Какая зубчатая пара имеет наибольшее передаточное отношение в коробке скоростей

Планетарные передачи

— достоинства и недостатки планетарных передач;
— разновидности планетарных передач;
— устройство и принцип работы планетарных передач.

4.7.1 Назначение и область применения планетарных передач

Планетарными называют передачи, имеющие зубчатые колёса с перемещающимися осями. Планетарную передачу применяют как редуктор с постоянным передаточным числом, как коробку скоростей, передаточное число в которой изменяется путём поочерёдного торможения различных звеньев (водила или одного из колёс), как дифференциальный механизм. Их успешно применяют в транспортном машиностроении, станкостроении, приборостроении и т.д. Имеется большое количество различных типов планетарных передач, но одноступенчатая планетарная передача (рис. 1) получила самое широкое распространение. Она с успехом применяется как для больших, так и малых мощностей в силовых и кинематических приводах, т.е. не имеет ограничений по применению. КПД передачи . В передачах применяют не только цилиндрические, но и конические колёса. Зубья могут быть прямые и косые. Обычно число сателлитов С = 3…6, но встречаются передачи с С > 6. Наибольшее распространение получили прямозубые передачи с числом сателлитов С = 3.

4.7.2 Устройство и принцип работы

Планетарная передача (рис. 2.3.21) состоит из неподвижного центрального колеса 1с наружными зубьями, сателлитов 2, неподвижного центрального колеса 3 с внутренними зубьями и водила Н, на котором укреплены оси сателлитов.

Рисунок 2.3.21 Простейшая планетарная передача

Сателлиты обкатываются по центральным колесам и вращаются вокруг своих осей, то есть совершают движение, подобное движению планет. Водило вместе с сателлитами вращается вокруг центральной оси.

При неподвижном центральном колесе 3 движение может передаваться от центрального колеса 1 к водилу Н или от водила к колесу 1. В случае неподвижного водила движение может передаваться от колеса 1 к колесу 3 или от колеса 3 к колесу 1.

Планетарную передачу, в которой одно из центральных колёс неподвижно, называют простейшей. В отличие от простейшей планетарную передачу, в которой все зубчатые колёса и водило подвижны (свободны), называют дифференциальной. В дифференциальной передаче одно движение можно раскладывать на два или два движения сложить в одно. Например, движение колеса 3 можно передавать одновременно колесу 1 и водилу Н или от колес 1 и 3 водилу Н.

4.7.3 Достоинства планетарных передач

1) Большое передаточное число в одной ступени;
2) Малые габариты и масса. Это объясняется следующим: мощность передается по нескольким потокам, число которых равно числу сателлитов;
3) Повышенная нагрузочная способность, так как широко применяются зубчатые колёса с внутренним зацеплением (большой радиус кривизны);
4) Малая нагрузка на опоры, так как сателлиты расположены симметрично, и поэтому силы в передаче взаимно уравновешивают друг друга;
5) Планетарные передачи работают с меньшим шумом, что связанно с повышенной плавностью внутреннего зацепления и меньшими размерами колёс.

4.7.4. Недостатки планетарных передач

1) Повышенные требования к точности изготовления и монтажа;
2) Резкое снижение КПД передачи с увеличением передаточного числа (увеличение количества трущихся поверхностей).

4.7.5. Разновидности планетарных передач

Существует большое количество планетарных передач. Выбор типа передач определяется ее назначением. Наиболее широко в машиностроении применяется однорядная передача (рис.2.3.21). Эта передача имеет минимальные габариты. Она применяется в силовых и вспомогательных приводах. К.п.д. = 0,96-0,98 при и = 3,15-12,5. Для получения больших передаточных чисел применяют многоступенчатые планетарные передачи (рис.2.3.22).

Рисунок 2.3.22 Многоступенчатые планетарные передачи

4.7.6. Конструктивные особенности планетарных передач

Вследствие неизбежной неточности изготовления и сборки зубчатых колес планетарной передачи нагрузка между сателлитами распределяется неравномерно. Для выравнивания нагрузки по потокам одно из центральных колес делают самоустанавливающимся, то есть не имеющим радиальных опор.

Водила планетарных передач должны быть прочными и жесткими при малой массе. Их изготавливают литыми из высокопрочного чугуна.

Подбор чисел зубьев планетарной передачи основывается на трех условиях:
1) Условие соосности, по которому межосевые расстояния зубчатых пар с внешним и внутренним зацеплением должны быть равны. При этом число зубьев центральной шестерни задают из условия неподрезания ножки зуба, а число зубьев внешнего колеса – по заданному передаточному отношению.
2) Условие сборки — во всех зацеплениях центральных колес с сателлитами имело место совпадение зубьев со впадинами, иначе собрать передачу невозможно.
3) Условие соседства – сателлиты при вращении не должны задевать друг друга зубьями.

• Информация

• Обратная связь

• Доставка и оплата

• Услуги

Какая зубчатая пара имеет наибольшее передаточное отношение в коробке скоростей

100 Questions on Design of Machine Elements by Igor Kokcharov

10. ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Главным параметром зубчатой передачи является передаточное отношение. Количество зубьев входных и выходных зубчатых колес определяется передаточным отношением. В одной зубчатой паре ( II ) выходное вращение обратное.

Одинарные передачи ( II ) имеют оси для каждого зубчатого колеса. В составных передачах ( I ) два или более колес могут вращаться на одних осях. Составные передачи используются в редукторах, так как желаемое передаточное отношение может быть достигнуто при меньшем размере коробки редуктора.

Количество зубьев на втором колесе (промежуточное колесо) не очень важно, потому что оно служит только для изменения направления вращения. Чем меньше количество зубьев в холостом колесе, тем меньше размер корпуса редуктора.

Не важно, какой вал является входным. Во всех случаях правый вал имеет наибольший крутящий момент и наименьшую скорость вращения. Передаточное число коробки передач получают умножением передаточных чисел каждой пары.

