ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ

(7Ο ΕΞΑΜΗΝΟ)

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ - ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ

Νίκος Μ. ΚατσουλάκοςΜηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., PhD, Msc

ΚΙΒΩΤΙΑ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ (ΚΑΙ ΑΛΛΑ

ΔΑΙΜΟΝΙΑ…)

Ισχύς - Ροπή

Στην περίπτωση του κινητήρα ενός αυτοκινήτου η σχέση που συνδέει τη ροπή με τηνισχύ είναι (ροπή στο στροφαλοφόρο άξονα):

𝑀 = 716,2 ∙𝐿

𝑛

Οι πραγματικές τιμές για την ισχύ και τη ροπή, συναρτήσει των στροφών τουκινητήρα, δίνονται από τους κατασκευαστές σε διαγράμματος ισχύος – ροπής -στροφών

Ισχύς - Ροπή

Φαίνεται καθαρά από το διάγραμμα ότι η ισχύς και η ροπή έχουν μέγιστες τιμές σεορισμένες στροφές

Κατά κανόνα, οι στροφές της μέγιστης ισχύος δε συμπίπτουν με αυτές της μέγιστηςροπής (που είναι σημαντικά χαμηλότερες)

Τα δύο μεγέθη είναι αλληλοεξαρτώμενα αλλά όχι ταυτόσημα

Σε γενικές γραμμές, η ροπή δείχνει τι μπορεί να κάνει ο κινητήρας σε μια ορισμένηχρονική στιγμή, ενώ η ισχύς εκφράζει πόσο γρήγορα μπορεί να επιτελέσει έναορισμένο έργο

Πρακτικά, η ισχύς αποτελεί ένα μέτρο για το πόσο γρήγορο είναι ένα όχημα, ενώ ηροπή δείχνει το πόσο άνετα μπορεί να αντιμετωπίσει διάφορες αντιστάσεις(ανηφόρα, ανάγκη άμεσης επιτάχυνσης, φορτίο κλπ.)

Έτσι, ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο χρειάζεται κινητήρα με μεγάλη ισχύ, ενώ έναφορτηγό κινητήρα με μεγάλη ροπή

Εκτός από τις μέγιστες τιμές των μεγεθών, ιδιαίτερη σημασία έχει και η κατανομήτους στο φάσμα των στροφών

Εισαγωγικά περί κιβωτίων

Έγινε γρήγορα αντιληπτό ότι ανάμεσα στον κινητήρα του αυτοκινήτου και τουςτροχούς έπρεπε να παρεμβληθεί ένα σύστημα οδοντωτών τροχών, ώστε να είναιδυνατή η προσαρμογή της ροπής στρέψης στις ανάγκες κίνησης, μέσωαυξομειώσεων στις στροφές του κινητήρα

Ένας κινητήρας βενζίνης αποδίδει μέγιστη ροπή στην περιοχή των 4.000 rpm καιένας πετρελαιοκινητήρας στην περιοχή των 1.500 rpm. Προφανώς, με ένα μόνοζεύγος τροχών η μεγάλη κλίμακα σχέσεων ροπών – στροφών που απαιτούν οιμετακινήσεις δε θα ήταν πραγματοποιήσιμη

Γι’ αυτό σε ένα κιβώτιο τοποθετούνται περισσότερα ζεύγη τροχών, ώστε ναυπάρχουν πολλές σχέσεις μετάδοσης και να επιτυγχάνονται τα επιθυμητάαποτελέσματα

Επίσης, πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα αποσύμπλεξης του κινητήρα από τουςτροχούς καθώς και αλλαγής της φοράς περιστροφής

Το πρώτο κιβώτιο ταχυτήτων κατασκευάστηκε το 1890 στη Γαλλία από τους Panhardκαι Levassor, οι βασικές αρχές του οποίου δεν διαφέρουν κατά πολύ από τασύγχρονα κιβώτια

