Szczegółowe obliczenia stopniowych skrzynek biegów są bardzo pracochłon- ne i obejmują szereg etapów, z któ- rych każdy może być wykonany róż- nymi metodami. Metody obliczania kół zębatych lub łożysk stanowią obszerny materiał publikowany w wielu książkach fachowych. W niniejszym rozdziale są omówione tylko ogólne zasady obliczania skrzynek biegów, gdyż metody obliczania przekładni zębatych, łożysk, wytrzymałości elementów na zginanie, rozciąganie, skręcanie itp. uczniowie poznali w ramach przedmiotów części maszyn oraz mechanika techniczna. Założeniami wyjściowymi do obliczeń podstawowych parametrów skrzynki biegów oraz wytrzymałościowych obliczeń jej elementów są: charakterystyka silnika (moc, moment, prędkość obrotowa); liczba biegów oraz wartości przełożeń poszczególnych biegów i przekładni głównej, wyznaczone na podstawie analizy włas­ności ruchowych samochodu (rozdział 7.3); założenia konstrukcyjne skrzynki, wynikające z ogólnej kon­cepcji konstrukcyjnej samochodu oraz możliwości technolo­gicznych producenta. Jeżeli na podstawie założeń konstrukcyjnych zdecydowano się na stopniową skrzynkę biegów z przekładniami o stałych osiach, to podstawo­wymi parametrami, od których rozpoczyna się konstrukcję (obliczenia), są rozstaw osi wałków oraz moduły kół zębatych. Istnieją wprawdzie różne przybliżone wzory do określania wartości tych parametrów w zależ­ności od maksymalnego momentu obrotowego silnika i rodzaju samochodu, jednak najczęściej wartości te są dobierane na podstawie porównawczej analizy istniejących konstrukcji. Istotną rolę odgrywa tu doświadczenie konstruktora. Należy dążyć do ujednolicenia wartości modułu poszczególnych przekładni, gdyż ułatwia to produkcję oraz naprawy kół zębatych. Xa podstawie przyjętych wartości rozstawu osi i modułów wyzna­cza się liczby zębów kół zębatych w taki sposób, by przełożenia prze­kładni poszczególnych biegów były możliwie bliskie wartościom przełożeń obliczonych na podstawie analizy własności ruchowych samochodu. Należy zwrócić uwagę, aby liczby zębów kół współpracujących ze sobą nie były wzajemnymi wielokrotnościami, gdyż w takim wypadku te same zęby spo­tykałyby się stale ze sobą, co powodowałoby szybkie ich zużywanie się i ha­łaśliwą pracę przekładni. Znając moduły oraz liczby zębów poszczególnych kół przekładni wykonuje się obliczenia geometryczne kół zębatych, oraz w razie potrzeby ich korekcję. Korekcja ma na celu: uniknięcie podcinania zębów u podstawy (w przypadku kół o zbyt małej liczbie zębów); uzyskanie założonego rozstawu osi wałków, jeżeli nie da się tego osiągnąć doborem modułu i liczby zębów; poprawienie własności ruchowych i wytrzymałościowych prze­kładni. Jeżeli w skrzynce biegów zdecydowano się zastosować koła zębate o zębach śrubowych, kąt pochylenia linii śrubowej przyjmuje się w grani­cach 20-^40°, przy czym kąty pochylenia dla poszczególnych przekładni wyznacza się z warunku równowagi sił osiowych działających na wałek po­średni. Znając dokładne wymiary geometryczne przekładni można przy­stąpić do wytrzymałościowych obliczeń kół zębatych. Mają one charakter sprawdzający, tzn. polegają na porównaniu naprężeń wynikających z sil działających na zazębienie o określonych parametrach geometrycznych z naprężeniami dopuszczalnymi dla przyjętego materiału. Obliczenia te obej­mują sprawdzenie wytrzymałości zębów na złamanie u podstawy, na wykru­szenie oraz na zatarcie. Złamanie u podstawy zęba może być wynikiem prze­kroczenia wytrzymałości doraźnej materiału lub pęknięcia zmęczeniowego. Wykruszanie się roboczej powierzchni zębów (tzw. „pitting") jest zjawiskiem zmęczeniowym, związanym z nadmiernymi naciskami. Zacieranie się zębów jest następstwem wyciskania smaru spomiędzy powierzchni współpracują­cych zębów, wywołanego nadmiernymi naciskami i nadmierną prędkością obwodową kół. Obliczeniowe współczynniki bezpieczeństwa, równe