Снижение усилий включения передач ступенчатой

Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Автомобили».
Снижение усилий включения передач ступенчатой коробки
передач на основе рационализации фазы постблокирования
Крейдерман А.Е.
МГТУ «МАМИ»
Свыше семи десятилетий шестеренчатые коробки передач автомобилей оснащаются
специальными приспособлениями — синхронизаторами — для уравнивания скоростей
вращения вала и включаемых шестерен перед жестким соединением зубчатыми муфтами.
Применение синхронизаторов явилось одним из наиболее важных усовершенствований
ступенчатых коробок передач с неподвижными осями валов, которые в силу простоты
конструкции и универсальности имеют наибольшее распространение на транспортных
машинах и, по-видимому, еще надолго сохранят свое главенствующее значение.
Синхронизаторы обеспечивают бесшумное переключение передач, увеличение
долговечности шестерен и зубчатых муфт, снижение нервной напряженности водителя,
повышение динамических качеств машины и безопасности движения. Эти преимущества
перед прежними способами переключения шестерен, наряду с простотой конструкции и
изготовления синхронизаторов и возможностью их установки на месте обычных
скользящих зубчатых муфт без изменения размеров коробок передач, способствовали
быстрому и широкому распространению синхронизаторов в отечественном и зарубежном
автомобилестроении. Теперь на легковых автомобилях не применяют трансмиссии без
синхронизаторов.
Оснащение шестеренчатой коробки передач инерционными синхронизаторами не
лишает водителя возможности использовать двойные выключения сцепления и подачу
промежуточного газа для уравнивания угловых скоростей вала и шестерни включаемой
передачи перед жестким соединением их зубчатой муфтой. Выполнение этих приемов
желательно, так как они способствуют более длительной сохранности тормозных
поверхностей
синхронизатора.
Однако
преимущество
коробки
передач
с
синхронизаторами заключается в том, что даже при неквалифицированном пользовании
двойным выключением сцепления и подачей промежуточного газа или в случаях
экстренного переключения, когда у водителя нет времени на выполнение этих
специальных приемов, включение шестерни всегда происходит безударно. Это очень
важно с точки зрения надежности трансмиссии и безопасности движения.
Преимущества коробок передач с синхронизаторами перед коробками передач без
синхронизаторов в наибольшей мере проявляются на гусеничных транспортных машинах
и многоприводных автомобилях высокой проходимости, эксплуатируемых главным
образом в условиях бездорожья и на дорогах с большим сопротивлением движению. Для
таких машин по условиям динамики движения предельно допустимое время
переключения передач измеряется иногда долями секунды, и водитель не успевает выполнить специальные приемы для уравнивания скоростей вращения переключаемых
деталей, обладающих большими инерционными массами.
Что же такое синхронизаторы и для чего необходимы так называемые
«синхронизационные системы»? Синхронизационные системы согласовывают различные
скорости работающих передач и вала.
В настоящее время доступны следующие системы:
- кулачковая муфта. Как прямое включение передач без синхронизации;
многодисковый
синхронизатор: синхронизация посредством дисков с
фрикционной поверхностью, которые подходят для трансмиссий автомобилей с очень
мощными двигателями;
- конусная фрикционная муфта – искусная форма для МКП, спроектированная как
блокирующий синхронизатор;
Используются следующие виды блокирующих (инерционных) синхронизаторов:
- одноконусный синхронизатор;
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
202
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Автомобили».
- многоконусный синхронизатор.
Рисунок 1
Рассмотрим принцип действия простейшего одноконусного
инерционного
синхронизатора (рис 2). Синхронизатор служит для бесшумного переключения передач
путем выравнивания угловых скоростей включаемых элементов. Он состоит из ступицы 1,
муфты 2, двух блокировочных колец 3, трех сухарей 4, двух проволочных колец 5.
Ступица устанавливается на шлицах вторичного вала и жестко фиксируется. На ступице
нарезаны наружные зубья и пазы под сухари. Муфта расположена на зубьях ступицы и в
среднем положении удерживается сухарями, выступы которых входят во внутреннюю
кольцевую канавку муфты. Сухари прижимаются к муфте упругими кольцами (как
вариант, вместо колец могут использоваться подпружиненные шарики). Бронзовые
блокировочные кольца имеют наружные зубья со скосами и впадины под сухари; ширина
впадин несколько больше ширины сухарей. Кольцо может провернуться относительно
ступицы на величину разницы ширины паза кольца и ширины сухаря. Для увеличения сил
трения на конической поверхности кольца нарезана резьба и выполнены продольные
канавки.
Работает синхронизатор следующим образом. При включении передачи вилка
переключения перемещает муфту в направлении шестерни включаемой передачи. При
перемещении муфты усилие через сухари передается на одно из блокировочных колец,
которое вместе с муфтой перемещается относительно ступицы в сторону включаемой
шестерни до соприкосновения с ее конической поверхностью (процесс подготовки
синхронизации). Вследствие разности угловых скоростей включаемой шестерни и
ведомого вала на конических поверхностях возникает сила трения, которая поворачивает
блокировочное кольцо до упора его в сухари. При этом зубья блокировочного кольца
станут напротив зубьев муфты и дальнейшее перемещение муфты становится
невозможным (процесс синхронизации). После выравнивания угловых скоростей
шестерни и синхронизатора сила, сместившая блокировочное кольцо, исчезает; под
действием усилия водителя оно вернется в первоначальное положение, чему
способствуют скосы на зубьях муфты и кольца (процесс разблокировки). После этого
муфта свободно проходит между зубьями блокировочного кольца и соединяется с зубьями
малого венца включаемой шестерни (процесс включения передачи). При этом гребни
сухарей выходят из кольцевой проточки муфты, а сухари утапливаются, преодолевая
упругую силу кольцевых пружин. Шестерня жестко соединяется со вторичным валом,
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
203
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Автомобили».
