Конструкция и расчет коробок передач

Для уменьшения шума, увеличения к. п. д. и достижения большей долговечности желательно применение широких шестерен с малым шагом, т. е. большим количеством зубьев. С другой стороны, для уменьшения веса и получения незначительных размеров шестерен желательно иметь зуб узким и шаг большим. Большой шаг и тщательное закругление зубьев шестерен на специальных станках облегчают процесс переключения скоростей. Большие зубья лучше противостоя напряжениям от толчков при переключении. Большое количество, зубьев при малом шаге применимо для постоянно сцепленных шестерен, которые для обеспечения бесшумности иногда снабжаются косым зубом.

Для предварительного расчета рекомендуется, исходя из наличного свободного пространства, устанавливать приблизительное расстояние между валами и диаметр вала скользящих шестерен.

Расчет передачи

Для расчета передаточных чисел коробки передач надо знать характеристику работы двигателя под различной нагрузкой и те дорожные условия, в которых будет протекать работа автомобиля. Автомобильный двигатель, как известно, работает наиболее эффективно на определенных оборотах. Поэтому передачу надо подобрать так, чтобы двигатель на всех скоростях работал приблизительно на этих оборотах.

Наименьшая необходимая передача между валом двигателя и колесами автомобиля определяется из максимальной скорости V км/час, заданных размеров автомобиля, дорожных условий и мощности двигателя N л. с.

Сопротивление движению равняется:

где: w_r—сопротивление качения; w_$—сопротивление подъема; W\— сопротивление воздуха. Необходимая на ведущих колесах полезная мощность равняется:

Общая передача распадается на постоянную главную передачу у заднего моста т₁ и на переменную передачу в коробке m₁

Наибольшая передача между валом двигателя и задними колесами зависит от величины подъема, который автомобиль должен преодолевать.

Кроме общего сопротивления автомобиля

(не учитывая сопротивление воздуха) на колесах должно оставаться еще ускоряющее усилие:

где у определяется заданной приемистостью автомобиля и равняется 2—3 м/сек.

Считая к. п. д. передачи

неизменным, получаем

причем V₁ равняется минимальной скорости автомобиля в км/час,

которая при наибольшей пёредаче 1/mолжна соответствовать наивыгоднейшему числу оборотов двигателя п:

Для разбивки передачи между полученными границами надо обратиться к характеристике двигателя. На фиг. 38 кривые I и II дают зависимость мощности и крутящего момента от числа оборотов. При правильном определении наименьшей передачи т максимальная мощность A=N л. с. двигателя и сопротивление будут находиться для предельной скорости V в равновесии. В равновесии должен быть также момент сопротивлений M_w и крутящий момент двигателя (с учетом передачи) т • M_t:

Предел приспособляемости двигателя очевидно достигается с падением числа оборотов двигателя при повышении сопротивления до Ob—n₂ и мощности до Bb = N₁ т. е. величин, соответствующих наибольшему крутящему моменту двигателя С,b. Дополнительный подъем x ₁ , повышающий сопротивление до этого предела, можно в крайнем случае_ преодолеть еще без переключения скоростей, со скоростью U₁ км/час, определяющейся из уравнения:

поскольку для G = 1 000 кг,

w_s = x₁.

Как только, однако, сопротивление превзойдет этот максимум, автомобиль должен застрять, поскольку при дальнейшем падении оборотов падает и крутящий момент. До наступления этого момента надо успеть переключить скорость, с тем чтобы новая передача m вновь установила равновесие между моментом сопротивления М₁₀ и моментом M_t с учетом передачи максимальной мощности двигателя:

Повышающаяся до N мощность двигателя ускоряет движение автомобиля. Новая максимальная скорость V₁ получается из уравнения

Между скоростями U₁ и V₁ при предыдущей передаче существует зависимость:

определяемая числом оборотов п и n₁ при максимальной мощности и наибольшем крутящем моменте.

