Коробка передач в автомобилях

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Назначение……………………………………………………………………..4

2. Устройство…………………………………………………………………......5

3. Основные неисправности коробки передач………………………………....9

4. Расчет КПП автомобиля ВАЗ-2104………………………………………....10

Расчетный крутящий момент……………………………………………12

Расчетная частота вращения…………………………………………....13

Определение величин, входящих в формулы для нахождения расчетных напряжен……………………………………………………….……16

Относительный пробег на различных передачах……………………....20

Определение расчетных напряжений изгиба…………………………..22

Определение контактной напряженности поверхностей зубьев…..….28

Ресурсы зубчатых колёс………………………………………………....33

Расчёт валов………………………………………………………………34

Пробег автомобиля…………………………………………………….....38

Подбор подшипников………………………………………………….…39

Список используемой литературы……………………………………………44

Введение

Автомобилю приходится двигаться со скоростями от очень маленькой до сотни-другой километров в час – а потому диапазон, в котором изменяются обороты колес, получается огромным – раз в 50. Но двигатель внутреннего сгорания способен эффективно работать лишь в интервале 2000–6000 об/мин, то есть менять скорость вращения коленчатого вала всего раза в три. Поэтому и приходится между ним и колесами ставить ту самую коробку, чтобы получить требуемую скорость движения при близких к оптимальным оборотах двигателя.

Кстати, не все известные моторы требуют применения такого преобразователя на шестеренках. Например, паровая машина и электродвигатель развивают немалый крутящий момент, что называется, "от нуля" – именно поэтому в троллейбусах (как и в паровозах) нет ни третьей педали, ни рычага коробки передач.

На различных автомобилях устройство коробки передач может отличаться, но принципиальная схема остаётся примерно одинаковой. Во втором разделе мы рассмотрим общее её устройство.

В четвёртом разделе мы выясним можно ли заставить коробку передач работать, автоматически подстраиваясь к режиму движения. Рассмотрим три самых распространенных сегодня варианта.

В пятом разделе будут рассмотрены основные неисправности коробки передач и способы их устранения.

1.      Назначение

Назначение коробки передач — изменять силу тяги, скорость и направление движения автомобиля. У автомобильных двигателей с уменьшением частоты вращения коленчатого вала крутящий момент незначительно возрастает, достигает максимального значения и при дальнейшем снижении частоты вращения также уменьшается. Однако при движении автомобиля на подъемах, по плохим дорогам, при трогании с места и быстром разгоне необходимо увеличение крутящего момента, передаваемого от двигателя к ведущим колесам. Для этой цели и служит коробка передач, в которую входит также передача, позволяющая автомобилю двигаться задним ходом. Кроме того, коробка передач обеспечивает разъединение двигателя с трансмиссией.

Ступенчатая коробка передач состоит из набора зубчатых колес, которые входят в зацепление в различных сочетаниях, образуя несколько передач или ступеней с различными передаточными числами. Чем больше число передач, тем лучше автомобиль «приспосабливается» к различным условиям движения. Коробка передач должна работать бесшумно, с минимальным износом; этого достигают применением зубчатых колес с косыми зубьями.

Ступенчатые коробки передач по числу передач переднего хода делят на четырех- и пятиступенчатые. Обычно коробки передач легковых автомобилей, малогабаритных автобусов и грузовых автомобилей небольшой грузоподъемности имеют четыре ступени, а коробки передач больших автобусов и грузовых автомобилей значительной грузо-подъемности — пять ступеней.

Ступенчатые коробки передач могут быть простые и планетарные. В основном на автомобилях применяют простые ступенчатые коробки передач, переключение передач в которых происходит двумя способами: передвижением зубчатых колес или передвижением муфт.

