4.1 Устройство и работа трансмиссии
Трансмиссия (силовая передача) мотоцикла служит для передачи крутящего момента от двигателя на ведущее колесо. В нее входят (рис. 4.1): первичная (моторная) передача, сцепление, коробка передач, вторичная (задняя) передача и пусковой механизм.
Рис. 4.1 Виды трансмиссии: а —цепная; б — карданная; в — с клиноременным вариатором;
г — мотоцикла с приводом на колесо бокового прицепа; д — грузового мотороллера;
1 — коленчатый вал; 2 — первичная (моторная) передача; 3 — сцепление;
4 – коробка передач; 5 — вторичная (задняя) передача цепью; 6 — вторичная передача карданом;
7 — задний мост; 8 — колесо; 9 — клиноременный вариатор; 10 — центробежное автоматическое сцепление;
11— несимметричный цилиндрический дифференциал; 12 — колесная передача;
13 — редуктор с передачей заднего хода; 14 — симметричный конический дифференциал;
15 – полуоси с карданными шарнирами.
Первичная передача обеспечивает передачу крутящего момента от коленчатого вала к сцеплению: она отсутствует в конструкциях со сцеплением, непосредственно установленным на коленчатом валу, когда он расположен продольно. Первичная передача бывает двух видов: цепная и шестеренная и работает в масляной ванне (рис. 4.2). Особого обслуживания или регулировок узел не требует.
Рис. 4.2 Первичная (моторная) передача: а — цепная; б — шестеренная; 1— ведущая звездочка на коленчатом валу: 2 — цепь; 3 — ведомая звездочка [корзина сцепления): 4 — ведущая шестерня на коленчатом валу; 5 – ведомая шестерня (корзина сцепления).
Сцепление служит для плавного соединения двигателя с трансмиссией (при троганьи с места) и кратковременного разъединения при переключении передач. В работе сцепления используются силы трения между одним или несколькими ведущими и ведомыми дисками.
Сцепления делятся на сухие (рис. 4.3) и «мокрые» (работающие в масляной ванне — рис. 4.4), а также различаются по числу ведомых дисков. Обычно одно- и двухдисковые сцепления выполняют сухими, многодисковые — работают в масляной ванне, чаще всего общей с коробкой передач. Сцепление состоит из ведущих и ведомых дисков, пружин и механизма привода. У сухих одно- и двухдисковых сцеплений ведущие диски связаны непосредственно с маховиком: у многодисковых они расположены в кожухе (корзине) сцепления, приводимом во вращение первичной передачей. Для повышения трения между дисками рабочие поверхности одной из групп дисков покрывают специальным фрикционным материалом. Нередко пакет дисков одного вида изготавливают целиком из высокопрочной пластмассы.
Рис 4.3 Сухое двухдисковое сцепление («Урал», «Днепр»): 1 — маховик; 2 — ведущие диски;
3 — ведомые диски; 4 — шток; 5 — выжимной подшипник; 6 — трос выжима сцепления; 7— рычаг; 8 — пружины.
Рис 4.4 Детали «мокрого» многодискового сцепления:
1 — пружина; 2 — нажимной диск; 3 — регулировочный винт; 4 — шарик; 5 — ведущие диски (пластмассовые);
6 — ведомые диски; 7 — внутренний барабан (ведомый): 8 — корзина сцепления; 9 — шток; 10 — вал привода выключения сцепления
При включенном сцеплении ведущие и ведомые диски прижаты друг к другу пружинами, и крутящий момент передается от коленчатого вала (первичной передачи) через сцепление к коробке передач. Водитель, нажимая рычаг выключения сцепления на руле, воздействует на привод (механический тросовый или гидравлический), который перемещает шток или подшипник выключения сцепления (выжимной подшипник); последний, в свою очередь, преодолевая усилие пружин, разъединяет ведущие и ведомые диски. Трение между ними ослабевает (диски пробуксовывают), и передача крутящего момента прерывается.
Сцеплением большинства мотоциклов водитель управляет вручную, нажимая или отпуская рычаг на левой рукоятке руля. У некоторых мотоциклов («Иж-Юпитер», «Иж-Юнкер», «Днепр», «Ява») сцепление выключается при переключении передач автоматически (рис. 4.5).
