VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Превосходство высоких технологий – выбор коробки передач
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире личный автомобиль стал привычным для многих средством передвижения. Каждый год автомобилисты ожидают выпуска нового автомобиля с высокими эргономическими показателями и усовершенствованными агрегатными узлами, в том числе и коробки переключения передач. В этой связи актуальным является вопрос автоматизации процессов переключения передач и управления сцеплением.
Объектная область исследования – устройство автомобилей.
Объект исследования – информационные источники об автомобилях с различными типами коробок передач.
Предмет исследования – коробка передач с механической и роботизированной трансмиссией, энциклопедические и интернет источники.
Гипотеза: Собрав информацию об устройстве и эксплуатации автомобилей с различными типами коробок передач, мы узнаем, какая коробка передач на сегодняшний день самая оптимальная для использования в городской черте.
Цель работы: изучить устройство автомобиля с учётом основных тенденций в автомобилестроении и потребностям человека.
Задачи:
Изучить литературу о значении и характеристики коробки передач.
Ознакомиться с различными типами коробок передач.
Изучить преимущества и недостатки автомобилей с механической и роботизированной трансмиссией.
Провести практическую работу по выявлению преимуществ и недостатков автомобилей с различными коробками передач.
Выявить наиболее подходящую для эксплуатации в городе коробку передач.
Методыисследования: теоретические, эмпирические и практические: анализ научной литературы по вопросу, сравнение полученных данных, практическая работа по исследованию преимуществ и недостатков различных КПП, создание макета, метод визуализации данных (графики, таблицы, диограмы).
Часть 1. Теоретический этап
Глава 1. Создание коробки переключения передач
Впервые, идею о создании предложил и воплотил в жизнь в конце XIX века немецкий инженер Карл Бенц. Принцип работы был прост - при помощи нехитрых механизмов ремень перекидывался с одного шкива на другой, таким способом меняя скорость автомобиля.
Но уже Вильгельм Майбах начинает использовать различные пары зубчатых колёс для того, чтобы выбрать нужное передаточное отношение для соответствующей ситуации. Карданный вал, чьим изобретателем был Луи Рено, появился несколько позже, но зато занял прочное место в автомобилестроении. Первые такие механизмы по форме напоминали прямоугольную коробку, с их помощью изменяли не только скорость вращения выходного вала, но и крутящий момент, вскоре их стали называть коробками переключения передач.
Автомобильная промышленность не стояла на месте, и в 1935 году французский инженер Адольф Кегресс впервые предложил схему КП с двумя сцеплениями. А в 1939 году компания ZF получила патенты на них, но по причине технологических сложностей идея использования мультидискового сцепления не была доведена до промышленного производства. И только в 1980-х годах инженеры компании Porsche претворили идею в жизнь. Технологии начала двухтысячных требовали больших финансовых затрат для доведения таких коробок до ума и выпуска их в серийное производство. И снова эта технология забылась, но уже не так надолго, а всего на 10 лет. Знакомая нам коробка DSG (Direktschaltgetriebe) начала создаваться уже в середине 90-ых годов прошлого века компанией Volkswagen. Многие ведущие автопроизводители проявили интерес к агрегату с двумя сцеплениями.
Конструкция РКПП, появившаяся на первом автомобиле, была далека от совершенства и на протяжении более 100 лет ее все улучшают, совершенствуют и модернизируют инженеры самых разные автопроизводителей. Современные коробки передач удобные, бесшумные и долговечные.
Глава 2. Механическая коробка переключения
Коробка передач — важный конструктивный элемент трансмиссии автомобиля, предназначенный для регулирования крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля. Это преобразование необходимо, чтобы адаптировать крутящий момент на колесах к изменяющимся условиям.
Механическая коробка передач – механизм, предназначенный для ступенчатого изменения передаточного отношения, в котором выбор передачи осуществляется водителем вручную.
Любой двигатель имеет не очень большой диапазон оборотов, на которых он работает, разница между максимальными и минимальными оборотами находятся в пределах 10 раз. При движении автомобиля, особенно когда он трогается с места, требуется максимальный крутящийся момент, а двигатель, даже очень мощный, на малых оборотах не сможет обеспечить требуемую величину такого момента.
Поэтому требуется промежуточный редуктор между двигателем и колесами, который бы осуществлял отбор мощности на каждый режим движения автомобиля и движения задним ходом. Для этого и была придумана коробка передач.
Так как переключение от одной величины крутящего момента к другой происходит ступенчато, МКПП называют ступенчатыми. Каждая ступень имеет свою пару шестерён, через которую передается передача. Величина каждой передачи имеет своё передаточное число.
