстко присоединяется к передней части картера 14 КП. Внутри размещается вал 8, опирающийся на два шариковых подшипника: левый — в маховике двигателя (на схеме не показан), правый — в картере делителя. Ведомый диск сцепления закрепляется на валу 8 с помощью подвижного шлицевого соединения.
Шестерня 1 вращается свободно и может быть зафиксирована муфтой 2, жёстко связанной с валом 8. Муфта может перемещаться в обе стороны: вправо — для включения прямой передачи, влево — для понижающей. В случае включения прямой передачи вал 8 и первичный вал КП 12 соединяются напрямую, и крутящий момент передаётся на промежуточный вал 13 через шестерни 4 и 5.
Переход на пониженную передачу реализуется перемещением муфты влево, блокируя шестерню 1 на валу 8. Крутящий момент далее поступает через шестерню 6 и вал 11 делителя, а затем по зубчатой муфте 7 на промежуточный вал 13 основной КП.
На рис. 2 представлена одна из конструктивных реализаций делителя.
Рис. 2. Конструкция делителя
На ведущем валу 8 свободно установлена шестерня 1. Шестерня 4 закреплена на первичном валу КП, который, в свою очередь, соединён с шестернёй 3. Муфта 3 с синхронизатором монтируется на шлицевой ступице 2. Понижающая передача обеспечивается жёстко закреплённой на валу 11 шестернёй 6. Муфта 7 передаёт крутящий момент на промежуточный вал КП 13. При этом 4 и 5 — шестерни постоянного зацепления. Общая схема соответствует рис. 1.
Однако у переднего расположения делителя имеется значимый недостаток — невозможность реализации понижающей передачи с большим передаточным числом. При его увеличении резко возрастает нагрузка на валы основной коробки, что требует усиления конструкции и увеличения её размеров. Для решения этой задачи используется другой тип дополнительной коробки — демультипликатор.
Демультипликатор — это устройство с передаточным числом, превышающим коэффициент первой передачи основной коробки передач. Такие конструкции широко применяются на тяжёлых грузовиках. Преимущество заключается в том, что можно уменьшить габариты и массу основной КП, поскольку её минимально возможное передаточное число снижается.
На рис. 3 представлена схема демультипликатора, корпус 13 которого крепится к основной коробке.
Рис. 3. Схема демультипликатора
Чтобы снизить размеры демультипликатора, которые зависят от передаваемого крутящего момента на пониженной передаче, в его конструкции часто используется планетарный редуктор. Солнечная шестерня 11 устанавливается на ведомом валу 10 основной коробки, а водило 14 связано с выходным валом демультипликатора 15, на котором закреплена шестерня 16.
Муфта 17, установленная на ступице 19 коронной шестерни 12, перемещается вправо — в этом случае она зацепляется с шестернёй 16. Все элементы планетарного механизма начинают вращаться синхронно, обеспечивая прямую передачу. Если муфту переместить влево, она входит в зацепление с неподвижным венцом 18. Коронная шестерня 12 блокируется, и крутящий момент через сателлиты передаётся от шестерни 11 к водилу 14 и далее — на вал 15, включая пониженную передачу.
2. Раздаточные коробки
Раздаточные коробки (РК) являются важнейшими элементами трансмиссий полноприводных и многоприводных автомобилей. Основной их функцией является перераспределение крутящего момента между ведущими мостами. Особенно это актуально для транспортных средств повышенной проходимости, где требуется не только высокая тяга, но и эффективная реализация больших крутящих моментов на колесах. Такие коробки, помимо своей распределительной функции, способны увеличивать подводимый момент на ведущие оси.
Независимо от конкретной схемы исполнения, все типы РК должны соответствовать ряду основных технических требований:
- обеспечение оптимального распределения крутящего момента между мостами, что напрямую влияет на проходимость транспортного средства, особенно при различной нагрузке на оси;
- наличие значительного передаточного числа, которое необходимо для преодоления сложных участков пути с высоким сопротивлением движению, а также высокий КПД, обеспечивающий эффективность работы трансмиссии.
Дополнительно могут предъявляться требования по защите узлов трансмиссии от перегрузок, снижению уровня шума, повышению надежности и ресурса агрегатов.
По принципу передачи момента, раздаточные коробки делятся на два основных типа: блокированные (жесткая механическая связь между выходными валами) и дифференциальные (соединение через межосевой дифференциал). Также существуют более сложные конструкции, в том числе с тремя выходными валами, используемые при параллельной работе нескольких ведущих мостов, как, например, в тяжелых грузовых автомобилях.
