Мощностные топливно-экономические показатели двигателя существенно зависят от режима работы автомобиля. В процессе движения нагрузка на двигатель зависит от скорости и ускорения автомобиля, количества пассажиров и массы перевозимого груза, качества дорожного покрытия и других факторов. В процессе эксплуатации автомобиля условия движения все время меняются, поэтому в трансмиссии целесообразно иметь некоторое устройство, способное изменять ее передаточное число и таким образом в случае необходимости преодоления повышенных сопротивлений движению повышать крутящий момент на ведущих колесах. Эту функцию и выполняет коробка передач, обычно представляющая собой переключаемый зубчатый редуктор.
Вторым назначением коробки передач является реверсирование (изменение направления) крутящего момента для обеспечения движения автомобиля задним ходом. И наконец, третья функция коробки передач — обеспечение долговременного разобщения двигателя и движителя, что часто требуется, например, при прогреве двигателя или использовании его на неподвижном автомобиле для привода дополнительного оборудования.
Упрощенно шестеренчатый редуктор, который применяется в коробках передач, можно представить, как передачу из двух шестерен, в которой меньшая является ведущей 1, а большая — ведомой 2 (рис. 11.16, а), крутящий момент на ведомой шестерне будет большим во столько раз, во сколько раз число ее зубьев будет больше числа зубьев ведущей шестерни. При этом частота вращения ведомой шестерни будет соответственно меньше, чем ведущей. Отношение чисел зубьев ведомой и ведущей шестерен называется передаточным числом.
При передаточном числе, равном двум, за два оборота рукоятки шестерня 2 повернется на один оборот. При этом, нажимая на рукоятку с силой 5 кгс, можно поднять 10-килограммовый груз, прикрепленный на конце такой же рукоятки, сидящей на валу ведомой шестерни. Таким образом при передаче вращения с меньшей шестерни на большую уменьшается частота вращения и увеличивается вращающее усилие (крутящий момент).
Если вращение от ведущей шестерни 1 (рис. 11.16, б) передается на ведомую через промежуточную шестерню 3, то ведомая шестерня будет вращаться в обратную сторону относительно ведущей.
Различают следующие механические ступенчатые коробки передач:
кинематической схеме — с неподвижными осями валов и планетарные;
расположению валов относительно продольной оси автомобиля—с продольным и поперечным расположением валов;
наличию делителя и демультипликатора;
способу переключения передач — со скользящими зубчатыми муфтами (каретками), синхронизаторами, фрикционными муфтами.
Коробки передач также подразделяют по числу передач переднего хода — двуx- трex- и многоступенчатые
По количеству валов коробки передач подразделяются на двухвальные, трехвальные, четырехвальные и многовальные.
Двухвальные коробки передач применяются на переднеприводных легковых автомобилях малого класса и заднеприводных легковых автомобилях с задним расположением двигателя. Число передач таких коробок составляет 4…6. Высшая передача в двухвальных коробках часто бывает повышающей, а большинство передач синхронизировано.
Трехвальные и четырехвальные коробки передач устанавливаются на заднеприводных легковых автомобилях с передним расположением двигателя, на грузовых автомобилях малой и средней грузоподъемности и на автобусах. Число передач в этих коробках составляет не менее четырех для легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности и от четырех до шести для грузовых автомобилей средней грузоподъемности.
Четырехвальные коробки передач могут использоваться на легковых автомобилях с передним приводом.
Многовальные коробки передач применяются на грузовых автомобилях большой грузоподъемности с целью увеличения числа передач. Чем больше число передач в коробке передач, тем лучше используется мощность двигателя и выше тягово-скоростные свойства и топливная экономичность автомобиля. Однако при этом усложняется конструкция коробки передач и затрудняется выбор передачи, оптимальной для данных условий движения. В многовальных коробках передач число передач может быть от 8 до 24. В связи с этим многовальные многоступенчатые коробки передач наибольшее применение получили на автомобилях-тягачах, работающих с прицепами и полуприцепами.
Переключение передач в большинстве ступенчатых коробок передач выполняется водителем. Однако в последнее время появились конструкции ступенчатых коробок передач, в которых переключение передач автоматизировано на основе применения микропроцессорной техники.
Простейшая трехвальная механическая коробка передач (рис. 11.17) состоит из картера 21, ведущего вала 20 с шестерней 2 и венцом 3, ведомого вала 9, промежуточного вала 19, оси шестерен заднего хода 11, набора шестерен и механизма переключения передач.
Картер коробки передач имеет крышку 7, гнезда для крепления валов и осей.