Рис 4.5 Механический привод сцепления с автоматом («Ява 350/640»): 1 — рычаг на руле; 2 — трос; 3 — регулировочный упор; 4 — регулировочный винт автомата сцепления; 5 — рычаг, приводимый тросом; 6 — кулачок автомата
Встречаются автоматические сцепления, у которых рычаг сцепления на руле отсутствует, а соединение двигателя с трансмиссией осуществляет центробежный автомат (рис. 4.6). Задающим параметром в таких конструкциях является частота вращения коленчатого вала двигателя. Автоматические сцепления широко применяются на мопедах и скутерах, часто в сочетании с клиноременным вариатором.
Рис 4.6 Центробежное сцепление: 1 — пружина; 2 — прижимной башмак с грузиком; 3 — основание (ведущий диск); 4 — барабан сцепления
Коробка передач (КП) служит для изменения крутящего момента в зависимости от скорости движения мотоцикла и нагрузки на двигатель. Кроме того, КП имеет одно или два нейтральных положения («нейтрали»), при которых мотоцикл стоит на месте при работающем двигателе или движется по инерции. Коробки передач мотоциклов с колясками, а также трех- и четырехколесных мотоциклов могут иметь передачу заднего хода.
Вал, на который передается крутящий момент от сцепления, называют первичным, передающий крутящий момент вторичной передаче вторичным. По конструкции различают двух и трехвальные КП (рис. 4.7). В КП некоторых мотоциклов с коляской имеется передача заднего хода. Передаточное отношение ступеней КП определяется числом зубьев шестерен, вхдящих в зацепление.
Рис 4.7. Принципиальная схема двухвальной (а) и трехвальной (б) коробки передач: 1 — первичный вал; 2 — вторичный вал; 3 — подвижная муфта; 4 — промежуточный вал
Механизм КП расположен в общем картере с двигателем или в от дельном корпусе. Помимо валов с расположенными на них шестернями (подвижными и неподвижными), в состав КП входят подвижные в осевом направлении муфты включения, вилки переключения и сам механизм переключения. Вилки переключения входят в кольцевые проточки подвижных шестерен или муфт. Перемещение вилок осуществляет механизм переключения, которым водитель управляет и ногой, нажимая рычаг с левой стороны мотоцикла.
Распространены механизмы переключения с кулисой и червячным валом (рис. 4.8). Обе эти разновидности преобразуют вращательное движение вала, на котором закреплен рычаг переключения передач, в поступательное движение вилок в строго определенном порядке.
Рис 4.8. Механизмы переключения передач: а с колирным валом («Иж-Юпитер»);
б — с поворотной кулисой («Сова»); в шариковый: 1 — рычаг переключения передач; 2 — вал переключения передач; 3 — вилки переключения передач; 4 —копирный вал; 5 — поворотный сектор, свободно сиднщии на оси рычаг а переключения передач; 6 — по водок анкера, закрепленный на оси рычага переключения передач; 7 — анкер; 8 — ось рычага переключения передач; 9 — поворотный диск-кулиса; 10 — собачки; 11— стержень; 12 — возвратная пружина; 13 — опорная пластина; 14 — фиксатор включения передач; 15 — шарики, фиксирующие шестерни; 16 — шестерни, свободно вращающиеся на валу; 17 — шток включения передач
Некоторые мотоциклы (в основном скутеры) в качестве КП в составе трансмиссии имеют клиноременный вариатор (рис. 4.9). Он обеспечивает автоматическое бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии. Состоит такой узел из ведущего и ведомого раздвижных конусных шкивов и соединяющего их клинового ремня. Изменение передаточного отношения осуществляет центробежный регулятор. По мере роста частоты вращения коленчатого вала грузы регулятора расходятся под действием центробежных сил, сдвигая при этом половины ведущего шкива. Ремень трапециевидного сечения перемещается на ведущем шкиве в сторону большего диаметра контакта, а на ведомом — в сторону меньшего. Половинки ведомого шкива сдвигает пружина.
Рис. 4.9. Клиноременный вариатор: а — устройство; б — положение ремня при низких (I) и высоких (II) частотах вращения коленчатого вала; 1 — раздвижной ведущий шкив; 2 — раздвижной ведомый шкив. 3 — клиновой ремень: 4 — грузики; 5 — пружина
Пусковой механизм предназначен для пуска двигателя; он может быть с механическим ножным приводом (кик-стартер) или электрическим (электростартер). Мотоциклы могут оснащаться как одним, так и обоими видами пускового механизма одновременно.
Кик-стартер передает усилие ноги водителя, нажимающего рычаг, к соединенному с ним зубчатому сектору и затем на храповую шестерню корзины сцепления (рис. 4.10) или специальную шестерню в коробке передач.
