3. Механизм управления коробок передач

Механизмы управления КП служат для включения передачи, ее переключения в зависимости от меняющихся условий работы трактора или автомобиля и ее выключения - перевода в режим нейтральной передачи. Их конструкция зависит от метода переключения передач - с остановкой машины (с разрывом потока мощности) или без ее остановки (без разрыва или с кратковременным разрывом потока мощности). 

В первом  случае механизм управления КП служит: 

-                    для установки шестерен-кареток или жестких блокировочных муфт (при наличии шестерен постоянного зацепления) в рабочее или нейтральное положение;

-                    их фиксации от осевых перемещений; 

-                    предотвращения их самопроизвольного включения или выключения; 

-                    предотвращения одновременного включения двух передач. 

Механизм управления представляет собой механическую рычажно-тяговую систему, управляемую мускульной энергией водителя.

Во втором случае в КП установлены только шестерни постоянного зацепления, а их блокировка может осуществляться тремя способами: с использованием синхронизаторов или фрикционных многодисковых муфт с гидроподжатием (для КП с неподвижными осями валов) или аналогичных фрикционных муфт и тормозов (для ПКП). В двух последних случаях гидравлическое управление КП состоит в подаче масла под давлением в бустер необходимой муфты или тормоза и его отводе из них при их разблокировании, а также в предотвращении самопроизвольного их включения и выключения.

Принципиальные схемы механизмов управления КП рычажно-тяговой системы и отдельных ее элементов показаны на рис. 4.6. Осевое передвижение шестерен-кареток 16 или зубчатых блокировочных муфт и муфт синхронизаторов производится управляющими вилками 15, которые вводятся в кинематическую связь с рычагом 18 управления КП. Концы вилки 15, как правило, входят в кольцевую проточку М на наружной поверхности каретки 16 (или блокировочной муфты), не мешая ее вращению, но ограничивая ее осевое перемещение по валу, фиксируя тем самым включенное или нейтральное ее положение. Вилки 15 в большинстве случаев жестко связаны с цилиндрическими 14 или прямоугольными 28 (рис. 4.6,г) ползунами. На ползунах имеются специальные прямоугольные пазы Н, в которые вводится конец короткого плеча управляющего рычага 18. Внешний, более длинный и удобно расположенный к водителю конец рычага обычно имеет пластиковую головку 6. Жесткое соединение управляющей вилки 15 с цилиндрическим ползуном (рис. 4.6,е) осуществляется чаще всего посредством фиксирующего болта 29 или стяжного

фиксирующего болта 30. Болты обычно стопорятся проволокой 31. Управляющие вилки с прямоугольными ползунами обычно соединяются стыковой электросваркой.

Рис. 4.6. Принципиальные схемы механизмов управления КП:

Число внешних рычагов управления КП зависит от ее кинематической схемы, но обычно не превышает двух. В продольно расположенных двух- и трехвальных КП применяют только один рычаг. В

поперечно расположенных трехвальных КП с реверсированием передач, а также в составных и специальных,  используют два рычага: один для переключения передач в диапазоне, а другой для выбора диапазона передач в редукторе.

Наиболее распространен рычаг управления с шаровым шарниром (рис. 4.6,а), образованным шаровым утолщением 3 рычага 18 и сферическим гнездом 7 поддерживающей колонки. Штифт 8, входящий из колонки в  вертикальный  паз утолщения 3,  предотвращает осевое вращение рычага 18, но позволяет устойчивое его продольное и поперечное качание для управления ползунами. Сферический колпак 4 и пружина 5 обеспечивают плотную защиту шарового шарнира от пыли и грязи. Иногда сверху колпака устанавливают защитный гофрированный резиновый чехол для лучшей защиты внутренней полости КП от проникновения внутрь абразива и влаги.

