Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобиля

Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобиля

Тема 2.14 Коробка передач автотранспортного средства.

Цель занятия: Изучить устройство, типы, виды и принцип работы коробки передач автотранспортного средства

Коробка передач или коробка переключения передач (КПП) – это один из важнейших агрегатов трансмиссии – наряду с карданным валом, сцеплением и задним ведущим мостом. Как составляющая трансмиссии КПП характерна для всех автомобилей ДВС.

Назначение коробки передач

КПП предназначена для нескольких задач:

изменения крутящего момента

изменения скорости,

коррекции направления движения автомобиля,

разъединения ДВС и трансмиссии и, напротив, их соединения (такая потребность актуальна при переключении передач, необходимости получения малых «ползучих» скоростей, кратковременной остановки транспортного средства),

блокировки гидротрансформатора (функция ценна для уменьшения потери полезной энергии «автомата» при передаче крутящего момента в ситуации, когда выравниваются обороты ведомой и ведущей турбин).

При этом одни КПП способны решать все эти задачи, а другие, как например, механическая, только базовые – изменение крутящего момента и скорости. Схема устройства зависит от вида КПП.

Типы коробок переключения передач

1 Механическая коробка переключения передач

Особенность работы двигателя внутреннего сгорания в том, что рабочая мощность развивается только в небольшом диапазоне оборотов. По этой причине для изменения крутящего момента необходим дополнительный механизм. История создания уходит более чем на сто лет назад, а изобретение принадлежит Карлу Бенцу. Конструктивно, устройство первой коробки было примитивным и крайне простым. Механизм коробки был реализован из пары шкивов разного диаметра, которые были расположены на ведущем валу, шкивы соединялись с валом двигателя при помощи ремня. В зависимости от условий движения ремень при помощи специально предусмотренного рычага переставлялся с одного шкива на другой. Это позволяло изменять крутящий момент, передающийся на ведущие колеса. Такой простой механизм нашел применение и в современном мире, передачи на велосипедах переключаются по тому же принципу.Современные механические коробки значительно дальше шагнули от такого механизма. Конструктивно коробка состоит из набора шестерен, а изменение передаточного осуществляется путем введения шестерен в зацепление при помощи рычага.Механические КПП могут оснащаться разным количеством ступеней. Самой популярной является пятиступенчатая коробка. В свою очередь коробки переключения передач механического типа подразделяются на двухвальные и трехвальные коробки.Двухвальные механические коробки переключения передач устанавливаются на автомобили, оснащенные передним приводом. Трехвальные коробки переключения передач устанавливаются на легковые и грузовые автомобили, которые могут комплектоваться как передним так и задним приводом.

Плюсы МКПП:

· Простая и надежная конструкция

· Более легкое управление автомобилем в условиях бездорожья

· Движение в экономичном режиме

· Недорогое обслуживание

Минусы МКПП:

· Неудобство управления в сложном городском режиме

2 Автоматическая коробка переключения передач Идея комфортного управления автомобилем родилась практически сразу с появлением самого автомобиля. Такой комфорт могло бы обеспечить автоматическое переключение передач. Но реализовать данную идею смогли не сразу. В серию, автомобили с автоматической коробкой переключения передач попали только в 1947 году, АКПП стали комплектовать автомобили фирмы Buick.

Хотя на самом деле серийные автоматические коробки переключения передач появились немного раньше. АКПП оснащались городские автобусы в Швеции еще в 1928 году.

Нужно отметить что, к появлению гидромеханической коробки передач привели три независимые линии разработок, позже которые были объединены в ее конструкции. В основу АКПП встал гидротрансформатор, изобретение профессора Феттингера, патент на который им был получен еще в 1903 году. Два других элемента - это планетарный редуктор и гидравлическая система управления.Современная автоматическая коробка переключения передач, в отличие от классической механики, работает в иных условиях и по другому принципу, хоть и основное назначение неизменно.

Гидротрансформатор или преобразователь крутящего момента, включает в себя насос, турбину и статор. Все детали гидротрансформатора заключены в общем корпусе. Гидротрансформатор заполнен специальным маслом, насос создает внутри гидротрансформатора поток масла, который вращает колесо статора и турбину. Тем самым передавая крутящий момент с двигателя.

Планетарная передача состоит из нескольких шестерен (они называются планетарными или сателлитами), вращающихся вокруг центральной шестерни. Планетарные шестерни фиксируются вместе с помощью водила. Кроме этого, дополнительная внешняя кольцевая шестерня имеет внутреннее зацепление с планетарными шестернями. Сателлиты, закрепленные на водиле, вращаются вокруг центральной шестерни, внешняя шестерня – вокруг сателлитов. Передаточные отношения достигаются путем фиксации различных деталей относительно друг друга. Для получения большего диапазона передаточных чисел в современных коробках используется несколько планетарных передач.

Гидравлика работает в полном симбиозе с остальными частями АКПП и ее работу можно сравнить с кровеносной системой. Жидкость, используемая в качестве рабочей, помимо создания давления в системе, обладает так же набором полезных функций. Таких как смазывание, отвод тепла и очищение внутренностей АКПП от загрязнений.

Плюсы АКПП:

·Комфорт и удобство управления

·Способность менять передачи при полной мощности двигателя

·Плавность хода во время переключения передач

·Защита деталей двигателя от перегрузок при выборе неверной передачи

Минусы АКПП:

·Стоимость и периодичность обслуживания

·Больший расход топлива

·Низкий КПД

·Меньшая динамика автомобиля

3 Роботизированная коробка переключения передач Роботизированная коробка передач - это логическое продолжение развития механической коробки. Робот это не что иное, как механическая КПП, в которой выжим сцепления и переключение передач выполняют два сервопривода (актуатора), управляемые электронным блоком. По факту робот впитал в себя все положительные стороны механической кпп и удобство автомата

.Первый прототип робота появился в 1939 году, Адольф Кегресс создал трансмиссию с двойным сцеплением, но дальнейшее развитие этого перспективного изобретения остановилось на следующие 40 лет. Всему виной отсутствие финансирования проекта.

В серию роботизированные коробки передач попали очень нескоро, но обкатать технологию решились инженеры Porsche. Роботы внедрили на модели 956 и 962С, машины предназначались для кольцевых гонок. К сожалению, недоработка конструкции и значительный вес коробки не позволил технологии выйти за пределы трека.

Серийная роботизированная коробка появилась только в 2003 году. Отважилась на такой шаг компания Volkswagen, установив преселективную трансмиссию на спорт версию модели Golf 4 R32. Производителем коробки была компания BorgWarner.

По сей день концерн VAG активно продвигает этот тип коробок на своих моделях.

Особенность такой коробки заключается в конструкции, а именно в наличии двух сцеплений. Принцип работы такой коробки состоит в том, что на одно сцепление завязаны четные передачи, а на второе нечетные. В процессе движения крутящий момент передается по одному сцеплению, т.е. диск сомкнут. В это же время диск второго сцепления разомкнут, но внутри самой коробки следующая передача уже сформирована и когда приходит время переключения, первый диск просто размыкается, а второй синхронно смыкается. Такая схема работы обеспечивает плавность переключения и отсутствие рывков.В свою очередь, роботизированные коробки делятся на два типа:

· С мокрым сцеплением - используют на автомобилях с мощным двигателем, крутящий момент которых превышает 350 Нм.

· С сухим сцеплением – используют на автомобилях с маломощными двигателями до 250 Нм крутящего момента.

