Рис. 1. Схема инерционной передачи:
1 — ведущий вал; 2 — ведомый вал; 3 — маятник.

Инерционный принцип преобразования крутящего момента. Рис. 1 поясняет метод использования сил инерции для передачи крутящего момента от одного вала к другому с автоматическим изменением передаточного отношения в зависимости от потребного крутящего момента на ведомом валу. Кривошип ведущего вала соединен посредством шатуна с балансирным рычагом, одно плечо которого связано шарниром с маятником, а второе — тягами с двумя рычагами, качающимися на ведомом валу, На этих рычагах установлены собачки, которые зацепляются с храповым колесом, укрепленным на ведомом валу.

Сперва предположим, что концы рычагов собачек присоединены тягами непосредственно к кривошипу. В этом случае за каждый обо .рот кривошипа ведомый вал будет поворачиваться собачками на определенный угол; таким образом, между ведущим и ведомым вала ми установится определенное передаточное отношение. При этом подразумеваются средние значения крутящих моментов на обоих валах за период одного оборота вала, а не их мгновенные значения

Теперь рассмотрим, какое влияние на процесс передачи крутя щего момента оказывает введение балансирного рычага и маятнй ка. Предположим, что кривошип находится в мертвой точке, а маятник— в крайнем левом положении, где скорость его равна нулю. После того как кривошип перейдет мертвую точку, маятник должен получить ускорение, для чего необходимо преодолеть силу его инерции, которая пропорциональна ускорению. Из теории кривошипного механизма известно, что ускорение является максимальным в начале хода. Поэтому сила на тяге маятника будет максимальной в начале движения маятника вправо. На ускорение маятника расходуется работа, и маятник накопляет кинетическую энергии. Благодаря наличию балансирного рычага сила, прикладываемая к маятнику в период его ускорения, уравновешивается силой в одной из тяг рычагов собачек, точнее составляющей этой силы, параллельной тяге маятника.

На рис. 2 приведена зависимость силы, прикладываемой к маятнику или создаваемой маятником, а также скорости маятника и развиваемой или поглощаемой им мощности, от угла поворота кривошипа за полный цикл колебания. При угле поворота кривошипа, равном нулю, маятник находится в крайнем левом положении. Сила, отложенная вверх от нулевой линии, действует на маятник направо; скорость, отложенная вверх от этой линии, соответствует движению маятника вправо, а сила и скорость, отложенные вниз от нулевой линии, направлены влево.

Мгновенная мощность равна произведению силы на скорость и является положительной, когда обе величины имеют одно и то же направление, и отрицательной, когда они направлены в противоположные стороны. Мощность, затрачиваемая на перемещение маятника, будет положительной, а мощность, развиваемая маятником, — отрицательной. Как видно из графика, площадь, заключенная между нулевой линией и кривыми отрицательной мощности, равна площади, заключенной между нулевой линией и кривыми положительной мощности, что означает, что энергия, сообщаемая маятнику в начале хода, равна энергии, отдаваемой им в последующей части этого же хода. Небольшими потерями, вызываемыми сопротивлением воздуха и трением здесь можно пренебречь.

В течение второй половины хода, когда маятник отдает накопанную им энергию, балансирный рычаг работает как двуплечий Рычаг с осью вращения на конце шатуна; мощность, развиваемая маятником во время этой фазы движения, передается на ведущии вал через храповой механизм.

Сила, создаваемая маятником, изменяется не только в зависимости от амплитуды, но и от частоты колебаний, т. е. от скорости вращения кривошипа. При низкой скорости вращения кривошипа крутящий момент на ведомом валу может оказаться недостаточным для преодоления момента сил сопротивления. В этом случае передние концы тяг будут оставаться неподвижными, а маятник будет качаться с максимальной амплитудой, которая приблизительно равна удвоенному радиусу кривошипа. При увеличении скорости вращения ведущего вала крутящий момент, создаваемый на ведомом валу, возрастает, и когда он станет равным моменту сил сопротивления, ведомый вал начинает вращаться, а концы тяг будут совершать возвратно-поступательное движение. По мере увеличения хода тяг амплитуда колебаний маятника пропорционально уменьшается. Для данной скорости вращения кривошипа угол качания рычагов собачек, скорость вращения ведомого вала и скорость автомобиля будут тем меньше, чем больше момент сил сопротивления на ведомом валу. Таким образом, передаточное отношение изменяется автоматически.

