Funktionsmodellering av en lastbilsväxellåda Björn Calendar Sandegård Examensarbete Stockholm, Sverige 2013
Funktionsmodellering av funktion en lastbilsväxellåda Björn Calendar Sandegård Examensarbete MMKB2013:14 MKNB 060 KTH Industriell teknik och management Maskinkonstruktion SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete MMKB 2013:14 MKNB 060 Funktionsmodellering av en lastbilsväxellåda Björn Calendar Sandegård Godkänt Examinator Handledare 2013-06-03 Ulf Sellgren Ulf Sellgren Uppdragsgivare Sveriges transmissionskluster Kontaktperson Mario Sosa Sammanfattning Syftet med detta arbete var att skapa en generell CAD-modell av en lastbils växellåda som skall förenkla kommunikationen med olika parter och kompetenser kring utveckling och konstruktion av nya växellådor. Genom att mäta och studera komponenter hos en verklig växellåda byggdes en grund upp och genom vidare diskussion med sakkunniga inom området samt studie av videoklipp har arbetet kunnat färdigställas. Arbetet resulterade i en CAD-modell av en lastbils växellåda gjord i SolidEdge, illustrerande transmission genom koppling, växellåda och rangeväxel, samt en steg-för-steg-beskrivning av de ingående komponenternas funktion vid växling. I
II
Bachelor Thesis MMKB 2013:14 MKNB 060 Function modelling of a truck gearbox Björn Calendar Sandegård Approved Examiner Supervisor 2013-06-03 Ulf Sellgren Commissioner Sveriges transmissionskluster Ulf Sellgren Contact person Mario Sosa Abstract The aim of this work was to create a generalized CAD model of a truck transmission that will simplify the communication with various stakeholders and expertise around the development and construction of new transmissions. By measuring and studying the components of a real gearbox, a foundation was built. Through further discussion with experts in the field, and study of video clips on the subject, the work could be completed. The work resulted in a CAD model of a truck gearbox made in Solid Edge, illustrating transmission through the clutch, gearbox and range gear, as well as a step-by-step description of the components and their function while shifting gears. III
IV
Förord Först skulle jag vilja tacka Ellen Bergseth för hennes brinnande intresse och delgivning av viktig information gällande rangeväxlar. Sedan vill jag tacka 3Dconnexion för deras CAD-mus som besparat mig handleden och gjort arbetet mycket roligare. Sist men inte minst skulle jag vilja tacka Linn Lundberg som har varit vid min sida genom detta arbete och gett mig stöd och råd genom hela processen. V
VI
Innehåll Sammanfattning... I Abstract... III Förord... V 1. Introduktion... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Syfte... 1 1.3 Avgränsning... 1 1.4 Metod... 2 1.4.1 Informationsinsamling... 2 1.4.2 Modellering... 2 2. Referensram... 3 2.1 Drivlina... 3 2.2 Olika typer av växellådor... 3 2.2.1 Manuell växellåda... 3 2.2.2 Automatisk växellåda... 4 2.3 Växellådor hos lastbilar... 4 3. Genomförande... 5 4. Resultat... 7 4.1 Koppling... 7 4.2 Utväxling... 10 4.3 Synkronisering... 11 4.4 Range funktion... 14 5. Diskussion... 15 6. Informationskällor... 17 7. Bilagor... 19 Bilaga 1... 19 Bilaga 2... 19 VII
VIII
IX
1. Introduktion 1.1 Bakgrund "I Sverige arbetar mer än 5000 personer med produktion av komponenter till fordonstransmissioner till ett totalt produktvärde på ca. 12 miljarder SEK per år. Av tillverkningskostnaden för en lastbil är ungefär en femtedel relaterad till transmissionen, som består av kugghjul, axlar, synkroniseringsringar, kopplingar m.m. Transmissioner är och har varit ett nyckelsystem för svensk fordonsindustri där man behållit både utveckling, konstruktion och forskning och även produktion kvar i Sverige. Gällande motorer och transmissioner för tunga fordon sker mellan 10 och 20 % av världsproduktionen i ett område som sträcker sig från Göteborg till Stockholm. För att behålla och utveckla den svenska kompetensen att konstruera och tillverka högpresterande mekaniska transmissioner, bygger AB Volvo, Scania CV AB, Chalmers och KTH upp ett transmissionskluster. Moderna kuggväxlar för tunga fordon är oerhört energitäta, vilket gör att utveckling och konstruktion av nya växellådor kräver mycket detaljkunskap och oerhört mycket arbete av ingenjörer med många olika kompetenser. Ett effektivt samarbete underlättas av gemensamma modeller och representationer." 1.2 Syfte Syftet är att skapa en generell CAD-modell av en lastbils växellåda som skall förenkla kommunikationen med olika parter och kompetenser kring utveckling och konstruktion av nya växellådor. 1.3 Avgränsning Rapporten behandlar transmissionen, i en lastbil, från koppling till rangeväxel. Rangeväxeln är gjord väldigt förenklad. Delar som inte behandlas och modelleras är: Ytterhölje på växellåda Växelspak och länk till växellåda Kopplingspedal och länk till och med kopplingsgaffel Infästning av lager och lagertyper Kraftuttag Olja och slangar 1
