Защо камионите се нуждаят от специализирани конструкции на скоростни кутии

Скоростната кутия на камион работи в коренно различен инженерен режим от тази на лек автомобил. Търговските дизелови двигатели произвеждат пиков въртящ момент при ниски обороти – обикновено от 1000 до 1400 об/мин – в тесен използваем диапазон от около 500 об/мин. Бензиновият двигател на лек автомобил може да осигури използваема мощност в диапазон от 4000 об/мин. Този тесен диапазон на мощност на дизеловия двигател означава, че камионът се нуждае от много повече предавателни числа, за да поддържа двигателя в продуктивната си зона в целия работен диапазон на скоростта на превозното средство, от потегляне от 0 км/ч при пълно бруто тегло на превозното средство до движение с постоянна скорост от 100+ км/ч по магистрала.

Освен това, величините на въртящия момент са значително по-високи. Тежкотоварният дизелов двигател произвежда от 1800 до 2500+ N·m въртящ момент - 10 до 15 пъти повече от типичния двигател на лек автомобил. Всяка предавка, вал, лагер и синхронизатор в скоростната кутия на камион трябва да бъдат проектирани за тези натоварвания, като същевременно се поддържа приемливо тегло, размери на опаковката и качество на превключване.

Петте типа скоростни кутии за камиони, които се използват в момента в търговска употреба, балансират тези изисквания по различен начин. Разбирането на техните механични принципи, предимства и ограничения помага на операторите на автопаркове, собствениците-шофьори и техниците по поддръжката да вземат информирани решения относно снабдяването, експлоатацията и сервиза.

Тип 1 — Ръчна синхронизирана скоростна кутия

Ръчната синхронизирана скоростна кутия е най-старата и механично най-проста конструкция, която все още се използва широко в търговските камиони. Архитектурата ѝ се състои от входен вал, задвижван от двигателя чрез фрикционен съединител, противовал (междинен вал), носещ зъбната предавка, и изходен вал, подаващ мощност към задвижващата система. Синхронизаторни пръстени - фрикционни конуси, които изравняват скоростта на зъбното колело и вала преди зацепване - позволяват на водача да превключва без двойно изключване на съединителя.

Леките и средни камиони обикновено използват 5 или 6 синхронизирани предавки за предно движение. Тежкотоварните камиони могат да използват 9, 10, 13 или дори 18 предавателни числа за предно движение, постигнати чрез комбинирани конструкции: основна кутия с 4 или 5 предавателни числа, умножени по секция за диапазон (висока/ниска) и понякога разделителна секция (директна/ускоряваща в рамките на всяко основно предавателно число). 18-степенната Eaton Fuller „Super 18“ е емблематичният пример — 4-степенна основна кутия × 2 разделителя × 2 диапазона + заден ход, осигуряваща 18 предавателни числа за предно и 4 предавателни числа за задно движение от изненадващо компактен корпус.

Механичното предимство на ръчните синхронизирани скоростни кутии е ефективността: при всяко дадено предавателно число мощността протича директно през зацепващите се зъбни колела без загуби от хидравличната връзка. Максималната ефективност надвишава 971 TP3T при директна (1:1) предавка. Недостатъкът е зависимостта от водача — разходът на гориво, животът на съединителя и дълготрайността на трансмисията зависят от уменията на водача за превключване. Слабо обученият водач може да изразходва 15–201 TP3T повече гориво и да намали наполовина живота на съединителя в сравнение с опитен водач в същия камион.

Тип 2 — Автоматизирана ръчна трансмисия (AMT)

Механично ръчната синхронизирана скоростна кутия (AMT) е идентична с ръчната синхронизирана скоростна кутия – същата зъбна предавка, същите синхронизатори, същият основен път на захранване. Ключовата разлика е, че задействането на съединителя и изборът на предавка се извършват от електронно контролирани пневматични или хидравлични задвижващи механизми, а не от ръцете и краката на водача. Водачът избира режима на шофиране; ECU управлява всяка смяна въз основа на данни за оборотите на двигателя, скоростта на пътя, натоварването и наклона.

