Расчет элементов коробки передач

 

Цель работы – получить навыки расчета элементов конструкции механической коробки передач.

При расчете коробки передач следует:

– определить момент трения M_W синхронизатора, необходи­мый для выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей;

– определить работу трения (буксования) L_CИН синхронизато­ра, удельную работу трения L_УД и температуру t_СИН синхронизатора при буксовании;

– рассчитать детали коробки передач на прочность.

Момент трения синхронизатора. При переключении передач инерционный синхронизатор блокирует муфту, включающую передачу, до тех пор, пока кинетическая энергия деталей, вращаю­щихся с ведомым диском сцепления (при выключенном сцепле­нии и нейтрали в коробке передач), не затратится на работу тре­ния в синхронизаторе. Этот момент времени соответствует равен­ству угловых скоростей синхронизируемых деталей.

Выравнивание угловых скоростей соединяемых деталей про­исходит за счет момента трения, создаваемого на конических по­верхностях блокирующего кольца синхронизатора и шестерни включаемой передачи, свободно вращающейся на вторичном валу коробки передач:

                          

                               ,                                 (2.1)

 

где J_W – момент инерции, соответствующий вращающимся дета­лям вместе с шестерней включаемой передачи (ведомый диск сцеп­ления, первичный и промежуточный валы коробки передач, ше­стерни промежуточного вала и находящиеся с ними в постоян­ном зацеплении шестерни вторичного вала, свободно установ­ленные на нем);

 – угловая скорость включаемой ше­стерни более высокой передачи, ;

– угловая скорость вторичного вала до переключения передачи, ;

     t_СИН – время синхрони­зации (выравнивания) угловых скоростей ω₁ и ω₂.

Следовательно,

 

                          .                            (2.2)

 

В соответствии со схемой (рисунок 2.1) момент трения синхрони­затора можно определить по следующему выражению:

 

                                   ,                                    (2.3)

 

где  – нормальная сила на поверхности трения, ;

  μ – коэффициент трения;

  r_СР – средний радиус конуса;

 Q – усилие водителя при включении передачи;

     δ – половина угла конуса.

Учитывая момент трения, найдем связь между усилием, создаваемым водителем при включении передачи, и параметрами синхронизатора:

 

             .              (2.4)

 

Рисунок 2.1 – Схема инерционного синхронизатора

 

Таким образом, чем больше усилие водителя, тем меньше время синхронизации при включении передачи. При этом усилие водителя тем меньше, чем больше плотность ряда передаточных чисел коробки передач.

Работа трения синхронизатора. При включении передачи рабо­та, затрачиваемая на выравнивание угловых скоростей синхрони­зируемых деталей, является работой трения (буксования) син­хронизатора. Она затрачивается на поглощение кинетичес­кой энергии соединяемых вращающихся деталей:

 

    .          (2.5)

 

Из приведенного выражения видно, что работа буксования синхронизатора пропорциональна квадрату разности угловых ско­ростей шестерен соседних передач. При этом она не зависит от времени выравнивания угловых скоростей синхро­низируемых деталей.

Для уменьшения работы трения синхронизатора необходимо увеличивать число передач в коробке передач с целью сближения передаточных чисел соседних передач. Как показывает практика конструирования, увеличение количества передач способствует улучшению тягово-скоростных свойств и топливной экономич­ности автомобиля, однако имеют место и недостатки – возрастает работа буксования синхронизатора и усложняется управление ко­робкой передач. Поэтому для оптимального согласования указан­ных противоречивых факторов целесообразно плотность ряда пе­редаточных чисел коробки передач выбирать в пределах 1,1...1,5, что подтверждается конструкциями современных коробок пере­дач.

Удельная работа трения синхронизатора. Синхронизатор при­нято оценивать по удельной работе трения, т. е. по работе буксо­вания, отнесенной к площади трения конусной поверхности син­хронизатора:

 

                                     ,                                         (2.6)

 

где F_CИН – площадь поверхности трения.

Для синхронизированных высших передач коробки передач автомобиля удельная работа трения L_УД не должна превышать 0,2 МДж/м², а для низших – 0,3...0,5 МДж/м².

Нагрев синхронизатора. Работа буксования синхронизатора сопровождается нагревом его деталей и выделением теплоты.

Температура нагрева деталей синхронизатора определяется за одно его включение:

 

                                   ,                                   (2.7)

 

где γ_CИН – коэффициент перераспределения теплоты;

  m_CИН – масса синхронизатора;

 С_CТ – теплоемкость стали.

За одно включение синхронизатора нагрев его деталей не дол­жен превышать 15...30 °С.

Параметры синхронизатора. Надежная работа синхронизатора во многом зависит от углов конуса и блокирующих поверхностей, обеспечивающих невключение передачи до полного выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей, а также необходи­мые момент трения и время синхронизации.

Блокировка синхронизатора может осуществляться различны­ми блокирующими устройствами (рисунок 2.2).

Окружная сила, прижимающая блокирующие детали:

 

                                      ,                                           (2.8)

 

где r_Б – радиус блокировки (см. рисунок 2.2).

а – с блокирующими зубьями; б – с блокирующими пальцами; в – с блокиру­ющими вырезами

 

Рисунок 2.2 – Схемы блокирующих устройств синхронизаторов

 

Эта сила вызывает силу Р_Х на блокирующих поверхностях:

 

                                    .                                         (2.9)

 

Для того чтобы передача не была включена до полного вырав­нивания угловых скоростей соединяемых деталей, осевая сила Q, приложенная к зубчатой муфте синхронизатора, должна быть мень­ше силы Р_Х.

При увеличении осевой силы Q возрастают момент трения синхронизатора и сила Рх.

С учетом значения осевой силы, выраженной через параметры синхронизатора, определим угол блокировки из следующего не­равенства:

 

                                .                                  (2.10)

 

При резком увеличении осевой силы преждевременного вклю­чения передачи до полной синхронизации не происходит.

Однако это обычно приводит к ускоренному изнашиванию или даже поломке блокирующих деталей.

Выбираемые параметры синхронизатора должны находиться в следующих пределах: коэффициент трения μ = 0,06...0,1; полови­на угла конуса δ = 6...12°; угол блокировки β = 25...40°. Давление на конусных поверхностях трения для пары бронза – сталь равно 1...1,5 МПа, а μ = 0,1.

Блокирующие кольца синхронизатора изготавливают из бронзы. На их конических поверхностях трения выполняют кольцевые канавки для разрыва масляной пленки и увеличения трения, а также делают дополнительные поперечные канавки для охлаж­дения и удаления продуктов изнашивания конических поверх­ностей.

Включение передачи синхронизатором осуществляется после выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей.

Действие окружной силы, прижимающей блокирующие дета­ли, прекращается, и происходит разблокировка синхронизатора. При этом блокирующая деталь под действием осевой силы пово­рачивается и возвращается в нейтральное положение. Зубчатая муфта синхронизатора свободно передвигается и входит в зацепление с зубчатым венцом шестерни включаемой передачи [2, 3].

Содержание отчета: указать исходные данные, формулы и результаты проектировочного расчета синхронизатора, расчетное значение угла блокировки β.