Zasadniczymi elementami układu napędowego z przekładnią mechaniczną są: sprzęgło, skrzynia biegów, przekładnia główna oraz mechanizm nawrotny. Każde z wymienionych elementów spełnia określoną rolę w układzie napędowym. Schemat układu napędowego z przekładnia mechaniczną pokazany jest na rysunku poniżej.
Działanie
W przenoszeniu momentu obrotowego z wału silnika spalinowego na oś napędną biorą udział: sprzęgło, skrzynia biegów i przekładnia główna z mechanizmem nawrotnym, a elementem łączącym poszczególne części układu są wały przegubowe.
Zadaniem sprzęgła jest odłączanie wału korbowego od dalszej części układu w czasie rozruchu silnika spalinowego oraz w czasie zmiany biegów. Skrzynia biegów ma za zadanie zmianę momentu obrotowego w zależności od potrzeb. Składa się ona z par kół zębatych o różnych średnicach co daje różne momenty obrotowe i prędkości. Przekładnia główna jest dodatkowym urządzeniem zmieniającym moment obrotowy. Składa się z kół zębatych, z których jedno osadzone jest na wale napędowym, a drugie na osi pojazdu. Często przekładnia główna umieszczona jest razem z mechanizmem nawrotnym, który służy do zmiany kierunku obrotu osi, co daje zmianę kierunku jazdy.
SPRZĘGŁO
Sprzęgło ma za zadanie sprzęgać dwa elementy w układzie na stałe lub łączyć je w odpowiednim momencie. Sprzęgła dzielą się pod względem sposobu działania i pod względem znaczenia. W pierwszym przypadku rozróżniany:
- sprzęgła stałe - sztywne i podatne, łączą na stałe dwa elementy, np. prądnica z silnikiem spalinowym w przekładni elektrycznej;
- sprzęgła rozłączalne służą do łączenia okresowego poszczególnych elementów układu.
Ze względu na znaczenie sprzęgła dzielą się na:
- sprzęgła główne - mające zasadnicze zadanie łączyć silnik spalinowy ze skrzynią biegów;
- sprzęgła pomocnicze - wchodzą w skład skrzyni biegów, mechanizmu nawrotnego oraz innych przekładni.
Zarówno sprzęgła główne jak i pomocnicze mogą być stałe lub rozłączalne.
Sprzęgło główne
W układzie przekładni mechanicznej sprzęgło główne łączy silnik spalinowy z skrzynią biegów. Jego zadaniem jest:
- odłączanie silnika od osi napędnej podczas rozruchu silnika oraz przy zmianie biegów;
- stopniowe i równomierne przekazywanie momentu obrotowego z wału silnika na wał napędowy dzięki temu pojazd rusza łagodnie.
Najczęściej w pojazdach spalinowych z przekładnią mechaniczną stosuje się cierne sprzęgła tarczowe oraz sprzęgła hydrauliczne.
Sprzęgła cierne tarczowe działają na zasadzie tarcia pomiędzy powierzchniami tarcz. Zwykle stosuje się sprzęgła cierne wielotarczowe. Ich układ można podzielić na trzy części:
- część pierwsza to zespół części napędzających sprzęgło, połączonych z wałem korbowym silnika;
- część druga to zespół części napędzanych połączonych z wałkiem napędzającym skrzynię biegów;
- część trzecia to zespół dźwigni sterujących łączeniem i rozłączaniem części pierwszej z drugą (włączanie/wyłączanie sprzęgła).
Sprzęgła te mogą być:
- suche - tarcze sprzęgłowe chronione są przed olejem, ponieważ ich zasada działania nie dopuszcza obecności oleju, który mógłby spowodować ślizganie się sprzęgła co w konsekwencji mogłoby spowodować zniszczenie sprzęgła;
- mokre - tarcze sprzęgłowe muszą być zanurzone w oleju, gdyż wymaga tego ich zasada działania. W innym przypadku mogło by dojść do zatarcia sprzęgła.
Oprócz sprzęgieł ciernych tarczowych stosowane są też sprzęgła hydrauliczne. Sprzęgło hydrauliczne stanowi także ważny element hydraulicznej skrzyni biegów. Budowa takiego sprzęgła i zasada działania jest prosta.
