Pavarų dėžė yra esminis mechanizmas daugelyje technologinių įrenginių ir transporto priemonių, skirtas variklio sukimosi judesiui perduoti ir jo parametrus, tokius kaip sukimosi greitis ir sukimo momentas, keisti. Projektuojant pavaras, ypač technologiniams įrenginiams, kuriems reikalingi žemi sukimosi greičiai, pavyzdžiui, įvairių rūšių transporteriams (juostiniams, plokšteliniams, grandininiams, grandikliniams elevatoriams), būtina tiksliai parinkti ir apskaičiuoti pavaros parametrus.
Pavarų dėžės paskirtis ir veikimo principas
Pavarų dėžės paskirtį lemia tai, kad modernūs varikliai turi gana siaurą alkūninio veleno sūkių diapazoną, kuriame sukimo momentas ir galia pasiekia maksimalias vertes esant tam tikrai degalų sąnaudų vertei. Pavarų dėžė, arba reduktorius, yra mechanizmas, kurio pagrindinė paskirtis yra perduoti variklio alkūninio veleno sukimosi judesį į kardaninį veleną arba priekinės ašies veleną, valdant transporto priemonę keičiant parametrus.
Pavarų dėžė negali padidinti variklio galios, tačiau ji leidžia keisti perdavimo santykį tarp jos įvesties ir išėjimo, pritaikant jį geriausiai atitinkančioms eksploatavimo sąlygoms, siekiant optimizuoti degalų taupymą ir traukos greičio charakteristikas. Be to, pavarų dėžės funkcijos apima variklio tuščiosios eigos režimo įgyvendinimą ir transporto priemonės galimybę važiuoti atbuline eiga.
Pavarų dėžių naudojimo būtinybė kyla dėl alkūninio veleno ir varomųjų ratų kampinių greičių skirtumo. Modernaus variklio alkūninio veleno kampinis greitis, kaip taisyklė, svyruoja nuo 500 iki 9000 aps./min., o varomųjų ratų kampinis greitis gali būti nuo 0 iki 1800 aps./min. Šių parametrų neįmanoma suderinti be pavarų dėžės, kuri, naudodama specialiai parinktas pavaras, leidžia keisti tokius parametrus kaip pavaros greitis ir veleno sukimo momentas.
Pavarų perjungimo mechanizmas
Pradedant judėti, pasirenkant pirmąją pavarą, parenkama pavarų pora, kurios perdavimo skaičius atitinka pirmąją įjungtą pavarą. Kadangi, didėjant pavarų skaičiui, pavarų skaičius dažniausiai mažėja, tokiu atveju gaunamas didžiausias perdavimo santykis, mažiausias varomųjų ratų sūkių skaičius, bet didžiausia įmanoma sukimo momento vertė. Tolimesnio įsibėgėjimo metu viena po kitos įjungiamos kitos pavaros, dėl kurių didėja ratų greitis, bet mažėja sukimo momentas.
Šiuolaikinės pavaros, išskyrus atbulinės eigos, yra nuolat tinkle. Išėjimo veleno krumpliaračiai laisvai sukasi aplink jį, o ant klojimo veleno - fiksuoti. Įjungus antrąją pavarą, sumažėja dviejų velenų pavarų skersmenų skirtumas, todėl padidėja greitis kelyje ir sumažėja sukimo momentas. Įjungus ketvirtąją pavarą, įvesties velenas ir pagrindinis velenas yra užfiksuoti kartu, užtikrinant „tiesioginę pavarą“, t. y. vienas sraigto veleno apsisukimas kiekvienam alkūninio veleno apsisukimui. Atbulinės eigos pavara yra tarp dviejų velenų pavarų, todėl pagrindinis velenas keičia kryptį. Šiuolaikinės konstrukcijos taip pat apima tvirtinimo žiedą, įterptą tarp trinties paviršių.
Automatinė pavarų dėžė, kaip ji veikia?
