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, ти 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 > iмреактор автоматически начинает вращаться свободно и перестает воздействовать на поток. С этого момента и при дальнейшем увеличении iпередача работает в режиме гидромуфты. Такой гидротрансформатор называют комплексным.
Согласно выражению (6.23)зависимость КПД гидромуфты от iизображается прямой, проходящей через начало координат под углом 45° к осям. Поэтому при i > iмв 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.