передача включается. Весь процесс занимает время порядка нескольких миллисекунд. С
помощью одного синхронизатора можно поочередно включать две передачи в коробке.
Рисунок 2
Таким образом, процесс синхронизации инерционного синхронизатора состоит из
четырех этапов: подготовка, синхронизация, разблокировка и включение. Первые три
этапа хорошо исследованы отечественными и зарубежными учеными и инженерами, что
же касается последнего этапа, то данная фаза не рассматривалась как в зарубежных, так и
отечественных научных изысканиях, ввиду сложившегося мнения, что на данном этапе
происходит только процесс зацепления зубьев муфты с зубьями малого венца включаемой
зубчатой шестерни. Однако анализ информации и графиков, предоставленных фирмой
INA, а также бюро исследований и доводки трансмиссии АЗЛК-УКЭР, показывает, что на
этапе включения, усилия на штоке переключения передач могут быть значительными
даже в сравнении с усилиями в процессе синхронизации.
На приведенном ниже графике фирмы INA (рис.3) показана зависимость усилия на
штоке переключения передач от перемещения рычага коробки передач. Как видно на
графике отмечены характерные точки, соответствующие окончанию определенного этапа
в процессе синхронизации. Точке 1 соответствует максимальное усилие в процессе
подготовке к синхронизации, точке 2 – максимальное усилие в процессе синхронизации,
точке 3 – максимальное усилие в процессе включения, точке 4 – максимальное усилие при
полном включении передаче, а отрезку 5 соответствуют усилия в процессе возврата штока
переключения передач в нейтральное положение.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
204
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Автомобили».
Рисунок 3
Данная зависимость было построена на основании теоретических исследований,
проведенных фирмой INA в рамках изучения переключения передач в механической
коробке передач.
На следующем графике (рис. 4) показаны усилия на штоке переключения передач в
процессе переключения с 1-ой на 2-ю, а также со 2-ой на 3-ю передачу в полностью
синхронизированной механической коробке передач.
Рисунок 4
Можно отметить, что при переключении со 2-ой на 3-ю передачу и с 3-ей на 2-ю
пиковые усилия на штоке переключения передач в процессе синхронизации и в процессе
включения передачи являются величинами соизмеримыми и близкими по своему
значению, что является негативным фактором при управлении автомобилем, т.к. на этапе
включения выбранной передачи водителю приходится преодолевать усилия как на этапе
синхронизации, так и на этапе включения передачи.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
205
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Автомобили».
Исследования по определению усилий включения передачи, проведенные в бюро
исследований и доводки трансмиссий АЗЛК-УКЭР, дали следующую графическую
зависимость (рис. 5), которая в свою очередь подтверждает существование проблемы
включения передачи ступенчатой коробки передач.
Рисунок 5
Проанализировав зависимости 3 и 4, можно отметить, что усилия при включении
передачи на рычаге переключения передач гораздо выше, нежели усилия при
синхронизации-разблокировке. А усилия включения в зависимостях 1 и 2 соизмеримы по
своему абсолютному значению с усилиями в процессе синхронизации-разблокировке на
рычаге переключения передач.
Чем же обусловлено чрезмерное усилие на штоке переключения передач в процессе
включения? Попытаемся рассмотреть процесс включения: при синхронизации малый
зубчатый венец включаемой шестерни замедляется и останавливается относительно
блокирующего кольца синхронизатора и зубчатого венца муфты включения совершенно
произвольным образом. Таким образом, при включении передачи, водителю,
прикладывающему усилие к рычагу переключения передач, необходимо преодолеть
усилие по срыву блокирующего кольца, посаженного на конус включаемой шестерни, а
также по развороту включаемой шестерни (на угол необходимый для введения в
зацепление зубчатого венца муфты синхронизатора и малого зубчатого венца включаемой
шестерни) и преодолению моментов инерции масс, связанных с данной шестерней.
Целью дальнейшей работы является проведение теоретических исследований и
определение конструктивных параметров, влияющих на величину усилия на рычаге
переключения передач на этапе включения передачи, а также разработка предложений по
рационализации данного процесса.
Литература:
1. Красненьков В.И. и Егоркин В.В. Синхронизаторы в ступенчатых трансмиссиях.
М., «Машиностроение», 1967.
2. Автомобильный справочник. Перевод с английского. Первое русское издание. –
М.: «За рулем», 1999.
3. Фалькевич Б.С. Теория автомобиля. М., Машгиз, 1963.
4. Чудаков Е.А. Конструкция и расчет автомобиля. М., «Машиностроение», 1993.
5. Сорочан Ю.П. Особенности зарубежных конструкций многоступенчатых коробок
передач и их классификация. М., «За рулем», 2001.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
206