stosunkowi naprężeń dopuszczalnych dla danego materiału (i warunków pracy przekład­ni) do naprężeń obliczonych, muszą być we wszystkich trzech przypadkach większe od jedności. Koła zębate samochodowych skrzynek biegów wykonuje się ze stali stopowych — do nawęglania (skrzynki bardziej obciążone) lub do cy-janowania (skrzynki mniej obciążone). Jako składniki stopowe stosuje się chrom, nikiel, molibden, mangan i inne. Najczęściej używane są stale: do nawęglania — 15HN, 18H2N2, 18HGT oraz do cyjanowania — 40H, 40HNMA. Obliczone wartości sił międzyzębnych na poszczególnych biegach (siły obwodowej, promieniowej i osiowej) stanowią podstawę do obliczenia wytrzymałości wałków skrzynki biegów. Obliczenia te rozpoczyna się od wyznaczania reakcji w podporach (łożyskach). Wałki oblicza się na zgi­nanie i skręcanie, a połączenia wielowypustowe z kołami zębatymi lub sprzę­głami — na naciski i ścinanie. Obliczenia na zginanie wykonuje się rysując dla każdego biegu wykresy momentów zginających wałki w dwóch płaszczyznach. Jako moment obliczeniowy Mz przyjmuje się sumę geometryczną momentów zginających wałek w dwóch płaszczyznach oraz momentu skręcającego. Ze względu na wymaganą znaczną sztywność wałków przyjmuje się zwykle małe wartości obliczeniowe dopuszczalnych naprężeń. Niedosta­teczna sztywność powoduje bowiem odkształcanie wałków, nieprawidłową współpracę kół zębatych, przyspieszone zużycie zębów i hałaśliwą pracę przekładni. Dlatego obliczenia wałków obejmują też określanie strzałek ich ugięcia. Dopuszczalne odkształcenia (ugięcia) w płaszczyźnie, na której leżą osie wałków, nie powinny na żadnym biegu przekraczać 0,1 mm. Należy jednak dążyć, by były one rzędu 0,01 mm. Odkształcenia wałków w płasz­czyźnie prostopadłej do płaszczyzny przechodzącej przez osie wałków mogą być dwukrotnie większe. Na wałki skrzynek biegów stosuje się zwykle takie same materiały jak na koła zębate, a więc stale stopowe do nawęglania lub cyjanowania. Czopy wałków, na których osadzone są łożyska kół stale zazębionych, a także powierzchnie wielowypustów hartuje się powierzchniowo. Następnym etapem obliczeń skrzynki biegów jest dobór łożysk wałków. Znając wartości poprzecznych i podłużnych obciążeń łożysk wy­znacza się obciążenia zastępcze, stanowiące podstawę do określania oblicze­niowej nośności ruchowej. Nośność tę porównuje się z nośnością katalogową dla wybranego typu łożysk. Współczynnik bezpieczeństwa łożyska, stanowią­cy stosunek nośności katalogowej do obliczeniowej, powinien być większy od jedności. Obliczanie synchronizatorów polega na określeniu momen­tu tarcia potrzebnego do wyrównania prędkości obrotowej mas wirujących związanych z synchronizowanymi elementami. Przed przystąpieniem do obli­czania synchronizatora należy założyć czas synchronizacji, tzn. czas, w któ­rym ma nastąpić wyrównanie prędkości obracających się elementów. Zwykle przyjmuje się, że czas synchronizacji nie powinien przekraczać 0,5 s dla sa­mochodów osobowych oraz 1 s — dla samochodów ciężarowych. Mając określoną wartość potrzebnego momentu tarcia synchronizatora oblicza się jego parametry konstrukcyjne, a więc wymiary sprzęgła ciernego, siłę oporu zatrzasków itp., zależnie od konstrukcji. Obliczenia skrzynki biegów, oprócz obliczeń kół zębatych, wałków, łożysk i synchronizatorów, obejmują również obliczenia mechanizmów ste­rowania. Na podstawie ogólnej koncepcji konstrukcyjnej samochodu dobie­ra się taki układ dźwigni i cięgien sterujących, żeby siły i przesunięcia dźwig­ni, którą kierowca przełącza biegi, były możliwie małe. Wymaga to odpo­wiedniego doboru przełożenia układu. Sprawdzanie wytrzymałości elemen­tów układu sterowania sprowadza się do podstawowych obliczeń wytrzyma­łościowych. Oblicza się siły- działające na poszczególne dźwignie i sprawdza, czy naprężenia w nich nie przekraczają wartości dopuszczalnych.