1.4 Metod Här redovisas de metoder som använts för att lösa uppgiften. 1.4.1 Informationsinsamling Youtube Videoklipp från youtube.com användes för att få en tydlig bild av de ingående komponenternas funktion och utseende. Studie av verkligt exemplar Observation och mätning gjordes av ett verkligt exemplar av en latsbils växellåda som finns på KTH. Studiebesök SCANIA Ett studiebesök på SCANIAs växellådsmontering genomfördes i syfte att föra dialog med sakkunnig på plats. Dialog med Ellen Bergseth, forskare maskinkonstruktion, KTH Dialog fördes med forskare Ellen Bergseth i syfte att samla in de sista detaljerna för att förstå helheten. 1.4.2 Modellering Med hjälp av CAD-programmet SolidEdge har 3D-modellen skapats. 2
2. Referensram 2.1 Drivlina Med drivlina menas de komponenter som driver fordonet. Drivlinan kan delas in i fem delar: Motor Omvandlar energi till rörelse. I en förbränningsmotors fall, bensin till rotation av axel. Koppling / Momentomvandlare För över kraften från motor till växellåda Växellåda Ger med ett antal växlar en utväxling på både hastighet och vridmoment. Kardanaxel Länk mellan växellåda och drivande axel. Drivande axel med hjul. 2.2 Olika typer av växellådor Det finns olika typer av växellådor. 2.2.1 Manuell växellåda Den typ av växellåda som behandlas i detta arbete är av typen manuell växellåda. Den styrs av en växelspak av operatören och är kopplat till motorn med en koppling. Kuggväxlarna är alltid i kontakt med varandra men är lagrade runt axlarna och måste låsas fast av synkronisering först innan de kan genomföra en utväxling. 3
2.2.2 Automatisk växellåda Det finns även automatiska växellådor som består av ett antal planethjul (se figur 1). Växellådan styrs automatiskt av en dator som väljer växel. Ingen manöver krävs av föraren för att byta växel. Mellan växellådan och motorn sitter, i stället för en koppling som på en manuell växellåda, en momentomvandlare som för över kraft med vätska, men kan även låsas mekaniskt. Figur 1. Automatisk växellåda i genomskärning (Wikimedia 2013). 2.3 Växellådor hos lastbilar Det som skiljer en manuell växellåda hos en personbil från en manuell växellåda hos en lastbil är för det första storleken på de ingående delarna. På en lastbils växellåda finns till exempel större kugghjul för att kunna ta upp större laster. För det andra finns reglage för låg- eller högväxel, en så kallad rangeväxel. För det tredje finns ibland en split som bestämmer med vilken utväxling växlingsförloppet skall börja med. 4
3. Genomförande Arbetet inleddes med att mäta och studera det verkliga exemplar av en SCANIA-växellåda som finns på KTH, detta för att få en grund förståelse och en helhetsbild av hur en växellåda ser ut och beter sig efter växling. Antalet kugg räknades och diametern hos kugghjulen mättes. En CAD-modell av samtliga kuggväxlar uppfördes och assemblerades på en förenklad axel, detta för att se om de passade ihop. Då det verkliga exemplaret inte kunde demonteras studerades flertalet videoklipp av demonterade växellådor för att få en djupare förståelse. Antaganden kunde därefter göras gällande dimensioner hos synkronisering för den verkliga modell kugghjulen dimensionerats efter. Även beteendet hos synkronisering vid växlingsförloppet studerades på dessa videoklipp. För att kunna skapa en modell av en koppling studerades först det verkliga exemplarets kåpa runt kopplingen för att se hur stor kopplingen borde vara då exemplaret saknade koppling helt. Även här användes videoklipp för att dimensionera modellen och förstå hur den fungerade. Arbetet avslutades med en förenklad version av en rangeväxel. Efter diskussion med Ellen Bergseth kunde antalet kugg och planethjul samt modul till planetväxeln fastställas. Vidare information om rangeväxlar på lastbilar kunde inte hittas. 5
