gora

    Nasze Publikacje
Nowoczesny Warsztat

Artykuł zastrzeżony prawem autorskim - kopiowanie w całości bez zgody autora zabronione

 

Sterowanie skrzynką biegów

Bardzo ciekawą i udaną konstrukcją synchronizatora blokującego z samowzmacnianiem, którego działanie jest oparte na progresywnym wzroście momentu tarcia, jest synchronizator progresywny typu Porsche. Przekrój synchronizatora przedstawia rysunek 1

rys. 1 - synchronizator progresywny typu PORSCHE

1 - tuleja sprzęgająca
2 - piasta synchronizatora
3 - wielowypust sprzęgający
4 - pierścień synchronizujący
5 - rygiel zewnętrzny (także kulisa zewnętrzna)
6 - rygiel wewnętrzny (także kulisa wewnętrzna)
  7 - półpierścień  blokujący
  8 - pierścień zabezpieczający
  9 - koło zębate
10 - koło zębate
11 - wałek główny

Wielowypust sprzęgający [3] o uzębieniu zewnętrznym jest wciśnięty na koło zębate lub też wykonany z nim jako jedna całość. Na elemencie tym jest osadzony sprężysty pierścień synchronizujący [4], rygiel zewnętrzny [5], rygiel wewnętrzny [6] oraz dwa blokujące półpierścienie [7]. Wszystkie te elementy zabezpieczone są pierścieniem zabezpieczającym [8]. Pomiędzy kołami zębatymi sąsiednich przełożeń, osadzonych ślizgowo na wałku - najczęściej głównym, znajduje się piasta synchronizatora [2], a na jej trzech ramionach przesuwa się tuleja sprzęgająca [1]. W swojej wewnętrznej, uzębionej części posiada ona pryzmatyczny rowek obwodowy. Synchronizator włącza do pracy w zależności od potrzeb koła zębate [9} i [10] osadzone ślizgowo na wałku [11].

Rozpatrzmy przypadek, gdy pojazd znajduje się w spoczynku:

Włączenie biegu odbywa się przez przesunięcie tulei sprzęgającej [1] z jej położenia środkowego w prawo lub w lewo, aż do oparcia się o zęby wielowypustu sprzęgającego [3]. Rozpatrywany przypadek nie musi dotyczyć włączania pierwszego biegu. W czasie omawianego procesu sprężynujący pierścień [4] zostaje ściśnięty przez ukośnie ścięte zęby tulei sprzęgającej [1] i w końcowej fazie przesunięcia zaskakuje w pryzmatyczny rowek obwodowy tej tulei. W celu włączenia do pracy wybranego koła zębatego konieczne jest jedynie pokonanie oporu ściśnięcia pierścienia synchronizującego [4]. Półpierścienie blokujące w tym procesie nie uczestniczą, ponieważ z założenia nie występuje różnica prędkości obrotowych elementów. Włączenie przełożenia uzależnione jest od sprężystości pierścienia synchronizującego, wielkości kąta rozwarcia jego stożka oraz współczynnika tarcia. W praktyce taka sytuacja zdarza się wyjątkowo rzadko, tylko przy wyłączonym silniku.

Zupełnie inny charakter ma proces włączania przełożeń podczas jazdy samochodu. W tym przypadku synchronizacja powinna zapewnić wyrównanie za pomocą tarcia - prędkości sprzęganych elementów oraz jednocześnie zapobiec, aby tuleja sprzęgająca [1] nie spowodowała zazębienia z wielowypustem sprzęgającym [3] przed uzyskaniem wyrównania ich prędkości obrotowych. W przeciwnym razie nastąpiłby zgrzyt przekładni. Wydaje się być oczywistym, że podczas procesu przełączania przełożenia sprzęgło samochodu powinno być w stanie rozłączenia. Tarcza sprzęgłowa jest jedna z części układu mas podlegających synchronizacji i zostaje w tym procesie przyspieszana (przy redukcji na bieg niższy), lub opóźniana (przy włączaniu biegu wyższego).

Rysunek 2 przedstawia kolejne fazy przełączania przełożeń wraz z procesem synchronizacji.

rys 2 - fazy zmiany przełożenia

Przed rozpoczęciem przez kierowcę zmiany przełożenia lewy wielowypust sprzęgający jest sztywno związany z wałkiem za pomocą przesuniętej w lewo tulei sprzęgającej (2a). Rysunek (2b) przedstawia położenie neutralne tulei sprzęgającej, co oznacza, że kierowca wyłączył bieg i przystępuje do włączenia kolejnego przełożenia. Następuje proces zacierania się wewnętrznej powierzchni tulei sprzęgającej [1] i pierścienia synchronizującego [4](2c), po czym następuje jej przesunięcie do zazębienia z wielowypustem sprzęgającym po prawej stronie (2d), co zaowocuje sztywnym połączeniem prawego koła zębatego z wałkiem.