Автоматичните скоростни кутии (AMT) са се превърнали в доминиращ тип трансмисия в новите тежкотоварни камиони в Северна Америка, Европа и все по-често на пазарите в Азиатско-тихоокеанския регион. Eaton Fuller Advantage, Volvo I-Shift, Mercedes-Benz PowerShift и ZF TraXon са AMT, изградени върху доказани архитектури на ръчни скоростни кутии с добавено електронно управление на предавките. Логиката на превключване в тези устройства е сложна - съвременните AMT изучават маршрутите на водача, предварително избират предавки за предстоящи наклони и пропускат предавки по време на ускорение, когато двигателят има достатъчен въртящ момент, за да изтегли следващото налично предавателно число.

Тъй като основната зъбна предавка е с ръчна конструкция с постоянно зацепване, AMT запазва предимството на механичната ефективност - без преобразувател на въртящ момент, без загуби от планетарни предавки. Подобрението на ефективността на 1–2% в сравнение с автоматична скоростна кутия с преобразувател на въртящ момент, натрупано при стотици хиляди километри годишно, се изразява в значителни икономии на гориво при превози на дълги разстояния. Компромисът е моментно прекъсване на въртящия момент по време на всяка превключване (съединителят трябва да се изключи и включи отново), което е осезаемо, но е проектирано да бъде кратко - обикновено 200–400 милисекунди при агрегатите от сегашното поколение.

Тип 3 — Трансмисия с двоен съединител (DCT)

Трансмисията с двоен съединител използва два отделни входни вала — единият носи нечетни предавки (1-ва, 3-та, 5-та и т.н.), а другият носи четни предавки (2-ра, 4-та, 6-та и т.н.) — всеки със собствен съединител. Докато единият съединител е зацепен и предава мощност, другият предварително избира следващата очаквана предавка на своя вал. Когато се случи превключването, зацепеният съединител се освобождава, докато предварително избраният съединител се зацепва едновременно — осигурявайки плавно превключване без прекъсване на въртящия момент.

В света на леките автомобили, DCT трансмисиите са често срещани (Volkswagen DSG, Porsche PDK). В света на камионите те са по-малко разпространени, но набират популярност при среднотоварни и градски доставки, където плавното и непрекъснато подаване на мощност подобрява както управляемостта, така и безопасността на товара. Volvo I-Shift Dual Clutch, въведена за тежкотоварни приложения, представлява най-съвременното ниво на техниката: тя съчетава ефективността на зъбните колела на ръчна скоростна кутия със скорости на превключване, които съперничат на планетарна автоматична скоростна кутия.

Механичната сложност е по-висока от тази на стандартната AMT — два входни вала, два съединителя и свързаната с тях хидравлична система за управление добавят тегло, разходи и сложност за поддръжка. Управлението на топлината на пакетите съединители по време на маневриране с ниска скорост (където и двата съединителя се приплъзват едновременно) е основното инженерно предизвикателство. Термичният капацитет на пакета на съединителя определя колко дълго камионът може да се движи пълзейки с пешеходна скорост — превишаването на този термичен лимит води до деградация на материала на съединителя, влошаване на качеството на превключване и в крайна сметка повреда на съединителя, изискваща скъпа подмяна.

Въпреки тези предизвикателства, за операции, които ценят плавното подаване на мощност и бързото превключване – събиране на отпадъци, градска дистрибуция и превоз на течни товари с цистерни – плавното превключване на DCT осигурява осезаемо оперативно предимство. Липсата на прекъсване на въртящия момент по време на смяна на предавките е особено ценна при превоз на течни товари, където внезапните прекъсвания на въртящия момент причиняват опасни пикови сили вътре в резервоара, които влияят на стабилността на превозното средство и контрола на водача.

Тип 4 — Безстепенна трансмисия (CVT)

CVT трансмисията осигурява безкраен брой предавателни числа между минималната и максималната си граница — няма отделни степени на предавките. В леките автомобили това обикновено се постига с метален ремък или верига, преминаваща между две ролки с променлив диаметър. В камионите и тежкото оборудване механизмът е хидростатичен или хидромеханичен: хидравлична помпа с променлив работен обем задвижва хидравличен мотор, като предавателното число се контролира чрез промяна на ъгъла на наклонената плоча на помпата.