Sprzęgło to składa się z dwóch zasadniczych części:
- pompy odśrodkowej osadzonej na wale połączonym z wałem korbowym silnika. Na pompie odśrodkowej znajduje się osadzone sztywno koło łopatkowe;
- turbiny osadzonej na wale wstępnym skrzyni biegów. Na turbinie znajduje się także koło łopatkowe.
Zarówno pompa odśrodkowa jak i turbina osłonięte są osłoną i szczelinie zamknięte. Wnętrze całkowicie wypełnione jest cieczą, najczęściej specjalnym olejem przekładniowym, który odznacza się odpornością na nagrzewanie się, wytwarzanie piany podczas pracy oraz posiada dobre właściwości smarne.
Moment obrotowy wału korbowego silnika przenoszony jest w następujący sposób: podczas obrotu wału korbowego zaczyna się obracać koło łopatkowe, które powoduje, że ciecz zaczyna się poruszać. Ponieważ urządzenie jest szczelnie wypełnioną cieczą wymusza to obrót łopatek turbiny. Turbina obraca się i napędza sprzężony z nią wał wstępny skrzyni biegów. Ciecz wypływa z łopatek turbiny i wraca na łopatki pompy odśrodkowej, w ten sposób obieg cieczy się zamyka.
Prędkość obrotowa wału silnika jest równa prędkości obrotowej wału wstępnego. Mogą jednak nastąpić pewne różnice wynikające z zużycia się pewnych części sprzęgła. Żeby odłączyć skrzynię biegów od wału silnika należy opróżnić sprzęgło z cieczy poprzez specjalną pompę lub też obniżyć prędkość silnika do prędkości biegu jałowego przy której łopatki nie będą w stanie przekazać momentu obrotowego.
Sprzęgło pomocnicze
Zwykle umieszczone jest w skrzyni biegów i służy do łączenia zębatych kół osadzonych swobodnie na wale z tym wałem dzięki temu zmienić można bieg. Stosuje się następujące rodzaje sprzęgieł:
- sprzęgła cierne mokre - zbudowane z kilku tarcz napędzających i napędzanych umieszczonych w bębnie wypełnionym olejem. Tarcze te umieszczone są na przemian. Zaletą tego sprzęgła jest łagodne działanie przy włączeniu, jednak są wrażliwe na poślizg. Poślizg nawet krótkotrwały wynikać może z niedostatecznego ściśnięcia tarcz i może spowodować nawet przegrzanie się sprzęgła;
- sprzęgła kłowe - mają zastosowanie w różnych częściach układu napędowego. W skrzyni biegów służą do zmiany biegów, w mechanizmach nawrotnych służą do zmiany kierunku jazdy;
- sprzęgła cierne stożkowe - stosowane są zwykle w skrzyniach biegów, w których do zmiany biegów stosuje się sprzęgła kłowe. Zadaniem sprzęgieł ciernych stożkowych jest synchronizacja obrotów. Dzieje się to podczas zmiany biegów, gdzie należy połączyć ze sobą odpowiednie części o różnych prędkościach obrotowych. Synchronizacja polega na równoważeniu tych prędkości.
SKRZYNIA BIEGÓW
Skrzynia biegów spełnia bardzo ważne zadanie w układzie napędowym z przekładnią mechaniczną, mianowicie:
- zmiana stałego momentu obrotowego silnika na zmienny moment obrotowy na kołach napędnych; - zmiana prędkości obrotowej osi napędnej pojazdu w stosunku do prędkości obrotowej wału korbowego. Niekiedy skrzynia biegów jest także wyposażona w mechanizm nawrotny i wówczas ma za zadanie zmieniać kierunek obrotu wału napędzającego oś.
Zmiana wyżej opisanych parametrów dokonuje się w skrzyni biegów za pomocą przekładni zębatej. Przekładnia zębata składa się z kilku kół zębatych o różnej średnicy, które zazębiają się ze sobą przy odpowiednim biegu i dają różne momenty obrotowe i różne prędkości. Zwykle w skrzyni biegów jest do pięciu różnych par kół zębatych, które dają różne momenty obrotowe i różne prędkości przy stałej prędkości i stałym momencie wału korbowego silnika. Im mniejsza prędkość obrotowa osi napędnej w stosunku do wału korbowego tym większy moment obrotowy na osi napędnej.
Zębata skrzynia biegów składa się z kadłuba, w którym umieszczone są koła zębate o różnych średnicach i różnej liczbie zębów osadzone na wałkach ułożyskowanych w kadłubie skrzyni biegów za pomocą łożysk.
