При движении с высокими скоростями для обеспечения соответствия между частотой вращения коленчатого вала двигателя и необходимой частотой вращения ведущих колес автомобиля между ними необходимо установить-редуктор или набор редукторов с определенным передаточным числом. При этом регулирование скорости движения автомобиля можно обеспечить изменением подачи топлива. Поскольку характеристика двигателя отличается тем, что на малых частотах вращения коленчатого вала развивается соответственно малая мощность, то при малых скоростях движения сила тяги на колесах будет также невелика и недостаточна для преодоления сил инерции (при трогании автомобиля с места) или сил повышенного сопротивления движению. Применение двигателя, развивающего большую, достаточную для трогания с места и для преодоления больших сопротивлений мощность на малых частотах вращения приведет к тому, что такой двигатель будет очень неэффективно использоваться на наиболее эксплуатируемых режимах движения, а это приведет к чрезмерному расходу топлива.
Единственно возможным рациональным выходом является применение между валом двигателя и валом привода колес редуктора с переменным передаточным числом. Такой узел называется коробкой передач. Кроме этого, на коробку передач обычно возлагаются задачи обеспечения возможности движения автомобиля задним ходом и длительной работы двигателя на режиме холостого хода.
По принципу работы коробки передач могут быть механические, электрические и гидравлические (гидромеханические). На современных автобусах применяют механические и гидромеханические трансмиссии.
По способу изменения передаточного числа передачи могут быть ступенчатые и бесступенчатые. На особо малых и малых автобусах применяются только механические ступенчатые передачи. На больших и особо больших автобусах применяются механические ступенчатые коробки передач либо гидромеханические передачи, представляющие собой сочетание бесступенчатого гидравлического трансформатора со ступенчатой механической коробкой передач.
Механические ступенчатые коробки передач могут иметь неподвижные оси валов или быть планетарными, у последних оси части валов могут совершать вращательное движение. На особо малых и малых автобусах применяют в основном коробки с неподвижными осями валов. Планетарные коробки передач применяются на отдельных больших и особо больших автобусах в качестве механического редуктора гидромеханической передачи.
Коробки передач с неподвижными валами могут классифицироваться по числу валов — они могут быть двухвальные, трехвальные и многовальные. Двухвальные применимы в основном на переднеприводных особо малых автобусах (в настоящее время в России такие автобусы не выпускаются). Трехвальные получили наибольшее распространение на особо малых, малых, средних автобусах, части больших и особо больших автобусов. Многовальные применяются в отдельных случаях в качестве механического редуктора гидромеханических передач.
Коробки передач классифицируются также по числу возможных передач и по способу включения передач.
По числу возможных передач коробки могут быть двухступенчатые, трех-, четырех- и пятиступенчатые. На автобусах двухступенчатые коробки применялись только в виде механического редуктора в составе гидромеханической передачи.
Трехступенчатые коробки встречаются на современных автобусах только в качестве механического редуктора гидромеханической передачи.
Четырехступенчатые коробки находят применение в отдельных конструкциях особо малых, малых и средних автобусов, однако в последнее время такой вариант все чаще вытесняется пятиступенчатой коробкой.
Включение передач может выполняться с помощью зубчатых муфт, перемещением зубчатых колес и с помощью фрикционов.
На современных автобусах в основном передачи включаются с помощью зубчатых муфт, включение отдельных ступеней может осуществляться перемещением зубчатых колес. При включении передач с помощью зубчатых муфт муфты включения обычно встраиваются в механизм, обеспечивающий выравнивание скоростей вращения соединяемых деталей. Такой механизм называется синхронизатором. Включение ступеней с помощью фрикционов находит применение только в механических редукторах гидромеханических передач.