Рис. 2. Зависимость силы, прикладываемой к маятнику или создаваемой маятником, скорости маятника и развиваемой или поглощаемой им мощности от угла поворота кривошипа:
1 — сила; 2 — скорость; 3 — мощность.

Аналогия с цепью переменного тока. Механизм, показанный на рис. 1, подобен цепи переменного тока, в который омическое сопротивление включено параллельно с индукционным, как показано на рис. 3. Электродвижущая сила, прикладываемая к обеим ветвям цепи, одинакова; однако мощность, потребляемая омическим сопротивлением, равна произведению электродвижущей силы на ток, протекающий по этой ветви, а мощность, потребляемая индукционным сопротивлением, равна этому произведению, но умноженному на косинус угла сдвига фаз электродвижущей силы и силы тока. Если бы было возможно создать такое индукционное сопротивление, в котором отсутствует омическое сопротивление, то сдвиг фаз составил бы 90°, а поскольку косинус 90° равен нулю, ,то мощность, потребляемая индукционным сопротивлением, также равнялась бы нулю. Другими словами, индукционное сопротивление в этом случае потребляло бы и отдавало одинаковое количество энергии. Однако, поскольку всякое индукционное сопротивление обладает омическим сопротивлением, сдвиг фаз будет несколько меньшим 90°, пЬэтому некоторое, относительно небольшое количество энергии будет поглощаться ветвью индукционного сопротивления.

График, изображенный на рис. 2, можно также целиком отнести к электрической цепи, если вместо термина «сила» подставить «электродвижущая сила», а вместо «скорость» — «сила тока». Так же, как в электрической цепи, где сдвиг фаз между током и электродвижущей силой несколько меньше 90° из-за того, что ветвь индукционного сопротивления обладает некоторым омическим сопротивлением, в инерционных механизмах сдвиг фаз между скоростью и силой будет несколько меньше 90° вследствие того, что, кроме инерционного сопротивления, нужно также преодолевать сопротивление воздуха и трение в шарнирах.

Рис. 3. Схема электрической аналогии инерционной передачи:
1 — омическое сопротивление; 2 — индукционное сопротивление.

Передача Константинеско В начале двадцатых годов Константинеско создал в Англии передачу, основанную на инерционном принципе, которую он установил на малолитражном автомобиле, оборудованном двухцилиндровым, двухтактным двигателем с рабочим объемом 490 см3. Передача была размещена между картерами двух цилиндров и конструктивно объединена с двигателем. Автомобиль был выставлен на Бирмингамской промышленной ярмарке и испытан в США объединением Дженерал Моторс. Принцип действия передачи может быть объяснен по схеме, приведенной на рис. 4. Здесь 1 и 1’ — грузы, укрепленные на длинных плечах рычагов 2 и 2’, которые установлены на кривошипах коленчатого вала. Концы коротких плечей рычагов 2 и 2’ посредством звеньев соединяются с двумя качающимися рычагами, каждый из которых укреплен на внутренней обойме роликовой муфты свободного хода. Через эту муфту момент передается на задний мост. На схеме оба качающихся рычага 2 и 2’ показаны в таком положении, при котором отверстия на концах их коротких плеч находятся на одной оси, поэтому видно только одно звено 3 и один качающийся рычаг. Звенья 6 и 6’ и качающийся рычаг связывают оба качающихся рычага, чтобы увеличить плавность работы. Наружное кольцо роликовой муфты свободного хода посажено на шпонке на ведомом валу, соединенном с карданным валом посредством универсального шарнира.

Предположим, что автомобиль заторможен. При холостом ходе двигателя грузы будут качаться с максимальной амплитудой, так как короткие концы рычагов 2 и 2’, соединенные шарнирно со звеньями, будут удерживаться неподвижно, потому что они через муфты свободного хода связаны с задним мостом. За каждый цикл колебания грузы и будут сообщать звеньям два толчка, которые с помощью качающихся рычагов превращаются в два импульса момента. Импульсы усиливаются пропорционально квадрату амплитуды и первой степени частоты колебаний. При холостом ходе импульсы относительно невелики и не могут сдвинуть заторможенного автомобиля.

