5.1. Механічні ступінчасті коробки передач

Коробка передач є головним агрегатом трансмісії, який допомагає змінювати крутний момент на ведучих колесах і частоту їх обертання у широкому діапазоні відповідно до сил зовнішнього опору і швидкості руху автомобіля. Крім цього, коробка передач забезпечує автомобілеві рух заднім ходом і дає змогу на тривалий час роз'єднувати двигун і ведучі колеса.

До коробки передач пред'являються наступні вимоги:

- забезпечення оптимальних тягово-швидкісних і паливо-економічних властивостей автомобіля при заданій зовнішній характеристиці двигуна;

- безшумність при роботі й перемиканні передач;

- легкість керування;

- високий ККД;

Крім того, до коробок передач, як і до всіх механізмів автомобіля, пред'являють такі загальні вимоги: забезпечення мінімальних розмірів і маси, простота пристрою й обслуговування, технологічність, ремонтопридатність, низький рівень шуму.

На автомобілях з механічними трансмісіями найбільш поширені ступінчасті коробки передач з нерухомими у просторі осями валів. Основним параметром для класифікації коробок передач є кількість передач - кількість передаточних чисел для руху автомобіля переднім ходом. Крім того, їх розрізняють за кількістю валів з нерухомими осями коробки передач: двовальні і тривальні (останнім часом почали застосовувати також чотиривальні конструкції).

Основними елементами механічних коробок передач є пари циліндричних зубчастих коліс (шестерень). Передаточне число і між ними звичайно дорівнює відношенню кількості зубів веденого Z_п+1 і ведучого Z_п коліс:

і = z_n+1 / z_n.

5.1.1. Двовальні коробки передач

Двовальні коробки передач найчастіше застосовують на легкових автомобілях з передніми ведучими колесами. Кінематична схема такої коробки наведена на рис. 5.2. На первинному-ведучому валу такої коробки нерухомо розташовані ведучі зубчасті колеса: п'ятої –z₁ четвертої - z₃, третьої - z₅, другої - z₇ і першої – z₁₁ передач, а також зубчасте колесо заднього ходу - z₉. Ведені зубчасті колеса z₂, z₄, z₆, z₈, z₁₀ і z₁₂ відповідних передач перебувають у постійному зачеплені з переліченими ведучими колесами.

Рис. 5.2. Кінематична схема двовальної п'ятиступінчастої коробки передач:

1 – синхронізатор п'ятої передачі; 2 - синхронізатор третьої і четвертої передач; 3 - синхронізатор першої і другої передач із зубчастим колесом заднього ходу; 4 - зубчасте колесо головної передачі; 5 - диск зчеплення.

Основним недоліком двовальних коробок передач є відсутність прямої передачі - тобто такої, коли первинний і вторинний вали безпосередньо, напряму могли з'єднуватись між собою, виключаючи при цьому втрати потужності на тертя між зубами пар зубчастих коліс (ККД будь-якої передачі у двовальній коробці передач становить близько 0,95).

5.1.2. Тривальні коробки передач

Т

Рис. 5.3. Кінематична схема тривальної триступінчастої коробки передач

ривальні коробки передач принципово відрізняються від двовальнихнаявністю прямої передачі. Головною особливістю їх конструкції є співосність розташування первинного і вторинного валів. Це створює можливість безпосереднього з'єднання цих валів напряму. При цьому крутний момент не змінюється, а втрати потужності практично відсутні (при ввімкненні прямої передачі ККД коробки передач практично дорівнює 100%). Кінематична схема три-вальної, триступін-частої коробки передач наведена на рис. 5.3. Основними її елементами є ведучий 1, ведений 8 і проміжний 15 вали, встановлені у картері 16 коробки.

На первинному валу жорстко закріп-лено ведуче зубчасте колесо 2, привода проміжного вала. Воно перебуває у постій-ному зачепленні з веденим колесом 14 , жорстко закріпленим на проміжному валу.

На проміжному валу жорстко закріплені зубчасті колеса першої 12, другої 13 передач і заднього ходу 9. На вторинному - веденому валу 8 вільно розташоване зубчасте колесо 5 другої передачі, яке знаходиться у постійному зачепленні з колесом 13 проміжного вала. На цьому ж валу встановлені на шліцах зубчасте колесо 6 першої передачі і заднього ходу, а також муфта 3 синхронізатора. Ці деталі обертаються разом зі вторинним валом і одночасно мають можливість переміщуватися уздовж вала (у напрямах, показаних стрілками).

Для увімкнення першої передачі зубчасте колесо 6 за допомогою вилки 7 пересувають по шліцах вала вліво до зачеплення із зубчастим колесом 12 проміжного вала. Отже, на першій передачі крутний момент передається з первинного вала 1 через пару зубчастих коліс 2 і 14 на проміжний вал 15 і далі через зубчасті колеса першої передачі 12 і 6 на вторинний вал 8.

Конструкція типової тривальної п'ятиступінчастої коробки передачподана на рис. 5.4. Основними її частинами є картер 13, ведучий 2, проміжний 18 та ведений 16 вали з зубчастими колесами відповідних передач. Для керування коробкою передач на веденому валу розташовані синхронізатори, а в кришці картера - механізм перемикання передач.

Рис. 5.4. Конструкція та кінематична схема тривальної п'ятиступінчастої коробки передач (МАЗ-5335):

а - будова; 6 - кінематична схема; 1 - привод керування зчепленням; 2 - первинний вал; 3 - кришка підшипника первинного вала; 4 - картер зчеплення; 5 - синхронізатор IV і V передач; 6 - верхня кришка коробки; 7 - фіксатор; 8 - зубчасте колесо V передачі; 9 - зубчасте колесо III передачі; 10 - синхронізатор II і III передач; 11 - зубчасте колесо II передачі; 12- зубчасте колесо І передачі і заднього ходу; 13 - картер коробки; 14 - кришка підшипника вторинного вала; 15- фланець кріплення карданної передачі; 16- ведений вал; 17 - кришка підшипника проміжного вала; 18 - проміжний вал; 19, 21, 22- зубчасті колеса, відповідно, II, III, V передач проміжного вала: 20 - забірник мастильного насоса; 23 - зубчасте колесо привода відбирання потужності; 24 - зубчасте колесо привода проміжного вала; 25 - мастильний насос; 26 - вісь блока зубчастих коліс заднього ходу; 27 - блок зубчастих коліс заднього ходу

Первинний - ведучий вал 2 установлений в передній стінці картера 13 на одному кульковому підшипнику, закріпленому за допомогою кришки 3. Другою опорою вала є кульковий підшипник, розташований у маховику двигуна (на рис. 5.4 не показаний). На передньому кінці вала зроблені шліци для встановлення диска зчеплення, на задньому кінці заодно з валом розташоване зубчасте колесо приводу проміжного вала, що перебуває у постійному зачепленні з колесом 24, маточина якого закріплена на проміжному валу за допомогою шпонки. На цьому ж валу шпонками закріплені зубчасті колеса 19,21 і 22 відповідно, другої, третьої і четвертої передач, а також колесо 23 для відбирання потужності для приводу допоміжних механізмів автомобіля.

Вторинний вал 16 закріплений на двох опорах, одна з яких у вигляді роликового підшипника розташована у гнізді первинного вала, другою є кульковий підшипник, закріплений у задній стінці картера за допомогою кришки 14. На веденому валу вільно - за допомогою втулок встановлені косозубі зубчасті колеса 11,9\8, другої, третьої та четвертої передач, що знаходяться у постійному зачепленні з колесами відповідних передач проміжного вала. Крім того, на шліцах вторинного вала встановлено прямозубе зубчасте колесо 12 першої передачі і заднього ходу, а також два синхронізатори: 10 - для увімкнення другої і третьої передачі 5-для ввімкнення четвертої і п'ятої - прямої передач.

Сталеві опорні втулки зубчастих коліс веденого вала змащуються мастилом, що надходить до них під тиском від насоса 25, який приводиться у дію від проміжного вала. Мастило подається від насоса по каналах у кришці підшипника 3 первинного вала, через перехідну втулку в осьовий канал вторинного вала і далі по радіальних каналах до втулок зубчастих коліс.

Перемикання передач в механічних коробках з нерухомими осями валів може відбуватись кількома способами. Найпоширенішим минулими роками був спосіб, що полягав у введенні в зачеплення зубчастих коліс, одне з яких - шестерню-каретку можна було за допомогою вилки переміщувати по шліцах вала (наприклад, колесо 12 на рис. 5.4).