Рис 4.10 Ножной пусковой механизм («Сова»): 1 — рычаг кик-стартера; 2 — вал кик-стартера; 3 — корзина сцепления; 4 — спиральная возвратная пружина рычага кик-стартера; 5 — зубчатый сектор; 6 — торцевые зубья храповой шестерни; 7 — храповая шестерня
Электростартер передает вращение от ротора к обгонной муфте (более подробно работа электростартера описана в подразд. 3.2), и далее на какой-либо элемент, связанный с коленчатым валом: маховик (рис. 4.11), ротор генератора или корзину сцепления. Нередко устанавливают промежуточный редуктор (часто планетарный — см. рис. 3.29), понижающий требуемый крутящий момент (а значит, и габариты) электростартера, или цепную передачу (рис. 4.12).
Передача крутящего момента от КП на колесо у мотоциклов осуществляется тремя видами передач: цепной, карданной и (реже) зубчато-ременной (рис. 4.13).
Рис 4.11. Электростартер мотоцикла «Урал-Волк»: 1 – электростартер; 2 – маховик с венцом; 3 – коробка передач; 4 – рычаг кик-стартера
Рис 4.12 Система электропуска с цепным приводом («Хонда-125»):
1 — электростартер; 2 — цепная передача; 3 — муфта свободного хода; 4 — ротор генератора
Рис 4.13 Вторичная (задняя) передача: а— цепная; б — карданная («Урал». «Днепр»); в — ременная («Харлей-Дэвидсон», «BMB-F650CS»); 1 — ведущая звездочка; 2 — цепь; 3 — ведомая звездочка (на колесе); 4 — упругая муфта; 5 — вилка со шлицевой посадкой на карданном валу; 6 — карданный вал; 7— карданный шарнир; 8 — мост (конический редуктор); 9 — ведомый шкив (на колесе); 10 — ремень
Звезды, вилки, шестеренки…
Трансмиссия. Часть 1. Коробка передач.
Коробка передач BMW G450X 2010
На сегодняшний день существует два основных вида трансмиссии: механическая и автоматическая. Они отличаются отводимым райдеру уровнем вмешательства и управления. Механическая трансмиссия используется на подавляющем большинстве современных серийных мотоциклов, автоматическая встречается в основном на мопедах и скутерах, хотя есть и мотоциклы с «автоматом» (например, Aprilia Mana 850 или Honda DN-01).
Есть определенный набор механизмов, которые присутствуют в трансмиссии любого типа: передняя передача, сцепление, коробка передач и главная передача. В механической трансмиссии традиционной схемы передняя передача передает мощность от коленвала через сцепление к коробке передач. Сцепление используется для соединения и разъединения двигателя с коробкой передач, позволяя двигателю работать, когда байк остается неподвижным, а также трогаться с места. Коробка передач допускает выбор различных передаточных чисел для достижения максимальных показателей мощности и крутящего момента в пределах диапазона частот вращения двигателя. Главная передача передает мощность от коробки передач к заднему колесу.
Разрез дисков сцепления Kawasaki Ninja ZX-10R 2008
Зубчатая передача, крутящий момент и мощность
Давайте разберемся с ключевыми понятиями в «трансмиссионных вопросах».
Зубчатая передача – это две сопряженные шестерни, которые вращаются с различными скоростями. Передаточное отношение определяет различие в этой скорости. Процесс получения меньшей частоты вращения ведомого (выходного) вала по отношению к ведущему (входному) валу называется понижением (замедлением) скорости вращения. Обратный процесс носит название повышения скорости вращения. Эти понятия справедливы в отношении не только зубчатых, но и цепных и ременных передач.
Передаточное отношение определяется как число оборотов, совершаемых ведущей шестерней для того, чтобы ведомая шестерня совершила один полный оборот. К примеру, если частота вращения двигателя составляет 1000 оборотов в минуту, а необходимо обеспечить частоту вращения колеса, равную 500 оборотам в минуту, то потребуется две шестерни, причем число зубьев одной из них должно вдвое превышать число зубьев другой (это всего лишь самый простой пример; на деле, между двигателем и колесом стоит множество передаточных механизмов, подробнее о которых – в следующих статьях). Нужно, чтобы меньшая шестерня (например, на 15 зубьев) была ведущей, тогда, пока она совершает один полный оборот, ведомая шестерня (30 зубьев) повернется на пол-оборота. То есть, для того, чтобы ведомая шестерня повернулась на один оборот, ведущая шестерня должна совершить два оборота. Записывается такое передаточное отношение как 2:1. Это означает, что такой передаточный механизм понижает скорость выходной передачи вдвое. Это те самые цифры, которые производитель указывает (пусть и не так часто, как мощность или крутящий момент) для каждой передачи своего мотоцикла. Чаще предоставляется сравнение числа зубьев шестерен, а не отношение их скоростей вращения. Для избежания путаницы, чаще всего в графе характеристик gearbox ratios указывают следующее: первая передача, 2:1 (15/30).
