LAB-PM Laboration i Maskinelement Bilväxellåda / Stig Algstrand
Inledning I den här laborationen ska vi gå lite djupare i ämnet maskinelement och ge oss in på något som förmodligen alla har sett i något avseende, men som få ägnat någon större tankeverksamhet före den här kursen. Vi ska titta lite närmare på fenomenet kugghjul, och för att på ett mycket bra sätt få förståelse för kugghjuls typiska användningsområden och funktion tar vi hjälp av en växellåda till en bil. Växellådan i fråga kommer från Volvos gamla modell 140, men representerar mycket väl dagens växellådor till bilar som har motorn fram och bakhjulsdrift. Mellan motorn, som ju är bilens kraftkälla, och bakhjulen sitter det man brukar kalla kraftöverföring. Den består av koppling, växellåda, kardanaxel och bakaxel. Med växellådan kan man variera utväxlingsförhållandet mellan motorns utgående axel och de drivande hjulen. Eftersom en motor bara kan arbeta inom ett ganska begränsat varvtalsregister behöver man flera olika utväxlingsförhållanden för att kunna köra bilen i olika situationer. Man behöver låg utväxling för att få en stark bil vid till exempel start, körning uppför branta backar eller för att dra något tungt. Tyvärr räcker en låg utväxling bara till en låg hastighet, och därför behöver man även hög utväxling för körning på motorväg och liknande. Vad är det då som gör att en bil över huvud taget rör sig framåt? Många lever i den villfarelsen att det är motorns vridmoment som ger en bil bra prestanda på låga varvtal och väljer att kalla det grymt bottendrag eller liknande. Samma skara lever ofta också i tron att vid något visst varvtal är det inte längre vridmomentet som är viktigt utan effekten. 2
Först och främst kan man ju fråga sig vad det är som gör att en bil accelererar. Svaret är att Kraften (F) kommer av att drivhjulen översätter vridmomentet från växellådans utgående axel med hjälp av hjulets radie (r). Naturligtvis spelar däckens friktion en viss roll, men så länge inte däcken spinner loss så kan man räkna med att vridmomentet överförs tillräckligt för att ekvationen ska stämma. Kraften (F) = Hjuets vridmoment (M) Hjulets radie (r) (1) Hastighet (v) = Hjulets varvtal (ω) Hjulets radie (r) (2) Alltså, kraften som ger accelerationen kommer av drivhjulens vridmoment. För att veta hur drivhjulens vridmoment ser ut måste vi börja med att titta på hur motorns vridmoment ser ut. En motors maximala vridmoment (M) vid olika varvtal brukar se ut ungefär som bilden till höger. Motorns vridmoment passerar sedan genom transmissionen, och när den till slut når drivhjulen ser den ut som i figuren nedanför. Varje växel ger varsin momentkurva för drivhjulen. Kurvorna har samma grundform, men är smala och höga för låga växlar, och breda och låga för höga växlar. Momentet på drivhjulen sjunker i samma takt som rotationshastigheten stiger för varje högre växel. M, ω r F, v Som ni säker redan förstått så är diagrammet är från en modernare växellåda. Men det stämmar ändå bra på växellådan vi ska arbeta med. Nu vet vi hur stort vridmoment drivhjulen ger på olika växlar. Då ska vi se hur det är kopplat till accelerationen. Med hjälp av samband (1) och (2) gör vi om diagrammet på nästa sida till att visa hur stor kraft motorn orkar driva bilen framåt med vid olika hastigheter. Den blå kurvan visar en snabb slirstart, full gas och växling vid rätt tillfälle. Med rätt tillfälle avses en punkt där man fortfarande kan utnyttja effekten på den växel man har utan att hamna på en ogynnsam punkt på nästa växels kurva. Den röda kurvan visar de motståndskrafter som bilen utsätts för. Med motståndskrafter menas det sammanlagda motståndet från bl.a. luftmotstånd och 3
rullmotstånd. Accelerationsförmågan vid en viss hastighet ges av skillnaden mellan blå och röd kurva vid aktuell hastighet. Toppfarten infinner sig där de båda kurvorna skär varandra. Det man också kan se i figuren är att motståndet inte ökar linjärt. Det beror på att luftmotståndet ökar kvadratiskt i förhållande till hastigheten. Detta medför att gränsen för toppfarten hos bilar är väldigt svår att höja. Att åstadkomma en skillnad i toppfart på ett tiotal km/h kan kräva en effektökning med flera hundra hästkrafter för en bil som redan rör sig i de snabba regionerna av kurvan. Ambitionen för sådana projekt bör i stället läggas på att göra en bil mer aerodynamisk. Vridmomentet som ger accelerationen är alltså