Такий спосіб увімкнення передач досить простий і дешевий. Але у момент введення у зачеплення між зубами коліс відбувається удар, сила якого тим більша, чим більша різниця між дотичними швидкостями зубів коліс, що з'єднуються. Для керування такою коробкою з непостійним зачепленням коліс необхідно було до ввімкнення передачі максимально вирівняти кутові швидкості пари зубчастих коліс. Це досягалось досить важко (подвійне вимкнення зчеплення, „перегазовка" і т. ін.) і вимагало високої кваліфікації водія. Тому коробки передач з непостійним зачепленням зубчастих коліс сьогодні майже не застосовують (за винятком першої передачі і заднього ходу, увімкнення яких відбувається в умовах, коли автомобіль нерухомий).

Переважна кількість сучасних автомобілів обладнана коробками передач, у яких зубчасті колеса передач переднього ходу косозубі і знаходяться у постійному зачепленні одне з одним. Використання зубчастих коліс постійного зачеплення викликало необхідність використання для увімкнення передач кулачкових або зубчастих муфт, за допомогою яких вільно розташовані на валу колеса жорстко з'єднуються з валом. В цьому випадку ударне навантаження під час увімкнення розподіляється між усіма зубами муфти, однак самого удару під час увімкнення передач уникнути не вдається, а процес увімкнення залишається досить важким. Радикальним конструктивним розв'язанням проблеми керування ступінчастими коробками передач стало застосування синхронізаторів.

Синхронізатори коробки передач призначені для полегшеного, безударного ввімкнення передач. їх робота грунтується на попередньому вирівнюванні кутових швидкостей деталей коробки до їх з'єднання. Найчастіше такими деталями на нижчих передачах є вал і вільно розташовані на ньому зубчасті колеса. На прямій передачі - це два вали, що з'єднуються.

До моменту увімкнення передачі (під час руху автомобіля на іншій -вищій або нижчій передачі) кутові швидкості вказаних деталей не однакові. Вирівнювання їх кутових швидкостей досягається за рахунок тертя між спеціально зробленими на них конусними поверхнями і відповідними робочими поверхнями вирівнюючого пристрою, який становить основу синхронізатора. Крім вирівнюючого, до конструкції синхронізатора належить вмикаючий пристрій (муфта), блокуючий і фіксуючий (узгоджуючий) пристрої.

Розглянемо призначення кожного з вказаних елементів синхронізатора.

Вирівнюючий пристрій призначений для урівноваження кутових швидко-стей деталей, що з'єднуються при вмиканні передачі, за рахунок роботи сил тертя.

Блокуючий пристрій усуває можливість увімкнення передачі (блокує дії водія) до того моменту, поки не будуть вирівняні кутові швидкості елементів коробки передач за допомогою вирівнюючого пристрою.

Вмикаючий пристрій (муфта) - безпосередньо з'єднує елементи коробки при вмиканні передачі;

Фіксуючий (узгоджуючий) пристрій - утримує вмикаючий пристрій (муфту) у нейтральному положенні, а на початку ввімкнення передачі узгоджує роботу вирівнюючого і вмикаючого пристроїв.

Синхронізатори найчастіше класифікують за конструкцією блокуючих пристроїв. Найбільш розповсюджені синхронізатори з блокуючими кільцями і з блокуючими пальцями.

Типова конструкція синхронізатора з блокуючими кільцями показана на рис. 5.5. Його основними деталями є маточина 3, яка нерухомо, за допомогою шліців розташована на вторинному валу коробки передач. На зовнішній поверхні маточини нарізані шліци, по яких може переміщуватись муфта 4 включаючого пристрою синхронізатора.

О

Рис. 5.5. Деталі синхронізатора з блокуючими кільцями

крім шліців, на маточині вирізані на рівній відстані один від одного три подовжні пази, у яких розміщені три штамповані сухарі2 з виступами А на зовнішній поверхні. Сухарі притиснуті до шліців муфти 4 двома пружинними кільцями 5, при цьому виступи А сухарів входять у кільцеву проточку Б, зроблену на внутрішній поверхні муфти. З обох сторін маточини розташовані латунні блокуючі кільця 1. На торцевих поверхнях цих кілець, звернених до маточини, зроблені по три пази В, в які входять кінці сухарів 2.

