Автомобильные коробки передач разделяют на механические, ступенчато изменяющие передаточное число трансмиссии, и гидромеханические, которые позволяют в определенных интервалах непрерывно, т.е. бесступенчато, изменять передаточное число.
Кинематические схемы коробок передач представлены в приложении В.
Расчет зубчатых колес и зубчатых муфт рассмотрены в теории механизмов и машин, а расчет валов, выбор подшипников и картера коробки передач – при изучении курса «Детали машин» [10].
Гидромеханическая передача, применяемая на автомобилях высших классов и различного назначения, состоит из двух основных частей: гидротрансформатора и механической ступенчатой коробки передач.
Гидротрансформатор представляет собой сочетание двух лопастных гидромашин – центробежного насоса 4 (рисунок 6.4), центростремительной турбины 2 и расположенного между ними направляющего аппарата-реактора 5.
Рисунок 6.4. Схема работы и основные делали гидротрансформатора:
1 – корпус; 2 – турбина; 3 – механизм свободного хода; 4 – насос; 5 – реактор. Индексы н, т и р относятся соответственно к насосу, турбине и реактору; индексы А и В к сечениям А – А и Б – Б.
Чтобы избежать потерь энергии, связанных с циркуляцией рабочей жидкости между насосом и турбиной, их колеса и реактор предельно сближены, им придана форма, обеспечивающая непрерывный круг циркуляции жидкости без каких-либо промежуточных устройств. Кроме того, насос, турбина и реактор помещены в одном герметичном корпусе 1, вращающемся вместе с колесом насоса.
Вал насоса соединен с коленчатым валом двигателя, вал турбины – с последующими механизмами трансмиссии. Таким образом, в гидротрансформаторе отсутствует жесткая связь между ведущим (насос) и ведомым (турбина) элементами. Передача энергии от двигателя к трансмиссии осуществляется рабочей жидкостью.
Во время работы насоса его лопатки увлекают жидкость и она под действием центробежной силы движется по торообразному кругу циркуляции от входного (сечение Б–Б) участка межлопаточного пространства насоса к выходному (сечение А–А). Потоку жидкости сообщаются относительная скорость w (вдоль лопатки) и переносная скорость и (по направлению вращения колеса), которые возрастают по мере движения потока к периферии колеса, т. е. происходит превращение энергии двигателя в кинетическую энергию потока жидкости.
Для вращения насоса к его валу должен быть приложен крутящий момент, уравновешивающий момент Мн, который противодействует вращению и равен разности моментов количества движения потока относительно оси вращения колеса при выходе жидкости из межлопаточных каналов и на входе в них:
, (6.19)
где m – масса жидкости, вытекающей в течение 1 с из насоса (и втекающей в него), кг;
RA и RБ – расстояния от рассматриваемых сечений до оси вращения, м;
и – абсолютные скорости соответственно втекания потока в межлопаточные каналы насоса и вытекания из них, м/с;
α и β – углы между направлением вращения колеса и векторами скоростей и .
Знак «минус» в выражении (6.19) указывает на то, что момент Мн имеет направление, противоположное направлению вращения колес.
Из насоса поток со скоростью поступает в турбину и, ударяясь под углом α в ее лопатки, уменьшает свою скорость. Затем, при протекании потока по межлопаточным каналам, его направление изменяется в соответствии с профилем лопаток. Из турбины поток вытекает под углом γ к направлению ее вращения. Вследствие этого кинетическая энергия потока уменьшается, а на лопатки турбины действует сила, создающая на валу крутящий момент
. (6.20)
Если бы гидродинамическая передача состояла только из рассмотренных двух колес, то углы γ и β выхода жидкости из турбины и входа в насос были бы одинаковыми, и тогда, складывая почленно выражения (6.19) и (6.20) получили бы, что Мн = Мт. Такую гидропередачу называют гидромуфтой. Для трансформации крутящего момента необходимо, чтобы момент количества движения жидкости при входе в насос был положительным (т.е. совпадал с направлением вращения колес) и большим, чем момент количества движения жидкости при выходе из турбины. Это достигается при помощи направляющего аппарата.
Направляющий аппарат представляет собой неподвижное лопастное колесо, установленное на пути движения жидкости от турбины к насосу. Вследствие особого профиля лопаток аппарата и постепенного сужения межлопаточных каналов при прохождении по ним потока скорость его увеличивается, и он поворачивается в сторону вращения насоса. При этом на направляющий аппарат действует воспринимаемый картером реактивный момент
(6.21)
из-за чего направляющий аппарат называют реактором.
