Устройство вариаторов

Ремонт вариаторов, мультитроников * AUDI — Мультитроник * MITSUBISH — CVTI * NISSAN — MCVT Устройство вариатора Вариатор — особый подвид автоматических коробок передач. Придуманный много лет назад, распространение он получил только сейчас.   Листая автомобильные каталоги, многие встречали такую фразу: «На автомобиль устанавливается бесступенчатый вариатор». Или могли увидеть это словосочетание в таблице технических характеристик. Что такое механическая коробка передач, знают все (кроме, разве что, американцев), к «автомату» тоже давно все привыкли (особенно американцы). А вот — зверь малоизвестный. А ведь он далеко не новинка. Вариатор — одна из разновидностей автоматических коробок передач. Отличается отсутствием фиксированных ступеней и обеспечивает плавное (бесступенчатое) изменение передаточного числа по мере разгона или торможения. По конструкции вариаторы бывают нескольких типов, но самым распространённым (почти что единственным на серийных моделях) является клиноременный вариатор. В нём передаточное число меняется при сближении и удалении друг от друга конусных шкивов, между которыми зажат ремень. Передвигает эти шкивы гидравлический привод под управлением электроники, иногда имеющей несколько переключаемых водителем режимов (например, обычный и спортивный). Вы удивитесь, но принадлежит это изобретение не Хонде и даже не Мерседесу. Патент на вариатор был выдан в конце XIX века! Более того, первый вариатор придуман и вовсе в 1490 году. Его автором оказался добродушный бородач Леонардо да Винчи. Первый работоспособный автомобиль с этим типом трансмиссии, правда, появился не в эпоху Возрождения, а попозже — лет через пятьсот, в 1950-х годах. Вариатор ставился серийно на автомобили DAF (в то время под этой маркой выпускались не    только грузовики, но и легковушки). Потом нечто похожее начали делать и на Volvo, но по-настоящему широкое распространение вариаторы получили лишь сейчас. По сути, вариатор (наиболее распространённое англоязычное обозначение — CVT — continuously variable transmissi   on) — это, простите за тавтологию, вариация на тему автоматической коробки передач. И автомобиль, оборудованный им, на первый взгляд, ничем не выдаёт себя — педалей всего две и рычаг переключения режимов трансмиссии — P, R, N, D — такой же, как и у машины с традиционной АКПП (автоматическая трансмиссия, коробка-автомат). Автоматически переключает передачи, обеспечивая больший комфорт и удобство, также позволяя водителю больше внимания уделять дороге. АКПП предохраняет двигатель и ходовую часть автомобиля от перегрузок. Автомобиль с АКПП, как правило, отличается большим расходом топлива и чуть худшей динамикой. Однако на последних моделях АКПП, имеющих несколько переключаемых программ управления (экономичный, спортивный, зимний и другие), и (или) режим выбора передач вручную — этот недостаток почти устранён. От обычной механической коробки имеет ещё пару важных отличий: переключения здесь происходят без разрыва потока мощности между двигателем и колёсами. И, в большинстве случаев (зависит от модели), АКПП не допускает буксировку машины обычным способом, а требует вывешивания ведущей оси на эвакуаторе. В случае длительной буксировки на тросе АКПП выходит из строя. Всё привычно. Но работает вариатор совершенно по-другому. В нём нет фиксированных первой, второй, десятой передач. Попробуйте представить себе, сколько звёзд в нашей Вселенной или сколько песчинок на всех пляжах Земли вместе взятых — у вариатора передач всё равно намного больше. И «переключение» между ними происходит плавно и незаметно. Поэтому-то здесь нет толчков при трогании и «переключении». И не зря мы написали это слово в кавычках: переключений как таковых тут и нет. Вариатор непрерывно и плавно изменяет Передаточное число Передаточное число — это отношение числа зубьев ведомой к числу зубьев ведущей шестерни. Обычно упоминается при описании коробок передач и разных вариантов их исполнения. Большее передаточное число на конкретной (первой, второй и так далее) передаче означает большую тягу. Говорят, что передача «короче» или «тяговитее». Мотор быстрее раскручивается до максимальных оборотов — автомобиль интенсивнее ускоряется. Но при этом снижается максимальная скорость на данной передаче, а значит возникает необходимость в более раннем переключении «вверх». Меньшее передаточное число означает более «длинную» передачу. Также иногда говорят о «сближенных» передаточных числах в коробке или «сближенном ряде». Здесь подразумевается близкое значение передаточных чисел соседних ступеней. Применяется на автомобилях спортивного характера — так как при переходе на ступень вверх двигатель теряет меньше оборотов, оставаясь в зоне высокого крутящего момента.»> Передаточное число — это отношение числа зубьев ведомой к числу зубьев ведущей шестерни. Обычно упоминается при описании коробок передач и разных вариантов их исполнения. Большее передаточное число на конкретной (первой, второй и так далее) передаче означает большую тягу. Говорят, что передача «короче» или «тяговитее». Мотор быстрее раскручивается до максимальных оборотов — автомобиль интенсивнее ускоряется. Но при этом снижается максимальная скорость на данной передаче, а значит возникает необходимость в более раннем переключении «вверх». Меньшее передаточное число означает более «длинную» передачу. Также иногда говорят о «сближенных» передаточных числах в коробке или «сближенном ряде». Здесь подразумевается близкое значение передаточных чисел соседних ступеней. Применяется на автомобилях спортивного характера — так как при переходе на ступень вверх двигатель теряет меньше оборотов, оставаясь в зоне высокого крутящего момента.»