|
Podstawy skrzyni biegów W procesie kształcenia uczniów w szkołach ponadgimnazjalnych (technikum i zasadnicza szkoła zawodowa) o profilu samochodowym przy omawianiu elementów układu napędowego sporo uwagi poświęca się teoretycznym rozważaniom dotyczącym wykorzystania optymalnego zakresu pracy silnika do różnych prędkości samochodu przy pomocy odpowiednio dobranych przełożeń w skrzyni biegów (rys.1).
Omawiane są rozliczne wykresy trakcyjne, które można spotkać we wszystkich niemal podręcznikach poruszających to zagadnienie. Są to tematy dla uczniów trudne, często mało zrozumiałe i przez to traktowane jako materiał do “zakucia i zapomnienia”. Literatura w skąpy sposób wyjaśnia zasadę i podstawy tworzenia skrzynki przekładniowej w sposób łatwo przyswajalny. Najczęściej można za to oglądać rozmaite przykłady przekrojów skrzyń biegów, które dla uczniów i osób spoza branży są często mało przejrzyste i nie do końca zrozumiałe. Przedstawienie zatem w sposób stosunkowo prosty podstawowych zasad i kolejnych etapów tworzenia skrzynki biegów tak, aby było to zrozumiałe jest wyzwaniem dla nauczyciela. Poniżej opisuję, jak przedstawiam to uczniom w szkole, w której pracuję. Silnik spalinowy pracuje w szerokim zakresie prędkości obrotowej, ale tylko część tego zakresu jest przeznaczona do wykorzystania na poziomie ekonomicznym. Z punktu widzenia dynamiki jazdy najlepszy zakres jego prędkości obrotowej znajduje się w przedziale okolic wartości maksymalnej momentu obrotowego i maksymalnej mocy. Również w tym przedziale obrotów zużycie paliwa jest najwłaściwsze. Żeby jednak można było tę właściwość wykorzystać, trzeba najpierw pokonać w początkowej fazie opory nieruchomego samochodu. W tym celu niezbędne jest znaczne zmniejszenie prędkości obrotowej skierowanej do napędzanych kół jezdnych, a oferowane przez silnik. Poza tym moment obrotowy, jakim dysponuje silnik nie jest w stanie wprawić w dynamiczny ruch naszego pojazdu. Wraz ze wzrostem prędkości samochodu wielkość spowolnienia wirujących kół jezdnych w stosunku do silnika trzeba koniecznie zmniejszyć, bowiem wstępne ich spowolnienie doprowadzi do braku możliwości uzyskania dużej prędkości pojazdu przy jednoczesnym osiągnięciu maksymalnej prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Jest potrzebny więc mechanizm umożliwiający stopniową zmianę powyższej zależności. Realizuje się ją poprzez dobór i włączanie do pracy odpowiednich par kół zębatych. W celu zrozumienia zasad mających zastosowanie w stopniowej skrzynce biegów należy cofnąć się do niezbędnych podstaw. Rysunek 2 przedstawia podstawowy zespół kół zębatych – parę kół. Koło oznaczone jako z1 otrzymuje napęd od wału korbowego silnika poprzez sprzęgło. Nazywane jest kołem napędzającym tej przekładni. Posiada określoną liczbę zębów z, prędkość obrotową n oraz przenosi moment obrotowy Mo1. Koło odbierające napęd z2 posiada parametry jak koło napędzające, lecz jest kołem napędzanym. Zależność pomiędzy nimi nazywa się przełożeniem i [1]. Można więc sformułować regułę, że przełożeniem pary kół zębatych jest stosunek ilości zębów koła napędzanego do ilości zębów koła napędzającego, lub stosunek prędkości obrotowych koła napędzającego do napędzanego. Wartość przełożenia jest liczbą niemianowaną.
Jeżeli przełożenie jest realizowane przez zestaw z większą ilością kół zębatych – jak przedstawia to rysunek 3, to należy wyznaczyć ich pary, ustalić koła napędzające i napędzane, a łączne przełożenie [2] jest iloczynem przełożeń poszczególnych par kół.
Dla pary kół zębatych zależności są następujące:
z1 < z2
z1 = z2 Jeżeli 0 < i < 1 to jest to przełożenie przyspieszające (nadbieg), wobec tego:
z1 > z2 Przedstawione zależności między parą kół zębatych
pozwalają zbudować kilka ich konfiguracji będących podstawą budowy i
działania każdej stopniowej samochodowej skrzyni biegów o kołach zębatych
osadzonych na nieruchomych wałkach (nie obiegowej).
