Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu Wydział Mechaniczny Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Budowa samochodów i teoria ruchu INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA Układy napędowe.
Spis treści 1. Zadanie układu napędowego... 3 2. Klasyfikacja układów napędowych... 4 2.1. Klasyczny układ napędowy... 5 2.2. Zblokowane układy napędowe... 7 2.2.1. Układ zblokowany przedni... 7 2.2.2. Układ zblokowany tylni... 8 2.3. Napęd na wszystkie koła... 10 2.4. Budowa i zasada działania sprzęgła jednotarczowego... 12 2.5. Budowa i zasada działania skrzynki biegów... 14 2.6. Wał napędowy i przeguby... 17 2.7. Budowa przekładni głównej i mechanizmu różnicowego... 18 4. Wytyczne do sprawozdania... 19 2
1. Zadanie układu napędowego Zadaniem układu napędowego w samochodzie jest przenoszenie mocy silnika do kół napędowych i umożliwienie uzyskiwania takich przełożeń momentu obrotowego silnika, jaki jest potrzebny bądź do pokonywania dużych oporów jazdy, bądź też do uzyskiwania dużej prędkości samochodu przy mniejszych oporach jazdy. W tym celu w układzie napędowym samochodu zastosowano przekładnie o stałym przełożeniu w postaci przekładni głównej i przekładni o zmienianym przełożeniu w postaci skrzynki biegów oraz ewentualnie dodatkowej skrzynki przekładniowej umieszczonej zwykle pomiędzy skrzynką biegów a przekładnią główną (mostem napędowym) samochodu. 3
2. Klasyfikacja układów napędowych Układy napędowe Zblokowany układ napędowy Klasyczny układ napędowy Napęd na wszystkie koła Przedni Tylny Ręcznie włączany napęd drugiej osi w samochodach osobowych Ręcznie włączany napęd wszystkich kół w samochodach ciężarowych i osobowych Silnik umieszczony wzdłużnie Silnik umieszczony Poprzecznie Silnik umieszczony wzdłużnie Silnik umieszczony centralnie Silnik umieszczony poprzecznie Stały napęd wszystkich kół z wykorzystaniem zespołów samochodu osobowego o napędzie przednim Stały napęd wszystkich kół z wykorzystaniem zespołów samochodu osobowego z klasycznym układem napędowym Rys.2.1. Klasyfikacja układów napędowych
2.1. Klasyczny układ napędowy W samochodach osobowych silnik znajduje się pomiędzy kołami przednimi, a napędzane są koła osi tylnej (rys. 2.2). Aby bardziej dociążyć oś tylną i uzyskać korzystniejszy rozkład masy, w niektórych modelach zastosowano skrzynkę biegów zblokowaną z przekładnią główną. Z wyjątkiem lekkich samochodów dostawczych wszystkie samochody ciężarowe mają silnik umieszczony z przodu lub pomiędzy przednią i tylną osią. Daleko do tyłu wysunięta powierzchnia ładunkowa uniemożliwia zastosowanie tu innego rozwiązania. To samo dotyczy ciągników siodłowych, w których znaczna część masy naczepy obciąża siodło, umieszczone ponad kołami tylnymi. Rys.2.2. Klasyczny układ napędowy samochodu osobowego silnik z przodu napęd na koła tylne (Fiat 130) Rys.2.3. Układ napędowy z przekładnią i skrzynią zblokowany z tyłu samochodu (Chevrolet Corvette 1998).
