Бесступенчатые трансмиссии

Почти все автомобили оснащены коробками передач. Они нужны, чтобы получить более широкий диапазон силы тяги и скорости движения, чем обеспечивает двигатель внутреннего сгорания. Вследствие простоты, технологичности, надежности предпочтение отдано механическим ступенчатым (шестеренным) коробкам передач.

Для увеличения средней скорости, улучшения экономичности приходится иметь на легковых машинах 4—5, на грузовых 10—16 передач. Неудивительно, что водитель порой затрудняется выбрать наиболее подходящую. Да и сам процесс переключения утомляет его, в какой-то мере отвлекает от наблюдения за дорогой. Естественно стремление к созданию бесступенчатых трансмиссий. Они позволяют получать (правда, тоже в ограниченном диапазоне) любые значения передаточных чисел и автоматически выбирать из них наиболее выгодные для конкретных условий движения в режиме работы двигателя.

Хотя почти все известные конструкции не свободны от недостатков, бесступенчатые трансмиссии используют все более широко. Чтобы читатели составили представление об особенностях, реальных возможностях и перспективах применения таких передач на автомобилях, дадим их самый общий обзор.

Наиболее распространены комбинированные ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТРАНСМИССИИ, состоящие из гидротрансформатора и механической (шестеренной) ступенчатой коробки передач. Так, в США ими снабжают до 90% всех легковых автомобилей, значительную часть грузовых, все городские и междугородные автобусы, в Западной Европе — свыше 20% легковых машин и около 90% автобусов. У нас в стране выпуск автомобилей с гидромеханической передачей (ЗИЛ—111) начат в 1959 году («За рулем», 1958, № 12). В настоящее время ее применяют на легковых машинах ЗИЛ—4104, автобусах ЛиАЗ—677 и ЛАЗ—4202, карьерных самосвалах БелАЗ—540 и БелАЗ—548, четырехосных тягачах минского автозавода.

Гидротрансформатор (рис. 1, а) состоит из трех колес: ведущего (насосного) 1, ведомого (турбинного) 2 и неподвижного, воспринимающего реактивный момент (реактора) 4. Каждое образовано наружной и внутренней тороидными поверхностями (подобными внутренней поверхности спасательного круга), между которыми расположены лопасти. Внутренняя полость всех трех колес заполнена маловязким маслом.

При вращении насосного колеса масло отбрасывается лопастями к периферии, поступает в турбинное колесо, затем в реактор и возвращается в насосное. На входе в колесо поток имеет активное действие (масло передает усилие лопастям), на выходе — реактивное (усилие передается в обратном направлении). Гидротрансформатор обладает автоматичностью, то есть ему не нужна система управления извне. Однако диапазон изменения им крутящего момента узок (1,5—2,0 раза) и не обеспечивает наивыгоднейшую загрузку двигателя: обычно легковым автомобилям необходим диапазон 3—4, грузовым — 7—9.

Движение масла с очень высокими скоростями сопровождается большими потерями энергии: КПД гидротрансформатора не превышает 0,90. Кроме того, он не позволяет двигаться задним ходом и накатом, поэтому применяется только в комбинации со ступенчатой коробкой. Для переключения передач в ней служат фрикционы с автоматическим управлением.

Чаще всего гидротрансформатор соединяется с коробкой передач последовательно (рис. 1,а). Но есть конструкции с параллельным соединением узлов: с внутренним, то есть в самом гидротрансформаторе (рис. 1,б) или внешним (рис. 1,в) разветвлением силового потока. Первая схема (фирмы «Ренк», «Аллисон») расширяет диапазон изменения передаточного числа примерно вдвое без использования фрикционов, но не повышает КПД. Вторая схема (фирмы «Фойт», «Катерпиллер») обеспечивает повышение КПД на 5—8%, но без расширения диапазона. Оба варианта сложнее последовательного соединения и не избавляют от необходимости иметь ступенчатую коробку передач (рис. 2). Область применения гидромеханических передач на автомобилях почти неограниченна.

ГИДРООБЪЕМНЫЕ ПЕРЕДАЧИ состоят из насоса высокого давления и гидромоторов, соединенных трубопроводами (рис. 3). Варьирование передаточного числа обеспечивается плавным изменением рабочего объема насоса. В его неподвижном корпусе вращается блок цилиндров 2, соединенный валом 6 с двигателем. Поршни 3 упираются торцами в шайбу 4, которая может поворачиваться вокруг оси 5. За половину оборота вала 6 поршень 3 переместится на полную величину хода. Рабочая жидкость из линии всасывания 7 (от гидромоторов) войдет в цилиндр. За следующую половину оборота она будет вытолкнута в линию нагнетания 8 к гидромоторам 11, установленным в ведущих колесах. Насос подпитки 9 восполняет утечки, собираемые в баке 10.

Изменяя угол наклона шайбы 4, меняют производительность насоса при неизменной скорости вращения вала 6. Когда шайба находится в вертикальном положении (на рисунке), насос не перекачивает жидкость (режим холостого хода двигателя). При наклоне шайбы в обратную сторону изменяется направление потока жидкости, чем достигается задний ход.

Параллельное присоединение к насосу гидромоторов левого и правого колес придает трансмиссии свойства дифференциала.

