Автолюбителю

Легковые автомобили

Учебное пособие для средней школы

3.1. Для чего нужна трансмиссия легковому автомобилю?

Назначение устройств трансмиссии. Любой легковой автомобиль с ДВС имеет ряд устройств, которые называются трансмиссией. К таким устройствам относятся главные передачи, коробки передач, сцепления, дифференциалы и карданные передачи, а у автомобилей со всеми ведущими колесами (у полноприводных машин)  и раздаточные коробки.

Устройства трансмиссии служат для передачи и изменения крутящего момента от двигателя к ведущим колесам. Ведущие колеса автомобиля взаимодействуют с дорогой, в результате такого взаимодействия возникает сила тяги, которая является движущей силой автомобиля (подробнее о работе колеса написано в следующей главе).

Сделать автомобиль с ДВС без трансмиссии невозможно. На всех автомобилях легковых, грузовых и автобусах устанавливается трансмиссия. Даже велосипед, который, как известно, не следует изобретать, обладает простейшей трансмиссией — цепной передачей. Первые автомобили также имели цепную передачу в трансмиссии. А для чего нужна цепная передача на велосипеде?

Чтобы ехать на велосипеде быстро, нужна высокая частота вращения заднего ведущего колеса. Для этого можно увеличить его диаметр или применить цепную передачу, сделав число зубьев ведущей звездочки значительно больше числа зубьев ведомой звездочки, установленной на задней втулке.

Отношение числа зубьев ведомой звездочки к числу зубьев ведущей представляет собой передаточное число трансмиссии велосипеда. Оно много меньше единицы.

На автомобиле педали велосипеда заменяет двигатель, частота вращения коленчатого вала которого достигает 5 тыс. об/мин и выше. А вот автомобильные колеса вращаются значительно медленней. При скорости движения легкового автомобиля до 100 км/ч частота вращения колес составляет лишь сотни оборотов в минуту. Для того чтобы передать крутящий момент от двигателя к ведущим колесам, необходимо устройство, которое бы постоянно уменьшало частоту вращения. В отличие от велосипеда на первых автомобилях передаточное число цепной передачи было больше единицы.

Главная передача. Устройство в трансмиссии автомобиля, которое постоянно уменьшает частоту вращения, является главной передачей. Уменьшение частоты вращения механизмов трансмиссии после главной передачи приводит к увеличению крутящего момента. По законам механики, уменьшая скорость или частоту вращения, можно выиграть в силе или крутящем моменте, а повышение крутящего момента с помощью главной передачи увеличивает силу тяги на колесах.

К сожалению, одной главной передачей в трансмиссии легкового автомобиля не обойтись. Во время движения двигателю непрерывно приходится затрачивать энергию на преодоление различных сопротивлений. При трогании с места и разгоне нужно преодолеть инерцию автомобиля. При движении с большой скоростью начинает существенно возрастать сопротивление от встречных потоков воздуха. Еще больше может быть сопротивление, когда автомобиль движется в крутую гору или по бездорожью: песку, снегу, грунтовой дороге. Если сравнить движение автомобиля по ровной асфальтовой дороге с его движением в гору или по бездорожью, то сопротивление в последних двух случаях может возрасти в 10 и более раз. Во столько же раз должны увеличиться крутящий момент двигателя и сила тяги.

ДВС не в состоянии во столько раз увеличивать крутящий момент. Изменение крутящего момента и мощности ДВС можно показать на его скоростной характеристике. Графики изменения крутящего момента М, мощности N, а также удельного расхода топлива g, при полностью открытой дроссельной заслонке называют внешней скоростной характеристикой (рис. 3.1, а)..По горизонтальной оси отложена частота вращения коленчатого вала. Она изменяется от частоты вращения холостого хода пт1п до максимального значения птах. Превышать птах нельзя, иначе двигатель «пойдет вразнос», т. е. выйдет из строя. По вертикальной оси отложены: крутящий момент М, мощность N и удельный расход топлива g (расход топлива за час работы, отнесенный к мощности N).

Максимальные момент и мощность ДВС достигаются при частотах вращения коленчатого вала двигателя, значительно превышающих nmin. За счет увеличения частоты вращения крутящий момент двигателя повышается лишь в 1,15...1,2 раза. Если установить на автомобиле двигатель с большим запасом мощности, то значительного увеличения крутящего момента можно достичь, увеличивая или уменьшая- подачу топлива. Но такой двигатель часто будет работать с недогрузкой и иметь большой перерасход топлива, кроме того, значительно возрастут масса и стоимость автомобиля.

Коробка передач. Устройствами трансмиссии, которые повышают крутящий момент двигателя в зависимости от увеличения сопротивления движению, являются коробки передач. «Идеальной» коробкой передач можно считать такую коробку, которая непрерывно и автоматически изменяла бы крутящий момент двигателя в зависимости от сопротивления движению. Такие коробки называются бесступенчатыми. Сделать бесступенчатую коробку передач непросто: Часто для этой цели используют сложные гидравлические, или электрические устройства.

