Одноступенчатые главные передачи

В этой главе рассматриваются как одноступенчатые главные передачи, так и первые ступени двухступенчатых главных передач.

КОНИЧЕСКИЕ И ГИПОИДНЫЕ ГЛАВНЫЕ ПЕРЕДАЧИ

В большинстве автотранспортных средств применяются одноступенчатые главные передачи, выполняемые в виде конической или гипоидной передачи.

Характеристика конической главной передачи и ее применение

Конические главные передачи широко используют в грузовых автомобилях и специальных транспортных средствах, а также в автобусах. В легковых автомобилях конические главные передачи в значительной степени вытеснены гипоидными главными передачами. Однако в легковых автомобилях некоторых типов (особенно в мало- и микролитражных автомобилях западноевропейских стран, Японии, СССР, ЧССР, Польши и других стран) применяют конические главные передачи.

Обычно используют конические главные передачи с углом между осями 90°, однако в некоторых автомобилях (особенно в автобусах с задним расположением двигателя) применяют конические передачи с углом между осями, не равным 90° (см. рис. 2.56)

Коническая передача может быть выполнена с помощью конических колес, имеющих линию зуба в виде окружности — типа «Гли-сои», дуг эвольвенты — типа «Клингельнберг», дуг элоиды — типа «Эрликон», дуг спирали—типа «ФИАТ-маммано». Направление зуба при разных типах зацепления показано на рис. 2.2. Наибольшее применение получила главная передача с круговыми зубьями типа Глисон.

Коническая передача с криволинейными зубьями позволяет выполнить требования по прочности и кинематике. Она может применяться в грузовых автомобилях, автобусах и в значительной части легковых автомобилей. К основным преимуществам конической передачи с криволинейными зубьями можно отнести возможность шлифования зубьев на высокопроизводительных станках и наличие

Рис. 2.2. Зубья конических колес:

а и б — с круговым направлением зуба соответственно для— с эволь-

вентным направлением зуба; г — со спиральным направлением зуба; 1 — эвольвента; 2 — логарифмическая спираль

локализованного пятна контакта, что делает зацепление менее чувствительным к неточностям взаимного положения колес.

Значительно реже применяют конические передачи с зацеплением по дуге эвольвенты, т. е. паллоидные передачи. Конические колеса с эвольвентными зубьями в изготовлении проще, чем конические колеса с круговыми зубьями, но имеют больше недостатков (невозможность шлифования зубьев и выбора угла наклона зуба, так как этот угол однозначно определяется числом зубьев, модулем, углом конуса и шириной зубчатого венца).

Основным недостатком конических передач с криволинейным зубом являются значительные осевые силы, изменяющие свое направление при изменении направления вращения шестерен.

Когда направления линии зуба и вращения совпадают, направление осевой силы может быть различным.

Если— угол профиля зуба

в нормальном сечении;— угол линии зуба по середине ширины венца;— угол делительного конуса шестерни, то осевая сила будет направлена к вершине конуса. Такое направление осевой силы нежелательно, так как при наличии зазора может произойти заклинивание зубьев.

Если направления зуба и вращения противоположны, то продольная сила направлена от вершины к основанию конуса. В этом случае возникновение осевого зазора не может привести к заклиниванию передачи. При движении автомобиля вперед ведущая шестерня главной передачи имеет правое направление вращения, поэтому направление линии зуба шестерни — левое.

При движении автомобиля назад направление линии зуба совпадает с направлением вращения, в связи с чем осевая сила получает нежелательное направление. Однако движение автомобиля задним ходом происходит в течение очень небольшого промежутка времени, и крутящий момент при этом в большинстве случаев невелик.

Правильно сконструированная коническая главная передача должна иметь максимально достижимую жесткость зубчатых колес и их опор в картере передачи, простую регулировку положения зубчатых колес, позволяющую добиться эффективного взаимодействия их, а также устранения в конических подшипниках (в случае их применения) осевых зазоров возникающих по мере износа подшипников.

В соответствии с инструкцией фирмы «Глисон уоркс», допустимая погрешность установки конических шестерен главной передачи с круговыми зубьями по отношению к расчетному положению этих шестерен, согласно инструкции фирмы «Глисон уоркс» показана на рис. 2.3.

Достижение такого уровня точности взаимного расположения зубчатых колес зависит не только от высокой точности обработки и высокой жесткости картера, но и от жесткости ведущего вала, жесткости ведомой шестерни, правильного выбора подшипников и их размещения. Подшипники должны быть расположены так, чтобы под действием окружной силы, возникающей в зацеплении и достигающей здесь большой величины, совокупные деформации системы были как можно меньше.

