Устройство механической коробки передач — автошкола Реал в Люберцах
Механическая коробка передач предназначена для изменения по величине и направлению крутящего момента и передачи его от двигателя к ведущим колесам. Она обеспечивает длительное разобщение двигателя и ведущих колес, причем на неограниченный срок и без усилий со стороны водителя.
В данной статье рассмотрим из чего состоит механическая коробка передач и схему работы.
Устройство коробки передач
Механическая коробка передач состоит из:
- картера,
- первичного, вторичного и промежуточного валов с шестернями,
- дополнительного вала и шестерни заднего хода,
- синхронизаторов,
- механизма переключения передач с замковым и блокировочным устройствами,
- рычага переключения.
Схема работы механической 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.
Картер содержит 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, они должны хорошо смазываться. Поэтому картер наполовину своего объема залит трансмиссионным маслом.
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.
Механизм переключения передач служит для смены передач в коробке и управляется водителем с помощью рычага из салона авто. При этом замковое устройство не позволяет включаться одновременно двум передачам, а блокировочное устройство удерживает передачи от самопроизвольного выключения.
Как работают шестерни в коробке передач
Разберемся на примере как происходит изменение величины крутящего момента (числа оборотов) на различных передачах в коробке передач.
а) Передаточное отношение одной пары шестерен
Возьмем две шестерни и сосчитаем число зубьев. Первая шестеренка имеет 20 зубьев, а вторая 40. Значит при двух оборотах первой шестерни, вторая сделает только один оборот (передаточное число равно 2).
б) Передаточное отношение двух шестерен
На рисунке б) у первой шестерни («А») 20 зубьев, у второй («Б») 40, у третьей («В») снова 20, у четвертой («Г») опять 40. Дальше простая арифметика. Первичный вал коробки передач и шестерня «А» вращаются со скоростью, допустим 2000 об/мин. 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.
От двигателя на первичный вал коробки передач приходит — 2000 об/мин, а выходит — 500 об/мин.
На промежуточном валу коробки передач в это время — 1000 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, 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 соответствует нейтральной передаче в коробке.
Задняя передача, т.е. вращение вторичного вала коробки передач в другую сторону, обеспечивается дополнительным, четвертым валом с шестерней заднего хода. Дополнительный вал необходим, чтобы получилось нечетное число пар шестерен, тогда крутящий момент меняет направление:
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.
Передаточные числа механической коробки передач
Поскольку в коробке передач автомобиля имеется большой набор шестерен, то, вводя в зацепление различные их пары, мы имеем возможность менять и общее передаточное отношение коробки. Давайте посмотрим на передаточные числа коробок передач:
| Передачи | ВАЗ 2105 | ВАЗ 2109 |
| I | 3,67 | 3,636 |
| II | 2,10 | 1,95 |
| III | 1,36 | 1,357 |
| IV | 1,00 | 0,941 |
| V | 0,82 | 0,784 |
| R(Задний ход) | 3,53 | 3,53 |
Такие числа получаются, в результате деления количества зубьев одной шестерни на делимое число зубьев второй и далее по цепочке. Если передаточное число равно единице (1,00), то это означает, что вторичный вал вращается с той же угловой скоростью, что и первичный.
Передачу, на которой скорость вращения валов уравнена, обычно называют – прямой и, как правило, это — четвертая передача.
Первая передача и передача заднего хода — самые «сильные» и двигателю не трудно крутить колеса, но машина в этом случае движется медленно. А при движении в гору на «шустрых» пятой и четвертой передачах двигателю не хватает сил, и приходится переключаться на более низкие, но «сильные» передачи.
Первая передача необходима для начала движения автомобиля, чтобы двигатель смог сдвинуть с места тяжелую машину. Далее, увеличив скорость движения и сделав некоторый запас инерции, вы можете переключиться на вторую передачу, более «слабую», но более «быструю», затем на третью, четвертую и пятую передачи.
Все ступеньки переключения передач вверх — с первой по пятую, следует проходить последовательно. Переключение передач в нисходящем порядке можно производить «прыгая через ступеньку» и даже через несколько. Обычный режим движения автомобиля – на четвертой (в городе) или пятой (на трассе) передачах, потому что они самые скоростные и экономичные.
Эксплуатация механической коробки передач
Как правило, при грамотном обращении с рычагом переключения передач и периодической замене масла в коробки передач, она не напоминает о себе до конца срока службы автомобиля.
Обычно неисправности и поломки в коробке передач появляются в результате грубой работы с рычагом переключения. Если водитель постоянно «дергает» рычаг, т.е. переводит его из одной передачи в другую быстрым, резким движением — это обернется ремонтом коробки передач. При таком обращении с рычагом, обязательно выйдут из строя механизм переключения или синхронизаторы, да и сами валы с шестернями – «железные» до определенной степени.
Рычаг переключения передач должен переводиться спокойным плавным движением, с микропаузами в нейтральной позиции, чтобы сработали синхронизаторы, оберегающие шестерни от поломок.
В изучении устройства автомобиля помогут статьи:
- Устройство сцепления автомобиля
- Устройство автоматической коробки передач
Механическая коробка переключения передач, устройство, принцип работы
Коробка передач служит для изменения тяговой силы на колесах автомобиля в зависимости от сопротивления движению и дает автомобилю возможность двигаться задним ходом.
Коробка передач позволяет, кроме того, при выключении передач отсоединять ведущие колеса автомобиля от двигателя, обеспечивая тем самым возможность запуска двигателя и его работу на холостом ходу.
Коробка передач представляет собой механизм, состоящий из набора шестерен, которые могут вводиться в зацепление в различных сочетаниях.
Каждое сочетание зацепления шестерен коробки называется ступенью или передачей. Число ступеней (передач) в коробке передач зависит от конструкции автомобиля и обычно бывает от трех до пяти (не считая передачи заднего хода). В соответствии с этим коробки передач называются трехступенчатыми, четырехступенчатыми и пятиступенчатыми.
Рис. Коробка передач автомобилей ГАЗ-69 и ГАЗ-69А: 1 — сальник; 2 — задняя крышка картера; 3 — шарикоподшипник вторичного вала; 4 — картер коробки передач; 5 — маслоотражательное кольцо; 6 — вторичный вал; 7 — вилка переключения шестерни (каретки) первой передачи и заднего хода; 8 — шестерня (каретка) первой передачи и заднего хода; 9 — рычаг переключения передач; 10 — верхняя крышка картера; 11 — шестерня второй передачи; 12 — втулка шестерни второй передачи; 13 — зубчатый венец шестерни второй передачи; 14 — каретка второй и третьей передач; 15 — вилка каретки второй и третьей передач; 16 — зубчатая ступица; 17 — регулировочные прокладки; 18 — упорное кольцо; 19 — зубчатый венец шестерни третьей передачи; 20 — шестерня третьей передачи; 21 — роликоподшипник; 22 — шарикоподшипник первичного вала; 23 — первичный вал; 24 — передняя крышка картера; 25 — маслоотражательное кольцо; 26 — роликоподшипник промежуточного вала; 27, 29, 32 и — шестерни промежуточного вала; 28 — пробка сливного отверстия картера; 30 — ось промежуточного вала; 31 — промежуточный вал; 34 — промежуточная шестерня заднего хода
Зацепление различных пар шестерен осуществляется при помощи кареток (шестерен), передвигаемых вдоль валов коробки.