Передаточное отношение для планетарной передачи зависит от того, какая часть является неподвижной. Если водило является неподвижным, то тогда планетарная передача работает как обычная зубчатая передача с промежуточными колесами, которыми являются сателлиты. Передаточное отношение зависит только от количества зубьев центральных колес с внешними и внутренними зубьями.

Если центральное колесо с внешними зубьями неподвижно, то тогда передаточное отношение выше.

Количество сателлитов не влияет на передаточное отношение и выходной крутящий момент. Число идентичных сателлитов определяет снижение нагрузки на вал и используется для балансировки зубчатой передачи.

Автомобильная коробка передач уменьшает скорость вращения вала двигателя. Наибольшее передаточное отношение получается в паре с наибольшим отношением диаметра зубчатого колеса на валу связанным с дифференциалом к диаметру зубчатого колеса на промежуточном валу. Самое большое значение имеет зубчатая пара (E). Обратная зубчатая пара (A) вращает выходной вал в направлении, обратном всем другим передачам.

Когда автомобиль движется прямо, то оба колеса вращаются с одинаковой скоростью. Когда правое колесо блокируется, то левое вращается с двойной скоростью.

Когда правое колесо, стоящее на механическом домкрате при зафиксированном ведущем вале начнут вращать, то другое ведущее колесо будет вращаться в противоположном направлении на тот же угол.

Какая зубчатая пара имеет наибольшее передаточное отношение в коробке скоростей

КГТУ им. А.Н.Туполева каф. АиАХ АВТОМОБИЛИ (Конструкция)

5.1 Назначение и схема трехвальной коробки передач

Коробка передач предназначена для изменения сил тяги на ведущих колёсах и скорости движения автомобиля путём увеличения или уменьшения передаточного числа. Кроме того коробка позволяет осуществить движение автомобиля задним ходом и разобщить коленчатый вал двигателя от ведущих колёс на продолжительное время при работе двигателя на стоянке или при движении накатом.

Передаточное отношение коробки передач равно отношению частот вращения ведущего и ведомого валов. Необходимость изменения передаточного отношения объясняется тем, что сопротивление движению автомобиля, зависящее от дорожных условий, меняется в широких пределах, а крутящий момент поршневого двигателя при максимальной подаче топлива может меняться всего на 10-50 % (коэффициент приспособляемости дизеля до 1,2, а карбюраторного двигателя до 1,5), в то время как при быстром разгоне или на подъёме требуется более значительно увеличить силу тяги в сравнении с тем значением, которое соответствует М_{мах дв}

В зависимости от характера изменения передаточного отношения различают коробки передач ступенчатые, бесступенчатые и комбинированные. По характеру связи между ведущими и ведомыми валами коробки делят на: механические, гидравлические, электрические и комбинированные. По способу управления – на: автоматические и неавтоматические. Ступенчатые коробки подразделяют ещё по числу передач и по количеству валов. Наибольшее распространение получили ступенчатые механические коробки передач с зубчатыми механизмами. Они бывают с неподвижными геометрическими осями зубчатых колёс или с подвижными (т.н. планетарные).

Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия ступенчатых механических коробок передач с неподвижными осями. Число изменяемых передаточных чисел (передач) обычно равно 4-5, иногда оно доходит до 8 и более. Чем больше число передач, тем лучше используется мощность двигателя и выше топливная эффективность. Однако увеличение числа передач усложняет коробку, затрудняет правильный выбор передачи, оптимальной для данных дорожных условий.

Числовой ряд передаточных чисел в коробке передач образует геометрическую прогрессию. В этом случае разгон происходит наиболее интенсивно т.к. для разгона на каждой передаче используется наибольшая средняя мощность двигателя. Разница в скоростях движения в конце разгона на предыдущей передаче и в начале разгона на следующей передаче — минимальна, что облегчает переключение. Согласно закону геометрической прогрессии I_m+1=I_m · q, где q – знаменатель прогрессии. Он характеризует плотность ряда скоростей. У современных автомобилей q = 1,1…1,5. Иногда величину q (плотность ряда) увеличивают или уменьшают для двух соседних наиболее часто используемых передач.

Оценочным показателем коробки служит диапазон передаточных чисел:

Для автомобилей различных видов он лежит в пределах:

Рассмотрим устройство и принцип действия коробки передач на примере схемы механической четырёхступенчатой, трёхвальной коробки передач с неподвижными осями колёс рис 5.1.

На ведущем вале 1 (он же вал сцепления или первичный вал), зацело с ним, выполнено зубчатое колесо 2 с зубчатым венцом 3. В расточке колеса 2, на подшипнике установлен передний конец вторичного (ведомого) вала 8. На нём на шпонках или шлицах установлена ступица 4, на наружных шлицах которой установлена муфта включения III и IV передач и муфта переключения 5 (см. А-А). Вслед за ступицей 4 на валу 8 установлены: зубчатое колесо 7, с дополнительным зубчатым венцом 6, зубчатое колесо 9, с дополнительным зубчатым венцом 9а, затем ещё одна ступица 4 с муфтой 10, на которой, в отличие от муфты 5, выполнен наружный зубчатый венец 10а. Далее по валу 8 размещается зубчатое колесо 11 с дополнительным зубчатым венцом 11а. Задний конец вала 8 опирается на подшипник, размещённый в стенке картера 19 коробки. Кроме первичного 1 и вторичного 8 валов в состав коробки входит третий — промежуточный вал 12, опирающийся по концам на подшипники, установленные в стенках картера 19. На валу 12 выполнены, или моментно закреплены, зубчатые колёса 13, 14, 15, 16, 20. Сбоку от вала 12 в картере 19 смонтирована ось 18 с шестернёй 17 заднего хода. Зубчатые колёса 13, 14, 15, 20 выполнены косозубыми и находятся в постоянном зацеплении с косозубыми колёсами 2, 7, 9, 11. Колёса 7, 9, 11 имеют возможность свободно вращаться на валу 8, а муфты 5 и 10 перемещаться по внешним зубьям ступиц 4 вдоль оси вала 8. Шестерня заднего хода 17 может передвигаться вдоль оси 18.

