Трансмиссия

Трансмиссия (от лат. transmissio — пересылка, передача) — в технике совокупность механизмов, узлов и агрегатов, предназначенных для передачи механической энергии (крутящего момента) от двигателя (источника энергии) к исполнительным органам (рабочим машинам, колёсам, гусеницам, винтам и т. п.), а также для изменения её параметров (величины крутящего момента, частоты вращения, направления движения) и распределения между несколькими потребителями.

Трансмиссия является неотъемлемой частью большинства транспортных средств (автомобилей, тракторов, тепловозов, самолётов, судов), стационарных машин (станков, насосов, генераторов) и технологического оборудования. Основные функции трансмиссии включают: согласование режимов работы двигателя с условиями движения или нагрузки; обеспечение движения задним ходом; отключение двигателя от трансмиссии на стоянке или при переключении передач; изменение крутящего момента на ведущих колёсах в широком диапазоне; распределение мощности между ведущими мостами (в полноприводных машинах); отбор мощности на вспомогательные агрегаты.

Классификация трансмиссий

Трансмиссии классифицируются по нескольким основным признакам: способу передачи энергии, конструкции, типу используемых механизмов и назначению.

По способу передачи энергии

• Механические трансмиссии — передача энергии осуществляется через жёсткие кинематические связи (зубчатые колёса, валы, цепи, ремни). Отличаются высоким КПД (до 0,95–0,98), простотой конструкции, надёжностью и долговечностью. Основной недостаток — ступенчатое изменение передаточного числа (кроме вариаторов) и необходимость в механическом соединении двигателя и ведущих колёс.
• Гидравлические трансмиссии — передача энергии осуществляется через поток жидкости. Делятся на гидростатические (объёмные) и гидродинамические (гидротрансформаторы, гидромуфты). Обеспечивают плавное изменение крутящего момента, бесступенчатое регулирование скорости, гасят крутильные колебания. Недостатки — более низкий КПД (0,80–0,90), сложность, высокая стоимость.
• Электрические трансмиссии — передача энергии осуществляется через электрический ток. Включают генератор, провода и электродвигатели. Позволяют гибко распределять мощность между колёсами, обеспечивают бесступенчатое регулирование, рекуперацию энергии при торможении. КПД ниже механических (0,85–0,92), большая масса и стоимость. Применяются на карьерных самосвалах, тепловозах, некоторых автобусах и легковых автомобилях (гибридные и электромобили).
• Комбинированные трансмиссии — сочетают элементы разных типов. Например, гидромеханические (гидротрансформатор + механическая коробка передач) или электромеханические (двигатель внутреннего сгорания + генератор + электродвигатели + механическая передача).

По типу изменения передаточного числа

• Ступенчатые трансмиссии — имеют фиксированный набор передаточных чисел (передач). Переключение между ними осуществляется вручную или автоматически. Типичный пример — механическая коробка передач (МКПП) с синхронизаторами.
• Бесступенчатые трансмиссии — позволяют плавно изменять передаточное число в определённом диапазоне. К ним относятся вариаторы (клиноременные, цепные, тороидные), гидротрансформаторы, электрические передачи.
• Комбинированные — имеют как ступенчатые, так и бесступенчатые элементы (например, гидромеханическая коробка передач с блокировкой гидротрансформатора).

По конструктивному исполнению

• Переднеприводные — двигатель и трансмиссия расположены спереди, крутящий момент передаётся на передние колёса.
• Заднеприводные — двигатель спереди, трансмиссия (карданный вал, главная передача) передаёт момент на задние колёса.
• Полноприводные — момент передаётся на все колёса. Включают раздаточную коробку, межосевой дифференциал, карданные валы.
• Мотор-колёсные — электродвигатель или гидромотор встроен непосредственно в ступицу колеса, что упрощает трансмиссию.

Основные элементы механической трансмиссии автомобиля

Классическая механическая трансмиссия автомобиля включает следующие основные узлы:

Сцепление

Сцепление — механизм, предназначенный для кратковременного отключения двигателя от трансмиссии и плавного их соединения при трогании с места и переключении передач. Наиболее распространены фрикционные однодисковые сцепления с диафрагменной пружиной. Принцип действия основан на силе трения между нажимным диском, ведомым диском и маховиком двигателя. Управляется сцепление педалью (в автомобилях с МКПП) или автоматически (в роботизированных коробках передач). В гидротрансформаторах функцию сцепления выполняет гидродинамическая муфта.

Коробка передач

Коробка передач (КП) — основной агрегат трансмиссии, предназначенный для изменения крутящего момента и частоты вращения в широком диапазоне, а также для обеспечения движения задним ходом и нейтрального положения (отключения двигателя от трансмиссии). По конструкции различают:

• Механические коробки передач (МКПП) — имеют набор шестерён, переключение передач осуществляется вручную с помощью рычага и синхронизаторов.
• Автоматические коробки передач (АКПП) — классические гидромеханические, состоящие из гидротрансформатора и планетарного редуктора. Переключение передач происходит автоматически.
• Роботизированные коробки передач (РКПП) — по сути, механическая коробка, в которой переключением передач и сцеплением управляет электронный блок с сервоприводами. Бывают однодисковые и двухдисковые (преселективные, например, DSG).
• Вариаторы (CVT) — бесступенчатые передачи, обычно клиноременного типа. Обеспечивают плавное изменение передаточного числа без разрыва потока мощности.