Кожне з двох блокуючих кілець має внутрішню конічну поверхню, яка відповідає конічній поверхні, зробленій на торцевій поверхні зубчастого колеса. На конічній поверхні кілець нарізані дрібні канавки, призначені для розривання плівки мастила та збільшення сили тертя, коли кільце ввійде у контакт з конусом зубчастого колеса.

З

Рис. 5.6. Схема роботи синхронізатора з блокуючими кільцями: 1 - сухар; 2 - муфта з внутрішніми зубами; 3 - блокуюче кільце; 4 - зубчастий вінець колеса; 5 - зубчасте колесо відповідної передачі

зовні на блокуючому кільці3 нарізані короткі прямі зуби зі скошеними торцями, такі самі, як на сусідньому з ним зубчастому колесі 5 відповідної передачі і на муфті 2 синхронізатора.

Послідовність роботи елементів синхронізатора показана на рис. 5.6. На початку увімкнення передачі разом з муфтою 2 синхронізатора в осьовому напряму починають рухатись і сухарі 1, притискаючи своїми торцями блокуюче кільце 3 до конуса 4 зубчастого колеса 5 відповідної передачі, що вільно (на голчастому підшипнику) обертається відносно вала. Між конусними поверхнями кільця і колеса виникає тертя, завдяки якому кутова швидкість колеса 5 починає зрівнюватись зі швидкістю маточини 1.

Оскільки ширина пазів блокуючого кільця зроблена більшою, ніж ширина сухарів, під дією сил тертя кільце 3 провертається відносно муфти 2 і скошені торцьові поверхні його зубів упираються в зуби муфти, блокуючи тим самим її подальше переміщення.

П

Рис.

5.7. Синхронізатор з блокуючими пальцями

ісля того, як кутові швидкості зубчастого колеса4 і муфти синхронізатора 2 вирівнюються, тертя між блокуючим кільцем 3 та зубчастим колесом припиниться і зуби блокуючого кільця розташуються проти западин між зубами муфти. Продовжуючи переміщуватись в осьовому напрямку, муфта своїми внутрішніми зубами входить у проміжки між зубами блокуючого кільця і, рухаючись далі, без удару заходить у зачеплення із зубчастим вінцем колеса, з'єднуючи тим самим колесо з валом і вмикаючи передачу.

У коробках передач сучасних вантажних автомобілів широко розповсюджені синхронізатори з блокуючими пальцями. Такий синхронізатор (рис. 5.7). складається з двох бронзових вирівнюючих кілець 3 та 10. Між собою кільця з'єднані за допомогою трьох блокуючих пальців 9, на яких зроблені проточки з двома фасками а і б. Крім того, між кільцями встановлені ще три фіксуючі пальці, усередині яких встановлені пружини 1. Зубчаста муфта 8 рухливо розташована на шліцах вала 5 коробки передач. У приводному фланці синхронізатора зроблені отвори, куди входять пальці. По краях отворів зроблені такі самі фаски, як і на пальцях. Приводний фланець зв'язаний з вилкою перемикання.

При вмиканні передачі фланець за допомогою вилки переміщується по валу і завдяки фіксуючим пальцям наближає одне з блокуючих кілець до зубчастого колеса відповідної передачі. Внутрішній конус вирівнюючого кільця 3 притискається до конуса 4 колеса і між ними виникає тертя.

Під його дією вирівнююче кільце разом із пальцями провертається відносно муфти. Блокуючі пальці, які до цього були концентричні отворам фланця (позиція І), встановлюються ексцентрично отворам (позиція II), фаски пальців впираються у фаски отворів і рух муфти 8 припиняється. Завдяки тертю на конусних поверхнях кутові швидкості зубчастого колеса і муфти вирівнюються, після чого блокуючі пальці повертаються у вихідне положення (позиція І) - встановлюються концентрично отворам. Звільнена від осьового опору муфта вмикання переміщується у напрямку зубчастого колеса, і її зуби безударно входять у зачеплення із зубами колеса, включаючи у такий спосіб відповідну передачу.