docM - Katedra vozidel a motorů
download 
Stížnost Transkript
M - Katedra vozidel a motorů
TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Rozvodovky Konstrukčně nenahraditelná, propojuje převodovku a rozvodovku Je konstantním činitelem v celkovém převodovém poměru HÚ Složení : - skříň rozvodovky - stálý převod - diferenciál Skříň rozvodovky : - u tuhých náprav součástí mostu hnací nápravy - u dělených náprav spojena s karoserií nebo součástí uzlu M + oP + R Stálý převod Uspořádání soukolí : - kuželové soukolí (u klasického uspořádání s motorem podélně) - čelní soukolí u uspořádání s motorem napříč Účel : spolu se oP realizovat potřebný převod pro pohon vozidla Rozdělení podle počtu stupňů : - Jednostupňové rozvodovky - Dvoustupňové rozvodovky Jednostupňové rozvodovky (jednoduché stálé převody) i = 3,5 ÷ 4 – osobní automobily - nákladní automobily i>6 kuželové soukolí - přímé zuby (hlučné, nízká životnost, citlivé na montáž a tolerance, menší axiální síly, nízké obvodové rychlosti) - zakřivené zuby (nehlučný chod, menší citlivost na nepřesnost výroby a montáže, vyšší hodnoty převodu, vyšší obvodové rychlosti, vyšší axiální síly) Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Ozubené soukolí rozvodovky - trvale v záběru na všech převodových stupních ⇒ velký rozsah momentů a otáček ⇒ nároky na životnost - požadavek na malé rozměry - požadavek nízkého hluku a vibrací - požadavek na vysokou účinnost Spirální zuby – křivka zubu • kružnice (Gleason) • evolventa (Klingelberg) • epicykloida (Spiromatic) Hypoidní kola • umožňují vyosení kola - max. 0,2 D – osobní vozy - max. 0,1 D – nákladní vozy Výhody - snížení výstupu kloubového hřídele - zvýšení převodu Při stejném průměru talířového kola se zvětšuje pastorek ⇒ silnější zuby ⇒ lze jich použít méně. Vyosováním se zvětšuje stoupání šroubovice ⇒ zvyšuje se počet zubů v záběru Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Nevýhody - Vyosením kloužou hypoidní zuby ve směru osy pastorku ⇒ nutnost mazání speciálními oleji ⇒ snížení účinnosti ( cca 0,96) - Nesymetrie zubu Uložení kuželových kol Nutno zachytit velké radiální i axiální síly Způsoby uložení pastorku : ► Letmé uložení ve dvou kuželíkových ložiskách ► Letmé uložení ve dvou kuželíkových a jednom válečkovém ložisku ► Na hlavě pastorku válečkové ložisko + dvě kuželíková ložiska Uložení talířového kola : ► Převážně na dvou kuželíkových ložiskách Poloha pastorku a kuželového kola se kontroluje pomocí zrcadlového otisku U skříně rozvodovky je nutná tuhá konstrukce s žebrováním Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál A) Dvoustupňové rozvodovky Jednostupňová převodovka iMAX = 7 ⇒ nelze použít u těžkých nákladních automobilů ⇒ nutno přidat další převod VSTUP VSTUP VÝSTUP VÝSTUP VÝSTUP VÝSTUP VSTUP VÝSTUP VÝSTUP VSTUP VÝSTUP Pavel Němeček 2009 VÝSTUP TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Diferenciál Planetové soukolí se 2 stupni volnosti : • Pro rozdělení výkonu na hnací kola • Pro vyrovnání rozdílných otáček kol při průjezdu zatáčkou Vozidla bez diferenciálu • Nadměrně opotřebovávají pneumatiky • Část výkonu