4 Лабораторная работа №3 «рабочие процессы и анализ конструкций коробок перемены передач»

Цель работы: научиться экспериментально определять передаточ­ное число включенной передачи и КПД включенной передачи.

Основные положения

Коробка передач является агрегатом трансмиссии, преобразующим крутящий момент и частоту вращения по величине и направлению. В механической трансмиссии это преобразование осуществляется, как пра­вило, с помощью зубчатых колес и является ступенчатым.

Ступенчатые коробки передач получили наибольшее распрост­ранение на современных автомобилях. Полная их классификация приведена в литературе [1].

На автомобилях с механической трансмиссией применяют ко­робки с числом передач от 3 до 16. Число элементов управления включается на одной передаче на единицу меньше числа степеней свободы коробки передач. Наиболее распространены коробки с двумя степенями свободы, в которых для получения определенной передачи включается одна зубчатая муфта или передвижное зубчатое колесо. На автопоездах устанавливают коробки передач с тремя, иногда четырьмя степенями свободы. Такие коробки имеют, как правило, восемь пере­дач и более. Поэтому их называют многоступенчатыми.

Коробки передач с двумя степенями свободы имеют обычно не более шести передач. В механической трансмиссии их выполняют или по трехвальной соосной схеме, или двухвальной несоосной. Соос­ность определяется по взаимному расположению ведущего и ведомо­го валов коробки передач.

Двухвальные коробки передач

Применяют для переднеприводных и заднеприводных автомобилей. Конструктивно они совмещены в одном блоке с двигателем, сцеплением, главной передачей и дифференциалом.

При поперечном расположении коробки передач применяется цилиндрическая главная передача. Шестерня главной передачи, вы­полненная за одно целое с ведомым валом коробки передач, располо­жена консольно.

Привод поперечно расположенной коробки передач имеет не­которые особенности в связи с тем, что необходимо совместить обыч­ный способ переключения, когда выбор передачи происходит в ре­зультате поперечного перемещения рычага, а включение зубчатого за­цепления - в результате продольного перемещения. При продольном расположении двигателя применяется коническая или гипоидная главная передача. Управление коробкой передач непосредственное. При заднем расположении двигателя и коробки продольно, управле­ние коробкой - дистанционное.

В двухвальной коробке передач (рис. 2.1 а) крутящий момент пе­редастся двумя зубчатыми колесами. Передаточное число зубчатой лары не должно превышать некоторого предела, близкого 4, так как дальнейшее увеличение передаточного числа приводит к увеличению размеров коробки и повышению уровня шума.

а) б)

Рис. 4.1. Схемы двухвальной (а) и трехвальной (б) коробок передач:

а - ЗАЗ-968; б - ГАЗ-53А

Передаточное число высшей передачи в таких коробках, как правило, не делают равным единице, число зубьев сопрягаемых зуб­чатых колес отличается на 1…2, что позволяет обеспечить хорошую прирабатываемость. В некоторых конструкциях высшая передача - повышающая.

Основные достоинства двухвальных коробок передач: про­стота конструкции, малая масса, высокий КПД на промежуточных передачах.

Трёхвальные коробки передач

При числе ступеней обычно не более шести управление такой коробкой передач осуществляется при помощи одного рычага. Отличительной особенностью трехвальной коробки передач является на­личие прямой передачи, на которой автомобиль движется большую часть пробега. Она образуется в результате непосредственного соеди­нения соосных ведущего (первично) и ведомого (вторичного) валов. При движении на прямой передаче зубчатые колеса и подшипники коробки разгружены, вследствие чего снижается износ, потери мощ­ности и шум. На других передачах переднего хода в трехвальной ко­робке силовой поток проходит через два зубчатых зацепления, что по­зволяет получить достаточно большое передаточное число (с 7...9), что часто требуется для первой передачи.

В современных конструкциях коробок передач большинство зуб­чатых колес находится в постоянном зацеплении. Для включения пе­редач используют зубчатые муфты и синхронизаторы. Зубчатые коле­са первой передачи и заднего хода часто не имеют постоянного зацеп­ления. В этих случаях одно из зубчатых колес пары выполняют пере­движным и используют его для включения передачи.

Схемы трехвальных соосных коробок передач с двумя степенями свободы, распространенные в настоящее время, имеют принципиаль­ные различия только в схеме включения первой передачи и передачи заднего хода. Можно выделить следующие варианты схем: все зубча­тые колеса находятся в постоянном зацеплении (например, коробки передач автомобиля КамАЗ); не имеют постоянного зацепления толь­ко зубчатые колеса заднего хода (например, коробки передач автомо­биля ГАЗ-24); не имеют постоянного зацепления зубчатые колеса первой передачи и заднего хода (например, коробка передач автомо­биля ГАЗ-53). Отличительной особенностью последних схем является отсутствие отдельного зубчатого колеса на ведомом валу (рис. 2.1 б). Для включения заднего хода используется то же передвижное зубча­тое колесо, которое образует первую передачу.

