Budowa i działanie stopniowych skrzynek biegów
W stopniowych skrzynkach biegów
z przekładniami o stałych osiach mo-
ment napędowy przekazywany jest
przez walcowe koła zębate osadzone
na równoległych wałkach, ułożysko-
wanych w obudowie skrzynki. Zmianę przełożeń uzyskuje się przez włączanie różnych przekładni, tzn. par kół o różnych liczbach zębów.
Najczęściej stosowany jest tzw. trzywałkowy układ skrzynek biegów (rys. 12.1), w którym wałek napędzający — sprzęgłowy i napędzany — główny, są współosiowe. Równolegle do nich usytuowany jest wałek pośredni. Moment napędowy może być przekazywany bezpośrednio, dzięki sprzęgnięciu wałka sprzęgłowego z wałkiem głównym, lub pośrednio — z wałka sprzęgłowego na wałek pośredni przez przekładnię stałą i z wałka pośredniego na wałek główny przez przekładnie poszczególnych biegów.
Oprócz skrzynek biegów o układzie trzywałkowym buduje się także skrzynki dwuwałkowe, w których napęd przenoszony jest z wałka napędzającego, przez przekładnie zębate poszczególnych biegów, na wałek napędzany umieszczony równolegle do wałka napędzającego.
Na rys. 12.2 przedstawiono schemat zazębień trzywałkowej skrzynki biegów, analogicznej do skrzynki przedstawionej na rys. 12.1. Napędzany jest wałek sprzęgłowy 7, zazębiony stale z kołem zębatym wałka pośredniego 2. Ta para kół zębatych zls i z2S tworzy zazębienie stałe (przekładnię stałą), przekazujące napęd na wałek pośredni. Z wałka pośredniego moment napędowy jest przekazywany na koła zębate osadzone przesuwnie na wałku głównym 3. Poszczególne biegi uzyskuje się ustawiając odpowiednio koła zębate na wałku głównym. Napęd jest przekazywany następująco:
I bieg — wałek sprzęgłowy, zazębienie stałe, wałek pośredni, zazębienie pierwszego biegu (z21, z31), wałek główny i dalej przez układ napędowy do kół jezdnych.
II bieg — wałek sprzęgłowy, zazębienie stałe, wałek pośredni,
zazębienie drugiego biegu (z22, zZ2 wałek główny i dalej.
/// bieg — „bezpośredni" — przesuwne koło zębate drugiego biegu z32 zostaje sprzęgnięte z kołem zębatym na wałku sprzęgłowym. Napęd przekazywany jest więc bezpośrednio z wałka sprzęgłowego na wałek główny z pominięciem wałka pośredniego, który obraca się bez obciążenia.
Wsteczny bieg — wałek sprzęgłowy, zazębienie stałe, wałek pośredni, osobno ułożyskowane koło zębate wstecznego biegu zR, przesuwne koło zębate pierwszego biegu z3l, wałek główny i dalej.
Zależnie od sposobu włączania rozróżnia się przekładnie z kołami przesuwnymi i z kołami stale zazębionymi.
W przekładniach z kołami przesuwnymi włączenie biegu polega na przesunięciu koła zębatego, osadzonego na wielowypuście wałka głównego, tak aby zazębiło się ono z odpowiadającym mu kołem wałka pośredniego.
Na rys. 12.3 przedstawiono przykładowo czterostopniową skrzynkę biegów z kołami przesuwnymi, stosowaną w samochodach FSC Lublin. Wałek sprzęgłowy ułożyskowany jest w łożysku kulkowym, w ściance obudowy skrzynki. Drugi jego koniec — niewidoczny na rysunku — ułożyskowany jest w kole zamachowym silnika. Wieniec zębaty zazębienia stałego nacięty jest bezpośrednio na wałku sprzęgłowym. Zadania wałka pośredniego spełnia jednolita tuleja z naciętymi wieńcami zębatymi poszczególnych przekładni. Jest ona ułożyskowana na wałeczkach, na nieruchomym wałku ustalonym w ściankach obudowy skrzynki biegów. Wałek główny ułożyskowany jest z jednej strony na wałeczkowym łożysku wewnątrz wałka sprzęgłowego, a z drugiej strony w łożysku kulkowym w obudowie skrzynki. Na wałku głównym nacięty jest wielowypust, po którym przesuwają się koła zębate poszczególnych przekładni. Koła zębate przesuwa się za pomocą
widełek zamocowanych na przesuwnych wodzikach, sterowanych przez kierowcę dźwignią zmiany biegów.