>число по мере разгона или замедления автомобиля. Вариаторы бывают нескольких типов: клиноремённые со шкивами переменного диаметра, цепные, тороидальные… Первый тип — самый распространённый. Посмотрим, как он устроен. Вот наглядный пример: возьмём два карандаша (цилиндра), лежащих параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Стягиваем их резинкой и начинаем крутить один из них. Тут же начинает крутиться и второй — с той же скоростью. Но если карандаши будут разного диаметра, начинается совсем другая история — пока один из них, что побольше, сделает один оборот, второй, скажем, два. Вариатор устроен похоже, только диаметр «карандашей» у него постоянно меняется. У него два шкива, каждый из которых сделан в виде пары конусов, обращённых острыми концами друг к другу. А между шкивами зажат клиновый ремень. Теперь, если каждая из пар конусов может двигаться друг к другу и обратно, мы получим шкивы с переменным рабочим диаметром. Ведь при раздвижении конусов ремень, соприкасающийся с ними своими рёбрами, будет как бы проваливаться к центру шкива и обегать его по малому радиусу. А при сближении конусов — по большому радиусу. Осталось только снабдить оба шкива системой (как правило, это гидравлика, но может быть и какой-то иной сервопривод), которая будет строго синхронно сдвигать половинки первого шкива и раздвигать половинки второго. И если один шкив находится на ведущем валу (который идёт от двигателя), а второй — на ведомом (который ведёт к колёсам), то можно организовать изменение передаточного отношения в весьма широких пределах. Вариаторы бывают не только автомобильные. Они используются в картингах, мотоциклах и даже некоторых велосипедах. А вот одна из экзотических конструкций, основанная на двух конусах. Остаётся ещё добавить узел, отвечающий за изменение направления вращения выходного вала (для з аднего хода), а это может быть, скажем, обычная планетарная передача. И вот готова коробка-вариатор. Кстати, интересный вопрос — какой тут используется ремень? Разумеется, простой ремень из резины и ткани, наподобие тех, что вращают генераторы и прочее навесное оборудование, здесь не прожил бы и тысячи километров. Ремни в клиноремённых вариаторах имеют сложное устройство. Это может быть стальная лента с неким покрытием или набор стальных тросов (лент) сложного сечения, на которые нанизано огромное число тонких поперечных стальных пластинок трапецевидной формы, края которых и контактируют со шкивами. Кстати, именно таким образом удалось создать толкающий ремень, передающий мощность не только той его половиной, которая бежит от ведомого к ведущему шкиву, но и противоположной. Обычный ремень при попытке передать сжимающее усилие просто сложился бы, а наборный стальной — обретает жёсткость. А ещё в качестве клинового ремня может выступать широкая пластинчатая стальная цепь, соприкасающаяся с конусами своими краями. Именно такой «ремень» работает в вариаторах машин Audi. Интересно, что для смазки цепи применяется особая жидкость, которая меняет своё фазовое состояние под сильным давлением, возникающим в месте контакта со шкивом. Благодаря этому цепь может передавать значительное усилие, практически не проскальзывая, несмотря на очень маленькую площадь контакта. Как именно вариатор будет менять передаточное число при разгоне, зависит от выбранной программы управления. Если при разгоне на обычном автомобиле мы на каждой передаче раскручиваем двигатель, затем переходим на следующую передачу и так далее, то при наборе скорости автомобиля с вариатором мотор остаётся на одних и тех же оборотах (скажем, на оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту), зато плавно меняется передаточное отношение. Это создаёт несколько странные ощущения. Жмём газ в пол, мотор выходит на большие обороты, да так и остаётся на них в течение всего разгона, воя как пылесос. Зато темп разгона — высокий, да и на переключения между ступенями время не тратится.  Впрочем, в некоторых случаях вариатор настраивают так, чтобы разгон с ним больше напоминал увеличение скорости с обычной коробкой передач, с постепенным ростом оборотов мотора. Разумеется, при попытке заехать на холм и при замедлении авто, несмотря на нажатие педали газа, умный вариатор не оставит «включённой» высокую передачу. Шкивы для уверенного штурма высоты быстро передвинутся обратно — чтобы увеличить крутящий момент на выходе из коробки. А ещё на некоторых машинах можно выбрать режим с несколькими «виртуальными» передачами (с 6 или даже 8), задаваемыми электроникой. Передачами, между которыми вариатор будет резко перескакивать, словно классическая коробка «автомат». Ещё в этом случае можно переключать «передачи» по собственному желанию. Как на «автомате» с ручным секвентальным (последовательным) режимом. Таким образом, у вариатора масса достоинств. Но есть и недостатки. Например, сравнительно небольшая, по современным меркам, «перевариваемая» мощность двигателя. Не зря такие коробки начали своё шествие по миру на машинах малого класса. Да и сейчас мощные автомобили — все сплошь и рядом укомплектованы либо «механикой», либо классическими «автоматами», либо роботизированными коробками. Правда, прогресс идёт. И тут нельзя не вспомнить рекордсменов. Скажем, на Audi A4 2.0 TFSI клиноремённый вариатор Multitronic (с цепью) без проблем справляется с потоком в 200 «лошадей». Вариатор Audi может передавать на колёса мощность свыше двухсот лошадиных сил. Можно возразить, что класс D — это ещё не всё. Для автомобилей представительского и бизнес-класса, и тем более для крупного внедорожника — 200 сил уже не назовёшь такой уж большой величиной. Но достижения самых современных вариаторов на этом не исчерпываются. Так, на кроссовер Nissan Murano с 3,5-литровым V6 мощностью 234 лошадиные силы ставят клиноремённый вариатор X-Tronic. Это одна из самых крупных и тяжёлых моделей, оснащённых вариатором. А что будет завтра? Второй недостаток вариаторов — сравнительно дорогое обслуживание и ремонт, специальная, а значит, недешёвая, трансмиссионная жидкость. Ремённые вариаторы могут через каждые 100—150 тысяч километров пробега требовать замены ремня. Масло при этом стоит несколько дороже, чем для «автомата», но зато менять его можно чуть реже — ориентировочно через 40—50 тысяч километров для разных моделей автомобилей. И всё же вариаторы получают всё большее и большее распространение на машинах самых разных классов, к тому же и стоят они, обычно, дешевле хороших «автоматов» классического типа. Поскольку вариаторы располагают бесконечным числом передач, они позволяют двигателю работать на наиболее выгодных режимах — нужна ли нам (на светофорных гонках) максимальная мощность, или, напротив, плавность и наименьший расход топлива (при спокойной езде). Потому модели с вариаторами отличает, при прочих равных, высокая экономичность, сочетающаяся с не менее приличной динамикой. Кстати, в последнее время наметилась тенденция к росту числа передач у классических «автоматов». В последних моделях встречается уже 8 передач (на легковой, заметим, машине). И делается это именно для сочетания высокой динамики и экономичности. Скоро увидим автоматы с десятью ступенями или даже с двенадцатью? А вот вариаторы уже находятся там, куда обычные автоматы с их переключаемыми планетарными рядами никогда не придут. Ведь число передач у вариатора бесконечно.