При нейтральной передаче пазы Н ползунов 14 и 28 располагаются в одной поперечной плоскости, чтобы нижний конец рычага 18 мог свободно перемещаться из одного паза в другой при его поперечном качении. Для включения передачи необходимо боковым перемещением рычага 18 ввести его нижний конец в зацепление с необходимым ползуном. Затем, двигая рычаг 18 вперед или назад, переместить его с вилкой 15 до полного зацепления включаемой пары шестерен на полную ширину зубчатого венца или блокировочной муфты.

Чтобы исключить одновременное перемещение двух соседних ползунов перемещение рычага 18 часто происходит по направляющим прорезям О пластинчатых кулис 17 в пределах, необходимых для включения каждой передачи. Обычно кулиса 17 устанавливается под шаровой опорой, но встречается ее установка и сверху последней. Широко в качестве кулисы применяют и неподвижные разделительные планки 27 (рис. 4.6,г) с прямоугольным боковым пазом Т, установленные между прямоугольными ползунами 28 вилок включения.  При "нейтральной передаче" пазы Н и Т соответственно ползунов 28 и планок 27 совпадают, и нижний конец рычага 18 имеет возможность свободного поперечного качания до упоров в боковые ограничительные планки 26, не имеющие пазов. 

При включении передачи нижний конец рычага 18 вместе с пазом ползуна смещается относительно пазов Т на разделительных планках, как показано на схеме, что исключает одновременность  перемещения двух ползунов. Иногда для этой цели применяют блокирующие замки (рис. 4.6,д), состоящие из двух шариков 25, расположенных с небольшим зазором в боковых соосных отверстиях между каждой парой цилиндрических ползунов 14. При нейтральной пере-

даче они находятся против полукруглых проточек С ползунов 14. При включении какой - либо передачи передвигающийся ползун сдвигает шарики 25, зажимая ими кольцевые проточки С смежных ползунов, блокируя возможность их перемещения, как показано на схеме.

Для закрепления кареток 16 (или соответствующих блокировочных муфт) в рабочих положениях, а также для предотвращения их самопроизвольного выключения при работе автомобиля или трактора их ползуны 14 и 28 удерживаются пружинными фиксаторами. Для этого фиксаторы чаще всего выполняются в виде ступенчатого стержня 11 (рис. 4.6,а) с нижней конусной головкой 13, которая под действием пружины 12, постоянно прижата к ползуну. Иногда  фиксатором служит шарик 20 (рис. 4.6,в), поджимаемый пружиной 21. 

Для включения или переключения передач водитель должен приложить усилие к рычагу 18 и сдвинуть ползун 14 или 28, выжимая при этом фиксатор из выточки Л, и перемещать рычаг до тех пор, пока фиксатор вновь не опустится в смежную выточку, что будет соответствовать включенной или выключенной передаче. При этом обычно слышен щелчок фиксатора.

В ряде механизмов управления тракторными КП применяют блокировочные устройства, исключающие возможность перемещения ползунов при включенном ФС во избежание поломок зубьев подвижных шестерен и муфт. 

Часто этот механизм блокировки (рис. 4.6,а) состоит из блокировочного валика 10, располагаемого над концами стержней 11 фиксаторов, управляемого системой рычагов 9 и тяг 2 от педали 1 ФС. На валике 10 имеется продольный паз К или местные сверления, лежащие в поперечных плоскостях, проходящих через ось фиксаторов. При включенном ФС, как показано на схеме, концы стержней 11 упираются в цилиндрическую поверхность валика 10, что исключает возможность их подъема, а, следовательно, и переключения передач. 

При полностью выключенном ФС валик 10 повернут в положение, когда продольная плоскость паза К совпадает с продольной плоскостью осей фиксаторов. В этом случае фиксаторы могут подниматься при переключении передач. Иногда (рис. 4.6,б) блокировочный  валик 19 имеет не вращательное движение, а осевое. В этом случае ползуны 14 блокируются непосредственно  цилиндрической  частью валика 19, как показано на схеме. При выключении ФС последний сместится в положение, когда его фрезерованные участки П  не будут препятствовать перемещению ползунов 14, то есть переключению передач.

В современных конструкциях КП иногда предусматриваются устройства, исключающие возможность запуска двигателя при включенной передаче. Обычно они имеют датчик положения рычага управления, включенный в электрическую схему магнето пускового двигателя или стартера.

Синхронизаторы. Синхронизатором называют узел механизма управления КП, служащий для бесшумного и безударного включения передач. В основу действия синхронизатора положен принцип использования сил трения для выравнивания (синхронизации) угловых скоростей соединяемых деталей, образующих передачу. Обычно синхронизаторы имеют конические поверхности трения, хотя встречаются  и дисковые.

Различают синхронизаторы простые и инерционные.

Простые синхронизаторы не препятствуют включению передачи до полного выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей КП, что обычно сопровождается появлением ударных нагрузок и шума.  

Инерционные синхронизаторы получили наибольшее распространение в КП автомобилей и тракторов, так как имеют устройство блокировки для безударного и бесшумного включения передачи. Инерционный синхронизатор состоит из трех основных элементов:

выравнивающего - фрикционного устройства, поглощающего энергию касательных сил инерции вращающихся масс; блокирующего - устройства, препятствующего включению зубчатой муфты до полного выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей;

включающего - зубчатой муфты, включающей передачу.

На рис. 4.7 представлен инерционный синхронизатор, получивший распространение в КП автомобилей и тракторов. На шлицах переднего конца вторичного вала 7 неподвижно закреплена ступица 9 синхронизатора, на зубчатом венце которой установлена муфта 3 включения, управляемая вилкой 4. Зубчатый  венец  имеет  три продольных  паза 10, в которые установлены ползуны 8. Последние имеют в средней наружной части выступы, а на внутренней стороне - проточки в виде паза.

Рис. 4.7. Инерционный синхронизатор:

а - конструкция;  б - детали;  1 - шестерня ведущего вала; 2 - конусное блокирующее кольцо; 3 -  муфта;  4 - вилка; 5 – пружинное кольцо; 6 - шестерня  передачи; 7 - вторичный вал КП; 8 - ползун; 9 - ступица; 10 - продольные пазы в ступице; 11 - пазы в торце блокирующего кольца

С обеих сторон ступицы 9 синхронизатора установлены латунные блокирующие кольца 2 с зубчатыми венцами. На торцах колец выполнены три продольных паза 11, ширина которых несколько больше ширины ползунов 8. В пазы колец 2 входят концы ползунов 8, чем обеспечивается их совместное вращение.

На внутренней конической поверхности блокирующих колец 2 нарезана резьба с мелким шагом, которая служит для разрушения масляной пленки и увеличения коэффициента трения между конусами блокирующих колец и наружной конической поверхностью ступиц  зубьев шестерен 1 и 6. На ступицах шестерен 1 и 6 нарезаны зубья, такие же, как и на зубчатых венцах ступицы 9 и колец 2. Торцы зубьев блокирующих колец, обращенные к ступице 9, имеют скосы. Такие же скосы выполнены на зубьях муфты 3 и на зубьях ступиц шестерен.

Функцию включающего элемента выполняет муфта 3, выравнивающего – конусные поверхности ступиц шестерен 1 и 6 и колец 2, блокирующего – кольца 2 с муфтой 3. 

Конструкция позволяет включить одну из двух передач: прямую (при блокировке вала 7 и шестерни 1) и замедленную (при блокировке вала 7 и шестерни 6). Рассмотрим работу синхронизатора при включении, например, прямой передачи. 

Для включения передачи водитель выключает ФС и перемещает рычагом управления ползун, связанный с вилкой 4. Муфта 3 перемещается влево вместе с ползунами 8  и  кольцом 2, пока последнее не войдет в контакт с шестерней 1. По мере увеличения усилия на рычаге, пружинные кольца 5 деформируются, выступы ползунов выходят из проточки муфты, и она перемещается влево вдоль ползунов.  Если угловые скорости кольца и шестерни одинаковые, то муфта, проходя через зубья кольца 2, входит в зацепление с зубьями шестерни 1, включая тем самым прямую передачу. Скосы на торцах зубьев при необходимости обеспечивают правильную взаимную ориентацию блокируемых элементов за счет их поворота.  