ztrácejí při prokluzu pneumatiky • Znesnadňují ovládání vozidla Rozdělení podle funkce • Mezikolové (nápravové) • Mezinápravové • Mezivozidlové Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Rozdělení podle převodu • Symetrické • Nesymetrické Nápravové diferenciály R poloměr zatáčky (středu nápravy) n L, n P otáčky kol (levé, pravé viděno z dopředného směru jízdy) v L, v P obvodové rychlosti kol v obvodová rychlost středu nápravy ML, MP momenty na kolech a rozchod kol rd poloměr kola (dynamický) M moment za rozvodovkou M 2 Momentová rovnováha ML = MP = Energetická rovnováha PL = M Lω L PP = M Pω P PL ω L = PP ω P kinematické vztahy (zatáčka vlevo) vL = v vP = v R− a 2 rd vP ωP R R+ a 2 R a 2 ωL = v rd R a R+ 2 ωP = v rd R v a R− ω= ωP +ωL 2 Pavel Němeček 2009 R vL ωL TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál snížení otáček na levé straně = přírůstku otáček na pravé straně R a a⎞ ⎛ v P = ⎜ R + ⎟ω = rdω P 2⎠ ⎝ a⎞ ⎛ v L = ⎜ R − ⎟ω = rdω L 2⎠ ⎝ ρ= ⇒ ωP = v rd ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 1 + ⎟⎟ 2 ρ ⎝ ⎠ ⇒ ωL = v rd ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 1 − ⎟⎟ 2 ρ ⎝ ⎠ v P ω P 2ρ + 1 = = v L ω L 2ρ − 1 Konstrukce diferenciálů 1) Planetový diferenciál Pastorek rozvodovky Talířové kolo = unašeč ωU ωS ωP ωL Pravé kolo Levé kolo Satelit Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál ω L − ωU z =− P ω P − ωU zL Kinematická vazba (U ) = i LP Základní rovnice ω U ⎜⎜ 1 + Otáčky satelitu ⎛ ⎞ z ⎟⎟ = ω P P + ω L zL ⎝ ⎠ z (U ) ω L − ω U i LS = = S ωS zL ωS = Pavel Němeček 2009 zP zL (ω P − ω L ) z P 1+ zP zL (1) ML = MP ⇒ zL = zP (2) zL zL . z S (1)→(2) TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál 2) Čelní diferenciál Pastorek rozvodovky Talířové kolo = unášeč Satelit pravý Satelit levý Levé kolo Pravé kolo ω L − ωU z z z z = − P S 2 S1 = − P ω P − ωU z S 2 z S1 z L zL Kinematická vazba (U ) i LP = Klasické provedení : zS1 = zS2 ; zP = zL Levé kolo Satelit levý Satelit pravý Pravé kolo Talířové kolo = unášeč Pavel Němeček 2009 Pastorek rozvodovky TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Závěr diferenciálu • uzamyká diferenciál z důvodu nutnosti přenosu ML = MP • pomáhá jízdě terénem Konstrukční provedení Pevné propojení libovolných dvou částí diferenciálu. Nejčastěji : • spojení výstupního hřídele s talířovým kolem zubovou spojkou (pneumaticky) Závěr diferenciálu = skoková změna ⇒ nutno ovládat řidičem (za klidu vozidla) Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Samosvorný diferenciál (diferenciál se samočinným uzavíráním) Plynule vyrovnává ML a MP v závislosti na velikosti rozdílu ωL - ωP Typy samosvorných diferenciálů 1) vačkové 2) se zvýšeným třením Vačkové Unášeč nese vačky, jejichž počet je nesoudělný s výstupky na centrálním a korunovém kole. Při stejných otáčkách C a K se vačky na výstupcích příčí. Při různých otáčkách se vačky začnou naklápět, ale zvyšuje se tření mezi vačkami a koly. Dnes se nepoužívá. Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Se zvýšeným třením • šroubový (Torsen) – kombinace nesamosvorného čelního a šnekového diferenciálu. Centrální šroubová kola jsou v záběru se šroubovými satelity. Satelity jsou navzájem propojeny čelním soukolím. Při relativním pohybu výstupních hřídelů vzniká relativní pohyb ozubených kol, při kterém špatná účinnost šroubového ozubení vyvolá reakční točivý moment na kole s pohonem. Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál • Kuželové – mezi kuželovými koly na hnacích hřídelích a skříní jsou vytvořeny třecí plochy s vysokým třením (např. lamelovou brzdou). • Lok-O-Matic – satelity jsou uloženy na čepech v klínové drážce. Při působení momentu se přítlačné kroužky roztahují a přes lamely brzdí o klec. Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál • Borg-Warner – mezi skříní a planetovými koly jsou třecí spojky. Třecí moment je vyvozen axiálními silami a přítlačnými vinutými pružinami. • Diferenciál Borg & Beck • Diferenciál ZF. Mezi výstupními koly a klecí je viskózní spojka Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál • Řízené diferenciály – přítlak lamel je řízen elektricky, pneumaticky nebo hydraulicky Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Diferenciály – účinnosti Momentové poměry bez uvažování ztrát MP 1 L = − i RP =− R M 1 − i PL ML 1 P = − i RL =− R M 1 − i LP R R i LP = i PL = i R = −1 Symetrický diferenciál : MP =1 ML index R ≈ rozvodovka (talířové kolo) MP ML 1 = =− M M 2 M P < 0; M L < 0 Momenty při uvažování ztrát V diferenciálu vznikají ztráty výkonu vlivem η V diferenciálu vzniká „potenciální výkon“ Jízda zatáčkou – vozidlo hnáno motorem (moment roztáčí kola) moment na kolech je spotřebováván – v motoru vzniká Δω P = ω P − ω > 0 Δω L = ω L − ω < 0 MP < 0 ML < 0 (1) (2) Z (1) a (2) plyne pro potenciální výkony : ΔPP = M P Δω P < 0 ΔPL = M L Δω L > 0 Tok potenciálního výkonu bude z kola L na kolo P MP = − i PLη PL ML (3) MP + ML + M = 0 (4) Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál Z (3) + (4) plyne : MP i η = PL PL ; M 1 − i PLη PL ML 1 = M i PLη PL − 1 Symetrický diferenciál : iPL = -1 MP − η PL = M 1 + η PL ; ML M −1 = = P η PL M 1 + η PL M ⇒ větší moment na vnitřním kole B) Jízda zatáčkou – vozidlo hnáno koly moment na kolech vzniká – motor jej spotřebovává Δω P = ω P − ω > 0 Δω L = ω L − ω < 0 MP > 0 ML > 0 (5) (6) Z (5) a (6) plyne pro potenciální výkony : ΔPP = M P Δω P > 0 ΔPL = M L Δω L < 0 Tok potenciálního výkonu bude z kola P na kolo L ML = − i LPη LP MP (7) MP + ML + M = 0 (8) Z (7) + (8) plyne : ML i η = LP LP ; M 1 − i LPη LP Symetrický diferenciál : iPL = -1 Pavel Němeček 2009 MP 1 = M i LPη LP − 1 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + Diferenciál ML M − η LP = = P η LP ; M 1 + η LP M MP −1 = M 1 + η LP ⇒ větší moment na vnějším kole Silové poměry nápravy s diferenciálem při jízdě zatáčkou Momentům na kolech jsou přímo úměrné hnací síly na obvodu kol FKP ; FKL resp. suvné síly v ložiskách XP ; XL. X = FK − O f FK = XL > X P XL < XP ΔM FKL Δ XL OfL ΔM FKP XP OfP X B/2 B/2 B Pohon Pásmo neurčitosti pro přímou jízdu Poháněná náprava Bržděná náprava MK rd v Δ X XL B/2 XP B/2 B Brždění Poloha výslednice dává v důsledku vyosení moment ΔM, který se snaží