Perdavimo skaičius
Perdavimo skaičius - tai dviejų sąveikaujančių pavarų sukimosi greičių santykis, arba pavaros krumpliaračio ir varančiosios pavaros dantų skaičiaus santykis. Skirtingoms pavaroms natūraliai reikalingi skirtingi pavarų skaičiai - aukščiausia pavara įjungiama žemiausia (1 pavara), o žemiausia - aukščiausia. „Tiesioginė“ transmisija atitinka pavarų skaičių, lygų vienetui. Renkantis pavarų padėčių skaičių, jos dažnai pasirenkamos taip, kad būtų nepertraukiamos.
Pavyzdžiui, jei turimos dvi sujungtos pavaros su žymekliais, o tam tikros pavarų poros perdavimo skaičius yra lygus dviem, tai reiškia, kad po dviejų apsisukimų nuo sukimosi pradžios pavarų žymės vėl sutaps. Kas du apsisukimus šis paveikslas kartosis - sutaps ta pati dantų pora, kuri bus apkraunama labiau nei kitos ir dėl šios priežasties nulūš ar susidėvės daug greičiau.
Reduktorius yra atskiras komponentas, susidedantis iš nuolatinės srovės pavaros variklio, sliekinės pavaros ir krumpliaračio-sliekinės pavaros, uždarytos standžiame korpuse. Jis dažnai naudojamas kaip reduktorius tarp variklio ir darbo mašinos. Pavarų dėžė taip pat vadinama reduktoriumi. Ji sujungta keliais reduktorių rinkiniais ir paprastai naudojama transmisijos įrangai su mažu greičiu ir dideliu sukimo momentu. Variklio, variklio ar kita didelės spartos galia perduodama per reduktoriaus įėjimo veleną. Pavara su nedideliu dantų skaičiumi susilieja su didele pavara ant išėjimo veleno, kad pasiektų lėtėjimo tikslą. Įprastas reduktorius taip pat turi kelias identiškų pavarų poras, kad būtų pasiektas norimas lėtėjimo efektas. Didelės ir mažos pavaros dantų skaičiaus santykis yra perdavimo santykis.
Pavarų dėžės perdavimo skaičiaus skaičiavimo formulės
Pavarų dėžės perdavimo skaičius, arba reduktoriaus pavaros perdavimo skaičius, yra tam tikras perdavimo koeficientas, kuris yra momentinio įėjimo greičio ir išėjimo greičio santykis greičio mažinimo mechanizme ir yra pavaizduotas simboliu „i“. Bendrasis lėtėjimo koeficientas išreiškiamas įvesties greičio ir išėjimo greičio santykiu, vardikliu „1“.
- Pavaros skaičiaus formulė: įėjimo greitis ÷ išėjimo greitis, t. y. prijungto įėjimo greičio ir išėjimo greičio santykis. Jei įvesties greitis yra 1500 r/min, o išėjimo greitis yra 25 r/min, tada sumažinimo koeficientas yra: i = 60:1.
- Pavarų grandinės apskaičiavimo metodas: redukcijos koeficientas = varomųjų pavarų skaičius ÷ varomųjų pavarų skaičius. Jei reduktorius yra kelių pakopų, tai visų pavarų porų, kurios susikerta viena su kita, varomų pavarų skaičius ÷ aktyvių krumpliaračio dantų skaičius, o tada rezultatas bus padaugintas.
- Diržo, grandinės ir frikcinio rato sumažinimo koeficiento skaičiavimo metodas: redukcijos koeficientas = varomojo rato skersmuo ÷ varančiojo rato skersmuo.
Pavarų skaičius lemia pavaros variklio išėjimo sukimo momentą: kuo didesnis redukcijos koeficientas, tuo didesnis reduktoriaus išėjimo sukimo momentas ir didesnė reduktoriaus apkrova. Reduktoriaus redukcijos sukimo momentas apskaičiuojamas taip: Pavaros skaičius = variklio išėjimo sūkiai ÷ reduktoriaus išėjimo apsisukimai („Pavaros santykis“ taip pat vadinamas „greičio koeficientu“).
