Губарев А.В., Никифоров С.С. Конструкция автомобилей. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра «Автомобили»

629.113(07)

Г93

А.В. Губарев, С.С. Никифоров

КОНСТРУКЦИЯ АВТОМОБИЛЕЙ

Конспект лекций

Часть 2

Допущено УМО вузов РФ по образованию в области

транспортных машин и транспортно-технологических

комплексов в качестве учебника для студентов вузов,

обучающихся по специальности «Автомобиле- и трак-

торостроение»

Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

2010

УДК 629.113.001.2 (075.8)

Г93

Одобрено

учебно-методической комиссией автотракторного факультета

Рецензенты:

В.И. Костюченко, А.Д. Рулевский.

Г93

Губарев, А.В.

Конструкция автомобилей: конспект лекций / А.В. Губарев,

С.С. Никифоров. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. –

Ч. 2. – 115 с.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения

при подготовке инженеров по специальности «Автомобиле- и тракторо-

строение», бакалавров по направлению «Наземные транспортные систе-

мы», а также может быть полезным для студентов других специальностей,

связанных с автомобильной отраслью.

В пособии рассмотрены вопросы конструкции и работы механических ко-

робок передач автомобилей.

Пособие рекомендуется использовать при изучении курсов «Конструкция

автомобилей и тракторов», «Конструирование и расчет автомобилей», «Техни-

ка транспорта».

УДК 629.113.001.2 (075.8)

ВВЕДЕНИЕ

Данное издание содержит вторую часть конспекта лекций по курсу «Конст-

рукция автомобилей», который является базовым курсом при изучении специаль-

ных дисциплин студентами, обучающимися по специальности «Автомобиле- и

тракторостроение» и направлению «Наземные транспортные системы». Матери-

ал, содержащийся в этом пособии, может быть полезен для студентов других спе-

циальностей, связанных с автомобильной отраслью.

Следует отметить, что данное пособие не является учебником для самостоя-

тельного изучения дисциплины. При описании конструкции узлов и агрегатов ос-

новное внимание уделено их функциям и работе, а не устройству для конкретной

модели автомобиля. Иллюстрации помогут студенту разобраться с существом во-

проса. Рисунки некоторых агрегатов и узлов продублированы чертежами общего

вида. Наряду с классическими решениями рассмотрен ряд современных конст-

рукций. При подборе материала в конспекты лекций авторы ставили задачу фор-

мирования у студента теоретической базы, которая позволит профессионально ра-

зобраться с конструкцией любых моделей автомобилей, используя специальную

литературу и натурные образцы.

Нумерация тем и разделов продолжает нумерацию, заложенную в первой час-

ти. Нумерация рисунков не является продолжением нумерации рисунков, поме-

щенных в первой части.

Тема № 3. ТРАНСМИССИЯ (продолжение)

3.7. Коробки перемены передач

Коробкой перемены передач (КПП) называется механизм трансмиссии, изме-

няющий при движении автомобиля соотношение между скоростями вращения ко-

ленчатого вала двигателя и ведущих колес.

Коробка перемены передач предназначена:

– для изменения крутящего момента по величине на ведущих колесах авто-

мобиля в соответствии с дорожными условиями с целью обеспечения оп-

тимальной скорости и проходимости автомобиля, а также для наиболее

экономичной работы двигателя;

– для длительного разъединения двигателя и трансмиссии при работе двига-

теля на холостом ходу;

– для изменения крутящего момента по направлению (строго говоря – по

знаку), т.е. обеспечения заднего хода с целью совершения автомобилем

определенных маневров.

Требования, предъявляемые к коробкам перемены передач:

– обеспечение оптимальных тягово-скоростных и топливо-экономических

свойств автомобиля при заданной характеристике двигателя;

– бесшумность при работе и переключении передач;

– легкость управления, плавность переключения передач;

– высокий к.п.д.;

– общие требования (см. раздел «Сцепление» в первой части конспекта лек-

ций).

