Механизм трансмиссии

Механизм трансмиссии — это совокупность устройств, узлов и агрегатов, предназначенных для передачи механической энергии от двигателя к исполнительным органам машины (например, к колёсам автомобиля, гребному винту судна, шпинделю станка), а также для преобразования её параметров (крутящего момента, частоты вращения, направления движения) в соответствии с условиями работы. В широком смысле термин охватывает любые системы передачи движения, включая механические, гидравлические, электрические и пневматические. В автомобилестроении и транспортном машиностроении под «трансмиссией» чаще всего понимают силовую передачу, связывающую двигатель внутреннего сгорания или электродвигатель с ведущими колёсами.

История развития

Первые механизмы трансмиссии появились вместе с паровыми машинами в XVIII веке. В 1769 году французский изобретатель Николя Жозеф Кюньо построил первый паровой автомобиль, в котором вращение от парового котла передавалось на колёса через простейшую зубчатую передачу. С развитием двигателей внутреннего сгорания в конце XIX века (работы Готлиба Даймлера, Карла Бенца) возникла необходимость в более сложных трансмиссиях, способных изменять крутящий момент в широком диапазоне.

В 1894 году французская компания Panhard & Levassor применила на автомобиле трёхступенчатую коробку передач с зубчатыми колёсами, которая стала прототипом современных механических трансмиссий. В 1902 году Луи Рено запатентовал конструкцию, в которой использовалась прямая передача на высшей ступени — это повысило КПД и снизило износ. В 1930-х годах на американских автомобилях начали устанавливать автоматические трансмиссии (General Motors Hydra-Matic). В 1940-х годах в СССР серийно выпускались автомобили ЗИС-110 с трёхступенчатой механической коробкой передач.

Вторая половина XX века ознаменовалась внедрением гидротрансформаторов, вариаторов (CVT), роботизированных коробок передач и полноприводных трансмиссий. В 1980-х годах появились первые электромеханические трансмиссии для гибридных автомобилей (Toyota Prius, 1997). В XXI веке активно развиваются трансмиссии для электромобилей, часто не требующие многоступенчатых коробок передач из-за широкого диапазона оборотов электродвигателя.

Классификация

Механизмы трансмиссии классифицируются по нескольким признакам.

По типу передаваемой энергии

• Механические — передача вращательного движения через зубчатые колёса, цепи, ремни, карданные валы. Наиболее распространены в автомобилях, станках, сельхозтехнике.
• Гидравлические — передача энергии через поток жидкости (гидротрансформаторы, гидрообъёмные передачи). Используются в строительной технике, автобусах, тяжёлых грузовиках.
• Электрические — передача энергии от двигателя-генератора к электродвигателям колёс (мотор-колёса). Применяются в электромобилях, тепловозах, карьерных самосвалах.
• Пневматические — передача энергии сжатым воздухом. Встречаются в пневмоприводах промышленного оборудования, реже — в транспортных средствах.

По способу изменения передаточного отношения

• Ступенчатые — имеют фиксированный набор передач (механические коробки передач, некоторые автоматические).
• Бесступенчатые — плавное изменение передаточного отношения (вариаторы, гидротрансформаторы в режиме без блокировки).
• Комбинированные — сочетают ступенчатое и бесступенчатое регулирование (гидромеханические передачи).

По расположению и конструкции

• Продольные — вал двигателя и коробки передач расположены вдоль продольной оси автомобиля (классическая компоновка заднеприводных автомобилей).
• Поперечные — агрегаты расположены поперёк кузова (переднеприводные автомобили).
• Раздаточные коробки — распределяют крутящий момент между несколькими ведущими мостами (полноприводные автомобили).

Основные элементы и устройство

Типовая механическая трансмиссия автомобиля включает следующие компоненты:

• Сцепление — устройство для временного разъединения двигателя и коробки передач (фрикционное, гидравлическое, электромагнитное). Обеспечивает плавное трогание с места и переключение передач.
• Коробка передач — механизм для изменения крутящего момента и частоты вращения. Бывает механическая (ручная), автоматическая (гидромеханическая), роботизированная (с двумя сцеплениями — DSG, PowerShift), вариаторная (CVT).
• Карданная передача — передаёт вращение от коробки передач к ведущему мосту (в заднеприводных и полноприводных автомобилях). Состоит из карданных валов и шарниров.
• Главная передача — зубчатый механизм (обычно конический или гипоидный) для увеличения крутящего момента и передачи его на полуоси.
• Дифференциал — механизм, позволяющий колёсам одной оси вращаться с разной скоростью (при поворотах, на неровностях). Блокируемые дифференциалы применяются для повышения проходимости.
• Полуоси — валы, передающие вращение от дифференциала к ведущим колёсам.

