42

Тема 3. Коробка передач

3.1. Призначення, вимоги та класифікація коробок передач.

3.2. Основні кінематичні схеми коробок передач.

3.3. Визначення основних параметрів коробки передач.

3.3.1. Визначення міжосьової відстані.

3.3.2. Визначення модуля зубчастих коліс.

3.3.3. Вибір кута нахилу зубчастих коліс.

3.3.4. Геометричний розрахунок зубчастих коліс.

3.4. Розрахунок валів коробки передач.

3.5. Вибір і розрахунок підшипників КП.

3.6. Розрахунок синхронізаторів коробки передач.

3.1. Призначення, вимоги та класифікація коробок передач.

Коробка передач призначена для перетворення крутного моменту та частоти обертання колінчастого валу двигуна з метою одержання різних тягових зусиль на ведучих колесах та їх частоти обертання, а також для забезпечення можливості руху заднім ходом та тривалого від’єднання двигуна від трансмісії.

Необхідність використання коробки передач диктується, головним чином, недоліками ДВЗ, які виражаються у невідповідності діапазону зміни коефіцієнта пристосування двигуна (k = 1,1...1,4) діапазону зміни опору рухові автомобіля в різних умовах експлуатації (в 10...20 разів) та високим значенням мінімально стійкої частоти обертання (n_еmin ≈ 500...800 хв^-1), що унеможливлює рух автомобіля з мінімально необхідною швидкістю руху (V_amin ≈ 1,5 м/с).

До коробки передач ставляться наступні специфічні вимоги:

• забезпечувати необхідні тягові-швидкісні і економічні якості автомобіля;

• забезпечувати можливість тривалого від’єднання двигуна від трансмісії;

• забезпечувати простоту та зручність керування;

• бути безшумною у роботі.

Коробки передач класифікуються:

• за характером зміни передатного числа: ступеневі, безступеневі (механічні або фрикційні, гідравлічні - гідрооб’ємні, гідродинамічні і електричні) та комбіновані (гідромеханічні і електромеханічні);

• за числом ступенів ступеневі коробки передач: три-, чотири-, п’яти- шести-, семи- та багатоступеневі (з дільником - підвищуючим додатковим редуктором і демультиплікатором - понижуючим додатковим редуктором);

• за конструктивною схемою: з нерухомими осями валів (дво-, три- та багатовальні) та планетарні;

• за способом керування: з безпосереднім керуванням, з командним керуванням, напівавтоматичні та автоматичні.

3.2. Основні кінематичні схеми коробок передач

Число ступенів коробки передач визначається вимогами експлуатації та зовнішньою характеристикою двигуна. Збільшення числа ступенів дозволяє підвищити ступінь використання потужності двигуна, а значить паливну економічність, збільшити середню швидкість руху, а значить продуктивність автомобіля. З другого боку, збільшення числа ступенів ускладнює конструкцію коробки передач, збільшує її масу та розміри, а також збільшує кількість перемикань, що ускладнює роботу водія. Тому, як правило, в сучасних автомобілях використовуються при ручному керуванні 4...6 ступеневі коробки в легкових автомобілях і вантажних автомобілях малої та середньої вантажопідйомності. У вантажних автомобілях великої вантажопідйомності та автотягачах використовуються багатоступеневі коробки передач з числом ступенів 8...24, які мають два незалежні важелі керування.

В більшості сучасних автомобілів використовуються дво- та тривальні схеми коробки передач.

Конструктивно двовальна коробка передач виконується в одному блоці із головною передачею і диференціалом.

Двовальні коробки передач застосовуються, в основному, на мікро- та малолітражних автомобілях з приводом на передні колеса, або з приводом на задні колеса при задньому розташуванні двигуна. При цьому двигун може бути розташований як паралельно (поздовжнє розташування), так і перпендикулярно до поз­довжньої осі автомобіля (поперечне розташування). При поздовжньому розташуванні застосовується конічна головна пе­редача, а при поперечному - циліндрична. У другому випадку ускладню­ється керування коробкою передач, в зв’язку я тим, що потрібно сумістити загальноприйняті напрями переміщення важеля перемикання з поперечно-розташованою коробкою передач.