Классификация коробок передач по основным признакам представлена на

рис. 3.1.

Каждая конкретная конструкция коробки передач обладает совокупностью пе-

речисленных признаков, а так же другими конструктивными признаками, которые

отражены в расширенных классификациях, встречающихся в учебной и техниче-

ской литературе.

Механические ступенчатые КПП исторически были самыми первыми короб-

ками передач на автомобиле. Их конструкция постоянно совершенствовалась, по-

являлись новые функциональные возможности. В настоящее время такие КПП

получили наибольшее распространение в легковых и грузовых автомобилях в ка-

честве агрегатов механических и составных частей гидромеханических трансмис-

сий.

Основным элементом механических ступенчатых КПП являются зубчатые пе-

редачи. Зубчатая передача – это механизм, который с помощью зацепления пере-

дает или преобразует движение с изменением угловых скоростей и моментов. В

состав передачи входят как минимум два зубчатых колеса (шестерни), находя-

Рис. 3.1. Типы коробок передач, классифицированные по основным признакам

по изменению

передаточного числа

по связи

между валами

по управлению

ступенчатые

бесступенчатые

комбинированные

механические

гидравлические

электрические

неавтоматические

полуавтоматические

автоматические

щиеся между собой в зацеплении. Большее из зубчатых колес сцепляющейся па-

ры принято называть колесом, а меньшее – шестерней.

Существуют следующие виды передач зацеплением.

1. Передачи между параллельными валами (цилиндрические передачи):

– внешнего (наружного) зацепления;

– внутреннего зацепления.

По расположению зубчатых колес различают цилиндрические передачи с на-

ружным (рис. 3.2а, б, в) и внутренним зацеплением (рис. 3.2г). По направлению

зубьев цилиндрические передачи бывают прямозубыми, косозубыми и шеврон-

ными. В прямозубых передачах зубья колес параллельны их оси, в косозубых пе-

редачах – наклонены к оси колеса под углом 5…45º вправо или влево. Причем, в

сцепляющейся паре угол наклона зубьев одинаков для обоих колес, но направле-

ние наклона различно, т.е. в одном колесе наклон зубьев вправо, в другом – влево.

2. Передачи между валами с пересекающимися осями (конические передачи),

рис. 3.3а.

3. Передачи между валами с перекрещивающимися осями:

– гипоидная передача, рис. 3.3б, применяется в главных передачах;

– винтовая передача, рис. 3.4а, применяется для передачи малых мощностей,

например, в приводе датчика спидометра;

– червячная передача, рис. 3.4б, применяется в рулевых механизмах, глав-

ных передачах, дифференциалах повышенного трения.

4. Передача для преобразования вращательного движения в поступательное

(шестерня-рейка), рис. 3.5а, применяется в рулевых механизмах.

5. Планетарные передачи, т.е. передачи с подвижными осями, рис. 3.3б, в ав-

томобилях наибольшее распространение получили в ступенчатых коробках пере-

дач в составе гидромеханических трансмиссий.

Рис. 3.2. Виды цилиндрических зубчатых передач: а – прямозубая наружного за-

цепления, б – косозубая наружного зацепления, в – шевронная, г – внутреннего

зацепления

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.3. Коническая зубчатая передача (а), гипоидная зубчатая передача (б)

а)

б)

Рис. 3.4. Винтовая передача (а), червячная передача (б)

а)

б)

Рис. 3.5. Передача шестерня-рейка (а), планетарная передача (б)

б)

а)

Можно выделить несколько существенных признаков, достаточно полно ха-

рактеризующих ту или иную механическую коробку передач, рис. 3.6.

