Skrzynka biegów jest zespołem układu napędowego, służącym do uzyskania zmiany wielkości momentu obrotowego, wytwarzanego przez silnik, w celu otrzymania na kołach napędowych siły napędowej, potrzebnej do pokonania oporów jazdy poruszającego się samochodu. Skrzynka biegów, zastosowana w samochodach z tłokowymi silnikami spalinowymi, umożliwia:
- zmianę momentu obrotowego;
- otrzymanie odpowiedniej prędkości obrotowej wału napędowego, jaka jest konieczna do uzyskania wymaganej prędkości samochodu;
- ruch samochodu do tyłu przez odwrócenie kierunku obrotów wału napędowego;
- odłączenie silnika od wału napędowego samochodu przez umieszczenie dzwigni zmiany biegów w położeniu neutralnym.
Koło zębate – element uzębiony, przeznaczony do przenoszenia ruchu na inny element dzięki kolejnej współpracy ich zębów.
Przekładnia (pojedyncza) – mechanizm utworzony z dwóch kół zębatych, mogących przenosić ruch dzięki wzajemnemu zazębieniu ich zębów.
Przekładnia złożona – mechanizm utworzony z przekładni pojedynczych.
Przekładnia o osiach stałych – przekładnia, której osie kół są nieruchome względem siebie w czasie pracy przekładni (rys. 1.1).
Przekładnia obiegowa pojedyncza – przekładnia pojedyncza, której oś jednego z kół obraca się w czasie pracy przekładni dookoła osi drugiego koła (rys.1.2).
Przekładnia obiegowa prosta – przekładnia utworzona z trzech elementów o wspólnej osi: dwóch kuł i jarzma, które może obracać się dookoła tej osi, przy czym jarzmo zawiera oś lub osie jednego lub wielu kół pośrednich (rys. 1.3).
Przekładnia obiegowa złożona – przekładnia utworzona z wielu przekładni obiegowych trzyelementowych.
Przekładnia równoległa – przekładnia, której osie kół są równoległe (rys. 1.4).
Przekładnia wichrowata – przekładnia, której osie kół nie leżą w jednej płaszczyźnie (rys. 1.5).
Przekładnia walcowa – przekładnia równoległa lub wichrowata złożona z dwóch kół walcowych.
Przekładnia śrubowa – przekładnia walcowa, której linie zębów są liniami śrubowymi.
Przekładnia daszkowa – przekładnia walcowa utworzona z kół daszkowych.
Przekładnia zewnętrzna – przekładnia, której oba koła są kołami zewnętrznymi (rys. 1.6).
Przekładnia wewnętrzna – przekładnia, której oba koła są kołami wewnętrznymi (rys. 1.7).
Reduktor – przekładnia, dla której prędkość kątowa ostatniego koła biernego jest mniejsza od prędkości kątowej pierwszego koła czynnego.
Multiplikator – przekładnia, dla której prędkość kątowa ostatniego koła biernego jest większa od prędkości kątowej pierwszego koła czynnego.
Przełożenie przekładni i – iloraz prędkości kątowej koła czynnego wc i biernego wb przekładni pojedynczej lub iloraz prędkości kątowej pierwszego koła czynnego wc i ostatniego koła biernego wb przekładni złożonej
Przełożenie redukujące – przełożenie przekładni mniejsze od jednostki (i<1).
Przełożenie multiplikujące – przełożenie przekładni większe od jednostki (i>1)
Bieg najwyższy – bieg, na którym ukazuje się najmniejsze przełożenie skrzynki biegów.
Bieg najniższy – bieg, na którym ukazuje się największe przełożenie skrzynki biegów.
Liczba biegów – liczba wszystkich ukazanych przełożeń w skrzynce biegów przy ruchu samochodu do przodu.
Liczba stopni – liczba przekładni (lub par kół zębatych) biorących jednocześnie udział w przenoszeniu napędu na danym biegu przy ruchu samochodu do przodu.