vytáčet nápravu (a přes zavěšení i celé vozidlo). Diferenciál je tedy jedním z činitelů, které způsobují nedotáčivost vozidla. Moment ΔM je tím větší, čím nižší (horší) je účinnost diferenciálu. Pavel Němeček 2009 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + diferenciál M P = FKP rd = (X P + O fP )rd M L = FKL rd = (X L + O fL )rd MP < ML XP − XL − MP rd ML rd = O fP = = O fL = M P − M fP rd M L − M fL rd M P = FKP rd = (X P − O fP )rd M L = FKL rd = (X L − O fL )rd MP > ML XP − XL − MP rd ML rd = O fP = = O fL = M P + M fP rd M L + M fL rd Rovnováha M k podélné ose vozidla X = XL + XP 1 B XL − XP 2 B XL − XP Δ= 2X ΔM = X.Δ = Při pomalé jízdě zatáčkou, kdy XL není omezeno adhezí při symetrickém diferenciálu iR = -1 bude : ΔM = MR B 1 − ηR . 2rd 1 + ηR Pavel Němeček 2009 26/30 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + diferenciál Adhezní schopnost nápravy – při poklesu μK FK FK max 1 bez diferenciálu ηR=1 ηR=0,75 0,5 ηR=0,5 ηR=0,25 1 μKO =μKmax = maximální hodnota součinitele adheze μ KP μ KO 1. náprava bez diferenciálu : FK = FKL + FKP = FZ μ KO + FZ μ KP = FZ (μ KO + μ KP ) FK max = (FZL + FZP )μ KO FZP = FZL = FZ = konst . ⇒ FZL + FZP = 2 FZ FK μ 1⎛ = ⎜⎜ 1 + KP FK max 2 ⎝ μ KO ⎞ ⎟⎟ ⎠ 2. náprava s diferenciálem bez tření FK = FKL + FKP = 2 FKP = 2 FZ μ KP FK μ = KP FK max μ KO Pavel Němeček 2009 27/30 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + diferenciál 3. náprava s třením (0 < ηR < 1) FK = FKL + FKP = FKP + FKP ⎛ 1 = FZ μ KP ⎜⎜ 1 + ηR ⎝ ηR 1 ⎞ ⎟⎟ ⎠ FK 1 μ KP ⎛ 1 ⎞ ⎜⎜ 1 + ⎟⎟ = FK max 2 μ KO ⎝ η R ⎠ Adhezní schopnost nápravy – při poklesu FZ (vlivem odstředivé síly) FK FK max 1 bez diferenciálu ηR=1 ηR=0,75 0,5 ηR=0,5 ηR=0,25 1 μKO =μKmax = maximální hodnota součinitele adheze 1. náprava bez diferenciálu : FK = (FZL + FZP )μ KO = 2 FZ μ KO = FK max FK =1 FK max 2. náprava s diferenciálem bez tření FK = 2FZL μ KO FK F = ZL FK max FZ Pavel Němeček 2009 28/30 FZL FZ TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + diferenciál 3. náprava s třením (0 < ηR < 1) ⎛ 1 FK = FZL μ KO ⎜⎜ 1 + ⎝ ηR ⎞ ⎟⎟ ⎠ 1 FZL ⎛ 1 ⎞ FK ⎜⎜ 1 + ⎟ = FK max 2 FZ ⎝ η R ⎟⎠ Výsledná účinnost diferenciálu Pohon : ηCp = − ⎛M ω PP + PL M ω + ML ωL M ω ⎞ =− P P = −⎜⎜ P P + L L ⎟⎟ P M ωR M ωR ⎠ ⎝ M ωR MP η =− R ; M 1 +ηR η Cp = 1 − ηR ML = − M 1+ηR 1 −ηR 1 1 + η R 2ρ ztráty Brždění : ηCb = 1 P = PP + PL M Pω P + M Lω L Mω R Mω R η Cb = 1 1 −ηR 1 1+ 1 + η R 2ρ ρ= R B Pavel Němeček 2009 29/30 TU v Liberci – Fakulta strojní – Katedra vozidel a motorů Kolové dopravní a manipulační stroje I 4 – Rozvodovka + diferenciál Návrh diferenciálu Ozubená kola poloos 4 satelity D = 6,937 3 M R 2 satelity D = 6,353 3 M R D … roztečný průměr kol planetového soukolí spojených s poloosami [mm] MR .. moment na talířovém kole [Nm] Zatížení zubů bez tření Fmax = M M max .. ip … m… ηp … M M max i pη p mD maximální moment motoru převod na převodovém stupni počet satelitů účinnost převodovky s uvažováním tření F= M 2 M max i pη p (1 + η )mD η … účinnost diferenciálu diferenciál se závěrkou (může být přenášen celý moment) F= M 2 M max i pη p Pavel Němeček 2009 mD 30/30
