Автоматические коробки передач

Автоматическая, чаще всего – гидромеханическая коробка передач (ГМКП) автомобиля, автобуса, состоит из гидротрансформатора и коробки передач с автоматическим переключением передач. Включение передачи производится фрикционами или тормозами, действующими на один или несколько рядов шестерен, обеспечивающих требуемые передаточные числа. На рис. 62 показан продольный разрез ГМКП автобуса ЛИАЗ-5256, а на рис.63 –  схемы включения перелач.        

 

Рис. 62. Продольный разрез ГМКП автобуса ЛИАЗ-5256

Рис. 63. Схемы включения перелач в автоматиеской

гидромеханичес­кой коробке передач автобуса  ЛИАЗ-5256 и

    На рис. 64  приведены безразмерные характеристики гидротрансформаторов гидромеханичес­кой передачи автобуса ЛИАЗ-5256 Сплошные линии – для ЛГ-370-49 (К_max =2,6; П_max= 1,4 =1,5), пунктирные - для ЛГ-370-43Д (К_max =3,2; П_max=1,4-1,5). В последние годы устанавливаются гидротрансформаторы с меньшим коэффициентом трансформатора, т.к. они имеют более высокий кпд.

                                                         

                                           

   Максималлный коэффициент трансформации гидротрансформатора автобуса ЛИАЗ-5256 – 2,4…2,6, передаточные числа коробки предач: 2,43 – первая; 1,44 – вторая; 0,98 – третья передача.

 

 

Рис. 64. Безразмерные характеристики

 гидротрансформаторов автобуса ЛИАЗ-5256

    Схема устройства автоматического включения передачи показана на рис. 65. Фрикционы и тормоза в автоматических коробках приводятся в действие давлением масла, направляемого к нужному фрикциону или тормозу специальным золотниковым распределительным устройством. Момент включения передачи определяется двумя параметрами: скоростью автомобиля и величиной нажатия водителем на педаль подачи топлива. Для этого имются два регулятора:  скоростной и силовой (рис. 65), действующие с двух сторон на золотник 5 включения передач.  

 

 

Рис. 65. Схема включения передачи в автоматической коробке передач:

1 - фрикцион; 2 - включаемые шестерни; 3 - вал коробки передач; 4 - скоростной регулятор; 5 - золотник включения передач; 6 - канал подвода масла к фрикциону; 7 - силовой регулятор; 8 - педаль подачи топлива

     На современных автомобилях вместо механических регуляторов для перемещения золотника используется сила давления масла, действующая на торцы золотника. Управление давлением масла производится электронным блоком.

    Чем сильнее водитель нажимает на педаль подачи топлива, тем при более высокой скорости произойдет смещение золотника 5 и включение следующей высшей передачи. Так улучшаются разгонные качества автомобиля. Задержка включения высшей передачи при интенсивном разгоне увеличивает длительность работы на низшей передаче, при которой сила тяги на колесах больше. Следовательно, лучше будет и разгон.

 При плавном разгоне и малом открытии дроссельной заслонки, например, в автоматической коробке передач легкового автомобиля "Чайка", под действием скоростного и силового регуляторов переключение с первой передачи на вторую происходит при скорости 10...15 км/ч, а со второй на третью – при 20... 25 км/ч.

Если дроссельная заслонка открыта полностью, переключение происходит соответственно при 35...40 км/ч и 73...78 км/ч. При нажатии на педаль больше, чем требуется для ее полного открытия, передачи включаются при 45...55 км/ч и 80... 90 км/ч.

Резким нажатием на педаль газа можно включить первую передачу в этой же коробке, если скорость не превышает 20...25 км/ч и вторую передачу, если скорость не превышет 70...75 км/ч.

  При плавном разгоне и раннем включении высшей передачи двигатель работает с частотой значительно ниже максимальной,  что снижает расход топлива по сравнению с интенсивным разгоном. Т.е. факторы эти взаимоисключающие: избрав интенсивный разгон, проигрываем в расходе топлива. Автоматическая система включения передач дает возможность водителю выбрать, что важнее в данный момент: экономно расходовать топливо или разогнать автомобиль за минимальное время.

 На рис. 66 показан регулятор автоматического включения передач в коробках передач автобусов ЛИАЗ -5256.  Такой же регулятор исполшьзуется и в коробке переач автобуса ЛИАЗ-677.

    В статоре гидрозамедлителя размещены гильза 8 главного золот­ника и ведомая шестерня привода спидометра. Снизу к статору на шпильках прикреплен корпус клапана 25 управления замед­лителем. К крышке замедлителя, выполненной из алюминиево­го сплава, крепят крышку 23 силового регулятора, на которой установлен корпус силового регулятора с эксцентриком 18. На эксцентрике установлен главный рычаг 17 силового регулятора. С помощью возвратной пружины 20 нижний конец главного ры­чага 17 постоянно прижат к водилу 22 центробежного регуля­тора.