Из того, что

следует:

Отсюда, если даны мощность N и N₁ относящиеся к ним обороты, можно рассчитать передачу

При дальнейшем повышении V1 скорость n1 и обороты двигателя опять падают. Еще одно переключение скоростей становится необходимым, когда на подъеме обороты и мощность двигателя падают до n и N1. Скорость автомобиля U₂ определяется тогда из уравнения:

Для новой передачи, опять дающей двигателю возможность развить полную мощность, имеем:

Расчет можно продолжить и далее еще для подъема х₃. Таким образом получаем

Иначе говоря, переставляемые в коробке передач ступени скоростей уменьшаются в геометрической прогрессии. Коэфициент этой прогрессии:

зависит от характеристики двигателя автомобиля, т. е, от его максимальной мощности — мощности при наибольшем крутящем моменте — и соответствующих оборотов вала двигателя. Этот коэфициент можно считать показателем приспособляемости двигателя к изменяющимся сопротивлениям движения. Чем больше приспособляемость двигателя, тем меньше над) ступеней между крайними передачами.

Значения для s легко изобразить графически.

Для любой точки М кривой мощности двигателя угол а треугольника 0 Мт дает меру для крутящего момента, соответствующую этой точке кривой мощности, потому что

пропорционален крутящему моменту. Наибольший крутящий момент поэтому должен иметь место в точке В кривой мощности I в которой она соприкасается с касательной, проведенной из точки О, ибо в этой точке тангенс достигает своего максимума.

Из фиг. 38 далее следует:

Для обычных автомобильных двигателей s сравнительно невелик,—он равен примерно 1,2—1,5. Для достижения наивыгоднейших результатов потребовалось бы слишком большое количество ступеней. Потому на практике разбивку делают более редкой. В результате двигатель на максимальной скорости автомобиля, соответствующей данной передаче, будет работать не с наивыгоднейшими, но с несколько более высокими оборотами Оm, соответствующими меньшей мощности Мт, для которых

действительно имеет большое значение.

Сопротивление воздуха влияет на приведенные расчеты следующим образом.

Для езды на прямой имеем для максимальных скоростей: ,_r V (G ■ w + аУ²)

3 600 • 75

где aV² означает дополнительное сопротивление воздуха.

При падении скорости на подъеме х1 сопротивлением воздуха следует пренебречь и тогда будет,

как прежде: а после пtреключения скорости

для второй ступени-имеем таким же образом:

Иначе говоря, при учете в расчете сопротивления воздуха наивыгоднейшие скорости растут не в геометрической прогрессии, но в несколько понижающемся отношении, т. е. высокие скорости отстоят друг от друга ближе, чем низкие.

Фиг. 39. Диаграмма скоростей.

 

Далее следует еще проверить применение выведенных правил при трогании с места.

Скорость автомобиля при трогании с места на наибольшей, т. е. на первой передаче, будет расти с повышением мощности двигателя. Как только обороты двигателя достигнут соответствующих максимальной мощности N оборотов n (фиг. 38), следует переключить скорость на следующую так, чтобы новые обороты двигателя при вначале неизменной скорости автомобиля были хотя бы равны n1. Процесс ускорения будет тогда продолжаться тем же порядком.

Из этих соображений (не учитывая сопротивление воздуха) также следует, что возрастание передач в определенной прогрессии является наивыгоднейшим, потому что дает кратчайшее время для развития при трогании с места полной скорости.

Хейрман доказывает необходимость разбивки передач в геометрической прогрессии (не учитывая сопротивления воздуха) иным путем.

На фиг. 39 четыре прямые, выходящие из точки О, дают протекание скоростей автомобиля в км/чаc при четырех различных произвольно выбранных передачах. При трогании с места на первой скорости обороты двигателя возрастают до соответствующих максимальной мощности (1 050 Об/мин), причем автомобиль достигает скорости в 10 км/чаc (точка А). При включении второй передачи скорость вначале не меняется, а обороты двигателя (точка Е) снижаются до 450 'в минуту. При дальнейшем ускорении хода автомобиля в точке С (23 км/чае) включают третью передачу. Обороты двигателя падают до 670 (точка jP). Легко предположить, что время перевода автомобиля на прямую передачу будет тем короче, чем совершеннее будет использовано допустимое падение скорости. При правильном распределении передач отрезки АЕ, CF и DG должны быть равны. Тогда толчки, возникающие при включении, будут при всех передачах также одинаковыми.