Rozpiętość przełożeń dwóch biegów – stosunek wartości większego przełożenia niższego biegu do wartości mniejszego przełożenia kolejnego wyższego biegu lub stosunek wartości całkowitych przełożeń przy jeździe na tych biegach.
Rozpiętość przełożeń skrzynki biegów (lub wskaźnik rozpiętości przełożeń skrzynki biegów) – stosunek wartości przełożenia najniższego biegu do wartości przełożenia najwyższego biegu (wskaźnik rozpiętości przełożeń stanowi iloczyn rozpiętości przełożeń).
Rozpiętość przełożeń miedzy biegami (wykładnik przełożeń) – stosunek wartości przełożenia jednego biegu do wartości przełożenia kolejnego następnego biegu o mniejszym przełożeniu.
Ze względu na sposób uzyskania zmiany wartości przełożeń skrzynki biegów można podzielić na:
- stopniowe, w których ograniczona liczbę przełożeń uzyskuje się skokami;
- bezstopniowe, w których w określonych granicach można uzyskać nieskończenie duża liczbę przełożeń, zmieniających się w sposób ciągły;
- mieszane, stanowiące połączenie skrzynki bezstopniowej i stopniowej.
Do skrzynek biegów stopniowych zaliczamy wszystkie skrzynki z przekładniami zębatymi. Określoną liczbę przełożeń uzyskuje się w tych skrzynkach za pomocą pewnej liczby kół zębatych, które w zależności od oporów jazdy mogą być włączone w czasie ruchu samochodu.
Przekładnie bezstopniowe dzieli się na statyczne i kinetyczne. Do statycznych należą przekładnie cierne oraz przekładnie hydrostatyczne. Przekładnie cierna przekazuje napęd wyłącznie dzięki sprzężeniu ciernemu, czyli dzięki oporom tarcia mechanicznego, które przeciwstawiają się wzajemnemu poślizgowi dociskanych do siebie elementów. Spośród tych przekładni największe zastosowanie znalazła przekładnia pasowa z kołami stożkowymi (stosowana w samochodzie osobowym DAF). Przekładnie pasowe nadają się jednak tylko do podnoszenia małych mocy, ponadto oznaczają się niska sprawnością, przy częściowym wykorzystaniu mocy silnika.
Przekładnie hydrostatyczne przenoszą energie przez przetłoczenie pewnej objętości cieczy, przy czym ciecz znajduje się pod stosunkowo wysokim ciśnieniem. W zastosowaniu do samochodu układ taki musi być uzupełniony przez zastosowanie reduktora.
Główna zaleta przekładni hydrostatycznych polega na możliwości uzyskania bezstopniowej zmiany przełożenia w szerokim zakresie, a cały układ napędowy jest zastąpiony przez przekładnie hydrostatyczną, przy czym silniki hydrostatyczne mogą być umieszczone w dowolnym miejscu.
W porównaniu z przekładnią hydrokinetyczną układ statyczny posiada większy ciężar, większe wymiary i jest droższy. Ponadto przekładnia hydrostatyczna ma stosunkowo małą sprawność i źle pracuje przy dużych prędkościach obrotowych, toteż praktycznie przekładnia ta nie znalazła szerszego zastosowania.
Przekładnie bezstopniowe dynamiczne mogą być rozwiązane na drodze hydraulicznej lub elektrycznej.
Przekładnie elektryczne znalazły pewne zastosowanie w dużych pojazdach mechanicznych. Są jednak bardzo ciężkie i drogie.
Natomiast duże zastosowanie, głownie w samochodach osobowych i autobusach, znalazły przekładnie hydrokinetyczne.