Предимството е, че двигателят може да се поддържа на най-икономичните си обороти, независимо от скоростта на превозното средство — CVT трансмисията непрекъснато регулира предавателното число, за да съответства. Недостатъкът е ефективността: хидростатичните CVT трансмисии губят 10–201 TP3T входна мощност за нагряване на хидравличната течност, в сравнение с по-малко от 31 TP3T загуби в зъбно зацепване. Това намаление на ефективността ограничава CVT трансмисиите до приложения, където гъвкавостта на предавателното число надвишава разходите за енергия — предимно в селскостопански трактори (където CVT трансмисиите са широко разпространени), строителна техника и някои специализирани превозни средства.

На пазара на конвенционални камиони, безстепенните трансмисии (CVT) остават ниша. Намаляването на разхода на гориво от хидравличните загуби е неприемливо за дълги превози на разстояния, където всяка частица от процента е от значение на милиони километри. Въпреки това, хидромеханичните CVT трансмисии, които съчетават зъбно зацепване с по-малък хидравличен вариатор (осигуряващ безстепенно регулиране на предавателното число в рамките на дискретни механични диапазони на предавките), се появяват в селскостопанските и общинските превозни средства, където разнообразието от работни профили оправдава сложността.

Тип 5 — Автоматична скоростна кутия с преобразувател на въртящ момент

Автоматичната скоростна кутия с преобразувател на въртящ момент използва хидравлична връзка (преобразувател на въртящ момент) между двигателя и планетарен комплект зъбни колела, който осигурява множество предавателни числа напред чрез комбинация от пакети съединители и лентови спирачки. Преобразувателят на въртящ момент абсорбира разликата в скоростта между двигателя и входния сигнал на трансмисията по време на ускорение, функционирайки едновременно като хидравлична връзка и умножител на въртящия момент при ниски скорости.

Сериите Allison 3000, 4000 и 4700 са най-разпознаваемите автоматични трансмисии с преобразувател на въртящ момент на пазара на търговски камиони. Те доминират в професионалните приложения: сметоизвозващи камиони, бетонобъркачки, пожарна техника, градски автобуси и военни превозни средства. Причината е изключителната им маневреност при ниски скорости - преобразувателят на въртящ момент осигурява плавно, безкрайно променливо умножение на въртящия момент от нулева скорост, което позволява прецизен контрол на пълзенето и плавни промени в посоката, с които трансмисиите, базирани на зъбни колела, не могат да се сравнят.

Инженерният компромис е ефективността. При движение по магистрала, заключващият съединител на преобразувателя на въртящ момент се задейства, за да елиминира приплъзването, но по време на цикли на спиране и потегляне в града, преобразувателят абсорбира енергия под формата на топлина. Съвременните агрегати смекчават това с агресивни стратегии за блокиране и шест или повече предавателни числа, но автоматичната скоростна кутия с преобразувател на въртящ момент винаги ще консумира малко повече гориво от AMT или ръчната скоростна кутия при идентични условия. За професионални приложения, където експлоатационните ползи надвишават разхода на гориво, този компромис е напълно оправдан.

Материали за зъбни колела и смазочно инженерство в различните видове

Механичните разлики между типовете скоростни кутии за камиони се простират дълбоко в тяхната металургия и системи за смазване. Ръчните и AMT скоростни кутии използват зъбни колела от цементирана легирана стомана — закалени до HRC 58–62 по контактните повърхности за устойчивост на износване, като същевременно запазват здрава, пластична сърцевина за абсорбиране на удари. Конусите на синхронизатора обикновено са от синтерован бронз или стомана с молибденово покритие, проектирани да постигат скорости на вала в рамките на части от секундата. Тези скоростни кутии работят с трансмисионно масло (обикновено SAE 50 или SAE 50/60 трансмисионна течност за тежки условия на работа), което трябва да осигурява както EP защита за зъбите на зъбните колела, така и съвместимост с триенето за материалите на синхронизатора — взискателно двойно изискване, което ограничава приемливите формулировки на маслата.