6
4. Resultat Växellådan är en länk mellan motor och drivhjul. Motorn arbetar med ett högre varvtal än vad som önskas för drivhjulet. Kraftöverföringen måste därför genomgå en utväxling. Att få fordonet i rörelse kan inte ske momentant utan måste först ske med hjälp av en koppling för att sedan ske i steg i form av växlar. En lastbil har vanligtvis mellan 6 och 16 växlar och en eller flera backväxlar. 4.1 Koppling Första steget i transmissionen är kopplingen (se figur 2). Kopplingen kan delas in i tre delar; svänghjulet, kopplingslamellen och tryckplattan (se figur 3) Figur 2. Koppling Figur 3. Svänghjul, kopplingslamell, tryckplatta 7
Svänghjulet är kopplat till motorn som roterar med 1200-2000 varv per minut. På svänghjulet monteras tryckplattan som har till uppgift att klämma fast kopplingslamellen mot svänghjulet som på grund av friktion börjar snurra med samma varvtal som svänghjulet. Lamellen är kopplad med splines till den ingående axeln i växellådan. Kopplingslamellen består av flera delar. Mellan de båda friktionsbeläggen finns en dämpningsplatta som fjädrar och gör att friktionen ökar succesivt (se figur 4). Figur 4. Dämpningsplatta mot friktionsbelägg För att dämpa variationerna i motorvarvtalet vid acceleration och retardation används torsionsfjädrar. Dessa är fästa mellan kopplingslamellen och fästplattan (se figur 5). Figur 5. Kompression av torsionsfjädrar 8
För att lägga i en växel måste kontakten mellan lamell och svänghjul brytas. Detta uppnås genom att urtrampningslagret som är lagrat runt den ingående axeln trycker på tryckplattans talriksfjäder som drar tillbaks tryckplattan från koplingslamellens friktionsbelägg. Detta medför att en distans mellan lamell och intilliggande material uppstår (se inringning i figur 6). Figur 6. Urtrampningslagrets funktion Urtrampningslagret styrs av en kopplingsgaffel som på mekaniskt eller hydrauliskt vis styrs av kopplingspedalen i förarhytten av föraren. För sprängskiss av CAD-modell av koppling, se bilaga 1. 9
4.2 Utväxling Växellådan är själva kärnan i transmissionen och består av snedskurna kugghjul och synkroniseringar av dessa. Anledningen till att de är snedskurna är att det minimerar oljud. Denna modell har 12 växlar framåt och 4 bakåt. Men i grunden är det bara 3 växlar framåt och en bakåt. Antalet utväxlingskombinationer kan med en så kallad split fördubblas och senare med en rangeväxel (planetväxel) fördubblas igen, därav 12 växlar framåt och 4 bakåt. (se figur 7). Figur 7. Överblick växellåda Samtliga kugghjul på den tvådelade huvudaxeln (ingående axel och utgående axel) är lagrade med nållager och kan snurra fritt. Mellan varje växel sitter synkroniseringar som är låsta med splines på ingående och utgående axel. Deras uppgift är att greppa tag om en intilliggande växel för att på så sätt få kugghjulen att snurra med axlarna. På sidoaxeln är samtliga kugghjul fixerade och snurrar alla med samma varvtal. Detta medför att om ett kugghjul i växellådan snurrar, snurrar alla andra också. Synkroniseringen till spliten fäster på ingående axel och bestämmer vilket kugghjul i spliten som skall inleda utväxlingen. Resterande synkroniseringar sitter på utgående axel och bestämmer hur utväxlingen i växellådan slutförs. Backväxeln är kopplad till ytterligare kugghjul, detta för att ändra riktning med vilket den utgående axeln kommer att snurra. Se bilaga 2 för en genomskärning av transmissionen. 10
4.3 Synkronisering För att lägga i en växel måste, som tidigare nämnt, hastigheten på kuggväxlarna och huvudaxeln synkroniseras. Detta uppnås med hjälp av en serie komponenter (se figur 8). Växelväljaren för back och första växeln saknar synkronisering, detta för att fordonet står still när dessa läggs i. Figur 8. Synkroniseringssats Navet som sitter fäst med splines på huvudaxeln låter det skjutbara drevet glida i axiell riktning. Det skjutbara drevet styrs av gafflar som greppar runt och styrs mekaniskt av en växelspak i förarhytten. När en växel är ilagd håller det skjutbara drevet både i navet och i det drev som sitter fast på den snedskurna kuggväxeln. Detta gör att de snurrar med samma perferihastighet. Innan detta kan ske måste först kuggväxelns perferihastighet anpassas till det skjutbara drevet. Det är här synkroniseringsringen kommer in. Ringen är konformad och fungerar i stort sett som en skivbroms som greppar tag i drevet på kuggväxeln när de tvingas ihop av spärrarna på det skjutbara drevet (se figur 9). Figur 9. Synkroniseringsring greppar tag om drev 11
