Профессор Николай Щельцын о механических трансмиссиях сельхозтракторов

Тракторные заводы Механические ступенчатые трансмиссии до настоящего времени являются основным типом трансмиссий, применяемым на сельскохозяйственных тракторах. Оговоримся сразу: к данному типу относятся трансмиссии, в которых передаточное число между двигателем и ходовой частью регулируется механическим путем, чаще всего подбором зубчатых пар, передающих мощность. Предлагаем статью кандидата технических наук, профессора Николая Щельцына.

Подобный способ преобразования крутящего момента используется с 20-х годов прошлого века и сохранил свою конкурентоспособность в мировом тракторостроении, несмотря на появление ряда альтернативных решений: применение гидродинамических трансформаторов, объемных бесступенчатых гидропередач и т.д. Естественно, схемы и конструкции механических трансмиссий тракторов постоянно совершенствовались. Увеличилось количество передач, предпринят ряд мер по повышению долговечности и снижению металлоемкости и, главное, принципиально изменилась конструкция переключающих устройств.

Классификация

В технической литературе используются различные способы классификации механических тракторных трансмиссий: по способу передачи мощности (планетарные и непланетарные), по способу зацепления шестерен (со скользящими шестернями или с постоянным зацеплением), по компоновочным признакам (расположению коробки передач относительно ведущего моста) и т.д. С нашей точки зрения наиболее важным для тракторов классификационным признаком является способ переключения ступеней: с разрывом потока мощности или под нагрузкой.

При выполнении характерных для сельскохозяйственного трактора полевых работ, требующих большой силы тяги, таких как пахота, дискование и т.д., разрыв потока мощности длительностью свыше 0,5-0,7 с при переключении передач приводит к резкому снижению скорости и полной остановке трактора с последующим разгоном до скорости, соответствующей включаемой передаче, что вызывает повышенное буксование главной муфты сцепления, нарушение стабильности работы двигателя, рывки трактора, динамические нагрузки в трансмиссии. Поэтому обеспечение безразрывности процессов переключения передач под нагрузкой является важнейшим требованием, предъявляемым к коробкам передач сельскохозяйственных тракторов.

Первоначально для переключения ступеней использовались так называемые механизмы с "геометрическим замыканием": скользящие шестерни, зубчатые муфты, синхронизаторы. Возможность передачи крутящего момента такими механизмами определяется взаимоположением ведущих и ведомых частей. Механизмы данного типа не могут обеспечить безразрывность переключения, так как перемещение по валу возможно только при отсутствии нагрузки на переключаемых элементах. Поэтому в современных трансмиссиях они используются в основном в коробках диапазонов. Для переключения под нагрузкой требовались переключающие элементы "с силовым замыканием", т.е. фрикционные муфты, крутящий момент которых определяется усилием управления.

Механические ступенчатые трансмиссии

Первые конструктивные решения появились на сельскохозяйственных тракторах в середине 50-х годов 20 века в виде так называемых увеличителей крутящего момента (УКМ), которые устанавливались в дополнение к основной коробке передач. УКМ представлял собой двухступенчатый узел, переключаемый под нагрузкой либо двумя фрикционными муфтами, либо одной муфтой и механизмом свободного хода (рис. 2). Фирмы-изготовители рекомендовали использовать высшую ступень как основную, низшую – при временном увеличении сопротивления движению, например, в движении на подъем, либо местном увеличении плотности почвы.

В начале 60-х годов на рынке появились и первые конструкции многоступенчатых коробок передач с переключением под нагрузкой. Их представили фирмы "John Deere" и "Ford". Обе трансмиссии гидроуправляемые, планетарные, с переключением под нагрузкой до 10 передач переднего и 4 – заднего хода. Несмотря на существенное, по сравнению с УКМ, расширение диапазона скоростей, переключаемых под нагрузкой, эти коробки передач не получили распространение из-за сложности и высокой стоимости трансмиссий.