Включение тех или иных режимов работы РК может осуществляться как вручную, так и с применением автоматических механизмов.
Блокированная схема отличается простой конструкцией и высокой надежностью в условиях бездорожья. Ведущие колеса получают равные крутящие моменты, и даже если одно из колес буксует, остальные способны эффективно реализовывать тягу. Это обеспечивает суммарную максимальную тяговую силу на всех мостах.
Однако при движении по дорогам с твердым покрытием такая схема имеет недостатки. Из-за невозможности компенсировать разницу в угловых скоростях колес возникает так называемая циркуляция мощности. Это ведет к перегрузке элементов трансмиссии, увеличенному износу шин, снижению КПД и вероятности поломок. Поэтому в РК с жесткой блокировкой обязательно реализуются механизмы отключения привода одного или нескольких мостов при движении по шоссе.
Дифференциальная схема позволяет избежать этих проблем. Она способствует улучшенной управляемости автомобиля, снижает внутренние потери на деформацию шин и обеспечивает равномерное распределение тяги между мостами. Главный недостаток заключается в том, что суммарная тяга уменьшается при снижении коэффициента сцепления на одном из мостов.
В данной схеме момент на мосты передается пропорционально сцеплению колес: мост с худшим сцеплением ограничивает общий момент. Чтобы компенсировать это, в конструкцию РК внедряется возможность блокировки межосевого дифференциала, что временно переводит дифференциальный режим в блокированный.
На рис. 4 представлена схема РК с промежуточным валом и блокированной передачей заднего моста от верхнего вала.
Рис. 4. РК с промежуточным валом и блокированным приводом
Ведущий вал 2 напрямую соединен с выходным валом КПП и опирается на подшипник 5, установленный в валу 7. Приводы переднего (11) и заднего (7) мостов соединяются с карданными передачами посредством фланцев 13 и 8 соответственно. На промежуточном валу 9 расположены шестерни пониженной (1) и высшей (10) передач, установленные через шлицевые соединения: шестерня 1 — неподвижна, шестерня 10 — может перемещаться вдоль оси.
При нейтральной позиции РК все валы (2, 6, 11) вращаются независимо друг от друга.
Задний мост включается путем перемещения шестерни 3 вправо по шлицам вала 2 до зацепления с шестерней 4 вала 7. Так происходит жесткая сцепка между валами 2 и 7.
Передний мост может быть подключен только после включения заднего. В этом случае шестерня 10 перемещается вправо, соединяясь одновременно с шестернями 4 и 12, ведущими к валу 11.
Пониженная передача может быть активирована лишь при подключенных обоих мостах. Шестерня 10 остается в зацеплении с шестернями 4 и 12, а шестерня 3 смещается влево и входит в зацепление с шестерней 1. Поток момента идет от вала 2 на вал 9 через шестерню 1, далее на шестерню 10 и передается на мосты через соответствующие валы и шестерни.
Для исключения ошибок при переключении передач и предотвращения аварийных ситуаций в РК применяется специальный механизм блокировки, изображенный на рис. 5.
Рис. 5. Механизм блокировки
Шток 14 перемещает шестерню 3, фиксируясь в одном из трех положений за счет выемок 20, 21 и 22. Более глубокая выемка 21 соответствует нейтральному положению. Шток 17 управляет шестерней 10 и фиксируется в выемках 18 и 19. Их фиксация обеспечивается подпружиненными плунжерами 15 и 16.
Специальное конструктивное исполнение обеспечивает невозможность включения пониженной передачи при отключенном переднем мосте и наоборот, исключая тем самым повреждение трансмиссии из-за некорректного переключения.
Далее, на рис. 6 показана РК с промежуточным валом и дифференциальным приводом мостов. Такая конфигурация приводит к удлинению корпуса коробки и снижению жесткости валов, однако позволяет реализовать более гибкое управление за счет использования зубчатых муфт.
Рис. 6. РК с промежуточным валом и дифференциальным приводом
При включении повышенной передачи муфта 4 смещается влево, соединяя шестерню 3 с ведущим валом 2. Крутящий момент передается через малую шестерню блока 6 на корпус дифференциала 12, затем через сателлиты 9 на полуосевые шестерни 8 и 11, далее — на полуоси 7 и 14.
Для блокировки дифференциала используется муфта 13, которая соединяет корпус 12 с полуосью 14. Таким образом, вращение передается одновременно на обе полуоси без проскальзывания.