Tabela 1 Zalety i wady klasycznego układu napędowego Zalety praktycznie nieograniczona długość silnika i dlatego układ korzystny dla samochodów klasy wyższej (z silnikami 8- i 12-cylindrowymi), małe obciążenie elementów zawieszenia silnika, ponieważ musi ono przejąć tylko maksymalny moment silnika pomnożony przez przełożenie najniższego biegu, stosunkowo łatwa izolacja drgań silnika, przy całkowitym obciążeniu pojazdu większa jego część obciąża napędzane koła tylne (ważne w samochodach kombi i w wypadku ciągnięcia przyczepy, dłuższy układ wylotowy, a dzięki temu lepsze tłumienie hałasu, łatwa zabudowa katalizatora, korzystna strefa zgniotu z poddającym się zespołem napędowym, możliwość zastosowania prostej konstrukcji przedniego zawieszenia, nie narażonego na oddziaływanie sił napędowych, równomierne zużycie opon, prosta konstrukcja układu sterowania skrzynki biegów, duża sprawność skrzynki biegów na biegu bezpośrednim, ponieważ przekazywanie momentu napędowego odbywa się bez udziału kół zębatych, dużo miejsca na zabudowę układu kierowniczego, dobre chłodzenie dzięki umieszczeniu silnika i chłodnicy z przodu, możliwość zastosowania oszczędniejszego wentylatora, wydajne ogrzewanie dzięki krótkim przewodom wodnym i gorącego powietrza. Wady niestateczność w ruchu na wprost (rys. 2.4), co daje się jednak w pełni skorygować przez właściwy dobór kątów ustawienia kół przednich, odpowiednią konstrukcję tylnego zawieszenia i zastosowanie odpowiednich opon; napędzane koła tylne są mało obciążone, gdy samochodem podróżują tylko dwie osoby, co przy deszczowej pogodzie i w warunkach zimowych zmniejsza możliwą do rozwinięcia siłę napędową oraz powoduje niebezpieczeństwo poślizgu tylnych kół, szczególnie przy szybkim pokonywaniu ostrych zakrętów; poprawę może zapewnić w samochodzie nie obciążonym rozkład masy przypadającej na osie w stosunku 50/50% oraz układ regulacji poślizgu kół napędowych ASR; tendencja do zmiany toru ruchu pod wpływem zmiany siły napędowej, czemu przeciwdziałać może: skomplikowane zawieszenie tylne z ramą pomocniczą i układem przeniesienia napędu, co z kolei powoduje zmniejszenie pojemności bagażnika; wał przegubowy pomiędzy skrzynką biegów a przekładnią główną przez co nie do uniknięcia jest tunel w podłodze. Rys.2.4. Jeśli są napędzane koła przednie (rysunek lewy), pojazd jest ciągnięty. Siły napędowe F X,W,a i siła bezwładności F c,v tworzą układ stateczny. W razie napędzania kół tylnych układ sił jest teoretycznie niestateczny. Stateczność ruchu uzyskuje się odpowiednią geometrią ustawienia kół przednich. 6
2.2. Zblokowane układy napędowe Silnik, przekładnia główna i skrzynka biegów stanowią tu jeden zespół, umieszczony przed, nad lub za przednią lub tylną osią. Konstrukcja taka jest bardzo zwarta i umożliwia uzyskanie samochodu krótszego o 100 do 300 mm w porównaniu z samochodem, który posiada klasyczny układ napędowy. Dodatkowo zblokowany napęd przedni umożliwia uzyskanie odpowiednio więcej miejsca dla pasażerów i bagażu. Napęd przedni nie jest jednak odpowiedni dla samochodów ciężarowych. Koła tylne są tu silnie obciążone, natomiast koła przednie mniej. Mimo to niektórzy producenci samochodów dostawczych, godząc się z tą wadą, decydują się na napęd przedni, aby uzyskać możliwie jak najniższe położenie podłogi i dzięki temu zwiększenie przestrzeni ładunkowej a także w celu ułatwienia załadunku. 2.2.1. Układ zblokowany przedni Rys.2.5. Rozmieszczenie silnika, skrzynki biegów i mechanizmu różnicowego w samochodzie VW Polo. Z powodu niesymetrycznego położenia mechanizmu różnicowego półoś napędowa prowadząca do lewego koła przedniego jest krótsza od półosi prawej 7