Механические ступенчатые трансмиссии

Отечественные конструкторы в этот же период предложили и реализовали на тракторах семейства "Кировец" более простую диапазонную схему коробки передач, в которой последовательно установлены узел переключения передач под нагрузкой (4 ступени) и диапазонный узел, содержащий 4 диапазона переднего хода и один – заднего, переключаемый с помощью зубчатых муфт (рис. 3).

Подобные компромиссные схемы получили распространение и на зарубежных сельскохозяйственных тракторах средней мощности и массы и в диапазоне мощностей до 250 л.с., до сих пор успешно конкурируют с механическими синхронизированными коробками передач, а также с бесступенчатыми трансмиссиями. В 90-е годы прошлого века гидравлические системы управления механическими коробками передач стали оснащаться средствами электроники, что позволило улучшить качество процессов переключения.

На моделях мощностью свыше 250 л.с. диапазонные коробки встречаются редко, чаще применяются коробки передач с переключением под нагрузкой всех передач переднего и заднего хода, либо двухпоточные бесступенчатые трансмиссии, в которых часть мощности передается гидростатической ветвью, а остальное – механическим путем.

Необходимо отметить, что коробки передач с полным переключением под нагрузкой по уровню потерь мощности примерно соответствуют бесступенчатым трансмиссиям, но уступают им по комфорту и эффективности управления. Существенные потери мощности объясняются значительным количеством фрикционных элементов (до 8-10 шт.), из которых при движении трактора включены две или три, а остальные работают в холостом режиме. Сложность обеспечения комфортного управления коробкой передач объясняется наличием переключений, в которых одновременно участвуют две группы фрикционных элементов.

С целью устранения отмеченных недостатков механических трансмиссий, переключаемых под нагрузкой, в России и за рубежом ведутся работы по созданию тракторных коробок передач с преселекторным управлением. Преселекторная коробка передач содержит всего две фрикционные муфты, устанавливаемые на двух промежуточных валах, на которых также размещены шестерни и синхронизаторы включения передач, передающих вращение ведомому валу узла передач (рис. 1). Одна из муфт включает четные, а вторая – нечетные передачи. Диапазонная часть коробки передач обеспечивает три диапазона переднего хода.

При движении машины мощность передается через одну фрикционную муфту и соответствующий промежуточный вал. Вторая муфта выключена, ее промежуточный вал разгружен и посредством синхронизаторов подготавливается к включению последующей передачи. Переключение передач осуществляется без разрыва потока мощности выключением первой и включением второй муфты. Потери в такой трансмиссии минимальны, так как постоянно выключена всего одна муфта, а диапазон регулирования под нагрузкой соответствует восьми передачам, т.е. достаточен для выполнения любой сельскохозяйственной операции без использования переключения диапазонов с остановкой трактора.

Безусловно, такая трансмиссия требует использования сложной системы электронно-гидравлического управления фрикционными муфтами и синхронизаторами с соответствующим программным обеспечением.

Фирма "John Deere" в 2011 году объявила о начале производства преселекторной коробки передач "Директ Драйв" для тракторов мощностью 140-210 л.с. Испытания, проведенные независимыми организациями в Германии, подтвердили преимущества новой трансмиссии в сравнении с бесступенчатыми в части экономичности и повышения тяговых качеств трактора. Это означает, что механические ступенчатые трансмиссии продолжают совершенствоваться и успешно конкурировать с другими типами трансмиссий сельскохозяйственных тракторов.

Список литературы:

1. К.Я. Львовский, Ф.А. Черпак, И.Н. Серебряков, Н.А. Щельцын "Трансмиссии тракторов", М., Машиностроение, 1976.
2. Hubert Wilmer Generations-Wechsel, Profi №8, 2012.
3. Hubert Wilmer Formel 1 fürs Feld, Profi №12, 2012.
Источник информации
Пресс-служба "Концерна "Тракторные заводы"
Опубликовано 20.05.2013