Карданная передача

Карданная передача служит для передачи крутящего момента между агрегатами, оси валов которых не совпадают (например, от коробки передач к заднему мосту). Состоит из карданных валов, шарниров (карданных шарниров) и промежуточных опор. Компенсирует угловые и линейные смещения, возникающие при работе подвески.

Главная передача

Главная передача — механизм, увеличивающий крутящий момент и передающий его от карданного вала (или от коробки передач в переднеприводных автомобилях) на дифференциал. Обычно выполняется в виде конической или гипоидной зубчатой пары. Передаточное число главной передачи подбирается для обеспечения оптимальной динамики и экономичности.

Дифференциал

Дифференциал — механизм, распределяющий крутящий момент между ведущими колёсами (или мостами) и позволяющий им вращаться с разными скоростями при поворотах (внешнее колесо проходит больший путь, чем внутреннее). Без дифференциала колёса были бы жёстко связаны, что приводило бы к пробуксовке, износу шин и ухудшению управляемости. Существуют дифференциалы повышенного трения (самоблокирующиеся), а также управляемые дифференциалы с электронным управлением.

Раздаточная коробка

Раздаточная коробка — агрегат, устанавливаемый на полноприводных автомобилях. Распределяет крутящий момент между передним и задним мостами, а также может иметь понижающую передачу (демультипликатор) для движения по бездорожью. Включает межосевой дифференциал (или муфту подключения) и набор шестерён.

Применение трансмиссий в различных отраслях

• Автомобилестроение — легковые, грузовые автомобили, автобусы, спецтехника. Используются все типы трансмиссий: механические, автоматические, вариаторы, роботизированные, электрические.
• Сельскохозяйственная техника — тракторы, комбайны. Характерны механические ступенчатые и гидрообъёмные трансмиссии, обеспечивающие широкий диапазон скоростей и высокий крутящий момент.
• Железнодорожный транспорт — тепловозы, электровозы. На тепловозах применяются электрические (дизель-генератор + тяговые электродвигатели) и гидравлические трансмиссии. На электровозах — электрические.
• Судостроение — судовые трансмиссии передают вращение от главного двигателя к гребному винту. Включают редукторы, валопроводы, дейдвудные устройства. На крупных судах часто применяются дизель-электрические или газотурбинные установки.
• Авиация — трансмиссии вертолётов (главный редуктор, хвостовой редуктор, валы) и самолётов (приводы генераторов, насосов, винтов). Отличаются высокой надёжностью и лёгкостью.
• Промышленность — станки, прессы, конвейеры, насосы. Используются механические (зубчатые, ременные, цепные) и электрические передачи.

История развития

Первые механические передачи (зубчатые колёса) были известны ещё в античности (механизм Антикитерского механизма, II век до н. э.). В XIX веке с развитием паровых машин и двигателей внутреннего сгорания возникла необходимость в создании трансмиссий для транспортных средств. В 1886 году Карл Бенц установил на свой трёхколёсный автомобиль простейшую ременную передачу. В 1894 году Эмиль Левассор разработал первую механическую коробку передач с зубчатыми колёсами. В 1902 году появился первый карданный вал. В 1908 году Генри Форд начал массовое производство автомобилей с планетарной коробкой передач. В 1939 году компания General Motors представила первую гидромеханическую автоматическую коробку передач Hydra-Matic. В 1950-х годах начали применяться гидротрансформаторы. В 1980-х годах появились электронно-управляемые автоматические коробки и вариаторы. В 2000-х годах получили распространение роботизированные коробки с двумя сцеплениями (DSG). В XXI веке активно развиваются электрические трансмиссии для электромобилей и гибридных автомобилей.

Интересные факты

• КПД механической трансмиссии легкового автомобиля может достигать 96–98%, тогда как у гидромеханической автоматической коробки передач — 85–90%.
• Самая сложная трансмиссия в мире — у карьерных самосвалов (например, БелАЗ-75710), где применяется электромеханическая схема с дизель-генератором и четырьмя мотор-колёсами.
• В автоспорте (Формула-1) используются полуавтоматические секвентальные коробки передач с электрогидравлическим управлением, позволяющие переключать передачи за 0,05 секунды.
• Первый автомобиль с передним приводом и поперечным расположением двигателя (Audi 50) появился в 1974 году, что стало революцией в компоновке трансмиссии.
• В тракторах часто применяются гидрообъёмные трансмиссии, позволяющие плавно регулировать скорость движения без переключения передач.

Источники

• Гришкевич А. И. Автомобили: Теория. — М.: Высшая школа, 1986.
• Лукин П. П., Гаспарянц Г. А., Родионов В. Ф. Конструкция и расчёт автомобиля. — М.: Машиностроение, 1984.
• Трансмиссия автомобиля / Под ред. В. А. Петрова. — М.: Транспорт, 1990.
• Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• ГОСТ 18667-73. Автомобили. Трансмиссия. Термины и определения.