2. Схемы и работа коробок передач

Принципиальные кинематические схемы КП с неподвижными осями валов рассмотрим на примере КП, где переключение передач выполняется с помощью подвижных кареток.

Простейшая схема двухвальной КП (рис. 4.2,а) с разрывом потока мощности при переключении передач, состоит из первичного вала 1 и вторичного 8.  К валу 1 мощность от двигателя подводится обычно через ФС, а выходной конец вала 8  может иметь ведущую коническую или цилиндрическую шестерню 7 главной (центральной) передачи.  На шлицах первичного вала 1 установлены подвижные двухвенцовая каретка 2 для получения второй (влево по стрелке) и третьей (вправо по стрелке) передачи и одновенцовая каретка 4 для получения первой (влево по стрелке)  передачи и заднего хода (вправо по стрелке). Правый выступающий шлицевой хвостовик г первичного вала 1 (в тракторных КП) может быть приводом зависимого ВОМ. На вторичном валу 8 неподвижно установлены ведомые шестерни передач переднего хода:  первой 10, третьей 11 и второй 12, в зацепление с которыми вводятся зубчатые венцы кареток для получения необходимой передачи, и ведомая шестерня 9 заднего хода.             Перемещение кареток по шлицам первичного вала 1 осуществляется отдельной рычажно-тяговой системой ручного управления КП, которая позволяет фиксировать в зацеплении только одну пару шестерен, обеспечивающую необходимое передаточное число. 

Шестерни и валы размещаются внутри картера 3 КП, в отверстиях стенок и перегородок которого установлены соответствующие подшипники опор валов или дополнительных осей. В отечественных тракторах в основном применяются литые чугунные картеры КП. В автомобилях и зарубежных конструкциях тракторов широко применяются также более легкие алюминиевые сплавы.

Для получения передачи заднего хода между валами КП вводят дополнительную шестеренную передачу, изменяющую направление вращения ее вторичного вала при неизменном вращении первичного

а)

б)

в)

Рис. 4.2. Принципиальные кинематические схемы КП: а – двухвальной; б – трехвальной; в - трехвальной с поперечными валами; 1 – первичный вал; 2, 4, 16 – каретки; 3 – картер; 5, 9 -14 – шестерни КП; 6 – ось; 7, 19 – ведущая и ведомая шестерни центральной (главной) передачи; 8 – вторичный вал; 15 – зубчатая муфта; 17 – промежуточный вал; 18 – под шипник; 20 – корпус дифференциала; 21 – зубчатый венец

В данной кинематической схеме двухвальной КП показано практически минимальное число передач - три вперед и одна - назад. На практике число передач не превышает шести, так как при их увеличении возрастает длина валов и их прогиб при передаче крутящего момента. Это ведет к нарушению зацепления шестерен и ухудшению работы подшипниковых узлов, а в итоге - к снижению долговечности КП. 

Смазывание трущихся деталей данной КП осуществляется маслом, заливаемым в ее картер и последующим его разбрызгиванием венцами вращающихся ведомых шестерен при движении автомобиля или трактора. Для смазывания деталей КП при стационарной работе МТА, когда вторичный вал неподвижен, в ряде конструкций применяют специальные маслоразбрызгивающие шестерни, кинематически связанные с первичным валом. Один из этих вариантов показан на приводимой схеме КП, где свободно вращающаяся на валу 8 ведомая маслоразбрызгивающая шестерня 13 имеет постоянный привод от ведущей шестерни 14 первичного вала 1.

 Достоинствами двухвальных КП являются: конструктивная простота и высокий механический КПД, так как при передаче мощности в зацеплении участвует только  одна пара шестерен. Недостатками - невозможность получения более 5-6 передач переднего хода, вследствие повышенного прогиба валов, и малый диапазон передаточных чисел. 

Двухвальные КП применяют в переднеприводных и заднеприводных (с задним расположением двигателя) легковых автомобилях. Конструктивно они объединены в одном блоке с двигателем, сцеплением, центральной (главной) передачей и дифференциалом. При этом они выполняются с шестернями постоянного зацепления (см. рис. 4.1,в и 4.1,г).

На тракторах двухвальные КП в качестве самостоятельного агрегата имеют ограниченное применение, но их часто используют как один из элементов составной КП с шестернями постоянного зацепления (см. рис. 4.1,б - г).

Простейшая  схема трехвальной КП (рис. 4.2,б) с разрывом потока мощности при их переключении и с продольным расположением валов состоит из соосно  расположенных  первичного 1 и вторичного 8 валов и промежуточного вала 17. Валы 1 и 17 соединены парой цилиндрических  шестерен постоянного зацепления - ведущей 12 и ведомой 11, образующих передаточное число первой ступени КП. На конце вторичного вала 8 в тракторных КП обычно установлена или выполнена за одно с ним ведущая коническая шестерня 7 главной (центральной) передачи.