Схема двовальної коробки передач зображена на рис.3.1.

О бертовий момент в двовальній коробці завжди передається однією парою зубчастих коліс. Основні переваги двовальної коробки передач: простота конструкції, менша маса, більший к.к.д. і менший рівень шуму на проміжних передачах, зручність компонування в передньоприводних автомобілях. До недоліків двовальної коробки відносяться відсутність прямої передачі та неможливість отримати велике передатне число першої передачі (в існуючих КП не більше 4…4,5), тому що передача утворюється тільки однією парою зубчастих коліс. Останній недолік усувається шляхом зменшення передатних чисел на проміжних і вищий передачах з одночасним збільшенням передатного числа головної передачі.

Рис.3.1. Схема двовальної коробки передач в блоці із головною передачею:

А – первинний вал, В – вторинний вал; 1,2 – пара зубчастих коліс першої передачі; 3,4 – пара зубчастих коліс другої передачі; 5,6 – пара зубчастих коліс третьої передачі; 7,8 – пара зубчастих коліс четвертої передачі; 9,10 – пара зубчастих коліс п’ятої передачі; 11,12,13 – зубчасті колеса заднього ходу; 14,15 – зубчасті колеса головної передачі; 16 – диференціал; 17 – півосі; С_1-2 – синхронізатор першої і другої передач; С_3-4 – синхронізатор третьої і четвертої передач; С₅ – синхронізатор п’ятої передачі

В тривальній коробці передатне число любої передачі, за винятком прямої, забезпечується двома парами зубчастих коліс: парою постійного зачеплення і парою зубчастих коліс даної передачі. Схема тривальної коробки передач зображена на рис.3.2.

П ередатне число пари постійного зачеплення постійне і спільне для всіх передач. Передатне число другої пари кожної передачі забезпечується з’єднанням відповід­них зубчастих коліс на проміжному і веденому валах. Причому всі зубчасті колеса проміжного вала з’єднані з ним жорстко, або виконані заодно з валом, а зубчасті колеса вторинного вала обертаються на ньому вільно на втулках. З’єднання зубчастих коліс з валом здійснюється за допомогою синхронізаторів.

Всі шестерні коробки передач виготовляються, як правило, косозубими за виключенням шестерень заднього ходу. Напрям нахилу зубців шестерень проміжного вала вибирають звичайно правим, шестерень пер­винного і вторинного валів - лівим.

Рис. 3.2. Схема тривальної коробки передач:

А, В, С – відповідно первинний, проміжний і вторинний вали; 1,2 – пара зубчастих коліс постійного зачеплення; 3,4 – пара зубчастих коліс третьої передачі; 5,6 – пара зубчастих коліс другої передачі; 7,8 – пара зубчастих коліс першої передачі; 9,10.11 – зубчасті колеса заднього ходу; С_1-2 – синхронізатор першої і другої передач; С_3-4 – синхронізатор третьої і четвертої передач.

При цьому слід пам’ятати, що шестерня 2 є ведена, а шестерні 4,6,8 - ведучі. Тому напрям нарізки зубців у всіх шестернях проміжного вала повинен бути однаковим.

Основні переваги тривальної коробки передач: наявність прямої передачі, на якій в результаті передачі потужності з валу на вал без використання будь-яких проміжних передач забезпечується великий к.к.д. і малий шум, та простота отримання великого передатного числа на першій передачі при малій міжосьовій віддалі, що є можливим в результаті послідовного вмикання двох пар зубчастих коліс.

До недоліків тривальної коробки передач відносяться: менший к.к.д. і більший шум на всіх передачах, крім прямої, більші маса і вартість.

Тривальні коробки передач застосовуються на легкових автомобілях середнього і високого класів та більшості вантажних автомобілів і автобусів.

