3.6. Розрахунок синхронізаторів коробки передач

Синхронізатори служать для вирівнювання кутових швидкостей зуб­частих коліс і валів, що з'єднуються з метою безударного вмикання передач. Синхронізатори є двох типів: граничного тиску і інерційні (блокуванням).

Синхронізатори граничного тиску при сильному натисканні на важіль перемикання не запобігають від ударного з'єднання зубчастих коліс. Тому від водія вимагаються певні навики: при перемиканні не різко натискати на важіль перемикання, а з затримкою в часі, необхідною для вирівнювання кутових швидкостей деталей, що з'єднуються.

Інерційні синхронізатори повністю запобігають від ударного вми­кання передач і застосовуються на сьогоднішній день на більшості ав­томобілів. В загальному випадку інерційні синхронізатори складаються з вирівнюючих елементів, блокуючих елементів і елементів вмикання.

Вирівнюючі елементи виконуються, як правило, фрикційного типу і призначені для поглинання енергії сил інерції обертових мас.

Блокуючі - це елементи, що унеможливлюють жорстке з'єднання дета­лей, що вмикаються до повного вирівнювання їх кутових швидкостей.

Елементи вмикання - це зубчасті муфти, які вмикають ту, чи іншу передачу.

Правильне робота синхронізатора забезпечується певним співвідношенням між кутами конусів вирівнюючих елементів, кутами нахилу блокучих елементів, радіусами розташування вирівнюючих і блокуючих елементів та коефіцієнтом тертя між поверхнями тертя вирівнюючих елементів.

Схема роботи інерційного синхронізатора зображена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема роботи інерційного синхронізатора

На рис. 3.7 до І_т відносяться всі деталі, що жорстко з'єднані з веденим диском зчеплення при вимкненому стані зчеплення і нейтральній передачі в коробці передач. Це ведений диск зчеплення, первинний вал коробки передач, проміжний вал з усіма зубчастими колесами, жорст­ко з'єднаними з ним і зубчасті колеса вторинного вала, що знаходяться в постійному зачепленні з зубчастими колесами проміжного вала.

До І_а відносяться всі деталі, що жорстко з'єднані з веденим валом коробки передач. Це вторинний вал з синхронізаторами, карданний вал, обертові деталі ведучого мосту, ведучі колеса і маса всього автомобіля.

Для вирівнювання кутових швидкостей елементів, що з'єднуються на конічних поверхнях необхідно створити момент тертя

.

Інтегруючи цей вираз, отримаємо

звідки

де - кутова швидкість зубчастого колеса більш високого ступеня, що з'єднується з валом при вмиканні передачі;

- кутова швидкість веденого вала до перемикання;

t - час вирівнювання кутових швидкостей.

Підставляючи значення ₁і ₂ отримаємо

З іншого боку, при вмиканні передачі вилка через кільце 3, штифт 2, муфту 1 і стопор 6, притискує з силою Р внутрішню ко­нічну поверхню обойми 4 до конічної поверхні зубчастого колеса 5. При цьому на конічних поверхнях виникає момент тертя

де R - нормальна сила, що виникає між конічними поверхнями тертя;

Р - осьова сила, яку створює водій при перемиканні передач;

 = 0,1 - коефіцієнт тертя;

r - середній радіус поверхонь тертя;

 - кут нахилу конічних поверхонь тертя.

З попереднього рівняння

де _m = (0,5...0,7)_N - для карбюраторних двигунів;

_m = (0,75…0,85)_N - для дизельних двигунів;

t = (0,2...0,8)сек. - для легкових автомобілів;

t = (0,3...1,5)сек. - для вантажних автомобілів.

З цієї залежності видно, що чим більша сила Р, тим менший час синхронізації. Сила Р залежить від щільності ряду передатних чисел коробки передач. Чим більша щільність ряду (більше передач), тим сила Р менша і менше необхідне зусилля для перемикання передач.

Як тільки виникне момент тертя T_тр, обойма 4 трохи повернеться і штифт 2 ввійде у заглиблення обойми. При цьому між штифтом і обой­мою виникне нормальна сила Q.

де  і r₁ - відповідно кут нахилу і середній радіус блокуючих поверхонь.

Для того, щоби штифт 2 не виштовхнувся із заглиблення обойми і не відбулось ударне вмикання передачі необхідно, щоб горизонтальна складова сили Q - сила P₁ була більша, або дорівнювала сила Р

звідки

Конструктивно, як правило r = r₁. Тоді

Це і є умова неможливості вмикання передачі до повного вирівнювання кутових швидкостей деталей, що з’єднуються.

Коли кутові швидкості обойми 4 і зубчастого колеса 5 вирівнюються, тоді пропаде момент тертя Т_тр, а також сила Р₁. Під дією сили Р, створюваною водієм, штифт 2 вийде з заглиблення обойми 4 і муфта 1, на якій кріпиться штифт зможе переміщатись в осьовому на­прямі, вмикаючи ту чи іншу передачу. В інших синхронізаторах конструк­ції блокуючих елементів виконані по іншому. Наприклад в коробках пере­дач автомобілів ГАЗ та ЗиЛ-130 вони мають вид, зображений на рис.3.8.

а б в

Рис. 3.8. Схеми блокувальних пристроїв синхронізаторів: а – з блокувальними зубцями (ГАЗ); б – з блокувальними пальцями (ЗиЛ); в - з блокувальними заглибленнями

За зусиллям Р визначається питомий тиск на поверхнях тертя синхронізатора P₀ та зусилля на важелі перемикання передач Р_в

де b - довжина твірної конусу тертя.

де u_в - передатне число важеля перемикання передач.

Допустиме зусилля на важелі перемикання передач становить: [P_в] = 60 Н - для легкових автомобілів і автобусів; [P_в] = 100 Н - для вантажних автомобілів.

Для оцінки довговічності синхронізатора визначають повну L, і питому q, роботу буксування та підвищення температури t за одно вмикання синхронізатора

де - площа поверхні тертя.

Допустима питома робота буксування складає: [q] = 20 Дж/cм² - для легкових автомобілів; [q] = 60 Дж/cм² - для вантажних автомобілів.

де  = 0,5 - коефіцієнт перерозподілу теплоти між деталями;

m_c - маса деталі, що нагрівається (бронзового кільця);

C - коефіцієнт теплоємності деталі, для бронзи С = 380 Дж/кг град.