Схемы с постоянным зацеплением всех зубчатых колес приме­няют для коробок передач с относительно большой продолжительно­стью работы на первой передаче и заднем ходу. Преимуществами та­ких схем являются отсутствие изнашивания торцов зубчатых венцов и сокращение хода вилок переключения передач; недостатком -необходимость свободной установки на ведомом валу отдельного зубчатого колеса большого размера для передачи заднего хода. Установка такого колеса увеличивает не только общее число зубчатых колес, но и сум­марный момент инерции согласованно вращающихся деталей короб­ки, в результате чего повышается нагрузка на синхронизаторы.

Наряду с коробками передач, имеющими в качестве высшей пе­редачи прямую, получили распространение коробки передач с вы­сшей ускоряющей передачей. Их появление было вызвано стремлени­ем уменьшить частоту вращения вала двигателя при движении авто­мобиля без груза. Ускоряющую передачу используют для расширения диапазона коробки передач без увеличения передаточного числа первой передачи или сохранения диапазона при уменьшении этого числа.

Схемы коробок передач с двумя степенями свободы не наклады­вают каких-либо ограничений на закономерности построения ряда передаточных чисел. При выборе числа передач и передаточных чисел руководствуются основным требованием, предъявляемым к коробке передач: обеспечить заданные тягово-скоростные качества и высокую топливную экономичность автомобиля.

Многовальные коробки передач

Такие коробки передач применяются при большом числе пере­дач они представляют собой четырех-...шестиступенчатую трехвальную коробку передач со встроенным или совмещенным редуктором. Редуктор может быть повышающим или понижающим. Повышаю­щий редуктор (мультипликатор или делитель) устанавливают перед коробкой передач, его назначение уменьшить разрыв между переда­точными числами соседних передач (уплотнить ряд), незначительно увеличивая диапазон передач. В большинстве случаев делитель увели­чивает диапазон на 20...25%,он обычно имеет две передачи - прямую и повышающую, что позволяет увеличить число передач в два раза. Понижающий редуктор (демультипликатор) размещают за коробкой передач. Устанавливать его перед коробкой передач нецелесообразно, поскольку при этом зубчатые колеса коробки и валы передач придется рассчитывать на повышенный крутящий момент, что приводит к уве­личению их массы и размеров. Демультипликатор выполняют двух- или трехступенчатым, что позволяет увеличить число передач соот­ветственно в 2 или 3 раза. Его обычно выполняют с большим переда­точным числом, благодаря чему расширяется диапазон. Примером многовальной коробки передач может служить десятиступенчатая ко­робка передач автомобиля КамАЗ-5320.

Способы включения передач

Включение передач при помощи зубчатых колес (кареток) в на­стоящее время применяется главным образом для первой передачи и передачи заднего хода, включение которых производится в условиях, когда автомобиль неподвижен. Такое ограниченное применение зуб­чатых колес для включения передач объясняется двумя причинами:

• инерционная ударная нагрузка от сил инерции ведомых деталей при включении приходится на один или два зуба включаемых ко­лес, что приводит к быстрому износу торцов зубьев, сколу зубьев и их поломке;

• для включения передачи требуется переместить каретку на всю длину зуба, что приводит к увеличению длины коробки передач и ее массы.

Запиловка торцов зубьев включаемых зубчатых колес хотя и об­легчает процесс включения, но в те же время уменьшает рабочую дли­ну зуба. Обычно такие зубчатые колеса выполняют прямозубыми, но встречается и косозубое исполнение ("Москвич-40").

Применение в коробках передач зубчатых колес постоянного за­цепления привело к необходимости использования для включения передач кулачковых или зубчатых муфт. В этом случае ударные на­грузки при включении распределяются между всеми зубьями или ку­лачками, что, в целом, не снижает шума при включении и не облегча­ет процесса включения. В настоящее время ограниченно используют­ся только зубчатые муфты легкого включения, у которых зубья укоро­чены через один.

Полностью исключают ударную нагрузку и шум при включении передач синхронизаторы. В современных коробках передач применя­ют синхронизаторы, выравнивающие угловые скорости соединяемых элементов перед включением передач. Коробки передач могут быть полностью синхронизированы, но в большинстве случаев наряду с синхронизаторами на высших передачах применяются также кулачко­вые или зубчатые муфты, а часто - подвижные зубчатые колеса (карет­ки), дня включения низших передач.

В настоящее время используют только инерционные синхрони­заторы, которые блокируют включающую зубчатую муфту до тех пор, пока кинетическая энергия деталей, вращающихся вместе с ведомым диском сцепления (при выключенном сцеплении и нейтральном по­ложении коробки передач), не будет поглощена работой трения в син­хронизаторе. Синхронизаторы могут быть одностороннего (для включения одной передачи) и двустороннего (для включения двух передач) действия. Инерционный синхронизатор включает следующие элемен­ты:

• выравнивающий - функционный элемент, поглощающий энергию касательных сил инерции вращающихся масс;

• блокирующий - устройство, препятствующее перемещению включающей зубчатой муфты до полного выравнивания угловых ско­ростей;

- включающий - зубчатая муфта, включающая передачу.

Наибольшее распространение получили конусные синхрониза­торы, в котрых выравнивающим, элементом является конусная муфта. Иногда применяются в качестве выравнивающего элемента многодисковые муфты. Рабочий процесс инерционного синхронизатора опи­сан в литературе [1].