Ремонт вариаторов

Что такое бесступенчатая коробка передач?

Бесступенчатая коробка передач (также Вариатор), или CVT (англ. continuously variable transmission), является одним из видов автоматических коробок передач, которая обеспечивает больше полезной мощности, лучшую экономию топлива и более гладкое движение автомобиля, чем традиционная ступенчатая автоматическая коробка передач.

Как CVT работает?

Традиционные автоматические трансмиссии используют набор передач, который обеспечивает заданное число коэффициентов (или скоростей). Передачи включаются, чтобы обеспечить наиболее подходящий коэффициент для заданной конкретной ситуации: низкие передачи для начала, средние для ускорения и прохождения, и более высокие передачи для экономичного плавного движения после набора скорости (круиза).

CVT меняет передачи при помощи двух шкивов переменного диаметра, каждый в форме пары противоположных конусов с металлической лентой или цепью хода между ними. Один шкив соединен с двигателем (входной вал), а другой с ведущими колёсами (выходной вал). Половинки каждого шкива подвижны; когда половинки шкива сближаются, ремень вынужден ездить выше по шкиву, эффективно делая диаметр шкива больше.

Изменением диаметра шкивов изменяется соотношение передач в трансмиссии, так же, как в 10 — скоростных велосипедных передачах цепь на больших или меньших звёздочках, меняет большие и меньшие передачи. Делая входной шкив меньше, а выходной шкив больше получаем пониженные передачи (большое количество оборотов двигателя, производит небольшое количество выходных оборотов) для лучшего ускорения на низкой скорости. Когда машина разгоняется, шкивы варьируют их диаметр на меньший, чтобы уменьшить число оборотов двигателя, когда скорость автомобиля возрастёт. Это то же самое, как поступает обычная ступенчатая фрикционная коробка передач, но вместо того, чтобы изменять соотношение по стадиям (переключать передачи как таковые), вариатор непрерывно меняет соотношение передач — откуда и появилось его название.

Управление автомобилем с вариатором

Управления вариатором в точности такое же, как стандартным автоматом: две педали (газ и тормоз) и сдвиг селектора положения передач в стиле PRNDL. При движении автомобиля с вариатором, вы не услышите и не почувствуете переключения передач — CVT просто поднимает и опускает обороты двигателя по мере необходимости, вызывая более высокие обороты двигателя для лучшего ускорения, и более низкие обороты для лучшей экономии топлива во время круиза.