Odpowiednie pary kół zębatych są ze sobą na stałe zazębione, z tym że jedno koło jest także na stałe osadzone na wałku, a drugie luźno za pomocą sprzęgła kłowego lub ciernego. Włączenie biegu polega na sprzęgnięciu tego luźnego koła z wałkiem. Taki sposób zmiany biegów jest łatwy i często stosowany.
Mechanizmy, które służą do włączania poszczególnych biegów często posiadają zabezpieczenia przed włączeniem dwóch biegów, a niekiedy także przed włączeniem niewłaściwego biegu.
Włączanie biegu, tzn. uruchamianie sprzęgła łączącego luźno osadzone koło zębate z wałkiem, na którym jest osadzone dokonywane może być mechanicznie, hydraulicznie, pneumatycznie lub elektrycznie. Pierwszy sposób jest stosowany rzadko i tylko w pojazdach małej mocy. Często stosowane są układy pneumatyczne, które doprowadzają sprężone powietrze do siłownika uruchamiającego sprzęgło. Sterowanie dopływem powietrza odbywa się za pomocą układu elektrycznego. Niektóre skrzynie biegów sterowane są automatycznie. Impulsy sterujące skrzynią biegów pochodzą od mechanicznego regulatora odśrodkowego lub prądnicy tachometrycznej.
W pojazdach trakcyjnych stosowane są zębate skrzynie biegów, wśród nich można wydzielić dwie grupy:
- skrzynie biegów o równoległym układzie par kół zębatych, w których moment obrotowy wału korbowego jest przenoszony na osie napędne z wału wstępnego poprzez wał pośredniczący, na którym umieszczone są koła zębate. Przy ostatnim biegu wał wstępny bezpośrednio jest sprzęgnięty z wałem głównym. W układzie tym poszczególne biegi włączane są przez sprzęgła, które włącza się poprzez odpowiednie dźwignie. Dźwignie te wychodzą na zewnątrz skrzyni biegów, gdzie łączą się z siłownikami pneumatycznymi, które włączają odpowiednie dźwignie. Jeden siłownik włącza tylko jedno sprzęgło.
- skrzynie biegów o obiegowym układzie kół zębatych, które posiadają przekładnię obiegową. Przekładnia ta zbudowana jest z wewnętrznego koła słonecznego, z kilku kół zębatych - satelit, oraz z koła zewnętrznego - pierścieniowego. Satelity zazębiają się zarówno z kołem słonecznym jak i pierścieniowym, a jednocześnie połączone są ze sobą jarzmem. Napędzane koło słoneczne powoduje, że ruch obrotowy przenosi się na satelity, które będą się toczyć po kole pierścieniowym i obracać we własnych czopach, dzięki czemu ruch obrotowy może być przeniesiony na odpowiedni wał. W rozwiązaniu tym unieruchomione może być koło słoneczne a napędzane koło pierścieniowe. Skrzynia biegów w tym rozwiązaniu składa się z kilku przekładni planetarnych, z których każda stanowi jeden bieg. Zaletą tego rozwiązania są mniejsze wymiary niż w przypadku skrzyni biegów o równoległym układzie kół.
PRZEKŁADNIA GŁÓWNA
Przekładnia główna stanowi ostatni element układu napędowego przekładni mechanicznej i hydraulicznej, który przenosi moment obrotowy i prędkość na oś napędną. Przekładnia główna zwana często przekładnią osiową wykonana jest zwykle jako stożkowa złożona z pary kół zębatych, z których jedno - małej średnicy osadzone jest na wale napędowym połączonym ze skrzynia biegów, a drugie - dużej średnicy osadzone jest na osi napędnej. Koło osadzone na wale napędowym zwane często atakującym napędza koło talerzowe osadzone na osi napędnej. W wyniku tego moment obrotowy i prędkość obrotowa zostają przeniesione na oś napędną. Całość przekładni znajduje się w kadłubie osadzonym za pomocą łożysk tocznych na osi napędnej pojazdu. Z jednej strony kadłub posiada ramię reakcyjne połączone elastycznie z ostoją wózka napędnego, dzięki temu uniemożliwia to obracanie się kadłuba wokół osi napędnej. Koła zębate przekładni głównej smarowane są pod ciśnieniem za pomocą zębatej pompy olejowej napędzanej dodatkowym wieńcem zębatym lub dzięki olejowi, który wypełnia kadłub przekładni.