W przekładniach hydrokinetycznych następuje przemiana doprowadzonej energii na energie kinetyczna cieczy, a następnie energia kinetyczna zostaje zamieniona na energie odbierana na wale napędowym. Zasadnicza cecha przekładni hydrokinetycznych jest samoczynne dostawanie wielkości przełożenia do obciążenia. Jednak zakres przełożeń jest zbyt mały i dlatego przekładnie hydrokinetyczne łączy się z przekładniami zębatymi, tworząc tzw. hydromechaniczne skrzynki biegów. W ten sposób uzyskuje się przekładnie mieszaną, w której stopniowa zmiana biegów zachodzi przy zmianach przełożenia przekładni zębatych, a bezstopniowa w przekładni hydrokinetycznej na każdej lub tylko niektórej z włączonych przekładni.
Skrzynki biegów można również podzielić ze względu na sposób ich sterowania.
Stopniowe skrzynki biegów mogą być sterowane ręcznie, półautomatycznie lub automatycznie.
W skrzynkach sterowanych ręcznie włączenie wymaganej przekładni odbywa się przez odpowiednie ustawienie dzwigni zmiany biegów, znajdującej się obok siedzenie kierowcy, pod kołem kierownicy bądź na tablicy rozdzielczej.
Sterowanie półautomatyczne zmianę biegów występuje wtedy, gdy dobór biegów, a niekiedy nawet i chwila jego włączenia zależy od kierowcy, a samo przełączenie odbywa się samoczynnie, bez wysiłku lub przy minimalnym wysiłku kierowcy.
Do tego rodzaju sterowania zalicza się np. sterowanie preselekcyjne, polegające na ustawieniu przełącznika biegów na wybranym prze kierowcę biegu i włączenie się samoczynne tego biegu bądź w zależności od położenia pedału przyspieszenia, bądź tak od impulsu, przekazanego przez kierowcę w inny sposób na układ sterowania zmiany biegów.
W skrzynkach sterowanych automatycznie wybór odpowiedniego przełożenia, w ramach nastawionego zakresu przełożeń, jak i suma czynność przełączania biegów odbywa się samoczynnie, bez udziału kierowcy. Kierowca operuje tylko kołem kierownicy, pedałem przyspieszenia i pedałem hamulca. Wybór zakresu przełożeń: parkowanie (samochód unieruchomiony), luz (samochód można popychać), jazda (niska wartość przełożenia momentu, wystarczająca przy ustalonym ruchu samochodu), niskie przyłożenia (duża wartość przełożenia momentu, konieczna przy ruszaniu z miejsca lub przyspieszaniu samochodu) oraz bieg tylny włączany jest przez kierowcę za pomocą małej dzwigni umieszczonej pod kierownica. Skrzynka sterowana automatycznie jest więc dalszym etapem rozwoju skrzynki sterowanej półautomatycznie , która została uzupełniona mechanizmem dobierającym samoczynnie moment zmiany przekładni w zależności od prędkości obrotowej silnika i warunków ruchu samochodu . Jeśli chodzi o przekładanie bezstopniowe , to mogą one posiadać samoczynną zmianę przełożeń w zależności od obciążenia, jak np. przekładanie hydrokinetyczne, bądź tez zmianę położeń sterowaną bezpośrednio przez kierowcę lub przez urządzenie działające automatycznie, jak np. przekładanie cierne.
Stopniowe skrzynki biegów można również podzielić według sposobu zazębiania się kół zębatych:
- skrzynki z przekładniami zębatymi o osiach stałych; w skrzynkach tych zmiana przełożenia odbywa się bądź przez zastosowanie specjalnych sprzęgieł, bądź przez przesuwanie kół w czasie ruchu samochodu;
- skrzynki z pedałami zębatymi o osiach obracających się; są to tak zwane obiegowe (planetarne) skrzynki biegów, w których zmiana biegów odbywa się przez zahamowanie lub odhamowanie jednego lub kilku systemów obiegowych (planetarnych).
W odniesieniu od skrzynek biegów stawiane są następujące wymagania:
1) uzyskanie różnych sił napędowych i korzystnych własności trakcyjnych samochodu przy złożonej charakterystyce silnika,
2) łatwość sterowania,
3) cichobieżność pracy.