Tabela 2 Zalety i wady zblokowanego przedniego układu napędowego Zalety obciążenie kół kierowanych i napędzanych, duże bezpieczeństwo jazdy, szczególnie na mokrej nawierzchni i w warunkach zimowych; samochód jest ciągnięty, a nie pchany, dobra zdolność rozpędzania i wystarczająca zdolność pokonywania wzniesień przy małym obciążeniu, podsterowna charakterystyka podczas jazdy na zakręcie i w związku z tym zdolność samoczynnego wytłumiania zaburzeń ruchu, mała wrażliwość na wiatr boczny, prosta konstrukcja tylnego zawieszenia, możliwy większy rozstaw osi, dzięki czemu większy komfort jazdy, krótsza droga przekazywania momentu napędowego, ponieważ silnik, skrzynka biegów i mechanizm różnicowy tworzą jeden zespół, dobre chłodzenie silnika (chłodnica z przodu), skuteczne ogrzewanie dzięki małej odległości, płaska podłoga nadwozia, długi układ wylotowy (ważne w wypadku samochodów osobowych z katalizatorem), duży bagażnik z korzystnie ukształtowaną strefą zgniotu. Wady przy całkowitym obciążeniu pogorszenie zdolności rozpędzania i pokonywania wzniesień na mokrej i śliskiej nawierzchni, w wypadku silników o większej mocy wpływ napędu na kierowalność, ograniczona długość silnika, przy dużym obciążeniu przedniej osi wymagane duże przełożenie przekładni kierowniczej lub wspomaganie, przy umieszczonej wysoko zębatkowej przekładni kierowniczej wymagane centralne wyprowadzenie drążków kierowniczych, w przeciwnym razie nie do uniknięcia kinematyczne zmiany kątów zbieżności kół, konieczność przenoszenia przez zawieszenie zespołu napędowego momentu silnika pomnożonego przez całkowite przełożenie układu napędowego, obciążenia giętne układu wylotowego na skutek przemieszczeń zespołu napędowego podczas rozpędzania i hamowania (silnikiem), skomplikowana konstrukcja przedniego zawieszenia i półosi napędowych z przegubami synchronicznymi o kompensacji ruchów osiowych od strony wewnętrznej, ograniczenie minimalnego promienia skrętu i promienia zawracania przez dopuszczalny kąt załamania przegubów (do 50 ) albo ograniczenie kątów skrętu kół przez wymaganą pojemność przedziału silnika, duża wrażliwość na niewyrównoważenie i błędy kształtu opon kół przednich, nierównomierne zużywanie się opon, ponieważ koła przednie są zarówno skręcane, jak i napędzane, niekorzystny rozkład siły hamowania (ok. 75% przód i 25% tył), skomplikowane sterowanie skrzynki biegów, na które mogą także wpływać przemieszczenia zespołu napędowego. 2.2.2. Układ zblokowany tylni Silnik umieszczony z tyłu, zblokowany ze skrzynką biegów i przekładnią główną z mechanizmem różnicowym napędza koła tylne. Silnik może znajdować się za (rys. 2.6) lub przed tylną osią, silnik centralny. W tym drugim wypadku nie ma miejsca na tylną kanapę, ponieważ silnik zajmuje jej miejsce. Zbudowany w tym układzie samochód dwumiejscowy może służyć tylko jako pojazd sportowy lub rajdowy. 8
