Miks veoautod vajavad spetsiaalset käigukasti konstruktsiooni?

Veoauto käigukast töötab põhimõtteliselt teistsuguses tehnilises režiimis kui sõiduauto käigukast. Kaubanduslikud diiselmootorid saavutavad maksimaalse pöördemomendi madalatel pööretel – tavaliselt 1000–1400 p/min – kitsas kasutatavas vahemikus, mis on umbes 500 p/min. Sõiduauto bensiinimootor võib pakkuda kasutatavat võimsust 4000 p/min vahemikus. See kitsas diiselmootori võimsusvahemik tähendab, et veoauto vajab palju rohkem ülekandeid, et hoida mootorit produktiivses tsoonis kogu sõiduki töökiiruse vahemikus, alates 0 km/h paigaltstardist täismassiga kuni 100+ km/h püsikiirusega maanteel.

Lisaks on pöördemomendi suurusjärgud tunduvalt suuremad. Tugevdatud diiselmootor toodab 1800–2500+ N·m pöördemomenti – 10–15 korda rohkem kui tüüpiline sõiduauto mootor. Iga veoauto käigukasti hammasratas, võll, laager ja sünkroniseerija tuleb nende koormuste jaoks konstrueerida, säilitades samal ajal vastuvõetava kaalu, pakendi mõõtmed ja käiguvahetuse kvaliteedi.

Viis praegu kommertskasutuses olevat veoauto käigukasti tüüpi tasakaalustavad neid nõudmisi igaüks erinevalt. Nende mehaaniliste põhimõtete, eeliste ja piirangute mõistmine aitab autopargi operaatoritel, omanik-juhtidel ja hooldustehnikutel teha teadlikke otsuseid hanke, käitamise ja hoolduse kohta.

Tüüp 1 — manuaalne sünkroniseeritud käigukast

Manuaalne sünkroniseeritud käigukast on vanim ja mehaaniliselt lihtsaim konstruktsioon, mida siiani laialdaselt kasutatakse tarbeveokites. Selle arhitektuur koosneb hõõrdsiduri kaudu mootori poolt käitatavast sisendvõllist, käigukasti kandvast vastasvõllist (vahevõllist) ja veovõllist, mis annab jõu üle jõuülekandele. Sünkroniseerimisrõngad – hõõrdekoonused, mis võrdsustavad käigu ja võlli kiiruse enne sisselülitamist – võimaldavad juhil käike vahetada ilma siduri topeltlahtiühendamiseta.

Kerged ja keskmised veoautod kasutavad tavaliselt 5 või 6 sünkroniseeritud edasikäiku. Raskeveokid võivad kasutada 9, 10, 13 või isegi 18 edasikäiku, mis saavutatakse liitkonstruktsioonide abil: peakäigukast 4 või 5 käiguga, mis on korrutatud käiguvahemiku sektsiooniga (kõrge/madal) ja mõnikord ka jaoturiga (otse-/ülekäigukast iga peakäigu sees). Eaton Fulleri 18-käiguline „Super 18” on ikooniline näide – 4-käiguline peakäigukast × 2 jaoturiga × 2 käiguvahemiku + tagurpidikäiguga, pakkudes üllatavalt kompaktses pakendis 18 edasi- ja 4 tagasikäiku.

Manuaalsete sünkroniseeritud käigukastide mehaaniline eelis on efektiivsus: mis tahes ülekandearvu korral voolab jõud otse läbi haakunud hammasrataste ilma hüdrauliliste sidurikadudeta. Tipptõhusus ületab otsekäigukastis (1:1) 97%. Puuduseks on juhist sõltuvus – kütusekulu, siduri tööiga ja jõuülekande pikaealisus sõltuvad kõik juhi käiguvahetusoskusest. Halvasti koolitatud juht võib tarbida 15–20% rohkem kütust ja siduri tööiga poole võrra lühendada võrreldes sama veoauto kogenud juhiga.

Tüüp 2 – automaatkäigukast (AMT)

AMT on mehaaniliselt identne sünkroniseeritud manuaalkäigukastiga – sama käigukast, samad sünkroniseerijad, sama põhiline jõuülekanne. Oluline erinevus seisneb selles, et siduri aktiveerimine ja käiguvalik toimub elektrooniliselt juhitavate pneumaatiliste või hüdrauliliste ajamite, mitte juhi käte ja jalgade abil. Juht valib sõidurežiimi; ECU haldab iga käiguvahetust mootori pöörlemiskiiruse, teekiiruse, koormuse ja kalde andmete põhjal.