- Jei žinote variklio galios ir greičio santykį bei naudojimo koeficientą, ir suraskite reduktoriaus sukimo momentą taip: Sukimo momentas = 9550 × variklio galia ÷ variklio įėjimo apsisukimų skaičius × greičio santykis × naudojimo koeficientas.
- Žinokite reduktoriaus sukimo momentą ir išėjimo numerį bei naudojimo koeficientą.
Elektros variklio parinkimas ir kinematiniai skaičiavimai
Elektros variklio parinkimas ir kinematiniai skaičiavimai yra svarbūs projektavimo etapai. Pagal GOST 19523-81 imamas asinchroninis elektros variklis su galia Nvar. Pavyzdžiui, pagal GOST artimiausias elektros variklis yra 4A132M2 tipo, kurio Nvar. = 11kW, sinchroninis sukimosi dažnis n3 = 3000 aps./min. nvar. n1 = nvar.
Pavarų projektinis skaičiavimas
Krumpliaračių medžiagos parinkimas yra esminis projektavimo etapas. Pavaros kinematinė schema apima velenų kampinių greičių ir sukimo momentų nustatymą. Taip pat apskaičiuojami kūginiai krumpliaračiai. Nustatomas naudingumo koeficientas. Reikalingas elektros variklio galingumas apskaičiuojamas pagal reduktoriaus sukimo dažnį, taip pat bendras perdavimo skaičius ir variklio sukimosi dažnis. Atliekamas koregavimas perdavimo skaičiui. Nustatomos velenų kampiniai greičiai ir nominalūs sukimo momentai. Parenkamos medžiagos velenams, krumpliaračiams, reduktoriaus korpusui ir jo dangteliui, guoliams ir velenų dangteliams, pleištams. Skaičiuojama uždara cilindrinė įstrižakrumplė pavara. Atliekami velenų skaičiavimai ir komponavimas, taip pat varomojo veleno skaičiuojamoji schema ir jėgos, veikiančios sukabinime. Parenkami ir tikrinami riedėjimo guoliai, pleištai ir movos. Galiausiai nustatomi reduktoriaus korpuso konstrukciniai matmenys.
Traktorių transmisijos
Pavarų dėžių įvairovė yra gana didelė, jų konstrukcijų skirtumai taip pat nemaži. Traktoriuose transmisija perduoda variklio generuojamą galią bei sukimo momentą varytuvams, keisdama šio momento dydį ir kryptį. Keičiant perdavimo skaičių transmisijoje, galima gauti norimą varytuvams (ratams ar vikšrams) perduodamo sukimo momento dydį, t. y. priklausomai nuo apkrovos ir darbo sąlygų jį didinti arba mažinti. Didinant transmisijos perdavimo skaičių (naudojant žemesnę pavarą), varytuvams perduodamas didesnis sukimo momentas ir atvirkščiai. Kuo didesnis transmisijos perdavimo skaičius, tuo variklio ir varančiųjų ratų sūkių dažnių santykis taip pat didesnis. Varantiesiems ratams perduodamo sukimo momento dydį padalinus iš jų spindulio, gaunama traukos jėga.
Transmisijų tipai traktoriuose
- Mechaninės transmisijos: Dėl paprastumo ir pigumo jos naudojamos tik nedidelės galios klasės (3-4 cl., iki 160 AG pajėgumo ir 10 t bendrosios masės) traktoriuose. Pastarojo dešimtmečio tendencija - mechanines transmisijas naudoti tik bazinės įrangos traktoriuose, modelių liniją pradedančiose mašinose (angl. entry level). Šio tipo transmisijos ir ateityje bus naudojamos mažos galios traktoriuose, ypač gaminamuose sparčiai besivystančiuose EMEA ir APAC regionuose. Pačios paprasčiausios pavarų dėžės - mechaninės. Jose perjungiant pavaras ar diapazonus, nutraukiamas galios srauto perdavimas varantiesiems ratams.