Плюсы Робота:

·Плавность переключения и хода

·Высокий КПД

·Экономичный расход топлива

·Высокая динамика

·Возможность выбора режима работы трансмиссии

Минусы Робота:

·Малая надежность, как самой конструкции, так и мехатроника

·Стоимость обслуживания и ремонта

·Чувствительность к тяжелым дорожным условиям

4 Вариативная (бесступенчатая) коробка переключения передач

Вариаторные трансмиссии (CVT) считаются прямыми последователями классических гидромеханических кпп. Есть устойчивое мнение, что за CVT – коробками будущее, опять таки, учитывая городскую эксплуатацию автомобилей. Особенный упор на трансмиссии CVT делают японские производители, такие как Nissan и Subaru. Первая вариаторная коробка серийно появилась на автомобиле марки DAF в 50-е годы XX-века. Этим автомобилем оказался не грузовик, как многие могли подумать, а маленький легковой автомобиль.К сожалению, особой надежностью и длительным ресурсом конструкция не отличалась. Компания Volvo в свою очередь, долгие годы пыталась развить технологию, но все закончилось сворачиванием разработок. Неожиданное продолжение истории вариатора дала Япония.

Причиной возврата и доработки вариатора послужила необходимость адаптации автоматических коробок к условиям эксплуатации в режиме городских пробок. Работа переключений передач на АКПП напрямую завязана на обороты двигателя. Классический автомат в режиме городских пробок, на малом расстоянии и на малом ходу начинал переключать передачи с первую на вторую, когда этого совершенно не нужно. В другом случае, двигаясь «накатом», АКПП держала передачу, не уходя на пониженную, долгое время ожидая от водителя команды на разгон. Такое поведение коробки давало большую нагрузку на собственные узлы, что вело к увеличенному расходу топлива, повышенному износу и раннему выходу из строя. Все это привело к интенсивной доработке акпп, но результатом стал принципиально новый тип кпп – CVT.

Самое удивительное, что первый вариатор был придуман Леонардо да Винчи в 1490 году. На чертежах изобретателя можно увидеть схему из параллельных конусов и перекинутого между ними ремня, способного перемещаться поперек оси вращения конусов, что позволяло менять передаточное отношение пары.

Коробка типа CVT или Вариатор представляет собой бесступенчатую коробку передач. Основные детали коробки CVT - это гидротрансформатор и два раздвижных шкива, плюс, соединяющий их (шкивы) ремень. Сечение ремня имеет трапециедальную форму. Принцип работы заключается в следующем - сдвигающиеся половинки ведущего шкива выталкивают ремень наружу, что приводит к увеличению радиуса шкива, по которому работает ремень, это действие увеличивает передаточное отношение. Когда требуется снижение передаточного числа, ведомый шкив раздвигается, ремень перемещается на меньший радиус. Гидротрансформатор в этой конструкции обеспечивает трогание с места, после чего блокируется. Управление шкивами выполняет электроника.

Плюсы Вариатора:

·Переключение передач происходит незаметно, без рывков

·Экономичный расход топлива

·Высокая динамика

Минусы Вариатора:

·Несовместимость с мощными моторами

·Стоимость обслуживания и ремонта

·Большое количество датчиков влияющих на работу CVT

·Чувствительность к тяжелым дорожным условиям, буксировке

Схема и принцип работы ступенчатой зубчатой коробки передач.

КПП с “механикой” во время работы задействуют различные комбинации зубчатых колес.Принцип работы МКПП базируется на создании соединений между первичным и вторичным валом. Благодаря использованию шестерен с разным количеством зубьев трансмиссия подстраивается под условия на дороге, цели водителя.

При возрастании скорости вращения выходного вала МКПП по отношению к скорости вращения входного величина крутящего момента от ДВС к колёсной базе уменьшается.При уменьшении скорости вращения выходного вала МКПП по отношению к скорости вращения входного вала величина крутящего момента, от двигателя к ведущим колесам, наоборот увеличивается.

КПП различны по количеству ступеней. Каждая ступень имеет свое передаточное число. Оно представляет собой отношение зубьев количества зубьев ведомой шестерни по отношению к числу зубьев ведущей шестерни.