Skrzynki biegów z przesuwnymi kołami zębatymi, jakkolwiek konstrukcyjnie najprostsze, ze względu na wiele wad są coraz rzadziej używane. Włączanie przekładni przez przesuwanie koła zębatego spotyka się obecnie dość często tylko na biegach I i wstecznym. Przekładnie wyższych biegów budowane są prawie zawsze jako przekładnie o zazębieniu stałym.
Do wad przekładni z przesuwnymi kołami zębatymi należą:
trudne i hałaśliwe włączanie biegów (zwłaszcza przy dużych różnicach prędkości obrotowej);
szybkie zużywanie się obrzeży zębów wskutek uderzeń przy włączaniu biegów;
konieczność stosowania zaokrągleń obrzeży zębów w celu ułatwienia włączania, co powoduje wzrost szerokości kół zębatych;
szerokie rozstawienie kół zębatych na wałkach;
konieczność stosowalna hałaśliwie pracujących kół zębatych o zębach prostych lub trudnych do wykonania, a więc drogich, wielowypustów śrubowych.
W przekładniach z kołami zębatymi stałe zazębionymi koło na wałku głównym osadzone jest na łożysku (ślizgowym lub tocznym) i dopóki bieg nie jest włączony obraca się ono swobodnie, niezależnie od prędkości obrotowej wałka. Włączanie biegu polega na sprzęgnięciu koła zębatego z wałkiem. Służą do tego specjalne sprzęgła zębate, kłowe lub palcowe, których przesuwna część osadzona jest na wielowypuście wałka głównego. Takie rozwiązanie znacznie ułatwia włączanie biegów oraz umożliwia stosowanie kół zębatych o zębach śrubowych, pracujących ciszej niż koła o zębach prostych. Skrzynki biegów z takimi przekładniami są zwarte i cechu-
, , je je większa
trwałość. Na rys. 12.4 przedstawiono zasadę działania sprzęgła zębatego. Na wielowypuście wałka głównego-umieszczony jest przesuwny pierścień, obracający się razem z wałkiem. Pierścień ten ma po obu stronach wąskie wieńce zębate, odpowiadające wieńcom naciętym na bocznych powierzchniach sąsiadujących z nim kół zębatych. Na zewnętrznej powierzchni pierścienia nacięty jest rowek, w który wchodzą widełki układu sterowania. Przesunięcie pierścienia w lewo powoduje zazębienie się wieńców zębatych sprzęgła zębatego i włączenie biegu bezpośredniego (sprzęgnięcie wałków sprzęgłowego i głównego). Wałek główny obraca się z inną prędkością niż ułoży-skowane na nim koło zębate stale zazębione z kołem współpracującym osadzonym na wałku pośrednim. Przesunięcie pierścienia w prawo powoduje zazębienie się wieńców zębatych drugiego sprzęgła zębatego i przekazywanie momentu przez zazębienie stałe, wałek pośredni oraz przekładnię włączonego biegu — na wałek główny.
Włączając przekładnię za pomocą samych sprzęgieł zębatych nie można uniknąć pewnych uderzeń, wywołanych różnicą prędkości obrotowych sprzęganych elementów. Uderzenia te są źródłem dodatkowych obciążeń dynamicznych przekładni, stuków przy włączaniu biegu i wpływają niekorzystnie na trawałość skrzynki biegów. Dlatego w wielu konstrukcjach stosuje się sprzęgła zębate połączone z dodatkowymi sprzęgłami ciernymi, których zadaniem jest synchronizowanie (wyrównywanie) prędkości obrotowych sprzęganych elementów. Takie połączone sprzęgła cierne i zębate nazywamy synchronizatorami.
Przykładem konstrukcji, w której zastosowano sprzęgła zębate bez synchronizatorów, jest pięciostopniowa skrzynka biegów samochodu Star, przedstawiona na rys. 12.5. Przekładnie I i II biegu mają koła przesuwne, natomiast przekładnie biegów III i V są stale zazębione. Bieg IV jest biegiem bezpośrednim. Biegi III, IV i V są włączane za pomocą sprzęgieł zębatych bez synchronizatorów, przy czym zadanie przesuwnego elementu sprzęgła zębatego włączającego III bieg spełnia odpowiednio skonstruowane koło zębate II biegu. Na uwagę zasługuje fakt, że w skrzynce tej bieg bezpośredni nie jest biegiem najszybszym. Najszybszy jest bieg V, przy czym przekładnia tego biegu jest przekładnią przyspieszającą, czyli tzw. nadbiegiem. Nadbieg stosowany jest często w skrzynkach biegów samochodów ciężarowych przeznaczonych do ciągnięcia przyczep. Wykorzystuje się go wówczas, gdy samochód jedzie bez przyczepy, po dobrej płaskiej nawierzchni, a więc gdy opory ruchu są niewielkie. W takich warunkach dzięki stosowaniu nadbiegu uzyskuje się zmniejszenie zużycia paliwa.