В зависимости от числа подвижных кареток коробки разделяются на двухходовые (две каретки) и трехходовые (три каретки).
Содержание
- 1 Работа сцепления
- 2 Конструктивные особенности
- 3 Устройство КПП
- 3.1 Сцепление
- 3.2 Шестерни и валы
- 3.3 Синхронизаторы
- 4 Принцип работы автомобильных коробок передач
- 5 Виды трансмиссии
- 6 Процесс переключения передач
Работа сцепления
Понять принцип работы узла сцепления поможет такой пример: представьте вращающийся металлический стержень с диском на конце, символизирующий коленвал с маховиком. Если к плоскости диска подвести другой диск, то после соприкосновения он тоже станет крутиться. Так в общих чертах и действует автомобильное сцепление, только второй диск насажен на вал, идущий дальше, к шестеренчатой передаче.
Система действует за счет силы трения, поэтому соприкасающиеся поверхности имеют специальное антифрикционное покрытие.
Диск сцепления в механической трансмиссии двигается рычагом в виде вилки. Механически рычаг не связан с педалью сцепления, он перемещается гидроцилиндром. Нажатие на педаль сжимает жидкость в этом цилиндре, поршень выдвигается и перемещает рычаг.
Алгоритм работы сцепления при движении с места следующий:
- На холостом ходу коленвал и первичный вал МКПП крутятся, поскольку диски находятся в зацеплении.
- Нажатием на педаль водитель отодвигает диск и вал трансмиссии останавливается. Теперь его можно подключить к шестеренчатой передаче путем выбора первой скорости.
- Нажав на газ, водитель добивается повышения оборотов и медленно отпускает педаль сцепления. Диски снова входят в зацепление и машина трогается с места.
Разрывать механическую связь с помощью сцепления нужно и дальше, при переходе на другую скорость. Чтобы разобраться в данном процессе, нужно понять, как работает сама коробка скоростей.
Конструктивные особенности
Рисунок 1.
Две шестерни с различным числом зубьев в зацеплении.
Механическая коробка работает в паре со сцеплением. Принцип ее работы, если кратко, заключается в том, что шестерни зубчатого типа находящееся в корпусе коробки входят в поочередное зацепление в различных комбинациях. Таким образом, образовываются различные передачи, отличающиеся передаточным числом.
Сцепление обеспечивает временный разрыв передачи потока крутящего момента от двигателя к трансмиссии — это нужно для переключения передач.
Традиционная МКПП состоит из корпуса, который называется картером, валов, расположенных параллельно и шестерней, синхронизаторов.
Изменение числа оборотов при различных передачах можно объяснить на примере двух шестерней с различным числом зубьев (смотрите рисунок 1).Если поставить две шестерни в зацепление: у первой зубьев 20, а у второй 40, то при двух оборотах первой шестерни, вторая выполнит только один оборот. При такой ситуации передаточное число равно двум. Для чего оно нужно? От величины значения указанного числа зависит скорость раскручивания нужных оборотов мотором.
ПЧ влияет на ускорение. Чем больше передаточное число, тем «мощнее» и «короче» будет передача. При этом максимальная скорость станет меньше, возникнет частая необходимость в смене передачи. Производители трансмиссий придерживаются средних значений ПЧ, создают многоступенчатые конструкции с определенной схемой переключения.
Рекомендуем посмотреть видео об устройстве механической трансмиссии:
Устройство КПП
Коробка передач является многоступенчатым закрытым рулевым редуктором. Косозубые шестерни имеют возможность поочередно быть в зацеплении и менять частоту оборотов между входным валом и выходным. В этом заключается принцип работы коробки передач.
Сцепление
Механическая коробка работает в паре со сцеплением. Этот узел позволяет временно разъединять мотор от трансмиссии. Такая операция дает возможность безболезненно переключить передачи (ступени) не выключая обороты двигателя.
Блок сцепления необходим, так как через МКПП проходит значительный крутящий момент.
Шестерни и валы
В любой КПП традиционной конструкции располагаются параллельно оси валов, на которых базируются шестерни. Общий корпус принято называть картером. Наиболее популярными являются трехвальные и двухвальные компанийки.
В трехвальных имеется три вала:
- первый – ведущий;
- второй – промежуточный;
- третий – ведомый.
Первый вал соединен со сцеплением, на его поверхности нарезаны шлицы, по которым перемещается ведомый диск сцепления. С этой оси вращение передается на промежуточную ось, жестко соединенную с шестерней первичного вала.
Ведомый вал МКПП имеет специфическое расположение. Он соосен с ведущим и соединен с ним через подшипник, находящийся внутри первого вала. За счет этого обеспечивается их независимое вращение. Блоки шестеренок с ведомой оси не имеют жесткой фиксации с ним, а также шестерни разграничены специальными муфтами-синхронизаторами. Последние как раз жестко сидят на ведомом валу, но способны перемещаться вдоль оси по шлицам.
Торцы муфт оснащены зубчатыми венцами, способными соединяться с такими же венцами, расположенными на торцах шестерен ведомого вала. Современное устройство коробки передач предполагает наличие таких синхронизаторов на всех передних передачах.
Во время включения нейтрального режима происходит свободное вращение шестерен, а все муфты-синхронизаторы находятся в разомкнутом положении. Когда водитель выжмет сцепление и переключит рычаг на одну из ступеней, то в это время вилка в КПП перемещает муфту в зацепление со своей парой на торце шестерни. Так шестеренка жестко фиксируется с валом и не прокручивается на нем, а обеспечивает передачу вращения и усилия.
От ведомого вала осуществляется передача крутящего момента и оборотов на ведущие колеса через карданный вал (на заднем приводе) или через редуктор и ШРУСы (на переднем приводе). Когда синхронизатор зацепляет напрямую ведущий и ведомый валы без участия шестеренок, то при этом коробка обеспечивает максимальный КПД. Для задней скорости установлена промежуточная «паразитная» шестерня, меняющая вращение на обратное.
В большинстве МКПП применяются шестерни с косым зубом, способные выдерживать большие усилия, чем прямозубые, также они менее шумные. Изготавливаются они из высоколегированной стали, после чего проводится закалка на ТВЧ и нормализация для снятия напряжений. За счет этого обеспечивается максимальный срок службы.
Для двухвальной коробки также предусмотрено соединение ведущего вала с блоком сцепления. В отличие от трехосной конструкции на ведущей оси располагается блок из шестеренок, а не одна. Промежуточного вала нет, а параллельно ведущему идет ведомый вал. Шестерни на обеих осях свободно вращаются и находятся все время в зацеплении.
Ведомый вал оснащен жестко закрепленной ведущей шестеренкой главной передачи. Между остальными шестеренками располагаются синхронизационные муфты. Такая схема механической коробки передач в плане работы синхронизаторов схожа с трехвальной схемой. Разница заключается в отсутствии прямой передачи, и в том, что каждая ступень имеет лишь одну пару соединенных шестеренок, а не две пары.
Двухвальное устройство механической коробки передач имеет больший КПД, чем трехвальное, однако, имеет ограничение по повышению передаточного числа. За счет такой особенности конструкция применяется лишь в легковых автомобилях.