Ведущий вал 20 изготовлен вместе с ведущей шестерней 2 и зубчатым венцом 3. Передним концом, ведущий вал установлен в подшипнике в выточке коленчатого вала, а задним — в гнезде передней стенки картера. Установка ведущего вала выполнена так, что только ведущая шестерня и венец помещены внутри картера, а на выступающей из коробки части шлицованного ведущего вала установлен ведомый диск сцепления
Ведомый вал 9 имеет шлицы и передним концом опирается на роликовый подшипник, установленный в выточке ведущего вала 20. Другой конец ведомого вала в выточке картера коробки установлен в шариковом подшипнике. На шлицах ведомого вала установлены передвижные шестерни. Ось ведомого вала совпадает с осью ведущего.
Промежуточный вал 19 состоит из шестерен различного диаметра, выполненных в виде блока и закрепленных на нем. Блок шестерен установлен на роликовых подшипниках на оси или вместе с валом на подшипниках установлен в гнездах стенок картера. Промежуточный вал вращается всегда вместе с ведущим валом, так как их шестерни находятся в постоянном зацеплении. Шестерни заднего кода (одна или в виде блока из двух шестерен) вращаются на оси, закрепленной в отверстиях стенок картера.
Механизм переключения передач служит для включения передач, установки шестерен в нейтральное положение и для включения заднего хода. Передачи включают перемещением шестерен или муфт синхронизаторов на ведомом или промежуточном валу с помощью рычага переключения, вилок и ползунов. В зависимости от числа передач, включаемых для движения, вперед определяют тип коробки.
Для включения первой передачи шестерню 12 передвигают влево, вводя ее в зацепление с шестерней 15 первой передачи промежуточного вала. Общее передаточное число первой передачи определяют, как произведение передаточных чисел отдельных пар зубчатых колес, т. е.
U1= z18/z2×z12/z15
где z12 и z15 — числа зубьев соответственно шестерни 12 и шестерни 15.
При включении первой передачи крутящий момент Мк, на ведомом валу коробки передач увеличивается по сравнению с крутящим моментом двигателя Мд в U1 раз, т. е.
Мк = Мд× U1 = Мд× z18/z2×z12/z15
При движении вперед крутящий момент на первой передаче имеет максимальную величину, так как шестерня 15 является наименьшей из зубчатых колес промежуточного вала, а шестерня 12 — наибольшей из шестерен ведомого вала.
Первой передачей пользуются при движении автомобиля в самых тяжелых дорожных условиях, на крутых подъемах, а также при трогании с места на плохой дороге и с грузом. Для легковых автомобилей передаточное число первой передачи U1 = 3…4, для автобусов 3…7, для грузовых автомобилей 4…7.
Вторая передача обеспечивается включением зубчатых колес 13и 15. Тогда
U2= z18/z2×z13/z15
При включении прямой (в данном случае третьей) передачи ведущий и ведомый валы соединяются непосредственно через наружный зубчатый венчик 3 и внутренний венчик шестерни 17. Прямая передача является основной передачей, используемой при движении автомобиля по хорошей дороге.
Из приведенной схемы можно заключить, что при передвижении шестерни 17 вправо, она зайдет в зацепление с шестерней 16 промежуточного вала, сидящей на нем жестко. При этом получается четвертая повышающая передача.
С зубчатым колесом 14 промежуточного вала в постоянном зацеплении находится блок шестерен заднего хода 11 передачи заднего хода. Для включения передачи заднего хода зубчатое колесо 3 передвигают вправо, вводя его в зацепление с первой свободной шестерней блока шестерен заднего хода. Учитывая наличие промежуточной шестерни вторичный вал вращается в обратную сторону.
Механизмы переключения передач подразделяются на непосредственные, дистанционные (тяговые и тросовые), электронноуправляемые. Непосредственные механизмы имеют прямую связь с рычагом переключения передач, дистанционные передают усилие переключения через дополнительную деталь, электронноуправляемые осуществляют переключение передач через электродвигатель.
При непосредственном механизме переключения передач (рис.11.18) в специальных гнездах установлены ползун 2 включения I передачи и заднего хода, ползун 9 включения IV и V передач и ползун 10 включения I I и III передач. На ползунах закреплены болтами вилки, которые входят в зацепление с шестернями вторичного вала и синхронизаторами. Вилки включения II и III передач, а также IV и V передач 14 венчаются головками с пазами. На ползуне 1 передачи и заднего хода кроме вилки 12, закрепленной на заднем конце ползуна, установлена еще головка 3. В паз этой головки входит промежуточный рычаг 5 включения I передачи и заднего хода. В пазы головок вилок и промежуточного рычага включения I передачи и заднего хода входит нижний конец рычага переключения передач 6, установленный в гнезде корпуса рычага переключения передач 7. Шаровая опора рычага поддерживается конической пружиной. Передвигая рычаг из стороны в сторону, можно вводить его нижний конец в пазы головок и включать различные передачи.