Пониженная передача активируется перемещением муфты 4 вправо. В этом случае используется шестерня 5, связанная с большой шестерней блока 6, далее момент передается на корпус 12, сателлиты 9 и полуосевые шестерни.
Управление осуществляется через один или два рычага, перемещаемых в строго определенной последовательности.
3. Коробки отбора мощности
Коробки отбора мощности (КОМ) служат для передачи энергии от двигателя автомобиля к дополнительным рабочим агрегатам, установленным на шасси. Они обеспечивают привод таких устройств, как вакуумные насосы, гидравлические установки для подъема кузова самосвалов, компрессоры, лебедки, центробежные насосы, используемые в цистернах, и многие другие исполнительные механизмы.
КОМ монтируется на специально предусмотренные посадочные поверхности коробки передач или раздаточной коробки автомобиля. Конструктивно она представляет собой редуктор с одним или двумя ступенями передачи, снабженный валом отбора мощности (ВОМ). На рис. 7 представлена двухступенчатая КОМ, включающая два ряда шестерен, передающих вращательное движение от ведущего вала к ведомому, обеспечивая таким образом рабочий цикл агрегатов.
Рис. 7. Схема коробки отбора мощности
За счёт возможности выбора различного передаточного отношения, КОМ позволяет изменять скорость вращения выходного вала, а также величину передаваемого крутящего момента. Благодаря этому такие устройства считаются универсальными и применимыми для разных задач, зависящих от характера и мощности дополнительного оборудования.
КОМ устанавливается непосредственно на корпус основной коробки передач. Шестерня 4, закреплённая неподвижно на ведущем валу 1, находится в постоянном зацеплении с зубчатым колесом, которое соответствует 3-й передаче промежуточного вала КП. Крутящий момент, переданный от шестерни 4, далее поступает на промежуточный вал 2.
Ведомый вал 3, выполняющий функцию вала отбора мощности, снабжен шлицевой частью, на которой установлена передвижная муфта 7. Она оснащена двумя зубчатыми венцами – 8 и 9, за счёт чего возможно осуществление выбора нужной передачи путём осевого перемещения муфты.
Если выбрана пониженная передача, то передача крутящего момента осуществляется через следующую цепь: шестерня 4 → шестерня 6 → вал 2 → шестерня 5 → венец 8 → шлицевое соединение → вал отбора мощности 3. Такая схема позволяет повысить крутящий момент при пониженной скорости вращения, что важно для тяжелых или инерционных нагрузок.
При переключении на повышенную передачу, муфта 7 смещается в сторону венца 9. В этом случае крутящий момент передаётся через зацепление шестерен 4 и 6, далее — на венец 9 и через него — на вал 3. Эта конфигурация обеспечивает большую скорость вращения ВОМ при относительно меньшем крутящем моменте, что подходит для агрегатов, не требующих значительной силы, но работающих на высоких оборотах.
Таким образом, применение коробки отбора мощности значительно расширяет функциональные возможности транспортного средства, позволяя использовать его не только для перемещения, но и как энергетическую платформу для выполнения специализированных задач.
Интересные факты:
- Некоторые современные раздаточные коробки имеют возможность автоматического подключения полного привода, срабатывая при потере сцепления ведущих колес — без участия водителя.
- В сельскохозяйственной технике коробки отбора мощности могут обеспечивать разные типы вращения вала (по часовой и против часовой стрелки), что позволяет подключать различное навесное оборудование.
- На автомобилях КамАЗ, применяемых в ралли-рейде «Дакар», используются усовершенствованные КОМ, способные выдерживать экстремальные нагрузки при температурных перепадах от -40 до +50 °C.
- В некоторых многоосных вездеходах установлены не одна, а две раздаточные коробки, работающие последовательно — это повышает проходимость и управляемость на труднопроходимых участках.
- КОМ может быть не только механической, но и гидравлической или электрической, что особенно актуально для современных гибридных и электрических машин.
Заключение
Комплексное использование дополнительных, раздаточных коробок передач и коробок отбора мощности позволяет автомобилям уверенно функционировать в самых разных условиях и выполнять широкий спектр задач. Это делает их незаменимыми в сфере специальной техники, транспорта двойного назначения, а также в промышленности и строительстве.
Понимание принципов работы этих агрегатов и их грамотное применение в конструкции транспортных средств не только увеличивает их эксплуатационную эффективность, но и расширяет горизонты инженерных решений. А значит, эти механизмы — не просто вспомогательные компоненты, а ключевые звенья, формирующие лицо современной автомобильной техники.