drivhjulens, inte motorns. Drivhjulsmomentet i sin tur är olika för olika växlar. Motorns vridmoment säger därför inte så mycket. Vi vill kunna ange motorns potential oberoende av utväxlingarna i växellådan. Genom att multiplicera vridmomentet och varvtalet får vi en enhet där momentminskningen och hastighetsökningen för varje högre växel tar ut varandra och således blir konstant för alla växlar, bortsett från förluster i form av friktion. Resultatet blir den erforderliga effekten, P. Effekten känns inte i ryggen när man accelererar med det är en bra mätare som anger prestanda oberoende av utväxlingen. Vridmomentet är det som är närmast kopplat till hästsparken man känner när man ger full gas med en stark bil. Det beror på att momentkurvan är mer bottentung än effektkurvan, dvs. att den har brantare lutning för låga varvtal och således ökar snabbare effekten. Därav missförståndet att det är vridmomentet som ger grymt bottendrag. 4
Labförfarande Börja med att orientera växellådan på ett bra sätt, förslagsvis enligt bilden. Skruva sedan för hand bort skruvarna som håller locket på plats. Skruvarna är löst åtdragna så att verktyg inte ska behövas. När du tagit av locket kommer en för många ganska rörig blandning av kugghjul och andra maskinelement att uppenbara sig. I bilden nedan kan du se vad de olika delarna heter. 5
Fundera lite på hur växelspakens rörelser påverkar delarna du kan se i växellådan och försök att lägga i alla växlar. Tänk på att växelspaken är ledad med en kula i locket och re flektera över hur det påverkar vad som händer när man rör växelspaken. Utväxlingen i en kuggväxel kan man beräkna på olika sätt. Enklast är att räkna kuggar hos de kugghjul som är i ingrepp med varandra. I det här fallet blir det dock svårt eftersom vi inte kommer åt att räkna kuggarna på mellanaxeln. Genom att lägga i alla växlar och räkna det ingående respektive utgående varvtalet för varje växel kan man ändå få en väldigt bra uppfattning om utväxlingen. Vi använder samband (3) och uppskattar utväxlingen. Enklaste sättet att praktiskt uppskatta utväxlingen är att man markerar ett startläge på både in- och utgående axel. Rotera nu den ingående axeln och räkna det antal varv den gör tills den utgående axeln har roterat ett varv. Genom att sedan använda samband (3) får man en praktisk uppskattad utväxling. i = ω in ω ut (3) Uppskattade utväxlingar: Ettan:. Tvåan:.... Trean:.... Fyran:.... Backen:.... Verkar det rimligt? Har du hittat rätt bland växlarna? Nu är det dags att börja demontera växellådan på allvar så det är bara att kavla upp eventuella ärmar och ta av sig ringar, klockor, armband och dylikt som kan fastna eller på annat sätt ta skada. Börja med att skruva bort kåpan som täcker skiftstängerna på den utgående axelns sida. Lossa skruvarna som håller skiftgafflarna fast på skiftstängerna men ta det försiktigt så de inte lossnar helt och ramlar ner i lådan. Dra ut skiftstängerna och lyft ur skiftgafflarna. För att hålla ordning på alla detaljer kan du med montera tillbaka skiftgafflarna igen på skiftstängerna och lägga allt i någon typ av ordning på bordet. 6
Skruva nu bort kåpan till den utgående axeln och dra ut allt som går att få med. Det kan hända att lite prylar ramlar av axeln så en bra idé är att även hålla ett grepp om axeln inne i lådan när man tar ur den. När du fått ur allt som går att få ur bör det likna nästa bild. Den ingående axeln ska INTE tas ur! Lägger man växellådans innehåll som bilden visar kan man lättare förstå vilka av den utgående kugghjul som är i ingrepp med mellanaxels kugghjul. I princip kan axlarnas ingrepp illustreras som nästa figur visar. Räkna antal kuggar på hjulen och skriv dessa i rutorna. Eftersom det är lite svårt att se vid den ingående axeln bjuder vi på några kuggtal. 7
Z: 19 Ingående axel Utgående axel Backdrev Z back: Mellanaxel Z: 27 Nu när vi har kuggtalen för alla kugghjul kan vi räkna ut den exakta utväxlingen för varje växel. Använd samband (4) för att beräkna utväxlingarna för varje växel. Gör du rätt ska resultatet bli väldigt likt uppskattningen du gjorde med hjälp av samband (3). Tänk på att du måste beräkna den totala utväxlingen genom växellådan för att resultatet ska likna det uppskattade. i = Z in Z ut (4) Beräknade utväxlingar: Ettan:.. Tvåan:.. Trean:.. Fyran:.. Backen:.. 8