При нахождении муфт 5 и 10, а также шестерни 17, в том положении, в котором они изображены на схеме, момент с вала 1 на вал 8 не передаётся. При этом зубчатые колёса 2, 13, 14, 7, 15, 9, 20, 11 вращаются (находясь в постоянном защемлении), но поскольку колёса 7, 9, 11 свободно посажены на вал 8, момент на него не передаётся.

Если передвинуть муфту 10 вдоль вала 8 до сцепления ее внутренних зубьев с зубьями венца 11а, то включается I передача, при этом поток мощности (момент) с вала 1 через зубчатые колёса 2, 13, 20, 11, 11а, муфту 10, ступицу 4 (заднюю) передастся на вал 8.

Если муфту 10 передвинуть влево по рисунку до введения в зацепление ее внутренних зубьев с зубьями венца 9а, то включается ii передача, и момент на вал 8 с вала 1 передаётся по цепочке: колеса 2, 13, 15, 9, 9а, муфта 10, ступица 4, вал 8.

Третья передача включается перемещением муфты 5 вправо до соединения зубьев муфты с венцом 6. Момент передаётся по цепочке: вал 1, колёса 2, 13, 14, 7, венец 6, муфта 5, ступица 4, вал 8.

Четвёртая передача включается при перемещении муфты 5 влево до сцепления зубьев муфты с венцом 3, и момент непосредственно с вала 1 через венец 3, муфту 5, ступицу 4 передаётся на вал 8. Передача эта называется прямой, т.к. передаточное число равно 1.

Для включения заднего хода шестерню 17 нужно сдвинуть влево по оси 18. При этом шестерня 17 соединит колесо 16 с зубчатым венцом 10а, выполненным на муфте 10. Момент с вала 1 через колёса 2, 13, 16, 17, 10а, муфту 10, ступицу 4 передаётся на вал 8, но с противоположным знаком (другого направления) т.к. шестерня 17 является третьим зубчатым колесом в цепочке передачи вращения от вала 12 к валу 8 (см. рисунок сечение Б-Б). Как известно каждое дополнительное зубчатое колесо в цепи меняет вращение на противоположное.

Рассмотренная схема трёхвальной четырёхступенчатой механической коробки передач широко применяется в легковых и грузовых автомобилях классической компоновки с приводом на заднюю ось. Соосность ведущего (первичного) и ведомого (вторичного) валов позволяет удобно передать вращающий момент с коробки на задний мост с помощью карданных передач.

Для перехода с одной передачи на другую, как показано выше, необходимо муфту 5, рис5.1, (при переборе третьей и четвёртой передач) или муфту 10 (для первой и второй передач) вывести из зацепления с одним зубчатым венцом и ввести в зацепление с другим. Если процесс выведения из зацепления не представляет сложности, то введение в зацепление муфты с венцом вновь включаемой передачи осложняется тем, что муфта и венец имеют разные скорости вращения. Для облегчения процесса включения в конструкциях, переключающих муфт, предусматривается специальное устройство, называемое синхронизатором.

Рассмотрим его устройство и принцип действия на примере синхронизатора третьей и четвёртой передач автомобиля «Москвич-407 рис 5.2.

Шестерня 1 первичного вала и шестерня 7 третьей передачи вторичного вала 8 имеют зубчатые венцы 3 и 6 и конусные поверхности по концам. Между этими шестернями расположен собственно синхронизатор. Он состоит из ступицы 12 с сухарями 5 и пружинными кольцами 11, передвижной муфты 13 и двух бронзовых блокирующих колец 9 и 14.

Ступица 12 установлена на шлицах вторичного вала 8 и закреплена стопорным кольцом 2. В трех пазах 16 на ступице установлены сухари 5, разжимаемые двумя пружинными кольцами 11 и входящие своими выступами в кольцевую канавку 15 на внутренней поверхности передвижной муфты 13, которая своими зубьями надвинута на зубья ступицы. В наружную выточку муфты 13 входит вилка 4 переключающего механизма. По обеим сторонам ступицы установлены блокирующие кольца 9 и 14, имеющие внутри конусную поверхность, а снаружи зубчатый венец со скошенными торцами зубьев. В пазы 10 колец входят концы сухарей.

Действие синхронизатора заключается в следующем. При включении передачи (например, четвертой) муфта 13 передвигается с помощью вилки 4 по зубьям ступицы 12 к шестерне 1 первичного вала. При этом сухари 5, удерживаемые в муфте кольцами 11, своими торцами надавливают на блокирующее кольцо 14 и слегка прижимают его к конусной поверхности шестерни 1. Вследствие трения и разности скоростей вращения первичного и вторичного валов кольцо 14 провернется в сторону вращения шестерни 1 на величину бокового зазора С между сухарями и пазами кольца. Зазор С равен половине толщины зуба зубчатых венцов. При этом скошенная поверхность торцов зубьев муфты 13, упираясь в скошенную поверхность торцов зубьев кольца 14, не даст зубьям войти в зацепление, поэтому блокирующие кольца (под давлением со стороны рычага переключения) сильнее прижимаются к конусной поверхности шестерни 1. В результате трения между конусами скорости вращения ведущего и ведомого валов выравниваются. После этого сопротивление скошенных поверхностей торцов зубьев уменьшается и, муфта 13 сдвигается дальше, при этом сухари 5 выжимаются из канавки муфты и зубья муфты проходят через зубья венца кольца 14 и надвигаются на зубья венца 3 шестерни 1, производя безударное включение четвертой передачи.

Состав и действие синхронизаторов для включения других передач аналогичны описанному выше.