Bardzo często przekładnia główna połączona jest w jedną całość z mechanizmem nawrotnym i stanowi jedno urządzenie. Przekładnia główna połączona z mechanizmem nawrotnym różni się od zwykłej przekładni głównej jedynie tym, że na osi napędnej znajdują się dwa koła talerzowe, a nie jedno jak w przypadku zwykłej przekładni głównej. Dzięki temu koło atakujące osadzone na wale napędowym napędza dwa koła talerzowe osadzone na osi napędnej i leżące po przeciwnych stronach wału napędowego. W ten sposób koła te obracają się w przeciwnych kierunkach. W urządzeniu tym znajduje się także tuleja kłowa, której wieniec może się przesuwać wzdłuż osi napędnej. Sprzęgnięcie wieńca z piastą jednego z kół talerzowych daje dany kierunek jazdy. Podobnie jak w przypadku zwykłej przekładni głównej, przekładnia główna z mechanizmem nawrotnym znajduje się w kadłubie, który z kolei osadzony jest na osi napędnej pojazdu za pomocą łożysk tocznych. Wnętrze kadłuba wypełnione jest olejem smarnym. Piastę kłową sprzęgającą jedno z kół przesuwa się za pomocą dźwigni, która połączona jest z tłokiem siłownika pneumatycznego. Kierunek przepływu powietrza w siłowniku pneumatycznym decyduje o kierunku przesunięcia się piasty, a więc o kierunku jazdy pojazdu.
Taki sposób przenoszenia momentu obrotowego i prędkości obrotowej z jednoczesną zmianą kierunku jazdy stosowany jest wówczas, gdy silnik napędza jedną oś lub przy napędzie wiązarowym.
CHARAKTERYSTYKA POJAZDÓW Z PRZEKŁADNIĄ MECHANICZNĄ.
Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę pojazdu z przekładnią mechaniczną, z pięciobiegową skrzynią biegów.
Z rysunku widać, że siła pociągowa pojazdu z przekładnią mechaniczną zmienia się skokowo. Największa siła pociągowa wystąpi podczas ruszania pojazdu z pierwszego biegu. Na tym biegu w miarę zwiększania się prędkości siła ta maleje. Przy maksymalnej prędkości jaką pojazd rozwija na pierwszym biegu następuje zmiana biegu. Siła pociągowa dalej maleje, a pojazd nabiera prędkości w dalszym ciągu. Tak się dzieje aż do ostatniego biegu.
W momencie zmiany biegów następuje odłączenie wału silnika od osi napędnej. W tym czasie pojazd porusza się siłą bezwładności. Sytuacja ta jest niekorzystna z eksploatacyjnego punktu widzenia, ponieważ w skrajnie złych warunkach ruchowych (łuk, wzniesienie) przy dłuższej zmianie biegów może się zdarzyć, że pojazd straci prędkość i silnik na biegu wyższym może nie być w stanie zwiększyć prędkości pojazdu (zbyt duże opory, a zbyt mały moment obrotowy). Przez odpowiednie konstrukcje skrzyni biegów i sprzęgła dąży się więc do tego, aby zmiany biegów odbywały się możliwie szybko.
Inną cechą charakterystyczną przekładni mechanicznej jest niepełne wykorzystanie mocy silnika. Pełna moc silnika wykorzystana jest tylko przy jednej prędkości dla każdego biegu. Każda inna prędkość pojazdu powoduje, że moc silnika jest wykorzystana w mniejszym lub większym stopniu.
Patrząc na powyższą charakterystykę pojazdu z przekładnią mechaniczną można zauważyć, że im więcej biegów miała by przekładnia tym płynniej pojazd by się poruszał, gdyż siła pociągowa nie zmieniała by się w sposób skokowy tylko w sposób ciągły. Konstrukcja skrzyni biegów jest jednak ograniczona i dowolnie duża ilość biegów utrudniałaby konstrukcję i eksploatację a przede wszystkim zwiększała by znacznie koszty pojazdu. Zazwyczaj pojazdy spalinowe z przekładnią mechaniczną mają do pięciu biegów.
Przekładnia mechaniczna jest stosowana tylko w pojazdach małych mocy, do ok. 200 kW.