Синхронизаторы
Все современные механические коробки переключения передач оснащены синхронизаторами. Без них на машинах приходилось делать двойной выжим, чтобы окружные скорости шестерен сравнялись, и обеспечилась возможность переключения ступеней. Также синхронизаторы не ставятся на КПП с большим числом передач, иногда до 18 ступеней, характерным для спецтехники, так как это технически невозможно. Для быстроты переключения скоростей спортивные авто могут в МКПП не иметь синхронизаторов.
Синхронизатор МКПП
Легковые автомобили, используемые большинством водителей, оснащены синхронизаторами, так как работает коробка передач автомобиля без них менее дружелюбно. Эти элементы обеспечивают бесшумность эксплуатации и выравнивание скоростей шестеренок.
Внутренний диаметр ступицы имеет шлицевые пазы, благодаря которым осуществляется перемещение вдоль оси вторичного вала. При этом такая жесткость обеспечивает передачу больших усилий.
Работает синхронизатор таким способом. Во время включения водителем передачи муфта подается в сторону нужной шестеренки. Во время перемещения усилие переходит на одно из блокировочных колец муфты. За счет разных скоростей между шестерней и муфтой конические поверхности зубьев взаимодействуют с помощью силы трения. Она поворачивает блокировочное кольцо на упор.
Работа синхронизаторов
Зубья последнего устанавливаются против зубьев муфты, поэтому последующее смещение муфты становится невозможным. Муфта заходит без противодействия в зацепление с малым венцом на шестерне. Шестерня за счет такого соединения жестко блокируется с муфтой. Такой процесс осуществляется за доли секунды. Один синхронизатор обычно обеспечивает включение двух передач.
Принцип работы автомобильных коробок передач
Принцип работы автомобильных коробок передач независимо от их конструктивного оформления и числа передач одинаков.
Рассмотрим их устройство и работу на примере трехступенчатой двухходовой коробки передач автомобилей ГАЗ-69А и ГАЗ-69.
Первичный (ведущий) вал 23 выполнен заодно с шестерней 20 третьей передачи и с зубчатым венцом 19. Первичный вал через сцепление соединяется с коленчатым валом двигателя.
Вторичный (ведомый) вал 6 является как бы продолжением первичного вала и расположен с ним на одной оси. Хвостовик вторичного вала сидит в роликоподшипнике 21, установленном в конце первичного вала. Вторичный вал вследствие этого может вращаться независимо от первичного.
На вторичном валу установлены две шестерни 8 и 11 и зубчатая ступица 16. Шестерня 8 (каретка) сидит на валу на шлицах и может перемещаться вдоль его оси. Шестерня 11 имеет зубчатый венец 13. Она посажена на вторичном валу на бронзовой втулке 12, поэтому свободно вращается на валу. На ступице установлена каретка 14 второй и третьей передач, которая перемещается по ступице.
Промежуточный вал 31 представляет- собой блок шестерен 27, 29, 32 и 33, свободно вращающийся на оси 30.
Промежуточная шестерня 34 заднего хода посажена на ось на бронзовой втулке и свободно вращается на оси.
Первичный и вторичный валы установлены в гнездах картера коробки на шарикоподшипниках 22 и 3. Ось 30 промежуточного вала закрепляется в гнездах картера неподвижно, промежуточный же вал 31 вращается на оси на роликоподшипниках 26. Ось промежуточной шестерни заднего хода неподвижно закреплена в специальных гнездах картера.
Шестерня 20 первичного вала с шестерней 27 промежуточного вала, а также шестерня 33 с промежуточной шестерней 34 заднего хода находятся в постоянном зацеплении. В постоянном зацеплении находятся также шестерня 29 промежуточного вала и шестерня 11 вторичного вала. Каретки 8 и 14 могут перемещаться по вторичному валу и вводиться в зацепление: каретка 14 своими внутренними зубьями с зубчатым венцом 19 шестерни 20 первичного вала или с зубчатым венцом 13 шестерни 11; каретка 8 с шестерней 32 или 34.
При положении кареток, изображенном на рисунке, крутящий момент от двигателя будет передаваться с первичного вала через шестерни 20 и 27 на блок шестерен промежуточного вала.
Однако на вторичный вал крутящий момент передаваться не будет, так как при изображенном положении кареток 8 и 14 вторичный вал разобщен как с первичным, так и с промежуточным валами. Такое положение кареток называется нейтральным. В нейтральное положение каретки ставятся при запуске двигателя и работе двигателя на холостом ходу (на месте или при движении автомобиля накатом).
Рис. Схема включения шестерен и передачи крутящего момента в трехступенчатой коробке передач автомобилей ГАЗ-69 и ГАЗ-69А: а — первая передача; б — вторая передача; в — третья передача; г — задний ход; I — положение рычага при включении первой передачи; II — положение рычага при включении второй передачи; III — положение рычага при включении третьей передачи; IV — положение рычага при включении заднего хода
Чтобы привести автомобиль в движение, надо передать крутящий момент вторичному валу. Для этого каретку 8 или 14 следует ввести в зацепление с одной из шестерен промежуточного вала, при котором обеспечивалось бы получение наибольшего передаточного отношения, а следовательно, и наибольшего крутящего момента на вторичном валу.
Передвинем каретку 8 вправо и введем ее в зацепление с шестерней 32 промежуточного вала, как это показано на рис. а. Такое положение кареток соответствует первой передаче.
Чтобы включить вторую передачу, необходимо вывести каретку 8 из зацепления с шестерней 32, а затем, передвинув (по рис. б влево) каретку 14, ввести последнюю в зацепление с зубчатым венцом 13 шестерни 11, постоянно находящейся в зацеплении с шестерней 29 промежуточного вала.
Переходить со второй передачи на третью нужно в той же последовательности, что и с первой передачи на вторую. При этом каретка 14 выводится из зацепления с зубчатым венцом 13 шестерни 11 и вводится в зацепление с зубчатым венцом 19 шестерни 20 первичного вала (рис. в), первичный и вторичный валы начинают вращаться как одно целое.
Для движения задним ходом следует перевести обе каретки в нейтральное положение, а затем каретку 8 передвинуть влево и ввести в зацепление с промежуточной шестерней 34 заднего хода. При этом направление вращения вторичного, вала изменится на обратное.
Для легкого и безударного переключения передач необходимо, чтобы окружные скорости шестерен, вводимых в зацепление, были одинаковы. Окружная скорость шестерни зависит от числа оборотов вала, на котором она сидит, и от ее диаметра: чем больше диаметр шестерни и число оборотов вала, тем больше ее окружная скорость. Для облегчения безударного переключения передач и уменьшения износа зубьев шестерен в коробках передач, в частности в коробке передач автомобилей ГАЗ-69А и ГАЗ-69, предусмотрено специальное устройство — синхронизатор каретки включения второй и третьей передач.
Синхронизатор выравнивает окружные скорости вращения шестерен перед вводом их в зацепление. Устроен он следующим образом. На конце вторичного вала 1 установлена на шлицах и закреплена стопорным кольцом 14 зубчатая ступица 6 синхронизатора. На наружных зубьях ступицы установлена каретка 10 второй и третьей передач, охватываемая вилкой 8. В трех пазах ступицы установлены ползуны 11 блокирующего устройства, соединяемые при помощи шариков 9 фиксаторов с кареткой 10.