При движении автомобиля, особенно по плохим дорогам, шестерни могут произвольно выходить из зацепления с нужными шестернями. Чтобы этого не случилось, на ползунах делаются проточки, соответствующие полному зацеплению зубчатых колес, и в эти проточки при помощи пружин вдавливаются фиксирующие шарики 8. Они не допускают произвольного переключения передач и обеспечивают зацепление шестерен на всю длину зубьев. Если водитель неправильно повернет рычаг переключения передач и его нижний конец войдет в пазы вилок сразу двух передач, может произойти одновременное включение двух передач, что приведет к поломке шестерен.
Чтобы не включалось одновременно две передачи применяется замок. Он состоит из штифта 15, вставленного в отверстие среднего ползуна и двух пар шариков 16 замка. На ползунах сделаны углубления: на крайних — по одному со стороны среднего ползуна, а на среднем — с обеих сторон. Диаметры шариков и длина штифта подобраны так, что при перемещении одного ползуна они входят в углубления двух других и не позволяют им передвинуться и ввести в зацепление другие шестерни.
Для предотвращения случайного включения заднего хода при движении автомобиля вперед служит предохранитель от случайного включения заднего хода. Он состоит из промежуточного рычага 5 и упора с пружиной 4. Работа предохранителя основана на сопротивлении пружины. Передвигая рычаг, водитель чувствует сопротивление пружины и таким образом определяет включение передачи заднего хода или I передачи.
Современные автомобили и автобусы оснащаются, как правило, дистанционными приводами. На рис. 11.19 показан пример дистанционного тягового привода легкового автомобиля, на рис. 11.24 – грузового. Рычаг переключения передач 16 (рис. 11.19) установлен на шаровой опоре 19. К рычагу при помощи пальца присоединена тяга привода переключения передач 15. К тяге при помощи шарнира присоединен шток выбора передач 6. Он соединен, в свою очередь, с рычагом штока выбора передач 5, установленным внутри картера сцепления 4. Рычаг 5 соединяется с рычагом механизма выбора передач 3. Положение этого рычага фиксируется фиксатором 2.
Двигатель, соединенный через сцепление с коробкой передач при помощи реактивной тяги 18 соединяется с втулкой 17 опоры рычага. Во втулке реактивная тяга перемещается свободно. Шаровая опора рычага 19 крепится к реактивной тяге 18, благодаря чему осевое перемещение двигателя не передается на механизм выбора передач.
Тросовый привод (рис. 11.20), характерный для современных коробок передач применяется во избежание передачи вибраций и колебаний от силового агрегата. Для осуществления связи между рычагом переключения передач – управления коробкой передач (в салоне) и коробкой передач имеются два троса: 4 – для переключения передач и 8 – для выбора передач. Оба троса передают ходы выбора и переключения рычага переключения на валик переключения. Механизм (поворотный рычаг и рычаг хода переключения) преобразуют перемещение этих двух тросов в осевое и вращательное перемещение валика переключения.
Механизм переключения размещен в верхней части коробки передач. Валик переключения расположен в крышке. При ходе выбора валик совершает перемещение по продольной оси, а при ходе переключения он поворачивается вокруг продольной оси.
Выбранное посредством рычага управления движение выбора (вправо-влево) передается через рычаг выбора на тросовую тягу выбора, которая совершает перемещение вперед или назад. При ходе переключения передач в зависимости от того, вперед или назад сдвинут рычаг по проходу, трос переключения двигается в противоположном направлении назад или вперед. Возвратно-поступательное движение троса тяги при переключении передач преобразуется во вращательное движение валика переключения.
По способу переключения передач коробки могут быть со скользящими зубчатыми муфтами (каретками), синхронизаторами, фрикционными муфтами.
Синхронизаторы. При работе коробки передач шестерни валов вращаются с разной частотой. В момент переключения передач зуб одной шестерни может ударяться в зуб другой шестерни, что приводит к изнашиванию шестерен, затруднению включения передач, шуму при переключении передач. Чтобы уравнять частоты вращения шестерен и закрепить свободно установленные на валах шестерни в коробках передач применяют нейтрализаторы.
Синхронизатор включает в себя три элемента:
• выравнивающий угловые скорости (конусные кольца);
• блокирующий включение (блокирующие пальцы);
• включающий передачи (зубчатая муфта).
Простейший конусный синхронизатор (рис. 11.21) представляет собой бронзовое блокирующее кольцо 11, расположенное на валу между зубчатым венцом шестерни соответствующей передачи, позиции 1 и 5 и наружным кольцом муфты включения. Кольцо имеет внутреннюю коническую поверхность, обращённую в сторону шестерни, и зубчатый венец, обращённый в сторону муфты. На конической поверхности выполнена резьба, предназначенная для прорезания масляной плёнки. Материал блокирующего кольца отличается износостойкостью и высоким коэффициентом трения. Оно соединено со скользящей муфтой при помощи сухарей 9 таким образом, что её перемещение вдоль вала вызывает перемещение соответствующего блокирующего кольца в том же направлении.