На промежуточном валу 17 жестко закреплены ведущие шестерни 10 переднего хода. В зацепление с ними входят зубчатые венцы ведомых кареток вторичного  вала 8, образуя тем самым передаточные числа второй ступени данной КП. На промежуточном валу 17 закреплена и ведущая шестерня 9 передачи заднего хода,  находящаяся в постоянном зацеплении с одновенцовой “паразитной” шестерней 5.

На шлицах вторичного вала 8 установлены типовые одновенцовая 16 и двухвенцовая 4 каретки и комбинированная одновенцовая каретка 2 с зубчатой блокировочной полумуфтой 15. Последняя при перемещении каретки 2 влево входит в зацепление с зубчатой полумуфтой в торце первичного вала 1, образуя тем самым прямую передачу мощности от вала 1 к валу 8. Передний подшипник 18 (обычно роликовый) вторичного вала 8 установлен в расточке торца первичного вала 1 и нагружен только радиальными силами. Остальные опоры валов установлены в отверстиях стенок или специальных перегородок картера 3 аналогично креплению валов двухвальной КП. В некоторых конструкциях тракторных трехвальных КП с целью устранения консольного крепления шестерни 12 и облегчения работы переднего подшипника 18 вала 8 исключают прямую передачу и выполняют отдельные опоры конца вала 1 и начала вала 8, тем более что на тракторах прямая передача не относится к основному (рабочему) их диапазону.

В данной кинематической схеме трехвальной КП можно получить пять передач (включая прямую) переднего хода и одну заднего.

Смазывание деталей КП производится разбрызгиванием масла, залитого в ее картер, шестернями промежуточного вала 17, который всегда вращается при работающем двигателе и включенном ФС. Шлицевой хвостовик г промежуточного вала 17 может использоваться в тракторных КП как привод зависимого ВОМ.

Трехвальные КП наибольшее распространение получили на легковых, грузовых автомобилях и автобусах. На тракторах такие КП чаще применяют в качестве одного из элементов составной КП. Простейшая схема трехвальной КП с попереч ным расположением валов , полным реверсированием всех передач и конструктивной компоновкой в общем корпусе заднего моста трактора, представлена на рис. 4.2,в. Такие КП применяют только на тракторах.

Наиболее интересным элементом схемы является механизм реверса передач, позволяющий промежуточному валу 17 вращаться в разные стороны при постоянном направлении вращения первичного вала 1. Он состоит из ведущей конической шестерни 12, находящейся в постоянном зацеплении с двумя одинаковыми ведомыми коническими шестернями 11 и 13, свободно установленными на валу 17 и вращающимися в противоположные стороны. На ступицах этих шестерен имеются зубчатые венцы, аналогичные зубчатому венцу 21 вала 17, на котором установлена подвижная зубчатая муфта 15, блокирующая вал  с любой из вышеуказанных шестерен. На схеме показано положение муфты 15 для движения трактора вперед. При замыкании вала 6 с шестерней 13 трактор будет двигаться назад. Перемещение муфты 15 производится отдельным рычагом управления реверсом.

Соединение одновенцовой 2 и двухвенцовой 4 кареток с ведомыми шестернями 10  вторичного вала 17  аналогично рассмотренному выше.

В аналогичных КП с полным реверсированием всех передач переднего хода иногда, как показано на схеме, выполняется одна отдельная передача заднего хода. Она осуществляется перемещением каретки 2 в зацепление с “паразитной” шестерней 5, находящейся в постоянном зацеплении с ведомой шестерней 9 заднего хода на вторичном валу 8. Применение данной передачи объясняется удобством управления КП одним рычагом для передач как переднего хода, так и заднего. При полностью реверсивной КП без дополнительной задней передачи для получения заднего хода трактористу приходиться одновременно манипулировать двумя рычагами управления - реверса и КП, что вызывает определенное неудобство. 

Компоновка поперечно расположенных валов 17 и 8 в общем корпусе 3 трансмиссии облегчает выполнение центральной (главной) передачи цилиндрическими шестернями - ведущей 7 и ведомой 19, установленной на корпусе дифференциала 20. Шлицевый хвостовик г  вторичного вала 8 может быть боковым приводом синхронного ВОМ.

Смазывание деталей КП производится разбрызгиванием масла, находящегося в корпусе.

Подобного типа  КП  применяются  на легких колесных универсальных тракторах, которые по характеру работы должны иметь возможность длительное время и при разных тяговых нагрузках двигаться задним ходом.