Механизм переключения коробки состоит из вилок 3, 7, 8 (рис 5.3), закрепленных на ползунах 27, 28, 29 рычага 1 переключения. Рычаг 1 прижимается пружиной 2 к сферической поверхности крышки 26. В состав механизма переключения входят, также, шариковые фиксаторы 25, предотвращающие самопроизвольное включение и выключение передач, а также замок, исключающий одновременное включение двух передач и пружинный предохранитель 33, затрудняющий включение передачи заднего хода. Замок состоит из двух сухарей 30 и 32, размещенных в горизонтальном отверстии крышки коробки между средним и крайними ползунами, и штифта 31, находящегося в отверстии среднего ползуна. На ползунах выполнены углубления под сферические концы сухарей 30 и 32 и по три углубления под шарики фиксаторов. На ползунах также выполнены головки с поперечными (по отношению к оси ползуна) пазами, в которые вводится нижний конец рычага переключения. При передвижении верхнего конца рычага влево по рисунку его нижний конец окажется в прорези головки правого ползуна 29. Если теперь, верхний конец рычага переместить вперед (влево по рисунку), то ползун 29 нижним концом рычага переместится назад (вправо по рисунку) и, при этом, зубчатая каретка 6 вилкой 7 будет введена в зацепление с венцом 12 промежуточного вала 20 и включится первая передача.

Если же верхний конец рычага переместить назад, то нижний его конец переместится вперед (влево по рисунку) и каретка 6 внутренними шлицами войдет в зацепление с дополнительным (малым) венцом зубчатого колеса 5 и включится вторая передача.

Если отклонить верхний конец рычага вправо (по движению автомобиля) почти без усилия, то нижний его конец окажется в прорези головки ползуна 28. И теперь при перемещении рычага вперед или назад ползун 28 переместится назад или вперед (вправо или влево по рисунку). При этом вилка 3 переместит муфту синхронизатора 21 до положения включения соответственно четвертой или третьей передачи.

Если верхний конец рычага отклонить вправо с усилием, то, нижний конец его, преодолевая усилие пружины предохранителя 33, окажется в прорези головки ползуна 27, включения заднего хода. Если дальше переместить верхний конец рычага назад по движению, то нижний его конец переместит с помощью вилки 8 блок шестерен заднего хода влево по рисунку до зацепления шестерни 15 с колесом 6, а шестерни 14 с зубчатым венцом 12 и включится передача заднего хода.

Шарики фиксаторов, закатываясь в одно из трех углублений, фиксируют положения ползунов в трех положениях, соответствующих включению двух соседних передач и нейтральному положению.

Замки, предохраняющие от включения одновременно двух передач, работают следующим образом. При перемещении, например, среднего ползуна оба сухаря 30 и 32 выдавливаются из углублений в среднем ползуне и входят в углубления крайних ползунов, исключая их смещение. Если же перемещать один из крайних ползунов, сухарь, взаимодействующий с ним, выходит из углубления на своем ползуне, запирает средний ползун и, действуя через штифт 31 на другой сухарь, запирает также и другой крайний ползун.

Здесь рассмотрен лишь один из известных вариантов конструкции механизма переключения. При размещении рычага переключения на рулевой колонке устройство механизма переключения существенно иное. У переднеприводных автомобилей в связи с особым расположением коробки передач, механизм ее переключения также отличается от рассмотренного выше, однако все механизмы имеют и много общего.

В автомобилях с передним расположением двигателя и приводом на передние колеса, а также в автомобилях с задним расположением двигателя и приводом на задние колеса соосность ведомого и ведущего валов, как в трехвальной схеме, затрудняет компоновку трансмиссии, поэтому в таких компоновках чаще всего используются двухвальные коробки передач.

Рассмотрим конструкцию и принцип действия коробки передач автомобиля «Ока» (ВАЗ 1111) рис 5.4 На этом автомобиле установлена двухвальная, четырехступенчатая коробка передач. Коробка объединена в одном картере 1, рис. 5.4. с главной передачей и дифференциалом. Первичный вал 2 выполнен в виде блока шестерен 3, 4, 5, 6, 7 и оперт на подшипники. Зубчатые венцы 3, 5, 6, 7 (ведущие колеса) первичного вала находятся в постоянном зацеплении с ведомыми шестернями 8, 9, 10, 11 переднего хода, расположенными на игольчатых подшипниках на вторичном валу 12. Кроме них на вторичном валу установлены два синхронизатора 13 и 14. Зацело с вторичным валом изготовлена ведущая шестерня главной передачи 15, находящаяся в постоянном зацеплении с ведомой шестерней главной передачи 16, участвующей в работе ведущего моста. На первичном валу 2 имеется также зубчатый венец 4 передачи заднего хода. Шестерня включения заднего хода, так же как и на трехвальных коробках, установлена на оси (на рисунке не показана), и при включении заднего хода эта шестерня соединяет зубчатый венец 4 и дополнительный венец на муфте переключения 14.

Переключение передач переднего хода осуществляется с помощью муфт-синхронизаторов13 и 14 аналогично действию трехвальной коробки, рассмотренной выше.

Устройство восьмиступенчатой коробки (на примере коробки, так называемого горного тягача КАЗ 4540) представлено на рис 5.5. В состав коробки входят: первичный вал 1, вторичный вал 2, промежуточный вал 3, ось 4 шестерни включения заднего хода 5, синхронизатор делителя 6, шестерня 7, установленная на первичном валу 1 на игольчатом подшипнике.

На вторичном валу 2 на подшипниках установлены шестерни 9, 11, 13, 15 и синхронизаторы 16 и 17. На промежуточном валу 3 на шпонках установлены зубчатые колеса 8, 10, 12, 14 и нарезаны зубья первой передачи и заднего хода. На правом (внутреннем) конце вала 1 имеются шлицы, на которые насажена ступица синхронизатора делителя 6.

Смещение муфты синхронизатора 6 влево, в сторону шестерни 7, обеспечивает соединение этой шестерни с первичным валом 1 по цепочке: шлицевой конец вала 1 – ступица синхронизатора 6 – муфта синхронизатора 6 – дополнительный зубчатый венец шестерни 7 – через шлицы на шестерню 7. Таким образом, включается низшая передача делителя. Крутящий момент от первичного вала 1 передается через вышеуказанную цепочку на шестерню 7 и далее через колесо 8 на промежуточный вал 3. С вала 3 момент передается на ведомый (вторичный) вал 2 через пары зубчатых шестерен 3 и 9 – первая передача, 10 и 11 – вторая передача, 12 и 13 – третья передача, 14 и 15 – четвертая передача в зависимости от положения кареток синхронизаторов 16 и 17.

