ZADANIA I RODZAJE SKRZYNEK BIEGÓW BUDOWA I DZIAŁANIE SKRZYNEK BIEGÓW

Materiał do samodzielnej pracy dla MECHANIK POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH Nr programu: 723103/CKZ2-OL/2019

Przedmiot: BUDOWA POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I stopień

Prowadzący: Mgr inż. Jan Galicki

Uwagi: Proszę przygotować się do testu - obowiązuje materiał z I i II tygodnia Email:galickij@poczta.onet.pl

BUDOWA I DZIAŁANIE SKRZYNEK BIEGÓW

I. Skrzynka biegów z kołami zębatymi przesuwnymi 1. Budowa skrzynki biegów (rys. 127a)

Rys. 1. Skrzynka biegów z kołami przesuwnymi: a) schemat budowy, b) schemat

kinematyczny (I – wał sprzęgłowy, II – wał pośredni, III – wał główny, S – sprzęgło, o – obudowa, m – mechanizm zmiany biegów, zzz8 – koła zębate, ns – obroty silnika, n1, n2, n3, nR – obroty na poszczególnych biegach,)

ZADANIA I RODZAJE SKRZYNEK BIEGÓW

I. Zadania skrzynek biegów

1. Łączy sprzęgło z wałem lub mostem napędowym 2. Trwale rozłącza napęd

3. Umożliwia jazdę z różnymi prędkościami

4. Reguluje siłę napędową na kołach (przy czym wartość ta jest odwrotnie proporcjonalna do prędkości pojazdu)

5. Umożliwia jazdę do tyłu II. Rodzaje skrzynek biegów

1. Skrzynki biegów manualne (mechaniczne) o trzech odmianach:

 z kołami zębatymi przesuwnymi,

 z kołami stale zazębionymi (posiadające sprzęgła i synchronizatory),

 kombinowane.

2. Skrzynki biegów półautomatyczne 3. Skrzynki biegów automatyczne

III. Przełożenie pojedynczej przekładni zębatej

Przełożeniem „i” przekładnia nazywamy stosunek liczby zębów koła napędzanego do liczby zębów koła napędzającego.

1 2 2 1

z z n i  n 

gdzie: n1 – prędkość obrotowa wału napędzającego, n2 - prędkość obrotowa wału napędzanego, z1 – ilość zębów koła napędzającego, z2 - ilość zębów koła napędzanego.

IV. Rodzaje przekładni w zależności od przełożenia

1. Przekładnie zwalniające (redukcyjne), gdy i > 1 (bo z2 > z1).

2. Przekładnie przyspieszające, gdy i < 1 (bo z2 < z1).

3. Przekładnie normalna, gdy i = 1.

II. Skrzynka biegów z kołami stale zazębionymi 1. Budowa skrzynki biegów (rys. 128b)

Rys. 2. Skrzynka biegów z kołami zębatymi stale zazębionymi: a) schemat kinematyczny skrzynki trzybiegowej, b) schemat budowy skrzynki czterobiegowej z przesuwnym kołem zębatym pierwszego biegu (S1, S2 – sprzęgła zębate)

2. Działanie skrzynki biegów (rys. 128a)

Moment obrotowy z silnika jest doprowadzany do skrzynki biegów wałkiem sprzęgłowym I, a następnie przez parę kół zębatych z1 i z2 – jest przenoszony na wałek pośredni II. Stale zazębione pary kół zębatych (z3

i z4; z5 i z6; z8 i z9) powodują obracanie się kół zębatych z4, z6 i z9, ale dzięki łożyskowaniu tych kół nie wprawiają one w ruch wałka głównego III. Dopiero przesunięcie w prawo lub w lewo sprzęgła zębatego S1 lub S2 spowoduje sprzężenie kół z wałkiem głównym i przeniesienie momentu przez skrzynię biegów.

 bieg 1: S III n

z II z z I z

n       ,

 bieg 2: S III n

z II z z I z

n       ,

 bieg 3: nISIIIn (bieg bezpośredni),

 bieg wsteczny R: S n

z z z II z z I z

n       .