К коробкам передач предъявляются следующие требования: обеспечение оптимальных тягово-скоростных и топливно-экономических свойств автомобиля при заданной внешней скоростной харак­теристике двигателя;

• бесшумность при работе и переключении передач;

• легкость управления;

• высокий КПД;

- общие требования (надежность, долговечность, ремонтопригодность и т.д.).

В соответствии с предъявляемыми требованиями для оценки и анализа конструкций коробок передач используется ряд оценочных параметров:

1. Диапазон передаточных чисел (диапазон коробки передач). Под ним понимают отношение передаточного числа низшей и высшей передач:

(4.1)

В легковых автомобилях и автобусах малой вместимости на их базе D= 3...4., в грузовых автомобилях в зависимости от грузоподъ­емности и назначения и в автобусах средней и большой вместимости D = 5...8. Для автомобилей тягачей и автомобилей высокой проходи­мости D= 9…13.

2. Число передач и плотность ряда передаточных чисел.

Плотность ряда характеризуется отношением передаточных чи­сел соседних передач. Чем больше число передач, тем выше плот­ность ряда, тем в большей степени выполняется требование обеспечения высоких тяговых и экономичных свойств автомобиля. В совре­менных конструкциях коробок передач показатель плотности ряда передач стремятся выполнять в пределах 1,1…1,5. Помимо сказанного, большая плотность ряда позволяет синхронизаторам работать в более благоприятных условиях, поскольку при этом угловые скорости вы­равниваемых элементов отличаются незначительно.

3. Уровень шума, создаваемого при работе.

Этот параметр зависит от качества, точности изготовления и ти­па зубчатых пар, жесткости валов и картера коробки. Меньший уро­вень шума обеспечивают косозубые и шевронные колеса (одновре­менно им присуща большая прочность).

Недостаточная жесткость валов приводит к нарушению зацепле­ния, что сопровождается повышением уровня шума. Жесткость карте­ра обеспечивается путем создания рациональной формы и оребрения. Показателем оценки уровня шума коробки передач может служить ее КПД, так как шум всегда сопровождается потерей энергии.

4. Легкость управления

Оценочными показателями являются как усилие прилагаемое к рычагу управления, так и сложность манипуляций, которая определяется степенью сложности самой конструкции коробки передач и ее привода.

5. Металлоемкость конструкции, трудоемкость изготовления и стои­мо-сть.

Металлоемкость оценивают удельной массой коробки передач - отношением ее массы к мощности двигателя. В целом она характери­зуется значениями от 0,3 до 2,0 кг/кВт.

6. Ресурс

Срок службы современных коробок передач составляет от 125 до 250 тыс. км пробега.

Порядок выполнения работы

Используя плакаты, схемы, макеты и учебные экспонаты, прове­сти сравнительный анализ предложенных преподавателем конструк­ций коробок передач, выделить основные их особенности. При прове­дении анализа выяснить, каким образом в данных конструкциях реа­лизованы предъявляемые к ним требования.

Используя лабораторную установку (рис. 4.2.), определить пере­даточные числа исследуемой коробки передач, посчитать плотность ряда и диапазон передаточных чисел.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой коробку передач ав­томобиля КамАЗ-5320 1, установленную на подставке и, на ведущем и ведомом валах которой закреплены круговые шкалы 3. Угол поворота ведущего вала замеряется путем вращения его на един оборот, одно­временно при этом замеряется угол поворота ведомого вала. Отноше­ние этих углов и дает передаточное число включенной передачи.

Для определения передаточного числа включенной передачи к фланцу выходного вала коробки передач прикрепляется барабан, к ко­торому с помощью троса подвешивается груз заданного веса. Порядок выполнения задания следующий: для каждой из включаемых передач, поворачивая с помощью динамометрического ключа ведущий вал ко­робки передач, приводят во вращение барабан, на который начинает наматываться трос с грузом. Зная массу груза и радиус барабана (пле­чо), определяют момент на выходном валу коробки передач. Момент на ведущем валу коробки передач определяется с помощью динамо­метрического ключа. Соотношение этих моментов с учетом переда­точного числа включенной передачи (формула 2.1) и позволяет опре­делить КПД коробки передач на данной передаче.

Рис. 4.2. Схема лабораторной установки

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать анализ предложенных преподавателем конструкций коробок передач, их кон­структивные схемы, результаты измерений передаточных чисел и КПД исследуемой коробки передач, а также результаты расчетов диа­пазона и плотности ряда передаточных чисел анализируемых коробок передач. Вместе с тем могут быть предложены и другие задания по оп­ределению основных характеристик анализируемых коробок передач.

Контрольные вопросы

1. Назначение коробок передач и их классификация.

1. Требования, предъявляемые к конструкциям коробок передач, как они реализованы в тех или иных конструкциях.

2. Особенности конструкций двухвальных и трехвальных коро­бок передач.

3. Многовальные коробки передач.

4. Оценочные показатели конструкций коробок передач, основные характеристики.

5. Способы включения передач, конструкции синхронизаторов.