- Mechaninės pavarų dėžės su dinaminiais reduktoriais arba sukimo momento stiprintuvais: Jų konstrukcija analogiška paprastosioms mechaninėms, išskyrus tai, kad 2-3 pavaros atskiruose diapazonuose perjungiamos elektrohidrauliškai, įjungiant atitinkamas daugiadiskes sankabas, t. y. nenutraukiant galios srauto. Kai kuriais atvejais dinaminiai reduktoriai įrengiami priešais mechaninę pavarų dėžę (pvz., Valtra traktorių modifikacijose Classic/HiTech naudojami 3 pakopų Delta PowerShift planetiniai reduktoriai). Mechaninės pavarų dėžės su dinaminiais reduktoriais yra tuo efektyvesnės, kuo daugiau pavarų vairuotojas ar automatinė valdymo sistema gali rinktis, nenutraukiant galios srauto perdavimo ratams.
- Hidromechaninės pakopinės arba bepakopės pavarų dėžės: Daugumoje šiuolaikinių pažangių traktorių montuojamos būtent tokios transmisijos. Jų įvairovė rinkoje didžiausia, o gamintojų skaičius nemažas: „New Holland“ (CNH), „Carraro“, „Caterpillar“, „Dana“, „Fendt“ ir „Valtra“ (abu AGCO), „Fuji Heavy Industries“, „John Deere“ (iki 1989 m. - „Funk“), GIMA (AGCO/„Claas“), „Same“ (SDF), ZF. Vidutinės ir didelės galios traktoriuose šiuo metu dažniausiai naudojamos hidromechaninės pakopinės dinaminės arba pusiau dinaminės pavarų dėžės su 4-6 pavaromis ir eigoje perjungiamais diapazonais, nepertraukiant galios srauto perdavimo varantiesiems ratams.
- Vienas iš jų yra greitųjų, t. y. transportinių pavarų diapazonas, apimantis greičius nuo 5 km/val. iki didžiausio.
- Vienas arba du diapazonai - vidutiniai, t. y. darbinių greičių, apimančių 1,5-15 km/val. diapazoną.
- Papildomas diapazonas skirtas labai lėtiems, iki 3 km/val. greičiams.
Pagrindinis skiriamasis pusiau dinaminių (SPS) ir dinaminių (FPS) pavarų dėžių bruožas yra tai, kad pastarosiose nenutraukiant galios srauto perjungiamos ne tik pavaros, bet ir diapazonai. Abiejų tipų pavarų dėžėse pavaras perjungti nenutraukiant galios srauto gali ne tik pats vairuotojas, bet ir automatinė valdymo sistema. Pavarų perjungimui, priklausomai nuo apkrovos ir variklio sūkių dažnio, paprastai taikomos dvi strategijos: ekonomiškoji (Eco) arba galios (Power). Ekonomiškasis režimas skirtas darbui su mažą pasipriešinimą traukai turinčiais agregatais.
- Hidrostatinės transmisijos: Be alternatyvos naudojamos kai kuriose savaeigėse žemės ūkio mašinose, pavyzdžiui, teleskopiniuose keltuvuose, kombainuose, purkštuvuose. Traktoriuose, dėl palyginti nedidelio greičių diapazono ir mažo efektyvumo, jos beveik nenaudojamos. Tačiau pasitaiko išimčių, pavyzdžiui, Šiaurės Amerikoje gerai žinomas New Holland TV6070 Bidirectional traktorius su 8 diapazonų hidrostatine bepakope 0-31,4 km/val. transmisija.
- Bepakopės pavarų dėžės: Neturi fiksuotų perdavimo skaičių. Jose perdavimo skaičius visame greičių diapazone (priklausomai nuo konstrukcijos, nuo 20 m/val.) gali būti keičiamas. Pirmoji ir kol kas vienintelė kompanija, nuo 2009 m. gaminanti traktorius (nuo 60 iki 396 AG) tik su bepakopėmis pavarų dėžėmis, yra „Fendt“. Įmonės „Schlüter“ kartu su „Fendt“ buvo pirmosios (atitinkamai 1991 ir 1995 m.) rinkoje pristačiusios serijinės gamybos traktorius EuroTrac 1000 CVT ir 926 Vario su bepakopėmis pavarų dėžėmis. Pirmasis ir kol kas vienintelis vikšrinis žemės ūkio paskirties traktorius su bepakope transmisija yra gaminamas kompanijoje „John Deere“. Paprastai bepakopės transmisijos naudojamos išimtinai galingiausiuose gamintojo modeliuose - flagmanuose (angl. TOTL - Top Of The Line). Tokie yra Claas Axion 900 ir Xerion, Deutz-Fahr Agrotron TTV 7-osios serijos, JCB Fastrac 7-osios serijos, Massey Ferguson 8600 serijos, Valtra S traktoriuose. Taip pat bepakopės transmisijos yra neatsiejama gerai sukomplektuotų traktorių dalis, kurie dažnai yra galingiausi atskirose modelių grupėse.