KONSTRUKCJA SKRZYNEK BIEGÓW I ICH SMAROWANIE I. Koła zębate w skrzynce biegów

Koła zębate w skrzynce biegów występują jako walcowe o zębach prostych lub skośnych, których

zastosowanie umożliwia zmniejszenie wymiarów skrzynek biegów oraz przenoszenie większych mocy, koła te pracują również znacznie ciszej.

II. Wały w skrzynce biegów

W skrzynce biegów stosowanej w klasycznym układzie napędowym występują trzy wały, przez które przechodzi napęd w czasie jazdy do przodu.

1. Wałek sprzęgłowy – wyprowadzony z obudowy skrzynki biegów w stronę sprzęgła, na końcu wałka jest osadzona tarcza sprzęgła. Wałek ten wprowadza do skrzyni biegów moment obrotowy odbierany z silnika.

2. Wałek główny – wyprowadzony z obudowy skrzynki biegów w stronę wału napędowego i z nim połączony.

Wałek ten wyprowadza ze skrzynki biegów moment obrotowy odpowiednio zwiększony przez przełożenie.

3. Wałek pośredni – całkowicie zamknięty wewnątrz obudowy skrzynki biegów. Wałek ten pośredniczy w przeniesieniu momentu między wałkiem sprzęgłowym i głównym.

W układach z napędem przednim lub tylnym tzw. zblokowanym, stosuje się skrzynki biegów dwuwałkowe, w których wał pośredni spełnia także zadania wałka sprzęgłowego.

III. Synchronizator

Synchronizator, który w najprostszej postaci jest sprzęgłem ciernym, współpracujący ze sprzęgłem zębatym.

Dzięki swym powierzchniom ciernym następuje synchronizowanie (wyrównywanie) prędkości obrotowych sprzęganych elementów (tzn. koła zębatego i wałka głównego) przed włączeniem sprzęgła zębatego.

Działanie najprostszego synchronizatora przedstawia rys. 129 a także rys. 130. Przesunięcie przesuwki w prawo powoduje – dzięki zatrzaskowi kulowemu przesunięcie piasty. Stożki piasty i koła zębatego stykają się, a występujące między nimi tarcie szybko prowadzi do wyrównania prędkości obrotowych obu elementów. Dalsze zwiększanie nacisku na przesuwkę powoduje pokonanie siły oporu zatrzasku i przesunięcie przesuwki aż do zazębienia jej z wieńcem zębatym koła zębatego. Zazębienie to następuje w chwili, gdy wałek wraz z

synchronizatorem oraz koło zębate mają taką samą prędkość obrotową, toteż odbywa się to cicho i bez uderzeń.

Rys. 3. Budowa i etapy pracy synchronizatora prostego umieszczonego na wałku głównym: a) rozłączony, b) włączanie, c) włączony

Rys. 4. Synchronizator blokujący z dodatkowym wieńcem zębatym: a) konstrukcja, b) kolejne fazy włączania

1 – uzębienie wewnętrzne przesuwki, 2 – uzębienie dodatkowego pierścienia, 3 – uzębienie zewnętrzne sprzęgła zębatego włączanego koła IV. Mechanizmy zmiany biegów

Zadaniem mechanizmów zmiany biegów jest przesuwanie kół zębatych, sprzęgieł zębatych lub synchronizatorów.

1. Mechaniczna zmiana przełożeń

W większości skrzynek biegów jako część wewnętrzną mechanizmu sterowania stosuje się wodzikowe mechanizmy zmiany biegów (rys. 131). Widełki bezpośrednio przesuwające przełączony element w skrzynce biegów (koło zębate, pierścień zewnętrzny synchronizatora itp.) są zamocowane na wodziku. Przesuwki są zamocowane na wodzikach w takim położeniu, że wchodzący do skrzynki koniec dzwigni sterującej, znajdującej się w położeniu luzu po wprawieniu go w ruch może wybrać tylko jeden z wodzików i przesunięciu go w przód lub tył włączając odpowiedni bieg.

