Меню

Анализ конструкций ступенчатые коробки передач с разрывом потока мощности при переключении ступеней



Ступенчатая коробка передач. Устройство и принцип действия

Механическая коробка (переключения) передач (МКПП или МКП) — разновидность коробки передач, механизм, предназначенный для ступенчатого изменения передаточного отношения, в котором выбор передачи осуществляется оператором (водителем) вручную. Названа так, поскольку весь её основной функционал реализуется исключительно за счёт механических устройств, без применения гидравлических или электрических элементов (в отличие от гидромеханической или электромеханической трансмиссий, содержащих в своей конструкции, соответственно, гидравлические и электрические элементы).

Ступенчатые простые коробки передач широко применяются в трансмиссиях транспортных средств, так как отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. К коробкам передач этого вида предъявляются следующие требования:

  • высокие тягово-динамические качества ТС
  • высокая прочность, жесткость, надежность и долговечность
  • высокий КПД, особенно на наиболее употребляемых передачах
  • легкость управления и бесшумность работы
  • надежное фиксирование включенной и выключенной передач, недопущение одновременного включения двух передач
  • малые размеры и масса

Предъявляемые требования определяют рациональную конструкцию коробки передач и ее отдельных частей.

На большинстве изучаемых колесных транспортных средствах устанавливаются пятиступенчатые трехходовые простые коробки передач (пять ступеней для движения вперед и одна ступень заднего хода). Число «ходов» коробки передач соответствует числу подвижных элементов, с помощью которых осуществляется включение тех или иных передач.

Пятиступенчатая коробка передач имеет 3 вала:

  • ведущий 7, связанный при помощи сцепления с коленчатым валом двигателя
  • ведомый 5, установленный соосно с ведущим валом 7 и соединенный с карданной передачей
  • промежуточный вал 6 с закрепленными на нем шестернями

Валы установлены на подшипниках качения в картере, служащем одновременно и масляным резервуаром, с наливным, контрольным и сливным отверстиями, а также вентиляционным устройством. В картере закреплена ось с установленным на ней на подшипниках блоком 7 шестерен ЗХ. Шестерня 17 выполнена заодно с ведущим валом и находится в постоянном зацеплении с соответствующей шестерней 16 промежуточного вала, в результате чего промежуточный вал получает от ведущего вала вращение с постоянным передаточным числом, которое определяется отношением числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей. Шестерни ведомого вала (кроме шестерни I передачи и ЗХ) находятся в постоянном зацеплении с соответствующими шестернями промежуточного вала, но установлены на ведомом валу свободно (могут вращаться относительно вала, но не перемещаться вдоль него). Поэтому, хотя промежуточный вал при работе двигателя и включенном сцеплении будет вращаться, вращение к ведомому валу, а следовательно, и к ведущим колесам движителя передаваться не будет (нейтральное положение).

Схема пятиступенчатой коробки передач

Рис. Схема пятиступенчатой коробки передач

Включение передач обеспечивается двумя синхронизаторами — 2 и 3 и шестерней 4 I передачи и ЗХ, которые установлены на ведомом валу на шлицах и могут перемещаться вдоль вала. Механизм переключения передач содержит рычаг управления, валики (штоки) с вилками, перемещающими синхронизаторы и каретку 4, фиксаторы и предохранительное замковое устройство, установленные в крышке коробки передач. Синхронизаторы имеют зубчатые венцы, которые при включении передач входят в зацепление с соответствующими зубчатыми венцами шестерен постоянного зацепления, что обеспечивает передачу вращающего момента на ведомый вал и далее к ведущим колесам движителя. Передаточное число между промежуточным и ведомым валами определяется отношением числа зубьев шестерни ведомого вала к числу зубьев шестерни промежуточного вала. Передаточное число между ведущим и ведомым валами, т. е. общее передаточное число коробки передач представляет собой произведение двух передаточных чисел, одно из которых — между ведущим и промежуточным валами, а другое — между промежуточным и ведомым валами.

Чем больше передаточное число коробки передач, тем больше при одном и том же вращающем моменте двигателя вращающий момент, передаваемый к ведущим колесам, а скорость движения ТС соответственно меньше. На I передаче, когда передаточное отношение самое большое, обычно осуществляют трогание ТС с места и первоначальный разгон, а также движение в особо трудных условиях. Включение I передачи обеспечивается передвижением шестерни 4 вперед и введением ее в зацепление с шестерней 8 промежуточного вала. По мере улучшения условий движения осуществляется включение более высоких передач с меньшими передаточными числами, когда не требуется значительного увеличения тяговой силы на ведущих колесах, а скорость движения ТС возрастает.