Если угловые скорости кольца 2 (вала 7) и шестерни 1 разные, то под действием возникшей силы трения между конусами кольцо 2 поворачивается на некоторый угол относительно муфты 3 в пределах зазора между ползунами 8 и пазами 11. При этом зубья кольца 2 занимают положение,  препятствующее дальнейшему перемещению муфты 3. Скосы, выполненные на торцах зубьев муфты и кольца 2, обеспечивают передачу осевого усилия со стороны муфты на конусные поверхности трения. Одновременно с этим на зубьях кольца возникают реакции, стремящиеся вернуть кольцо в исходное состояние по отношению к муфте. Однако углы скосов зубьев выбраны так, что пока угловые скорости шестерни 1 и вала 7 не станут равными, момент трения между  шестерней 1 и кольцом 2 сделать это не позволит.

Таким образом, синхронизатор позволяет включить передачу только после выравнивания угловых скоростей блокируемых элементов. 

На рис. 4.8,а представлена другая конструкция инерционного синхронизатора. Он состоит из подвижной включающей муфты 1 с зубчатыми венцами 6, которая устанавливается на шлицах ведомого вала КП. Диск муфты 1 имеет три отверстия для полуцилиндров 5  фиксаторов, соединяющих его с двумя конусными кольцами 2, и три отверстия с коническими поясками для блокирующих пальцев 3, жестко связывающих конусные кольца. В средней части пальцы имеют проточку с коническими краями. Между двумя полуцилиндрами 5 каждого фиксатора расположены пружины 4.

Рис. 4.8. Инерционный синхронизатор:

1 - муфта синхронизатора;  2 - конусное кольцо;  3 - блокирующий палец;  4 - пружина; 5 - полуцилиндры; 6 - зубчатый венец муфты; 7,  9 - шестерни; 8 - внутренний зубчатый венец шестерни

В нейтральном положении (рис. 4.8,б) муфта 1 находится посредине между шестернями 7 и 9. При включении передачи муфта 1, перемещая полуцилиндры 5 фиксаторов, прижимает конусное кольцо 2 к конусу шестерни  7 (рис. 4.8,в). Если муфта 1 и шестерня 7 вращаются с разными угловыми скоростями, то за счет трения между коническими поверхностями кольцо 2 проворачивается относительно диска муфты 1 в пределах разницы диаметров отверстия в диске для блокирующего пальца и проточки пальца. Контакт конических фасок отверстий и пальцев препятствует осевому перемещению муфты относительно кольца и не дает возможности включить передачу. Только после выравнивания угловых скоростей шестерни 7 и муфты 1, когда нормальная  сила на конических поверхностях блокирующих пальцев 3 исчезает, появляется возможность относительного поворота муфты и кольца под действием осевой силы на поверхностях фасок. Муфта перемещается дальше, сжимая при этом пружины 4 полуцилиндров 5 фиксаторов, а ее зубья входят в зацепление с внутренним зубчатым венцом 8 шестерни  7 (рис. 4.8,г).   

Механизмы переключения передач с помощью фрикционных муфт применяют при переключении передач без остановки машины. На рис. 4.9,а  показана конструкция наиболее распространенной двухбарабанной фрикционной муфты для управления двумя передачами.