Rys. 5. Zasada działania wodzikowego mechanizmu sterowania stopniową skrzynką biegów

1 – widełki, 2, 3, 4 – przesuwki, 5 – występy zabezpieczające przed obrotem widełek, 6 – wodziki, 7 – wybierak

A – ruch wybierania biegu, B – ruch włączania bieg

Rys. 6. Urządzenie zabezpieczające mechanizm zmiany biegów przed jednoczesnym włączeniem dwóch przekładni: a) budowa, b) schemat działania

1 – wodziki, 2, 3 – kołki blokujące, 4 – zatrzaski 2. Automatyczna zmiana przełożeń

Automatyczna zmiana przełożeń polega na zastosowaniu do konwencjonalnej skrzynki przekładniowej hydraulicznych siłowników przełączających zintegrowanych z komputerową elektroniką pojazdu. Układy te wyręczają kierowcę, lecz równocześnie pozwalają mu w każdej chwili ingerować w ich funkcjonowanie.

Usytuowanie elementów w skrzynce biegów przedstawiają ich przekroje przedstawione na rys. 133 i rys. 134.

Rys. 7. Skrzynia biegów samochodu z napędem klasycznym [20]

Rys. 8. Skrzynka biegów zblokowana z przekładnią główną

1. Reduktor w postaci dodatkowej przekładni, która podwaja liczbę biegów skrzynki (rys. 135).

Rys. 9. Reduktor (skrzynka terenowa)

2. Skrzynka biegów rozdzielcza do rozdzielania napędu na koła przednie i tylne (rys. 136).

Rys. 10. Schemat budowy dwubiegowej skrzynki rozdzielczej

3. Wzmacniacz momentu (rys. 137), który umożliwia zmianę przełożenia w układzie napędowym pod obciążeniem bez wyłączania sprzęgła.

Rys. 11. Schemat wzmacniacza momentu w postaci przekładni planetarnej

VI. Smarowanie skrzynek biegów i innych przekładni

Smarowania przekładni zębatych odbywa się za pomocą odpowiedniego gatunku oleju, który wlewany jest do obudowy do określonego poziomu(smarowanie zanurzeniowe). Podobnie jak oleje silnikowe, również oleje przekładniowe są klasyfikowane według jakości i lepkości.

1. Klasy lepkościowe SAE dla olejów przekładniowych to: 75W, 80W, 90, 140, oraz 250 (W-Winter – zima) . Wraz ze wzrostem liczby rośnie temperatura zastosowania. Występują także oleje wielosezonowe, np. 75W-90, czy też 85W-140.

2. Klasy jakościowe API to:

GL-1 – przeznaczone do przekładni o zębach prostych, śrubowych, a takrze przekładni ślimakowych, niektórych przekładni ręcznych, pracujących w bardzo łagodnych warunkach.

GL-2 – zawiera dodatki uszlachetniające i przeciwkorozyjne. Stosowane do przekładni bardziej obciążonych niż przewidziane dla olejów klasy GL-1.

GL-3 – zawiera dodatki przeciwutleniające, przeciwkorozyjne oraz smarne typu EP (Extreme Pressure), które pozwalają na właściwe smarowanie przy bardzo dużych naciskach jednostkowych. Oleje tej klasy cechują się dużą odpornością na starzenie. Przeznaczone są do przekładni stożkowych pracujących w umiarkowanych warunkach obciążenia i przy średnich prędkościach.

GL-4 – oleje o lepszych właściwościach smarnych niż oleje klasy GL-3, przeznaczone do przekładni średnio obciążonych ( w tym hipoidalnych) pracujących przy dużej prędkości i małym momencie lub

odwrotnie.

GL-5 – oleje o bardzo dobrych właściwościach przeciwzużyciowych i przeciwutleniających. Stosowane są do takich przekładni jak oleje klasy GL-4 ale pracujących przy obciążeniu udarowym, w tym do mostów napędowych dużych samochodów.