Διάγραμμα ταχύτητας – στροφών/ ροπής – στροφών για 4-τάχυτο κιβώτιο

Κιβώτιο ταχυτήτων τριών αξόνων με ολισθαίνοντεςτροχούς

Πρωτεύων άξονας: Ο άξονας αυτός παίρνει κίνηση από τον κινητήρα, έχοντας τοένα του άκρο έξω από το κιβώτιο, το οποίο στηρίζεται στο έδρανο στο κέντρο τουσφονδύλου του κινητήρα. Το άλλο άκρο του βρίσκεται μέσα στο κιβώτιο καικαταλήγει σε οδοντωτό τροχό (πινιόν)

Δευτερεύων άξονας: Αποτελεί προέκταση του πρωτεύοντος άξονα. Στηρίζεται στοέδρανο που βρίσκεται στο κέντρο του πινιόν. Επίσης, στηρίζεται σε ρουλεμάν στοκέλυφος του κιβωτίου και εξέρχεται από αυτό καταλήγοντας σε σταυρό, ο οποίοςμεταφέρει την κίνηση στον άξονα μετάδοσης κίνησης. Με τη βοήθεια ενός διχάλουο δεξιά ευρισκόμενος τροχός (Z4, Σχήμα 1) μπορεί να ολισθαίνει στον άξονα. Ότανμετακινηθεί προς τα αριστερά εμπλέκεται με τον Ζ3 τροχό του ενδιάμεσου άξονα.Για την πρώτη ταχύτητα εμπλέκονται οι τροχοί Ζ1, Ζ2, Ζ3, Ζ4 και σχηματίζεται μιασημαντική σχέση μετάδοσης.

Ενδιάμεσος άξονας: Δε συνδέεται με άλλα μέρη του συστήματος και χρησιμεύειμόνο για στήριγμα του πολλαπλού οδοντωτού τροχού του. Ο πολλαπλός αυτόςτροχός είναι ένα ολόσωμο χαλύβδινο κομμάτι επάνω στο οποίο σχηματίζονταιτέσσερις ή και παραπάνω τροχοί με διάφορες διαμέτρους. Ο πρώτος κινείται απότον πρωτεύοντα, ενώ οι άλλοι μεταφέρουν κίνηση στο δευτερεύοντα με μειωμένησχέση μετάδοσης

Κιβώτια με λοξούς οδοντωτούς τροχούς μόνιμης εμπλοκής

Στα κιβώτια αυτά οι οδοντωτοί τροχοί του δευτερεύοντος άξονα εμπλέκονταιμόνιμα με τους τροχούς του ενδιάμεσου άξονα και στρέφονται ελεύθερα στοδευτερεύοντα

Όταν απαιτείται μια ταχύτητα, τότε ο οδοντωτός τροχός σταθεροποιείται στοδευτερεύοντα με σύστημα εμπλοκής που φέρει συνδετικούς δακτυλίους μεοδοντώσεις (dogs)

Και στις δύο προηγούμενες περιπτώσεις, τα κιβώτια ταχυτήτωνπαρουσιάζουν ως βασικό πρόβλημα την ανάγκη εμπλοκής δύοοδοντωτών τροχών με όσο το δυνατόν παρόμοιου μεγέθους γωνιακέςταχύτητες

Συγχρονιζέ κιβώτια ταχυτήτων

Στους οδοντωτούς τροχούς του δευτερεύοντος άξονα και στο πινιόν του πρωτεύοντος υπάρχουνενσωματωμένοι κώνοι συγχρονισμού και περιφερειακές οδοντώσεις εμπλοκής, σε συνδυασμό μεσυγχρονιστές (κόμπλερ) και δακτυλίους συγχρονισμού

Βασικά χαρακτηριστικά:

Οι οδοντωτοί τροχοί του δευτερεύοντος άξονα είναι με λοξά δόντια, περιστρέφονταιελεύθερα μέσω δακτυλίων και εμπλέκονται μόνιμα με τους οδοντωτούς τροχούς τουενδιάμεσου άξονα