Многие люди сначала приходят в замешательство из-за первых секунд разгона автомобиля, оснащённого CVT, при сильном нажатии педали акселератора, появляется ощущение схожее с пробуксовки сцепления на механической коробке передач, или провалом попытки переключения автоматической коробкой передач. Это нормально, ведь вариатору необходимо время отрегулироваться относительно оборотов двигателя, чтобы обеспечить оптимальную мощность для ускорения. Некоторые вариаторы заранее запрограммированы производителем, изменять передаточное отношение шагом, что соответствует работе «типтроника» автоматической трансмиссии.

Преимущества CVT

Двигателям нет необходимости развивать полную мощность во всем диапазоне скорости, они имеют конкретные скорости, где крутящий момент (тяговое усилие), мощность (скорость) и эффективность использования топлива в их самом сбалансированном уровне. Потому что не установлены фиксированные передачи, чтобы привязывать данную скорость движения непосредственно к заданной скорости вращения двигателя, CVT позволяет изменять скорость вращения двигателя по мере необходимости, для достижения максимальной мощности, а также максимальной эффективности использования топлива. Это позволяет CVT, обеспечивать более быстрое ускорение, чем обычной автоматической или механической коробкой передач, обеспечивая при этом превосходную экономию топлива.

Недостатки CVT

Самой большой проблемой CVT является восприятие пользователем. Поскольку звуки исходящие из под капота, кажутся странными для слуха, привыкших к традиционной механической и автоматической коробками передач. Хотя вариаторы и обеспечивают плавный, быстрый рост ускорения на максимальную мощность, для некоторых водителей эта плавность наоборот кажется медлительной, когда на самом деле CVT разгоняет автомобиль быстрее традиционной АКПП.

Автопроизводители пошли на многое, чтобы сделать CVT похожей на привычную ступенчатую АКПП в ощущениях при вождении. Многие вариаторы запрограммированы, так чтобы имитировать «кик-даун» и передавать ощущение стандартное для гидро-механических фрикционных автоматов, когда педаль резко вдавливается в пол, и многие вариаторы предлагают «ручной» режим знакомый многим как «типтроник», имитирующий обычное ступенчатое переключение передач.

Поскольку ранние варианты автомобильных вариаторов были ограничены относительно количества лошадиных сил, с которыми они могли справиться, было некоторое беспокойство по поводу долгосрочности и надежности CVT. Передовые технологии сделали CVT намного надежнее. Nissan имеет более миллиона автомобилей, оснащённых вариаторами, на службе у автомобилистов по всему миру и говорит, что их долгосрочная надежность сравнима с обычными ступенчатыми АКПП.

«Power-split transmission» : CVT , которая не является CVT

Несколько гибридов, в том числе семейство Toyota Prius , используют тип коробки передач под названием «power-split transmission». В то время как данные коробки передач считаются вариаторами, они не используют ремень и шкивы, вместо этого они используют планетарный редуктор, работающий с обоими двигателями, бензиновым и электромотором. Изменяя скорость электродвигателя, скорость бензинового двигателя также меняется, что позволяет работать либо с постоянной скоростью, когда автомобиль ускоряется или останавливается полностью.

История CVT

Леонардо да Винчи набросал первый CVT в 1490 году. Голландский автопроизводитель DAF впервые начал использовать Вариаторы в своих автомобилях в конце 1950-х, но ограничения технологии сделали вариаторы непригодными для двигателей с более чем около 100 лошадиных сил. В конце 80-х и начале 90-х, Subaru предложили CVT в их Justy мини-автомобиле, в то время как Honda также использовала вариатор в Honda Civic HX из конца 90-х. Улучшенные вариаторы, способные работать в паре с более мощными двигателями, были разработаны в конце 90-х и начале 2000-х годов, и вариатор теперь можно найти в автомобилях от Nissan , Audi , Honda, Mitsubishi и других автопроизводителей.

Как работает коробка передач (трансмиссия)?

Преобразование скорости и крутящего момента происходит в коробках передач за счет расположения шестерен или шкивов разных размеров.

Преобразование скорости

Как объясняется в статье Что такое трансмиссия (редуктор) и для чего она используется?, трансмиссии используются, помимо прочего, для установки скорости на желаемое значение. Такое преобразование скорости становится очевидным при взгляде на анимированную зубчатую передачу ниже. В этом случае скорость снижается от передачи к передаче.

Анимация: работа зубчатой ​​передачи

Снижение скорости может быть связано с разным количеством зубьев между соответствующими парами шестерен. Например, первая ведущая шестерня (зеленая) на приводном валу имеет всего 15 зубьев. В результате эти 15 зубьев совершают один полный оборот при повороте зубчатого колеса. Они толкают следующую ведомую шестерню  (оранжевого цвета) на 15 зубьев дальше.

Однако эта ведомая шестерня имеет больше зубьев из-за большего диаметра. В результате он больше не движется на полный оборот. В данном случае ведомая шестерня имеет всего 30 зубьев. Таким образом, за один оборот ведущей шестерни ведомая шестерня проталкивается только на пол-оборота. В конечном итоге это означает уменьшение скорости вдвое.

Обратите внимание, что отдельные зубья больших шестерен имеют те же размеры, что и зубья меньших шестерен, поскольку соответствующие зубья должны совпадать друг с другом. Такая блокировка шестерен также называется зацеплением .