W położeniu synchronizatora przedstawionym na rysunku (2c) następuje wyrównanie prędkości kątowych wałka i koła zębatego wskutek tarcia między tuleją sprzęgającą i pierścieniem synchronizującym. Wskutek oporów tarcia między wypustami tulei sprzęgającej i wypukłością pierścienia synchronizującego zaciskany pierścień synchronizujący usiłuje obrócić się w ślad za wałkiem , co obrazuje rysunek 3.

rys 3 - faza synchronizacji dla rysunku 2c

Tak więc pierścień synchronizujący [4] przekręca się nieco w swym gnieździe i opiera się swym końcem o rygiel zewnętrzny [5], który poprzez półpierścień prawy [7] naciska na rygiel wewnętrzny [6] zablokowany swym wewnętrznym występem w gnieździe koła zębatego, przy czym rygiel [6] służy jako podparcie prawego półpierścienia [7]. W ten sposób półpierścień blokujący [7] będzie przenosił siły poprzeczne na sprężynujący pierścień synchronizujący [4]. Dodatkowe obciążenie poprzeczne będzie również przenoszone na rygiel [6], który stara się obrócić dokoła swego punktu podparcia. W rezultacie siła tarcia między przesuwną tuleją sprzęgającą a sprężynującym pierścieniem synchronizującym, która na początku procesu przełączania uwarunkowana była jedynie sprężystością pierścienia synchronizującego, wzrasta, co z kolei powoduje znów wzrost sił poprzecznych wywołanych przez urządzenia blokujące. W ten sposób urządzenia blokujące spełniają rolę wewnętrznych urządzeń samowzmacniających. Jednocześnie urządzenia blokujące są tak obliczone, że górna wartość wywołanych przez nie sił nie może spowodować zniszczenia powierzchni trących. Progresywne wzrastanie oporów tarcia pomiędzy tuleją sprzęgającą i pierścieniem synchronizującym nie zależy w ogóle od nacisku wzdłużnego, działającego na tuleję, czyli od nacisku kierowcy na dźwignię zmiany biegów. Jeżeli półpierścień[7] naciska na rygiel [6], rozpierany przez nią pierścień synchronizujący nie daje się ścisnąć występom tulei sprzęgającej [1], bez względu na wywierany na nią nacisk. Do chwili zrównania się prędkości kątowych koła zębatego i wałka trwa więc jedynie poślizg występów tulei sprzęgającej po wypukłości pierścienia synchronizującego, a synchronizator jest jakby zablokowany i uniemożliwia zaryglowanie koła na wałku. Wskutek zmniejszania się różnicy prędkości kątowych ryglowanego koła zębatego i wałka, coraz bardziej maleje nacisk półpierścienia [7] na rygiel [6], a więc zmniejszają się opory tarcia przeciwdziałające poślizgowi pierścienia synchronizującego po występach tulei sprzęgającej. Gdy prędkości sprzęganych części się zrównają, zaniknie nacisk półpierścienia na rygiel, ustanie rozpieranie pierścienia synchronizującego i tuleja sprzęgająca da się zazębić z wieńcem zębatym.
Dokładnie taki sam proces przebiega, gdy pierścień synchronizujący [4] obróci się pod działaniem sił obwodowych w lewo i poprzez rygiel zewnętrzny [5] będzie oddziaływać na lewy pólpierścień [7]. Taka sytuacja wystąpi podczas redukcji biegu wyższego na niższy.
Ustalenie położenia włączenia tulei sprzęgającej, dzięki zaskoczeniu wgłębienia obwodowego jej występów na wzniesienie zewnętrznej wypukłości pierścienia synchronizującego jest niezawodne, co uwalnia od konieczności stosowania dodatkowego zabezpieczenia przed wyłączaniem się włączonej przekładni, np. wskutek wstrząsu.

Z reguły stosuje się jednakowe elementy synchronizujące i blokujące dla wszystkich biegów skrzynki przekładniowej. Wyjątkiem jest tylko bieg pierwszy w całkowicie synchronizowanej skrzynce przekładniowej, co zresztą zdarza się bardzo rzadko. Ponieważ bieg ten jest używany przy ruszaniu pojazdu, postarano się, aby bardzo częste włączanie biegu pierwszego przy stojącym pojeździe (oczywiście przy uruchomionym silniku) było możliwe przy użyciu szczególnie małej siły. Właściwość tę uzyskano przez nieco odmienne rozwiązanie synchronizatora przy zastosowaniu tylko jednego półpierścienia blokującego oraz rygla zewnętrznego o odmiennym kształcie.

Na rysunku 4 przedstawiono synchronizację podczas włączania biegu pierwszego w samochodzie stojącym z uruchomionym silnikiem.

rys. 4 - faza synchronizacji dla biegu pierwszego - pojazd stoi w bezruchu

Ponieważ na jałowym biegu prędkość obrotowa wału silnika jest niewielka, a prędkość obrotowa tarczy sprzęgła przy jego wyłączeniu (wciśnięciu pedału) jeszcze bardziej się obniża, praca wykonywana przez synchronizator przy zahamowaniu koła zębatego jest również nieduża. Nabiegający koniec pierścienia synchronizującego naciska na zewnętrzny występ rygla , który swoim końcowym występem opiera się o ściętą powierzchnię wielowypustu sprzęgającego (lub koła zębatego jeśli wykonane jest w całości wielowypustem sprzegającym). Za pomocą tej ściętej powierzchni rygiel zostaje dociśnięty do wewnętrznej średnicy pierścienia synchronizującego powodując powiększanie jego średnicy, dzięki czemu tarcie między tym pierścieniem i tuleją sprzęgającą wzrasta dokładnie o tyle, aby zrealizować włączenie biegu pierwszego przy małym nacisku kierowcy na przesuwną tuleję sprzęgającą. Zmiana kąta ścięcia rygla i wycięcia w kole zębatym umożliwia dostosowanie momentu tarcia do warunków istniejących w innych przekładniach.