Читайте также:  Как определить выходную мощность усилителя по выходному напряжению

Высшей в приведенной схеме коробки передач является V передача, которая получается соединением ведущего 1 и ведомого 5 валов при помощи зубчатых венцов ведущего вала и синхронизатора 2; передаточное число в этом случае равно единице (прямая передача).

При движении ТС на прямой передаче промежуточный вал коробки передач вращается вхолостую.

Задний ход обеспечивается перемещением шестерни 4 назад и введением ее в зацепление с одной шестерней блока 7 3Х. Другая шестерня блока находится в постоянном зацеплении с шестерней 11, жестко связанной (закрепленной с помощью шпонки) с промежуточным валом.

Вращающий момент передается от ведущего вала к ведомому через следующие детали:

  • при включении I передачи — через шестерни 16, 17, 8 и 4
  • II — через шестерни 16, 17, 9, 10 и синхронизатор 3
  • III — через шестерни 16,17, 12, 13 и синхронизатор 3
  • VI — через шестерни 16,17,14, 15 и синхронизатор 2
  • V — через шестерню 16 и синхронизатор 2
  • ЗХ — через шестерни 16, 17, 11, блок шестерен 7 и шестерню 4

Для более плавного зацепления и бесшумной работы шестерни постоянного зацепления обычно выполняют косозубыми. Углы и направление наклона зубьев на различных парах шестерен подбирают так, чтобы осевые силы на валах получались наименьшими. Эти осевые силы обычно воспринимаются радиальным шариковым подшипником, устанавливаемым на одном из концов вала. Другой конец вала опирается на роликовый цилиндрический подшипник. Этим предотвращается возникновение дополнительных напряжений в подшипниках в результате теплового удлинения валов. Гнезда подшипников закрываются крышками с уплотнительными прокладками. В случае выхода конца вала наружу в крышках устанавливают уплотнения, предотвращающие вытекание смазки. Этому же способствуют маслосгонные канавки на валах.

Смазывание деталей в коробке передач осуществляется разбрызгиванием при вращении шестерен или с помощью масляного насоса. Для смазывания используют специальные трансмиссионные масла.

Коробка передач обычно крепится к картеру сцепления и устанавливается вместе с двигателем на эластичных опорах на раме.

Для примера на рисунке приведен продольный разрез коробки передач автомобиля КамАЗ.

В последнее время наблюдается тенденция к установке на транспортных средствах большой грузоподъемности, предназначенных для тяжелых условий работы, дополнительной коробкой передач — понижающей или ускоряющей (в некоторых случаях — одновременно обеих). Наличие понижающей дополнительной коробки передач, обычно устанавливаемой за основной в одном и том же картере, позволяет увеличить общее передаточное число между двигателем и ведущими колесами при движении на всех передачах в основной коробке передач. Ускоряющая дополнительная коробка передач, устанавливаемая обычно перед основной в одном с нею картере, позволяет увеличить скорость движения ТС и уменьшить вращающие моменты на валах основной коробки передач. Кроме того, в основной коробке передач устанавливают 2 промежуточных вала, а шестерни постоянного зацепления выполняют прямозубыми, что позволяет уменьшить размеры и массу коробки передач.

Коробка передач (продольный разрез) автомобиля КамАЗ

Рис. Коробка передач (продольный разрез) автомобиля КамАЗ:
1 — ведущий вал; 2 — крышка заднего подшипника ведущего вала; 3 — регулировочная прокладка; 4 — шток рычага; 5 — опора штока; 6 — пружина; 7 — опора рычага переключения передач; 8 — ось блока шестерен ЗХ; 9 — блок шестерен ЗХ; 10 — роликоподшипник; 11 — верхняя крышка; 12 — крышка заднего подшипника ведомого вала; 13 — задний шарикоподшипник ведомого вала; 14 — втулка; 15 — фланец крепления карданного вала; 16 — крышка подшипника; 17— сферический роликоподшипник; 18 — промежуточный вал; 19 — картер коробки передач; 20 — ведомый вал; 21 — крышка переднего подшипника промежуточного вала; 22 — картер сцепления; 23 — вилка выключения сцепления; 24 — вал вилки выключения сцепления; 25 — муфта выключения сцепления

Источник

Устройство автомобилей

Ступенчатые коробки передач

Механические ступенчатые коробки передач, в отличие от бесступенчатых, позволяют изменять крутящий момент, передаваемый трансмиссией ведущим колесам, скачкообразно (ступенчато). Это существенный недостаток такого типа коробок передач, который компенсируется простотой их конструкции, относительной надежностью и неприхотливостью. Кроме того, ступенчатые коробки передач позволяют повысить динамические качества автомобиля (например, при разгоне) и его экономичность.
По этим причинам ступенчатые коробки передач в настоящее время широко применяются во всех типах автомобилей и автобусов.

