Геометрические и силовые соотношения

Практическое занятие, 2ч

ГИПОИДНАЯ ГЛАВНАЯ ПЕРЕДАЧА

Стремление снизить центр масс легковых автомобилей привело к созданию в 1925 г. гипоидной главной передачи. В начале, эта передача применялась только на легковых автомобилях. Затем, когда выяснились прочие достоинства гипоидной передачи, ее стали широко использовать и на грузовых автомобилях.

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.Гипоидные главные передачи нашли широкое применение и в грузовых автомобилях. Около²/₃всех 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», немецких грузовых автомобилях «Мерседес-Бенц» и т. п. В РФ гипоидные передачи используют в легковых автомобилях «Москвич-412», ГАЗ-24 «Волга», ГАЗ-13 «Чайка» и ЗИЛ-111. Гипоидная передача устанавливается также в автомобилях «ВАЗ». Грузовых автомобилях ГАЗ-66, ЗИЛ-433100 (вместо двойной).

В отличие от конической передачи в гипоидной оси зубчатых колес не пересекаются, а перекрещиваются. Начальными поверхностями гипоидной пары являются поверхности гиперболоидов вращения. При этом ось шестерни получает смещениеЕ относительно оси колеса. Смещение может быть нижним и верхним. Шестерню смещают вверх на многоосных автомобилях для того, чтобы вал шестерни выполнить проходным, а на переднеприводных автомобилях — по условиям компоновки.

Во избежание заклинивания при движении на передачах переднего хода в гипоидной передаче при нижнем смещении, так же как и в конических передачах, зубья шестерни имеют левое направление спирали, а при верхнем смещении — правое. При этом осевая сила направлена к основанию конуса.

Для того чтобы не было затягивания шестерни в зацепление на передачах прямого хода, направление зубьев шестерни при взгляде с вершины конуса должно совпадать с направлением ее вращения. На передачах заднего хода сила на шестерне направлена к вершине конуса и затягивает шестерню. Однако движение задним ходом составляет небольшую долю пробега и к тому же силы в этом случае обычно невелики.

Наличие смещения приводит к тому, что . Основные преимущества гипоидные передачи имеют при . Это происходит при обычно применяемом положительном смещении, когда направление винтовой линии зубьев шестерни и ее смещение соответствуют изображенным на рисунке. Приотрицательномсмещении, когда шестерня с левым направлением винтовой линии зубьев расположена выше, а шестерня с правым направлением – ниже центра колеса, утрачиваются все преимущества гипоидной передачи.

Передаточное число гипоидной передачи (при обозначениях, аналогичных принятым для конической передачи)

где - коэффициент гипоидности

Фирма «Глиссон» рекомендует следующие соотношения для расчета углов:

гдеb₂– ширина зубчатого венца вдоль образующей начального конуса.

Как правило, , поэтомуК_г=1,2…1,5. Большие значения встречаются у легковых автомобилей, меньшие - у грузовых.Следует учитывать, что увеличение угла спирали приводит к повышению осевых нагрузок.

Рис. Схема действия нормальных сил между зубьями гипоидной передачи и эпюра скоростей по высоте зуба:1и2— соответственно коническая и гипоидная передачи

Нормальная сила, действующая на зубья ведомой и ведущей шестерен гипоидной передачи

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

При большем угле спирали гипоидной шестерни возрастает число зубьев одновременно находящихся в зацеплении (приблизительно в 1,5 раза); увеличение диаметра гипоидной шестерни позволяет применять подшипники большего диаметра. Это повышает жесткость опор шестерен и снижает вероятностьнарушения работы зацепления. Таким образом, сопротивление усталости гипоидных передач при одинаковых размерах колес значительно выше, чем конических.

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 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.

Рис. Схема соприкосновения конусов в гипоидной передаче

КПД гипоидной передачи можно найти по формуле

η_гп = (1 + μ tgβ₂) / (1 + μ tgβ₁)

где μ = 0,05...0,1 — коэффициент трения между зубьями.

КПД гипоидной передачи несколько ниже КПД конической передачи и составляет примерно 0,96...0,97, что связано с наличием наряду с поперечным продольного скольжения зубьев.

Одним из свойств зацепления гипоидных колес является продольное скольжение, зубьев. Скорость скольжения может быть определена по формуле

гдеv —окружная скорость колеса. Распределение скольжения вдоль высоты зуба в конической и гипоидной передачах показано на рис. 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 обаколеса 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.

