Рис. 3-1. 0 - ведущее звено (маховик двигателя); 1 - тормоз передачи заднего хода; 2 - тормоз первой передачи; 3 - муфта второй (прямой) передачи; 4 - трехвенцовый сателлит; X - ведомый вал
При затягивании ленточного тормоза 2 коробка работает в редукторном режиме, а при включении ленточного тормоза 1 реализуется передача заднего хода. Включение блокировочной муфты приводит к полной блокировке планетарного механизма, что соответствует прямой передаче. Конструкция этой коробки была далеко не совершенной, и, кроме того, наличие двух передач было явно недостаточно, но несмотря на это она долгое время использовалась на автомобилях Ford-T.
Прежде чем рассматривать кинематические схемы построения планетарных механизмов современных АКПП, познакомимся сначала с основными элементами планетарных механизмов и их свойствами.
Любой планетарный механизм (рис. 3-2) состоит из ведущего (0) и ведомого (X) звена, управляемых звеньев (1, 2, 3,...), планетарных рядов (ПР1, ПР2, ...) и трех типов фрикционных элементов управления: тормозов (Т1, Т2, ...), блокировочных муфт (М1, М2, ...) и обгонных муфт (А1, А2, ...).
Рис. 3-2.
Тормоз предназначен для остановки (блокировки с картером) звеньев планетарного механизма. При включении тормоза какого-либо звена его угловая скорость становится равной нулю; так, например, при включении тормоза Т1 (рис. 3-2) угловая скорость первого звена «о^О. Тормоз может быть ленточным (Т1), дисковым (Т2), или в качестве тормоза может быть использована обгонная муфта (А1).
Блокировочная муфта служит для жесткого соединения (блокировки) любых двух звеньев планетарного механизма. При ее включении угловые скорости звеньев, которые она соединяет, становятся равными. Например, включение муфты М1 (рис. 3-2) приведет к тому, что угловая скорость звена 2 станет равной угловой скорости ведущего звена 0. В качестве блокировочных муфт в АКПП используются дисковые муфты (М1) или обгонные муфты (А2).
Обгонная муфта - это механизм, способный передавать момент только в одном направлении. Так, если обгонная муфта может передавать момент, направленный по часовой стрелке, то в случае действия момента против часовой стрелки обгонная муфта будет свободно вращаться, не передавая при этом никакого момента.
В теории планетарных механизмов планетарные коробки передач принято классифицировать по числу степеней свободы, которыми они обладают в случае полного выключения всех элементов управления. Планетарные коробки передач бывают:
- двухстепенными;
- трехстепенными;
- четырехстепенными и т.д.
Для включения передачи в случае двухстепенной коробки передач необходимо воздействовать на один элемент управления. Причем если это будет блокировочная муфта, то планетарный механизм полностью блокируется, что соответствует прямой передаче. Если коробка передач обладает тремя степенями свободы, то для включения передачи необходимо воздействовать на два элемента управления. При этом одновременное включение двух блокировочных муфт приведет к блокировке коробки передач. В случае четырехстепенной коробки передач для включения передачи необходимо воздействие на три элемента управления и т.д.
Определить количество степеней свободы любой планетарной коробки передач достаточно просто. Для этого можно воспользоваться формулой Чебышева:
где W - число степеней свободы;
n - число звеньев, включая ведущее и ведомое;
kмех - число планетарных рядов, составляющих планетарный механизм.
Так, например, коробка передач автомобиля Ford-T (рис. 3-1) обладает двумя степенями свободы:
а коробка передач, кинематическая схема которой представлена на рисунке 3-2, относится к Трехстепенным коробкам:
В настоящее время в АКПП используются планетарные механизмы с двумя, тремя и четырьмя степенями свободы. С точки зрения управления наиболее предпочтительными являются планетарные коробки передач с двумя степенями свободы, поскольку в этом случае при переключении передачи нужно выключить один элемент управления и включить один элемент управления. Но в этом случае каждый элемент управления можно использовать только на одной передаче, и следовательно, число передач должно быть равно числу элементов управления. Кроме того, в теории планетарных передач [1] показано, что в коробке передач с двумя степенями свободы количество планетарных рядов должно быть равно количеству передач, реализуемых этой коробкой, без учета прямой передачи.
В планетарной коробке передач с тремя степенями свободы один и тот же элемент управления используют на нескольких передачах, и число передач n определяется как сочетание из m элементов управления по 2:
Планетарные механизмы (ряды)
Планетарные механизмы появились на американских автомобилях в начале прошлого столетия. Их использование на легковых автомобилях и грузовиках малой грузоподъемности было обусловлено неоспоримым преимуществом: минимальные габариты по сравнению с обычными зубчатыми передачами. Кроме того, вальные коробки передач со скользящими зубчатыми колесами на ранних этапах развития не имели синхронизаторов, и это требовало особой квалификации при переключении передач.
Первые планетарные коробки передач имели только две передачи, хотя имеется информация о том, что в 1906 г. Cadillak использовал планетарный механизм, реализующий три передачи. Ранние конструкции планетарных коробок передач имели ряд существенных недостатков. Они были шумные, имели малую долговечность подшипников (в то время для установки шестерен на валы использовались подшипники скольжения) и из-за перекосов вызванных их неравномерным износом при включении ленточных тормозов начинали вибрировать.
Появление вальных коробок передач с передвижными каретками приводит в конечном счете к их большей популярности по сравнению с планетарными коробками и практически к повсеместному их использованию на легковых и грузовых автомобилях. Однако на автомобиле Ford-T планетарная коробка использовалась вплоть до 1928 г.
Планетарные механизмы были вновь использованы в 1930 г. американской фирмой Borg-Warner в автоматической коробке передач Hydra-Matic. Проведенный большой объем исследований, а также использование косозубых зацеплений, легированных сталей, термообработки металла и игольчатых подшипников устранили многие недостатки ранних конструкций планетарных механизмов. В настоящее время планетарные механизмы имеют широчайший диапазон использования как в колесной, так и гусеничной технике.