Synkroniseringsringen är gjord av mässing vilket är en mycket mjukare metall än stål, som omkringliggande komponenter är gjorda av. Detta för att synkroniseringsringarna skall gå sönder först, då de är billigare att byta ut än kringliggande komponenter. För att överföra det stora moment som krävs vid synkroniseringsögonblicket behöver ytan mellan synkroniseringsring och drev vara så torr som möjligt. Detta uppnås med räfflor som för bort oljan i kontakten (se figur 10). Figur 10. Räfflor för att föra bort olja De fyra spärrarna som puttar synkroniseringsringen är infästa med fjädringsringar mot det skjutbara drevet i en ficka i navet och kan förskjutas lite i axiell riktning. De har en välvd upphöjning i mitten som passar med en välvd skåra i kuggarna på det skjutbara drevet (se figur 11 och 12). Figur 11. Spärrens infästning med fjäderring i det skjutbara drevets skåra 12
Figur 12. Spärrar monterade mellan skjutbart drev och nav Fjädringen ut mot det skjutbara drevet gör att spärrarna följer med och trycker på synkroniseringsringen till en viss gräns. Efter den gränsen orkar inte fjädrarna hålla emot långre och spärrarna hoppar ur den välvda skåran i det skjutbara drevet. Detta för att det skjutbara drevet skall kunna nå över drevet som sitter på kuggväxeln (se figur 13.) Figur 13. Låsning av kuggväxel 13
4.4 Range funktion Med en knapp på växelspaken kan en sista utväxling ske genom att range funktionen slås av eller på. Rangeväxeln är en planetväxel som på denna modell har tre planethjul (se figur 14). Figur 14. Planetväxel Utgående axel från växellådan är fäst med splines i solhjuet och axeln till kardanaxel och senare drivhjul är fäst i planetbäraren. Det finns två lägen, låg- och högväxel. I lågväxelläget är ringhjulet fixerat och snurrar inte alls. Detta medför att planetbäraren snurrar med en lägre perferihastighet än solhjulet. Vid högväxelläget fixeras ringhjulet istället mot solhjulet, och hela planethjulet snurrar med samma perferihastighet och ger därmed ingen utväxling. Detta uppnås med ett skjutbart drev liknande det vid synkroniseringen som på samma sätt styrs hydrauliskt av en gaffel (se figur 15). Figur 15. Låsning av ringhjul kring solhjul På denna modell är kuggarna rakskurna, men det är vanligare idag med snedskurna kugghjul för att minska oljud. 14
5. Diskussion Detta arbete har varit intressant och roligt att genomföra, samtidigt som det varit svårt att skriva som ett examensarbete då det inte finns någon riktig frågeställning eller tidigare forskning att gå efter. Jag tycker dock att målet är uppnått, även om mer jobb kring detaljer kan göras. Efter genomfört arbete förstår jag verkligen vikten i att ha en modell att kommunicera med då min största hjälp för att förstå funktionen hos växellådans komponenter har varit ett verkligt exemplar och videoklipp på andra isärplockade växellådor. Som jag har förstått det så är den största skillnaden, mellan växellådor i lastbilar och växellådor i personbilar, storleken på de ingående komponenterna samt att en lastbils växellåda har en sista utväxling i form av en planetväxel som kan ge låg- och högväxlar och även att vissa växellådor har en splitfunktion som ger en ytterligare dimension på varvtal- och momentutväxling. 15
16
6. Informationskällor Learn about transmission synchro rings. Publ. 2012-06-20. https://www.youtube.com/watch?v=mxsrfboibhe&list=flifaefvj- 6RYKipi9aUSokA&index=3 [2013-04-15] Manual transmission hot it works synchronizers. Publ. 2011-07-02 https://www.youtube.com/watch?v=mgmxydwmttg [2013-04-15] How a clutch works. Publ. 2012-11-15 https://www.youtube.com/watch?v=jrlpe3ipbsw&list=flifaefvj-6rykipi9ausoka [2013-04-23] http://en.wikipedia.org/wiki/clutch http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/f/f9/automatic_transmission_cut.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/torque_converter 17
18
7. Bilagor Bilaga 1 Sprängskiss av koppling. Bilaga 2 CAD-modell i genomskärning 19