Механические ступенчатые коробки передач

по конструктивной схеме

с неподвижными

осями

с подвижными

осями

(планетарная)

комбинированные

двухвальные

трехвальные

многовальные

с мультипликатором

(делителем)

с демультипликатором

с делителем

и демультипликатором

по числу ступеней

3-х ступенчатые

4-х ступенчатые

5-и ступенчатые

многоступенчатые

по зацеплению шестерен

с непостоянным

зацеплением

(подвижные шес-

терни)

с постоянным

зацеплением

комбинированные

по способу переключения передач

подвижными

зубчатыми колесами

зубчатыми

муфтами

кулачковыми

муфтами

синхронизато-

рами

Рис. 3.6. Классификация механических ступенчатых КПП по различным признакам

Одним из главных параметров, характеризующих коробку передач, является

передаточное число

КП

, которое определяется как отношение угловых скоро-

стей



(частот вращения

) входного (ведущего) и выходного (ведомого) валов:

вых

вх

вых

вх

КП

i 



, (1)

Количество передаточных чисел, которое обеспечивает данная коробка пере-

дач на переднем ходу, называется числом ступеней или числом передач. Следует

отметить, что под термином «ступень» в машиноведении понимается одно зубча-

тое зацепление, передающее крутящий момент от одного вала к другому. В авто-

мобильной коробке передач в формировании одного значения передаточного чис-

ла могут «участвовать» несколько зубчатых зацеплений и валов. Поэтому во из-

бежание путаницы в дальнейшем для автомобильных КПП будем применять тер-

мин «число передач». В современных автомобильных коробках передач имеется

более трех передач переднего хода и одна (за исключением многовальных КПП)

передача заднего хода.

Из выражения (1) следует, что чем больше величина

КП

, тем медленнее вра-

щается ведомый вал относительно ведущего. Поэтому передача переднего хода,

при которой величина

КП

наибольшая, называется низшей (первой) передачей.

Соответственно передача, при которой величина

КП

наименьшая, называется

высшей передачей. Если

ÊÏ

i

, передача называется понижающей, в противном

случае – повышающей. Автомобильные коробки передач (за исключением много-

вальных) имеют обычно только одну повышающую передачу.

Коробка передач является агрегатом трансмиссии (от английского слова

«transmission» – передача) и передает энергию (работу), вырабатываемую (совер-

шаемую) двигателем. Работа, совершаемая в единицу времени, как известно из

курса физики, называется мощностью. Поэтому корректно при анализе процессов,

происходящих в трансмиссии, применять термин «передача мощности».

Согласно закону сохранения энергии, при передаче мощности через КПП

часть этой мощности затрачивается на преодоление сил внутреннего трения. Т.е.

можно записать:

выхКПвх

NN 



, (2)

где

вх

– мощность на входе в коробку передач (мощность двигателя),

вых

–

мощность на выходе их коробки передач,

КП



– коэффициент полезного действия

(к.п.д.) коробки передач. С учетом того, что мощность на валу определяется как

произведение крутящего момента на угловую скорость вала, выражение (2) мож-

но записать в виде:

выхвыхКПвхвх



 MM

или

вх

вых

КП

вых

вх







С учетом выражения (1) запишем:

вх

вых

КП

вых

вх

КП





. (3)

Таким образом, согласно выражению (3), на понижающих передачах частота

вращения выходного вала КПП уменьшается, а крутящий момент увеличивается.

На повышающих передачах соответственно наоборот. Чем ниже передача, тем

большую силу тяги развивает автомобиль, а скорость движения уменьшается

(имеется в виду, что сравнение производится при одинаковой частоте вращения

коленчатого вала двигателя).

Другим оценочным параметром КПП является диапазон передаточных чисел

(Д), который определяется как отношение передаточного числа низшей передачи

к передаточному числу высшей передачи:

КПв

КПн



В коробках передач легковых автомобилей и автобусов малой вместимости

Д = 3…4, грузовых автомобилей и автобусах средней вместимости Д = 5…8, ав-

томобилей тягачей, автомобилей высокой проходимости и технологического на-

значения Д = 9…13. Для двух последних типов автомобилей особенно важно

обеспечить устойчивое движение с низкими скоростями (2…3 км/ч), что возмож-

но только при большом значении передаточного числа на низшей передаче (низ-

кая скорость движения также обеспечивается и раздаточной коробкой).