Читайте также:  Мощность силового трансформатора микроволновки

Типы ступенчатых коробок передач

Ступенчатые коробки передач классифицируются по нескольким основным признакам:

Они могут быть простыми (вальными) и планетарными в зависимости от подвижности геометрических осей их валов.

ступенчатая коробка передач автомобиля КамАЗ

По числу валов простые коробки делятся на двух-, трех- и многовальные коробки передач.

По числу ступеней (учитываются лишь передачи переднего хода) коробки передач подразделяются на двух-, трех-, четырех-, пятиступенчатые и многоступенчатые.

По способу переключения передач коробки могут быть с подвижными зубчатыми колесами, муфтами легкого включения и с синхронизаторами.

По способу управления различают коробки передач с непосредственным, дистанционным, полуавтоматическим и автоматическим управлением.

По выполняемым функциям коробки передач подразделяют на основные, делители и дополнительные.

Помимо приведенных признаков классификации коробки передач делятся по числу ходов (плоскостей перемещения рычага переключения передач) на двухходовые и трехходовые. Двухходовыми являются трехступенчатые коробки передач, которые в настоящее время можно встретить лишь на автомобилях старых марок, например, ГАЗ-21.

На современных автомобилях в качестве основных наибольшее распространение получают простые, двух- или трехвальные коробки передач. Число передач в таких коробках обычно 4…5.
Увеличение числа передач на автомобилях-тягачах, вездеходах и автомобилях большой грузоподъемности осуществляется путем установки делителя (мультипликатора) или дополнительной коробки (демультипликатора), что позволяет соответственно повысить плотность ряда и расширить диапазон передаточных чисел.
В этом случае общее число передач равно произведению числа передач основной коробки передач и дополнительной. Многоступенчатые коробки передач имеют 5 или 6 валов и поэтому являются многовальными.

На большинстве легковых и грузовых автомобилей применяются коробки передач с непосредственным управлением, при котором водитель посредством рычага воздействует на элементы механизма переключения передач (штоки, вилки, синхронизаторы или муфты) и включает выбранную передачу.
При дистанционном управлении усилие от рычага управления на механизм переключения передач осуществляется через систему тяг и рычагов.
Элементы полуавтоматического управления имеются в приводе управления делителем автомобилей марки «КамАЗ» и дополнительной коробки передач автомобиля КрАЗ-260.

Автоматический привод для управления ступенчатыми коробками передач не применяется, и обычно используется в управлении гидромеханическими коробками передач.

Планетарные коробки передач, как правило, применяют в качестве дополнительных коробок в гидромеханических передачах для усиления преобразующих свойств гидротрансформаторов.

Кинематические схемы коробок передач

Конструкционные, преобразующие и эксплуатационные свойства коробок передач зависят от ее кинематической схемы. На рис. 1 приведены наиболее распространенные кинематические схемы простых ступенчатых коробок передач.

Любая ступенчатая коробка передач представляет собой зубчатый редуктор, в картере 1 которого на валах установлены подвижные 8 или неподвижные 6, 7 зубчатые колеса. Входной вал 3 называется первичным валом, а выходной вал – вторичным валом.
В трехвальной коробке передач третий вал 10 называется промежуточным валом, а первичный и вторичный валы располагаются соосно.

кинематические схемы ступенчатых коробок передач

Переключение передач выполняют при выключенном сцеплении, вводя подвижные зубчатые колеса (каретки) ведомого вала в зацепление с неподвижными на валу зубчатыми колесами промежуточного вала. Это зацепление сопровождается ударами торцов зубьев и приводит к их повышенному износу. Поэтому на автомобилях применяют коробки передач с постоянным зацеплением зубчатых колес и включением передач передвижением кареток (муфт) синхронизаторов.