На большинстве легковых автомобилей применяют ступенчатые механические коробки"передач, изменение крутящего момента в которых производится с помощью зубчатых передач. Отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей называют передаточным числом. Набором шестерен можно получить различные передаточные числа коробки передач. Набор шестерен с определенным передаточным числом образует передачу. Передачи с большим передаточным числом называют низшими, с меньшим — высшими. Во время разгона автомобиля водитель переключает передачи с низших на высшие (с первой на вторую, со второй на третью и т. д.), а при возрастании сопротивления движению приходится, уменьшая скорость, переключать передачи с высших на низшие. Как работает ступенчатая коробка, можно показать на графиках рисунка 3.1,6. По горизонтальной оси отложено изменение скорости движения автомобиля от 0 до максимальной vmax, по вертикальной — сила тяги Р и мощность двигателя N.. Справа изображена внешняя характеристика двигателя по изменению крутящего момента М. График изменения силы тяги Р при изменении скорости движения представляет собой гиперболу (рис. 3.1,6): на малой скорости v и большом сопротивлении движению сила тяги Р значительная, а на большой скорости v и при малом сопротивлении движению Р резко падает. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления движению, сохраняется постоянной, а изменение силы тяги Рк называют идеальной характеристикой. Чем больше передач в коробке передач, тем ближе тяговая характеристика автомобиля со ступенчатой коробкой к характеристике идеальной коробки.

Сцепление. В отличие от электрических двигателей или паровых машин ДВС не могут работать при неподвижном коленчатом вале. При трогании с места, а также при переключении передач в ступенчатых коробках необходимо устройство, плавно соединяющее двигатель с трансмиссией. Такое устройство в автомобилях называют сцеплением.

На легковых автомобилях наибольшее распространение получили механические фрикционные сцепления. Они состоят из двух основных частей: ведущей, связанной с двигателем, и ведомой, соединенной с коробкой передач. За счет трения между ведущими и ведомыми частями и удается плавно соединять двигатель с трансмиссией.

Сначала на автомобилях применялись так называемые конусные сцепления. В маховике двигателя вытачивали коническую поверхность, а на вал коробки передач надевали подвижную деталь в виде конуса. Для того чтобы выключить сцепление, нужно было отвести конус от маховика, преодолевая сопротивление пружины, прижимающей конус к маховику. Выключить сцепление можно было, как тогда говорили, выжимая конус. Силу трения между коническими поверхностями создавали кожаные фрикционные накладки, которые смазывали жиром. На смену конусному сцеплению пришло дисковое. Масса диска значительно меньше массы конуса, отводить его от маховика двигателя было легче. В первых дисковых сцеплениях применяли несколько тонких дисков. Для плавного соединения ведомых и ведущих частей, отвода тепла при работе сцепления диски смазывались маслом. Постепенно число дисков уменьшалось, их снабдили фрикционными накладками, которым не требовалась смазка, т. е. сцепление стало сухим.

Длительное время'в трансмиссиях автомобиля использовались цепные передачи. Цепная передача была главной и связывала трансмиссию с подвижными ведущими колесами. Цепная передача имела много недостатков: цепи быстро изнашивались, приходилось часто регулировать их натяжение и производить смену цепей. В 1923 г. в Советском Союзе был проведен испытательный пробег легковых автомобилей иностранных марок. Среди них был автомобиль известной фирмы «Мерседес-Бенц». Эта машина имела восьмицилиндровый двигатель мощностью 100 л. с. и цепную передачу в трансмиссии. Несмотря на большую мощность, автомобиль часто отставал от колонны из-за необходимости смены цепей. От цепной передачи отказались, когда были разработаны главные передачи с зубчатыми колесами. Первый серийный советский автомобиль «АМО-Ф-15» (начало выпуска 1924 г.) уже не имел цепной передачи в трансмиссии.

Синхронизаторы. На первых автомобилях устанавливались механические ступенчатые коробки передач (коробки скоростей) с тремя передачами вперед и одной назад. В 30-х гг. для облегчения переключения передач были созданы специальные механизмы — синхронизаторы. Синхронизаторы значительно облегчили управление коробкой передач и повысили срок ее службы.

В течение многих лет предпринимались попытки сделать автоматические бесступенчатые коробки передач. Для изменения крутящего момента использовали различные гидравлические, электрические и механические устройства. В нашей стране на представительных лимузинах «ЗИЛ» и «ГАЗ»,  а также на  автобусах и  большегрузных автомобилях устанавливаются гидромеханические коробки передач. Попробовали ставить такие коробки и на автомобиль «ГАЗ-21» («Волга»), но конструкция себя не оправдала — коробка передач оказалась громоздкой и ненадежной, увеличился расход топлива, ухудшился разгон автомобиля. Аналогичные неудачи потерпели и другие отечественные и зарубежные автозаводы, которые пытались в 60-х гг. оснастить бесступенчатыми гидромеханическими коробками недорогие, среднего класса автомобили. В применении бесступенчатых коробок передач в то время исключение составила голландская фирма ДАФ. Она сумела создать простую и достаточно надежную конструкцию бесступенчатой коробки, в которой изменение крутящего момента производилось с помощью клинового ремня.

Для того чтобы при повороте автомобиля не происходило проскальзывания колес и изнашивания шин, колеса должны вращаться с разными угловыми скоростями (иметь разные частоты вращения). С этой целью в трансмиссиях устанавливают дифференциалы.

Непростой для конструкторов легковых автомобилей была задача сделать привод на ведущие колеса. У передне- и полноприводных автомобилей ведущие колеса, кроме наличия вертикальных перемещений, еще и поворачиваются на значительные углы под действием рулевого управления. Для привода ведущих колес потребовались устройства, допускающие при передаче крутящего момента изменение углов между подвижными валами. Так появились карданные передачи и различные шариковые шарниры. На полноприводных автомобилях для передачи крутящих моментов на передние и задние колеса пришлось устанавливать дополнительно раздаточные коробки и межосевые дифференциалы.

1. Общее устройство трансмиссии

2. Сцепление

3. Коробка передач

4. Раздаточная коробка

5. Карданная передача

6. Главная передача

7. Дифференциал и полуоси

8. Передний ведущий мост