Oprócz tych specyficznych wymagań w odniesieniu do skrzynek biegów stawiany jest cały szereg wymagań wspólnych dla większości mechanizmów samochodu (niezawodność pracy, małe wymiary i ciężar, prostota obsługi itp.).
Pierwsze spośród przedstawionych wyżej wymagań jest w zasadzie zapewnione za pomocą prawidłowego doboru przełożeń przekładni i przełożeń kół na różnych biegach. Zwiększenie liczby biegów daje możliwość pracy silnika w zakresach bardziej bliskich do optymalnych ze względu na moc i ekonomiczność pracy. Jednak komplikuje się przy tym konstrukcja skrzynki biegów, zwiększa się jej ciężar i wymiary, utrudnia się kierowanie samochodu. Oprócz tego ze zwiększeniem liczby biegów w większości skrzynek biegów zwiększa się czas przerwy w przepływie mocy do kół napędowych, co w wielu przypadkach zamiast oczekiwanego polepszenia własności dynamicznych może doprowadzić do ich pogorszenia.
Obecnie w samochodach osobowych najczęściej stosowane są skrzynki 4-biegowe, rzadziej 3-lub 5-biegowe.
W samochodach ciężarowych większej ładowności i samochodach wysokiej terenowości znajdują również zastosowanie skrzynki wielobiegowe o liczbie biegów 6¸30. w samochodach ze specjalnym silnikiem (silnik parowy, turbina gazowa) niekiedy stosuje się skrzynki 2-biegowe.
W samochodach wyposażonych w silnik spalinowy skrzynki 2-biegowe stosowane są zwykle w połączeniu z przekładnia bezstopniową.
Najczęściej stosowane wartości przełożeń skrzynek przekładniowych oraz całego układu napędowego samochodu zestawiono w tablicach 1-1 i 1-2. Łatwość sterowania skrzynką biegów jest związana z jej układem konstrukcyjnym, sposobem przyłączania i konstrukcją mechanizmu zmiany biegów.
W stopniowych skrzynkach biegów o osiach stałych zmiana biegów odbywa się najczęściej w sposób ręczny – mechaniczny; jednakże stosowane są skrzynki, w których zmiana biegów wspomagana jest za pomocą urządzeń podciśnieniowych, pneumatycznych, hydraulicznych lub mieszanych (urządzenia elektromagnetyczne, elektropróżniowe itp.). zastosowanie tych urządzeń znacznie ułatwia pracę kierowcy, szczególnie w ciężkich pojazdach mechanicznych.
W obiegowych skrzynkach biegów do sterowanie przekładni wykorzystuje się urządzenia cierne, pneumatyczne lub elektromagnetyczne, co znacznie ułatwia sterowanie skrzynka biegów. Oprócz tego przełączanie biegów w takich skrzynkach może następować bez przerw przepływu mocy, co pozwala przy różnych warunkach na zwiększanie liczby przełożeń i polepszenie własności dynamicznych samochodu.
Jednakże konstrukcja skrzynek biegów ze stałymi osiami wałków jest prostsza od skrzynek obiegowych. Na przykład skrzynka 4-biegowa ze stałymi osiami wałków posiada zwykle 10 kół zębatych i 6 łożysk tocznych, podczas gdy skrzynka obiegowa 14¸20 kół zębatych i 8¸15 łożysk.
Wymiary i ciężar skrzynek obiegowych jest również z reguły większy ze względu na wymiary elementów ciernych sterowania. W związku z tym w większości samochodów stosowane są skrzynki biegów ze stałymi osiami. Skrzynki obiegowe są najbardziej celowe do stosowania w przypadku odległościowego i automatycznego starowania i dlatego najczęściej stosuje sieje w charakterze stopniowych skrzynek biegów z automatycznym lub preselekcyjnym sterowaniem.