Смещение муфты синхронизатора 6 в сторону шестерни 5 обеспечивает соединение этой шестерни с ведущим валом 1 по цепочке: шлицевой конец вала 1 – ступица синхронизатора 6 – муфта синхронизатора 6 — дополнительный зубчатый венец шестерни 15 – через шлицы на шестерню 15. При этом происходит включение высшей передачи делителя. Теперь момент с первичного вала 1 на промежуточный вал 3 передается не через зубчатую пару 7-8, а через пару 15-14. Передаточное отношение у этих пар разное (у пары 7-8 больше, чем у пары 15-14).

На высшей передаче крутящий момент с вала 1 передается на шестерню 15 (по выше обозначенной цепочке) и, далее, с шестерни 15 на шестерню 14, промежуточный вал 3 и с него на ведомый вал 2 через пары шестерен: 12 и 13, 10 и 11, 3 и 9 (в зависимости от положения муфт синхронизаторов 16 и 17).

Передача 4В – прямая, т.к. момент с вала 1 на вал 2 передается напрямую через шестерню 15 и синхронизатор 6 делителя. Включение передачи заднего хода аналогично предыдущим коробкам.

Переключение передач основной коробки производится с помощью механизма переключения, аналогичного описанному выше, а переключение делителя с помощью пневмо-цилиндра 18, управляемого электропневматическими клапанами с помощью двухпозиционного переключателя (Н-В), находящегося на рычаге переключения передач. В коробке имеется электрический датчик, а на панели управления сигнальная лампа включенного (выключенного) положения делителя.

Механические ступенчатые коробки передач благодаря простоте конструкции, высокому КПД, хорошей надежности и долговечности получили самое широкое распространение. Однако они обладают и рядом существенных недостатков. Например, в таких коробках происходит разрыв мощности во время переключения, что ухудшает динамику движения автомобиля. Дискретность ряда передаточных отношений не позволяет оптимально использовать мощность двигателя. Правильность выбора передачи в конкретных условиях движения зависит от квалификации водителя. Частое переключение передач утомляет водителя, особенно в условиях интенсивного движения (например, по городу).

Многих недостатков ступенчатых коробок передач удается избежать, применяя бесступенчатые трансмиссии – механические, электромеханические, гидрообъемные и гидромеханические.

Бесступенчатое механическое регулирование момента и частоты вращения в трансмиссиях автомобиля можно обеспечить благодаря применению так называемых вариаторов – клиноременного, лобового, тороидного, фрикционного многодискового и других. Принцип действия этих механизмов широко известен. Однако по ряду причин они редко применяются в трансмиссиях автомобилей.

Электромеханический и гидрообъемный принцип передачи мощности от двигателя к ведущим колесам автомобиля также широко известен, принципиальная схема и состав такого типа трансмиссий рассмотрены выше в разделе классификации трансмиссий.

Достаточно широкое распространение в автомобилестроении получил так называемый гидромеханический способ передачи мощности, реализованный в конструкции автоматических коробок передач.

Наибольшее распространение получили комбинированные гидромеханические коробки передач, состоящие из гидродинамической бесступенчатой передачи (гидротрансформатора) и последовательно присоединенной к ней механической ступенчатой коробки передач.

Гидротрансформатор (рис. 5.6) представляет собой гидравлический механизм, включаемый между двигателем и механической частью трансмиссии автомобиля и обеспечивающий автоматическое изменение передаваемого крутящего момента в соответствии с изменениями нагрузки на ведомом валу. В простейшем гидротрансформаторе имеются три рабочих колеса с лопатками, рис. 5.6: вращающееся насосное колесо 4, турбинное 3 и неподвижное колесо-реактор 5. Лопатки делают криволинейными. Изнутри лопатки колес закрыты круглыми стенками, образующими внутри колес малую кольцевую полость круглого сечения (тор). Рядом расположенные колеса с лопатками образуют замкнутую по окружности полость, в которой циркулирует залитая в гидротрансформатор жидкость (низковязкое масло).

Насосное колесо 4 соединено с корпусом (ротором) и через него с коленчатым валом 1 двигателя. Турбинное колесо 3 связано через коленчатый вал 7 с последовательно установленной ступенчатой механической коробкой передач. Реактор закреплён неподвижно на втулке 6, соединённой с картером гидротрансформатора. Ротор 2 установлен на подшипниках в картере. Для того чтобы масло постоянно заполняло рабочую полость колес, а так же в целях охлаждения масло непрерывно нагнетается (при работе) из резервуара в рабочую полость шестеренчатым насосом и сливается обратно в резервуар.

При работе гидротрансформатора масло захватывается лопатками вращающегося насосного колеса 4, отбрасывается центробежной силой к наружной окружности, попадает на лопатки турбинного колеса 3, и вследствие создаваемого при этом напора, приводит его во вращение вместе с ведомым валом 7. Далее масло поступает на лопатки неподвижно закрепленного колеса – реактора, изменяющего направление потока жидкости и направляющего его на вход насосного колеса.

Таким образом, масло циркулирует по замкнутому кругу, обозначенному стрелками на рис 5.6. Одновременно масло участвует в общем вращении с колесами.

Наличие неподвижного колеса-реактора, изменяющего направление потока жидкости, приходящего с турбинного колеса, вызывает появление силы реакции воздействующей на турбинное колесо со стороны реактора.

Указанная сила создаёт, соответственно, реактивный момент на турбинном колесе, дополнительно к моменту, действующему со стороны насосного колеса.

Таким образом, наличие реактора даёт возможность получить на валу турбинного колеса крутящий момент отличный от момента передаваемого двигателем насосному колесу. Чем медленнее вращается турбинное колесо, по сравнению с насосным, (например, при возрастании нагрузки на валу турбинного колеса – внешней нагрузки), тем значительнее лопатки реактора изменяют направление проходящего через них потока жидкости и, тем больший дополнительный момент передаётся от реактора турбинному колесу, вследствие чего увеличивается момент на его валу. Это свойство гидротрансформатора автоматически изменять соотношение моментов на ведущем и ведомом валах в зависимости от соотношения чисел оборотов (от внешней нагрузки), аналогично действию передаточной коробки с автоматическим изменением передаточных чисел.