В зависимости от числа ступеней различают различные конструкции – от самых примитивных трёхступенчатых до семиступенчатых.
Современные автомобили с механической передачей имеют в основном 5-ти ступенчатые передачи.
2.1. Виды МКПП
По количеству валов, коробки бывают двухвальные и трехвальные. Двухвальные коробки применяются в переднеприводных автомобилях, трехвальные в заднеприводных.
2.2 Принцип работы МКПП
Двухвальная коробка имеет первичный вал (ведущий) и вторичный (ведомый). В конструкции такой коробки, учитывая специфику переднеприводного автомобиля, помимо своих шестерен и синхронизаторов, предусмотрена компоновка главной передачей с дифференциалом.
Первичный (ведущий) вал через шлицы соединяется с ведомым диском сцепления. На ведущем валу все шестерни жестко закреплены.
Вторичный (ведомый) вал расположен параллельно, с набором шестерен, свободно вращающимися на этом валу. Они находятся в постоянном зацеплении со своими парами на ведущем валу. На этом же валу находятся синхронизаторы, которые при включении той или иной передачи, входят в зацепление, соответствующей нужной передачи шестернями, фиксирую их с ведомым валом.
Принцип работы двухвальной механической коробки передач
Под выбором передачи понимается поперечное движение рычага управления относительно оси автомобиля (движение к паре передач), под включением передачи – продольное движение рычага (движение к конкретной передаче).
Движение рычага управления при включении конкретной передачи разделяется на поперечное и продольное. При поперечном движении рычага управления усилие передается на тягу выбора передач. Тот, в свою очередь, воздействует на рычаг выбора передач. Рычаг осуществляет поворот центрального штока вокруг оси и, тем самым, обеспечивает выбор передач.
При дальнейшем продольном движении рычага усилие передается на переключения передач и далее на рычаг переключения передач. Рычаг производит горизонтальное перемещение штока с вилками. Соответствующая вилка на штоке перемещает муфту синхронизатора и осуществляет блокирование шестерни ведомого вала. Крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса.
Двухвальная механическая коробка передач применяется на переднеприводных легковых автомобилях.
Т рехвальная коробка отличается наличием дополнительного вала с набором шестерней. В такой коробке два вала, ведущий и ведомый, находятся на одной оси, но не соединены друг с другом. Параллельно этим валам находится промежуточный вал, с шестернями, жестко скрепленными с валом.
Ведущий вал соединяется со сцепление через шлицы.
Ведомый вал через торцевой подшипник скрепляется с ведущим валом и не скрепляется с ним, свободно вращаясь в нём.
Все шестерни ведущего и ведомого вала свободно вращаются на валах и находятся в зацеплении с шестернями промежуточного вала. На обоих валах между свободно-вращающими шестернями вращаются муфты-синхронизаторов, которые посредством шлицов находятся в зацеплении с ведущим и ведомым валами.
Принцип работы трехвальной механической коробки передач
При нейтральном положении рычага управления крутящий момент от двигателя на ведущие колеса не передается. При перемещении рычага управления, соответствующая вилка перемещает муфту синхронизатора. Муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей соответствующей шестерни и ведомого вала. После этого, зубчатый венец муфты заходит в зацепление с зубчатым венцом шестерни и обеспечивается блокировка шестерни на ведомом валу. Коробка передач осуществляет передачу крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.
Глава 3. Роботизированная коробка переключения передач
Роботизированная коробка передач— представляет собой механическую коробку передач, где выжим сцепления и переключение передач выполняют два сервопривода (актуатора), управляемые электронным блоком. Иначе говоря, роботизированная КПП — это механическая коробка, в которой переключение передач происходит посредством электронных систем, благодаря чему рычагов управления в автомобиле становится меньше.
Автомобили с РКПП, как оказалось, могут понравиться разве что самым непритязательным водителям, вроде вчерашних выпускников автошкол. Поскольку передвигаются, как эти самые выпускники — с рывками и толчками. Что еще хуже, с задержками при переключениях. Чтобы отсоединить диск от маховика, выбрать передачу и восстановить течение момента им требуется больше времени, чем среднестатистическому водителю на обычной МКПП. К тому же, как выяснилось, эти коробки вовсе небезупречны с точки зрения надежности. И электроника «глючит», и греются, особенно в пробках, и ресурс сцепления иной раз далек от такового у опытного водителя на традиционной МКПП— бывает, 100 тыс. км, бывает, и вдвое меньше или даже вчетверо.