Όταν επιλέγεται κάποια ταχύτητα, οι οδοντωτοί τροχοί του δευτερεύοντος άξονασταθεροποιούνται στον άξονά τους με το σύστημα συγχρονισμού, αφού πρώτα εξισωθούν οιγωνιακές ταχύτητες οδοντωτών τροχών και συγχρονιστή

Συνήθεις σχέσεις μετάδοσης

ΦΟΡΤΗΓΟ ΜΕ 5 ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΚΑΙ OVERDRIVE

1η: 5 έως 6 2η: 3 έως 4 3η: 1,5 έως 2 4η: 1 5η: 0,65 έως 0,5 Όπισθεν: 5 έως 6

ΕΠΙΒΑΤΗΓΟ ΜΕ 5 ΤΑΧΥΤΗΤΕΣ ΚΑΙ OVERDRIVE

1η: 3,4 έως 4 2η: 2 έως 2,5 3η: 1,5 έως 1,9 4η: 1 5η: 0,85 έως 6 Όπισθεν: 3 έως 4

Βοηθητικά κιβώτια ταχυτήτων/ κιβώτια διανομής

Όταν η μέγιστη συνολική σχέση μετάδοσης που μπορούν να εξασφαλίσουν το κιβώτιοκαι το διαφορικό είναι ανεπαρκής (βαριά φορτηγά, ρυμουλκά κ.ο.κ.), τότε ανάμεσα στοκιβώτιο ταχυτήτων και την άτρακτο παρεμβάλλεται ένας βοηθητικός μηχανισμός, τοκιβώτιο βοηθητικής ταχύτητας.

Συνήθως, το βοηθητικό κιβώτιο είναι ένα απλουστευμένο κιβώτιο ταχυτήτων χωρίςσυγχρονισμό, με πρωτεύοντα, δευτερεύοντα και ενδιάμεσο άξονα.

Η σχέση μετάδοσης στο βοηθητικό κιβώτιο είναι στις περισσότερες περιπτώσεις από1,5 έως 2

Φθορές – Βλάβες - Συντήρηση

Τα κιβώτια ταχυτήτων δεν παρουσιάζουν συχνά βλάβες

Κατά βάση πρέπει να αναπληρώνονται τακτικά τα λιπαντικά του συστήματος

Πρέπει να γίνεται δοκιμή οδήγησης σε επίπεδο έδαφος για να διαπιστωθεί εάνυπάρχει κακή λειτουργία στο κιβώτιο ταχυτήτων. Πρέπει να εμπλέκονται σωστάόλες οι ταχύτητες και ο κινητήρας να κινεί φυσιολογικά το όχημα.

Εάν διαπιστωθεί πρόβλημα και χρειάζεται αποσυναρμολόγηση του κιβωτίου,πρέπει πρώτα να αφαιρεθεί το λάδι και κατόπιν με κάποιο διαλύτη, όπως βενζίνηνα πλυθεί καλά το κιβώτιο για να είναι δυνατή η καλή οπτική επιθεώρηση τωντμημάτων του

Βασικό σημείο ελέγχου είναι η κατάσταση των δοντιών και των κώνωνσυγχρονισμού. Όλα τα δόντια πρέπει να είναι ακέραια, λεία και καθαρά. Δενπρέπει να παρουσιάζονται απολεπίσεις/ ρωγμές ή ίχνη υπερθέρμανσης (διαφοράστο χρώμα)

Εάν ο οπτικός έλεγχος δεν εντοπίσει προβλήματα, επιβάλλεται η περαιτέρωαποσυναρμολόγηση του κιβωτίου. Εάν εντοπιστούν σπασμένα ή φθαρμέναεξαρτήματα πρέπει να αντικαθίστανται και όχι να επισκευάζονται