Основными кинематическими параметрами, характеризующими работу гидротрансформатора, являются:

— отношение моментов на ведущем и ведомом валу, называемое коэффициентом трансформации:

— передаточное число, определяемое отношением скорости вращения валов:

Наибольшего значения коэффициент трансформации K = 2. 4, достигает при ω _T = 0 (при остановленном турбинном колесе), при этом i = ∞. При увеличении оборотов турбины передаточное отношение гидротрансформатора плавно и бесступенчато уменьшается, приближаясь к единице.

С целью увеличения КПД гидротрансформатора реакторное колесо соединяют с корпусом реактора с помощью, так называемой, муфты свободного хода, которая при увеличении ω _T позволяет реакторному колесу вращаться в направлении вращения турбинного колеса. Момент на реакторном колесе становится равным нулю и гидротрансформатор превращается в гидромуфту. При этом M_T = M_H; K = 1.

Гидротрансформатор не обеспечивает требуемого диапазона передаточных чисел, отключения ведущего вала от ведомого и движения автомобиля задним ходом, поэтому, обычно его применяют в сочетании со ступенчатыми механическими коробками передач.

Рассмотрим устройство и принцип действия гидромеханической передачи с дополнительной трёхступенчатой механической коробкой передач, схема которой приведена на рис. 5.7.

Работой передачи управляют с помощью рукоятки (контроллера) управления, имеющего 4 положения, обозначенные буквами H, Д, П, ЗХ.

При нейтральном положении рукоятки H оба сцепления 3 и 5, и оба тормоза 4 и 7, выключены; при этом ведущий вал 2 разобщен от центрального вала 6 коробки, и вращение на ведомый вал 13 не передается.

При установке рукоятки в положение П (первая передача) включается переднее сцепление 3 и задний тормоз 7. Вращение с ведущего вала 2 передается центральному валу 6 и далее через заднюю солнечную шестерню 12, короткие 14 и длинные 9 сателлиты (каретка 11 с осями сателлитов стоит неподвижно) на коронную шестерню 10 и ведомый вал 13. Передаточное число коробки при этом равно 2,84 и за счет действия гидротрансформатора 1 оно может возрастать автоматически до 5,68 (К = 2).

При установке рукоятки в положение Д и соответствующих условиях работы (трогание с места, разгон и т.д.) автоматически включается переднее сцепление 3 и передний тормоз 4, что соответствует включению 2-ой передачи.

При этом вращение с вала 2 передается на вал 6, далее через заднюю солнечную шестерню 12, на короткие сателлиты 14 и на длинные сателлиты 9, которые дополнительно обкатываясь по неподвижно закрепленной передней солнечной шестерне 8, передают более ускоренное вращение чем на первой передаче на коронную шестерню 10 и ведомый вал 13. Передаточное число коробки равно 1,68 и может автоматически, за счет гидротрансформатора меняться до 3,36. При уменьшении сопротивления движению, и появлении возможности увеличения скорости и перехода на третью передачу автоматически включаются переднее 3 и заднее 5 сцепления. При этом планетарный редуктор блокируется, и все три вала 2, 6, 13 вращаются как одно целое. Передаточное число коробки при этом равно 1 и может увеличиваться только за счет действия гидротрансформатора. При увеличении сопротивления дороги опять автоматически включается вторая передача. Кроме того, в случае необходимости (например, при обгоне), водитель сам может включить вторую передачу, нажав на педаль управления дроссельной заслонкой до отказа.

При установке рукоятки в положение ЗХ, включаются заднее сцепление 4 и задний тормоз 7. При этом вращение с передней солнечной шестерни 8 передаётся через длинные сателлиты 9 (каретка 11 неподвижна), на коронную шестерню 10 в обратном направлении и таким образом включается задний ход. Передаточное число при этом равно 1,72.

Рис.5.3. Механизм переключения коробки передач: 1 — рычаг; 2 — пружина; 3, 7, 8 — вилка; 4, 17 — шестерня и колесо третьей передачи; 5, 16 — колесо и шестерня второй передачи; 6 — колесо-каретка первой передачи и заднего хода; 9, 11, 22 — шариковые подшипники; 10 — ведомый вал; 12 — зубчатое колесо; 13 — ось; 14, 15 — зубчатое колесо заднего хода; 18 — корпус; 19 — зубчатое колесо; 20 — промежуточный вал; 21 — ступица синхронизатора; 23 — ведущий вал; 24 — шестерня ведущего вала; 25 — шариковый фиксатор; 26 — крышка с механизмом переключения передач; 27, 28, 29 — ползун; 30, 32 — сухарь; 31 — штифт; 33 — пружинный предохранитель

Рис. 5.5 Восьмиступенчатая коробка передач (с делителем): 1 — первичный вал; 2 — вторичный вал; 3 — промежуточный вал; 4 — ось шестерни ЗХ; 5 — зубчатое колесо заднего хода; 6 — синхронизатор делителя; 7 — зубчатое колесо первичного вала; 8 — зубчатое колесо привода промежуточного вала; 9 — зубчатое колесо I и II передачи; 10 — зубчатое колесо III и IV передач промежуточного вала; 11 — зубчатое колесо II и IV передач; 12 — зубчатое колесо V и VI передач промежуточного вала; 13 — зубчатое колесо V и VI передач; 14 — зубчатое колесо VII передачи промежуточного вала; 15 — зубчатое колесо VII и VIII передач; 16, 17 — синхронизаторы

Рис. 5.6 Схема одноступенчатого гидротрансформатора: 1 — коленчатый вал двигателя; 2 — корпус гидротрансформатора; 3 — турбинное колесо; 4 — насосное колесо; 5 — колесо-реактор; 6 — вал колеса-реактора; 7 — ведомый вал

Детали машин

Планетарными называют передачи, имеющие зубчатые колеса с подвижными осями. Отличительной особенностью механизмов, включающих планетарную передачу (или передачи), является наличие двух или более степеней свободы. При этом угловая скорость любого звена передачи определяется угловыми скоростями остальных звеньев.