По обеим сторонам ступицы расположены блокирующие бронзовые кольца 4. Каждое блокирующее кольцо имеет зубчатый венец и пазы 47 для ползунов; внутренняя поверхность кольца выполнена конусообразной.
Синхронизатор расположен между зубчатым венцом 13 шестерни 15 первичного вала и зубчатым венцом 3 шестерни 2 второй передачи. Основания зубчатых венцов шестерен 2 и 15 имеют конусные поверхности.
Рис. Устройство и схема работы синхронизатора коробки передач: а — положение деталей синхронизатора при Выравнивании окружных скоростей; б — положение деталей синхронизатора при включенной передаче; в — детали синхронизатора; 1 — вторичный вал коробки передач; 2 — шестерня второй передачи; 3 — зубчатый венец шестерни второй передачи; 4 — блокирующее кольцо; 5 — упорная шайба; 6 — зубчатая ступица; 7 — пружина; 8 — вилка каретки второй и третьей передач; 9 — шарик фиксатора; 10 — каретка второй и третьей передач; 11 — ползун; 12 — регулировочные прокладки; 13 — зубчатый венец шестерни первичного вала; 14 — стопорное кольцо зубчатой ступицы; 15 — шестерня первичного вала; 16 — первичный вал; 17 — паз для ползуна ступицы
При включении второй или третьей передачи каретка 10 синхронизатора при помощи переключающего устройства перемещается вместе с ползунами 11 по ступице 6.
Ползуны, входящие в пазы 17 блокирующих колец 4, прижимают кольцо к конусной поверхности соответствующего зубчатого венца шестерни. Вследствие трения, возникающего между соприкасающимися конусными поверхностями, блокирующее кольцо немного сдвигается в сторону вращения зубчатого венца до упора пазов в боковые поверхности ползунов. При этом скошенная поверхность.торцов зубьев каретки 10, упираясь в скошенную поверхность торцов зубьев кольца 4, не дает зубьям войти в зацепление, вследствие чего обеспечивается сильное прижатие кольца 4 к конусной поверхности зубчатого венца. В результате сильного трения конусов скорости вращения валов уравниваются, каретка 10 сдвигается дальше, выжимая шарики 9 фиксаторов, и своими зубьями входит в промежутки зубьев венца 13, бесшумно включая соответствующую передачу.
Управление коробкой передач осуществляется при помощи рычага 6; качающегося в шаровой опоре крышки картера коробки передач.
В той же крышке в гнездах установлены, два ползуна 3 и 12, которые могут перемещаться вдоль своих осей, скользя при этом в гнездах крышки коробки.
Каждый из этих ползунов соединен с вилкой: ползун 12 каретки первой передачи и заднего хода с вилкой 11, ползун 3 каретки второй и третьей передач с вилкой 10.
Концы вилок вмещаются в кольцевых проточках, имеющихся в каретках, и не мешают кареткам свободно вращаться вместе со вторичным валом. При продольном же перемещении вилок, каретки передвигаются вдоль вала и тем самым вводят в зацепление соответствующие шестерни. Посредством перемещения рычага, а следовательно, и вилок с каретками происходит переключение передач в коробке.
Для предотвращения произвольного выключения передач и одновременного включения нескольких передач в механизме переключения передач предусмотрены специальные устройства фиксаторы (стопоры) — для фиксирования рычага в определенном положении и замки, не позволяющие одновременно включать несколько передач.
В трехступенчатых коробках передач с двумя ползунами фиксатор одновременно выполняет и роль замка.
Рис. Механизм переключения передач коробки передач автомобилей ГАЗ-60 и ГАЗ-69А: 1 — пружина фиксатора; 2 — боковая крышка картера коробки передач; 3 — ползун вилки каретки второй и третьей передач; 4 — отжимная скоба; 5 — пружина отжимной скобы; 6 — рычаг переключения передач; 7 — пружина рычага переключения передач; 8 — колпак; 9 — шаровая опора; 10 — вилка каретки второй и третьей передач; 11 — вилка каретки первой передачи и заднего хода; 12 — ползун вилки каретки первой передачи и заднего хода; 13 — сухари фиксатора
Фиксатор состоит из двух полых сухарей 13, скользящих в специальном гнезде, сделанном в крышке коробки передач.
Под действием пружины 1 сухари заскакивают в углубления, имеющиеся в соответствующих местах ползунов. Сухари надежно удерживают ползуны от самопроизвольного перемещения, а также предотвращают возможность одновременного перемещения, обоих ползунов.
Передвинуть оба ползуна сразу и включить, таким образом, одновременно две передачи нельзя по следующей причине. Как только один из ползунов передвинется настолько, что сухарь выйдет из углублений, оба сухаря окажутся придвинутыми друг к другу вплотную. Общая длина сдвинутых сухарей подобрана так, что второй сухарь уже не сможет выйти из углубления примыкающего к нему ползуна и тем самым надежно заперт ползун.
Чтобы не произошло случайное включение заднего хода, в крышке коробки передач, несколько ниже шаровой опоры, расположена отжимная скоба 4 с пружиной 5, нажимающей на конец рычага 6. Поэтому для включения заднего хода (и первой передачи) к рычагу нужно приложить повышенное усилие, чтобы отвести скобу в сторону.
В картер коробки передач заливается трансмиссионное масло до уровня отверстия контрольной пробки.
Виды трансмиссии
Корпус механической трансмиссии выполняется из легкого, но очень прочного сплава, он герметичен и наполнен специальным маслом, которое позволяет поддерживать рабочие элементы агрегата в хорошем состоянии, даже при больших нагрузках.
Трехвальная механическая коробка передач
Трехвальные механические коробки состоят из таких валов:
- Первичного (ведущего), соединенного посредством сцепления с маховиком мотора.
- Вторичного (ведомого), имеющего жесткое соединение с карданным валом.
- Промежуточного. Его предназначение — передача вращения от первого вала ко второму.
Ведомый вал опирается на подшипник, находящийся в хвостовике первичного вала. Между ними нет жесткой связи, они выполняют вращение независимо друг от друга. На ведомом валу размещен блок шестерен. На первичном — расположена шестерня, находящаяся с ним в жестком закреплении. Промежуточный вал размещен параллельно первому валу, имеет блок шестерней жестко закрепленных на нем.
На ведомом валу между шестернями размещены синхронизаторы, предназначенные для бесшумного переключения передач, они выравнивают угловую скорость шестерни и вала. Синхронизатор позволяет поочередно включать две шестерни вторичного вала.
На корпусе коробки размещается механизм для переключения скоростей, он представлен в виде рычага управления и ползунов с вилками. Чтоб не произошло одновременное включение нескольких передач, этот механизм оборудован блокировкой. Если рычаг для переключения скорости размещен в кузове автомобиля, то используется механизм для дистанционного управления, он называется «кулисой».
Принцип работы указанной коробки состоит в том, что при переведении рычага управления определенная вилка выполняет перемещение муфты синхронизатора, который совмещает угловую скорость вала и шестерни, обеспечивая передачу крутящего момента от шестерни через синхронизатор на вторичный вал коробки. Задняя передача достигается при вращении вторичного вала в противоположную сторону.
Достигается она при помощи дополнительной шестерни заднего хода. Она позволяет получить нечетное число пар шестерен: крутящий момент изменяет направление. Для лучшего понимания схемы переключения передач смотрите рисунок 2.