2.1.2. Характеристика гипоидной главной передачи и ее применение

В настоящее время гипоидные главные передачи применяются во всех американских легковых автомобилях, большей части западноевропейских легковых автомобилей среднего класса, а также в значительной части мало- и микролитражных автомобилей.

Рис. 2.3. Допустимые перемещения шестерен конической главной передачи по данным фирмы «Глисон уоркс» (США)

Гипоидные главные передачи нашли широкое применение и в грузовых автомобилях. Около ²/₃ всех моделей американских грузовых автомобилей с одним ведущим мостом снабжаются гипоидной передачей. Некоторые автомобилестроительные фирмы, например «Додж», «Форд» и т. п., оснащают гипоидной передачей автомобили всех типов, в том числе автомобили с двумя и тремя ведущими мостами, колесные тягачи и автомобили большой грузоподъемности.

Гипоидные главные передачи широко применяются в английских грузовых автомобилях и автобусах «Бедфорд», западногерманских грузовых автомобилях «Мерседес-Бенц» и т. п. В СССР гипоидные передачи используют в легковых автомобилях «Москвич-412», ГАЗ-24 «Волга», ГАЭ-13 «Чайка» и ЗИЛ-111. Гипоидная передача устанавливается также в автомобиле «Фиат-125Р» (ПНР).

Гипоидные передачи относятся к передачам со скрещивающимися осями. Что касается их свойств, то они являются промежуточными по сравнению с коническими и червячными передачами. При правильном конструировании гипоидной передачи можно добиться оптимального совмещения качеств как червячных, так и конических передач.

Характерными свойствами гипоидных передач являются следующие [19*].

1. Менее шумная работа по сравнению с коническими передачами, однако более шумная по сравнению с червячными передачами.

2. КПД выше, чем у червячных передач, и несколько ниже, чем у конических. Для получения высокого КПД гипоидной передачи нет необходимости добиваться особо высокой точности изготовления или малой шероховатости рабочих поверхностей. Для гипоидных шестерен применяют те же материалы, что и для конических шестерен, а стоимость изготовления обеих передач приблизительно одинакова.

3. При одинаковой прочности размеры гипоидной передачи значительно меньше, чем конической. Правильно сконструированная гипоидная передача по размерам не уступает червячной передаче.

4. Возможность достижения более низкого положения кузова и вследствие этого уменьшения высоты центра тяжести автомобиля при обычном для автомобильных гипоидных передач положении ведущей шестерни (см. рис. 2.6, б и в). Кроме того, отпадает необходимость в выполнении туннеля карданного вала в полу кузова. Уменьшение высоты центра тяжести автомобиля повышает его устойчивость и позволяет (при достаточной мощности двигателя) повысить среднюю скорость движения. Это особенно важно для легковых автомобилей и автобусов.

5. Возможность более простого подвода привода к ведущим колесам в многоосных автомобилях (см. рис. 8.18—8.20).

Гипоидная главная передача, как и коническая, может быть выполнена с помощью гипоидных шестерен, имеющих линию зуба в виде дуг окружности — типа «Глисон», эвольвенты — типа «Клин-гельнберг», элоиды — типа Эрликон, спирали — типа «ФИАТ-

Рис. 2.4. Схема соприкосновения конусов в гипоидной передаче

маммано». Наибольшее применение находят гипоидные передачи с круговыми зубьями типа «Глисон».

Делительными поверхностями гипоидных передач являются конусы (рис. 2.4), соприкасающиеся в точке Р. Ось гипоидной шестерни смещена относительно оси колеса как показано на рис. 2.5; это смещение называют гипоидным. Направление гипоидного смещения можно определить, если при взгляде со стороны вершины ведомой шестерни ведущая шестерня находится справа от оси ведомой шестерни.

Гипоидные шестерни (рис. 2.6, а и б) имеют нижнее смещение, а на рис. 2.6, виг — верхнее смещение. Шестерни (рис. 2.6, а и б) имеют левое направление зуба, а на рис. 2.6, в я г — правое направление зуба.

Направление смещения, угол спирали зуба и направление спирали связаны между собой. С помощью уравнений (2.1) и (2.2) можно показать, что, если смещение положительно (шестерня с левой спиралью и нижним смещением или с правой спиралью и верхним смещением), размеры гипоидной шестерни будут больше, чем у со-' ответствующей конической шестерни, а если смещение отрицательно (шестерня левого вращения расположена выше центра колеса автомобиля, а правого вращения — ниже центра колеса), то гипоидная

Рис. 2.5. Гипоидное смещение шестерни: 1 — гипоидное смещение

Рис. 2.6. Положения гипоидной шестерни относительно оси ведомой шестерни и соответствующие им направления линии зуба

шестерня по размерам будет меньше соответствующей конической шестерни. Отрицательное смещение уменьшает коэффициент перекрытия и плавность, а также способствует увеличению шума, характерного для гипоидных передач, в связи с чем использование такой конструкции не рекомендуется. Обычно смещение ведущей шестерни не превышает 0,2 диаметра делительной окружности ведомой шестерни у легковых и 0,12 у грузовых автомобилей.

