Коробка передач является своего рода посредником между силой и движением. Как агрегат трансмиссии ав­томобиля, она имеет такое же важное значение, как и двигатель транспортного средства. Только при правильном подборе агрегатов и их нор­мальном взаимодействии возможно трогание автомобиля с места, а также его движение впе­ред и назад. Вот о том, как устроена механическая коробка передач, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Во время движения автомобиль сталкивается в основном с тремя различными видами сопро­тивления окружающей среды. Коробка передач с набором ступеней (передач) помогает преодолеть любое сопротивление движению. Сопротивление качению (рис. 1) может быть низким на асфальтированном шоссе и вы­соким на грунтовой дороге. Сопротивление воздуха (аэродинамическое сопротивление) (рис. 2) может быть низким при небольшой скорости движения и возрастать по мере увеличения скорости. Кроме этого, оно зависит от формы кузова автомобиля (его обте­каемости). Сопротивление движению на подъем (рис. 3) растет по мере увеличения крутизны склона, по ко­торому проложена дорога (%). Для автомобилей промышленного назначения иногда указывается максимальный угол подъема. Для легковых автомобилей, как правило, ограничивается допустимая масса буксируемого прицепа. Сумма всех этих сил определяет необходи­мую мощность двигателя, способную преодолеть силы сопротивления в соответствии с текущим режимом движения автомобиля (рис. 4). В связи с этим возникла необходимость в агрегате между двигателем и ведущим мостом, который мог бы «легко приспосабливаться» к ре­жимам движения. Такой агрегат получил назва­ние коробки передан. Современные коробки передач легковых авто­мобилей имеют от 3 до 9 передач переднего хода в зависимости от массы автомобиля и мощности двигателя. Для автомобилей промышленного на­значения характерны от 6 до 16 передач. С чем это связано? В данном случае решающую роль играет рабочий диапазон частоты вращения ко­ленчатого вала двигателя. Примеры рабочих диа­пазонов приведены на рис. 5 — 6.

 

 

Чем меньше рабочий диапазон частоты вра­щения, тем больше ступеней переключения должно быть в коробке передач. В идеале ко­робка передач должна иметь неограниченное количество ступеней или постоянно изменяю­щееся передаточное отношение. Эти требова­ния реализованы в различных типах коробок передач, представленных на рынке и известных под названиями Multitronic или коробка пере­дач CVT.

Стремление к увеличению срока службы и по­вышению экономичности обслуживания стало основной причиной того, что производители ав­томобилей сконцентрировали свои усилия на:

• Механических коробках передач с 4-6 ступе­нями;
• Автоматических коробках передач с 3-7 ступе­нями.

 

При ускорении автомобиля преимущество дает частота вращения коленчатого вала в диапазоне между максимальной мощностью и максимальным крутящим моментом двигателя. Однако расход топлива в этом диапазоне доста­точно высок. При движении с постоянной скоростью частота вращения коленчатого вала должна быть снижена до диапазона максимального крутящего момента двигателя. Это отчетли­во видно на диаграмме рис. 9 «Кривые мощности, крутящего момента и расхода топлива, а также оптимальный рабочий диапазон двигателя внутреннего сгорания» с кривыми мощности, крутящего момента и расхода то­плива.

Основной задачей коробки передач является передача необходимого крутящего момента на ведущие колеса.

При трогании автомобиля с места — то есть, при переходе из неподвижного состояния в состояние движения — необходим максимальный крутящий мо­мент на ведущих колесах в сочетании с максимально низкой частотой вращения коленчатого вала.

Это достигается за счет соответствующего из­менения в коробке передач частоты вращения коленчатого вала одновременно с пропорциональ­ным увеличением крутящего момента (не считая некоторых потерь, связанных с КПД трансмиссии).

Когда автомобиль приходит в движение, то скорость его движения при ускорении увеличи­вается. После достижения номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя передаточ­ное отношение должно измениться, чтобы авто­мобиль мог ускоряться дальше.

В идеале коробка передач должна иметь неогра­ниченное количество передаточных отношений (то есть работать бесступенчато), что позволило бы ей обеспечивать необходимый крутящий момент на ведущих колесах в любом режиме движения.

 

Частота вращения коленчатого вала

 

Для бензиновых двигателей внутреннего сгора­ния характерна частота вращения коленчатого вала от 500 до 6000 об/мин. У дизельных двига­телей максимальная частота вращения может до­стигать 5000 об/мин.

Поршневые двигатели характеризуются двумя важными характеристиками:

• Максимальная мощность при номинальной частоте вращения, к примеру Р = 90 кВт при 6000 об/мин;
• Максимальный крутящий момент, к примеру Т= 130 Н-м при 4000 об/мин.