Передаточное отношение

Изменение скорости от ведущего колеса к ведомому описывается так называемым передаточным отношением i. Он определяется следующим образом:

\begin{align}
\label{def_uebersetzungsverhaeltnis}
&\boxed{i = \frac{n_1}{n_2}} \\[5px]
\end{align}

В этом уравнении n ₁ обозначает скорость вращения ведущего колеса, а n ₂ — скорость вращения ведомого колеса. Если направление вращения реверсируется с редуктором, это обычно обозначается отрицательным знаком. Однако по соображениям простоты это соглашение не будет применяться в дальнейшем.

В случае, описанном выше, передаточное отношение между двумя шестернями равно i = 2, что означает, что ведущее колесо вращается в два раза быстрее, чем ведомое колесо, или ведомое колесо движется в два раза медленнее, чем ведущее колесо. Часто передаточные числа также даются в виде 2:1 («два к одному»).

Передаточное отношение определяется как отношение скоростей вращения ведущего колеса к ведомому колесу. Он наглядно показывает, как часто ведущее колесо должно повернуться за один оборот ведомого колеса!

Зубчатая передача

Для двух парных шестерен передаточное отношение определяется (обратным) отношением числа зубьев z или соответствующим диаметром делительной окружности d:

\begin{align}
\label{zaehne_uebersetzungsverhaeltnis }
&\boxed{i = \frac{z_2}{z_1} = \frac{d_2}{d_1}} \\[5px]
\end{align}

Рисунок: Диаметр рабочей окружности зубчатых колес

Рабочий шаг диаметр окружности — это диаметр воображаемых цилиндров делительной окружности , которые катятся друг на друга без скольжения (несколько неточно, просто упоминается как диаметр делительной окружности ). Следовательно, окружных скоростей на рабочем делительном круге обоих зубчатых колес идентичны. Диаметр делительной окружности зубчатого колеса в конечном итоге эквивалентен диаметру шкива ременной передачи.

Диаметр делительной окружности – это диаметр воображаемых цилиндров, которые катятся друг на друга без проскальзывания!

Анимация: цилиндры шага

Ременная передача и цепная передача

В случае фрикционной или ременной передачи (или цепной передачи) передаточное отношение может быть определено (обратным) отношением соответствующих диаметров колес d:

\begin{align}
\label{rad_uebersetzungsverhaeltnis}
&\boxed{i = \frac{d_2}{d_1}} \\[5px]
\end{align}

Рисунок: Диаметр колеса для тягового механизма

Если, например, ведомое колесо в два раза больше ведущего колеса, это также относится к соответствующим окружностям колеса. В то время как ведущее колесо вращается один раз, колесо двойного размера вращается только на пол-оборота (либо путем качения друг на друга в случае фрикционных колес, либо с помощью цепей или ремней в случае ременных передач или цепных передач). Таким образом, скорость уменьшается вдвое, и передаточное отношение i = 2 снова присутствует.

Ступени редуктора

В принципе, каждой колесной паре в трансмиссии, при которой изменяется скорость, может быть назначено определенное передаточное число. Приведенные выше анимации зубчатой ​​и ременной передач показывают, что передача обычно состоит не из одной пары колес, а из нескольких, каждое из которых установлено на своем валу.

Каждая пара колес, находящихся в зацеплении друг с другом, представляет собой так называемую ступень редуктора и характеризуется определенным передаточным числом. Как правило, коробка передач имеет несколько ступеней передачи, каждая из которых имеет разные передаточные числа.

Рисунок: Ступени редуктора

Ступень редуктора — это колесная пара в коробке передач, при которой изменяется скорость или крутящий момент!

Таким образом, когда мы говорим о передаточном отношении всего редуктора, мы имеем в виду общее передаточное число , то есть передаточное число между входным и выходным валами всего редуктора! Общее передаточное число i _t может быть рассчитано путем умножения отдельных передаточных чисел ступеней редуктора:

\begin{align}
&\boxed{i_{t} = i_1 \cdot i_2 \cdot i_3 \cdot \dots} \\[5px]
\end{align}

Общее передаточное число редуктора является результатом умножения отдельных передаточных чисел соответствующих ступеней редуктора!

Более подробную информацию о функции и устройстве ступеней редуктора можно найти в статье Что такое ступени редуктора?.

Формы передаточных чисел

Коробки передач не всегда должны быть рассчитаны на снижение скорости, как в случае с анимациями выше. Во многих технических приложениях также желательно увеличение скорости. Так бывает, например, при движении по автомагистралям. Чтобы двигаться вперед как можно быстрее, колеса должны вращаться как можно быстрее. Следовательно, необходимо увеличить скорость вала двигателя с помощью коробки передач. Тогда большое зубчатое колесо должно приводить в движение меньшее колесо.

В таких случаях передаточное отношение меньше единицы и также говорят о передаточном числе . При передаточном отношении больше единицы ведомое колесо вращается медленнее, чем ведущее, и говорят несколько неточно об отношении мощности . Заметьте, что мощность в физическом смысле не трансформируется, а остается постоянной. Только крутящий момент увеличился при соотношении мощности. Поскольку скорость снижается в соответствии с увеличением крутящего момента, трансмиссию часто называют 9-й. 0009 редуктор или редуктор .