Обозначив через V1, V₂, V3 и V₄ от первой до четвертой скорости автомобиля и через n и n1 максимальные и минимальные допустимые обороты двигателя, получим:

Для тр.хскоростной коробки передач:

Результат, однако, только в основном вопросе совпадает с предыдущим, поскольку там было совершенно произвольно принято что скорости должны быть разбиты в отношении ni, что, как выше было показано, не вполне совпадает..

Обычные передаточные числа. Трехскоростные коробки передач

Пятая скорость (у грузовиков) служит либо для получения еще большей передачи (до 1 : 9), либо, наоборот, для увеличения оборотов карданного вала по сравнению с валом двигателя (ускоренный ход, мультипликатор).

Расчет на прочность

Избрав шаг (сначала для наименьших шестерен), проверяют прочность полученных шестерен с помощью основного уравнения (см. главу о шестернях):

где Р определяется по максимальной мощности двигателя из уравнения крутящего момента:

В этом уравнении N—мощность в л. с.; п—число оборотов в минуту. Значение отдельных величин определяется в зависимости от назначения коробки передач. Для грузовиков, часто и долго работающих на низких передачах (в гористых местностях), следует брать зуб пошире—до2t —и c поменьше. Для шестерен, длительно работающих с полной нагрузкой, следует считать с не выше 300 кг/см^г, ибо при большей нагрузке имеет место заедание поверхностей зубьев. Особенно это имеет значение для шестерен тягачей и автоплугов. У гоночных автомобилей можно, наоборот, идти до предела возможности.

Если предварительный расчет даст неподходящие величины, то надо все пересчитать снова, взяв другое расстояние между валами. Затем следует установить расстояние между подшипниками валов, причем промежутки между двумя соседними шестернями принимают равными 3—4 мм. Потом надо произвести проверку валов на равномерное напряжение, на скручивание и изгиб по формуле:

Для той из передач, которая дает наибольший крутящий момент, имеет также значение определение упругого прогиба, ибо это влияет на бесшумность работы шестерен. Если окажется необходимым изменить принятые диаметры валов, то весь расчет придется повторить заново. Окончательно установив размеры шестерен и длину валов, подбирают шарикоподшипники и корпуса.

В случае разъемных картеров, разрезанных в плоскости осей валов, шарикоподшипники устанавливают в целых чугунных или стальных корпусах. Корпуса рекомендуется закрывать для того, чтобы осколки, случайно отскочившие при включении шестерен, не могли попасть в шарикоподшипники. Коробки передач лучше делать неразъемными с большой крышкой и размещать шарикоподшипники непосредственно в картере. Одни из шарикоподшипников Должен быть фиксирован от осевого перемещения под действием возникающих при переключении осевых усилий. Особого упорного шарикоподшипника, впрочем, не требуется.

Шпоночные (пазовые) валы для скользящих шестерен изготовляются с 4, 6 или 10 пазами.

В коробках передач, сконструированных по схемам, показанным на фиг. 29 и 30, вал В изготовляется с фланцами из одного куска. К фланцу прикрепляется на болтах закаленный зубчатый обод. Вообще рекомендуется у больших шестерен изготовлять зубчатый обод отдельно от ступицы. Это облегчает закалку обода и смену его впоследствии при ремонте.

Картеры коробки передач изготовляются либо цельными с крышкой, либо разъемными из алюминия, или, где экономия в весе не имеет особого значения и где стремятся к удешевлению конструкции (грузовики, дешевые автомобили), из чугуна. Картеры снабжают большими смотровыми отверстиями. В самом глубоком месте помещают краник или пробку для спуска масла. В случае иногда еще применяемого раздельного крепления двигателя и коробки передач в раме, последняя подвешивается чаще всего на трех точках. Подвеска, особенно у грузовиков, делается часто шарнирной для предупреждения воздействия на коробку искривлений рамы.

Рычаг скоростей для защиты механизма перемены скоростей от дополнительных напряжений крепят не к раме, а непосредственно к верхней части или крышке коробки передач.