Рисунок 2. Переключение передач МКПП.
Устройство двухвальных коробок имеет ведущий и ведомый валы, расположенные параллельно. При помощи шестерни, размещенной на первичном валу, передается крутящий момент на шестерню вторичного, зафиксированную синхронизатором. Остальные процессы выполняются аналогично трехвальной МКПП. Достоинством двухвальных коробок есть компактность трансмиссии. Плюс они имеют лучший КПД из-за небольшого количества деталей. В указанной коробке отсутствует прямая передача, поэтому ее применяют для легких транспортных средств.
Процесс переключения передач
За процедуру переключения отвечает соответствующий механизм. Для автомобилей, имеющих задний привод, рычаг устанавливается непосредственно на корпусе МКПП. Весь механизм прячется внутри корпуса агрегата, а ручка переключения непосредственно управляет им.
Такое расположение имеет свои достоинства и недостатки.
Плюсы:
- простое в конструкционном плане решение;
- обеспечение четкости переключения;
- более долговечная конструкция для эксплуатации.
Минусы:
- нет возможности для применения конструкции с задним расположением мотора;
- не используется на переднеприводных автомобилях.
Машины с передним ведущим мостом оборудуются рычагом переключения передач в таких местах:
- напольно между водительским и передним пассажирским креслом;
- на рулевой колонке;
- в районе панели приборов.
Дистанционное управление коробкой для переднеприводных авто осуществляется при помощи тяг или кулис. У такой конструкции также есть свои особенности.
Плюсы:
- комфортное более независимое расположение рычага для переключения передач;
- вибрация от коробки не передается на рычаг МКПП;
- обеспечивается большая свобода для дизайна и инженерной компоновки.
Минусы:
- меньшая долговечность;
- со временем могут появляться люфты;
- требуется периодическая квалифицированная регулировка тяг;
- четкость менее точная, в отличие от расположения непосредственно на корпусе.
Хотя существуют различные приводы для механизма включения/выключения передач, но сам механизм в большинстве КПП имеет схожую конструкцию. В его основе подвижные штоки, которые находятся в крышке корпуса, а также вилки, жестко зафиксированные на штоках.
Механизм переключения передач Лада Гранта
Вилки полукругом входят в проточку муфты синхронизатора. Дополнительно в МКПП располагаются приспособления, которые уберегут механизм от недовключения либо от самовольного выхода из зацепления шестерен, а также от одновременной активации двух ступеней.
Несомненно, эксплуатация механической коробки передач сопровождается множеством плюсов. Одна экономическая сторона использования коробки чего стоит! А вкупе с надежностью трансмиссии и более «драйверскими» ощущениями от вождения МКПП является отличным решением для любителей быстрой езды или езды по бездорожью.
Знать направления вращения и числа оборотов шестерен
- ТОП >
- Знание передач >
- Первый шаг конструкции механизма с использованием шестерен >
- Знать направления вращения и число оборотов шестерен
1. Функции редуктора
Вот список функций зубчатых передач для конструкций механизмов. (Таблица 2-1)
Таблица 2-1 Функции редуктора
| Характерные функции шестерен | Объяснение |
| Изменить направление вращения вала | (уже объяснил) |
| Преобразование вращательного движения в линейное движение | (уже объяснил) |
| Изменение направления вращения (по часовой стрелке/против часовой стрелки) |
См. эту главу
|
| Изменение количества оборотов (ускорение вверх/вниз) | См. эту главу |
| Изменение силы вращения (увеличение/уменьшение крутящего момента) |
Вы можете изменить направление и количество оборотов входного и выходного валов, зацепив несколько шестерен. Позвольте мне объяснить это с помощью обычно используемых цилиндрических шестерен.
2. Определение направления вращения
Как правило, при использовании редукторов в конструкции механизмов изделий мехатроники в качестве источника энергии используется двигатель. Направление вращения двигателя определяется вращением вала, если смотреть со стороны, на которую выступает вал двигателя. (Рис. 2-1)
Кстати, вращение вправо обычно обозначается как CW (по часовой стрелке), а вращение влево — CCW (против часовой стрелки).
Рисунок 2-1: Определение направления вращения двигателя
Инженерам-конструкторам-механикам необходимо передавать информацию о направлении вращения двигателя инженерам-конструкторам-электрикам и разработчикам программного обеспечения.
В отличие от двигателей, направление вращения шестерен может быть определено по-разному в зависимости от направления взгляда. Поэтому направления взгляда должны быть согласованными при отображении движения механизма с помощью изображений (рис. 2-2).
Рисунок 2-2: Определение направления вращения зубчатых колес, если смотреть с заданного направления обзора
«Слова CW и CCW часто встречаются при разработке изделий мехатроники, поэтому их важно запомнить!»
3. Коэффициент скорости (коэффициент увеличения/уменьшения скорости)
Цель конструкции механизма с зубчатыми колесами состоит в том, чтобы получить необходимое число оборотов путем объединения нескольких зубчатых колес.
Скорость вращения выходного вала уменьшена, увеличена или сделана равной частоте вращения входного вала в зависимости от назначения.
Крутящий момент уменьшается при увеличении скорости и увеличивается при уменьшении. (Этот момент будет объяснен в следующей главе.
) Поэтому скорость двигателя с малой выходной мощностью в большинстве случаев уменьшается с помощью шестерен для создания большего крутящего момента. Многие мотор-редукторы используются в автомобильных деталях, бытовой технике и двигателях промышленных машин.
Мотор-редуктор представляет собой электрическую часть, состоящую из небольшого двигателя и редуктора для создания большего крутящего момента, а не для снижения скорости вращения двигателя. (Рисунок 2-3)
Рисунок 2-3: Механизм мотор-редуктора
4. Расчет передаточного отношения одноступенчатой зубчатой передачи
Вращательное число шестерен полностью зависит от числа зубьев зацепляющихся шестерен и передается расчетным путем.
Зубчатая передача, зацепляющаяся в одной плоскости, называется «одноступенчатой передачей», и к ней применяются следующие формулы: (Рисунок 2-4)
Когда шестерня A вращается с числом оборотов NA, число оборотов шестерни B NB уменьшается до:
NB=(ZA/ZB)× нет данных
Когда шестерня B вращается на число оборотов NB, скорость вращения шестерни A увеличивается на число NA.
NA=(ZB/ZA)× NB
Рисунок 2-4: Формула передаточного числа одноступенчатого редуктора
Упражнение для соотношения скоростей (1)
Рассчитайте число оборотов и направление вращения ведомой шестерни (шестерня А).
Символ на Рис. 2-5 представляет ведущую шестерню.
* об/мин: число оборотов в минуту: число оборотов в минуту. Кстати, оборот в секунду — это «rps».
[Состояние]
Количество зубьев: ZA=20, ZB=40
Число оборотов ведущей шестерни: NB=125 об/мин
Направление вращения ведущей шестерни: против часовой стрелки
[Ответ]
Число оборотов шестерни A
NA=(ZB/ZA)× NB= (40/20)× 125 = 250 об/мин
Направление вращения шестерни A: по часовой стрелке
Рисунок 2-5: Упражнение для передаточного числа одноступенчатого редуктора (1)
Упражнение для соотношений скоростей (2)
Рассчитайте число оборотов и направление вращения ведомой шестерни (шестерня B).