Передаточное отношение, которое приводит к увеличению скорости, называется передаточным числом. Передаточное отношение, которое приводит к увеличению крутящего момента, называется передаточным числом.

Например, при трогании автомобиля с места на первой передаче имеет место передаточное число с максимальным передаточным числом около i _max = 3,6. Соответственно, скорость снижается в 3,6 раза по сравнению со скоростью двигателя. С другой стороны, на высшей передаче переключаемый мотор-редуктор имеет передаточное отношение с минимальным передаточным отношением ок. я _мин = 0,8. Следовательно, скорость увеличивается в 1,25 раза (=1/0,8).

Коробки передач, которые могут изменять передаточное число, также обозначаются как переключаемые трансмиссии или механические трансмиссии или, для краткости, переключения передач. Важной характеристикой переключаемых трансмиссий является увеличение передаточного отношения от минимального до максимального. Чем больше это увеличение, тем большие диапазоны скоростей могут быть смещены. Это увеличение также упоминается как разброс передачи S и рассчитывается следующим образом:

\begin{align}
&\boxed{S = \frac{i_{max}}{i_{min}}} = \frac{3.6}{0.8}= 4.5 \\[5px]
\end{align}

Для описываемого редуктора разброс S = 4.5, что означает возможность увеличения передаточного числа в 4.5 раза, начиная с минимального значения.

Отношение максимального к минимальному передаточному числу переключаемой коробки передач называется разбросом трансмиссии!

Преобразование крутящего момента

В предыдущем разделе было описано преобразование скоростей двух передач. Из-за сохранения энергии изменение крутящего момента всегда связано с этим изменением скорости (см. также статью Что такое редуктор и для чего он нужен?)! Это обсуждается более подробно в следующих разделах.

Зубчатая передача

Изменение крутящего момента в паре шестерен становится очевидным, если внимательно посмотреть на возникающие силы. Далее предполагается, что ведущее зубчатое колесо имеет крутящий момент M ₁ . Смежное зубчатое колесо приводится в движение этим крутящим моментом.

Рисунок: Преобразование крутящего момента в тяговой шестерне

В зависимости от диаметра d ₁ ведущей шестерни с крутящим моментом M ₁ связана определенная сила F. Под действием этой силы боковые поверхности зубьев делительной окружности ведущей шестерни теперь прижимаются к боковым сторонам зубьев ведомой шестерни (также воздействуя на делительную окружность).

Действующая сила F может быть определена из определения крутящего момента («крутящий момент = приложенная сила x плечо рычага»). Таким образом, при заданном крутящем моменте M ₁ , соответствующую силу F на боковых сторонах зуба можно определить, используя соответствующий диаметр делительной окружности d ₁ :

\begin{align}
&M_1 = F \cdot r_1 = F \cdot \frac{d_1}{ 2} \\[5px]
\label{m_t}
&\underline{F = 2 \cdot \frac{M_1}{d_1}} \\[5px]
\end{align}

Примечание: Для упрощения дела предполагалось, что сила действует по касательной к делительной окружности, так что сила и плечо рычага (= половина диаметра делительной окружности) перпендикулярны друг другу. Более подробную информацию о фактическом направлении силы эвольвентных передач можно найти в соответствующей статье.

Рассчитанная сила F ведущей шестерни из уравнения (\ref{m_t}) также действует на ведомую шестерню. Однако, поскольку ведомая шестерня имеет другой диаметр делительной окружности, сила теперь действует на измененное плечо рычага (d ₂ /2). Следовательно, это также связано с изменением крутящего момента:

\begin{align}
&M_2 = F \cdot r_2 = F \cdot \frac{d_2}{2} ~~~\text{с уравнением (2)} ~~~F = 2 \cdot \frac{M_1}{d_1} ~~~\text{:} \\[5px]
&M_2 = \underbrace{2 \cdot \frac{M_1}{d_1}}_{= F} \cdot \frac{d_2}{2} \\[5px]
\label{m_1}
&\underline{M_2 = M_1 \cdot \frac{d_2}{d_1}} \\[5px]
\end{align}

Это показано уравнением (\ref{m_1}) что крутящий момент M ₂ на ведомой шестерне пропорционален отношению соответствующих диаметров делительной окружности d ₂ /d ₁ . Чем больше ведомая шестерня по отношению к ведущей, тем больше будет увеличение крутящего момента.

Для зубчатых колес диаметр делительной окружности прямо пропорционален количеству зубьев. Потому что при двойном диаметре (делительной окружности) окружность зубчатого колеса в два раза больше и, таким образом, также обеспечивает место для удвоенного количества зубьев.