Rys.2.6. Układ napędowy zblokowany z tyłu samochodu (VW Transporter) Tabela 3 Zalety i wady zblokowanego tylnego układu napędowego Zalety dobre przyspieszenia dzięki małym momentom bezwładności, bardzo dobra zdolność pokonywania wzniesień, krótka droga przekazywania momentu napędowego dzięki zblokowaniu silnika ze skrzynką biegów i przekładnią główną, małe siły w układzie kierowniczym dzięki małemu obciążeniu kół przednich, korzystny rozkład siły hamowania, łatwość wymontowania silnika (tylko w wypadku silnika umieszczonego za tylną osią), zupełny brak lub tylko niewielki tunel w płycie podłogowej, możliwość uzyskania małego zwisu przedniego. Wady niekorzystne zachowanie się samochodu w ruchu prostoliniowym, duża wrażliwość na wiatr boczny, wyraźna tendencja do nadsterowności na zakręcie (silnik umieszczony za tylną osią), gorsza kierowalność na śliskiej nawierzchni z powodu małego obciążenia kół przednich, niekorzystny rozkład obciążenia opon (duże obciążenie kół tylnych), konieczność przejmowania przez zawieszenie silnika momentu reakcyjnego równego momentowi silnika pomnożonemu przez całkowite przełożenie układu napędowego, krótki układ wylotowy, trudny do właściwego dostrojenia, trudność wytłumienia hałasu silnika, skomplikowane sterowanie skrzynki biegów, w wypadku umieszczenia chłodnicy z przodu długie przewody doprowadzające ciecz, w przypadku umieszczenia chłodnicy z tyłu duży pobór mocy przez wentylator z powodu wymuszonego chłodzenia, układ ogrzewania wymagający długich przewodów wodnych i przewodów ciepłego powietrza, trudność umieszczenia zbiornika paliwa w bezpiecznej strefie, ograniczona pojemność bagażnika. 9
2.3. Napęd na wszystkie koła W tym układzie wszystkie koła samochodu osobowego lub ciężarowego są napędzane przez cały czas (stały napęd wszystkich kół) lub też jedna z dwóch osi jest na stałe połączona z silnikiem, a napęd drugiej jest dołączany ręcznie lub automatycznie. Umożliwia to sprzęgło międzyosiowe. Jeśli doprowadzenie momentu napędowego do przednich i tylnych kół odbywa się poprzez międzyosiowy mechanizm różnicowy, to na drodze konstrukcyjnej można dobrać taki rozdział momentu pomiędzy osie, który będzie najkorzystniejszy ze względu na rozkład obciążeń pionowych osi, przyjęty układ konstrukcyjny, czy też wymagane własności pojazdu. Tak więc w samochodzie Audi V8 Quattro oraz w samochodzie terenowym Mercedes-Benz klasy M przyjęto rozdział momentu w stosunku 50/50%, podczas gdy w samochodzie Mercedes-Benz klasy E tylko 35% momentu napędowego przypada na koła przednie, a 65% na tylne. Tabela 4 Zalety i wady napędu na wszystkie koła Zalety lepsze własności trakcyjne we wszystkich warunkach drogowych, a w szczególności na mokrej nawierzchni i w warunkach zimowych, większe zdolności rozpędzania i pokonywania wzniesień oraz ich niezależność od stopnia obciążenia pojazdu, możliwość uzyskiwania większych przyśpieszeń na niskich biegach, szczególnie w przypadku pojazdów z silnikami o dużej mocy, mniejsza wrażliwość na działanie wiatru bocznego, korzystniejsze zachowanie w wypadku akwaplaningu, szczególna przydatność do holowania przyczep, korzystniejszy rozkład nacisków osi, słabsza reakcja na zmianę siły napędowej, równomierne zużycie opon. Wady większy koszt, masa własna pojazdu większa o 6% do 10%, ogólnie nieco mniejsza prędkość maksymalna, zużycie paliwa większe o 5% do 10%, nie zawsze jednoznaczne zachowanie się na zakręcie, mniejszy bagażnik w porównaniu z pojazdem o napędzie przednich kół. 10
Rys.2.7. Napęd na wszystkie koła typu Syncro Rys.2.8. Napęd na wszystkie koła typu Quattro 11