AMT-dest on saanud uute raskeveokite domineeriv käigukastitüüp Põhja-Ameerikas, Euroopas ja üha enam ka Aasia ja Vaikse ookeani piirkonna turgudel. Eaton Fuller Advantage, Volvo I-Shift, Mercedes-Benz PowerShift ja ZF TraXon on kõik AMT-d, mis on ehitatud tõestatud manuaalkäigukasti arhitektuurile, millele on lisatud elektrooniline käiguvahetuse juhtimine. Nende seadmete käiguvahetusloogika on keerukas – tänapäevased AMT-d õpivad juhi marsruute, valivad eelnevalt käigud eelseisvateks tõusudeks ja jätavad käike kiirendamise ajal vahele, kui mootoril on piisavalt pöördemomenti järgmise saadaoleva käigu valimiseks.

Kuna aluseks olev käigukast on pideva hambumisega manuaalkäigukast, säilitab AMT mehaanilise efektiivsuse eelise – puudub pöördemomendi muundur ja planetaarkäigukasti kadud. 1–2% efektiivsuse paranemine võrreldes pöördemomendi muunduriga automaatkäigukastiga, mis avaldub sadade tuhandete kilomeetrite läbimisel aastas, tähendab märkimisväärset kütusesäästu pikamaavedudel. Kompromissiks on hetkeline pöördemomendi katkestus iga käiguvahetuse ajal (sidur peab lahti ja uuesti sisse lülituma), mis on tajutav, kuid konstrueeritud lühikeseks – praeguste põlvkondade puhul tavaliselt 200–400 millisekundit.

Tüüp 3 — kahe siduriga käigukast (DCT)

Kahe siduriga käigukast kasutab kahte eraldi sisendvõlli – ühel on paaritu arv käike (1., 3., 5. jne) ja teisel paarisarvulised käigud (2., 4., 6. jne) –, millel kummalgi on oma sidur. Samal ajal kui üks sidur on sisse lülitatud ja edastab võimsust, valib teine ​​oma võllil järgmise eeldatava käigu. Käiguvahetuse toimumise ajal vabaneb sisse lülitatud sidur, samal ajal kui eelvalitud sidur rakendub – tagades sujuva käiguvahetuse ilma pöördemomendi katkemiseta.

Sõiduautode maailmas on duplekskäigukastid (DCT-d) levinud (Volkswagen DSG, Porsche PDK). Veoautode maailmas on need vähem levinud, kuid koguvad populaarsust keskmise koormusega ja linnatranspordi rakendustes, kus sujuv ja katkematu jõuülekanne parandab nii juhitavust kui ka kaubaohutust. Raskeveokite jaoks kasutusele võetud Volvo I-Shift Dual Clutch käigukast esindab praegust tipptaset: see ühendab manuaalkäigukasti käigukasti efektiivsuse käiguvahetuskiirustega, mis konkureerivad planetaarautomaatkäigukastiga.

Mehaaniline keerukus on tavalise AMT-ga võrreldes suurem – kaks sisendvõlli, kaks sidurit ja nendega seotud hüdrauliline juhtimissüsteem lisavad kaalu, kulusid ja hoolduse keerukust. Siduripakkide soojusjuhtimine aeglasel kiirusel manööverdamise ajal (kus mõlemad sidurid libisevad samaaegselt) on peamine inseneritöö väljakutse. Siduripaki soojusmahtuvus määrab, kui kaua veoauto saab kõndimiskiirusel roomata – selle soojuspiiri ületamine põhjustab sidurimaterjali lagunemist, käiguvahetuse kvaliteedi halvenemist ja lõpuks siduri riket, mis nõuab kulukat väljavahetamist.

Vaatamata neile väljakutsetele pakub DCT sujuv käiguvahetus käegakatsutavat eelist sujuvat jõuülekannet ja kiireid käiguvahetusi hindavate tööde puhul – prügivedu, linnajaotus ja vedellasti paakautotransport –. Pöördemomendi katkestuste puudumine käiguvahetuse ajal on eriti väärtuslik vedellasti vedamisel, kus äkilised pöördemomendi katkestused põhjustavad paagis ohtlikke löögijõude, mis mõjutavad sõiduki stabiilsust ja juhi kontrolli.

Tüüp 4 – pidevalt muutuv käigukast (CVT)

CVT-käigukast pakub lõpmatul hulgal ülekandearvusid oma miinimumi ja maksimumi vahel – diskreetseid käiguastmeid pole. Sõiduautodes saavutatakse see tavaliselt metallrihma või -ketiga, mis kulgeb kahe muutuva läbimõõduga rihmaratta vahel. Veoautode ja rasketehnika rakendustes on mehhanism hüdrostaatiline või hüdromehaaniline: muutuva nihkega hüdrauliline pump käitab hüdraulilist mootorit, kusjuures ülekandearvu reguleeritakse pumba kaldenurga muutmise teel.