Достоинствами трехвальных КП являются: значительно больший чем у двухвальных диапазон передаточных чисел, так как на основных рабочих передачах всегда участвуют две пары шестерен; высокий КПД на прямой (транспортной) передаче и отсутствие необходимости в маслоразбрызгивающей паре шестерен. Недостатками - более низкий КПД на всех передачах кроме прямой, так как в зацеплении находятся одновременно две пары шестерен, вместо одной у двухвальной; невозможность получения более 5-6 передач переднего хода, ввиду повышенного прогиба валов; повышенный износ подшипника передней опоры вторичного вала, расположенного в расточке торца первичного вала при работе автомобиля или трактора на всех передачах, кроме прямой. При включенной прямой передачи указанный подшипник не вращается. Поскольку на этой транспортной пере-

даче трактор работает, как правило, не более 12…15% всего времени его эксплуатации, то такие схемы КП в настоящее время на тракторах не применяют.

Элементарные кинематические схемы составных КП и компоновки их основных узлов представлены на рис. 4.3. На рис. 4.3,а приведена схема КП, состоящая из входной двухступенчатой коробки А, выполненной по трехвальной схеме, и основной коробки Б, выполненной по двухвальной схеме с тремя передачами вперед и одной назад. В данной схеме вторичный вал 1 коробки А, является передним концом первичного вала коробки Б, а соответствующие вторичный вал 2 коробки Б и промежуточный вал 3 коробки А имеют опоры в стенках корпусов.
В данной схеме можно получить шесть передач вперед и две назад.

Рис. 4.3. Кинематические схемы составных КП:

1-3 – валы КП; 4, 6 – 9, 11 – шестерни;  5 – картер; 10 – фрикционные муфты; 

12 – зубчатые муфты

На рис. 4.3,б приведена схема составной КП, выполненной в одном общем картере 5, с использованием трех параллельных валов: первичного 1, промежуточного 2 и вторичного 3. Валы 1 и 2 представляют собой входную двухвальную коробку диапазонов передач с шестернями постоянного зацепления, блокируемых посредством зубчатых подвижных муфт 12. Шестерни 4 и 11 обеспечивают получение трех передач переднего хода, а шестерни 6, 7 и 8 - заднего. Валы 2 и 3 также представляют собой двухвальную четырехступенчатую КП с шестернями 9 постоянного зацепления, которые блокируются с валом 3 посредством многодисковых фрикционных муфт 10 с гидронажимным механизмом. Следовательно, в данной схеме составной КП можно получить двенадцать передач переднего хода и четыре заднего. При этом внутри установленного диапазона переключение передач осуществляется  без остановки машины. 

Составные КП применяют на тракторах, автомобилях повышенной грузоподъемности и автомобилях-тягачах, что обеспечивает при минимальных габаритах получение большого числа передач и диапазона изменения их передаточных чисел. 

В настоящее время на современных легковых автомобилях стали применять составные КП с двумя фрикционными муфтами.

В качестве примера на рис. 4.4 приведена схема составной КП DSG (Direct Shift Gearbox).

Представленная схема КП является преселекторной, так как для включения какой-либо передачи необходимо последовательно выполнить два управляющих воздействия на органы ее управления. С точки зрения принципа управления данная КП является секвентальной, так как здесь можно включать только соседнюю повышенную или пониженную передачу и нельзя перескочить через одну или более передач. 

Она состоит из двух параллельных КП.

Первая КП состоит из первичного вала 1, двух вторичных валов 3 и 4 и промежуточного вала 5. Она обеспечивает с помощью синхронизаторов С₁, С₃, С₅ и С_ЗХ включение соответственно 1, 3, 5 передачи и передачи заднего хода. При включении 1 и 3 передачи крутящий момент с первичного вала 1 КП передается на вторичный вал 4 и далее через ведущую шестерню 7 центральной (главной) передачи на ее ведомую шестерню 8. При включении 5 передачи крутящий момент с первичного вала 1 передается на вторичный вал 3 и далее через вторую ведущую шестерню 6 центральной (главной) передачи на ее ведомую шестерню 8. Включение передачи заднего хода осуществляется синхронизатором С_ЗХ. Здесь крутящий момент с первичного вала 1 КП на вторичный вал 3 передается через промежуточный вал 5. Для получения указанных передач связь между валом двигателя и КП осуществляется фрикционной муфтой М₁. Таким образом, данная КП предназначена для включения всех нечетных передач и передачи заднего хода.

Вторая КП состоит из первичного вала 2 и двух вторичных валов 3 и 4. Она предназначена для включения с помощью синхронизаторов С₂, С₄ и С₆  соответственно 2, 4 и 6 передач (всех четных передач). Здесь связь между валом двигателя и КП осуществляется фрикционной муфтой М2.