Символ на рис. 2-6 представляет ведущую шестерню.
[Состояние]
Количество зубьев: ZA=17, ZB=51
Число оборотов ведущей шестерни: NA=1800 об/мин
Направление вращения ведущей шестерни: против часовой стрелки
[Ответ]
Число оборотов шестерни B
NB=（ZA/ZB）× NA= （17/51）× 1800 = 600 об/мин
Направление вращения шестерни B: CW
Рисунок 2-6: Упражнение для передаточного числа одноступенчатого редуктора (2)
Упражнение для соотношений скоростей (3)
Рассчитайте число оборотов и направление вращения ведомой шестерни (шестерня C).
Символ на Рисунке 2-7 представляет ведущую шестерню.
[Условие]
Количество зубьев: ZA=20, ZB=30, ZC=20
Число оборотов ведущей шестерни: NA=90 об/мин
Направление вращения ведущей шестерни: против часовой стрелки
[Ответ]
Число оборотов шестерни B:
NB=（ZA/ZB）× NA= （20/30）× 90 ≈ 60 об/мин
Направление вращения шестерни B: по часовой стрелке
NC=(ZB/ZC)× NB= (30/20)× 60 = 90 об/мин
Направление вращения шестерни C: против часовой стрелки
Рисунок 2-7: Упражнение для определения передаточного числа одноступенчатого редуктора (3)
Эти расчеты становятся все более громоздкими по мере увеличения числа передач.
(Рисунок 2-8)
Рисунок 2-8: Расчет передаточного числа одноступенчатого редуктора
Без проблем!
Если несколько шестерен входят в зацепление в одноступенчатой передаче, число оборотов определяется количеством зубьев входной и выходной шестерен независимо от числа шестерен и зубьев в середине.
Следовательно, число оборотов шестерни E рассчитывается следующим образом:
NE=(ZA/ZE)× Н/Д
«Расчет для одноступенчатого редуктора прост, даже если количество зацепляемых шестерен увеличивается!»
5. Расчет передаточного отношения многоступенчатой зубчатой передачи
Зубчатая передача, которая зацепляется более чем в одной плоскости, называется «многоступенчатой передачей». (Рисунок 2-9)
Рисунок 2-9: Пример многоступенчатой зубчатой передачи (двухступенчатой)
В этом случае вам необходимо рассчитать коэффициент скорости для каждой пары зацепления.
Упражнение для соотношения скоростей (4)
Рассчитайте число оборотов и направление вращения ведомой шестерни (шестерня D).
Символ на Рисунке 2-10 представляет ведущую шестерню.
[Условие]
Количество зубьев: ZA=20, ZB=40, ZC=20, ZD=30
Число оборотов ведущей шестерни: NA=120 об/мин
Направление вращения ведущей шестерни: против часовой стрелки
[Ответить]
Число оборотов шестерни B:
NB=(ZA/ZB)× NA= (20/40)× 120 = 60 об/мин
Направление вращения шестерни B: по часовой стрелке
NC= NB= 60 об/мин (на том же валу)
Направление вращения шестерни C: CW
ND=(ZC/ZD)× NC= (20/30)× 60 ≈ 40 об/мин
Направление вращения шестерни D: против часовой стрелки
Рисунок 2-10: Расчет передаточного отношения многоступенчатой зубчатой передачи
По мере увеличения коэффициента уменьшения/увеличения скорости одна шестерня должна быть больше, и при использовании одноступенчатой передачи не будет много места. Следовательно, становится необходимым использовать многоступенчатые передачи для эффективного использования пространства.
Мы обсуждали, что число оборотов шестерни рассчитывается по количеству зубьев в этом разделе.
Далее мы объясним передачу крутящего момента, один из наиболее важных элементов в конструкции механизмов с зубчатыми колесами. (Продолжение следует…)
ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ
Цель написания этой статьи состояла в том, чтобы обучить читателей элементарному уровню зубчатой техники.
Мы надеемся, что фактическое проектирование и производство зубчатых передач и механизмов, использующих шестерни, осуществляется с достаточными техническими и специальными соображениями под полную ответственность пользователя.
Мы отказываемся от какой-либо ответственности и не будем компенсировать любой прямой или косвенный ущерб, причиненный механизмами, разработанными пользователями, прочитавшими эту статью.
Что такое шестерни силовой передачи? Техническое резюме
Обновлено за февраль 2020 г. || Функция шестерни заключается в зацеплении с другими шестернями для передачи измененного крутящего момента и вращения.
Фактически, зубчатая передача может изменять скорость, крутящий момент и направление движения от источника привода.
Геометрия
и общая конструкция шестерни
Когда две шестерни с неравным числом зубьев входят в зацепление, механическое преимущество делает их скорости вращения и крутящие моменты разными.
В простейших конфигурациях шестерни плоские с цилиндрическими зубьями (с краями, параллельными валу), а вал входной шестерни параллелен валу выходной. Цилиндрические зубчатые колеса в основном вращаются через зацепление, поэтому их эффективность может составлять 98% или более на каждую ступень редуктора. Однако существует некоторое скольжение между поверхностями зубьев, и первоначальный контакт между зубьями происходит сразу по всей ширине зуба, вызывая небольшие ударные нагрузки, вызывающие шум и износ.
Иногда смазка помогает смягчить эти проблемы.
В немного более сложных конфигурациях, параллельные зубчатые передачи имеют косозубые шестерни, которые входят в зацепление под углом от 90° до 180° для большего контакта зубьев и более высокого крутящего момента. Спиральные редукторы подходят для приложений с более высокой мощностью, где долгосрочная эффективность работы важнее, чем первоначальная стоимость. Зубья косозубых шестерен постепенно входят в зацепление с поверхностями зубьев, обеспечивая более тихую и плавную работу, чем прямозубые зубчатые колеса. Кроме того, они имеют более высокую грузоподъемность.
Одно предостережение: контакт зубьев под углом создает усилие, которое должна преодолевать рама машины.
Независимо от подтипа, большинство параллельноосных зубчатых передач имеют зубья шестерен с особыми эвольвентными профилями — адаптированными версиями скрученной дорожки окружности с воображаемой струной. Здесь сопрягаемые шестерни имеют касательные окружности шага для плавного зацепления качения, сводящего к минимуму проскальзывание.
Связанное значение, точка шага, — это место, где одна шестерня первоначально соприкасается с точкой шага напарника.
Эвольвентные зубчатые передачи также имеют траекторию действия, которая проходит через делительную точку по касательной к базовой окружности.
Помимо плоскопараллельных редукторов существуют непараллельные и угловые редукторы. У них есть входной и выходной валы, которые выступают в разных направлениях, что дает инженерам больше вариантов монтажа и дизайна. Зубья таких зубчатых передач бывают коническими (прямыми, спиральными или нулевыми), червячными, гипоидными, косыми или косозубыми. Наиболее распространены конические зубчатые передачи с зубьями, нарезанными под углом или конической формы.
Гипоидные шестерни очень похожи на спирально-конические шестерни, но оси входного и выходного валов не пересекаются, поэтому проще интегрировать опоры. Напротив, зубчатые передачи Zerol имеют изогнутые зубья, которые выровнены с валом, чтобы минимизировать осевые нагрузки.