Если число зубьев шестерни невелико (как в главной передаче автомобиля), то следует учитывать малое значение торцового коэффициента перекрытия. Изменяя угол спирали, добиваются максимального перекрытия зуба без чрезмерного увеличения осевых сил, действующих на подшипники.

Фирма «Глисон уоркс» [5] рекомендует следующую формулу (как для конических шестерен, так и для гипоидных) для приближенного расчета угла спирали по середине зуба:

где— приближенный угол спирали по середине зуба, е — гипоидное смещение d₂ — диаметр делительной окружности ведомой шестерни, мм; z₂ — число зубьев ведомой шестерни;— число зубьев ведущей шестерни.

Зная величинуможно получить приближенное значение

угла спирали ведомой шестерни из зависимости

где в — приближенный угол гипоидного смещения, средний радиус ведомой шестерни, мм,

Из приведенных выше формул можно заметить, что угол спирали находится в прямой зависимости от величины и направления смещения. В случае конических колес с круговым зубом, для которых смещение равно нулю, угол спирали зуба ведомой шестерни равен углу спирали зуба ведущей шестерни.

В случае гипоидных шестерен увеличение смещения приводит к большой разнице между углами спирали ведущей и ведомой шестерен. Положительное смещение способствует тому, что угол спирали ведомой шестерни получается меньше, чем у ведущей, в то время как отрицательное смещение способствует тому, что угол спирали ведомой шестерни становится больше, чем у ведущей. Разница между углами спирали ведомой и ведущей шестерен обусловливает необходимость изменения размеров шестерни в целях сохранения одного нормального модуля для обоих элементов передачи.

В гипоидной передаче отношение делительных диаметров ведущей и ведомой шестеренДля конических

передач указанная зависимость принимает следующий вид: —

Отношениевсегда меньше единицы, поэтому

в гипоидных передачахЭто позволяет при неизмен

ном диаметре ведущей шестерни уменьшить диаметр ведомой шестерни или при неизменном диаметре ведомой шестерни увеличить диаметр ведущей шестерни. В первом случае уменьшаются размеры главной передачи, так как они определяются диаметром ведомой шестерни. Во втором случае повышаются срок службы и прочность главной передачи.

При нормальном значениигипоидного смещения е — (0,125— —0,2) d₂ коэффициентСледовательно, при неизмен-

Рис. 2.7. Схема действия нормальных сил между зубьями гипоидной передачи и эпюра скоростей по высоте зуба:

1 и 2 — соответственно коническая и гипоидная передачи

ном диаметре ведущей шестерни диаметр ведомой шестерни может быть уменьшен в 1,25—1,5 раза (низшее значение относится к грузовым автомобилям, имеющим меньшее гипоидное смещение, высшее — к легковым автомобилям). В случае неизменности диаметра ведомой шестерни во столько же раз увеличивается диаметр ведущей шестерни. , Увеличение диаметра ведущей шестерни вызывает (при прочих равных условиях) возрастание нормального модуля, а отсюда и толщины зуба (в среднем на 10—15 %). Одновременно при этом уменьшается сила, действующая на зубья шестерен: В соответствии с рис. 2.7 нормальная сила, действующая на зубья ведомой и ведущей шестерен гипоидной передачи,

Если сравнить гипоидную передачу с конической, то нормальная сила, действующая на зубья гипоидных шестерен, будет меньше, чем у конических шестерен, во столько раз, во сколько раз угол спирали ведомой шестерни гипоидной передачи меньше соответствующего угла ведомой шестерни конической передачи. Если принять, что угол спирали конической передачи равен 35°, а ведомой шестерни гипоидной передачи — 20°, то уменьшение нормальной силы составило бы приблизительно 12 %.

При большем угле спирали ведущей гипоидной шестерни возрастает число зубьев одновременно находящихся в зацеплении (приблизительно в 1,5 раза); увеличение диаметра ведущей гипоид ной шестерни позволяет применять подшипники большего диаметра. Это повышает жесткость опор шестерен и снижает вероятность

нарушения работы зацепления. Таким образом, сопротивление усталости гипоидных передач при одинаковых размерах ведомых шестерен значительно выше, чем конических.