Читайте также:  Бонета морозильная технические характеристики мощность потребления

Подвижные зубчатые колеса выполняются прямозубыми и устанавливаются на шлицах, что позволяет им смещаться вдоль вала. На шлицах также устанавливаются муфты 5 включения передач.
Неподвижные зубчатые колеса для снижения уровня шума выполняются косозубыми и устанавливаются на валу жестко или свободно на подшипниках.
Зубчатые колеса высших передач как наименее нагруженные располагаются ближе к передней опоре, а низших передач как наиболее нагруженные – ближе к задней более жесткой опоре.

Включение той или иной передачи осуществляется путем перемещения муфт 5 переключения передач, которые блокируют зубчатое колесо 7 с вторичным валом 9 или первичный 3 и вторичный валы друг с другом на прямой передаче, на которой передаточное число равно единице.

Потери мощности в коробке передач на прямой передаче практически отсутствуют, и ее КПД близок к единице, так как ни зубчатые колеса, ни промежуточный вал в передаче крутящего момента не участвуют.
На всех других передачах, кроме прямой, крутящий момент в трехвальной коробке передач передается от первичного вала последовательно через зубчатые колеса постоянного зацепления 2 и 4 на промежуточный вал 10, и от него на сблокированную с вторичным валом пару зубчатых колес.

Например, на третьей передаче (рис. 1, а) крутящий момент передается в следующей последовательности:
первичный вал 3 зубчатое колесо постоянного зацепления первичного вала 4 зубчатое колесо постоянного зацепления промежуточного вала зубчатое колесо 12 третьей передачи промежуточного вала 2 зубчатое колесо 6 третьей передачи вторичного вала вторичный (выходной) вал 9.

Включение низших передач или передачи заднего хода может осуществляться перемещением подвижного зубчатого колеса 8.
Вращение вторичного вала в обратную сторону (при заднем ходе) происходит благодаря установке дополнительного зубчатого колеса 11.

Для обеспечения движения с большой скоростью при сравнительно небольшой частоте вращения коленчатого вала двигателя и получения тем самым максимальной экономичности, высшие передачи выполняются ускоряющими, т. е. с передаточным числом меньше единицы.

Принцип работы трансмиссии с механической ступенчатой коробкой передач наглядно показан в видеоролике, размещенном внизу страницы.

Требования к ступенчатым коробкам передач

Требования, предъявляемые к ступенчатым коробкам передач аналогичны требованиям, предъявляемым ко всем типам подобных агрегатов:

  • обеспечение высоких тягово-скоростных и топливно-экономических качеств автомобиля;
  • надежная связь двигателя с трансмиссией;
  • легкость и удобство управления;
  • обеспечение движения автомобиля задним ходом;
  • высокий КПД;
  • низкий уровень шума при работе;
  • надежность в эксплуатации и простота технического обслуживания и ремонта;
  • малые габаритные размеры и вес.

Надежность и долговечность коробок передач

Прочность деталей коробок передач и их КПД зависят от применяемых материалов, выбранной геометрии зубьев колес, жесткости, числа и расположения опор валов, их механической и термической обработки.

материалы для изготовления шестерен и валов коробок передач

В коробке передач наиболее нагруженными элементами являются зубчатые колеса. Они подвергаются действию статических и динамических нагрузок, например, при резком включении сцепления в момент трогания автомобиля с места. Разрушение зубьев колес часто происходит из-за снижения контактной усталостной прочности.
От многократного приложения максимальных нагрузок возникают трещины в зоне контакта зубьев, образуются щербины (питтинг) и зубчатое колесо выходит из строя.
Зубчатые колеса рассчитывают с запасом прочности 1,2…2,0.

Изготавливают зубчатые колеса для коробок передач и легированных сталей. Так, например, для изготовления зубчатых колес коробок передач ВАЗ применяют стали 20ХГНМ, 19ХГН, для КПП ГАЗ — 20ХГР, 20ХНМ, для зубчатых колес ЗИЛ — 18ХГТ, 30ХГТ, для ЯМЗ — 12ХНЗА.
После изготовления зубчатых колес они подвергаются цементации, азотированию, поверхностной закалке и шлифованию.

Валы коробок передач во время работы подвергаются кручению и изгибу, поэтому они должны быть прочными и жесткими. При недостаточной жесткости валы могут прогибаться под действием радиальных нагрузок, вследствие чего возникает перекос зубьев, уменьшается прочность зубчатых колес и повышается шумность работы коробки передач в целом.

Источник