GL-6 – Przeznaczone są po przekładni hipoidalnych oraz do innych przekładni zębatych pracujących przy największych obciążeniach i prędkościach obrotowych w ekstremalnych warunkach.

WAŁ NAPĘDOWY I PRZEGUBY I. Wał napędowy

Zadaniem wału napędowego jest przekazywanie napędu z wału głównego skrzynki biegów na most napędowy.

Występuje on w klasycznych układach napędowych oraz w układach z napędzanymi kilkoma osiami (rys. 138).

Rys. 12. Przykłady rozmieszczania wałów napędowych: a) układ klasyczny, b) wał dwuczęściowy, c) napęd na dwie osie, d) napęd na trzy osie

1. Konstrukcja wału napędowego

Ze względu na resorowanie tylnego mostu samochodu, wał napędowy powinien zmieniać swoją długość i przekazywać napęd pod określonym kątem (rys. 139), z tego powodu zbudowany jest z następujących elementów (rys. 140):

 rura stalowa cienkościenna,

 połączenie wielowypustowe,

 przeguby krzyżakowe.

Rys. 13. Zmiany kątów załamania przegubów wału napędowego

Rys. 14. Wały napędowe: a) z przegubami krzyżakowymi, b) dzielony z przegubami krzyżakowymi i przegubem elastycznym

1 – złącze kołnierzowe, 2 – przegub krzyżakowy, 3 – złącze wielowypustowe, 4 – ciężarek wyrównoważający, 5 – rura, 6 – smarowniczka, 7 – przegub elastyczny, 8 – wkładka elastyczna, 9 – łożysko, 10 – wspornik

II. Przeguby 1. Przeguby proste

Zadaniem przegubów prostych jest przekazywanie napędu (momentu obrotowego) pod kątem (do 40⁰).

Rodzaje przegubów prostych:

 krzyżakowe (do 15⁰), które posiadają krzyżaki i widełki (rys. 141),

 elastyczne (do 5⁰), w których elementem łączącym jest wkładka gumowa (rys. 142).

Wadą przegubów prostych jest nierównomierne przekazywanie napędu (występują szarpnięcia podczas każdego obrotu). Aby temu zapobiec stosuje się dwa przeguby, a w przypadku przegubów krzyżakowych, widełki tych przegubów powinny znajdować się w tej samej płaszczyźnie.

2. Przeguby homokinetyczne są równobieżne i stosowane są do przekazywania napędu na koła kierowane.

Przenoszą napęd za pośrednictwem kulek lub rolek łączących ze sobą dwie kuliste czasze przegubu (wewnętrzną i zewnętrzną). Elementy pośrednie, czyli kulki lub rolki, mogą przesuwać się wyłącznie w rowkach naciętych promieniowo w obydwu czaszach, co zapewnia stałą prędkość kątową ruchu obrotowego i jednocześnie wzajemne odchylenie się czopa i półosi w granicach 50⁰ w każdą stronę (rys. 143 i 144).

Rys. 15. Przegub krzyżakowy; a) budowa, b) schemat działania

1 – widełki, 2 – szklanka, 3 – krzyżak, 4 – łożysko igiełkowe, 5 – pierścień oporowy, 6 – pierścień uszczelniający

Rys. 16. Przeguby elastyczne: a) pierścieniowy, b) wielotulejowy

Rys. 17. Przeguby homokinetyczne (równobieżne): a) Tracta, b) Weissa

1 – widełki, 2 – ogniwo z występem, 3 – ogniwo z wycięciem, 4 – otwór na kołek, 5 – głowica, 6 – kulki, 7 – kulka środkowa, 8 – kołek ustalający kulę środkową, 9 – kołek zabezpieczający, 11 – półoś napędzająca

Rys. 18. Przeguby homokinetyczne (równobieżne): c) Rzeppa, d) Birfielda

6 – kulki, 10 – czasza, 11 – półoś napędzająca, 12 – piasta, 13 – koszyk kul, 14 – separator kul, 15 – dźwigienka ustalająca koszyk, 16 – sprężyna, 17 – pierścień oporowy

MOST NAPĘDOWY I JEGO ELEMENTY SKŁADOWE

I. Budowa mostu napędowego (rys. 145)

Rys. 19. Schemat budowy tylnego mostu napędowego II. Przekładnia główna

1. Zadania przekładni głównej:

 zwiększenie siły napędowej na kołach przez zastosowanie odpowiedniego przełożenia (i = 3 – 12),

 zmiana kierunku obrotu o 90⁰ (w przypadku wzdłużnego przełożenia wału korbowego silnika).