В основу конструкции РКПП положена МКПП, поэтому при производстве, как правило, используют, готовые технические решения.
3.1 Виды роботизированной коробки переключения передач
РКПП делятся на два вида:
РКПП с одним сцеплением
РКПП с двумя сцеплениями
3.2 Принцип работы РКПП
Начнем с самых ранних - роботизированных коробок передач с одним сцеплением. Как уже было сказано выше, это обычная МКПП, где выжим сцепления и переключение передачи происходит без участия водителя. В связи с этим, устройство их достаточно простое и включает в себя следующие элементы:
механическая часть;
сцепление, приводы;
система управления.
Механическая часть содержит все компоненты обычной механики, а принцип работы схож с принципом работы МКПП. Приводы, управляющие коробкой, могут быть гидравлическими и электрическими. Система управления — электронная и включает в себя следующие детали: входные датчики; электронный блок управления; исполнительные устройства (актуаторы).
Входные датчики отслеживают основные параметры работы КПП. Все данные передаются в блок управления, который контролирует актуаторы. Исполнительное устройство, в свою очередь, управляет работой сцепления с помощью сервоприводов.
Но во время эксплуатации были выявлены недостатки. И, в связи с этим, началась работа по усовершенствованию этой технологи, ведь как показала практика, стоимость у РКПП ниже, чем у конкурентов «автоматов», и ей проще управлять, нежели МКПП. И поэтому была разработана РКПП с двумя сцеплениями. Сейчас, несмотря на разных производителей, все они состоят из: двухмассового маховика, двух рядов передач, главной передачи, двойного сцепления, дифференциала, системы управления.
Первый ряд коробки обеспечивает работу нечетных передач и заднего хода, второй ряд — работу четных передач. Пока автомобиль движется на одной из передач, следующая уже выбрана и ожидает включения. Такая КПП последовательно включает передачи обоих рядов. При работе одной передачи, следующая уже готова к включению.
В момент переключения сцепление, которое было задействовано, размыкается, в то же время быстро подключается второе. Результат - момент переключения и смены передачи занимает доли секунды.
Основные элементы устройства двух сцеплений: мехатроник (электромеханическое устройство для управления работой дисков сцепления); кассета дисков сцеплений; корпус (с масляной ванной либо сухой).
Типы двойного сцепления.
Прежде всего, первой появилась коробка, где имеется так называемое «мокрое» сцепление (два пакета фрикционных дисков в масле, размещенные в корпусе).
Концентрическое расположение пакетов фрикционных дисков применяется в трансмиссии автомобилей, оборудованных передним приводом. Параллельное расположение пакетов фрикционных дисков чаще всего применяется в трансмиссии автомобилей, оборудованных задним приводом.
Основные составляющие «мокрого» сцепления: входная ступица; главная ступица, ступица первой и второй муфты; ведущий диск; пакет дисков первой и второй муфты; диафрагменная пружина и витковая пружина; поршень; гидроцилиндр первой и второй муфты; первичный вал первого и второго ряда.
Следующим этапом стало «сухое» сцепление (два сухих диска сцепления, расположенные на первичных валах коробки). Особенность такого типа двойного сцепления – независимая работа друг от друга каждого из сцеплений.
Основные составляющие «сухого» сцепления: два первичных вала; два выжимных подшипника; две диафрагменные пружины; два нажимных диска; ведущий диск; два диска сухого сцепления; двухмассовый маховик.
Часть 2. Практический этап
Изучение принципа работы МКПП на основе созданного макета. Анализ некоторых характеристик автомобилей с МКПП и РКПП.
Цель:
Изучить строение и принцип работы МКПП на основе макета 3-х ступенчатой двухвальной механической КПП.
Сравнить МКПП и РКПП. Выявить их недостатки и преимущества
Проанализировать время разгона и расход топлива у одинаковых автомобилей, причем на первом используется 6-и ступенчатая МКПП, а на втором 6-и ступенчатая РКПП с двумя сцеплениями. Марка выбранного для исследования автомобиля является одной из самых популярных и продаваемых в нашей стране (в сегменте среднего класса).
Изучить статистику продаж автомобилей за последний год.
Оборудование:
Макет двухвальной 3-х ступенчатой МКПП.
Skoda Yeti 1.4 TSI 6MT – МКПП (данные из руководства по эксплуатации)
Skoda Yeti 1.4 TSI 7DSG – РКПП (данные из руководства по эксплуатации)
Ход работы
Рис.1
Задание 1.Изучить строение и принцип работы МКПП на основе макета 3-х ступенчатой двухвальной механической КПП.