Как уже упоминалось выше, гипоидная передача имеет точечный контакт начальных конусов. Однако вследствие упругих деформаций зубьев под нагрузкой контакт распространяется на некоторую плоскость, подобную локализованному пятну контакта конической передачи. В результате увеличения диаметра ведущей шестерни и большей плавности зацепления или степени перекрытия удельное давление на зубьях гипоидных шестерен получается даже несколько меньше, чем у конических, при одновременном сохранении всех положительных свойств локализованного пятна контакта.

Одним из свойств зацепления гипоидных шестерен является продольное скольжение, зубьев. Скорость скольжения может быть определена по формулегде v —

окружная скорость колеса. Распределение скольжения вдоль высоты зуба в конической и гипоидной передачах показано на рис. 2.7. Для гипоидной передачи приведена суммарная величина скольжения, полученного по геометрическим данным профильного (по длине контура) и продольного скольжения.

Наличие продольного скольжения улучшает некоторые эксплуатационные свойства гипоидных главных передач, не ухудшая других. При наличии продольного скольжения также не изменяется направление скольжения на делительном диаметре, что оказывается одной из основных причин малошумной работы гипоидной передачи.

Однако наличие продольного скольжения ухудшает условия смазки. Условия образования масляной пленки тем хуже, чем меньше угол между касательной, проведенной к рабочим поверхностям зуба, и направлением скольжения. В случае профильного и продольного скольжения этот угол всегда меньше 90°. В некоторых точках на делительном диаметре и вблизи него упомянутый угол может быть близок к нулю. При наличии больших удельных нагрузок (значительно больших, чем в червячной передаче) и значительной работы трения в этих точках возможно уничтожение масляной пленки. В гипоидных передачах обе шестерни выполнены из одинакового материала — стали, в связи с чем при уничтожении масляной пленки обычно происходит задир трущихся поверхностей и передача становится непригодной к работе.

Указанный недостаток гипоидных передач полностью устраняется, если применяется специальное, так называемое гипоидное, масло.

Гипоидные масла отличаются от обычных тем, что благодаря специальным добавкам (специальные химические вещества, содержащие серу, хлор или фосфор), обеспечивают высокую прочность масляной пленки [14], не разрушающейся даже в тех тяжелых условиях, которые создаются в точках контакта зубьев шестерен гипоидных передач, и тем самым зубья предохраняются от задира.

В ПНР для смазывания гипоидных передач применяют следующие три вида масел: Hipol 10 (зимняя марка), Hipol 15 (всесезонная

марка) и Hipol 30 (летняя марка), а также масла Hipol 15F N—А и Hipol FN—В для главной передачи заднего моста и коробки передач автомобиля «Фиат-125Р». Их получают путем консервациоyной переработки нефти. Масла содержат добавки, повышающие прочность масляной пленки и стойкость против вспенивания, кроме того, ингибиторы коррозии.

Применение гипоидных масел желательно не только для гипоидных передач, но и длят других зубчатых передач трансмиссий (коробки передач, раздаточные коробки, конические главные передачи и т. п.), так как в этом случае повышается срок службы передачи, а также удлиняется период работы без смены масла. Чтобы обеспечить достаточно интенсивное, смазывание гипоидной передачи, часто

Рис. 2.8. Конструктивная схема гипоидной главной передачи:

а — с двухопорной установкой венца ведущей шестерни (максимальное передаточное число ig— 7,2); б — с консольной установкой ведущей шестерни (максимальное передаточное число 8,16); 1 — обычная конструкция ('ig = 5,83); 2 и 3 — конструкции для макси

мальных передаточных чисел соответственно 7,2 и 8,16

(главным образом в тяжелых грузовых автомобилях) применяют специальные масляные насосы.

Очевидно, что наличие продольного скольжения увеличивает работу трения. Однако вследствие повышения поверхностной прочности гипоидных шестерен за счет других рассмотренных выше факторов сопротивление износу зубчатых колес даже несколько выше, чем в конических передачах. Осевые силы, действующие на ведомую шестерню гипоидной передачи, несколько больше, чем в конической передаче. Что касается трудностей, связанных с обеспечением правильного зацепления, гипоидные передачи примерно равноценны коническим.

На рис. 2.8, а показана конструктивная схема гипоидпой передачи с двухопорной установкой зубчатого венца ведущей шестерни. Верхняя схема на рис. 2.8, а представляет собой обычную конструкцию с i_g = 5,83, а нижняя схема — конструкцию для предельного передаточного числа i_g = 7,2, с точки зрения минимального как диаметра шипа, так и размера заднего подшипника. В последней

конструкции фреза даже несколько подрезает внутреннюю опору или шип вала.

На рис. 2.8, б показана конструкция с консольным креплением зубчатого венца ведущей шестерни. Эта конструкция менее целесообразна с точки зрения жесткости, однако позволяет получить большее передаточное число (до 8,16).