Гидрообъемные передачи применяют на специальных колесных машинах («За рулем», 1978, № 3; 1979, № 10). Для автомобилей они невыгодны: срок службы узлов недостаточен, а при движении с высокими скоростями давление в системе мало и КПД передачи падает.

На тяжелых самосвалах, например БелАЗ—549, и некоторых других автомобилях ставят ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧУ. Она проста, но ее КПД ниже, чем у механической и даже гидромеханической. Передаточное число изменяют посредством специальной системы, воздействуя на параметры электрического тока. Применение электропередачи целесообразно при мощности двигателя 500 кВт и более.

У ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ крутящий момент от ведущего звена к ведомому сообщается силами трения на поверхностях соприкасающихся тел, причем для изменения передаточного числа необходима специальная система управления.

Среди фрикционных бесступенчатых трансмиссий наиболее совершенна клиноременная (рис. 4). Крутящий момент в ней передается ремнем 6 трапециевидного сечения, который взаимодействует со шкивами 1 и 7, состоящими из двух половин каждый. Натягивает ремень сильная пружина 8. Она сдвигает подвижную половину ведомого шкива 7 к неподвижной, а пружина 5 разводит половинки ведущего шкива 1. Передаточное число равно отношению рабочих радиусов шкивов.

При троганье автомобиля с места половинки ведомого шкива сдвинуты, ведущего — раздвинуты, обеспечено наибольшее передаточное число. При разгоне действуют центробежные силы от грузов регулятора 2, пропорциональные скорости вращения вала двигателя, и разрежение в полости над поршнем 3, соединенной с впускным коллектором. Результирующая этих сил, преодолевая усилие пружин 5 и 8, сдвигает половинки ведущего шкива и раздвигает части ведомого. Так происходит плавное изменение передаточного числа.

Такая трансмиссия, подобно дифференциалу, позволяет ведущим колесам (каждое со своим ремнем и двумя шкивами) вращаться с разной угловой скоростью на повороте. Она применялась свыше 20 лет на легковых автомобилях ДАФ, затем на «Волво-343». Диапазон изменения передаточного числа (около 4) и система автоматического управления у нее не обеспечивают наивыгоднейших режимов работы двигателя. Невысок и КПД — не более 0,86, да и долговечность ремня мала. Поэтому область применения ограничена двигателями мощностью до 54 л. с./40 кВт.

В последние годы появилась новая разновидность клиноременной передачи. Ремень в ней — набранный из стальных трапециевидных звеньев. Он позволяет получить КПД свыше 0,90, намного долговечнее. Существенно сократились размеры механизма. С 1984 года такой передачей снабжают часть легковых автомобилей «ФИАТ-Уно-70».

Использование на автомобилях фрикционных передач других типов практически не выходило за рамки экспериментов. Упомянем лобовой трансформатор (рис. 5, а). Перемещая по шпонке ведомый фрикционный элемент 2, прижатый к торцу ведущего фрикционного колеса 1, можно изменять расстояние r1 а значит и передаточное число (r2 : r1). Такие передачи в небольших количествах выпускали в 20-х годах и устанавливали на малолитражных легковых автомобилях «Граде», «Метц», «Триумф».

Тороидный трансформатор (рис. 5,б) состоит из ведущего 1 и ведомого 2 колес с тороидной поверхностью. К рабочим поверхностям колес прижат конический фрикционный ролик 4. Его поворотом вокруг оси изменяют передаточное число (r2 : r1). Существенный недостаток механизма — быстрый износ рабочих поверхностей в местах контакта ролика, где действуют большие прижимные силы. Правда, эти силы можно существенно уменьшить, не увеличивая размеров передачи, если использовать многодисковые механизмы с внешним (рис. 5,в) или внутренним контактом. В этом случае передаточное число определяется отношением постоянного r1 и переменного r2 радиусов, которое регулируется изменением межосевого расстояния a.

Действие бесступенчатых ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕДАЧ основано на том, что вращение ведущего вала 1 (рис. 6) двигателя преобразуется в качательное движение промежуточного звена 2, которое снова преобразуется при помощи муфты свободного хода 3 во вращение — ведомого вала 4. Передаточное число изменяется регулированием амплитуды качания звена 2. Для этого нужна специальная система управления. Тогда возможна оптимальная загрузка двигателя.

Существенный недостаток импульсных передач — быстрый износ и разрушение деталей, в основном механизма свободного хода, из-за очень больших (в 10 — 20 раз превышающих передаваемый момент) и чередующихся с высокой частотой ударных нагрузок, сопровождающих передачу момента импульсами. Поэтому пока существуют только экспериментальные образцы.

Таким образом, к настоящему времени из всех бесступенчатых и комбинированных передач наиболее доведены и проверены гидромеханические, которые уже нашли довольно широкое применение на автомобилях, и электрические. Общая тенденция к автоматизации управления агрегатами и системами автомобиля, по-видимому, будет способствовать расширению их использования. Есть предпосылки к большему распространению клиноременных бесступенчатых передач на легковых автомобилях и других транспортных средствах малой мощности.

Высококачественные материалы и оригинальные конструктивные решения, снижение затрат энергии в системе автоматического регулирования и другие факторы позволяют ожидать в недалеком будущем серийный выпуск автомобилей с новыми бесступенчатыми и комбинированными передачами.

См. также статью Гидромеханическая передача из книги «Устройство грузового автомобиля».