Наибольшее распространение получила простая одинарная планетарная передача (рис. 1), которая состоит из центрального колеса 1 с наружными зубьями, неподвижного центрального колеса 3 с внутренними зубьями; сателлитов 2 – колес с наружными зубьями, зацепляющихся одновременно с колесами 1 и 3 (на рис. 1 число сателлитов с = 3), и водила Н, на котором закреплены оси сателлитов. Водило соединено с тихоходным валом. В планетарной передаче одно колесо неподвижно (соединено с корпусом). Обычно внешнее центральное колесо с внутренними зубьями называют коронным (коронная шестерня или эпицикл), а внутреннее колесо с внешними зубьями – солнечным колесом (солнечная шестерня или солнце).

При неподвижном колесе 3 вращение колеса 1 вызывает вращение сателлитов 2 относительно собственных осей, а обкатывание сателлитов по колесу 3 перемещает их оси и вращает водило Н. Сателлиты таким образом совершают вращение относительно водила и вместе с водилом вокруг центральной оси, с. е. совершают движение, подобное движению планет. Поэтому такие передачи и называют планетарными.

При неподвижном колесе 3 движение передают чаще всего от колеса 1 к водилу Н, можно передавать движение от водила Н к колесу 1.

В планетарных передачах применяют не только цилиндрические, но и конические колеса с прямым или косым зубом.

Если в планетарной передаче сделать подвижными все звенья, т. е. оба колеса и водило, то такую передачу называют дифференциальной .
С помощью дифференциального механизма можно суммировать движение двух звеньев на одном или раскладывать движение одного звена на два других. Например, в дифференциале заднего моста автомобиля движение от водила Н передают одновременно колесам 1 и 3, что позволяет при повороте одному колесу вращаться быстрее другого.

Разновидности планетарных передач

Существует много различных типов и конструкций планетарных передач. Наиболее широко в машиностроении применяют однорядную планетарную передачу, схема которой показана на рисунке 1. Эта передача конструктивно проста, имеет малые габариты. Находит применение в силовых и вспомогательных приводах. КПД планетарной передачи η = 0,96…0,98 при передаточных числах u = 3…8.

Планетарные механизмы, в составе которых присутствуют одна или несколько планетарных передач подразделяются на однорядные, двухрядные и многорядные. Каждый набор из центральных зубчатых колёс и сателлитов, вращающихся в одной плоскости, образует так называемый планетарный ряд . Простой планетарный механизм с набором одновенцовых сателлитов является однорядным. Простые планетарные механизмы с двухвенцовыми сателлитами являются двухрядными. Сложные планетарные механизмы могут быть двух, трёх, четырёх и даже пятирядными.

Для получения больших передаточных чисел в силовых приводах применяют многоступенчатые планетарные передачи. На рис. 2,а планетарная передача составлена из двух последовательно соединенных однорядных планетарных передач. В этом случае суммарное передаточное число u = u₁×u₂ ≤ 64, а КПД равен η = η₁×η₂ = 0,92…0,96.

На рисунке 2, б показана схема планетарной передачи с двухрядным (двухвенцовым) сателлитом, для которой при передаче движения от колеса 1 к водилу Н при n₄ = 0 передаточное число определяется из зависимостей:

В этой передаче u = 3…19 при КПД η = 0,95…0,97.

Как упоминалось выше, планетарные передачи, у которых все звенья подвижны, называют дифференциальными или просто дифференциалами.

Неизбежные погрешности изготовления приводят к неравномерному распределению нагрузки между сателлитами. Для выравнивания нагрузки в передачах с тремя сателлитами одно из центральных колес выполняют самоустанавливающимся в радиальном направлении (не имеющим радиальных опор). Для самоустановки сателлитов по неподвижному центральному колесу применяют сферические подшипники качения.
Высокие требования предъявляются к прочности и жесткости водила, при этом его масса должна быть минимальной. Обычно водила выполняют литыми или сварными.

Достоинства и недостатки планетарных передач

Основными достоинствами планетарных передач являются:

• малые габариты и масса вследствие передачи мощности по нескольким потокам, численно равным количеству сателлитов. При этом нагрузка в каждом зацеплении уменьшается в несколько раз;
• удобство компоновки в машинах благодаря соосности ведущего и ведомого валов;
• работа с меньшим шумом, чем в обычных зубчатых передачах, что обусловлено меньшими размерами колес и замыканием сил в механизме. При симметричном расположении сателлитов силы в передаче взаимно уравновешиваются;
• малые нагрузки на валы и опоры, что упрощает конструкцию опор и снижает потери в них;
• возможность получения больших передаточных чисел при небольшом числе зубчатых колес и малых габаритах передачи.

Не лишены планетарные передачи и недостатков:

• повышенные требования к точности изготовления и монтажа передачи;
• большее количество деталей, в т. ч. подшипников, и более сложная сборка.

Область применения планетарных передач

Планетарные передачи применяют как редукторы в силовых передачах и приборах, в коробках передач автомобилей и другой самоходной техники, при этом передаточное число такой КПП может изменяться путем поочередного торможения различных звеньев (например, водила или одного из колес), в дифференциалах автомобилей, тракторов и т. п.

Широкое применение планетарные передачи нашли в автоматических коробках передач автомобилей благодаря удобству управления передаточными числами (переключением передач) и компактности. Можно встретить планетарные передачи и в механизмах привода ведущих колес современных велосипедов. Часто применяют планетарную передачу, совмещенную с электродвигателем (мотор-редуктор, мотор-колесо).