2. Rodzaje przekładni głównych (rys. 146)

2.1. Podział przekładni ze względu na kształt kół zębatych:

 przekładnie stożkowe,

 przekładnie walcowe (gdy wał korbowy silnika ustawiony jest poprzecznie).

2.2. Podział przekładni ze względu na położenie zębnika względem koła talerzowego:

 przekładnie główne zwykłe (gdy oś zębnika leży w osi koła talerzowego),

 przekładnie główne hipoidalne (gdy oś nie leży w tej samej płaszczyźnie).

Dzięki zastosowaniu przekładni hipoidalnej można ustalić właściwy prześwit, oraz położenie środka ciężkości pojazdu.

2.3. Podział przekładni ze względu na rodzaj zębów i ilość kół zębatych:

 przekładnie pojedyncze – 2 koła,

 przekładnie podwójne – 4 koła,

 przekładnie o zębach prostych i zębach skośnych.

Rys. 20. Rodzaje przekładni zębatych: a) z kołami stożkowymi o osiach przecinających się, b) hipoidalna, c) z kołami walcowymi, d) ślimakowa, e) podwójna, f) dwustopniowa

1 – zębnik stożkowy, 2 – koło talerzowe, 3 – koła walcowe, 4 – mechanizm różnicowy, 5 – ślimak, 6 – ślimacznica, 7 – półosie napędowe, 8 – sprzęgło zębate

Rys. 21. Konstrukcja hipoidalnej przekładni głównej III. Mechanizm różnicowy.

Zadaniem mechanizmu różnicowego jest nadanie różnych prędkości kołom napędzającym w czasie jazdy po łuku drogi i nierównościach. Budowę najczęściej spotykanego stożkowego mechanizmu różnicowego przedstawia rys. 148.

Koło talerzowe ( 6 ) przekładni głównej jest przymocowane do obudowy ( 4 ) mechanizmu różnicowego. W obudowie są umieszczone koła zębate: koła koronowe ( 1 ) osadzone na wielowypustowych końcach półosi (8) i niewielkie stożkowe koła zębate (2) zwane satelitami. Satelity są zazębione ze stożkowymi kołami koronowymi (1) i obracają się wokół krzyża (3).

Rys. 22. Mechanizm różnicowy z kołami zębatymi stożkowymi: a) konstrukcja, b) części składowe Mechanizm różniciowy posiada następujące własności:

 gdy pojazd jedzie na wprost, satelity spełniają funkcję sprzęgła łączącego koronki,

 jeżeli jedno koło przyspieszy to dzięki mechanizmowi drugie zaczyna zwalniać (bo satelity zaczynają się toczyć po koronkach),

 jeżeli jedno koło trafi na powierzchnię bardzo sliską, a drugie na nawierzchnię o dużym współczynniku przyczepności, wówczas pierwsze koło będzie się obracać z podwójną prędkością , a drugie w ogółe nie będzie się obracać.

Na rys. 149 przedstawiono inne rozwiązania mechnizmu różnicowego. Rys. 149a to ślimakowy mechanizm różnicowy, stosowany w pojazdach z napędem na więcej niż jedną oś. Dzieli napęd między oś przednią i tylną, ponieważ w trakcie pokonywania poprzecznych nierówności terenu prędkość obrotowa koła jadnej osi zawsze różni się od podążającego jago sladem koła drugiej osi. Zapobiega to szkodliwemu poślizgowi opon oraz przeciązeniu wałów i przekładni zębatych łączących obie osie. Rys. 149b przedstawia mechanizm różnicowy samoblokujący, którego zaletą jest zdolność do samoczynnego blokowania się podczas znacznych nierówności w rozdziale napędu pomiędzy napędzane osie.