Складывая почленно уравнения (6.19) – (6.21), получим
Мт = Мн + Мр. (6.22)
Это выражение характеризует первую полезную особенность гидротрансформатора – увеличивать (трансформировать) подведенный к нему крутящий момент двигателя.
Вторая полезная особенность гидротрансформатора состоит в том, что при неизменном режиме работы насоса (и двигателя) режим работы турбины меняется автоматически и бесступенчато в зависимости от приложенного к валу турбины момента сопротивления вращению.
При установившемся движении момент на валу турбины равен моменту сопротивления движению автомобиля, приведенному к тому же валу. В случае увеличения нагрузки равновесие нарушается и частота вращения турбины уменьшается, что приводит к уменьшению центробежной силы, противодействующей движению жидкости по кругу циркуляции, возрастанию скорости циркуляции, а вместе с ней и расхода жидкости m; уменьшению угла γ. В итоге, как видно из выражения (6.20), автоматически увеличивается момент Mт, пока вновь не наступит равновесие между ним и моментом сопротивления вращению.
Способность гидротрансформатора увеличивать момент характеризуется коэффициентом трансформации или силовым передаточным числом, который представляет собой отношение момента на валу турбины к моменту, передаваемому на вал насоса:
.
Способность гидротрансформатора уменьшать скорость вращения ведомого вала определяется кинематическим передаточным числом, являющимся отношением угловой скорости вала турбины к угловой скорости вала насоса:
i = ωт / ωн.
Потери энергии в гидротрансформаторе характеризуются его КПД
. (6.23)
Основными являются потери энергии на удар при входе потока жидкости на лопатки рабочих колес. Их величина зависит от угла, под которым поток поступает в межлопаточные каналы. Этот угол меняется с изменением кинематического передаточного числа i, вследствие чего в гидротрансформаторе КПД является переменной величиной, зависящей от относительного скоростного режима работы передачи.
Преобразующие свойства гидротрансформатора оценивают по его внешней характеристике (рисунок 6.5 а), которую получают экспериментально. Она представляет собой зависимости величин Мн, Мт и η от скоростного режима работы турбины при некоторой постоянной угловой скорости вала наcoca. Характеристика состоит из двух зон.
а) б)
Рисунок 6.5 Характеристики гидротрансформатора:
a – внешняя; б– для определения оптимального режима работы гидротрансформатора
Зона I рабочая, соответствует работе гидротрансформатора на режиме бесступенчатого преобразования момента. В этой зоне коэффициент трансформации k изменяется от максимального значения при i = 0 до единицы при i = 0,6÷0,8. Зона II нерабочая, так как при i > iм (где передаточное число, при котором изменяется знак момента Мр) значительно изменяется направление потока, вытекающего из турбины, и наступает нежелательный режим, при котором резко падает КПД.
Чтобы расширить диапазон изменения i, реактор связывают с картером при помощи механизма свободного хода 3 (см. рисунок 6.4). Тогда при i > iм реактор автоматически начинает вращаться свободно и перестает воздействовать на поток. С этого момента и при дальнейшем увеличении i передача работает в режиме гидромуфты. Такой гидротрансформатор называют комплексным.
Согласно выражению (6.23) зависимость КПД гидромуфты от i изображается прямой, проходящей через начало координат под углом 45° к осям. Поэтому при i > iм в комплексном гидротрансформаторе увеличивается КПД, который при imax достигает 0,97 – 0,98.
Для повышения среднего значения КПД часто предусматривают блокировку (отключение) гидротрансформатора путем жесткого соединения ведущего и ведомого валов встроенной в трансформатор фрикционной муфтой (сцепления). Муфта включается автоматически при k= 1, и КПД трансформатора становится равным единице.
Эффективная работа автомобилей, снабженных гидротрансформаторами, возможна при условии: во-первых, что трансформатор используют на режимах, при которых его КПД не ниже 0,8; во-вторых, что при этих режимах диапазон изменения крутящего момента на карданном валу соответствует заданному по результатам тягового расчета автомобиля.
Механическая ступенчатая коробка передач, устанавливаемая за трансформатором и управляемая автоматически, полуавтоматически или только водителем, служит для выполнения упомянутых условий, а также для получения заднего хода и отключения двигателя от ведущих колес. Ее делают двух- и трехступенчатой с высшей прямой передачей. Передаточные числа промежуточных передач определяют так же, как для обычной коробки передач, а для первой передачи находят по формуле
, (6.24)
где kгмп – диапазон изменения момента, заданный тяговым расчетом;
k0,8 – диапазон трансформации момента при КПД трансформатора большем или равном 0,8; k0,8 = k1 / k2.