Rysunek 5 przedstawia przełożenie biegu wstecznego dla skrzyni w klasycznym układzie napędowym. Wielkość (liczba zębów) koła zębatego zR nie ma znaczenia dla obliczenia wartości przełożenia. To koło zębate tylko zmienia kierunek obrotów koła z4 w stosunku do koła z1.[4]
Rysunek 6 przedstawia przełożenie biegu do jazdy w przód dla skrzyni w zblokowanym układzie napędowym. Kierunek obrotów koła z1 i z2 są przeciwne, co wynika z konstrukcyjnych cech tej przekładni. [5]
Rysunek 7 przedstawia przełożenie biegu wstecznego dla skrzyni w zblokowanym układzie napędowym. Podobnie jak w przykładzie 4 koło zR nie ma znaczenia dla obliczenia wartości przełożenia. Kierunek obrotów kół z1 i z3 są zgodne, co wynika z konstrukcyjnych cech takiej przekładni. [6]
Po analizie przypadków z rysunków 4,5,6,7 można przystąpić do formowania właściwej skrzyni przekładniowej. Przeprowadzę to na przykładzie układu klasycznego napędu samochodu. Rysunek 8 jest rzutem w innej płaszczyźnie konfiguracji kół zębatych z rysunku 4, gdzie koła zębate z1 – z4 są kołami zębatymi walcowymi o zębach skośnych. Osadzone są odpowiednio na wałkach:
A – sprzęgłowym
Oś symetrii wałka sprzęgłowego A i wałka głównego C nie pokrywają się. Jest to więc rozwiązanie nieefektywne, ponieważ uniemożliwia uzyskanie przełożenia bezpośredniego poprzez proste połączenie tych wałków. Celem usunięcia tej niedogodności należy wałek główny C wraz z kołem z4 przemieścić w oś symetrii wałka sprzęgłowego A, przy zachowaniu nieprzerwanego zazębienia kół zębatych z4 i z3. Przekładnia wygląda teraz jak na rysunku 9.
W celu uniknięcia dodatkowej przegrody podporowej - wałek C został podparty ślizgowo w wydrążeniu koła zębatego z1. Po dołożeniu obudowy (brak na rysunku) otrzymujemy przekładnię o jednym przełożeniu do jazdy w przód bez możliwości rozłączania biegu. Przełożenie oblicza się według wzoru [3]. Dalsza modyfikacja takiej skrzynki przekładniowej polega na zmianie osadzenia koła z4 na wałku głównym ze stałego na ślizgowe oraz wprowadzeniu elementu dodatkowego na stałe związanego z wałkiem głównym. Jest to sprzęgło zębate lub synchronizator D pokazany schematycznie na rysunku 10.
Umożliwia on wybór jednego z dwóch przełożeń – bezpośredniego poprzez połączenie wałków A i C (przesunięcie elementu D w lewo), lub przełożenia realizowanego przez koła zębate z1 – z4 (przesunięcie elementu D w prawo). W pozycji neutralnej synchronizatora D skrzynka posiada tzw. “luz”. Mechanizm uruchamiający stanowi całkowicie odrębne urządzenie. Tak budowana skrzynka przekładniowa może być uzupełniana przez kolejne zestawy kół zębatych, podobne jak zestaw z3 – z4, lecz o innej wartości przełożeń. W takiej kombinacji wstawia się również trzy koła zębate dla biegu wstecznego (pokazane na rysunku 5 jako koła zębate z3 – zR – z4). Przełożenie poszczególnych biegów obliczane jest zawsze jako iloczyn przełożenia przekładni kół zębatych z1 – z2 określanej jako przełożenie stałe i przełożenia alternatywnie wybranej pary kół włączonych do pracy poprzez działanie sprzęgła zębatego albo synchronizatora. Wzory [3] lub [4]. Uczniowie poznają krok po kroku, w jaki sposób tworzona jest skrzynka przekładniowa. Po obliczeniu ilości zębów w skrzynce rzeczywistej są w stanie samodzielnie obliczyć przełożenia dla poszczególnych biegów. Oglądając dowolną konstrukcję mogą sami określić, który bieg jest biegiem pierwszym, a który najwyższym. Wynika to z tego, że rozumieją filozofię powstawania i działania skrzynki biegów. Nie uczymy więc wiedzy encyklopedycznej , na pamięć. Na etapie szkolenia technikę trzeba zrozumieć, logicznie przeanalizować, a w przyszłości pomoże to w ustaleniu przyczyn niesprawności mechanizmów pojazdu i właściwym podejściu do naprawy uszkodzeń. |
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