 

 

Спортивный вариант

 

Чтобы достичь максимальной скорости дви­жения автомобиля, номинальная частота враще­ния коленчатого вала двигателя должна переда­ваться на ведущие колеса через коробку передач непосредственно, с помощью прямой «самой верхней» передачи.

 

Экономичный вариант

 

Чтобы достичь максимально возможной ско­рости движения автомобиля при более низкой частоте вращения коленчатого вала и, следова­тельно, при более низком расходе топлива, «са­мая верхняя» ступень коробки передач должна быть выполнена как «экономичная» ускоряющая передача (рис. 10 «Коробка передач с прямой передачей и коробка передач с повышающей передачей«).

 

Крутящий момент

 

Каждый двигатель имеет предельный крутящий мо­мент Т_макс который позволяет судить о вращатель­ном потенциале двигателя и является основой для расчета параметров коробки передач, таких как:

• Параметры зубчатых колес;
• Жесткость корпуса;
• Размер подшипников;
• Диаметр валов.

 

В любом автомобиле передаточное отношение главной передачи ведущего моста является по­стоянной величиной (i_{зад мости}= 2.0-6,0).

 

Оно зависит от полной массы автомобиля, а также мощности двигателя и номинальной ча­стоты вращения коленчатого вала, и определяет диапазон скорости.

Крутящий момент на ведущих колесах рассчи­тывается следующим образом:

крутящий момент двигателя  х  передаточное от­ношение коробки передач  х  передаточное отно­шение главной передачи.

Пример:

Т_двиг =130 Нм

i _{кор пер} = 1,0 (на самой высшей передаче)

i_{зад мост} =3,0

Таким образом: 130 х 1,0 х 3,0 = 390 Н-м (на ведущих колесах).

Чтобы увеличить этот крутящий момент (тяго­вое усилие), коробка передач использует различ­ные ступени (передачи).

Количество передач и диапазон передаточ­ных отношений коробки передач зависят от тре­бований, которые предъявляются к автомобилю.

 

Передаточные отношения

 

Различные ступени в коробке передач носят на­звание передаточных отношений. Они обеспечи­вают, в зависимости от требований, необходимую силу тяги на низших передачах или высокую ско­рость на высших.

На рисунке 10 в качестве примера показана пятиступенчатая коробка передач ZF S 5-31 в ва­риантах с прямой и ускоряющей пятой (высшей) передачей.

Частота вращения коленчатого вала двигателя: максимум 6000 об/мин.

Максимальная скорость автомобиля: 230 км/ч.

Такую диаграмму можно построить самостоя­тельно, если известны следующие параметры:

• Теоретическая максимальная скорость движения;
• Максимальный крутящий момент двигателя;
• Передаточное отношение коробки передач (таблица 1 «Передаточные отношения коробки передач«);
• Количество передач.

 

 

Пример одноступенчатого передаточного от­ношения (рис. 11 «Передаточное отношение i = 1,875«)

i =  ведомая шестерня / ведущая шестерня = Z₂/Z₁ ≥ 1.0

Для одноступенчатого передаточного отноше­ния (зубчатое зацепление при двух зубчатых ко­лесах) получается:

i = Z₂/Z₁ = 30/60 = 1,875

Передаточное отношение = 1,875.

 

Пример двухступенчатого передаточного от­ношения

 

В коробке передач для каждой передачи ис­пользуется двухступенчатое передаточное отно­шение (рис. 12 «Передаточное отношение = 3,62«). При этом передаточное отно­шение рассчитывается следующим образом:

i = (Z₂·Z₃)/(Z₁·Z₄) = 30·27/16·14 = 3,616

На рисунке 13 в качестве примере показана структура зубчатых передач в четырехступенча­той коробке передач в варианте с прямой переда­чей. Зубчатые колеса находятся в постоянном за­цеплении и имеют различное количество зубьев.

 

 

Зубчатые колеса с 20, 23 и 27 зубьями свобод­но расположены на валу отбора мощности (кото­рый называют также вторичным валом коробки передач), а зубчатые колеса с 14, 16 и 21 зубом жестко закреплены на промежуточном валу.

Зубчатая передача (4), состоящая из первич­ного вала с 15-зубчатым колесом и зубчатого ко­леса с 30 зубьями на промежуточном валу, обо­значается как постоянная привода.

 

Передаточные отношения первой, второй и третьей передач рассчитываются следующим об­разом:

i_{1 передачи}  = i_{4 ступени} · i_{1 ступени} = 30·27/16·14 = 810/224 = 3,62

i_{2 передачи} = i_{4 ступени} · i_{1 ступени} = 30·23/16·16 = 690/256 = 2,659

i_{3 передачи} = i_{4 ступени} · i_{3 ступени} = 30·20/16·21 = 600/336 = 1,79

Для включения 4-й передачи первичный вал непосредственно соединяется с вторичным ва­лом, образуя, тем самым, прямую передачу с передаточным отношением i = 1,0 (рис. 14 «Четвертая (прямая) передача с передаточным отношением i = 1,0«).

