2813.Планетарные передачи в автомобилестроении
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Е.В. Поезжаева
ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМОАМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизация технологических процессов и производств»
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56] (075.6) ББК 34.42я73
П46
Рецензенты:
профессор В.Ф. Олонцев (Пермский институт железнодорожного транспорта
Уральского государственного университета путей сообщения);
профессор, академик Академии транспорта Б.С. Юшков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Поезжаева, Е. В.
П46 Планетарные передачи в автомобилестроении : учеб. пособие / Е. В. Поезжаева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 224 с.
ISBN 978-5-398-00845-6
Описано проектирование эвольвентного зубчатого зацепления, в котором рассматриваются назначение зубчатых передач, построение картины контакта и качественные характеристики колёс зубчатой передачи. В определение различных способов передаточного отношения включены рядовые, планетарные, дифференциальные, дифференциально-замкнутые и комбинированные зубчатые соединения. Структура планетарных механизмов даёт возможность отследить сложные соединения зубчатых передач. Изложены принципы работы различных планетарных рядов. Показаны трансмиссии коробок передач различных марок.
Содержание соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования и методическим требованиям, предъявляемым к учебным изданиям.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизация технологических процессов и производств».
УДК 621.01.001.63 + 621:658.512.22.011.56] (075.6) ББК 34.42я73
ISBN 978-5-398-00845-6 |
ПНИПУ, 2012 |
2
Посвящается выпускникам автодорожного факультета, профессору, декану АДФ, академику Академии транспорта Борису Семёновичу Юшкову, профессорам Михаилу Юрьевичу Петухову и Леониду Борисовичу Белоногову,
директору Лысьвенского филиала ПНИПУ, профессору Виктору Анатольевичу Кочневу
3
4
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение......................................................................................................... |
8 |
1. Проектирование эвольвентного зубчатого зацепления ......................... |
10 |
1.1. Назначение зубчатых передач и требование к ним....................... |
10 |
1.2. Эвольвента и ее свойства................................................................. |
10 |
1.3. Линия зацепления, угол зацепления................................................ |
12 |
1.4. Основные размеры нормальных зубчатых колес........................... |
13 |
1.5. Сопряженные точки, рабочие участки............................................ |
16 |
1.6. Дуга зацепления, коэффициент перекрытия .................................. |
17 |
1.7. Удельное скольжение эвольвентных профилей............................. |
19 |
1.8. Подрезание зубьев эвольвентного профиля................................... |
19 |
1.9. Выбор расчетных коэффициентов смещения................................. |
20 |
1.10. Построение картины зацепления................................................... |
31 |
1.11. Порядок построения картины инструментального зацепления.. |
33 |
2. Кинематическое исследование передаточных механизмов .................. |
37 |
2.1. Передаточное отношение зубчатой передачи................................ |
37 |
2.2. Кинематика рядовых передач.......................................................... |
38 |
2.3. Кинематика планетарных передач .................................................. |
40 |
2.4. Замкнутые дифференциальные передачи....................................... |
49 |
2.5. Передача с коническими колесами ................................................. |
50 |
2.6. Метод планов линейных и угловых скоростей.............................. |
51 |
2.7. Специальные передаточные (планетарные) механизмы............... |
54 |
2.8. Сравнительный анализ передачи с неподвижными осями |
|
и планетарной передачи................................................................... |
54 |
2.9. Определение передаточного отношения |
|
планетарных механизмов различных схем..................................... |
55 |
2.10. Прередаточные отношения рядовых зубчатых передач.............. |
60 |
2.11. Эпициклические соединения зубчатых колес.............................. |
62 |
2.12. Комбинированные соединения ..................................................... |
68 |
2.13. Проектирование одноступенчатых |
|
планетарных зубчатых передач..................................................... |
70 |
3. Структура планетарных механизмов....................................................... |
74 |
3.1. Структурная формула планетарных механизмов........................... |
74 |
3.2. Структура сложных планетарных механизмов.............................. |
77 |
5
3.3. Образование схем зубчатых планетарных механизмов ................ |
83 |
4. Принцип работы различных планетарных передач................................ |