При включении передачи вилка переключения начинает сдвигать муфту в сторону соответствующей шестерни (рис. 11.21, в). Для включения передачи муфта должна перейти на зубчатый венец шестерни, зафиксировав её на валу, но в данный момент это невозможно, так как окружные скорости шестерни и муфты с блокирующим кольцом не равны, при этом венец блокирующего кольца удерживает муфту от контакта с зубчатым венцом шестерни, предотвращая их повышенный износ. Через сухари 9 движение муфты передаётся блокирующему кольцу 11, которое тоже начинает смещаться по валу в сторону шестерни, на которой имеется коническая поверхность, ответная конической поверхности блокирующего кольца. Своей конической поверхностью блокирующее кольцо вступает во взаимодействие с конической поверхностью шестерни 1 или 5, при этом в момент их соприкосновения резьба на конической поверхности блокирующего кольца прорезает масляную плёнку на конусе шестерни, провоцируя трение металла о металл. Сила трения между блокирующим кольцом, вращающимся с той же скоростью, что и наружное кольцо муфты, и конусом шестерни выравнивает их угловые скорости, проворачивая блокирующее кольцо 11 в такое положение, что зубья его венца, скользящей муфты и венца шестерни передачи встают в один ряд, после чего муфта может легко перейти на зубчатый венец шестерни, фиксируя её на валу и тем самым включая передачу (рис. 11.21, г).
Синхронизаторы могут располагаться на любом из валов коробки передач, или на нескольких валах одновременно.
Учитывая то, что разница угловых скоростей при синхронизации шестерён низших передач больше, чем при синхронизации шестерён высших передач в некоторых коробках передач для включения низших передач используются синхронизаторы с тремя синхронизирующими кольцами (рис. 11.22, а). По сравнению с одинарной конусной системой обеспечивается существенное увеличение площади трения. Эффективность синхронизатора повышается с увеличением поверхности отвода тепла. За счёт этого угловые скорости шестерён низших передач удаётся выравнивать значительно быстрее, поэтому при синхронизации требуется большее усилие для преодоления силы инерции этих шестерён.
Для включения высших передач используются синхронизаторы с одним кольцом конусного трения (рис. 11.22, б). Разница угловых скоростей шестерён данных передач менее значительна, поэтому выравнивание скоростей происходит быстрее.
Синхронизаторы грузовых автомобилей (рис. 11.23) и автобусов имеют аналогичный принцип работы, как и синхронизаторы легковых автомобилей и отличаются размерами.
Синхронизатор коробки передач автомобиля МАЗ состоит из корпуса 3 на внутренней поверхности которого с обеих сторон запрессованы конические бронзовые кольца, имеющие зубчатую насечку. Внутри корпуса установлена муфта 6 синхронизатора с зубчатыми венцами 8. В фасонные прорези 2 корпуса 3 входят выступы 5 муфты. Штифты 4муфты входят во внутренний кольцевой паз обоймы 1, имеющей на наружной поверхности выточку для вилки переключения передач. Фиксаторы 7, состоящие из шариков и пружин, удерживают обойму вилки переключения на корпусе 3 синхронизатора, предохраняя ее от самопроизвольного перемещения. Шарики фиксаторов прижимаются изнутри к корпусу3синхронизатора. Для фиксации центрального положения шариков на внутренней поверхности корпуса в его средней части для них есть выемки. Зубчатые колеса всех передач, которые включаются синхронизаторами, имеют наружные конусные поверхности и внутренние зубья, соответствующие зубьям венца 8.
При включении передач вилкой переключения по направлению к включаемому зубчатому колесу из нейтрального положения (рис. 11.23, б) перемещаются обойма 1и муфта 6, а вместе с последней и весь корпус 3 (рис., в). Внутренним конусом кольцо 9прижимаетсяк конусной поверхности зубчатого колеса. От возникающего трения между поверхностями корпус 3повернется на некоторый угол, и выступы 5муфты синхронизатора упрутся в края фасонных прорезей 2.Продольное движение муфты 6относительно корпуса синхронизатора при таком положении невозможно.
Когда частоты вращения муфты и зубчатого колеса станут равными, муфта может быть передвинута дальше. При этом шарики фиксаторов отожмутся внутрь выступов 5, а зубчатый венец 8муфты войдет в зацепление с внутренними зубьями зубчатого колеса включаемой передачи (рис. 11.23, г).
Синхронизаторы грузовых автомобилей могут подразделяться на одно- и двухсторонние.