Автоматичните трансмисии с преобразувател на въртящ момент работят в съвсем различна среда за смазване. Планетарните зъбни колела, пакетите съединители и преобразувателят на въртящ момент споделят една-единствена течност за автоматична трансмисия (ATF), която трябва едновременно да смазва зъбните колела, да осигурява хидравлично налягане за управление на превключването, да охлажда преобразувателя на въртящ момент и да осигурява прецизни коефициенти на триене за пакетите съединители. Формулировките на ATF за търговски автоматични трансмисии (като Allison TES 295 или TES 668) са специфични за приложението - използването на грешна течност може да причини трептене на съединителя, влошаване на качеството на превключване и ускорено износване.

Трансмисиите с двоен съединител представляват най-взискателното предизвикателство за смазване в сферата на скоростните кутии на камионите. Мокрите DCT (където пакетите на съединителя работят в масло) изискват течност, която осигурява защита на зъбните колела, управление на триенето на съединителя и топлопроводимост за пакетите на двойните съединители - всичко това едновременно. Сухите DCT (където съединителите работят във въздух) разделят смазването на зъбните колела от триенето на съединителя, опростявайки изискванията за течности, но изисквайки смяна на съединителя като износващ се елемент. Разграничението между мокри и сухи варианти на DCT има значителни последици за графика за поддръжка и общите разходи за притежание.

За мениджърите по поддръжка на автопарка, най-важният извод е, че изборът на материал за зъбните колела и спецификацията на смазочните материали не са взаимозаменяеми между типовете скоростни кутии. Всеки тип изисква собствен химичен състав на флуида, интервал за смяна и протокол за проверка. Кръстосаното замърсяване - например добавянето на трансмисионно масло към автоматична скоростна кутия с преобразувател на въртящ момент или ATF към ръчна скоростна кутия - причинява повреди на компонентите, които може да не са веднага очевидни, но ускоряват износването драстично през следващите работни часове.

Паралелно сравнение

Скоростни кутии за камиони, оборудвани с ВОМ: Където трансмисиите на камиони срещат мощността на ВОМ-а

Много търговски камиони изискват изходи за ВОМ (вал за отвеждане на мощност), за да задвижват хидравлични помпи, въздушни компресори, лебедки или механични прикачни устройства. Скоростна кутия на ВОМ В контекста на камиона е механично устройство, което се закрепва с болтове към отвор на корпуса на трансмисията на камиона, зацепвайки зъбно колело на насрещния вал на трансмисията или спомагателен комплект зъбни колела, за да извлече въртяща се мощност, докато двигателят работи.

Ръчните и AMT трансмисии предлагат най-лесната интеграция на ВОМ — и двете имат достъпни зъбни колела на насрещния вал и стандартизирани отвори за ВОМ. Автоматичните трансмисии с преобразувател на въртящ момент (особено Allison моделите) са проектирани от завода с интегрирани механизми за ВОМ и електронна логика за включване на ВОМ. DCT и CVT трансмисиите представляват повече предизвикателства за интеграцията на ВОМ поради техните архитектури с два вала и хидростатично задвижване съответно — ВОМ на тези платформи обикновено изисква специален... Карданен вал устройство от разпределителната кутия или отделен ВОМ, задвижван от двигателя.

При определяне на камион за оборудване, задвижвано от ВОМ, типът трансмисия влияе пряко върху възможностите на ВОМ: наличният въртящ момент на ВОМ (ограничен от зъбното колело на насрещния вал, което ВОМ зацепва), наличната скорост на ВОМ (определена от предавателното число на отвора на ВОМ и оборотите на двигателя) и методът на зацепване (механична вилка за превключване при ръчни скоростни кутии, пневматичен или електронен задвижващ механизъм при автоматични и ръчни скоростни кутии). селскостопанска скоростна кутия Инженерните принципи на предавателното число, въртящия момент и управлението на температурата се отнасят еднакво за приложенията на ВОМ на камионите — физиката на предаването на мощност не се променя с платформата на превозното средство.

Често задавани въпроси

Редактор: Cxm