Рис. 4.4. Кинематическая схема коробки передач DSG:

1, 2 – первичные валы; 3, 4 – вторичные валы; 5 – промежуточный вал; 6, 7 – ведущие шестерни центральной (главной) передачи; 8 – ведомая шестерня центральной 

(главной) передачи; М₁, М₂ - фрикционные муфты; С₁ – С₆ и С_ЗХ – синхронизаторы включения соответственно 1 – 6 передач и передачи заднего хода

Управление процессом переключения передач в данной КП выполняется с помощью бортового компьютера. При стоянке автомобиля фрикционные муфты М₁ и М₂ и синхронизаторы С₁ – С₆  и С_ЗХ выключены. Для начала его трогания с места синхронизатором С₁ включают 1 передачу  и после этого включают фрикционную муфту М₁. В результате происходит трогание с места и разгон автомобиля на 1 передаче. При достижении точки переключения передачи, основываясь на данных о динамике разгона автомобиля, компьютер принимает решение о включении 2 передачи. В результате этого происходит включение синхронизатора С₂ и разгон ведомых деталей фрикционной муфты М₂. После выравнивания угловых скоростей синхронизируемых деталей трансмиссии начинается процесс включения фрикционной муфты М₂ и одновременного выключения муфты М₁. Обе муфты буксуют с перекрытием без разрыва потока мощности, поэтому ощутимого снижения скорости движения автомобиля не происходит. После выключения фрикционной муфты М₁ синхронизатор С₁ также выключается. Автомобиль продолжает разгон уже на 2 передаче и когда скорость движения автомобиля достигает очередной точки переключения передачи, то происходит включение 3 передачи. Последующие переключения передач происходят по той же схеме. 

Аналогичные процессы происходят и при снижении скорости автомобиля, когда включается более низкая передача. При нажатии на педаль тормоза обе муфты М₁ и М₂ выключаются, но бортовой компьютер продолжает отслеживать скорость движения автомобиля и соответственно с ней выбирать нужную передачу в КП (включается соответствующий синхронизатор).

Таким образом, составные КП с двумя параллельными КП является перспективными для применения в трансмиссиях автомобилей и тракторов, так как позволяют существенно уменьшить число фрикционных элементов управления, а, следовательно, повысить КПД КП, обеспечивая при этом процесс переключения без разрыва потока мощности с различной степенью перекрытия передач. При этом значительно снижается стоимость КП.

Принципиальные кинематические схемы планетарных КП (ПКП). ПКП представляет собой соединение нескольких планетарных рядов, различное сочетание которых обеспечивает получение необходимого диапазона передаточных чисел и числа передач. Включение передач в ПКП достигается торможением или блокировкой отдельных ее звеньев. 

Планетарный ряд состоит из двух центральных соосных шестерен разных диаметров, сателлитов, находящихся в постоянном зацеплении с ними и водила - держателя осей сателлитов, ось вращения которого совпадает с центральной осью. 

Управляются ПКП остановочными ленточными или многодисковыми фрикционными тормозами и блокировочными многодисковыми фрикционными муфтами, как правило, c гидравлическим поджатием. Переключение передач в большинстве случаев производится без остановки машины, что в ряде случаев исключает необходимость применения в ней ФС. Подобная система управления ПКП позволяет ее относительно легко  автоматизировать. 

ПКП по сравнению с КП с неподвижными осями валов отличаются более высоким КПД, меньшими габаритными размерами и массой, удобством управления, однако они сложнее в изготовлении и в эксплуатации, их стоимость выше. 

РазличаютПКП с двумя ис тремя степенями свободы.

На рис. 4.5,а представлена схема ПКП с двумя степе нями свободы . Здесь для включения передачи необходимо воздействовать на один элемент управления (включить один тормоз Т или один фрикцион Ф). Для включения первой или второй передачи переднего хода необходимо соответственно включить тормоз Т₁ или Т₂. Третья (прямая) передача включается блокировочным фрикционом Ф₃, который блокирует все звенья ПКП (звенья ПКП вращаются как одно целое). Первая и вторая передачи заднего хода получаются соответственно включением тормоза Т_-1 и Т_-2. В данной схеме для получения пяти передач (трех переднего хода и двух заднего) используются четыре планетарных ряда и пять элементов управления (четыре тормоза и один фрикцион).

Изображенная на рис. 4.5,б схема ПКП с тремя степенями свободы, содержит два планетарных ряда и четыре элемента управления и обеспечивает получение трех передач переднего хода и одной заднего. Здесь для включения какой - либо передачи необходимо воздействовать сразу на два элемента управления, указанные знаком “+” в табл. 4.1

 

Рис. 4.5. Схемы планетарных КП:

а – с двумя степенями свободы; б -  с тремя степенями свободы; 1 – солнечная шестерня; 2 – сателлит; 3 – водило; 4 – эпициклическая шестерня

4.1. Включение элементов управления в ПКП

Передача		Включаемые элементы
	Т1	Т2	Ф1	Ф2
I	-	-	+	+
II	-	+	-	+
III	+	-	-	+
ЗХ	+	-	+	-