У пониженной передачи – наибольшее передаточное число, а у повышенной передачи, наоборот, наименьшее передаточное число.Чем ниже передаточные числа, тем быстрее транспортное средство способно разогнаться.При изменении передаточных чисел и скорости транспортного средства для кратковременного отключения коробки передач применяется сцепление.

Коробка передач в элементарном виде состоит из

- картера

-трех валов:

ведущего

ведомого

промежуточного

- оси шестерни заднего хода

-набора шестерен

-крышки с механизмом переключения передач

Рис.1. Схема ступенчатой коробки передач:

1 – картер, 2 – набор подвижных шестерен, 3 – промежуточный вал, 4 – шестерня постоянного зацепления, 5 – первичный (ведущий) вал, 6 – шлицы первичного вала, 7 – зубчатый венец, 8 – крышка с механизмом переключения передач, 9 – вторичный (ведомый) вал, 10 – блок шестерен заднего хода, 11 – ось шестерен заднего хода.

Картер 1 коробки передач, отлитый обычно из серого чугуна, имеет гнезда для установки валов и осей, два отверстия: боковое – для заполнения маслом до расчетного уровня и нижнее – для выпуска отработавшего масла. Закрывается картер верхней и боковой крышками.

Ведущий (первичный) вал 5 изготовлен совместно с шестерней и зубчатым венцом 7, находящихся в постоянном зацеплении с шестерней 4 промежуточного вала 3 и шлицами 6, на которых перемешается ступица ведомого диска механизма сцепления.

Ведомый (вторичный) вал 9 имеет шлицевую поверхность, по которой перемещаются шестерни 2 (каретки) первой, второй и задней передач, третьей и четвертой передач. Ведомый и ведущий валы расположены на одной оси, причем передняя опора ведомого вала вращается в цилиндрическом подшипнике, установленном в выточке ведущего вала.

Промежуточный вал 3 имеет жестко укрепленный на валу набор шестерен, образующий блок шестерен. Промежуточный вал вращается одновременно с ведущим, потому что их шестерни находятся в постоянном зацеплении.

У заднего хода шестерня одна или выполнена в виде блока, состоящего из двух шестерен, вращающихся на оси.

На рисунке 2 показана схема работы ступенчатой коробки передач. Крутящий момент от ведущего вала 1 передается через шестерню 2 на шестерню 7 постоянного зацепления промежуточного вала 5 и через шестерни 6 и 3 на ведомый вал 4. Благодаря подбору шестерен (диаметр шестерни 7 больше диаметра шестерни 2) крутящий момент на промежуточном вале увеличивается (рис.2 а). По той же причине возрастает крутящий момент от промежуточного вала к ведомому. Такая передача называется понижающей. Объясняется это «золотым правилом» механики: выигрываем в силе, проигрываем в скорости.

Рис.2. Схема работы ступенчатой коробки передач:

1 – первичный (ведущий) вал, 2 – зубчатый венец (шестерня) первичного вала, 3 – шестерня третьей и четвертой передач, 4 – вторичный (ведомый вал), 5 – промежуточный вал, 6 – шестерня третьей передачи, 7 – шестерня постоянного зацепления, 8 – шестерня первой передачи и заднего хода, 9 – шестерня заднего хода, 10 – шестерня первой передачи и заднего хода промежуточного вала.

а) включена понижающая передача,

б) включена прямая передача,

в) включен задний ход.

Для получения прямой передачи (рис.2 б) шестерню 3 с ее внутренними зубьями вводят в зацепление с наружными зубьями шестерни 2 (шестерня 2 входит в шестерню 3). При этом крутящий момент от ведущего вала передается непосредственно на ведомый, и они вращаются как одно целое. Такая передача называется прямой передачей (передаточное число равно 1). Передаточное число – это отношение диаметра или числа зубьев ведомой шестерни к ведущей (обозначается буквой i).