Na rys. 12.6. przedstawiono w pełni zsynchronizowaną czterostopniową skrzynkę samochodu osobowego Polski Fiat 125p. Przekładnie wszystkich biegów są tu stale zazębione i włączane za pomocą synchronizatorów.
Omówione dotychczas trzywałkowe skrzynki biegów stanowią wyodrębnione zespoły układu napędowego. Dość często, zwłaszcza w mniejszych samochodach osobowych, spotyka się zblokowane układy napędowe, w których skrzynka biegów, przekładnia główna i mechanizm różnicowy umieszczone są we wspólnej obudowie. Przykładem takiej konstrukcji, w której skrzynka biegów zbudowana w układzie dwuwałkowym jest zespolona z pozostałymi mechanizmami przeniesienia napędu, jest zblokowany układ napędowy samochodu Polski Fiat 126p (rys. 12.7). Z wałka napędzającego (połączonego ze sprzęgłem) moment przekazywany jest przez przekładnie poszczególnych biegów na wałek napędzany, na którego końcu nacięte jest stożkowe koło zębate przekładni głównej.
W samochodzie Polski Fiat 126p zespół napędowy usytuowany jest wzdłuż osi podłużnej samochodu. W niektórych samochodach skrzynka biegów ustawiona jest poprzecznie do kierunku jazdy. Na rys. 12.8 pokazano takie rozwiązanie zastosowane w samochodzie Polski Fiat 127p. W takim przypadku przekładnię główną stanowi para kół zębatych walcowych. Konstrukq'a taka jest bardziej zwarta.
W samochodach ciężarowych przeznaczonych do pracy w różnorodnych warunkach drogowych, a zwłaszcza w ciężkim terenie, nie wystarcza zakres przełożeń, jaki można uzyskać za pomocą cztero- lub pięciobie-gowej skrzynki biegów. W takich przypadkach stosuje się zwykle zestawy złożone z dwóch zespołów: zasadniczej skrzynki cztero-, pięcio- lub nawet sześciobiegowej oraz dodatkowej przekładni zwielokrotniającej liczbę biegów zasadniczej skrzynki. Dodatkowe przekładnie zwykle mają przełożenie zwalniające, dlatego nazywamy je reduktorami.
Reduktory mogą stanowić jedną całość ze skrzynką biegów lub mogą być wykonywane jako osobne zespoły układu napędowego.
Na rys. 12.9 przedstawiono dziewięciostopniową skrzynkę firmy Leyland, złożoną z typowej — produkowanej do innych samochodów — skrzynki pięciostopniowej oraz reduktora umieszczonego w oddzielnej obudowie, przykręconej śrubami do przedniej ścianki skrzynki. Dodatkowa przekładnia włączana jest za pomocą sprzęgła kłowego zamiast przekładni stałej, co podwaja liczbę pośrednich biegów skrzynki.
Na rys. 12.10 przedstawiono dwustopniowy reduktor, stanowiący odrębny zespół układu napędowego. Reduktor taki, umieszczony za skrzynką biegów, może pracować na biegu bezpośrednim — nie zmieniając przełożeń zasadniczej skrzynki biegów — lub może pracować na biegu zwalniającym, dzięki czemu uzyskuje się biegi dodatkowe o przełożeniach równych iloczynowi przełożeń poszczególnych biegów skrzynki i zwalniającego przełożenia reduktora.
W samochodach z napędem na dwa lub więcej mostów napędowych reduktor buduje się często jako jeden zespół ze skrzynką rozdzielczą — tzn. z mechanizmem umożliwiającym w razie potrzeby doprowadzenie napędu do wszystkich mostów lub wyłączanie napędu z jednego lub dwóch mostów przy jednoczesnym doprowadzeniu napędu do pozostałego mostu. Konstrukcję taką przedstawiono na rys. 12.11.