Для примера рассмотрим коробку передач особо малого автобуса ГАЗ-2217 «соболь» и малого автобуса ГАЭ-3221 «газель». Это механическая пятиступенчатая трехвальная коробка с ускоряющей пятой передачей, трехходовая с синхронизацией всех передач. Число ходов означает число поступательно перемещающихся при переключении передач деталей (ползунов). Конструкция коробки показана на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Коробка передач автобуса «соболь»: 1 — первичный вал; 2 — крышка подшипника; 3 — манжета первичного вала; 4 — подшипник первичного вала; 5,14, 24, 31 — стопорные кольца; 6 — роликовый подшипник вторичного вала; 7 — сапун; 8 — блокирующее кольцо; 9 — муфта включения III и IV передач; 10 —сухарь синхронизатора; 11 — ступица муфты включения III и IV передач; 12 — шестерня III передачи; 13 — игольчатый подшипник; 15 — полукольцо; 16 — шестерня II передачи; 17—ступица муфты включения I и II передач; 18—шток переключения; 19 — шестерня I передачи; 20 — вторичный вал; 21 — шестерня з.х.; 22 — вилка включения V передачи и з.х.; 23 — ступица муфты включения V передачи и з.х.; 25—болт крепления пластины фиксатора; 26 — шестерня V передачи; 27—упорная шайба; 28 — подшипник вторичного вала; 29 — защитный уплотнитель; 30 — рычаг переключения; 32 — шестерня привода спидометра; 33 — корпус рычага переключения передач; 34 — задний картер; 35—сталебаббитовая втулка; 36 — манжеты удлинителя заднего картера; 37 — задний подшипник промежуточного вала; 38 — промежуточный вал; 39, 44, 45 — шестерни V, II, III передач промежуточного вала; 40 — болт; 41 — прокладка; 42 — пробка сливного отверстия; 43 — передний картер; 46 — пробка заливного отверстия; 47 — шестерня промежуточного вала; 48 — регулировочная прокладка; 48 — передний подшипник промежуточного вала; 50 — ось промежу-точной шестерни з.х.; 51 — промежуточная шестерня з.х.; 52 — роликовый подшипник шестерни; 53—болт крепления втулки оси промежуточной шестерни з.х.
Картер коробки жестко крепится к картеру сцепления, который в свою очередь прикреплен к блоку цилиндров двигателя. Картер состоит из переднего картера 43 и заднего картера 34, скрепленных болтами. В картере установлены три вала. Первичный вал 1 имеет одну опору в подшипнике коленчатого вала и вторую в виде шарикоподшипника 4 — в картере коробки передач. На шлицах первичного вала установлен ведомый диск сцепления. Заодно с первичным валом изготовлена ведущая шестерня привода промежуточного вала. Промежуточный вал 38 установлен в подшипнике 49 в переднем картере и в подшипнике 37 в заднем картере. На промежуточный вал напрессованы ведомая шестерня привода промежуточного вала 47, ведущие шестерни второй 44, третьей 45 и пятой 39 передач. За одно с валом изготовлена ведущая шестерня первой передачи и заднего хода. Вторичный вал 20 имеет одну опору в виде роликового подшипника 6 в расточке первичного вала 1 и вторую опору в виде шарикового подшипника 28 в заднем картере. На вторичном валу на раликовых подшипниках установлены шестерни V передачи 26, заднего хода 21, первой передачи 19, второй передачи 16, третьей передачи 12. Каждая из этих шестерен имеет хвостовик с зубчатым венцом, с помощью которого данная шестерня соединяется с подвижной муфтой синхронизатора. На шлицах вторичного вала жестко закреплены ступицы синхронизаторов: 23 — включения V передачи и заднего хода, 17 — включения I и II передач,11 — включения III и IV (прямой) передач. На ступицах синхронизаторов установлены подвижные зубчатые муфты, обеспечивающие жесткое соединение соответствующих шестерен со вторичным валом.
Включение каждой из пяти передач переднего хода и передачи заднего хода осуществляется перемещением зубчатой муфты соответствующего синхронизатора до зацепления с зубчатым венцом хвостовика соответствующей шестерни вторичного вала. При включенной I передаче момент с первичного вала через пару шестерен постоянного зацепления 1 и 47 попадает на промежуточный вал, откуда через шестерню промежуточного вала 38 и шестерню вторичного вала 19 через синхронизатор первой передачи — на вторичный вал. Соответственно, II передача осуществляется шестернями 1, 47, 44 и 16, III передача — шестернями 1, 47, 45 и 12. Четвертая передача — прямая, при этом синхронизатор четвертой передачи напрямую соединяет первичный и вторичный валы. Промежуточный вал при этом вращается вхолостую, его шестерни вращают зацепленные с ними шестерни вторичного вала, каждая из них вращается со своей частотой. Пятая передача образуется шестернями 1, 47, 39 и 26. Соотношение чисел зубьев шестерен при этом таково, что вторичный вал вращается с частотой, большей частоты вращения первичного вала. Поэтому часто такую передачу называют ускоряющей. Коленчатый вал вращается всегда только в одном направлении, поэтому для получения заднего хода необходимо обеспечить изменение направления вращения вторичного вала. Для этого между ведущей шестерней заднего хода промежуточного вала 38 и ведомой шестерней заднего хода вторичного вала 21 установлена промежуточная шестерня 51, находящаяся в постоянном зацеплении с шестернями 38 и 21. Она только изменяет направление вращения вторичного вала. Число зубьев этой шестерни не влияет на передаточное число заднего хода.
При переключении передач сцепление выключается. Первичный вал коробки передач по инерции вращается с частотой, которую имел вал двигателя к моменту выключения сцепления. Поскольку первичный вал связан шестернями постоянного зацепления с промежуточным, а шестерни промежуточного вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями вторичного вала, то частота вращения каждой шестерни вторичного вала при нейтрали в коробке передач пропорциональна (с учетом передаточных чисел) частоте вращения первичного вала. Частота вращения вторичного вала пропорциональна скорости движения автомобиля в момент переключения передач. Для выравнивания частот вращения деталей, соединяемых при переключении передач, применяют механизм, называемый синхронизатором, что обеспечивает безударное включение передач.
В коробках передач применяются синхронизаторы с толкающими сухарями, конструкция которых показана на рис. 4.5. Ступица синхронизатора 4 жестко установлена на шлицах вторичного вала. На наружной поверхности ступицы нарезаны шлицы, по которым может перемещаться подвижная зубчатая муфта 3.
Рис. 4.5 Конструкция синхронизатора: 1 — шестерня II передачи; 2 — блокирующие кольца; 3—скользящая муфта включения II и III передач; 4 — ступица; 5 — стопорное кольцо; 6 — пружина; 7 — сухарь; 8 — шарик; 9 — шестерня III передачи
Внутренние щлицы муфты на торцевой поверхности имеют скосы, в плане представляющие собой треугольник. На этой же поверхности равномерно прорезаны продольные пазы, в которые вставлены штампованные сухари 7, имеющие в средней части на наружной поверхности выступ в виде гребешка. В средней части внутренней поверхности муфты 3 имеется кольцевая проточка, в которую входят выступы сухарей. Сухари изнутри поджимаются пружинами 6. На наружной поверхности муфты нарезана кольцевая проточка, в которую входит вилка переключения передач. Таким образом, при перемещении муфты 3 по шлицам ступицы вместе с ней в продольных пазах ступицы перемещаются сухари 7. Шестерни вторичного вала имеют хвостовик конической формы с зубчатым венцом. Между зубчатым венцом шестерни и зубчатой муфтой 3 установлены латунные блокирующие кольца 2. На наружной поверхности каждого блокирующего кольца нарезаны зубья, имеющие тот же профиль, что и зубчатый венец шестерни, торцевые поверхности зубьев, обращенные к муфте, имеют скосы, аналогичные скосам шлиц муфты. Внутренняя поверхность кольца имеет форму конуса, установленного на конус хвостовика шрстерни. На внутреннем конусе кольца нарезана резьба, служащая для разрыва масляной пленки и увеличения трения между конусом кольца и конусом хвостовика шестерни. На торцевой цилиндрической поверхности колец прорезаны равномерно расположенные пазы, в которые входят сухари 7. Ширина каждого паза больше ширины сухаря на полшага зубьев кольца.
При включении передачи вилка переключения перемещает муфту 3 в направлении шестерни включаемой передачи. Вместе с муфтой перемещаются сухари, толкающие блокирующее кольцо. Конус кольца усилием, прикладываемым водителем к муфте через механизм переключения передач, прижимается к конусу хвостовика шестерни. Поскольку шестерня и вторичный вал, на котором сидит ступица синхронизатора, имеют разные частоты вращения, трение, возникающее между конусом хвостовика шестерни и конусом кольца, увлекает кольцо за шестерней. Кольцо может провернуться относительно ступицы на величину разницы ширины паза кольца и ширины сухаря. Эта разница равна половине шага зубьев венца шестерни. Поэтому при повороте кольца относительно ступицы зубья кольца устанавливаются против впадин зубчатого венца шестерни. Таким образом перемещение муфты 3 в сторону шестерни заблокировано. Увеличение усилия, прикладываемого к муфте, только увеличивает трение на конусной поверхности. Первичный вал и связанные с ним шестерни вращаются по инерции, колеса автомобиля и, соответственно, вторичный вал также вращаются по инерции. Инерция первичного вала и связанных с ним шестерен намного меньше инерции автомобиля; усилие, прикладываемое водителем через механизм включения передач к муфте, увеличивает или уменьшает частоту вращения первичного вала относительно вторичного, выравнивая частоты вращения соединяемых деталей. Когда частоты становятся равными, исчезает инерционный момент, поворачивающий кольцо относительно ступицы. Благодаря наличию скосов на торцах зубьев кольца и муфты, сила водителя, приложенная к муфте, поворачивает кольцо относительно ступицы, зубья кольца устанавливаются против зубьев ступицы и муфта имеет возможность войти в зацепление с зубчатым венцом хвостовика шестерни. При этом гребни сухарей выходят из кольцевой проточки муфты, а сухари утапливаются, преодолевая упругую силу кольцевых пружин. Шестерня жестко соединяется со!вторичным валом, передача включается.
Механизм переключения передач показан на рис. 4.6. Как указывалось выше, включение каждой передачи осуществляется перемещением подвижных шлицевых муфт. Перемещение муфт производится вилками включения III и IV передач, включения I и II передач и включения V передачи и заднего хода. Вилки входят в кольцевые проточки этих муфт и, в свою очередь, закреплены на штоках 12 переключения передач. Крепятся вилки болтами, ввернутыми в резьбовые отверстия в штоках. Штоки установлены и перемещаются в соответствующих отверстиях, выполненных в приливах переднего и заднего картеров.
Рис. 4.6. Механизм переключения передач: 1 — первичный вал; 2 — крышка подшипника; 3 — выключатель света зх; 4 — манжета первичного вала; 5 — задний подшипник первичного вала; 6 — шестерня привода промежуточного вала; 7 — сапун; 8 — шестерня III передачи; 9 — передний картер; 10 — шестерня I передачи; 11 — шестерня зх; 12 — штоки переключения передач; 13 — шарик-фиксатор; 14 — пружина; 15 — рычаг переключения передач; 16 — защитный уплотнитель; 17 — колпак рычага; 18 — корпус рычага переключения; 19 — задний картер; 20 — вторичный вал; 21 — манжеты удлинителя заднего картера; 22 — сталебаббитовая втулка; 23 — шестерня привода спидометра; 24 — привод спидометра; 25 — задний подшипник промежуточного вала; 26 — шестерня V передачи; 27 — болты крепления оси промежуточной шестерни з. х.; 28 — промежуточная шестерня з. х.; 29 — промежуточный вал; 30 — пробка заливного отверстия
Перемещение штоков осуществляется нижней частью рычага переключения передач, установленной в шаровой опоре в корпусе рычага переключения передач, прикрепленного к заднему картеру. На нижнюю часть рычага переключения передач с помощью конуса плотно посажена верхняя часть рычага переключения передач 15. На верхний конец рычага навернута рукоятка. Нижний конец рычага может входить в один из пазов головки штока включения передач. Головки закреплены на концах соответствующих штоков резьбовым соединением. Таким образом, при нейтрали в коробке передач пазы всех трех штоков находятся на одной линии в поперечной плоскости коробки. Поскольку рычаг переключения передач имеет шаровую опору, он может перемещаться как в поперечной, так и в продольной плоскости коробки. Перемещение рычага в поперечной плоскости позволяет выбрать необходимый шток, последующее перемещение рычага в продольной плоскости перемещает выбранный шток, и таким образом, позволяет включить одну из двух передач, управляемых этим штоком. Для устранения возможности самопроизвольного выключения выбранной передачи каждый из штоков имеет фиксатор, представляющий собой шарик, поджатый пружиной, верхний конец которой упирается в пластину, привернутую болтами к торцевой поверхности заднего картера. Каждый шток имеет в вертикальной плоскости три лунки. Средняя лунка фиксирует нейтральное положение штока, а остальные — включение каждой из передач. Для исключения возможности одновременного включения двух передач установлено замковое устройство. В заднем картере в плоскости перемещения штоков выполнено сквозное сверление. В это сверление в промежутках между средним и крайними штоками 12 вставлены стопорные плунжеры, представляющие собой цилиндрические стержни со сферическими концами. В среднем штоке в горизонтальной плоскости соосно со сверлением в заднем картере имеется сквозное отверстие, в которое вставляется стопорный палец. В плоскости перемещения стопорных плунжеров на боковых поверхностях крайних штоков сделаны лунки, на среднем штоке аналогичные лунки выполнены с обеих сторон сверления. Суммарная длина двух стопорных плунжеров и стопорного пальца равна расстоянию от цилиндрической поверхности одного крайнего штока до углубления лунки другого крайнего штока. Таким образом, при перемещении одного из штоков стопорные плунжеры своими сферическими концами входят в лунки двух других плунжеров, что блокирует возможность их перемещения. Между головкой штока включения V передачи и заднего хода и стенкой заднего картера установлен упор, поджатый пружиной.»При включении заднего хода водителю для перемещения штока приходится прикладывать дополнительное усилие, что исключает возможность случайного включения заднего хода.
Смазка коробки передач осуществляется трансмиссионным маслом. Масло заливается в картер коробки через специальное отверстие, закрытое резьбовой пробкой, до уровня этого отверстия. Слив отработанного масла осуществляется через специальное отверстие в нижней части картера. Это отверстие закрыто резьбовой пробкой, в которую вставлен магнит для улавливания металлических частиц.
На части больших городских автобусов ЛиАЗ-5256 и их пригородной модификации устанавливается механическая пятиступенчатая трехвальная трехходовая коробка. Кинематическая схема этой коробки передач аналогична ранее рассмотренной схеме коробки передач ГАЗ.