Теперь о крутящем моменте. Крутящий момент – это величина поворота, который обеспечивает сила, приложенная относительно некой оси (сила, обычно измеряемая в ньютонах, умножить на расстояние, в метрах). Для того чтобы байк поехал, необходимо передать заднему колесу достаточно крутящего момента. Чтобы наглядно представить себе, что это за зверь, рассмотрим простой пример. Если для затягивания гаек используется гаечный ключ, то на гайку воздействует крутящий момент. Допустим, длина гаечного ключа 200 мм (0.2м), а усилие руки, которое прилагается к нему под прямым углом – 100 Н. Тогда величина крутящего момента, приложенного к гайке, составит
Если применить это к работе коробки передач, то можно заметить, что в результате воздействия зуба ведущей шестерни на зуб ведомой шестерни ведомая шестерня поворачивается. Если диаметр шестерен одинаковый, то есть число зубьев одно и то же, то вращаться они тоже будут с одинаковой скоростью, а величина крутящего момента, подводимого к валу первой шестерни, будет полностью передана валу второй шестерни.
Проще говоря, если скорость вращения ведомой шестерни вдвое меньше скорости ведущей, то крутящий момент тоже увеличивается вдвое. То есть между передаточными отношениями и увеличением крутящего момента существует прямая зависимость. Просмотрите характеристики какого-нибудь мотоцикла в нашем каталоге, и все сразу станет ясно (например, Kawasaki ER-6F 2008, раздел «Трансмиссия»).
Особенностью бензиновых двигателей является то, что при низких частотах вращения они развивают небольшой крутящий момент. Поэтому роль усилителя крутящего момента выполняет трансмиссия. В процессе уменьшения скорости вращения заднего колеса (нужно обеспечить достаточный крутящий момент на колесе, но при этом оно не должно вращаться со скоростью 9000 об/мин, как двигатель!) участвуют все элементы трансмиссии, за исключением сцепления.
С крутящим моментом разобрались. Мощность же – это физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за определенный промежуток времени, к этому промежутку времени. В физике мощность выражается в ваттах, однако у мотопроизводителей очень популярна другая величина – лошадиная сила.
Интересно, что во многих государствах «лошадка» официально выведена из употребления. Что не помешало ей стать весьма популярным мерилом мощности в авто- и мотоиндустрии.
В большинстве европейских стран лошадиная сила определяется как 75 кгс·м/с, то есть, как мощность, достаточная для поднятия груза массой в 75 кг на высоту 1 метр за 1 секунду. В таком случае 1 л.с. составляет примерно 735,5 ватт.
Что же все вышенаписанное значит по отношению к мотоциклам?
Для райдера крутящий момент является важнейшим фактором. Мотоцикл будет ускоряться в темпе, соответствующем его кривой крутящего момента (в данном случае опустим трение и сопротивление воздуха). Пик крутящего момента – это точка, в которой разгон байка происходит наиболее быстро (по обе стороны от этой точки разгон происходит медленнее). Для конкретного значения крутящего момента на заднем колесе, разгон будет одинаковым, независимо от скорости вращения двигателя. Пик максимальной мощности наступает после пика крутящего момента – когда уменьшение крутящего момента компенсируется повышением оборотов. Интенсивность разгона на пике крутящего момента больше, чем на пике мощности.
Колесо водяной мельницы выдает огромный крутящий момент. Только оборотов маловато.
Теоретически, выдавать большой крутящий момент на высоких оборотах лучше, чем делать то же самое, но на низких оборотах. Потому что в случае с высокими оборотами появляется больше возможностей настройки передаточных отношений. Мощный двигатель полезен потому, что можно выбирать между множеством вариантов передаточных отношений. Выбор пониженного передаточного отношения уменьшает скорость вращения заднего колеса с соответствующим увеличением крутящего момента. (вы еще не заснули? Дальше будет проще! прим. редактора)
Среднерайдеру – среднезвезду!