86 |
4.1. Многоступенчатые планетарные механизмы.............................. |
91 |
4.2. Коэффициент полезного действия................................................ |
92 |
4.3. Вращающие моменты.................................................................... |
93 |
4.4. Частоты вращения звеньев............................................................ |
94 |
4.5. Силы в зацеплениях зубчатых колес............................................ |
95 |
4.6. Выбор чисел зубьев колес............................................................. |
97 |
4.7. Материалы, применяемые для изготовления |
|
планетарных передач..................................................................... |
102 |
4.8. Геометрический расчет планетарных передач............................ |
103 |
4.9. Сравнительный анализ планетарных |
|
и волновых зубчатых передач....................................................... |
105 |
4.10. Безводильная планетарная передача.......................................... |
114 |
5. Устройство дифференциала (центральная часть)................................... |
118 |
6. Планетарные ряды..................................................................................... |
121 |
6.1. Необходимость планетарных рядов............................................. |
121 |
6.2. Механические трансмиссии.......................................................... |
121 |
6.3. Структура и теория планетарного ряда........................................ |
121 |
7. Устройство и принцип действия автоматической коробки передач..... |
126 |
7.1. Работа автоматической коробки передач...................................... |
126 |
7.2. Работа системы управления АКПП............................................... |
130 |
7.3. Планетарные ряды в трансмиссиях коробок передач.................. |
135 |
7.4. Компоненты трансмиссии .............................................................. |
137 |
7.5. Кинематические схемы планетарных механизмов АКПП........... |
139 |
8. Разновидности автоматических коробок передач.................................. |
161 |
8.1. Автоматическая коробка передач Mercedes-Benz 722.6 .............. |
162 |
8.2. Автоматическая коробка передач Toyota ...................................... |
165 |
8.3. Автоматическая коробка передач Ford Focus ............................... |
166 |
8.4. Автоматическая коробка передач BMW ....................................... |
170 |
8.5. Автоматическая коробка передач Audi ......................................... |
171 |
8.6. Автоматическая коробка передач Renault..................................... |
175 |
8.7. Автоматическая коробка передач Skoda Superb ........................... |
176 |
8.8. Бесступенчатая трансмиссия Lineartronic ..................................... |
179 |
6
8.9. Автоматическая коробка передач F4AEL-K |
|
автомобиля Kia Spectra ................................................................... |
180 |
8.10. Автоматическая коробка передач грузовых автомобилей......... |
181 |
8.11. АКПП марки Allison...................................................................... |
186 |
8.12. Роботизированная коробка передач модели Opel....................... |
190 |
8.13. Коробка-автомат с гидротрансформатором................................ |
196 |
8.14. Автоматическая трансмиссия Audi Q7 ........................................ |
203 |
8.15. Устройство коробки передач........................................................ |
206 |
Список литературы........................................................................................ |
214 |
Приложение.................................................................................................... |
215 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Автомобилю приходится двигаться со скоростями от очень маленькой до сотни-другой километров в час, а потому диапазон, в котором изменяются обороты колес, получается огромным. Но двигатель внутреннего сгорания способен эффективно работать лишь в интервале 2000–6000 об/мин, т.е. менять скорость вращения коленчатого вала всего раза в три. Поэтому и приходится между ним и колесами ставить ту самую коробку, чтобы получить требуемую скорость движения при близких к оптимальным оборотах двигателя.
Назначение коробки передач – изменять силу тяги, скорость и направление движения автомобиля. У автомобильных двигателей с уменьшением частоты вращения коленчатого вала крутящий момент незначительно возрастает, достигает максимального значения и при дальнейшем снижении частоты вращения также уменьшается. Однако при движении автомобиля на подъемах, по плохим дорогам, при трогании с места и быстром разгоне необходимо увеличение крутящего момента, передаваемого от двигателя к ведущим колесам. Для этой цели и служит коробка передач, в которую входит также передача, позволяющая автомобилю двигаться задним ходом. Кроме того, коробка передач обеспечивает разъединение двигателя с трансмиссией.