При нажатии на педаль управления дроссельной заслонкой эксцентрик 18 поворачивается по часовой стрелке и смещает глав­ный золотник 7 вправо.

 

Рис.66. Элементы автоматического управления ГКМП автобуса ЛИАЗ-5256:

/ — ограничительные втулки центробежного регулятора; 2 —гайки; 3— пружина; 4— ста­тор замедлителя; 5 — ротор замедлителя; 6 — тормозок главного золотника; 7 — главный золотник; 8 — гильза главного золотника; 9 — крышка замедлителя; 10 — шестигранная головка толкателя; 11 — соединительная муфта; 12 — штифт; 13 — стопорная пружинная скоба; 14 — регулировочный винт обратных переключений; 15 — крышка; 16, 24 — канал; 17 — главный рычаг; 18 — эксцентрик силового регулятора; 19 — чашка центробежного ре­гулятора; 20 — возвратная пружина главного рычага; 21 — шарик; 22 — водило центробеж­ного регулятора; 23 — крышка силового регулятора; 25 — клапан управления гидрозамед­лителем

             

Это позволяет задержать момент пере­ключения передачи во время движения при полном открытии дроссельной заслонки, так как.потребуется большой ход водила центробежного регулятора для перемещения золотника 7. Пе­реключение передач при этом будет происходить при больших скоростях движения автобуса. Эксцентрик 18 тягой   связан с педалью управления дроссельной заслонкой. Первоначальное положение эксцентрика (при отпущенной педали) определяется упором на крышке 23.

   Главный золотник 7, связанный с главным рычагом 17, переме­щается в гильзе 8 и соединяет при этом главную магистраль   с полостью, подводящей масло к включателю   золотников периферийных клапанов, или с полостью, подводящей масло к клапану блокировки гидротрансформатора, управляющему включением  фрикционов

    График моментов переключений передач в автоматической коробке в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки двигателя и скорости движения автомобиля называется также законом переключений (рис. 67). Как видно из графика, прямое включение передачи (от низшей к высшей) выполняется при значительно более высокой скорости, чем обратное. Это явление характерно для всех передач и скоростей движения. Обратное включение при скорости ниже, чем прямое, требуется для устранения "цикличности" включения соседних передач, которое бывает с высокой частотой и ведет к разрушению коробки передач. Происходит это следующим образом. После включения высшей передачи при разгоне автомобиля сила тяги на колесах снижается и может оказаться недостаточной, что вызывает обратное включение низшей передачи.

 

 

Рис. 67. График моиентов включения

предач в автоматичекой коробке

передач (закон переключения передач)

     После чего сила тяги вновь возрастет и процесс повторяется, причем частота повторений может составлять несколько раз в секунду, что сопровождается большими динамическими нагрузками в трансмиссии. Значительное снижение скорости автомобиля перед обратным включением передачи цикличность не допускает.

Известные системы управления автоматическими коробками передач – двухпараметрические. Одним из параметров, определяющих момент включения передачи, является  скорость автомобиля, другим – нагрузка на двигатель. Недостатком такой системы являются рывки автомобиля после включения передачи, т.к. частота вращения деталей двигателя после включения передачи резко изменяется, инерционный момент этих деталей передается на колеса.

Для устранения рывков после включения передач применяются специальные клапаны (механизмы) плавного включения.

 

 

Бесступенчатые передачи

    Недостатками автомобиля со ступенчатой коробкой передач является неполное в целом ряде случаев использование мощности двигателя, что снижает тяговые качества или не обеспечивается работа двигателя с наименьшим расходом топлива. Частота вращения коленчатого вала определяется скоростью движения автомобиля, радиусом качения колеса, передаточным числом главной передачи и включенной передачей в коробке передач.

  В бесступенчатой передаче передаточное число изменяется автоматически в зависимости от сопротивления движению. Выбранная водителем частота вращения коленчатого вала из условия минимального расхода топлива или максимального разгона остается постоянной, кривая крутящего момента на выходе из бесступенчатой передачи приобретает вид равносторонней гиперболы (рис. 68, кривая 1), что наиболее соответствует условиям работы автомобиля. Поршневые двигатели не имеют такой характеристики. Малый коэффициент приспосабливаемости – серьезный недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания, для устранения которого применяются коробки передач.

 

 

 

Рис. 68. Крутящий момент двигателя:

1 – желательная характеристика; 2 – существующая характеристика

        Клиноременные вариаторы нашли применение в авто­матических трансмиссиях легковых автомобилей, снегоходов, мотосанях, мото­роллерах и т.п. В 2008 г. в России продано 555,1 тыс. иномарок с автоматическими коробками передач, 80 тыс. из них – с клиноременными вариаторами.