Рис. 4.9. Фрикционная муфта с гидроподжатием:

1 – шлицевая втулка; 2 – шарикоподшипник; 3, 14, 16 – стопорные кольца; 4, 17 – шестерни; 5 – опорный диск; 6 – диск; 7 – возвратная пружина; 8 – нажимной диск; 9 – разрезное чугунное кольцо; 10 – барабан; 11 – сливной клапан; 12 – ведущий диск; 13 – ведомый диск; 15 – резиновое кольцо; 18 – дистанционное кольцо; 19 – шарик; 20 – шариковый клапан; 21 – заклепка; 22 – пружина; 23 – шлицевый выступ ведущего диска      

Две гидроподжимные фрикционные муфты установлены в кольцевых расточках ведущего барабана 10, закрепленного на шлицах ведущего вала А. С двух сторон барабана расточены соосные кольцевые полости, в которые установлены поршни - нажимные диски 8 с внутренним резиновым кольцом 15 и наружным разрезным чугунным кольцом 9. В торцах барабана 10 прорезан ряд продольных пазов, в которые входят наружные шлицы ведущих стальных дисков 12. Такие же шлицы выполнены на внешней кромке поршня 8, предотвращающие его проворачивание в цилиндре. 

В промежутках между ведущими дисками установлены ведомые диски 13 с накладками из порошкового фрикционного материала и внутренними шлицами. Диски 13 устанавливаются на шлицах ступиц соответствующих шестерен 4 и 17 постоянного зацепления, свободно вращающихся на двух шарикоподшипниках 2. Последние установлены на промежуточных шлицевых втулках 1 вала А, разделены дистанционным кольцом 18 и зафиксированы относительно шестерен стопорными кольцом 3. Сквозные сверления В между шлицами служат для лучшей смазки поверхностей трения муфт.

Внутренняя кольцевая полость цилиндра, в которую подается масло для включения передачи, называется бустером Д.  Включение муфты происходит под давлением масла, поступающего в бустер из распределительного устройства (на схеме не показано) по продольным Б и радиальным Г сверлениям  вала А. Под давлением масла происходит перемещение  поршня 8, пакет дисков перемещается до упора в диск 6 и сжимается. Диск 6 фиксирован стопорным кольцом 14, установленным в кольцевой проточке барабана 10. При этом происходит сжатие возвратных пружин 7, установленных в сверлениях ступицы поршня 8 и поджимаемых к опорному диску 5, фиксированному стопорным кольцом 16. 

При выключении передачи бустер муфты сообщается со сливом,  поршень 8 под действием возвратных пружин 7 перемещается и освобождает диски. Для более быстрого удаления масла из бустера при выключении передачи в поршне 8 установлен сливной клапан 11. Наибольшее распространение имеет шариковый клапан 20, схема работы которого показана на рис. 4.9,б. Пока сила давления Р_д масла в бустере, действующая на шарик 19, не дает центробежной силе Р_ц открыть отверстие клапана, то он находится в положении I, препятствуя вытеканию масла из бустера. При выключении передачи давление масла в бустере снижается, следовательно, и снижается величина силы  Р_д давления масла на шарик. Тогда под действием центробежной силы Р_ц шарик займет положение II, открывая отверстие для быстрого вытекания масла. Масло под действием центробежной силы выбрызгивается внутрь полости муфты, смазывая ее поверхности трения.

Для улучшения размыкание дисков фрикционной муфты при ее выключении иногда ее металлические диски без фрикционных покрытий или накладок делают cлегка вогнутыми. В других случаях (рис. 4.9,в) на шлицевых выступах 23 этих дисков 12 посредством заклепок 21 устанавливают специальные разжимные пластинчатые пружины 22.

Гидравлическая система КП кроме подачи масла в определенном порядке к бустерам фрикционных муфт предназначена также для смазки деталей, фильтрации и охлаждения масла. Основными агрегатами гидравлической системы управления КП являются: насос, фильтр, редукционный клапан, регулирующий давление в системе, маслораспределитель для подачи масла к бустерам и другие устройства, способствующие переключению передач без остановки  движения трактора или автомобиля. 

Обычно предусматривается два варианта привода насоса системы: основной – от  двигателя, и запасной – от ведущих колес. Запасной используется для включения передачи при запуске двигателя с буксира.