2.4. Budowa i zasada działania sprzęgła jednotarczowego Rys.2.9. Sprzęgło jednotarczowe a)rozłączone, b) załączono 1 koło zamachowe, 2 wał korbowy, 3 tarcza sprzęgła, 4 okładziny, 5 pedał sprzęgła, 6 wałek sprzęgłowy, 7 łożysko wyciskowe, 8 sprężyny dociskowe, 9 tarcza dociskowa Zadaniem sprzęgła głównego w samochodzie, czyli sprzęgła umieszczonego między silnikiem i mechanizmami napędowymi samochodu jest: 12
umożliwienie chwilowego odłączania silnika od mechanizmów napędowych i łagodnego sprzęgania silnika znajdującego się w ruchu z mechanizmami napędowymi samochodu. zabezpieczenie wszystkich elementów układu napędowego przed nadmiernymi obciążeniami mogącymi powstać w wyniku gwałtownego przyspieszenia mas obrotowych związanych z mechanizmami napędowymi samochodu. Obciążenia tego rodzaju w postaci momentu skręcającego w układzie napędowym, wywołanego bezwładnością mas z nim związanych, mogą powstać w przypadku gwałtownego połączenia silnika posiadającego dużą prędkość obrotową z mechanizmami napędowymi w czasie ruszania samochodu z miejsca. zabezpieczenie elementów mechanizmów napędowych, zwłaszcza kół zębatych, od drgań skrętnych przekazywanych przez silnik do układu napędowego i wynikających z cykliczności pracy silnika. Do tłumienia tych drgań służy stosowane w sprzęgłach urządzenie zwane tłumikiem drgań skrętnych. W sprzęgłach, współczesnych samochodów osobowych stosowane są tarczowe sprężyny dociskowe zamiast sprężyn śrubowych. Rozpowszechnienie w sprzęgłach samochodów osobowych sprężyn tarczowych jest wynikiem wielu ich zalet w porównaniu ze sprężynami śrubowymi, a mianowicie: uproszczenia konstrukcji sprzęgła dzięki wyeliminowaniu dźwigni odwodzących tarczę dociskową, których zadanie spełniają wewnętrzne brzegi sprężyny tarczowej, możliwości uzyskania prawie stałej wartości momentu tarcia sprzęgła niezależnie od stopnia zużycia okładzin ciernych dzięki małym zmianom siły sprężyny w zależności od ugięcia w pewnych jego granicach, małej siły potrzebnej do włączania i wyłączania sprzęgła, prostszej technologii i mniejszych kosztów wytwarzania niż sprzęgieł ze sprężynami spiralnymi. Wadami sprężyn tarczowych są: mała możliwość regulowania przez kierowcę płynności włączania sprzęgła przy ruszaniu samochodu z miejsca, utrudniona standaryzacja sprężyn tarczowych ze względu na ścisłą zależność ich wymiarów i kształtu od indywidualnych wymiarów konstrukcyjnych, nacisków jednostronnych i momentu tarcia przenoszonego przez sprzęgło. 13
Rys.2.10. Sprężyna tarczowa 2.5. Budowa i zasada działania skrzynki biegów W pojazdach samochodowych stosuje się trzy rodzaje skrzynek biegów, różniące się sposobem sterowania. Są to: skrzynki biegów zwykłe, w których wybranie odpowiedniego przełożenia (biegu) oraz jego włączenie dokonuje kierowca, skrzynki biegów półautomatyczne, w których kierowca wybiera żądane przełożenie, natomiast jego włączenia dokonuje automat, skrzynki biegów automatyczne, w których zarówno dobór najkorzystniejszego w danych warunkach jazdy przełożenia, jak i jego włączanie odbywa się samoczynnie. Najmniej skomplikowane, a więc i najtańsze są zwykłe skrzynki biegów, toteż są one powszechnie stosowane w popularnych samochodach osobowych. 14
Rys.2.11. Schemat kinematyczny trzywałkowej skrzyni biegów: 1 wałek główny, 2 wałek pośredni, s wałek sprzęgłowy Przełożenia na poszczególnych biegach i S2 11 S2 21 i I II S1 12 S1 22 i R S2 T3 T1 S2 T1 S1 T 2 T3 S1 T 2 S2 31 i III i IV 1 S1 32 15