- Hibridinės transmisijos: Pagal tai, koks dėmesys šiuo metu skiriamas elektrinėms galios perdavoms, kurios sudaro iki 5 proc. Pirmieji serijiniai traktoriai su lygiagretaus jungimo hibridine transmisija yra John Deere 7430 ir 7530 E Premium, pristatyti 2007 m. tarptautinėje parodoje „Agritechnica“ Vokietijoje. Traktoriuose, dėl specifinės darbo specifikos, skirtingai nei automobiliuose montuojamose mini hibridinėse sistemose, tarp variklio ir transmisijos įrengtas generatorius nenaudojamas paleidžiant variklį ir kaip variklio sukimo momento stiprintuvas. Nenaudojamas ir rekuperacinis (pvz., stabdant) darbo režimas. Dyzelinėse-elektrinėse arba nuoseklaus jungimo hibridinėse transmisijose, kurios struktūriškai panašios į hidrostatines, variklis nėra tiesiogiai sujungtas su varytuvais. Šiuo atveju dėl daugkartinio energijos transformavimo neišvengiami galios nuostoliai: iš mechaninės į elektrinę ir iš elektrinės atgal į mechaninę. Tačiau tai nesumažina bendrų transmisijos privalumų, kuriuos užtikrina galimybė varikliui dirbti efektyvesniu režimu. Be to, mažesnis erdvės poreikis jėgos agregatui įrengti, o griežtėjant ekologiniams reikalavimams naujos išmetamųjų dujų apdorojimo priemonės reikalauja labai racionaliai išnaudoti erdvę. Žemės ūkio paskirties traktoriuose dyzelinė-elektrinė transmisija nenaudojama, išskyrus atliekant įvairias eksperimentines studijas, kurios pristatomos tarptautinėse parodose. Paskutinis pavyzdys - 2011 m. pristatytas šveicariškas modelis Rigitrac EWD 120 yra ypač daug žadantis projektas. Tačiau reikia įvertinti, kad dyzelinė-elektrinė transmisija, kada elektros varikliai sumontuoti ne varančiuosiuose tiltuose, o ratų stebulėse, kaip yra minėtame Rigitrac traktoriaus modelyje, neleidžia kartu naudoti antro komplekto ratų, todėl šis komponavimas perspektyvus tik mažos galios arba specialiosios paskirties traktoriuose.
Vidaus degimo variklis turi palyginti siaurą darbinių sūkių diapazoną, todėl transmisija traktoriaus traukos jėgą gali keisti, nekeisdama variklio sūkių dažnio ir krypties. Variklio alkūninio veleno sūkių dažnis visada didesnis už ratų. Šiuolaikiniuose traktoriuose montuojamų pavarų dėžių valdymo programos leidžia pasirinkti valdymo režimą, leidžiantį varikliui dirbti pastoviu sūkių dažniu: priklausomai nuo apkrovos, keičiamas transmisijos perdavimo skaičius ir važiavimo greitis. Kuo didesnis pavarų skaičius, tuo didesnis perdavimo skaičių eilės tankis. Atitinkamai, kuo pastarasis dydis didesnis, tuo geresnės traktoriaus traukos savybės, ekonomiškumas. Perdavimo skaičių diapazonas arba pavarų dėžės diapazonas - tai žemiausios ir aukščiausios pavaros perdavimo skaičių santykis.