Еще одним оценочным параметром КПП является плотность ряда переда-

точных чисел, который определяется как отношение передаточных чисел сосед-

них передач. Чем больше число передач, тем выше плотность ряда. Высокая

плотность ряда (т.е. меньшие значения плотности) способствует более легкому

выравниванию угловых скоростей при переключении передач (см. ниже). В со-

временных КПП показатель плотности ряда передаточных чисел составляет

1,1…1,5. При этом более низкие значения характерны для высоких передач.

3.8. Механические коробки перемены передач с неподвижными осями

В коробках передач этого типа валы неподвижно установлены в корпусе на

подшипниках (опорах) и имеют только одну степень свободы, т.е. могут совер-

шать один вид движения – вращаться вокруг собственной оси. Каждый из валов

КПП должен иметь минимум две опоры. Любая коробка передач имеет входной

(ведущий) вал, связанный с ведомыми частями сцепления, и выходной (ведомый)

вал, с которого крутящий момент (т.е. вращение) передается на следующие агре-

гаты трансмиссии.

По количеству валов КПП подразделяются на двухвальные, трехвальные и

многовальные. Следует отметить, что данные различия носят не формальный, а

принципиальный характер. Количество валов определяет возможный уровень по-

вышения величины крутящего момента, а, следовательно, область применения

коробки передач.

В двухвальной коробке передач на любой передаче переднего хода крутящий

момент передается двумя шестернями непосредственно с первичного вала на вто-

ричный, т.е. через одно зацепление. Таким образом, двухвальная коробка передач

на каждой передаче представляет из себя одноступенчатый редуктор, рис. 3.7а.

Поэтому максимальное передаточное отношение в коробках передач этого типа

не более 4-х, что и определяет их область применения – легковые автомобили.

Движение задним ходом обеспечивается промежуточной шестерней, вводимой в

зацепление между шестернями первичного и вторичного валов, рис. 3.7б.

Двухвальные КПП применяются на переднеприводных автомобилях и задне-

приводных автомобилях с задним расположением двигателя. Главная передача и

дифференциал располагаются в одном корпусе с коробкой передач. Число пере-

дач 4…5, высшая (5-я) передача, как правило, повышающая. При поперечном

расположении двигателя не требуется изменение направления потока мощности

при передаче ее к ведущим колесам, рис. 3.8, что позволяет применять цилиндри-

ческую главную передачу.

При продольном расположении силового агрегата в двухвальной коробке пе-

редач отбор мощности с вторичного вала может быть осуществлен в двух направ-

лениях – к передней и задней осям, что позволяет обойтись без раздаточной ко-

робки в полноприводных автомобилях, рис. 3.9. Напомним, что подобные полно-

приводные автомобили, не являются автомобилями повышенной проходимости

(не обеспечивается высокое передаточное число на низших передачах), а наличие

полного привода обеспечивает повышение динамических качеств автомобиля и

улучшение реализации тяговых сил при движении по скользким дорогам.

В качестве положительных свойств двухвальных коробок передач следует

также отметить относительную простоту их конструкции, более высокий к.п.д. на

промежуточных передачах. Однако, при поперечном расположении двигателя

необходим более сложный привод управления, т.к. нет возможности установить

рычаг непосредственно в коробку передач, как у трехвальных КПП, см. рис. 3.10а.

Рис. 3.7. Принцип работы двухвальной коробки передач: а – на передачах

переднего хода, б – на передаче заднего хода; 1 – первичный (входной) вал,

2 – вторичный (выходной) вал, 3 – промежуточная шестерня заднего хода

а)

б)