Для ефективного використання автомобілів на далеких перевезеннях передбачені важкі автопоїзди, питома потужність яких (стосовно одиночних автомобілів) менша. Зниження питомої потужності компенсується зменшенням кроку передатних чисел, збільшенням числа передач. В даний час застосовуються багатоступеневі коробки передач, що складаються з основної і додаткової коробок, виконаних в одному агрегаті. Додатковий редуктор може бути встановлений перед основною коробкою передач, він служить для розподілу інтервалів між передачами основного ряду і називається дільником. Коробки передач з дільником дозволяють одержати подвоєне число передач при забезпеченні високого к.к.д, тому що число пар зачеплень мінімально і дорівнює двом. Перевагою коробок передач з переднім дільником є значний ступінь уніфікації, тому що можливо використовувати основну коробку передач автономно. Дільник перед основною коробкою передач розташовують у випадках, коли необхідно збільшити швидкість (для автомобілів із дизелями) або незначно підвищити тягові зусилля на колесах. У цьому випадку передбачена одна пряма передача (u = 1,0) і одна непряма передача (понижуюча або прискорюючи). При цьому u = q_ср у першому випадку, u = 1/q_cр – в другому. Тут , де q_ср - середнє значення кроку всього ряду передатних чисел багатоступеневої коробки передач; q_ср.₀ - середнє значення кроку передатних чисел основної коробки передач, що входить до складу багатоступеневої коробки передач.

Багатоступеневі коробки передач із заднім розташуванням додаткового редуктора застосовують при необхідності забезпечення значного підвищення тягових якостей на ведучих колесах. Заднє розташування додаткового редуктора обумовлює можливість одержання великого діапазону передатних чисел. У цьому випадку редуктор виконаний з понижуючою передачею з передатними числами u = 1,0 і u = q_ср. Додаткові редуктори з нерухомими осями валів у багатоступеневих коробках передач мають значну масу. Цей недолік можна усунути, якщо додатковий редуктор виконати у виді планетарного механізму.

Основним недоліком коробки передач з переднім дільником - необхідність мати відносно велику міжосьову відстань, тому що на виході основної коробки діє великий крутний момент. При другому варіанті міжосьова відстань основної коробки передач незначна через дію на виході незначного крутного моменту. Однак при цьому знижується ступінь уніфікації, тому що основна коробка передач має невеликий діапазон передатних чисел (u = 2…2,5 на понижуючій передачі при u = 3...4 у додатковому редукторі) і не може бути використана автономно без заміни зубчастих коліс для розширення діапазону.

Н а рис. 3.3 представлені варіанти побудови ряду передатних чисел багатоступеневих передач, у якому не заштриховані стовпчики відповідають передаточним числам основної коробки (ОКП), а заштриховані - включеному додатковому редуктору (ДР).

а б

Рис. 3.3. Ряди передатних чисел багатоступеневих коробок передач:

а - 25 з переднім дільником; б - 24 із заднім двоступеневим редуктором

Розвиток конструкцій ступеневих коробок передач йде шляхом збільшення числа зубчастих коліс постійного зачеплення, що дає можливість виконувати їх косозубими. Косозубі зубчасті колеса більш довговічні прямозубих; вони мають більш низький рівень шуму. Незважаючи на дещо велику складність у виготовленні і наявність осьових сил при роботі, косозубі зубчасті колеса практично витиснули прямозубі, які застосовуються лише на нижчих передачах і на задньому ході. Однак збільшення числа зубчастих коліс постійного зачеплення призводить до збільшення приведеного моменту інерції коробки передач.

Зменшення шуму досягають шляхом правильного розміщення шестерень в КП. Перша передача та передача заднього ходу розміщуються в безпосередній близькості від опор. На цих передачах виникають максимальні радіальні сили і тому розміщення їх в місцях найбільшої жорсткості валу являється найбільш раціональним. Вищі передачі, які найчастіше використовуються, розміщуються посередині валу, тобто в зоні із найменшими кутами повороту його поперечних січень. При цьому забезпечується правильне зачеплення зубчастих коліс, зменшується їх зношування та шумність у роботі.

Корпус та кришку КП з метою зменшення їх вібрацій та шуму оребрюють.

У КП із постійним зачепленням зубчастих коліс використовують синхронізатори які шляхом примусового вирівнювання кутових швидкостей валів, що з’єднуються, пришвидшують процес переключення передач, створюють кращі умови для його здійснення, забезпечуючи тим самим простоту та зручність керування.