В гидравлических трансмиссиях вместо сцепления и коробки передач часто используется гидротрансформатор, который выполняет функции сцепления и автоматического изменения крутящего момента. В электрических трансмиссиях (например, в электромобилях) сцепление и коробка передач могут отсутствовать — вращение от электродвигателя передаётся через редуктор непосредственно на колёса.

Применение

Механизмы трансмиссии используются в различных отраслях техники:

• Автомобильная промышленность — легковые автомобили, грузовики, автобусы, внедорожники. В России широко применяются трансмиссии на автомобилях ВАЗ (Lada), КАМАЗ, ГАЗ, УАЗ.
• Железнодорожный транспорт — тепловозы, электровозы, дизель-поезда. В тепловозах распространена электрическая передача (дизель-генератор питает тяговые электродвигатели).
• Судостроение — передача от двигателя к гребному винту через редуктор, валопровод и дейдвудное устройство. На крупных судах применяются дизель-редукторные агрегаты.
• Авиация — в поршневых самолётах используются редукторы для снижения оборотов винта; в вертолётах — главные редукторы, передающие вращение от двигателя к несущему и рулевому винтам.
• Сельскохозяйственная и строительная техника — тракторы, комбайны, экскаваторы, бульдозеры. Часто применяются гидрообъёмные трансмиссии, обеспечивающие бесступенчатое регулирование скорости.
• Промышленное оборудование — станки, конвейеры, роботы, прокатные станы. Здесь трансмиссии обеспечивают точное согласование скоростей и усилий.

Характеристики и параметры

Основные параметры механизма трансмиссии:

• Передаточное отношение — отношение частоты вращения входного вала к выходному. Определяет, во сколько раз изменяется крутящий момент.
• КПД (коэффициент полезного действия) — доля энергии, переданной от двигателя к исполнительному органу без потерь. Для механических трансмиссий КПД составляет 0,92–0,98, для гидравлических — 0,80–0,90, для электрических — 0,85–0,95.
• Крутящий момент — максимальный момент, который трансмиссия способна передать без разрушения.
• Диапазон регулирования — отношение максимального передаточного отношения к минимальному. Для механических коробок передач — 3–6, для вариаторов — до 7–8.
• Масса и габариты — влияют на общую массу машины и компоновку.
• Надёжность и ресурс — срок службы до капитального ремонта (для автомобильных трансмиссий — 150–300 тыс. км пробега).

Критика и ограничения

Традиционные механические трансмиссии имеют ряд недостатков: ступенчатость переключения, потери энергии в зубчатых зацеплениях, износ деталей, необходимость периодического обслуживания (замена масла, регулировка зазоров). Гидравлические трансмиссии менее эффективны и сложнее в ремонте. Электрические трансмиссии требуют мощных электродвигателей и аккумуляторов, что увеличивает массу и стоимость.

В последние годы в связи с развитием электромобилей и гибридных силовых установок наблюдается тенденция к упрощению трансмиссий. Например, компания Tesla использует одноступенчатый редуктор, а некоторые производители (Rivian, Hummer EV) применяют четырёхмоторные схемы с независимым приводом каждого колеса, что позволяет отказаться от дифференциалов и карданных валов.

Интересные факты

• Первый автомобиль с автоматической трансмиссией серийно выпускался в США в 1940 году (Oldsmobile Hydra-Matic).
• В СССР в 1950-е годы на автомобилях «Победа» и ЗИМ устанавливались полуавтоматические трансмиссии с электромагнитным сцеплением.
• Самый мощный серийный автомобиль с механической трансмиссией — Bugatti Veyron (1001 л. с.) — имел семиступенчатую коробку передач с двойным сцеплением.
• В карьерных самосвалах БелАЗ грузоподъёмностью 450 тонн используется электромеханическая трансмиссия: дизель-генератор питает тяговые электродвигатели, установленные в колёсах.
• Вариатор (CVT) впервые был запатентован в 1886 году, но массовое применение в автомобилях началось только в конце XX века (Subaru Justy, 1987).

Источники

• Гришкевич А. И. «Автомобили: Теория, конструкция и расчёт». — М.: Машиностроение, 1985.
• Лукин П. П., Гаспарянц Г. А., Родионов В. Ф. «Конструкция и расчёт автомобиля». — М.: Машиностроение, 1984.
• Боровских Ю. И., Кленников В. М. «Автомобильные и тракторные двигатели». — М.: Высшая школа, 1987.
• Кислицын В. А. «Трансмиссии автомобилей и тракторов». — М.: Колос, 2006.
• «Теория и конструкция автомобиля» / под ред. В. А. Петрова. — М.: Академия, 2010.
• Bosch Automotive Handbook. — 9th ed. — Robert Bosch GmbH, 2014.
• SAE International. «Transmission and Driveline Systems». — Warrendale, PA, 2018.