Рис. 5. Схема передачи Константинеско

Если тормозы будут освобождены и педаль управления дроссельной заслонкой карбюратора нажата, то величина импушьсов момента быстро возрастет и автомобиль начнет трогаться. Точки соединения рычагов 2 и 2’ со звеньями 3, прежде неподвижные, получают теперь колебательное движение. Рычаги 2 и 2’, качаясь на кривошипах, за каждый оборот коленчатого вала будут поворачивать рычаги. 4 через соединительные звенья 3 на угол, обратно пропорциональный величине момента сил сопротивления на роликовой муфте или сопротивлению движения автомобиля. На крутых подъемах и в периоды разгона, когда момент сил сопротивления велик, роликовая муфта будет поворачиваться вперед за каждый оборот кривошипа на малый угол, абсолютное перемещение концов коротких плеч рычагов 2 и 2’ будет мало и амплитуды колебаний грузов будут велики. Наоборот, когда момент сил сопротивления невелик, роликовая муфта за каждый оборот коленчатого вала будет перемещаться на большой угол и концы коротких плеч рычагов 2 и 2’ будут перемещаться на значительное расстояние, в то время как грузы будут качаться с малой амплитудой.

Таким образом, передача сама приспосабливается к изменениям сопротивления. Например, если встречается подъем, то первым последствием увеличения сопротивления будет уменьшение скорости автомобиля. Сначала скорость вращения коленчатого вала двигателя также уменьшается почти пропорционально скорости автомобиля, но с дальнейшим замедлением автомобиля качание грузов уменьшается, и двигатель разгоняется снова. Если подъем постоянный, то достигается состояние равновесия, при котором коленчатый вал двигателя и ведущие колеса вращаются с постоянными скоростями.

Минимальное передаточное отношение передачи Константинеско было около, а главная передача заднего моста имела передаточное отношение 1 : 1. В заднем мосту были установлены две глав ные передачи — одна для переднего, а другая для заднего хода, которые могли соединяться с осью посредством муфты. Практиче ски не было верхнего предела для получаемого передаточного отношения, когда величина хода роликовой муфты приближалась к нулю.

Передача Спонтан. Другая передача инерционного типа была разработана в Швеции компанией Спонтан. Принцип работы этой передачи лучше всего может быть объяснен с помощью схем.

Как показано на рис. 6, два груза присоединены посредством звеньев к пальцам, укрепленным на диске маховика двигателя. Грузы жестко связаны с двумя эксцентриковыми хомутами, охватывающими шарикоподшипниковые эксцентрики, расположенные на ведущей гильзе под углом 180° друг к другу. От ведущей гильзы движение передается ведомому валу посредством роликовой муфты специального типа, устройство которой будет описано ниже.

Грузы вращаются вокруг оси коленчатого вала и развивают центробежную силу, представленную на рис. 6 вектором С. Составляющая этой силы, равная С sin а, действует перпендикулярно к линии, центров эксцентриков. Эксцентрицитет равен у, а поскольку грузов два, то полный момент, прикладываемый ими на эксцентрики и ведущую гильзу, равен Се sin а. Таким образом, максимальное значение момента равно Се, и если момент сил сопротивления на эксцентриках меньше этого момента, то эксцентрики будут вращаться вместе с грузами и маховиком и передача будет прямой. Любые изменения момента сил сопротивления внутри этого предела вызывают соответствующее изменение угла а.

При заторможенном автомобиле и холостом ходе двигателя центробежная сила грузов относительно мала из-за низкой скорости вращения коленчатого вала. Так как грузы вращаются вокруг эксцентриков, действующий на них момент изменяется по направлению дважды за оборот. При постоянной скорости вращения центробежная сила грузов постоянна, и момент изменяется как синус угла между радиальной линией, проходящей через центр груза, и линией центров эксцентриков; поэтому момент может быть представлен синусоидой, как показано на рис. 5. Способ преобразования этого переменного движения во вращение постоянного направления ведомого вала показан на рис. 6, которая представляет собой поперечное сечение роликовой муфты, применяемой для выпрямления момента. На фигуре показаны три концентричные гильзы: средняя 5 является ведущей гильзой, на которой установлены эксцентрики, внутренняя 7 —ведомой укрепленной на ведомом валу, а внешняя 3— реактивной, которая воспринимает обратный момент.

Работа роликовых муфт. Из рис. 6 видно, что две роликовые муфты устроены так, что сцепление их с ведущей гильзой происходит при вращении в противоположных направлениях. При. Рассматриваемых условиях эта гильза имеет колебательное движение и при вращении ее в одном направлении момент от нее передается на ведомую гильзу, связанную с ведомым валом, а при движении в противоположном направлении —на наружную, реактивную ильзу. Чтобы выравнять момент, передаваемый на карданный вал, ведомая гильза снабжена маховиком, который служит также барабаном трансмиссионного тормоза. Положительные импульсы заставляют роликовую муфту захватывать ведомую гильзу, импульсы противоположного направления — отрицательные — заставляют ведущую гильзу сцепляться с реактивной гильзой. Эта гильза удерживается в определенном угловом положении посредством цилиндрических витых пружин, работающих на растяжение, которые установлены радиально между ушками на гильзе и на внутренней стороне картера. Когда к реактивной гильзе прикладывается момент, последняя поворачивается вокруг оси, причем пружины растягиваются. Реактивная гильза снабжена маятниковым колесом, которое приводится в движение, когда гильза захватывается роликовой муфтой. Во время этой части цикла энергия накапливается в витых пружинах и затем отдается в следующую положительную фазу цикла.

Рис. 6. Схема передачи Спонтан.

Рис. 7. Диаграмма импульсов момента в передаче Спонтан:
I — положительные импульсы момента ка маховике карданного вала, II — число оборотов коленчатого вала; III — отрицательные импульсы момента на маятниковом колесе.

Передача Спонтан может выполнять также функции противооткатного приспособления, которое предохраняет «автомобиль от движения назад, если он остановлен на подъеме.

Пульсация моментов при трогании с места. Предыдущее объяснение приложимо к случаю, когда автомобиль неподвижен и развиваемый на ведомом валу крутящий момент недостаточен, чтобы сдвинуть его. Когда тормоза освобождены и дроссельная заслонка открыта, центробежная сила грузов увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения и момент, прикладываемый к ведущей гильзе, скоро становится достаточным, чтобы повернуть ведомую гильзу и сдвинуть автомобиль. Вначале гильза вращается периодически. Во время действия положительного момента ведомая гильза вращается вместе с главной ведущей гильзой, а во время действия отрицательного момента она неподвижна. В результате отрицательные импульсы будут короче, чем положительные. С увеличением скорости автомобиля положительные импульсы становятся продолжительнее и, наконец, передача переходит напрямую. Это происходит, когда момент на карданном валу падает до величины момента двигателя для данной степени открытия дроссельной заслонки.

Рис. 8. Выпрямитель момента передачи Спонтан:
1 — пружины; 2 — сепаратор роликов; 3 — реактивная гильза; 4 — ролики реактивной муфты; 5 — ведущая гильза; 6 — ролики ведущей муфты; 7 — ведомая гильза.

Рис. 9. Продольный разрез передачи Спонтан.

Рис. 10. Поперечный разрез передачи Спонтая.

Пока передача работает напрямую, эксцентриковые хомуты не вращаются относительно эксцентриков. Ведущая гильза занимает тогда такое положение относительно коленчатого вала, при котором момент, прикладываемый к карданному валу, равен моменту сил сопротивления на нем. Изменения момента сил сопротивления компенсируются автоматическим изменением положения ведущей гильзы относительно коленчатого вала. Сравнительно небольшое увеличение момента сил сопротивления заставляет ведущую гильзу отставать относительно коленчатого вала, увеличивая момент центробежных сил грузов до тех пор, пока момент, прикладываемый к карданному валу, не будет снова равен моменту сил сопротивления. Если увеличение момента сопротивления будет значительным, грузы начнут вращаться относительно гильзы, и передача становится непрямой.

Пока передача идет напрямую, в наружной муфте имеет место явление свободного хода и маятниковое колесо не работает. Переход с прямой передачи на непрямую происходит при скорости вращения, меньшей чем переход в обратном направлении. Это объясняется тем, что после работы на прямой передаче грузы находятся в крайних наружных положениях, и, прежде чем они могут быть приведены в движение снова, должна быть приложена сила, достаточная, чтобы преодолеть центробежную силу грузов в этом положении.

Задний ход осуществляется изменением направления действия муфт свободного хода. Из рис. 8 видно, что ведомые элементы этих муфт имеют две системы заклинивающих поверхностей, обращенных в противоположные стороны. Обычно ролики находятся в контакте с поверхностями., обращенными в одну сторону, и, чтобы изменить направление передачи, они переставляются в положение касания с поверхностями, обращенными в обратную сторону. Пере мещение роликов осуществляется посредством сепаратора, который может поворачиваться относительно его оси с помощью педали.

Продольный и поперечный разрезы передачи Спонтан показан на рис. 8 и 9.