Na rysunku 5 przedstawiono synchronizację przy włączaniu biegu pierwszego podczas ruchu samochodu.

rys. 4 - faza synchronizacji dla biegu pierwszego - pojazd jest w ruchu

W tym przypadku, w przeciwieństwie do włączenia biegu pierwszego w stojącym pojeździe, ruch koła zębatego nie powinien zostać opóźniony, lecz przyspieszony. Po tej stronie urządzenia blokującego, która w danym przypadku pracuje, wbudowany jest normalny półpierścień blokujący, wskutek czego zostaje zapewnione pełne działanie blokujące i samowzmacniające, jak na wszystkich pozostałych biegach.

Synchronizatory progresywne typu Porsche stosowane są dziś stosunkowo rzadko. Ze względu na skomplikowaną budowę są dość drogie, ale posiadają bardzo ważną zaletę: dzięki bardzo wąskiej piaście i tulei sprzęgającej mogą skutecznie skrócić długość skrzynki biegów, co w poprzecznej zabudowie układu napędowego ma niebagatelne znaczenie. Stosuje się je jednak do załączania tylko niektórych przełożeń, podczas gdy pozostałe biegi obsługiwane są przez synchronizatory bezwładnościowe, których technologię opanowano niemal do perfekcji Przykładem takiej konstrukcji może tu być skrzynka przekładniowa Seicento, gdzie tylko jeden bieg obsługiwany jest przez synchronizator progresywny.

W samochodach ciężarowych i autobusach stosowane są synchronizatory umożliwiające przede wszystkim załączenie biegu przy użyciu jak najmniejszej siły ze strony kierowcy. Opory mechanizmów z uwagi na ich znaczną wirującą masę są znacznie większe niż w skrzynkach samochodów osobowych. Nowoczesne urządzenia synchronizujące to synchronizatory stożkowe cierne, bardzo podobne w konstrukcji i działaniu do synchronizatorów bezwładnościowych omawianych wcześniej. Ze względu na rozpowszechnienie w Europie zsynchronizowanych skrzynek biegów produkowanych przez firmę ZF, najczęściej spotykane są dwa rodzaje synchronizatorów. To synchronizatory blokujące ZF typu B i BK. Ich budowa jest zbliżona do budowy synchronizatora bezwładnościowego omawianego wcześniej, nie będę więc jej przytaczał. W celu zmniejszenia czasu i siły wymaganej do włączenia biegu, w synchronizatorze BK zastosowano bardziej odporne na zużycie powierzchnie pierścieni synchronizujących przy jednoczesnym zmniejszeniu ich wymiarów. W skrzynkach biegów firmy Scania zastosowano z kolei synchronizator dwustożkowy, który umożliwia uzyskanie dwukrotnie większej siły tarcia w porównaniu do synchronizatora z jednym pierścieniem, przy jednoczesnym zmniejszeniu o około 50% siły wymaganej do włączenia biegu oraz czasu jego przełączania.
Ciekawą metodę zmniejszenia siły niezbędnej do włączenia biegu zastosowano w synchronizatorach Eaton LF opracowanych specjalnie do przekładni serii S. Polega ona na samoczynnym wzmacnianiu momentu tarcia. Zadaniem kierowcy jest tylko zapoczątkowanie procesu przełączenia biegu. Budowę synchronizatora przedstawia rysunek 6.

1 - kielich synchronizatora
2 - pierścień synchronizatora
3 - płytka synchronizatora
4 - mechanizm sprężynowy
5 - wycinek wielowypustu
6 - koło zębate
7 - wałek główny
8 - element przesuwny

rys. 6 - synchronizator cierny Eaton LF

Przemieszczenie płytki [3] związanej z widełkami mechanizmu uruchamiania, wymusza ruch pierścienia [2] w kierunku wieńca zębatego oraz napięcie mechanizmu sprężynowego [4]. Zwiększenie siły nacisku płytki synchronizatora na pierścień jest możliwe dzięki specjalnym wycinkom [5] wielowypustu. Ich kształt umożliwia zamianę siły obwodowej wywołanej ruchem obrotowym na siłę osiową powodującą przesuwanie się płytki [3]. Włączenie biegu staje się szybsze, a wysiłek kierowcy ulega zmniejszeniu. Powierzchnie cierne tego synchronizatora mają powierzchnię z węgla pirolitycznego.

 

Opracowanie mgr inż. Ireneusz Kulczyk
Zespół Szkół Samochodowych w Bydgoszczy

początek strony