Łatwość sterowania skrzynką biegów i cichobieżność pracy zależy również od sposobu połączenia kół. Zastosowanie przesuwnych elementów umożliwia uzyskanie skrzynki biegów prostej i zwartej. Jednakże przy tym sposobie przełączenia przekładni nie można uniknąć uderzeń miedzy przełączanymi elementami i do cichobieżnego przełączania konieczna jest większa wprawa kierowcy, a trwałość elementów skrzynki nie odpowiada współczesnym wymaganiom.
Zastosowanie sprzęgieł zębatych do przyłączenia przekładni zwiększa nieco trwałość skrzynki biegów, ponieważ uderzenia przy przełączaniu przekładni podejmowane są przez znacznie większe powierzchnie zębów i kół. Jednakże w tym przypadku uderzenie nie jest całkowicie wyeliminowane, podczas gdy konstrukcja skrzynki biegów staje się bardziej złożona. Sterowanie skrzynką biegów jest ułatwione w największym stopniu przy zastosowaniu synchronizatorów, jednakże w tym przypadku znacznie komplikuje się konstrukcja, zwiększa się jej ciężar oraz – przy zastosowaniu niektórych synchronizatorów – zwiększają się wymiary skrzynki. Dlatego największe rozpowszechnienie w samochodach ciężarowych znalazły skrzynki biegów o mieszanym przełączaniu biegów, w których przełączanie kół wyższych biegów następuje za pomocą synchronizatorów, a niższych – za pomocą sprzęgieł zębatych.
Należy jednak podkreślić, ze w samochodach ciężarowych coraz częściej stosuje się skrzynki biegów o pełnej synchronizacji na wszystkich biegach do przodu.
W samochodach osobowych z reguły wszystkie biegi do przodu są synchronizowane, a spotkać można również rozwiązania z synchronizacja biegu tylnego.
Cichobieżność pracy skrzynki biegów zależy w znacznym stopniu od rodzaju zastosowanych kół. Skrzynki biegów mogą być rozwiązane za pomocą kół walcowych prostych, śrubowych lub daszkowych. Najczęściej koła zębate biegów wyższych posiadają zęby walcowe śrubowe, a biegów niższych – zęby proste.
We współczesnych samochodowych skrzynkach biegów, wykonanych w postaci oddzielnego zespołu, stosowany jest powszechnie układ skrzynki trzy wałkowy, a w skrzynkach biegów zespolonych z przekładnią główną – układ dwuwałkowy.
Na rysunku 1.8 przedstawiono schemat skrzynki trzywałkowej, 3-biegowej, z przesuwnymi kołami zębatymi.
Skrzynka ma trzy wałki:
- wałek 1 wejściowy (napędzający), zwany sprzęgłowym, związany za pomocą sprzęgła z wałem korbowym silnika.
- wałek 3 wyjściowy, zwany głównym, złączony za pomocą przegubu z wałem napędowym samochodu,
- wałek 2 pośredni, służący do przeniesienia napędu z wałka sprzęgłowego na wałek główny, co występuje na wszystkich biegach z wyjątkiem biegu bezpośredniego, kiedy napęd przenosi się bezpośrednio z wałka 1 na wałek 3.
Na końcu wałka sprzęgłowego 1 znajduje się koło zębate A, wykonane zwykle z jednej części z wałkiem 1. Koło zębate A współpracuje stale z kołem zębatym B, osadzonym na stałe na wałku pośrednim 2, na którym osadzone są ponadto koła zębate G, C i B.
W lżejszych typach skrzynek biegów wałek pośredni w postaci zestawu kół jest osadzony na nieruchomej osi, najczęściej za pomocą łożysk igiełkowych lub wałeczkowych, rzadziej – panewek brązowych.
W ciężkich typach skrzynek biegów koła zębate są zamocowane na stałe na wałku pośrednim, bądź za pomocą wielowypustów, bądź tez za pomocą klinów, a wałek pośredni obraca się wraz z nimi w łożyskach tocznych, umieszczonych w obudowie skrzynki. Wewnątrz koła zębatego wałka sprzęgłowego znajduje się wytoczenie, w którym osadzony jest, najczęściej za pomocą łożyska igiełkowego lub wałeczkowego, koniec wałka głównego. Drugi koniec wałka głównego jest zamocowany w łożysku tocznym, osadzonym w obudowie skrzynki.
Na wielowypustach wałka głównego osadzone są koła zębate F i D, które mogą być przesuwane wzdłuż osi wałka.
Moment obrotowy silnika jest przenoszony z wału korbowego poprzez sprzęgło na wałek napędzający – sprzęgłowy skrzynki biegów, a za pomocą znajdujących się w stałym zazębieniu kół A i B na wałek pośredni. Przy oznaczaniu położeń poszczególnych przekładni przyjęto zasadę, ze pierwszy indeks oznacza wałek (1 – wałek pośredni, 3 – wałek główny), zaś drugi – użytkowany bieg (dla przekładni stałej indeks o).
W ten sposób np. przełożenie przekładni biegu pierwszego na skrzynce trzywałkowej wynosi i231, a przełożenie przekładni stałej i120.
W odniesieniu do schematu przedstawionego na rysunku 1.8 obowiązuje zależność
Koła zębate F i D, umieszczone przesuwanie na wielowypustach wałka głównego , nie są złączone z odpowiednimi kołkami wałka pośredniego. Dlatego też, chociaż wałek pośredni – przy pracy silnika i włączonym sprzęgle – obraca się, to wałek główny pozostaje nieruchomy i napęd z silnika do kół napędowych nie przenosi się (położenie neutralne).Jeśli natomiast złączyć którekolwiek z kół zębatych F i D z odpowiednim kołem zębatym wała pośredniego, to moment obrotowy przenoszony będzie przez wałek pośredni na wałek główny, a następnie przez wał napędowy ku kołom napędowym samochodu. Przełożenie między wałkiem pośrednim a głównym oznacza się stosunkiem liczby zębów współpracujących ze sobą kół. Jak wynika z rysunku 1.8b,przy złączeniu kół zębatych D i C (przesunięcie koła D) otrzymuje się bieg pierwszy, przy czym przełożenie między wałkami 2 i 3 wynosi
Natomiast całkowite przełożenie –i biegu pierwszego stanowi iloczyn dwóch wyżej określonych przełożeń, a mianowicie
czyli
Im wyższe przełożenie (im niższy bieg), tym większy jest – przy tym samym momencie obrotowym silnika – moment przenoszony na koła napędowe.
Na biegu pierwszym odbywa się zazwyczaj ruszani samochodu z miejsca ¹) i ruch początkowy, a także jazda w specjalni trudnych warunkach drogowych.
Wartości stosowanych przełożeń w skrzynkach przekładniowych mopedów, skuterów, motocykli, samochodów osobowych, samochodów ciężarowych, autobusów i ciągników samochodowych zestawiono w tablicy 1-1. Drugi bieg uzyskuje się przez zazębienie kół F i E (co otrzymuje się przez przesunięcie koła F), a przełożenie całkowite biegu drugiego wynosi
Na biegu drugim (rys.1.8c) odbywa się dalszy rozbieg samochodu, a także ruch przy dużych oporach drogi.
Trzeci bieg uzyskuje się przez bezpośrednie połączenie wałków 1 i 3 za pomocą sprzęgła zębatego (rys. 1.8d).Wałek pośredni 2 obraca się jałowo. Przełożenie biegu trzeciego w rozpatrywanej skrzynce jest przełożeniem bezpośrednim, co wyraża się równością i =1.Na biegu bezpośrednim odbywa się ruch samochodu przy małych i ustalonych oporach jazdy, gdy nie zachodzi konieczność znacznego zwiększania siły napędowej na kołach napędowych samochodu.
Tylny bieg otrzymuje się przez przesunięcie koła zębatego D w prawo i połączenie go z kołem H swobodnie osadzonym na swojej osi (rys. 1.8...
kar_pio