Vid det här laget bör du ha identifierat vilka kugghjul som hör i ihop med de olika växlarna. Ta nu en gradskiva och mät snedvinkeln hos tvåans växelhjul, och ett skjutmått och mät kugghjulets toppdiameter. Snedvinkeln β. grader Toppdiameter d at =.. mm Beräkna nu modulen med hjälp av samband (5) hos tvåans växelhjul. Sätt profilförskjutningen x = 0. Det är OK att avrunda vinkeln till en som är lätt att räkna cosinus med! d at = ( Z cos (β) + 2x + 2) m (5) Modulen beräknat m =...... mm Kuggar tillverkas normalt sett bara i någon av de standardiserade modulerna som finns. Med tanke på mätfel, vilken modul är det troligas att denna växellåda har? Modulen tabell =... mm Modul [mm] Preferens 1 0,5 0,6 0,8 1 1,25 1,5 2 2,5 3 4 m.fl Preferens 2 0,55 0,7 0,9 1,125 1,375 1,75 2,25 2,75 3,5 4,5 m.fl Förutom kugghjul sitter det diverse andra delar på axeln. Det finns synkroniseringsnav, synkroniseringsmuffar och synkroniseringsringar. Se bilderna på nästa sida. Direkt på axeln sitter synkroniseringsnaven fast med bomförband. De är de enda delar som är fast monterade på axeln. Utanpå dessa sitter synkroniseringsmuffarna även de sitter med ett bomförband. Detta förband är emellertid utformat så att muffarna går att skjuta i axiell riktning. Om du ser till att en synkroniseringsmuff befinner sig mitt emellan två kugghjul och sedan provar att snurra på kugghjulen märker du att de sitter fritt på axeln och kan roteras i valfri riktning. Om du sedan för muffen mot ett av kugghjulen kommer muffens invändiga tänder att skapa ett förband mellan kugghjulet och synkroniseringsnavet. På så sätt väljer man helt enkelt vilket kugghjul på utgående axeln som ska låsas mot mellanaxeln, och vilken väg man vill leda kraften genom växellådan. Eftersom de olika kugghjulen har olika utväxling kommer de naturligtvis rotera med olika hastighet. Varje synkroniseringsmuff har till uppgift att kunna låsa två kugghjul mot axeln, låt säga ettans och tvåans. Om muffen först är kopplad till ettans kugghjul har den samma rotationshastighet, men när man vid växling flyttar muffen mot tvåans kugghjul, som ju har en annan hastighet, kommer synkroniseringsmuffen och tvåans kugghjul att mötas med olika rotationshastighet. 9
Detta kommer att leda till att ingreppet blir våldsamt, med stora krafter som följd. För att spara växellådan har man placerat synkroniseringsringar mellan synkroniseringsnaven och kugghjulen. Tanken med dessa är att muffen inte ska kunna glida hela vägen vid växling. På sin väg mot nästa växel ska muffen fånga upp synkroniseringsringen som sedan utför sitt magiska trick, själva synkroniseringen, och sedan låter muffen glida vidare och slutföra växlingen. Det som händer under själva synkroniseringsförloppet är att nästa växels rotationshastighet synkroniseras med muffens, så att de har samma hastighet när muffen sedan skjuts vidare. 10
När växeln väl är ilagd och man släpper upp kopplingen och gasar, är det synkroniseringsmuffen som överför hela vridmomentet från den aktuella växelns kugghjul till synkroniseringsnavet, och i och med det till den utgående axeln. Om man under körning plötsligt skulle få idén att lägga ur växeln skulle man få problem med att lyckas. Varför då? Sitter bilens koppling före eller efter växellådan? Varför sitter den där och inte på det andra stället? Samband (1) och (2) kan vara värda att ha i åtanke! När man backar med en bil låter växellådan lite annorlunda än när man kör framåt. Det liksom tjuter lite om den. Varför är det så? Montera nu ihop växellådan igen men sätt INTE på locket. Lägg i två växlar samtidigt och försök sedan rotera den ingående axeln. Som du märker är det tvärstopp. Om man istället för handkraft hade lagt på motorns vridmoment på den ingående axeln kan du ju tänka dig hur det skulle sluta. Någonting skulle absolut gå sönder! I växellådelocket som handledarna har finns en detalj för att förhindra att man av misstag lägger i två växlar samtidigt. Hur tror du den är tänkt att fungera? Låt någon av assistenterna kontrollera växellådan INNAN du skruvar tillbaka locket! 11
Vi på Maskinkonstruktion hoppas att du har haft lärorik och intressant laboration och att den gett dig förståelse, insyn och känsla för vad som sker i en manuell bilväxellåda då Du rör på växelspaken. Namn:. Pers.nr:.. Avslutning Laborationen är nu slut, om du har gjort alla momenten är du godkänd och assistenten signerar här:...... (Datum) (Godkänd av laborationsassistent) Spara detta som kvitto på att du har gjort laborationen! 12