Eeliseks on see, et mootorit saab hoida kõige kütusesäästlikumal pöörlemissagedusel olenemata sõiduki kiirusest – CVT reguleerib pidevalt ülekannet vastavalt. Puuduseks on efektiivsus: hüdrostaatilised CVT-d kaotavad hüdraulikaõli soojendamiseks 10–201 TP3T sisendvõimsust, võrreldes vähem kui 31 TP3T kadudega hammasrattaga käigukastis. See efektiivsuse vähenemine piirab CVT-de kasutamist rakendustes, kus ülekande paindlikkus kaalub üles energiakulud – peamiselt põllumajandustraktorites (kus CVT-d on laialt levinud), ehitusmasinates ja mõnedes eriotstarbelistes sõidukites.

Tavaveokite turul on CVT-d endiselt nišiküsimus. Hüdrauliliste kadude põhjustatud kütusekulu on pikamaavedudel vastuvõetamatu, kuna iga protsendimurdosa on miljonite kilomeetrite läbimisel oluline. Põllumajandus- ja munitsipaalmasinatesse, kus tööprofiili mitmekesisus õigustab keerukust, ilmuvad aga hüdromehaanilised CVT-d, mis ühendavad hammasülekande väiksema hüdraulilise variaatoriga (tagades pidevalt muutuva ülekandearvu reguleerimise diskreetsetes mehaanilistes käiguvahemikes).

Tüüp 5 — automaatne pöördemomendi muundur

Pöördemomendi muunduriga automaatkäigukast kasutab mootori ja planetaarkäigukasti vahel hüdraulilist sidet (pöördemomendi muundurit), mis pakub siduripakkide ja lintpidurite kombinatsiooni abil mitut edasikäigukasti. Pöördemomendi muundur neelab kiirenduse ajal mootori ja käigukasti sisendkiiruse erinevuse – toimides madalatel kiirustel nii hüdraulilise sidurina kui ka pöördemomendi kordistajana.

Allison 3000, 4000 ja 4700 seeria on kommertsveokite turul enimtuntud pöördemomendi muunduriga automaatkäigukastid. Need domineerivad kutselistes rakendustes: prügiautod, betoonisegistid, tuletõrjeautod, linnabussid ja sõjaväesõidukid. Põhjus on nende erakordne madala kiirusega manööverdusvõime – pöördemomendi muundur pakub sujuvat ja lõpmatult muudetavat pöördemomendi korrutamist alates nullkiirusest, võimaldades täpset roomamisjuhtimist ja sujuvaid suunamuutusi, millega käigukastidel põhinevad käigukastid ei suuda võistelda.

Inseneritehniline kompromiss on efektiivsus. Maanteel püsikiiruse võtmisel rakendub pöördemomendi muunduri lukustussidur libisemise vältimiseks, kuid linnasõidul, kus on palju peatusi ja minekut, neelab muundur energiat soojusena. Kaasaegsed seadmed leevendavad seda agressiivsete lukustusstrateegiate ja kuue või enama käigukastiga, kuid pöördemomendi muunduriga automaatkäigukast tarbib identsetes tingimustes alati veidi rohkem kütust kui AMT või manuaalkäigukast. Kutseliste rakenduste puhul, kus ekspluatatsiooniline kasu kaalub üles kütusekulu, on see kompromiss ülekaalukalt õigustatud.

Käigukasti materjalid ja määrimistehnika eri tüüpidel

Veoautode käigukastide tüüpide mehaanilised erinevused ulatuvad sügavale nende metallurgiasse ja määrdesüsteemidesse. Manuaal- ja AMT-käigukastides kasutatakse karastatud legeerterasest hammasrattaid – kontaktpindadel on kulumiskindluse tagamiseks karastatud HRC 58–62-ni, säilitades samal ajal tugeva ja plastse südamiku löökide neeldumiseks. Sünkronisaatori koonused on tavaliselt paagutatud pronksist või molübdeeniga kaetud terasest, mis on konstrueeritud nii, et need sobiksid võlli kiirusega hõõrdumisega sekundi murdosa jooksul. Need käigukastid töötavad käigukastiõliga (tavaliselt SAE 50 või SAE 50/60 raskeveokite käigukastiõli), mis peab pakkuma nii hammasrataste hammastele EP-kaitset kui ka sünkronisaatori materjalide hõõrdeühilduvust – see on range topeltnõue, mis piirab vastuvõetavate õlide koostist.