Передаточное число планетарных передач

При определение передаточного числа планетарной передачи используют метод остановки водила ( метод Виллиса ).
По этому методу всей планетарной передаче мысленно сообщается дополнительное вращение с частотой вращения водила n_Н , но в обратном направлении. При этом водило как бы останавливается, а закрепленное колесо освобождается. Получается так называемый обращенный механизм, представляющий собой обычную непланетарную передачу, в которой геометрические оси всех колес неподвижны. Сателлиты при этом становятся промежуточными (паразитными) колесами, т. е. колесами, не влияющими на передаточное число всего механизма.
Передаточное число в обращенном механизме определяется как в духступенчатой передаче с одним внешним и вторым внутренним зацеплением.

Здесь существенное значение имеет знак передаточного числа. Передаточное число считают положительным, если в обращенном механизме ведущее и ведомое звенья вращаются в одну сторону, и отрицательным, если в разные стороны. Так, для обращенного механизма передачи по рис. 1 имеем:

где z – числа зубьев колес.

В рассматриваемом обращенном механизме знак минус показывает, что колеса 2 и 3 вращаются в обратную сторону по отношению к колесу 1.

В качестве примера определим передаточное число для планетарной передачи, изображенной на рис. 1, при передаче движения от колеса 1 к водилу Н. Мысленная остановка водила в этой передаче равноценна вычитанию его частоты n_Н из частоты вращения колес.
Тогда для обращенного механизма этой передачи имеем:

Для планетарной передачи, у которой колесо 3 закреплено в корпусе неподвижно ( n₃ = 0), колесо 1 является ведущим, а водило Н – ведомым.
Тогда получим передаточное число такой передачи:

Подбор чисел зубьев планетарных передач

В отличие от обычных зубчатых передач расчет планетарных начинают с подбора чисел зубьев на колесах и сателлитах. Рассмотрим последовательность подбора чисел зубьев на примере планетарной передачи, изображенной на рис. 1.

Число зубьев z₁ центральной шестерни 1 задают из условия неподрезания ножки зуба: z₁ ≥ 17. Принимают z₁ = 24 при Н ≤ 350 НВ; z₁ = 21 при Н ≤ 52 HRC и z₁ = 17 при Н > 52 HRC.

Число зубьев неподвижного центрального колеса 3 определяют по заданному передаточному числу u :

Число зубьев z₂ сателлита 2 вычисляют из условия соосности, в соответствии которым межосевые расстояния a_w зубчатых пар с внешним и внутренним зацеплением должны быть равны.
Из рис. 1 для немодифицированной прямозубой передачи:

где d = mz — делительные диаметры колес.

Так как модули зацеплений планетарной передачи одинаковые, то формула (1) принимает вид:

Полученные числа зубьев z₁ , z₂ , и z₃ проверяют по условиям сборки и соседства.

Условие сборки требует, чтобы во всех зацеплениях центральных колес с сателлитами имело место совпадение зубьев со впадинами, в противном случае собрать передачу будет невозможно. Установлено, что при симметричном расположении сателлитов условие сборки удовлетворяется, когда сумма зубьев центральных колес (z₁ + z₃) кратна числу сателлитов с = 2…6 (обычно с = 3), т. е. должно соблюдаться условие:

Условие соседства требует, чтобы сателлиты не задевали зубьями друг друга. Для этого необходимо, чтобы сумма радиусов вершин зубьев соседних сателлитов, равная d_a2 = m(z₂ + 2 ) , была меньше расстояния l между их осями (рис. 1), т. е.:

Из формулы (2) следует, что условие соседства удовлетворяется, когда

Расчет на прочность планетарных передач

Расчет на прочность зубчатых передач планетарного типа ведут по методике, применяемой для обычных зубчатых передач. Основными критериями работоспособности для большинства планетарных передач (как и для всех зубчатых передач), является усталостная контактная прочность рабочих поверхностей зубьев и прочность зубьев при изгибе. При этом под контактной прочностью понимают способность контактирующих поверхностей зубьев обеспечить требуемую безопасность против прогрессирующего усталостного выкрашивания, а прочностью при изгибе – способность зубьев обеспечить требуемую безопасность против усталостного излома зуба.

Расчет выполняют для каждого зацепления. Например, в передаче, изображенной на рис. 1, необходимо рассчитать внешнее зацепление колес 1 и 2 и внутреннее – колес 2 и 3. Так как модули и силы в этих зацеплениях одинаковы, а внутреннее зацепление по своим свойствам прочнее внешнего, то при одинаковых материалах колес достаточно рассчитать только внешнее зацепление.

Расчет начинают с подбора чисел зубьев колес, как было показано выше.

При определении допускаемых напряжений коэффициенты долговечности находят по эквивалентных числам циклов нагружения. При этом число циклов перемены напряжений зубьев за весь срок службы вычисляют при вращении колес только относительно друг друга.

При определении допускаемых напряжений изгиба для зубьев сателлита вводят коэффициент Y_A , учитывающий двустороннее приложение нагрузки (симметричный цикл нагружения).

Межосевое расстояние планетарной прямозубой передачи для пары колес внешнего зацепления (центральной шестерни с сателлитом) определяют по формуле:

где u’ = z₂/z₁ – передаточное число рассчитываемой пары колес;
К_c = 1,05…1,15 – коэффициент неравномерности распределения нагрузки между сателлитами;
Т₁ – вращающий момент на валу центральной шестерни, Нм;
с – число сателлитов;
ψ_ba — коэффициент ширины венца колеса:
ψ_ba = 0,4 для Н ≤ 350 НВ;
ψ_ba = 0,315 при 350 НВ < Н ≤ 50 HRC,
ψ_ba = 0,25 для Н > 50 HRC.

Ширина b₃ центрального колеса 3 определяется по формуле b₃ = ψ_baa_w .
Ширину b₂ венца сателлита принимают на 2…4 мм больше значения b₃ ; ширина центральной шестерни b₁ = 1,1 b₂ .

Модуль зацепления определяют по формуле:

Получнный расчетом модуль округляют до ближайшего стандартного значения, а затем уточняют межосевое расстояние:

Окружную силу F_t в зацеплении вычисляют по формуле:

Радиальную силу F_r определяют по формуле:

где α_w = 20˚ – угол зацепления.