Трансмиссия с клиноременным вариатором отличается простотой, обеспечивает работу двигателя на оптимальных режимах, управляется одной ручкой или педалью газа, что повышает безопасность движения. Система уп­равления клиноременным вариатором  настроена таким образом, что в процессе разгона двигатель работает на посто­янных оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту, а разгон происходит за счет изменения передаточ­ного отношения клиноременного вариатора.

Клиноременный вариатор включает в себя два шкива и ме­таллический  ремень.    Использование клиноременных вариаторов на легковых автомобилях стало возможно после разработки голландской фирмой Van Doorne's Transmission B.V. (VDT) металлического ремня, получившего название металлический ремень типа VDT. Такой ремень применяется в клиноременных вариато­рах фирмами  Ford, Fiat, Subaru, Honda, Volvo и др. Лидирует в создании передач с вариаторами фирма Nissan. 

 Металлический ремень типа VDT, называемый еще “сегментированный стальной ремень”, состоит из двух многослой­ных металлических лент, на которые рядом друг с другом закреплены  металлические звенья – рис. 69. После установки на шкивы ремень растянут. Наклонные боковые поверхности звеньев входят в контакт с коническими поверхностями шкивов, за счет трения о которые обеспечивается передача тягового усилия с ведущего шкива на ведомый. При передаче тягового усилия металлические звенья давят один на другой.

 

Рис. 69. Металлический ременьVDT                

         

     Шкивы вариатора состоят из подвижного и неподвиж­ного конусных дисков. Уве­личение или уменьшение передаточного отношения трансмиссии делается за счет изменения положения ремня на конусах.  Сдвигая один и раздвигая другой шкивы, можно изменить радиусы расположения ремня на шкивах и получить  бесступенчатое регулирование пере­даточного отношения.

 Сила трения между металлическим ремнем и конусами шкивов создаются нажимными пружинами.

 

            

 

 

Рис. 70. Шкивы вариатора

.

Бустеры управления каждым из подвижных конусов шкивов состоят из  управляющей и компенсирующей полостей. В управляющую по­лость подается масло под давлением и происходит изменение положения подвижного конуса. Компенсирующая полость необходима для уравновешива­ния давления масла, возникающего в полости управления от  действия центробежной силы.

На рис. 71 показано устройство трансмиссии с клиноременным вариатором, разработанной фирмой Honda. Трансмиссия включает: масляный насос, клиноременный вариатор, муфту начала движения, муфту переднего хода, муфту заднего хода, планетарного механизма.

 

 

 

  

 

 

 

Рис. 71. Трансмиссия с клиноременным вариатором

 

Управление подвижными конусами осуществляется синхронно, т.е. насколько один из них отодвинулся от своего неподвижного конуса, настолько же второй подвижный конус должен приблизиться к своему неподвижному конусу

Ведущий шкив соединен с веду­щим валом  вариатора через планетарный ряд – рис. 72. Дисковый тормоз останавливает коронную шестерню плане­тарного ряда и получается задний ход автомобиля. Блокировочная муфта планетарныого ряда, на­зываемая муфтой переднего хода, со­единяет солнечную шестерню и водило планетарно­го ряда и получается передний ход.

 

 

Рис. 72. Плане­тарный ряд в трансмиссии

с клиноременным  вариатором

 

Вариаторы с клиновым прорезиновым ремнем на тканевой основе применяются на машинах с небольшой мощностью двигателя (снегоходы, мото­роллера и т.п.) – рис. 73..

Регулирование передаточного числа достигается воздействием центробежного устройст­ва 7 и вакуума в правой полости камеры шкива 8. В ведомый шкива подпружинен. При малой подаче топлива (дроссельная заслонка прикрыта) частоты вращения ва­ла двигателя и ведущего шкива минимальны; при этом внутри шкива создается раз­режение, действующее  на ведущем шкиве 8 усилие минимально и пружина ведомого диска устанавливвает диски в положение, оответствующее максимальному передаточному числу.