Редукторы общего назначения, комплекты для крепления на валу
и червячные передачи
Зубчатые редукторы, называемые редукторами, являются составной частью многих механических, электрических и гидравлических двигателей. По сути, это шестерня или ряд шестерен, объединенных таким образом, чтобы изменить крутящий момент двигателя. Обычно крутящий момент увеличивается прямо пропорционально уменьшению числа оборотов в единицу времени.
Редукторы скорости бывают двух видов: на основании и на валу. Типы с креплением на валу выпускаются в двух версиях. Один действительно установлен на валу , поскольку входной вал приводного двигателя поддерживает его … со специальной муфтой для устранения реакции крутящего момента. Другой крепится к корпусу машины , поэтому входной вал не поддерживает вес редуктора и не компенсирует реакцию крутящего момента.
Согласно определению Американской ассоциации производителей зубчатых колес (AGMA), инженеры применяют термин «редуктор скорости» к узлам, работающим при скорости вращения шестерни ниже 3600 об/мин или скорости делительной линии ниже 5000 футов в минуту.
(AGMA — это международная группа производителей зубчатых колес, консультантов, ученых, пользователей и поставщиков.)
Редукторы, работающие на более высоких скоростях, называются высокоскоростными. Производители основывают каталожные рейтинги и технические характеристики редукторов на этих стандартах AGMA.
(Подробнее после иллюстрации.)
Здесь показаны зубчатые передачи марок Spiroid и Helicon. Подходящие для передачи мощности под прямым углом в приложениях с высокими требованиями к удельной мощности, эти зубчатые колеса с косой осью работают на непересекающихся и непараллельных осях. По сравнению с традиционными прямоугольными коническими и червячными передачами, смещение зубчатого колеса относительно осевой линии в зубчатых колесах под брендами Spiroid и Helicon обеспечивает больший контакт зубьев с поверхностью и приводит к более высокому коэффициенту контакта. Это повышает крутящий момент и обеспечивает плавную передачу движения. В зубчатых передачах марки Spiroid используется передовое программное обеспечение и инструменты, чтобы запатентованная зубчатая передача соответствовала требованиям конкретного применения.
Зубчатые передачи тихие, жесткие и компактные, с передаточными числами от 3:1 до 300:1 и выше. Типов редукторов столько же, сколько типов шестерен. Рассмотрим редукторы, в которых входной и выходной валы расположены под разными углами. Самыми распространенными из них являются червячные редукторы.
Червячные редукторы используются в двигателях с низкой и средней мощностью. Они предлагают низкую начальную стоимость, высокие передаточные числа и высокий выходной крутящий момент в небольшом корпусе, а также более высокую устойчивость к ударным нагрузкам, чем редукторы с косозубыми передачами. В традиционной установке цилиндрический зубчатый червяк входит в зацепление с зубчатым колесом в форме диска с зубьями по окружности или торцу.
(Подробнее после видео.)
Большинство червячных передач имеют цилиндрическую форму с зубьями одинакового размера. В некоторых червячных редукторах используется геометрия зубьев с двойной огибающей — с делительным диаметром, который переходит от глубокого к короткому и обратно к глубокому, поэтому в зацепление входит больше зубьев.
Независимо от версии, большинство зубчатых колес в червячных редукторах имеют чашевидные края зубьев, которые во время зацепления охватывают червячный вал. Во многих случаях скользящее зацепление снижает эффективность, но продлевает срок службы, поскольку сопряжение червячной передачи удерживает пленку смазки во время работы. Отношение червячной передачи — это количество зубьев колеса к количеству витков (заходов или ходов) на червяке.
Несколько слов о редукторах
Редуктор похож на редуктор, но редуктор не просто снижает скорость. Инженеры используют их везде, где требуется высокий крутящий момент при низкой скорости. Он уменьшает инерцию отраженной массы груза, что облегчает ускорение тяжелых грузов, позволяя конструкциям запускать двигатели меньшего размера. Редукторы бывают разных типов: от простых прямозубых до более сложных планетарных редукторов и редукторов гармонического типа, каждая со своими характеристиками и подходящими областями применения.
Одно предостережение: в некоторых случаях возникает проблема с люфтом редуктора. В этом случае рассмотрите возможность использования редуктора с малым или нулевым люфтом.
Редукторы, специальные редукторы и сервоприводы … включая планетарные передачи
Это самосмазывающиеся шестерни с металлическим сердечником от Intech для приложений с частыми циклами пуска и остановки и высоким крутящим моментом, когда компоненты силовой передачи должны противостоять ударам. Сервосистемы представляют собой прецизионные установки с обратной связью и (в большинстве случаев) довольно строгими требованиями к точности. Поэтому для этих конструкций инженеры должны выбирать редукторы с сервоприводом с хорошей жесткостью на кручение, надежным выходным крутящим моментом и минимальным люфтом. OEM-производителям, которым поручено интегрировать сервосистемы, следует искать бесшумные редукторы, которые легко монтируются на двигатель и требуют минимального или (если возможно) никакого обслуживания.
На самом деле, во многих современных машинах сервоприводы интегрированы в электромеханические устройства для конкретных приложений, и некоторые из этих устройств достаточно распространены, чтобы иметь специальные этикетки. Вот посмотрите на некоторые из наиболее распространенных.
Мотор-редуктор: Этот полный компонент движения представляет собой редуктор, интегрированный с электродвигателем переменного или постоянного тока. Обычно двигатель включает в себя шестерни на выходе (обычно в виде собранного редуктора) для снижения скорости и увеличения доступного выходного крутящего момента. Инженеры используют мотор-редукторы в машинах, которые должны перемещать тяжелые предметы. Спецификациями скорости для мотор-редукторов являются нормальная скорость и крутящий момент при остановке.
Коробка передач: Это изолированная зубчатая передача … механический узел или компонент, состоящий из ряда встроенных шестерен. Планетарные передачи распространены в интегрированных коробках передач.
Планетарные шестерни: Особенно распространенные в сервосистемах, эти шестерни состоят из одной или нескольких внешних планетарных шестерен, которые вращаются вокруг центральной, или солнечной, шестерни. Обычно планетарные шестерни устанавливаются на подвижном рычаге или держателе, который вращается относительно солнечной шестерни. В наборах часто используется внешнее зубчатое колесо или кольцо, которое входит в зацепление с планетарными шестернями.
Передаточное отношение планетарного ряда требует расчета, поскольку существует несколько способов преобразования входного вращения в выходное. Обычно одно из этих трех зубчатых колес остается неподвижным; другой является входом, который обеспечивает питание системы, а последний действует как выход, который получает питание от приводного двигателя. Отношение входного вращения к выходному вращению зависит от количества зубьев в каждой шестерне и от того, какой компонент удерживается неподвижно.
WEISS North America производит делительно-поворотный стол TO220C с прямым приводом, который используется в этом испытательном стенде.
Станок проверяет токарные детали автомобилей. Благодаря редукторному приводу WEISS время переключения составляет всего 0,3 секунды… при времени цикла 1,9.с (по сравнению с 2,6 с в предыдущих разработках). Планетарные передачи имеют ряд преимуществ по сравнению с другими передачами. К ним относятся высокая удельная мощность, возможность получения больших сокращений при небольшом объеме, несколько кинематических комбинаций, чистые реакции кручения и коаксиальный вал. Еще одним преимуществом планетарных коробок передач является эффективность передачи мощности. Потери обычно составляют менее 3% на ступень, поэтому вместо того, чтобы тратить энергию на механические потери внутри редуктора, эти редукторы передают большую часть энергии для продуктивного вывода движения.
