Бесступенчатые передачи

Фрикционные бесступенчатые передачи

Фрикционные бесступенчатые передачи с гибким звеном и раздвижными коническими шкивами (рис. 4) обеспечивают малое изменение передаточного числа при изменении нагрузки, отличаются высокой надёжностью, но имеют большие габариты. В бесступенчатых передачах с гибким звеном (клиновым ремнем или специальной роликовой цепью) передаточное число изменяется: принудительным согласованным сближением одной пары конусов и раздвижением другой при помощи механизма управления (рис. 4, а); осевым перемещением одной пары конусов принудительно, а другой под действием пружины (рис. 4, б); изменением межосевого расстояния (А) при одном подпружиненном и другом закрепленном шкиве (рис. 4, в).

Бесступенчатые передачи зацепления с гибким звеном отличаются высокими эксплуатационными качествами, но сложны в изготовлении. Основные элементы этой передачи: раздвижные зубчатые конусы и пластинчатая цепь. Звенья цепи имеют поперечные окна, в которые вставлены пакеты тонких пластин (рис. 5). Против выступов на одном конусе располагаются впадины другого так, что при перемещении в осевом направлении пластины принимают форму зубьев, осуществляя зацепление.

Фрикционные бесступенчатые передачи с жёстким звеном компактны и имеют обычно жёсткую механическую характеристику, но требуют значительных сил для прижатия рабочих тел и создания необходимого трения между ними; имеют пониженную надёжность в эксплуатации из-за возможности пробуксовки и повреждения рабочих поверхностей. Кпд и долговечность этих бесступенчатых передач в значительной степени зависят от геометрического скольжения, возникающего в результате неравенства скоростей ведущего и ведомого звеньев на линии контакта. Чем больше относительная скорость скольжения Vck на линии контакта, тем ниже кпд Б. п. и больше износ трущихся поверхностей.

На рис. 6 показаны схемы некоторых бесступенчатых передач, расположенных в порядке уменьшения геометрического скольжения. Многодисковые бесступенчатые передачи (рис. 6, а), несмотря на невыгодную схему геометрического скольжения, широко применяются для средних и больших мощностей (до сотен квт) из-за благоприятных условий образования масляного клина в местах контакта и наличия большого числа узких контактных поверхностей. В лобовой бесступенчатой передаче (рис. 6, б) с коническим роликом при совпадении вершины конуса А с точкой А, геометрическое скольжение отсутствует, а в других положениях оно существенно меньше, чем у бесступенчатых передач с цилиндрическим роликом (рис. 6, в). В схеме торовой бесступенчатые передачи (рис. 6, г) очень малое геометрическое скольжение во всех положениях роликов и практически отсутствует в положениях, когда вершина А конической поверхности, условно заменяющей сферическую поверхность ролика, находится в точках А1 и А2, на геометрической оси чашек. Бесступенчатые передачи этого типа выполняются с 2 и 3 роликами, отличаются высоким кпд и компактностью. Недостатком их являются сложность изготовления, ремонта и пониженная надёжность. Бесступенчатые передачи с точечным контактом имеет промежуточные стальные шары (рис. 7), положение физических или геометрических осей которых изменяется механизмом управления.

В импульсных бесступенчатых передачах вращательное движение ведущего вала преобразуется в качательное (колебательное) или в неравномерное вращательное движение промежуточных звеньев, от которых через механизмы свободного хода движение передаётся ведомому валу. Передаточное число устанавливается механизмом управления, изменяющим амплитуду колебаний или скорость промежуточных звеньев. Неравномерность скорости ведомого звена частично сглаживается его инерцией.

Вариаторная передача

В основе своей механическая, а поэтому работающая с небольшими потерями бесступенчатая трансмиссия с внешним управлением, которое позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым, давая возможность максимально эффективно использовать его мощность. В технике существует множество различных конструкций такого типа, но на автомобиле получили распространение два вида вариаторов – клиноременной и тороидный.

Клиноременной вариатор состоит из нескольких (как правило, одной – двух) ременных передач, где шкивы образованы коническими дисками, за счет сдвигания и раздвигания которых изменяются диаметр шкивов и, соответственно, передаточное число.

Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Управление дисками шкивов осуществляет электронная система из сервоприводов, блока управления и датчиков.