Если ведомая шестерня имеет в два раза больше зубьев, чем ведущая шестерня, соответствующий двойной рычаг в конечном итоге удваивает крутящий момент. В этом отношении увеличение крутящего момента также может быть выражено соотношением количества зубьев:

\begin{align}
\label{m_2}
&\underline{M_2 = M_1 \cdot \frac{z_2}{z_1 }} \\[5px]
\end{align}

Отношение диаметров делительной окружности в уравнении (\ref{m_1}) или отношение количества зубьев в уравнении (\ref{m_2}) соответствует передаче отношение i в уравнении (\ref{zaehne_uebersetzungsverhaeltnis}). Это означает, что изменение крутящего момента также может быть выражено напрямую через передаточное отношение:

\begin{align}
\label{1}
&\boxed{M_2 = M_1 \cdot i }~~~\text{with}~~~\underline{i = \frac{z_2}{z_1}= \frac{d_2}{d_1}=\frac{n_1}{n_2}} \\[5px]
\end{align}

Обратите внимание, что передаточное число определяется как отношение скоростей вращения ведущей шестерни к ведомой шестерни. Таким образом, для скорости n ₂ ведомой шестерни при определенном передаточном числе i применяется следующая зависимость от исходной скорости n ₁ :

\begin{align}
\label{2}
&\boxed{n_2 = \frac{n_1}{i} } \\[5px]
\end{align}

По мере увеличения крутящего момента в соответствии с уравнением (\ref{1}) при при определенном передаточном отношении скорость уменьшается в одинаковой степени согласно уравнению (\ref{2}) и наоборот. В конечном итоге это прямое следствие закона сохранения энергии. В разделе «Энергетический подход» это соотношение явно выводится с использованием закона сохранения энергии.

При увеличении скорости редуктором крутящий момент уменьшается в той же степени, и наоборот!

Обратите внимание, что приведенные выше уравнения применимы только к идеальному случаю нерассеивающей коробки передач. Как правило, трение вызывает снижение мощности и, следовательно, снижение теоретически рассчитанного крутящего момента для ведомого вала. Эти потери мощности учитываются  КПД редуктора \(\eta_g\):

\begin{align}
&\boxed{M_2 = M_1 \cdot i \cdot \eta_g } \\[5px]
\ end{align}

Для расчета скорости, однако, КПД шестерни не играет роли, так как преобразование скорости зависит от количества зубьев (зубья не могут проникать друг в друга и, таким образом, обеспечивают более низкую скорость, чем задано) по соотношению количества зубьев).

Ременная передача

Также с тяговым механизмом изменение крутящего момента происходит так же, как и в зубчатых передачах. В зависимости от диаметра d ₁ ведущее колесо с крутящим моментом M ₁ натягивает ремень или цепь с определенной силой F по уравнению (\ref{m_t}).

Рисунок: Преобразование крутящего момента в тяговой передаче (вход)

Та же сила F действует и на ведомое колесо через ремень или цепь. Поскольку диаметр d ₂ ведомого колеса отличается от ведущего колеса, возникает изменение крутящего момента M ₂ . Измененный крутящий момент M ₂ на ведомом колесе снова получается из уравнения (\ref{m_1}). Точные силы, действующие на ременные передачи, более подробно описаны в отдельных статьях.

Рисунок: Преобразование крутящего момента в тяговом механизме (выход)

Как работает морской редуктор?

Морская коробка передач почти аналогична той, что мы можем найти в автомобилях. Как следует из названия, он находится в закрытом металлическом корпусе.

Судовые редукторы обычно надежно монтируются на ведущей стороне двигателя и располагаются между валом двигателя и гребным валом. Двигатели обычно соединяются с редукторами через монтажные пластины или фланцы, точно так же, как редукторы соединяются с карданными валами. Эти типы механизмов состоят из зубчатых колес, ступицы, сцепления, нажимных дисков, входной муфты, выходной муфты и т. д.

Какова функция морского редуктора?

Эти трансмиссии в основном обеспечивают сцепление для лодок: сцепление включено или выключено.

Включение сцепления, чтобы зацепить нагрузочный вал (например, карданный вал) с коробкой передач и, таким образом, с приводным двигателем, который всегда закреплен и соединен с коробкой передач. Сцепление может быть либо сцеплением переднего хода (впереди), либо сцеплением заднего хода (задним ходом).

В двигателях, особенно на небольших лодках, эта функция редуктора задает направление движения. Что касается безопасности, то двигатели не могут быть включены/запущены, если коробка передач не находится в нейтральном сцеплении или, проще говоря, не выжато сцепление.

Кроме того, редукторы используются для уменьшения или вычета оборотов ведущей стороны в сторону потребителя или нагруженной стороны. Уменьшение оборотов редуктора используется всякий раз, когда необходимо удовлетворить требования по соотношению скорости вала к крутящему моменту.

Передаточное отношение коробки передач обычно указано на табличке с техническими данными коробки передач, прикрепленной к самой коробке передач. В основном, это отношение вычисляется путем деления количества зубьев ведущей шестерни на количество зубьев ведущей шестерни.

Например, шестерня с 60 зубьями, приводимая в движение шестерней с 20 зубьями, имеет передаточное отношение 3:1, что означает, что на каждые три оборота ведущего вала приходится один полный оборот ведущего вала. Обратите внимание, что передаточное число фиксировано для каждого выхода редуктора.

Как работает морской редуктор?

Принцип работы редуктора не так сложен, как может показаться. Например, коробка передач состоит из внутреннего насоса, муфт и шестерен. Насос целенаправленно оказывает давление на муфты, определяя, какие передачи должны включаться, тем самым создавая желаемое движение.

В зависимости от включенной шестерни или набора шестерен вращение может быть по часовой стрелке или против часовой стрелки. Отсутствие включения передачи также относится к нейтральной муфте. Движение сцепления обычно передается от системы RCS двигателя или системы дистанционного управления к электромагнитному клапану, который напрямую определяет направление движения масла для перемещения сцепления коробки передач.

Масляный насос расположен внутри и приводится в действие механически от ведущего вала двигателя.

В дополнение к своему принципу действия большинство малых и средних лодок имеют двойную двигательную установку и требуют противоположного вращения гребных винтов, чтобы функционировать и дополнять тягу лодки вперед или назад, не влияя на курс или направление лодки.

Пожалуйста, включите JavaScript

Насколько быстр узел — морской Страница

Как упоминалось выше, электромагнитный клапан сконфигурирован так, чтобы обеспечить независимость вращения, что означает, что два двигателя работают синхронно в соответствии со скоростью и направлением вращения, имея противоположный гребной вал. вращение/направление.

Проще говоря, электромагнитный клапан имеет два положения; Положение A- для сцепления вперед и положение B для сцепления назад.

Чтобы заказать движение вперед, двигатель левого борта использует положение A для движения по часовой стрелке, а двигатель правого борта использует положение B для движения против часовой стрелки, таким образом создавая противоположное движение вала, даже если двигатели движутся в одном и том же направлении вращения.

Какие существуют типы коробок передач?

Редукторы различаются по внешнему виду и устройству соединения, что дает нам три основных группы или типа: концентрические редукторы, параллельные редукторы и прямоугольные редукторы.

Концентрические редукторы

Концентрические редукторы , широко известные как линейные редукторы, обычно используются для приложений с высоким крутящим моментом.

Редукторы такого типа обычно используются, когда к редуктору подключается один выход. Как и в небольших быстроходных судах, где два двигателя приводят в движение два независимых карданных вала, независимых друг от друга, коробка передач используется для включения сцепления (по часовой стрелке или против часовой стрелки) и выключения сцепления при определенном передаточном отношении коробки передач.

Ведущий и ведомый валы устанавливаются горизонтально на одной линии для каждого редуктора. Редукторы установлены рядом друг с другом, представляя собой силовую установку левого и правого бортов.

Параллельные редукторы

Параллельные редукторы используются, когда два выхода подключены к одному входу (подключены одновременно) или наоборот, когда два входа подключены к одному выходу (подключены по одному).

Эти редукторы предназначены для двух валов, требующих высоких и низких скоростей. Также, как и в концентрических редукторах, ведущий и ведомый валы установлены горизонтально, а выходные валы параллельны друг другу.

В качестве усовершенствования предыдущего описанного, суда с валогенераторами имеют два выходных вала.

Приводной двигатель соединен с коробкой передач, при этом он передает усилие, приводимое в движение, на карданный вал и вал генератора. Обычно корабли, оснащенные валогенераторами, имеют фиксированную или постоянную скорость двигателя / число оборотов в минуту, хотя для увеличения скорости корабля используются CPP или система гребных винтов с регулируемым шагом.

CPP позволяет изменять шаг гребного винта судна, независимо от скорости движения вперед и назад. Последнее можно увидеть на кораблях с дизель-электрическими силовыми установками, где гребной вал может работать под дизельными двигателями или через электродвигатели.

При дизельной силовой установке дизельный двигатель связан с коробкой передач, а при электрической силовой установке приводной электродвигатель, работающий от судовых генераторов, связан с коробкой передач.

Угловые редукторы

Угловые редукторы используются всякий раз, когда необходимо передать мощность, создаваемую приводной частью двигателя, на гребной вал под углом 90 градусов.

Обычно на судах они применяются в азимутальных подруливающих устройствах, где нет установленного руля, а гребной винт действует одновременно как руль и движитель. Двигатель по-прежнему является движущей силой гребного винта, пока он направлен в нужном направлении для управления кораблем.

Дальнейшее применение — носовые подруливающие устройства корабля, хотя вместо этого они приводятся в движение не двигателями, а мощными электродвигателями.

Что вызывает проскальзывание трансмиссии лодки?

Коробка передач лодки может проскальзывать из-за различных факторов, обычно это может быть из-за изношенных сцеплений, которые могут быть повреждены со временем, учитывая возраст лодки, или могут быть изношены из-за внешних сил. Внешние силы, препятствующие вращению вала при активном движении судна; таких как посадка судна на мель или запутывание каната с гребными винтами.

Кроме того, грязное системное масло может также забивать фильтры, отключая внутренний насос для создания необходимого давления для включения сцепления и включения нужных передач. В обоих случаях муфты проскальзывают и отключаются, что фактически не приводит к ускорению.

Почему на лодках не используются трансмиссии?

Несмотря на все описанные выше функции редукторов, не все суда используют редукторы/трансмиссии. Особенно, если между двигателем и карданным валом не требуется удовлетворения требований по скорости или крутящему моменту.