Планетарные редукторы также эффективно распределяют нагрузку.
Несколько сателлитов делят передаваемую нагрузку между собой, что значительно увеличивает плотность крутящего момента. Чем больше планет в системе, тем больше нагрузочная способность и выше плотность крутящего момента.
Эта компоновка также очень устойчива благодаря равномерному распределению массы и повышенной жесткости при вращении. К недостаткам можно отнести высокие несущие нагрузки, труднодоступность и сложность конструкции.
В сервосистемах, помимо повышения выходного крутящего момента, редукторы дают еще одно преимущество — сокращение времени установления. Время установления является проблемой, когда инерция двигателя мала по сравнению с инерцией нагрузки… проблема, которая является источником постоянных дебатов (и регулярных улучшений) в отрасли. Коробки передач уменьшают отраженную инерцию на органах управления на коэффициент, равный квадрату редуктора.
Волновая передача
Волновая передача представляет собой редуктор специальной конструкции для снижения скорости. Он использует эластичность металла (прогиб) шестерни для снижения скорости. (Наборы волновых зубчатых передач также известны как Harmonic Drives, термин зарегистрированной торговой марки Harmonic Drive Systems Inc.
) Преимущества использования волновых зубчатых передач включают отсутствие люфта, высокий крутящий момент, компактный размер и точность позиционирования.
Волновой редуктор состоит из трех компонентов: волнового генератора, гибкого шлица и кругового шлица.
Генератор волн представляет собой узел подшипника и стального диска, который называется заглушкой генератора волн. Внешняя поверхность вилки генератора волн имеет эллиптическую форму, обработанную в точном соответствии со спецификацией. Шариковый подшипник специальной конструкции запрессован вокруг этой втулки подшипника, благодаря чему подшипник принимает ту же эллиптическую форму, что и втулка генератора волн. Конструкторы обычно используют генератор волн в качестве входного элемента, обычно присоединенного к серводвигателю.
Это прогресс зацепления зубьев с гибкими шлицами с зубьями с круглыми шлицами. Профиль зубьев шестерен Harmonic Drive позволяет зацеплять до 30% зубьев… для более высокой жесткости и крутящего момента, чем у зубчатых передач с эвольвентными зубьями.
Flexspline представляет собой тонкостенную стальную чашку. Его геометрия позволяет стенкам чашки быть податливыми в радиальном направлении, но оставаться жесткими при кручении (поскольку чаша имеет большой диаметр). Производители втачивают зубья шестерни во внешнюю поверхность возле открытого конца чашки (около края). Flexspline обычно является выходным элементом механизма.
На одном конце чашки имеется жесткая втулка, обеспечивающая прочную монтажную поверхность. Генератор волн вставляется внутрь гибкого шлица, так что подшипник находится в том же осевом положении, что и зубья гибкого шлица. Стенка гибкого шлица возле края чашки соответствует той же эллиптической форме подшипника. Это придает зубьям на внешней поверхности гибкого шлица эллиптическую форму. Таким образом, гибкие шлицы фактически имеют эллиптический диаметр шага зубчатого колеса на своей внешней поверхности.
Круговой шлиц представляет собой жесткое круглое стальное кольцо с зубьями на внутреннем диаметре.
Обычно он прикреплен к корпусу и не вращается. Его зубья входят в зацепление с зубьями гибкого сплайна. Рисунок зуба гибкого шлица входит в зацепление с профилем зуба кругового шлица вдоль главной оси эллипса. Это зацепление подобно эллипсу, концентрически вписанному в круг. Математически вписанный эллипс касается окружности в двух точках. Однако зубья шестерни имеют конечную высоту. Таким образом, на самом деле есть две области (вместо двух точек) зацепления зубьев. Примерно 30% зубов задействованы постоянно.
Упругая радиальная деформация действует как очень жесткая пружина, чтобы компенсировать пространство между зубьями, которое в противном случае увеличило бы люфт.
Угол давления зубьев шестерни преобразует тангенциальную силу выходного крутящего момента в радиальную силу, действующую на подшипник генератора волн. Зубья гибкого шлица и кругового шлица входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и выходят из зацепления на малой оси эллипса.
Обратите внимание, что у гибкого шлица на два зуба меньше, чем у кругового, поэтому каждый раз, когда генератор волн делает один оборот, гибкий и круговой шлицы смещаются на два зуба. Передаточное число рассчитано:
количество зубьев гибкого шлица ÷ (количество зубьев гибкого шлица – количество зубьев кругового шлица)
Движение зацепления зубьев (кинематика) волнового зубчатого колеса отличается от планетарного или цилиндрического зубчатого зацепления. Зубья входят в зацепление таким образом, что до 30 % зубьев (60 для передаточного числа 100:1) постоянно входят в зацепление. Это контрастирует с шестью зубьями для планетарной передачи и одним или двумя зубьями для цилиндрической шестерни.
Кроме того, благодаря кинематике зубья шестерни входят в зацепление с обеих сторон боковой поверхности зуба. Люфт — это разница между межзубным промежутком и шириной зуба, и эта разница равна нулю в волновой передаче.
(Подробнее после галереи. Нажмите на фото для увеличения.
)
Редукторы Lampin MITRPAK используются во множестве специализированных приложений, включая подвижные сиденья на стадионах, конвейеры производственных линий, байдарки с педальным приводом и даже механизированные леденцы на палочке.
Эта редукторная сборка от Lampin Corp. полезна в приложениях, где требуется надежная передача мощности. Lampin специализируется на прямоугольных редукторах и спирально-конических зубчатых передачах.
В рамках конструкции производитель предварительно натягивает зубья шестерни гибкого шлица по отношению к зубьям кругового шлица на главной оси эллипса .
Зубья Flexspine и Circular Spline входят в зацепление вблизи большой оси эллипса и расцепляются на малой оси эллипса. Преднатяг таков, что напряжения значительно ниже предела выносливости материала. По мере износа зубьев шестерни эта упругая радиальная деформация действует как жесткая пружина, компенсируя пространство между зубьями, которое в противном случае вызвало бы увеличение люфта.
Это позволяет производительности оставаться постоянной в течение всего срока службы редуктора.
Волновая передача обеспечивает высокое отношение крутящего момента к массе и крутящего момента к объему. Легкая конструкция и одноступенчатые передаточные числа (до 160:1) позволяют инженерам использовать эти редукторы в приложениях, требующих минимального веса или объема. Небольшие двигатели могут использовать большое механическое преимущество передаточного числа 160: 1 для создания компактного, легкого и недорогого устройства.
Еще одним профилем зуба для волновой передачи является S-образный зуб. Такая конструкция позволяет зацепить большее количество зубьев шестерни. В результате удваивается жесткость на кручение, удваивается номинальный максимальный крутящий момент и продлевается срок службы. Форма зуба S не использует эвольвентную кривую зуба. Вместо этого он использует ряд чисто выпуклых и вогнутых дуг окружности, которые соответствуют локусам точек взаимодействия, продиктованным теоретическим анализом и анализом САПР.