2.      Устройство

Рисунок 1. Коробка передач автомобиля ВАЗ-2104

1 – болт крепления к блоку цилиндров; 2 – картер сцепления; 3 – первичный вал; 4 – гайка крепления коробки передач к картеру сцепления; 5 - сапун; 6 – опора муфты выключения сцепления; 7 – передняя крышка; 8 – сальник первичного вала; 9 – стопорное кольцо; 10 – подшипник первичного вала; 11 – картер коробки передач; 12 – зубчатый венец шестерни первичного вала; 13 – игольчатый передний подшипник первичного вала; 14 – скользящая муфта; 15 – ведомая шестерня III передачи; 16 – вторичный вал; 17 – ведомая шестерня II передачи; 18 – скользящая муфта; 19 – ведомая шестерня I передачи; 20 – шпилька крепления задней крышки; 21 – задняя крышка; 22 – средний подшипник вторичного вала; 23 – ведомая шестерня заднего хода; 24 – рычаг переключения передач; 25 - шарик; 26 – ведущая шестерня привода спидометра; 27 – задний шариковый подшипник вторичного вала; 28 – сальник вторичного вала; 29 – передняя вилка упругой муфты; 30 – гайка крепления вилки упорной муфты; 31 – уплотнительное кольцо; 32 – центрирующее кольцо; 33 – грязеотражатель; 34 – шпилька крепления задней подвески силового агрегата; 35 – ведомая шестерня привода спидометра; 36 – шпонка; 37 – стопорное кольцо; 38 – ведущая шестерня заднего хода; 39 – стопорное кольцо; 40 – роликовый задний подшипник промежуточного вала; 41 – гайка крепления нижней крышки; 42 – нижняя крышка; 43 – ведущая шестерня I передачи; 44 – блок шестерен промежуточного вала; 45 – сливная пробка; 46 – фланец сливной пробки; 47 – ведущая шестерня II передачи; 48 – ведущая шестерня III передачи; 49 – ведомая шестерня блока шестерен; 50 – шариковый передний подшипник промежуточного вала; 51 – болт; 52 – гайка; 53 – болт; 54 – щиток.

Коробка передач предназначена для изменения по величине и направлению крутящего момента и передачи его от двигателя к ведущим колесам (рисунок 2). Также она обеспечивает длительное разобщение двигателя и ведущих колес, причем на неограниченный срок и без усилий со стороны водителя (по сравнению со сцеплением).

Картер содержит в себе все основные узлы и детали коробки передач. Он крепится к картеру сцепления, который, в свою очередь, закреплен на двигателе. Так как при работе, шестерни коробки передач испытывают большие нагрузки, то они должны хорошо смазываться. Поэтому картер наполовину своего объема залит трансмиссионным маслом (в некоторых моделях автомобилей применяется моторное масло).

Рисунок 2. Схема работы коробки передач

1 - первичный вал; 2 - рычаг переключения передач; 3 - механизм переключения передач; 4 - вторичный вал; 5 - сливная пробка; 6 - промежуточный вал; 7 - картер коробки передач.

Валы коробки передач вращаются в подшипниках, установленных в картере, и имеют наборы шестерен с различным числом зубьев.

Синхронизаторы необходимы для плавного, бесшумного и безударного включения передач, путем уравнивания угловых скоростей вращающихся шестерен (наши руки на поручне вагона поезда в примере с работой сцепления).

Механизм переключения передач служит для смены передач в коробке и управляется водителем с помощью рычага из салона автомобиля. При этом замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а блокировочное устройство удерживает передачи от самопроизвольного выключения.

Процесс изменения величины крутящего момента (числа оборотов) на различных передачах (рисунок 3).

Рисунок 3. Передаточное отношение одной пары шестерен

Возьмем две шестерни, число зубьев первой равно 20,  второй – 40. Значит при двух оборотах первой шестерни, вторая сделает только один оборот (передаточное число равно 2).

Первичный вал коробки передач и шестерня «А» вращаются со скоростью 2000 об/мин (рисунок 4). Шестерня «Б» вращается в 2 раза медленнее, то есть она имеет 1000 об/мин, а так как шестерни «Б» и «В» закреплены на одном валу, то и третья шестеренка делает 1000 об/мин. Тогда шестерня «Г» будет вращаться еще в 2 раза медленнее - 500 об/мин.

В данном примере передаточное число первой пары шестерен равно двум, второй пары шестерен тоже - двум. Общее передаточное число этой схемы 2х2=4. То есть в 4 раза уменьшается число оборотов на вторичном валу коробки перемены передач, по сравнению с первичным. Обратите внимание на то, что если мы выведем из зацепления шестерни «В» и «Г», то вторичный вал коробки вращаться не будет. При этом прекращается передача крутящего момента и на ведущие колеса автомобиля, что и соответствует нейтральной передаче в коробке.

Рисунок 4. Передаточное отношение

Задняя передача, то есть вращение вторичного вала коробки передач в другую сторону, обеспечивается дополнительным, четвертым валом с шестерней заднего хода. Дополнительный вал необходим для того, чтобы получилось нечетное число пар шестерен, тогда крутящий момент меняет свое направление (рисунок 5).