 

 

Рис. 73. Aвтоматическая передача легкового автомобиля DAF-55:

а — общий вид; б — разрез ведущего шкива; / — коническая пере­дача; 2 — ведущий шкив вариатора; 3 — ремень; 4 — ведомый шкив; 5 — зубчатая передача; 6 — задняя полуось; 7 — центробежный регу­лятор;   8 — вакуумная камера

По мере увели­чения частоты вращения двигателя осевая сила, создаваемая центробежным устройством, вытесняет ремень на больший диаметр, пока не установится определенное соотношение между действующими силами в звисимости от скорости нажатия на педаль подачи топлива

Инерционные трансформаторы являются бесступенчатыми автоматическими   передачами механического типа, предназначенными для преобразования скорости и вращающего момента на рабочих органах машин. Обладая высоким кпд, близким к кпд ступенчатых передач, они то же время компактны, вписываются в габариты ступенчатых приводов, а  в ряде случаев меньше их, защищают дви­гатель от перегрузки и остановки в случае затормаживания рабо­чих органов, могут иметь  коэффициенты трансформации момента численно больше, чем, гидротранс­форматоры. На режиме прямой передачи инерционный трансформатор работает как упругая ди­намическая муфта и снижает крутильные колебания в трансмиссии гораздо лучше, чем ступенчатая передача. На горных, строительных, сельскохозяйствен­ных, дорожных и других машинах, стендах для имитационных и ускоренных испытаний полезней использовать вибрационную подачу момента на рабочий орган.

Инерционные передачи были изобретены в 20-х годах прошлого века. До начала 60-х годов   появились инерционные передачи  Спонтан, Хоббса, Заславского и др. Более поздний период   характеризуется  исследованиями инерционных передач, накоплением теоретических и экспе­риментальных данных и реализацией теоретических разработок в опытных образцах этих передач.

   Принцип работы инерционной передачи показан на рис. 74. С  коленчатым валом двигателя соединен кривошип 1, который соединянтся с шатуном 2 и коромыслом 3, закрепленном на наружной обойме муфты свободного хода. Внутренняя обойма муфты свободного хода соединяется с выходным валом передачи. При вращении коленча Рис. 74. Принцип действия того вала коромысло 3 совершает колебательные

импульсной передачи       движения на угол, показанный на схеме на рис.74.

 

      В пределах этого угла муфта свободного хода передает крутящий момент двигателя на выходной вал 5 Далее коромысло возвращается в исходное положение и процесс повторяется. Таким бразом, крутящий момент передается импульсами. Изменяя длины кривошипа 1 и коромысла 3, можно изменять передаточное число импульсной передачи.

На рис. 75 показан  инерционный трансформатор двигателя автомобиля УАЗ-469. Мощность двигателя  53 кВт при частоте вращения коленчатого вала  3800 об/мин.Коэффициент трансформации момента –  К= 5,2. Маховик 1 двигателя приводит в движение плавающие сателли­ты 2 с неуравновешенными грузами 3.  На реакторе 4 закреплены храповики 7, 13 и диск 8. Последний служит для передачи рас­четного момента инерции реактора. Обратный импульс воспри­нимается упругими пластинами 5, оси которых закреплены в кор­пусе передачи. Пластины 5 поджимаются к храповику с помощью рычагов 6 и пружин.

Прямой импульс момента передается через упругие пластины 11 на ведомый маховик 10. Пластины 11 под­жимаются к храповику 13 с помощью рычагов 12, грузов 9 и пружин. Грузы 9, жестко связанные с осями рычагов 12, служат для уравновешивания инерционных сил пластин 11.   При большой частоте вращения ведомого маховика центробежная сила дости­гает 300—400 Н на одну пластину, в связи с чем поджим пластины к храповику упругими элементами оказывается неэффективным.

Рис. 75. Инерционный трансфор-          

матор автомобиля УАЗ-469                          

 

В конструкции использован комбинированный поджим: инерци­онный с помощью грузов 9   и упругий с помощью пружин, фикси­рующих положение грузов 9.

Инерци­онный трансформатор снижает осевые габариты по сравнению со сцеплением и коробкой передач на 120 мм, сохраняя радиаль­ные габариты. Применение инерци­онных трансформаторов сдеоживается износами автологов.

  В ограниченном объеме применяется гидростатическая автоматическая передача с регулируемой производительностью насоса и мотора. Но из-за высокой стоимости её изготовления и обслуживания, ограниченном сроке службы широкого применения она не находит. Гидростатическая передача устанавливается, например, на инженерном двухосном тягаче КЗКТ-538ДК для получения очень небольших скоростей движения (от 0 до 1300 м/ч), необходимых при рытье канав установленной на тягаче фрезой.  

         Электрическая автоматическая передача (генератор соединен с двигателем, электромоторы – в колесах или около) обладает хорошими регулирующими возможностями, но вследствие большой стоимости, большого веса, низкого КПД применяется очень ограниченно, например, на самосвалах большой грузоподъемности (БЕЛАЗ-549 грузоподъемностью 75 тонн, БЕЛАЗ-7519 грузоподъемностью 100 тонн и др.).

   С достаточным основанием можно утверждать, что  пригодной для широкого применения на тяжелых грузовиках бесступенчатой автоматической передачи пока не создано, хотя такие работы ведутся во многих странах.