Стоковый набор шестеренок в коробке и связанные с ними передаточные отношения выбраны производителем не просто так. Это компромиссные соотношения, которые более всего подошли тест-пилотам в «усредненных» условиях испытаний. Как только байк оказывается в руках покупателя, стройная картина рушится. Тюнинг двигателя, условия эксплуатации, далекие от представлений наивных инженеров (например, стантрайдинг), отличия в конфигурации различных треков (если райдер любит покататься не только в гражданских условиях). Все эти факторы рано или поздно приведут к тому, что райдер задумается насчет замены пары-тройки шестерен в трансмиссии – чтобы приспособить мотоцикл именно под те условия, в которых он наиболее часто используется. И если ведомую звезду, закрепленную на колесе, заменить проще простого на любом мотоцикле (как правило, стантрайдеры только этим и ограничиваются в вопросах передаточных отношений), то изменение соотношения на одной из передач в коробке уже потребует разборки двигателя (если только коробка передач не кассетного типа, но об этом ниже).
Как мы уже неоднократно подмечали, практически любое решение, принимаемое при конструировании мотоцикла – это компромисс. В случае с выбором передаточного отношения – компромисс между разгоном и максимальной скоростью. Чтобы сделать из байка «спринтера» (то есть получить интенсивный разгон в жертву максималке), необходимо установить меньшую ведущую звездочку, или большую звезду на колесе. Желаете обратного эффекта – совершаете обратные действия, все довольно просто.
Теперь давайте вкратце рассмотрим принцип работы механической коробки передач, которая используется на большинстве серийных мотоциклов.
Принцип работы коробки передач
Коробка передач состоит из множества пар шестерен. У каждой пары – свое передаточное отношение, а число таких пар соответствует числу передач, которые «прячутся в коробке» байка. Одна шестерня находится на ведущем валу (также его называют первичным валом), другая – на ведомом валу (он же вторичный). Все современные мотоциклетные коробки передач – постоянного зацепления, то есть все пары находятся в постоянном зацеплении, независимо от того, включена данная передача или нет.
Элементы коробки передач Suzuki GSX-R1000 K8
Когда райдер непринужденно щелкает лапкой переключения передач – пара сопряженных шестеренок блокируется на своих валах, и через эту пару передается крутящий момент. Оставшиеся шестерни не сблокированы с валом и свободно вращаются на нем.
Как работает секвентальная коробка передач
Некоторые шестерни постоянно зафиксированы на валу и вращаются вместе с ним, а остальные установлены на втулках и могут свободно вращаться на нем. Для обеспечения привода необходима блокировка такой свободной шестерни с валом; значит, нужно обеспечить ее зацепление с другой шестерней, расположенной рядом и находящейся в постоянном зацеплении с валом. Для этого важно, чтобы шестерня, находящаяся в зацеплении с валом, сдвинулась к свободной шестерне и соединилась с ней при помощи кулачков и ответных им отверстий, оставаясь при этом в постоянном зацеплении с шестерней из своей пары.
На своих валах шестерни перемещаются под воздействием механизма переключения передач. При смене передачи барабан селекторного механизма вращается и перемещает вилку переключения передач, которая одним концом зафиксирована в направляющем пазу барабана, а другим концом входит в паз передвигаемой шестерни, таким образом, осуществляется ее перемещение.
Коробкой передач кассетного типа! Эта штучка тоже секвентальная, но отличие от традиционной коробки заключается в том, что весь механизм не строго закреплен в картере двигателя, а помещен в кассету, которая легко вынимается без разборки двигателя (достаточно только слить масло, и можно ее доставать).
Коробка передач кассетного типа Suzuki RGV250 1992
Думаю, не стоит говорить о том, что кассетная коробка идеальна для спортивных мотоциклов. Ведь в полевых условиях непросто «расколоть» двигатель для того, чтобы поменять пару звездочек в коробке для лучшего соответствия передаточных отношений к конкретному треку. Сливаем масло, вытаскиваем кассету, меняем шестерни, вставляем обратно – и все! Вся операция занимает считанные минуты, и можно сразу же испытывать новые настройки.
А как же сцепление?
Простите, но статья и так получилась излишне длинной и достаточно непростой для понимания. Хотя, я уверен, что вы, наши уважаемые читатели, полностью поймете мою писанину. Поэтому о сцеплении, этой неотъемлемой части мотоциклетной трансмиссии, поговорим в следующий раз. Чтобы оправдаться в ваших глазах, я расскажу также о том, что за зверь такой – квикшифтер, и как он работает. До встречи в нашем кафе!