Pöördemomendi muunduriga automaatkäigukastid töötavad täiesti erinevas määrimiskeskkonnas. Planetaarkäigukastid, siduripaketid ja pöördemomendi muundur jagavad ühte automaatkäigukastiõli (ATF), mis peab samaaegselt määrima käike, tagama käiguvahetuse juhtimiseks hüdraulilise rõhu, jahutama pöördemomendi muundurit ja tagama siduripakettidele täpsed hõõrdetegurid. Kommertsautomaatkäigukastide ATF-valemid (näiteks Allison TES 295 või TES 668) on rakendusspetsiifilised – vale vedeliku kasutamine võib põhjustada siduri värisemist, käiguvahetuse kvaliteedi halvenemist ja kiirenenud kulumist.

Kahe siduriga käigukastid on veoautode käigukastide seas kõige nõudlikum määrimisväljakutse. Märg-DCT-d (kus siduriplokid töötavad õlis) vajavad õli, mis tagab käigukasti kaitse, siduri hõõrdumise haldamise ja kahe siduriploki soojusjuhtivuse – kõike samaaegselt. Kuiv-DCT-d (kus sidurid töötavad õhus) eraldavad käigukasti määrimise siduri hõõrdumisest, lihtsustades õlivajadust, kuid nõudes siduri kui kulumisosa vahetamist. Märg- ja kuiva-DCT-variantide eristamine mõjutab oluliselt hoolduse ajakava ja kogukulusid.

Autopargi hooldusjuhtide jaoks on oluline järeldus see, et käigukasti materjalide valik ja määrdeaine spetsifikatsioonid ei ole käigukasti tüüpide vahel omavahel asendatavad. Igal tüübil on oma õli koostis, vahetusintervall ja kontrolliprotokoll. Ristsaastumine – näiteks käigukastiõli lisamine pöördemomendi muunduriga automaatkäigukastile või ATF-i lisamine manuaalkäigukastile – põhjustab komponentide kahjustusi, mis ei pruugi kohe ilmneda, kuid kiirendavad kulumist dramaatiliselt järgnevate töötundide jooksul.

Kõrvuti võrdlus

Jõuvõlliga varustatud veoautode käigukastid: kus veoautode käigukastid kohtuvad jõuvõtuvõlli võimsusega

Paljudel kommertsveokitel on vaja PTO (jõuvõtuvõlli) väljundeid hüdrauliliste pumpade, õhukompressorite, vintside või mehaaniliste lisaseadmete käitamiseks. Jõuvõtuvõlli käigukast Veoauto kontekstis on see mehaaniline seade, mis poltidega kinnitatakse veoauto käigukasti korpuse ava külge, haakides käigukasti vastasvõllil oleva käigu või abikäigukasti, et mootori töötamise ajal pöörlemisjõudu eraldada.

Manuaal- ja AMT-käigukastid pakuvad kõige lihtsamat jõuvõlli integreerimist – mõlemal on ligipääsetavad vastasvõlli käigud ja standardiseeritud jõuvõlli avad. Pöördemomendi muunduriga automaatkäigukastid (eriti Allisoni käigukastid) on tehases konstrueeritud integreeritud jõuvõlli käigukasti ja elektroonilise jõuvõtuvõlli lülitusloogikaga. DCT-d ja CVT-d tekitavad jõuvõtuvõlli integreerimisel rohkem väljakutseid vastavalt oma kahevõllilise ja hüdrostaatilise arhitektuuri tõttu – nende platvormide jõuvõtuvõll vajab tavaliselt spetsiaalset... Jõuvõlli paigutus ülekandekastist või eraldi mootoriga käitatavast jõuvõtuvõllist.

Jõuvõtuvõlliga käitatava seadme jaoks veoauto valimisel mõjutab käigukasti tüüp otseselt jõuvõlli võimekust: jõuvõlli saadaolev pöördemoment (piiratud jõuvõlli ühendatava vastasvõlli käiguga), jõuvõlli saadaolev kiirus (määratud jõuvõlli ava ülekandearvu ja mootori pöörlemissageduse järgi) ja lülitusmeetod (mehaaniline käiguvahetuskahvel manuaalkäigukastidel, pneumaatiline või elektrooniline ajam AMT-del ja automaatkäigukastidel). põllumajanduslik käigukast Ülekandearvu, pöördemomendi kandevõime ja termilise juhtimise inseneriprintsiibid kehtivad võrdselt ka veoautode jõuvõtuvõlli rakenduste puhul – jõuülekande füüsika ei muutu sõiduki platvormiga.

Korduma kippuvad küsimused

Toimetaja: Cxm