При включении заднего хода (рис.2 в) между шестерням и промежуточного и ведомого валов вводят шестерню заднего хода 9, обеспечивающую вращение ведомого вала в сторону, противоположную вращению ведущего вала.

Передаточное число – это не что иное как отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей (КПП или редуктора). На практике это выглядит следующим образом. Если одна (ведомая) шестерня имеет 60 зубьев, а другая (ведущая) – 30, то передаточное число данной пары равно 2 (60:30).

Передаточное число – одна из основных характеристик зубчатых передач, которые обеспечивают передачу крутящего момента от двигателя на привод какого-либо другого устройства (узла). При этом данный механизм позволяет увеличивать или уменьшать величину передаваемого момента. Например, изменяя число зубцов на обеих шестернях, можно увеличивать или уменьшать передаваемый от двигателя к «потребителю» крутящий момент. В обычных автомобилях момент, передаваемый от двигателя внутреннего сгорания к ведущим колесам через КПП (кроме 4-й, 5-й и 6-й передач) и редуктор ведущего моста, увеличивается. Во многих внедорожниках величину передаваемого момента дополнительно изменяет раздаточная коробка с пониженным рядом передач.Величина передаточного числа в КПП и редукторе влияет на такие характеристики как разгонная динамика и максимальная скорость автомобиля. Применительно к ступеням КПП с разными передаточными числами это выглядит так: чем больше данное число, тем «короче» и «тяговитее» передача, то есть мотор при разгоне быстрее раскручивается до максимальных оборотов, а машина интенсивнее ускоряется. Правда, при этом снижается максимальная скорость на данной передаче. Следовательно, возникает необходимость в более частом переключении.На разгонную динамику в такой же степени влияет и передаточное число главной пары редуктора. Чем оно выше, тем автомобиль динамичнее, лучше тянет на всех передачах, но максимальная скорость при этом ниже. Уменьшая передаточное число, повышают максимальную скорость (если у двигателя есть так называемый запас мощности), но проигрывают в разгонной динамике авто. Например, установка главной пары 4,1 или 4,3 вместо 3,9 делает ВАЗ-2107 болеединамичным, но менее скоростным.Стоит отметить, что передаточные числа трансмиссии подбираются в зависимости от мощностных и моментных характеристик двигателя, размера колес, возможностей тормозной системы, а если автомобиль тюнингуют, учитываются еще и пожелания автовладельца.

Синхронизаторы

Синхронизаторы – неотъемлемый элемент КПП с шестернями – кроме решений со скользящими шестернями. Физически работа синхронизаторов обязана силе трения.

Функция синхронизаторов – выравнивание частоты вращения шестерен и валов, благодаря чему создаются все условия для плавного переключения скоростей. Благодаря синхронизаторам КПП меньше изнашивается и меньше шумит.Синхронизаторы активно присутствуют у М К П и роботизированных КПП. У автомобилей с планетарными АКП альтернатива синхронизаторам – фрикционные управляющие элементы. Синхронизаторы состоят из муфты, блокировочных колец, стопорного кольца, пружины, шестерён.

Как работает стандартный синхронизатор

Муфта подается в сторону шестерни.Блокировочное кольцо муфты принимает на себя усилие.Поверхности зубьев начинают взаимодействовать.Блокировочное приобретает положение “на упор”.Зубья муфты оказываются напротив зубьев блокировочного кольца.Муфта оказывается в зацеплении с венцом на шестерне.Муфта и шестерня блокируется.Казалось бы шагов достаточно много, но все это происходит за доли секунд – в момент включения водителем передачи.

Рекомендации по изучению темы:

1. Ознакомиться с учебным материалом.

2. Составить конспект в тетради.

3. Ответить на контрольные вопросы:

1. Назначение коробки передач?

2. Назовите типы КПП?

3. Понятие о передаточном числе?

4. Для чего служит синхронизатор?