Ступенчатая коробка передач состоит из набора зубчатых колес, которые входят в зацепление в различных сочетаниях, образуя несколько передач или ступеней с различными передаточными числами. Чем больше число передач, тем лучше автомобиль «приспосабливается» к различным условиям движения. Коробка передач должна работать бесшумно, с минимальным износом.
Ступенчатые коробки передач могут быть простые и планетарные. В основном на автомобилях применяют простые ступенчатые коробки, переключение передач в которых происходит двумя способами: передвижением зубчатых колес или передвижением муфт.
Планетарные механизмы появились на американских автомобилях в начале этого столетия. Их использование на легковых автомобилях и грузовиках малой грузоподъемности было обусловлено неоспоримым преимуществом: минимальные габариты по сравнению с обычными зубчатыми передачами. Вальные коробки передач со скользящими колесами на ранних этапах развития не имели синхронизатора, и это требовало особой квалификации при переключении передач.
8
Первые планетарные коробки передач имели только две передачи, хотя имеется информация о том, что в 1906 году Кадиллак использовал планетарный механизм, реализующий три передачи. Ранние конструкции планетарных коробок передач имели ряд существенных недостатков. Они были шумные, имели малую долговечность подшипников (в то время для установки шестерен на валы использовались подшипники скольжения) и из-за перекосов, вызванных их неравномерным износом, вибрировали при включении ленточных тормозов.
Появление вальных коробок передач с передвижными каретками в конечном счете сделало их более популярными по сравнению с планетарными коробками, они стали повсеместно использоваться на легковых автомобилях и грузовиках. Однако на автомобиле Форд-Т планетарная коробка применялась вплоть до 1928 года.
Планетарные передачи были вновь использованы в 1930 году BorgWarner в автоматической коробке передач «General Motors» Hydra-Matic.
Проведенный большой объем исследований, а также использование косозубых зацеплений, легированных сталей, термообработка металла и игольчатых подшипников устранили многие недостатки ранних конструкций планетарных передач. Планетарные передачи сегодня имеют широчайший диапазон использования в легковых автомобилях, грузовиках и гусеничной технике.
9
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭВОЛЬВЕНТНОГО ЗУБЧАТОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ
1.1. Назначение зубчатых передач и требования к ним
Зубчатые механизмы служат для передачи непрерывного вращательного движения и крутящих моментов, а также для изменения скорости вращения. Зубчатые передачи осуществляют передачу вращательного движения между валами с любым заданным отношением угловых скоростей: как с постоянным, так и с переменным.
В современном машиностроении наибольшее распространение получили зубчатые колеса, профили которых очерчены по эвольвенте круга. Такие зубчатые колеса называются эвольвентными.
Широкое распространение эвольвентных зубчатых колес объясняется их преимуществами перед колесами иных профилей.
Методом обкатки, пользуясь стандартным инструментом, можно получить колеса, нарезанные со смещением режущего инструмента и без смещения. Это является одним из важных преимуществ изготовления эвольвентных зубчатых колес.
Колеса, изготовленные без смещения режущего инструмента, могут работать с любым эвольвентным колесом, также изготовленным без смещения инструмента, того же модуля независимо от его числа зубьев. Поэтому эвольвентные колеса широко применяются в сменных передачах.
Зубчатая передача должна обеспечивать плавную и безударную работу с минимальным износом зубьев колес. Для этого необходимо, чтобы зубья колес были неподрезанными и незаостренными, передача свободной от заклинивания; коэффициент перекрытия εα ≥ 1,0 ; передача обеспечивала определен-
ное удельное скольжение ν, оценивающее интенсивность износа зубьев. Коэффициенты εα и ν называются качественными показателями пере-
дачи. Они определяются геометрическими параметрами передачи, которые, в свою очередь, зависят от коэффициентов смещений X1 и X2. Следовательно, варьируя коэффициенты смещений, можно влиять на качественные показатели передачи.
1.2. Эвольвента и ее свойства
Эвольвентной окружностью называется кривая, описываемая какойлибо точкой прямой, катящейся без скольжения по этой окружности. Катящаяся прямая называется производящей прямой, а окружность, по которой она обкатывается, – эволютой, или основной окружностью.
10