Для этого мною был создан макет 3-х ступенчатой двухвальной механической КПП. Для этого был использован гофра картон, 6 подшипников, зубочиcтки, бумага формата А4, мотор с редуктором IE-BO2-180i, батарейка типа КРОНА (9V), термоклей и клей для моделей. Схема электрической цепи представлена на рис.1.
Рис.2
На рис.2 мы видим, что цепь замкнута ключом, рычаг КПП переведен в положение N (Neutral) и ведомый вал не вращается. Это происходит из-за того, что зубочистки, находящие на главной передаче, не касаются зубочисток, находящихся внутри фрикционного конуса, в результате чего, жестко закрепленная на выходном вале, главная передача не получает вращение от ведущего вала и двигателя соответственно.
Н а рис.3 видно, что рычаг коробки передач переведен в положение 1, что означает, включено первое передаточное отношение (1 передача). Зубочистки на главной передаче зацеплены за зубочистки на фрикционном конусе большей шестерни ведомого вала, что обеспечило его сцепление с ведущим валом.
Рис.3
Его можно посчитать по формуле передаточного отношения:
где T1 – число зубьев на ведущей шестерне,
а T2 – число зубьев на ведомой шестерне.
В изуально видно, что конец ведомого вала вращается медленнее, чем ведущий вал. Это объясняет, полученное ранее, передаточное отношение.
Рис.4
На рис.4 видно, что рычаг коробки передач переведен в положение 2, что означает, включено второе передаточное отношение (2 передача). Шестерня, жестко закрепленная на главной передаче, получила соединение со второй шестерной ведущего вала, что обеспечило передачу крутящего момента от ведущего к ведомому валу через другое передаточное отношение. Так же считаем его по формуле:
Т1
Т2
Видим визуальное ускорение скорости вращения конца выходного вала. Это подтверждают и полученные данные: 1>0,5. Так же можно заметить, что скорость вращения ведомого вала равна скорости вращения ведущего вала.
О б этом может сказать и полученное нами передаточное отношение – 1.
Рис.5
На рис.5 видно, что рычаг коробки передач переведен в положение 3, что означает, включено третье передаточное отношение (3 передача). Зубочистки на главной передаче зацепились за зубочистки на фрикционном кольце меньшей шестерни ведомого вала, что обеспечило его новое передаточное отношение с ведущим валом. Так же считаем его по формуле:
Видим визуальное ускорение вращения конца ведомого вала, что подтверждает полученное нами передаточное отношение. Так же наблюдается, что ведомый вал вращается быстрее ведущего в два раза, это подтверждают и полученные данные: 2>1.
Таким образом, нам удалось изучить принцип работы и строение МКПП, узнать о передаточном отношении и понять его влияние на скорость автомобиля.
Задание 2. Сравнить два типа КПП, определить основные достоинства и недостатки конструкции, опираясь на изученный теоретический материал. Для этого я провел сравнительный анализ МКПП и РКПП. Изучив литературу, я пришел к выводу, что у МКПП и РКПП есть свои преимущества и недостатки. Проведя сравнительный анализ этих коробок передач, я обратил внимание на
|
МКПП |
РКПП |
||
|
Преимущества |
Недостатки |
Преимущества |
Недостатки |
|
Экономия топлива от 15-20% до 25%-30% при езде по городу |
Высокая вероятность повреждения сцепления и коробки. |
Высокая топливная экономичность. Около 30% |
Задержки при переключениях в версиях с одним сцеплением |
|
Простота конструкции (ремонт менее затратен) |
Повышенный износ двигателя |
Более низкий расход рабочей жидкости в коробке передач |
Подлежит ремонту далеко не на каждой станции технического обслуживания |
|
Высокая надёжность конструкции (500-600 тыс. км) |
Повышенный износ сцепления |
Наибольшая эффективность сцепления |
Меньшая надежность, чем у МКПП. |
|
Повышенная утомляемость при вождении |
Меньшая утомляемость водителя |
||
|
Потеря мощности двигателя при переключении передач |
Более дешевая, по сравнению с конкурентами |
||
|
Возможность переключения передач как в автоматическом, так и ручном режиме |
|||
следующие их плюсы и минусы:
Задание 3. Проанализировать самые важные характеристики эксплуатации автомобилей с выбранными для исследования КПП: время разгона (торможения - связано с безопасностью, управляемостью автомобиля) и расход топлива в разных условиях (экономичность эксплуатации).