 

 

Структура пятиступенчатой коробки передач в варианте с ускоряющей передачей (при этом пятая передача может обозначаться также как «экономичная» или «повышающая») изображена на рисунке 15 «Структура зубчатых передач в пятиступенчатой коробке передач с ускоряющей высшей передачей (пер­вый вариант)«. Дополнительная пятая зубчатая передача состоит из подвижной шестерни с 12 зубьями и неподвижной шестерни с 32 зубьями.

В соответствии с прежней формулой расчета это дает следующее передаточное отношение для пятой передачи:

i_{5 передачи} = i_{4 ступени} · i_{5 ступени} = 30·12/16·32 = 360/512 = 0.70

Где передаточное отношение рассчитано «на ускорение», то есть на повышение частоты вра­щения вторичного вала.

Другая структура зубчатых передач пяти­ступенчатой коробки передач в варианте с ускоряющей передачей показана на рисунке 16а «Структура зубчатых передач в пятиступенчатой коробке передач с ускоряющей высшей передачей (второй вариант)«.

 

В данном случае шестерни пятой передачи рас­положены перед шестернями третьей передачи. При соотношении зубьев 18/20 для постоянной привода и 17/24 для пятой передачи передаточ­ное отношение последней будет составлять 0,79.

Основное различие между этими двумя струк­турами коробок передач заключается в присущих им схемах переключения ступеней (рис. В1.16Ь).

 

 

Постоянно растущие требования к повышению уровня комфорта при движении в сочетании с низким расходом топлива, низким уровнем шума и содержания вредных примесей в отработавших газах требуют создания коробок передач, которые могли бы сочетаться со всей гаммой двигателей одного семейства автомобилей. По этой причине легковые автомобили все чаще оснащаются ше­стиступенчатыми коробками передач. Они име­ют больший диапазон передаточных отношений, что позволяет им лучше использовать мощность и крутящий момент двигателя.

 

В свою очередь, это способствует повышению уровня комфорта при движении за счет большей плавности хода, экологической безопасности за счет более низко­го расхода топлива и содержания вредных при­месей в отработавших газах, а также улучшению тягового усилия на первой передаче и параметров медленного движения. Из недостатков следует назвать более дорогую конструкцию, большую массу и более низкий КПД. При этом различают три типа коробок передач:

 

Типы коробок передач

 

1-й тип. Диапазон между самой низшей и са­мой высшей передачами разделяется вместо пяти на шесть ступеней. Преимуществом является бо­лее тонкое различие в передаточных отношениях, благодаря чему двигатель может поддерживать оптимальную частоту вращения коленчатого вала лучше, чем при пяти передачах. При правильном переключении в нужный момент времени такая коробка передач обеспечивает отличные пара­метры ускорения. Напротив, возможная макси­мальная скорость не изменяется по сравнению с пятиступенчатой коробкой передач.

 

2-й тип. Шесть передач несколько смещены вверх — при сохранении передаточного отноше­ния первой передачи. Благодаря этому помимо более тонкого различия в передаточных отноше­ниях обеспечивается также немного более высо­кая максимальная скорость автомобиля.

 

 

Такую конструкцию имеет пятиступенча­тая спортивная коробка передач производства Volkswagen, устанавливаемая на моделях Golf. В таблице 1.2 представлены результаты срав­нительного анализа общих передаточных от­ношений четырех- и пятиступенчатой коробок передач. Необходимым условием для обоих ва­риантов коробок передач являлась одинаковая частота вращения коленчатого вала двигателя, равная 5600 об/мин, а для обоих автомобилей — использование одинаковых шин. Таблица нагляд­но демонстрирует более плотное расположение передач в пятиступенчатой коробке передач и максимальную скорость всего на 10 км/ч выше. Передаточные отношения на первой передаче и передаче заднего хода идентичны в обеих короб­ках передач.

 

3-й тип. Передаточные отношения первой — пя­той передач сохраняются и дополняются шестой передачей. При этом шестая передача выполнена в виде «длинной» передачи с чисто ускоряющим (или повышающим) передаточным отношением. После достижения требуемой скорости движения на пятой передаче производится переключение на шестую передачу. Скорость движения сохра­няется при одновременном уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя.

 

 

В таблице В1.3 представлены результаты срав­нительного анализа передаточных отношений двух шестиступенчатых коробок передач.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: