Общественный транспорт городов Беларуси

Иван Войтешонок

© www.beltransport.by

Дружественные проекты:

Гидромеханическая коробка передач Voith Diwa 851.3

Общие сведения

На автобусы МАЗ-103 и МАЗ-105 производства Минского автомобильного завода с 2001 года начали устанавливать автоматические трансмиссии фирмы Voith. Это позволило, во-первых, улучшить компоновку моторного отсека минских автобусов, а во-вторых, значительно облегчить работу водителя городского автобуса, а также повысить комфортность передвижения.

Фирма Voith решила отказаться от модной нынче тенденции к повышению количества передач. Высокий КПД достигается за счет испытанного симбиоза «дифференциал—гидротрансформатор». Пока обычная ГМП при старте с места переключается два, а то и три раза, Voith DIWA продолжает «тянуть» автобус на первой передаче — но одновременно работают и гидротрансформатор, и механическая часть коробки. Как утверждают разработчики, меньшее количество переключений делает движение более плавным и уменьшает износ фрикционных дисков. У коробок DIWA — три или четыре ступени, а гидротрансформатор (он же выполняет функцию ретардера) расположен необычно — посредине коробки. Кроме того, масляный радиатор встроен в ГМП — и за счет этого удалось избавиться от лишних трубок и штуцеров. Послед-няя модификация, DIWA 3E, необычна еще и тем, что управляющая электроника регистрирует данные о переключениях передач, торможениях и т.д. Считывать и обрабатывать данные можно очень быстро — с помощью персонального компьютера.

При переключении передач водитель обязан прекратить подачу топлива, выключить сцепление, выключить предыдущую передачу, включить последующую передачу, включить сцепление, возобновить подачу топлива. При движении в условиях интенсивного городского движения, что характерно для городских автобусов, выполнять эти действия приходится очень часто. К тому же частые остановки и последующие трогания автобуса заставляют постоянно оперировать сцеплением и педалью подачи топлива, что приводит к значительным физическим и эмоциональным нагрузкам. Это особенно ощутимо при управлении большими и особо большими городскими автобусами. Поэтому сложилась устойчивая практика применять на этих автобусах автоматические трансмиссии в виде гидромеханических передач.

Общие принципы работы гидротрансформаторов

Гидромеханическими называют передачи, в которых последовательно или параллельно установлены гидродинамическое звено (гидротрансформатор) и механический ступенчатый редуктор. Гидротрансформатором называется узел, в котором передача мощности от одного узла к другому осуществляется за счет использования кинетической энергии потока жидкости.
Насосное колесо устанавливается либо непосредственно на валу двигателя, либо соединяется с ним через согласующий редуктор, а турбинное колесо связано с входным валом трансмиссии. Реакторное колесо при работе узла в режиме трансформатора крутящего момента жестко закреплено на картере передачи. Внутренняя полость трансформатора заполнена рабочей жидкостью — специальным маслом.

При вращении насосного колеса валом двигателя элементарные объемы жидкости, заключенные в межлопаточных пространствах наcoca, совершают вращение вокруг оси насоса и одновременно под воздействием центробежной силы перемещаются внутри межлопаточного пространства. Жидкость «атакует» лопатки турбины и изменяет направление своего движения. Очевидно, что при постоянном режиме работы насоса величина и направление абсолютной скорости струи жидкости при выходе из турбины зависят от скорости вращения турбины.
Выходя из турбины, жидкость «атакует» лопатки реактора. Поскольку реактор неподвижен, Реакция струи жидкости от воздействия на реактор воспринимается турбиной. Следовательно, момент на турбине представляет собой сумму активного момента от воздействия струи жидкости при входе на турбину от насоса и реактивного от давления струи жидкости на реактор. Величина и направление струи жидкости при выходе из реактора являются входными величинами при входе ее на лопатки насоса.

При неподвижной турбине (неподвижный автобус) угол атаки лопаток реактора наибольший и реактивная добавка момента на турбине также наибольшая. С увеличением частоты вращения вала турбины (увеличение скорости движения автобуса) реактивная добавка моменте на турбине уменьшается.
Таким образом, гидротрансформатор выполняет две функции — увеличение момента, снимаемого в трансмиссию, в сравнении с моментом, подводимым к гидротрансформатору и уменьшение момента турбины по мере разгона вала турбины (разгона автобуса). Этим объясняется внутренний автоматизм гидротрансформатора.

Управление замедлением на автобусах с автоматической коробкой передач довольно необычно. Дело в том, что при нажатии педали сначала последовательно включаются три ступени ретардера, и только затем, при дальнейшем нажатии, вступает в работу основная тормозная система. При этом ретардер обеспечивает служебные замедления машины примерно до 2,0–2,5 м/с2.

                             Устройство коробки передач Voith Diwa 851.3

Следует выделить следующие элементы конструкции гидротрансформатора:
• рабочие колеса;
• опоры колес;
• уплотнения вращающихся деталей;
• механизм свободного хода.

Сочетание гидротрансформатора с механической ступенчатой коробкой передач называют гидромеханической передачей. На механический редуктор в гидромеханической передаче, кроме вышеизложенного, возлагаются также функции организации передачи заднего хода и нейтральной передачи, при которой можно было бы увеличивать частоту вращения вала двигателя (например при прогреве) при неподвижном автомобиле. При выборе схемы механической части гидромеханической передачи большое значение имеет число передач. С одной стороны, чем больше число передач в механической коробке, тем в более узком диапазоне передаточных отношений (а значит и с большим КПД) будет работать гидротрансформатор. С другой стороны, увеличение числа передач ведет к усложнению конструкции гидромеханической передачи. Кроме того, следует учитывать то обстоятельство, что переключение передач в механической коробке гидромеханической передачи лучше производить автоматически. Дело в том, что при механической трансмиссии одним из наиболее информативных параметров для водителя при выборе момента переключения передач является частота вращения вала двигателя. При наличии в трансмиссии гидротрансформатора двигатель мало меняет частоту вращения своего вала или не меняет вовсе.
Отсутствие очевидной информации о необходимости смены передачи вводит малоопытного водителя в заблуждение, и автомобиль может двигаться на передаче, при которой гидротрансформатор работает в зоне низких КПД, что, в свою очередь, может существенно ухудшить топливно-экономические показатели автобуса.

При большом числе ступеней в механической коробке передач существенно усложняется система автоматического переключения передач. Обычно для гидромеханических передач автобусов выбирают число передач 2..4.
При применении планетарного редуктора в механической части ГМП обычно для получения трех и более ступеней применяют либо полуторный (для 3-х ступеней и заднего хода), либо двойной планетарный ряд.

                   

Рассмотрим работу коробки передач с планетарными редукторами на примере гидромеханической передачи Voith D851.3, применяемой на большей части выпуска больших городских автобусов МАЗ-103 и МАЗ-105. Конструкция передачи показана на рис.1, а кинематическая схема — на рис. 2. Коробка передач трехступенчатая, с передачей заднего хода. Особенностью является так называемая двухпоточная схема. В этом случае при работе с гидротрансформатором поток мощности от входного вала идет двумя путями – в одном из них работает гидротрансформатор, в другом часть мощности передается только механическим путем.
Как видно из иллюстрации, передача состоит из привода А, входного дифференциала Б, гидротрансформатора В, дополнительной передачи Г и выходной части Д.

Привод А включает в себя демпфер крутильных колебаний 2 котооый необходим в данной передачи при включении блокировки гидротрансформатора. Входной дифференциал представляет собой одинарный планетарный ряд с двумя многодисковыми сцеплениями - входным сцеплением 3 и разделительным сцеплением 4.

Гидротрансформатор состоит из насосного колеса 6, турбинного колеса 7 и реактора  8. Дополнительная передача состоит из выходного дифференциала, также представляющего собой одинарный планетарный ряд с блокирующим сцеплением 9 и дополнительного планетарного ряда с многодисковым тормозом заднего хода 10, обеспечивающего возможность движения автобуса задним ходом и возможность использования гидротрансформатора в качестве гидравлического замедлителя.
Эпициклическая шестерня входного дифференциала через входное сцепление 3 связана с ведущим валом. Сателлиты установлены на осях, закрепленных в водиле. Ступица водила установлена на шлицах на выходном валу передачи. Солнечная шестерня установлена на валу насосного колеса 6 гидротрансформатора. Разделительное сцепление 4 служит для получения возможности жесткой связи эпициклической шестерни входного дифференциала с его водилом.
Как уже указывалось, насосное колесо установлено на общем валу с солнечной шестерней входного дифференциала. На валу насоса установлен многодисковый тормоз 5 насоса. Реактор 8 гидротраиформатора постоянно остановлен, таким образом гидротрансформатор в передаче Voith не комплексный, а простой. Турбина гидротрансформатора установлена на валу, общим с солнечной шестерней выходного дифференциала Водило выходного дифференциала установлено на шлицах на выходном валу передачи, а эпициклическая шестерня может быть остановлена многодисковым сцеплением 9.

Солнечная шестерня второго планетарного ряда дополнительной передачи Г жестко связана с эпициклической шестерней выходного дифференциала, эпицикл может быть остановленмногодисковым сцеплением, а водило установлено на шлицах выходного вала передачи.

Как указывалось выше, передача Voith является двухпоточной. Во входном дифференциале мощность разветвляется на два потока, в одном из которых встроены элементы с постоянным передаточным числом, в другой ветви встроена гидродинамическая передача. Суммирование потоков мощности обеих ветвей осуществляется вторым дифференциалом на выходном валу. При разделении общей мощности на два потока через гидродинамическую передачу проходит только часть общей, передаваемой дифференциальной передачей мощности. В этом случае преобразующие свойства гидродинамической передачи реализуются в меньшем объеме мощности.

В связи с уменьшением общего объема мощности проходящего через гидродинамическую передачу, уменьшаются потери в этой передаче. Это приводит к повышению КПД дифференциальной в сравнении с полнопоточным гидротрансформатором.

                   Принцип работы коробки передач Voith Diwa 851.3

При включенной первой передаче замкнуты входное сцепление 3 и тормоз эпицикла выходного дифференциала.

Мощность, приходящая в передачу от двигателя, делится в переднем дифференциале на два потока. Часть мощности через солнечную шестерню входного дифференциала подводится к насосному колесу гидротрансформатора, а другая часть через вал водила попадает на выходной вал передачи. Момент насоса преобразуется в гадротрансформаторе и с вала турбины попадает на солнечную шестерню выходного дифференциала. Поток мощности со второго дифференциала снимается с вала водила и попадает на выходной вал передачи, где суммируется с потоком мощности, попадающего на выходной вал с водила первого дифференциала. Таким образом, через гидротрансформатор в рассматриваемой передаче проходит талько часть общей мощности двигателя. а другая ее часть проходит на выходной вал с водила первого дифференциала, минуя гидротрансформатор. Заметам, что соотношение мощностей, проходимых на выходной вал через гидротрансформатор и через механические звенья, непрерывно меняется в зависимости от соотношения частот вращения отдельных звеньев дифференциалов.

В том случае, когда суммарный момент, снимаемый с выходного вала передачи меньше момента сопротивления движению, приведенного к выходному валу передачи, движение автомобиля невозможно. В этом случае в заднем дифференциале остановлены два звена — водило и эпициклическая (коронная) шестерня. Следовательно, остановлена и солнечная шестерня, а значит остановлена турбина гидротрансформатора, т.е. он работает в «стоповом» режиме. В переднем дифференциале остановлено водило, эпициклическая (коронная) и солнечная шестерни вращаются в противоположных направлениях.
Вся мощность двигателя затрачивается на преодоление внутренних потерь в гидротрансформаторе. Момент турбины гидротрансфоматора создает реакцию в зацеплении солнечной шестерни с сателлитами, на оси водила реализуется реакция, создающая момент на выходном валу передачи, который суммируется с моментом, снимаемым на выходном валу с водила переднеднего дифференциала. Когда суммарный момент на выходном валу передачи превысит приведенный к этому валу момент сопротивления движению, автомобиль начнет движение.
Заметим, что после начала движения направление вращения насосного и турбинного колес гидротрансформатора противоположны, то есть в данном случае применен гидротрансформатор обратного хода. После начала мощность попадает на выходной вал передачи двумя путями – через водило переднего дифференциала, минуя гидротрансформатор и через водило заднего дифференциала после преобразования в гидротрансформаторе. При этом по мере разгона автомобиля уменьшается частота вращения насосного колеса гидротрансформатора и часть мощности, проходящей на выходной вал через гидротрансформатор также уменьшается. Такая схема передачи позволяет полностью использовать трансформирующие свойства гидротрансформатора в момент трогания с места, а по мере разгона автомобиля уменьшение части мощности, проходящей через гидротрансформатор, позволяет уменьшить потери, свойственные полнопоточной гидродинамической передаче.

После разгона автобуса на I передаче до скорости, составляющей 33...35% от максимальной скорости автобуса (в зависимости от настройки системы управления), включается II передача.

При этом включено входное сцепление 3 входного дифференциала и включается тормоз наcoca входного дифференциала. Включение тормоза насоса останавливает вал солнечной шестерни входного дифференциала и соответственно останавливает насосное колесо гидротрансформатора. В этом случае входной дифференциал работает, как планетарный редуктор, частота вращения выходного вала передачи, на шлицах которого установлено вводило входного дифференциала, меньше частоты вращения входного вала, с которым связана эпициклическая шестерня этого дифференциала. В выходном дифференциале сцепление 3 выключено, сателлиты на осях, закрепленных в водиле выходного дифференциала, свободно обкатываются по солнечной шестерне, связанной с турбиной гидротрансформатора. Заметим, что при включенной II передаче гидротрансформатор в передаче и трансформации крутящего момента не участвует, передача превращается в механическую с планетарным редуктором.

После разгона автобуса на II передаче до скорости, составляющей 44…60% от максимальной в зависимости от настройки системы управления, автоматически III передача.

При включении III передачи выключается входное сцепление 3 входного дифференциала, включается разделительное сцепление 4 входного дифференциала и тормоз 5 насоса. При включенном разделительном сцеплении 4 жестко связываются эпициклическая шестерня и водило входного дифференциала, весь дифференциал блокируется, чем обеспечивается прямая передача. Заметим, что третья передача также чисто механическая, гидротрансформатор в передаче и трансформации крутящего момента не участвует.

При включении заднего хода включены входа включены входное сцепление с входного дифференциала и многодисковый тормоз 10 заднего хода.

Крутящий момент с солнечной шестерни входного дифференциала поступает на насосное колесо гидротрансформатора, с турбинного колеса гидротрансформатора — на солнечную шестерню выходного дифференциала, с эпициклической шестерни выходного дифференциала - на солнечную шестерню планетарной передачи заднего хода. Включение в цепь передачи крутящего момента дополнительного планетарного ряда заднего хода изменяет направление вращения выходного вала передачи на обратное.

Таким образом, передача Voilh является гидромеханической только при включении I передачи и заднего хода, при включении II и III передач Voilh представляет собой механическую передачу с третьей прямой ступенью.
При торможении при помощи гидротрансформатора (гидродинамического тормоза-замедлителя) может быть задействовано три ступени интенсивности замедления. Торможение двигателем вкупе с гидротрансформатором позволяет автобусу не прибегать к штатной пневматической тормозной системе вплоть до скорости 5-6 км/ч. что существенно снижает износ тормозных накладок. Схема блокирования фрикционов и передачи моментов следующая:

При автоматическом управлении ступенчатой коробкой передач гидромеханической передачи система управления может быть гидравлической, электрогидравлической или электроиногидравлической, В первом случае автоматическое управление обеспечивается элементами гидроавтоматики, во втором — аналоговыми электрическими датчиками и гидравлической системой исполнения, в третьем — электронной системой (микропроцессором) и гидравлическим исполнительным механизмом.

Блок-схема электронного управления коробкой передач Voith выглядит следующим образом.

                       

Входные сигналы отдатчика нагрузки, индуктивного датчика, ручного выключателя тормоза-замедлителя и тормозной педали электронный модуль коробки передач преобразует в выходные сигналы, которые с помощью магнитных клапанов блока управления управляют коробкой передач.

При автоматическом управлении ступенчатой коробкой передач выбор момента включения той или иной передачи обеспечивается с учетом минимум трех информационных параметров – нагрузки двигателя, скорости движения автомобиля и передачи, включенной к моменту переключения. Очевидно, что число информационных параметров определяет число необходимых датчиков в системе управления. Датчик нагрузки представляет собой прибор, преобразующий угловое перемещение рычага управления подачей топлива в соответствующий электрический сигнал.

На рисунке Датчик нагрузки: 1 – датчик нагрузки; 2 – упор рычага датчика нагрузки; 3 – рычаг датчика нагрузки; 4 – гайка; 5 – стяжка; 6 – компенсатор; 7 – тяга; 8 – рычаг управления; А и Б – ограничители хода рычага датчика нагрузки

Датчик скорости – это установленный на выходном валу передачи индуктивный датчик частоты вращения. На вторичном валу закреплен диск с зубьями, которые при вращении выходного вала проходят мимо индуктивного датчика, при этом частота возникновения сигналов в индуктивном датчике пропорциональна скорости движения автобуса. Сигналы датчика в электронном блоке преобразуются в непрерывный электрический сигнал, подающийся в электронный блок управления.

На рисунке Датчик управления подачей топлива: L1 – частичное ускорение; L2 – полное ускорение; L3 – нажатие на пружинный ограничитель (kick-down)

Кроме этого, в системе управления коробкой передач Voith предусмотрена возможность коррекции закона переключения передач в зависимости от развиваемого автобусом ускорения. При высоких ускорениях, определяемых малой загрузкой автобуса или малым сопротивлением движению, переключение передач производится при меньших значениях скорости автобуса, что обеспечивает экономию топлива. При низких ускорениях, соответствующих полностью загруженному автобусу или повышенному сопротивлению движению, переключение передач производится при более высоких значениях скорости, что обес печивает возможность выхода двигателя автобуса на режим максимальной мощности. Определение ускорения производится на основе электронного анализа сочетания скорости движения автобуса и степени нажатия на педаль подачи топлива. Степень нажатия на педаль подачи топлива определяется соответствующим датчиком, расположенным на оси педали. При нажатии педали управления подачей топлива за пружинный ограничитель (kick-down) максимальная скорость автобуса возрастает на 10 %.

Плавность переключения передач обеспечивается подбором соответствующего материала накладок фрикционных элементов, необходимой вязкости масла и соответствующим подбором диаметров золотников гидросистемы.

Иван Войтешонок, 2005-2006

При подготовке страницы использованы материалы издательства "За рулем".

©  beltransport.by    2009