Rys. 23. Mechanizmy różnicowe o zwiększonym tarciu: a) ślimakowy (Audi), b) z wkładkami ciernymi (Ford) Rys. 150 to napęd osi z ręcznie włączaną blokadą mechanizmu różnicowego. Przy włączaniu blokady sprzęgło kłowe nasuwa się na zazębienie obudowy mechanizmu różnicowego i następuje zblokowanie mechanizmu.

Rys. 24. Mechanizm różnicowy z urządzeniem blokującym

Rys. 25. Przykład tylnego mostu napędowego (Star)

IV. Zwolnice

Zwolnice to dodatkowe przekładnie walcowe zwykłe (rys. 152a) lub planetarne (rys. 152b) umieszczone przy kołach napędzających, którym zadaniem jest znaczne zredukowanie prędkości obrotowej a tym samym zwiększenie siły napędowej.

Rys. 26. Konstrukcja zwolnic: a) zewnętrznej, b) planetarnej

Rys. 27. Zblokowany układ napędowy samochodu osobowego

PÓŁOSIE NAPĘDOWE

I. Konstrukcja półosi

Zadaniem półosi jest przekazywanie napędu z kół koronowych mechanizmu różnicowego na piasty kół. Jeden koniec półosi jest wielowypustowy, a drugi posiada zazwyczaj kołnierz, który może być odkuty w całości z półosią lub połączony za pomocą połączenia wielowypustowego, wpustowego, itp.

II. Rodzaje półosi ze względu na charakter przenoszonego obciążenia

1. Półosie obciążone (rys. 154a) – są podparte łożyskami tocznymi na końcu pochwy mostu napędowego. Piasta jest osadzona na końcu półosi. W tym przypadku półoś jest skręcana momentem napędowym oraz zginana ciężarem samochodu oraz siłami napędowymi, hamowania i bocznymi działającymi na koło.

2. Półosie częściowo obciążone (rys. 154b) – które przenoszą całkowicie moment, lecz tylko częściowo są narażone na zginanie dzięki zastosowaniu odpowiedniego mocowania łożysk na pochwie.

3. Półosie nieobciążone (rys. 154c) - które przenoszą tylko moment skręcający a odpowiednie ułożyskowanie (dwa łożyska na pochwie oddalone od siebie) powodują że zginanie przejmuje pochwa.

Rys. 28. Rodzaje sztywnych półosi napędowych i sposoby ich ułożyskowania: a) obciążona, b) częściowo obciążona, c) nieobciążona

PÓŁOSIE NOŚNE I NAPĘDOWE I. Oś nośna

Oś nośna jest osią nienapędzaną i w postaci klasycznej występuje zazwyczaj w samochodach ciężarowych i autobusach z napędem tylko na tylne koła. Oś nienapędzana przyjmuje cały ciężar pojazdu, a więc narażona jest tylko na zginanie. Oś składa się z (rys. 156):

 belki odkutej ze stali, zakończonej tzw. kułakami z otworami na sworzeń,

 zwrotnic posiadających kołnierze i czopy do osadzania łożysk i kół oraz ramię zwrotnicy

 sworzni zwrotnicy.

II. Oś napędowa

Jest to oś najczęściej zbudowana z pochwy (rys. 158) z umieszczonymi wewnątrz mechanizmami (mechanizm różnicowy i przekładnia główna). Osią napędową jest więc most napędowy, który przyjmuje przypadającą na

niego część ciężaru samochodu, a jednocześnie doprowadza napęd od wału napędowego na koła jezdne, które są napędzające.

Rys. 29. Pochwy mostu napędowego: a) jednolita spawana, b) jednolita odlewana, c) dzielona odlewana

Rys. 159. Półoś z elementem tłumiącym