Время разгона. Чтобы найти время разгона до 100 км/ч я воспользовался паспортом автомобиля. Данные представлены в таблице.
Из таблицы видно, что время разгона у МКПП меньше, чем у РКПП. Но в паспортных данных оно указывается без учета времени переключения передачи. В среднем время переключения одной передачи на МКПП равно 0,5сек. Наша коробка имеет 6 передач. Исходя из этого можем посчитать реальное время разгона:
время разгона + (время переключения передачи*кол-во передач)
9,9+(0,5*6)=12,9 (с)
Среднее время переключение передачи у РКПП настолько мало из-за её конструкции, что его можно не учитывать. Тогда можно составить реальную диаграмму.
Из диаграммы видно, что время разгона у МКПП больше, чем у РКПП.
Расход топлива на 100 км.
|
Тип коробки передач |
Городской цикл (л) |
Загородный цикл (л) |
Смешанный цикл (л) |
|
МКПП |
8,9 |
5,9 |
6,8 |
|
РКПП |
8,3 |
5,7 |
6,6 |
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что РКПП больше подходит для эксплуатации в городе, т.к. она более экономична. Так же это указывает на меньший объем выбросов в атмосферу, что благоприятно влияет на экологию, что, несомненно, важно сегодня.
Задание 4. Изучить статистику продаж автомобилей за последний год
По оценке экспертов «АВТОСТАТ», с января по сентябрь нынешнего года в нашей стране было реализовано 678 тысяч новых автомобилей, оснащенных автоматической трансмиссией. Это составляет 56% от общего объема российского рынка, что является рекордным показателем за всю его историю. Как отмечают эксперты агентства, рыночная доля «автоматов» в России продолжает расти и уже третий год подряд превышает 50%. При этом к автоматической трансмиссии мы относим как классические «автоматы», так и «роботы».
Глава 4. Экологические показатели МКПП и РКПП
Сегодня, главным показателем для автомобиля является не его мощность, а выброс вредных веществ в атмосферу, а точнее, выброс CO2. В связи с тем, что расход топлива у РКПП меньше, то и выбросов газа в атмосферу соответственно меньше.
Так же остро поставлен вопрос о переработке КПП после эксплуатации. Так как в РКПП присутствует большее количество деталей, чем в МКПП, то соответственно для создания новых «роботов» можно использовать больше переработанного сырья и перерабатывать из них тоже можно больше.
Заключение
Прежде всего нужно понимать, что идеального выбора не существует: каждая коробка передач одновременно может быть хороша при одних условиях и плоха – при других. Каждый из водителей должен ориентироваться не только на характеристики и параметры трансмиссий, но и учитывать сочетание каждой из них с привычными для него условиями езды и стилем вождения.
Водителям, чья стезя лежит в городской черте, а также тем, кто стремятся сэкономить на топливе и помочь окружающей среде подойдет роботизированная трансмиссия с двумя сцеплениями. Самыми лучшими представителя данного класса КП являются: DSG, S-Tronic, а также «роботы» других компаний группы VAG.
Да, если брать рейтинг по надёжности среди коробок передач, то тут первое место наверняка займёт классическая механика. На вторую строчку уверенно поднимается гидротрансформатор, а дальше уже последние места делят между собой вариаторы и роботы. Опираясь на мнение экспертов и их прогнозы, автоматов будет постепенно становиться всё меньше, механика останется, но её популярность резко упадёт. Найти однозначный и объективный ответ по поводу будущего коробок передач практически невозможно.
Несмотря на это, гипотеза подтвердилась и цель исследования считаем достигнутой.
«Роботам» ещё предстоит пройти большой путь становления и усовершенствования. Но уже сейчас эти коробки становятся проще, комфортнее и экономичнее, привлекая тем самым большую аудиторию покупателей. Что именно выбрать, решать только вам, ведь как говорил знаменитый конструктор Генри Форд: «Неудачи дают только повод начать снова и более умно. Честная неудача не позорна. Позорен страх перед неудачей.»
Библиографический список
Политехнический молодежный журнал. МГТУ им. Баумана 2016. № 3
Руководство по эксплуатации Skoda Yeti
https://pricurivatel.ru/
https://auto-ru.ru/
http://krutimotor.ru/
https://auto.today/
https://akppgid.ru/
http://www.listopedia.ru/
https://oilinmotor.ru/
https://carvanaekb.ru/
https://auto-ru.ru/
https://www.drive2.ru/
https://techautoport.ru/
https://www.drom.ru/i
https://www.drom.ru/
https://www.autostat.ru/