Разные фирмы разработали каждая свою конструкцию клиноременного вариатора, так на Audi в трансмиссии Multitronic вместо ремня применяют цепь, а Honda ставит набранный из металлических пластин ремень, но принцип от этого не меняется.

Одной из первых вариаторных передач, нашедших практическое применение, была клиноременная передача, устанавливаемая на шведских автомобилях «Вольво».

Вариатор на автомобиле «Вольво» установлен в трансмиссии между главной передачей и ведущими колесами. Изменение передаточного числа в вариаторе происходит автоматически за счет изменения диаметров шкивов. Ведущая шестерня 1 главной передачи находится в зацеплении с двумя шестернями 2 и 5, свободно сидящими на валу 3. Шестерни могут соединяться с валом через кулачковую муфту 4, при включении левой шестерни происходит движение автомобиля вперед, правой – задний ход.

На обоих концах поперечного вала 3 закреплены ведущие шкивы вариатора 6. Левая часть шкива закреплена на валу жестко, правая может перемещаться вдоль оси вала. Подвижный правый шкив соединен с грузиками центробежного регулятора 11 и с поршнем цилиндра, связанного с впускным трубопроводом двигателя. Ведомый шкив 8 также состоит из двух частей, при этом правая неподвижна на ведомом валу, а левая подвижна в осевом направлении и нагружена пружиной 9. Ведомый вал вариатора через редуктор связан с ведущими колесами автомобиля.

Работает вариатор следующим образом. При малой частоте вращения коленчатого вала (начало трогания автомобиля) пружина 9 выжимает ремень на ведомом шкиве на больший радиус. Вследствие малой частоты вращения и  сдвинутых грузиков регулятора 11 половины 6 ведущего шкива раздвинуты за счет действия пружины 14, и ремень располагается на малом радиусе. Передаточное число наибольшее. По мере разгона автомобиля и увеличения частоты вращения вала 3 увеличивается сила действия центробежного регулятора, которая смещает подвижную часть шкива и увеличивает его рабочий диаметр. Разрежение, создаваемое во впускных трубопроводе двигателя, передается в цилиндр 13, связанный с подвижной частью шкива. При уменьшении нагрузки, когда разрежение во впускном трубопроводе возрастает, рабочий диаметр шкива ведущего увеличивается, уменьшая передаточное число. Таким образом, осуществляется автоматическое изменение передаточного числа вариатора в зависимости от скорости движения и нагрузки двигателя.

В результате развития электроники появились бесступенчатые коробки передач с электронным управлением, представителем которых является  коробка передач «Ауди» для модели А6 2.8, оснащенной двигателем мощностью 193 л. с. с крутящим моментом 280 Н.м.

Основными элементами бесступенчатой коробки передач автомобиля А6 2.8 являются: механизм включения для начала движения (фрикционы с дисками в масле), ведущий и ведомый шкивы с аксиально перемещаемыми дисками и сталь­ной ремень, предназначенный для пере­дачи мощности; система электронно-гидравлического управления коробкой передач; узел движения задним ходом; главная передача с дифференциалом.

Вариатор состоит из ведущего и ведомого конических шкивов с аксиально перемещаемыми дисками, и передающей вращения специальной цепи. На ведущий привод передается вращения от двигателя через промежуточный передаточный механизм, ведомый привод передает крутящий момент на дифференциал. При передачи движения цепь всегда натянута.

Для плавного трогания с места при включения передачи переднего и заднего хода служит многодисковое сцепления включаемое с помощью гидравлики. Изменение направления вращения производится с помощью шестерен планетарного механизма.

Для привода ведомого шкива применяется многорядная стальная цепь, при этом со шкивами контактируют не сегменты ремня, как было в прежних конструкциях, а скошенные торцы соединительных осей звеньев. Чтобы исключить проскальзывание, прижим скошенных торцов осуществляется сложной следящей гидравлической системой, которая создает в каждый момент необходимое давление от 20 до 60 кгс/см2. В результате износ штифтов составляет лишь 0,2 мм за весь срок службы.

Цепь обеспечивает не только передачу значительной нагрузки, но еще и изменение передаточного отношения в диапазоне от 1:2,1 до 1:12,7. Это позволило отказаться от гидротрансформатора, а значит, и от дополнительных потерь мощности.

Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронного блока управления. Для принятия определенного решения в блок управления поступает информация от различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала двигателя, частоты вращения входного передаточного механизма, положения педали подачи топлива, крутящего момента двигателя, температуры масла в коробке передач.

Электронный блок управления способен распознать по характеру движения педали подачи топлива, какой режим предпочитает водитель – экономичный или спортивный. В последнем случае уже со скорости 60 км/ч вариатор включает режим «овердрайв», то есть занижает передаточное отношение.  При энергичном нажатии педали подачи топлива включается спортивный режим. Блок управления реагирует включением пониженной передачи и на наличие прицепа или крутого подъема, необходимость торможения двигателем. Программа блока управления позволяет работать коробке передач в ручном режиме, когда из памяти извлекаются заранее запрограммированные значения передаточного отношения. В этом случае бесступенчатая коробка действует как шестиступенчатая коробка передач с последовательным переключением.

Ауди с бесступенчатой коробкой передач расходует на 0,9 л/100 км меньше топлива, чем с традиционной автоматической коробкой, и на 0,2 л меньше, чем с механической пятиступенчатой коробкой передач. При этом разгон до 100 км/час занимает соответственно на 1,3 с и на 0,1 с меньше времени.

К бесступенчатым передачам относится и тороидный вариатор, применяемый в автомобилях японского производства «Глория» и «Скайлайн».

Вариатор состоит из соосных дисков ведущего 1, ведомого 2 и промежуточных роликов, передающих момент от одного диска к другому. Один диск является ведущим, а другой – ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями дисков и роликов. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски.

В зависимости от угла поворота ролика ведомый диск может вращаться с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей или меньшей (если ролик поворачивается).

Поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску (до 3000 Нм). Возможность передачи таких усилий обеспечивается применением высококачественных сталей, особых масел и специальной системой, в которой управляемый электронным блоком управления прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам.  Кроме того, чтобы раз­грузить детали и уменьшить размеры тороидной коробки передач, в ней работают два вари­атора. При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления. Задний ход обеспечива­ет планетарная передача, а для нейтральной передачи используется гидро­трансформатор.

Для смазки бесступенчатых коробок передач специальное масло с маркировкой CVT, которое не совместимо с маслом ATF, применяемом для традиционных автоматических коробок передач.

Заключение

Подводя итог рассказу о типах бесступенчатых передач и общему принципу действия этих механизмов, хотелось бы сказать, что в настоящее время бесступенчатые коробки передач постепенно находят широкое применение в автотранспортных средствах. В данный момент производители пытаются устранить некоторые существенные недостатки по сравнению с механическими ступенчатыми коробками (размер, масса, диапазон преобра­зования, производственные расходы, к.п.д. коробки передач, компоновочные ограничения).

Приложение

Рис. 1. Гидродинамические передачи: а — гидротрансформатор; б — гидромуфта; 1 — рабочее колесо насоса, установленное на ведущем валу; 2 — рабочее колесо гидротурбины, установленное на ведомом валу; 3 — неподвижный направляющий аппарат — реактор. Стрелками показано направление потока рабочей жидкости.

Рис. 2. Объемная гидропередача вращательного движения с объемным регулированием

Рис. 3. Фрикционная бесступенчатая передача с гибким звеном и раздвижными шкивами: 1 — гибкое звено; 2 — управляемый шкив; 3 — подпружиненный шкив; 4 — постоянный шкив; 5 — цапфы.

Рис. 4. Бесступенчатая передача зацепления: 1 — пластинчатая цепь; 2 — пластины; 3 — зубчатые конусы.

Рис. 5. Фрикционная бесступенчатая передача с жёсткими звеньями (скорость геометрич. скольжения показана при наибольшей нагрузке): а — многодисковая (установка передаточного числа производится изменением межосевого расстояния А); б — лобовая с коническим роликом; в — лобовая с цилиндрическим роликом; г — торовая.

Рис. 6. Бесступенчатая передача с промежуточными шарами: а — с изменением наклона физической оси вращения шаров; б — с изменением наклона геометрической оси шаров (механизмы управления не показаны).