Рисунок 5. Схема передачи крутящего момента при включении задней передачи

1 - первичный вал; 2 - шестерня первичного вала; 3 - промежуточный вал; 4 - шестерня и вал передачи заднего хода; 5 - вторичный вал

3.      Основные неисправности коробки передач

   Подтекание масла может быть из-за повреждения уплотнительных прокладок, сальников и ослабления крепления крышек картера.

   Для устранения неисправности необходимо поменять прокладки, сальники и подтянуть крепления крышек.

   Шум при работе коробки передач может возникнуть из-за несправного синхронизатора, износа подшипников, шестерен и шлицевых соединений.

   Для устранения неисправности необходимо заменить вышедшие из строя детали и узлы.

   Затрудненное включение передач может происходить из-за поломок деталей механизма переключения, износа синхронизаторов или шестерен.

   Для устранения неисправности необходимо заменить вышедшие из строя детали и узлы.

   Самовыключение передач случается из-за неисправности блокировочного устройства, а также при сильном износе шестерен или синхронизаторов.

   Для устранения неисправности необходимо заменить блокировочное устройство, вышедшие из строя шестерни, синхронизаторы.

4. Проверочный расчет КПП автомобиля ВАЗ-2104.

Исходные данные:

Номинальная мощность двигателя ВАЗ-2104 равна 104 л.с.

Передаточные числа: U1=3,636;

U2=2,1;

U3=1,36;

U4=1;

UЗХ=3,53;

Расчет будет проводится с увеличением мощности на 30%

Т= 104 * 1,3 = 133,9 л.с.

4.1 Расчет зубчатых передач.

Расчет на контактную выносливость активных поверхностей зубьев.

Проверочный расчёт предназначен для предотвращения отказов из-за ус­талостного выкашивания рабочих поверхностей зубьев. Расчет ведем по допускаемым контактным напряжениям.

1)     Расчётный крутящий момент на входном валу.

где u - передаточное число первой передачи, u = 3,636;

Tφ – суммарный крутящий момент, Tφ = 133,9 Н*м.

2)Расчетная окружная сила.

где T1, Т2 - крутящие моменты соответственно на шестерне и колесе, Н·м;

T1= T’p;

dw1, dw2 – диаметры начальных окружностей, м;

2×49,75/0,043=2313,9 Н;

3)Расчетная частота вращения вала.

где n1- частота вращения первичного вала коробки передач.

Расчет зубьев колёс на выносливость при изгибе.

Проверочный расчёт выполняют для предотвращения усталостного излома зубьев. Расчет ведем по допускаемым напряжениям изгиба.

1) Вычисление расчётных напряжений изгиба зубьев шестерни и колеса.

σF1 = [Ft/(dw1×mnm)] ×YF1×Yβ×Yε×KFα×KFβ×KFvi, МПа;

где Ft – расчетная окружная сила, Н;

mnm – средний нормальный модуль для цилиндрической передачи mnm=mn=4,65 мм;

YF – коэффициент формы зуба, зависящий от коэффициента смещения и действительного либо эквивалентного числа зубьев, YF1, YF2=3,9;

Коэффициент Yβ: для колёс Yβ=1;

Коэффициент Yε: для колёс Yε=1;

Коэффициент KFα: для цилиндрических передач и степени точности nст.т=6 и 7 KFα=1;

Коэффициент KFβ: для цилиндрических передач: KFβ= KHβ=1,06;

Коэффициент KFvi=1,10;

σF1=[2313,9 /(43×4,65)] ×3,9×1×1×1×1,06×1,10=52,62 МПа;

2) Определяют допускаемые напряжения изгиба.

σFP1=σFlim×KFL1,(МПа)

где σFlim – предельное напряжение изгиба, σFlim =460 МПа;

KFL1 – коэффициент долговечности, для стали 20Х2Н4А KFL1 = 1,439.

σFP1=460×1,439=661,94 МПа;

3) Проверяют выполнение условия выносливости на изгиб по допус­каемым напряжениям.

σF σFP;

52,62≤661,94.

Условие выносливости на изгиб по допускаемым напряжениям выполняется.

Расчёт на прочность.

Выполняется с целью предотвращения остаточной деформации или излома зубьев. Расчёт выполняется по максимальному динамическому крутящему моменту. Расчет ведем для первой передачи коробки передач.

1) Вычисление расчётного крутящего момента  и окружной силы.

TP=Tmax×u,

где Tmax – максимальный динамический момент на первичном валу коробки передач, Н·м.

Величину динамического момента вычисляют по коэффициенту динамичности.