Rys.2.12. Skrzynia dwuwałkowa zblokowana z przekładnią główną Działanie najprostszego synchronizatora przedstawia rys. 2.13. Na wielowypuście wałka głównego jest osadzony pierścień przesuwny 1. Pierścień przesuwny ma po obu stronach powierzchnie stożkowe 2 o pochyleniu i średnicy odpowiadających powierzchniom stożkowym kół zębatych. Zewnętrzna obwodowa część pierścienia stanowi szeroki wieniec zębaty 3. Wieniec ten stale współpracuje z zębami wewnętrznymi pierścienia zewnętrznego 4. Zewnętrzny pierścień przesuwny 4 jest ustalany na pierścieniu przesuwnym 1 za pomocą zatrzasku kulkowego 5. Na obwodzie pierścienia zewnętrznego jest wykonany rowek, w który wchodzą widełki mechanizmu sterowania skrzynki biegów. Przesunięcie pierścienia zewnętrznego w prawo (rys. 2.13) powoduje przesunięcie pierścienia przesuwnego. Stożki pierścienia przesuwnego i koła zębatego stykają się, a występujące między nimi tarcie szybko prowadzi do wyrównania prędkości obrotowych obu elementów. Dalsze zwiększenie nacisku na pierścień zewnętrzny powoduje pokonanie siły oporu zatrzasku 5 i przesunięcie pierścienia zewnętrznego aż do zazębienia go z wieńcem zębatym koła zębatego. Zazębienie to następuje w chwili, gdy wałek wraz z synchronizatorem oraz koło zębate mają taką samą prędkość obrotową, toteż odbywa się cicho i bez uderzeń. 16
Rys.2.13. Zasada działania synchronizatora a) położenie luz (synchronizator wyłączony), b) włączenie biegu (synchronizator wyrównuje prędkości koła zębatego i sprzęgła zębatego), c) zazębienie koła zębatego z pierścieniem zewnętrznym, 1 pierścień przesuwny, 2 powierzchnie stożkowe, 3 wieniec zębaty, 4 pierścień zewnętrzny, 5 zatrzask 2.6. Wał napędowy i przeguby Rys.2.14. Dwuczęściowy wał napędowy: 1,4 odcinki wału, 2 przegub elastyczny, 3 elastyczne zawieszenie łożyska, 5 łożysko, 6 przeguby krzyżakowe Rys.2.15. Przegub kulowy (Birfielda) 1 czasza kilista, 2 koszyk, 3 kulka, 4 piasta 17
2.7. Budowa przekładni głównej i mechanizmu różnicowego Rys.2.16. Przekładnia główna z mechanizmem różnicowym: 1 koło zębate atakujące, 2 koło zębate talerzowe, 3 obudowa mechanizmu różnicowego, 4 obudowa przekładni głównej, 5 koł zębate satelitów, 6 koł koronowe, 7 krzyżak 18
4. Wytyczne do sprawozdania Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. K. Pułaskiego w Radomiu IEPiM INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN LABORATORIUM (z przedmiotu) BUDOWA SAMOCHODÓW I TEORIA RUCHU Ćwiczenie nr (wg harmonogramu) Temat ćwiczenia:... Data wykonania ćwiczenia... Prowadzący... Wydział MECHANICZNY Kierunek LOGISTYKA Rok akademicki...semestr... Grupa... Wykonawcy ćwiczenia 1. Nazwisko Imię 2.... 3.... OCENY (uwagi Prowadzącego) sprawdziany sprawozdanie końcowa........................... Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Cel ćwiczenia 2. Przebieg ćwiczenia Zadania do wykonania podczas ćwiczenia laboratoryjnego: 1. Opisać budowę wskazanego układu napędowego na podstawie stanowiska dydaktycznego oraz wskazać wymienione elementy zabudowane na pojeździe. 2. Naszkicować i opisać budowę i zasadę działania sprzęgła ciernego jednotarczowego. 3. Wykonać schemat kinematyczny skrzyni biegów i przekładni głównej z mechanizmem różnicowym. Na naszkicowanych schemacie opisać budowę. 3. Wnioski 19