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 шестерню гипоидной передачи, несколько больше, чем в конической передаче. Что касается трудностей, связанных с обеспечением правильного зацепления, гипоидные передачи примерно равноценны коническим.

На рис.апоказана конструктивная схема гипоидпой передачи с двухопорной установкой зубчатого венца ведущей шестерни. Верхняя схема на рис.апредставляет собой обычную конструкцию с = 5,83, а нижняя схема — конструкцию для предельного передаточного числа = 7,2, с точки зрения минимального как диаметра шипа, так и размера заднего подшипника. В последнейконструкции фреза даже несколько подрезает внутреннюю опору или шип вала.

Рис. 2.8. Конструктивная схема гипоидной главной передачи:

а — с двухопорной установкой венца ведущей шестерни (максимальное передаточное число — 7,2); б — с консольной установкой ведущей шестерни (максимальное передаточное число8,16);1— обычная конструкция ( = 5,83);2и3— конструкции для максимальных передаточных чисел соответственно 7,2 и 8,16

На рис. 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).

Преимущества гипоидной передачи с положительным смещением перед конической следующие:

1. При одинаковых передаточных числах и начальных диаметрах колес шестерня гипоидной передачи имеет больший диаметр по сравнению с соответствующей конической шестерней.При увеличении диаметра шестерни повышается прочность зуба, так как при этом больше шаг по нормали, а следовательно, и толщина зуба (примерно на 10 .15 %),чем обеспечивается большая ее прочность, а при одинаковых начальных диаметрах шестерен начальный диаметр колеса гипоидной передачи можно уменьшить (вК_граз), а дорожный просвет увеличить.

2. Так как у гипоидной шестерни угол больше, чем у конической шестерни с круговым зубом, то у нее длиннее зубья и большее их число находится в одновременном зацеплении (примерно в 1,5 раза), это снижает действующую на зубья силу и повышает плавность зацепления;

3. Благодаря продольному скольжению зубьев в зацеплении улучшается приработка, повышается плавность и понижается шум;

4. Гипоидные зубчатые колеса имеют в несколько раз большее сопротивление усталости по сравнению с коническими. Наличие скольжения определяет весьма высокое сопротивление усталости гипоидной пары. Усталостноевыкрашивание (питтинг) конических пар наблюдается в зоне чистого качения, т. е. у полюса зацепления. В гипоидных парах чистое качение отсутствует, для них характерно скольжение при высоком давлении

5. Возможность двух опорной установки шестерни в виду того, что оси шестерни и колеса не пересекаются, что увеличивает жесткость передачи.

6. Гипоидное смещение дает возможность сделать главную передачу проходной, а кроме того при нижнем расположении шестерни понизить уровень пола в кузове и центр тяжести автомобиля, а при верхнем расположении шестерни – уменьшить углы наклона карданной передачи.

К недостаткам гипоидной передачи можно отнести:

1. Меньший, чем в конической передаче, КПД из-за наличия скольжения; вследствие малого угла между контактными линиями и вектором относительной скорости передачи склонны к заеданиям;

2. Большие осевые силы.

Для уменьшения первого недостатка повышают твердость рабочих поверхностей зубьев, применяют масло с антизадирными присадками, содержащее серу, хлор и фосфор и обеспечивающее высокую прочность масляной пленки, ограничивают гипоидное смещение: для легковых автомобилей – не более 0,2 , для грузовых – не более 0,125 .Для уменьшения второго недостатка повышают осевую жесткость опор.

Однако несмотря на все достоинства данной передачи, в отечественном машиностроении имеют крайне малое распространение. С этим связано также отсутствие единой стандартизованной методики расчета гипоидный передач, в то время как за рубежом ассоциацией AGMA был разработан единый стандарт по проектированию конических передач, в том числе и гипоидных. Данная методика расчета базируется на опыте станкостроительной фирмы Gleason, занимающейся изготовлением конических и гипоидных передач с 50-х годов XX века.

Геометрические и силовые соотношения

Приближенное значение внешнего делительного диаметра гипоидного колесаd_e2и внешнего окружного модуля могут быть найдены по формулам:

где T_p—расчетный крутящий момент на шестерне главной передачи, Нм.

Внешнее конусное расстояниеR_е, ширину зубчатого венцаb, среднее конусное расстояниеR_m и средний нормальный модульm_nmопределяют в такой последовательности: