В тишине и быстро: как и зачем менять шестерни в механической коробке

Было время, когда автолюбителям для комфортного передвижения вполне хватало три передачи вперёд в механической коробке передач. Но потом их появилось четыре, а сейчас меньше пяти уже не бывает. И всё же их тоже иногда бывает мало.

История болезни

К оробка передач – это компромисс чистой воды. Задача её проста: заставлять автомобиль двигаться на любой скорости при оптимальных оборотах двигателя, на которых он развивает максимальные (или хотя бы достаточные) крутящий момент и мощность. Подробно об устройстве МКП мы уже писали и приводили даже видеопримеры, говорили в деталях и о влиянии мощности и момента на скорость перемещения автомобиля, так что на основах останавливаться не будем.

Зато скажем пару слов о «коротких» и «длинных» передачах. Чем передача «короче», тем у нее больше передаточное отношение, ниже скорость вращения колес машины и выше крутящий момент. «Длинные» передачи – это, наоборот, когда передаточное число маленькое, скорость вращения колес высокая, а крутящий момент – низкий.

Что же касается способности автомобиля долго разгоняться на одной передаче – это вопрос не «длины» передач, а эластичности двигателя, его способности эффективно работать на разных оборотах. Так что, если прочитаете в очередном «автообзоре» нечто вроде «у машины длинные передачи, можно долго не переключаться», знайте – это безграмотная ерунда. Но вернемся к теме статьи – замене шестерен в КПП.

Бывает еще, что «короткими» и «длинными» называют КПП в целом. Если коробка «короткая», то передаточные отношения в ней подобраны так, чтобы развивался большой крутящий момент, а не скорость. С такой коробкой даже на 5-й передаче при скорости «за 100» мотор будет неприятно «орать» на высоких оборотах. Такие коробки в основном характерны для коммерческой техники, которой важно уметь тянуть побольше груза, а не ставить рекорды скорости на трассе.

Если машина с «короткой» коробкой эксплуатируется не только в городе и с грузом, но и на трассе, у владельца быстро наступает разочарование: скорость мы набираем быстро, но максималка получается весьма ограниченной. Хорошо, если передач шесть или даже восемь, их можно потихонечку перебирать и разгоняться до приличной крейсерской скорости в 120-130 км/ч без попыток крутить мотор до 4,5-5 тысяч об/мин. К сожалению, чем больше предач – тем коробка больше и тяжелее. И не всегда есть смысл ставить её в небольшой автомобиль.

Эта проблема хорошо известна владельцам Лады Ларгус. На Ларгусах в зависимости от модификации могут стоять коробки JH 3 или три модификации коробки GR 5. Все они имеют разные передаточные числа, причём самые «медленные» коробки стоят на фургонах и семиместных автомобилях с мотором K 7 M : во-первых, грузовику набирать скорость тяжелее всех, а во-вторых, восьмиклапанный К7М всё-таки слабоват для семиместного автомобиля.

Но и другие модификации вызывают много вопросов. Например, наш подопытный семиместный Ларгус под капотом прячет К4М и чисто теоретически имеет длинную пятую передачу (по сравнению с другими модификациями). Но его владелец не слишком доволен коробкой: при скорости 120 км/ч обороты двигателя не падают ниже 4 тысяч, а это для не слишком оборотистого, но тяговитого и шумного мотора много, даже слишком много.

Первые владельцы Ларгусов в шутку (а может, и всерьёз) думали над тем, какую коробку можно воткнуть в автомобиль, чтобы на трассе не сходить с ума от больших оборотов ДВС и иметь возможность иногда нарушать скоростной режим. На самом деле, коробку менять необязательно. Уже давно в продаже есть комплекты шестерён пятой передачи, которые можно установить вместо штатных. И тогда машина поедет нормально. Проверим?

Что понадобится?

На первый взгляд, работа кажется сложной. Копание в коробке передач – работа не для слабаков. Но на самом деле всё гораздо проще, коробку даже не придётся снимать. И при большом желании и определённом терпении можно всё сделать даже самостоятельно. Допустим, Ларгус, желание и терпение есть. Что потребуется ещё?

Во-первых, придётся купить комплект для замены. Туда входят не только две шестерёнки. Ещё должны быть стопорная шайба, штифт, гайка и болт под «звёздочку». Мы всё это купим в компании «Логан-Шоп СПб» и отдадим за это 7 150 рублей.

Для снятия шестерён нужен специнструмент, который можно купить у официального дилера. Стоит он около 20 тысяч. В «Логан-Шопе» он есть, тут он без дела не лежит. Но для выполнения разовой работы в гараже покупать такие дорогие съёмники, конечно же, смысла нет. Поэтому и мы обойдёмся без них. Во-первых, так будет нагляднее, во-вторых, сервисный фирменный инструмент весьма далёк от идеала. Разумеется, нам нужен будет набор головок, причём одна из них довольно большая – на 27, баллонный для снятия колеса, и, разумеется, подъёмник. При очень большом желании можно справиться и без него, но надо будет придумать, как вывесить машину, просто ямой тут не обойтись.

Придётся использовать ещё выколотку, отвёртки, молоток и кое-что ещё, с чем мы встретимся по ходу повествования. Так как способы что-то снять или открутить бывают разные, то кто-то попросит другой инструмент или откажется от нашего. Поэтому мы показываем лишь способ, которым действовал наш мастер Алексей Телешов. Может, вы сможете сделать что-то иначе, главное – чтобы всё потом работало. Ну-с, приступаем.

С помощью молотков и обсценной лексики

Работу начинаем с простой операции – сливаем масло с КПП. О том, как это сделать, мы подробно рассказывали не так давно. Поэтому повторим очень коротко: снимаем воздушный патрубок, чтобы открыть доступ к заливной пробке, поднимаем машину на подъёмнике, снимаем защиту, выкручиваем сливную пробку, сливаем масло в пустую ёмкость. Если потом хочется залить это же масло обратно (а в этом есть определённый смысл, о котором речь пойдёт в самом конце), то ёмкость должна быть чистой.

Читать еще: Какая родная резина на ниве

Теперь снимаем левое переднее колесо. Это несложно, так же, как и снять локер, повернув «барашек» за снятым колесом слева вверху. Отгибаем локер в сторону и фиксируем его на бампере, чтобы он не мешал работать дальше. Затем откручиваем два болта, которые держат усилитель подрамника (его найти очень просто – это та железка, которая не даёт подобраться к крышке КПП).

Что такое модуль зубчатого колеса

Современные шестерни далеко ушли от своих деревянных шестизубых предков, изготавливаемых механиками с помощью воображения и мерной веревочки. Конструкция передач намного усложнилась, тысячекратно возросли скорость вращения и усилия, передаваемые через такие передачи. В связи с этим усложнились и методы их конструирования. Каждую шестеренку характеризует несколько основных параметров

диаметр;
число зубьев;
шаг;
высота зубца;
и некоторые другие.

Одним из самых универсальных характеристик является модуль зубчатого колеса. Существует для подвида — основной и торцевой.

В большинстве расчетов используется основной. Он рассчитывается применительно к делительной окружности и служит одним из важнейших параметров.

Для расчета этого параметра применяют следующие формулы:

Параметры зубчатых колес

Модуль зубчатого колеса можно рассчитать и следующим образом:

где h — высота зубца.

где De — диаметр окружности выступов,а z — число зубьев.

Что же такое модуль шестерни?

это универсальная характеристика зубчатого колеса, связывающая воедино такие его важнейшие параметры, как шаг, высота зуба, число зубов и диаметр окружности выступов. Эта характеристика участвует во всех расчетах, связанных с конструированием систем передач.

Зубчатая рейка

Зубчатая рейка является частью зубчатого колеса с бесконечным радиусом делительной окружности. Вследствие этого ее окружности представляют собой прямые параллельные линии. Эвольвентный профиль зубчатой рейки тоже имеет прямолинейное очертание. Это свойство эвольвенты является наиболее важным при изготовлении зубчатых колёс. Передачу с применением зубчатой планки (рейки) называют – реечная передача (кремальера), она используется для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот. Состоит передача из зубчатой рейки и прямозубого зубчатого колеса (шестеренки). Применяется такая передача в зубчатой железной дороге.

Исходные данные и замеры

На практике перед инженерами часто встает задача определения модуля реально существующей шестерни для ее ремонта или замены. При этом случается и так, что конструкторской документации на эту деталь, как и на весь механизм, в который она входит, обнаружить не удается.

Самый простой метод — метод обкатки. Берут шестерню, для которой характеристики известны. Вставляют ее в зубья тестируемой детали и пробуют обкатать вокруг. Если пара вошла в зацепление — значит их шаг совпадает. Если нет — продолжают подбор. Для косозубой выбирают подходящую по шагу фрезу.

Такой эмпирический метод неплохо срабатывает для зубчатых колес малых размеров.

Для крупных, весящих десятки, а то и сотни килограмм, такой способ физически нереализуем.

Результаты расчетов

Для более крупных потребуются измерения и вычисления.

Как известно, модуль равен диаметру окружности выступов, отнесенному к числу зубов плюс два:

Последовательность действий следующая:

измерить диаметр штангенциркулем;
сосчитать зубцы;
разделить диаметр на z+2;
округлить результат до ближайшего целого числа.

Зубец колеса и его параметры

Данный метод подходит как для прямозубых колес, так и для косозубых.

При нарезании метчиков с учетом усадки стали после последующей термической обработки или с учетом деформации винта вследствие нагревания при механической обработке, процент усадки или расширения непосредственно указывает на необходимое относительное отклонение в передаточном отношении сравнительно с тем, какое получилось бы без учета этих факторов. В этом случае относительное отклонение передаточного отношения в плюс или минус является уже не ошибкой, а преднамеренным отклонением.

Настройка делительных цепей. Типичная формула настройки

где р — постоянная;

z — число зубьев или других делений на один оборот заготовки.

Нормальный комплект из 35 колес обеспечивает абсолютно точную настройку до 100 делений, так как в числах зубьев колес содержатся все простые множители до 100. В такой настройке погрешность вообще недопустима, так как она равна:

где Δl — отклонение линии зуба на ширине заготовки В в мм;

пD — длина начальной окружности или соответствующей другой окружности изделия в мм;

s — подача вдоль оси заготовки на один ее оборот в мм.

Только в грубых случаях эта погрешность может не играть роли.

Модуль конической шестерни

Этот тип зубчатых колес имеет различные разновидности, которые между собой отличаются конфигурацией линий зубцов: прямые, криволинейные, тангенциальные, круговые элементы. Подобные детали используются в агрегатах для трансформации движения механизма посредством передачи эффекта движения с одного на другой вал. К примеру, в дифференциалах автомобилей при трансформации крутящего момента с силового агрегата на колеса.

Конические шестерни по модулю и количеству зубьев подразделяются следующим образом:

Рейковая конструкция отличается бесконечным радиусом делительной части окружности. В результате такие элементы представляют собой параллельные линии с эвольвентным профилем. Эта характеристика максимально важна при производстве зубчатых колес. С рейкой передача называется реечной либо кремальерой. Этот вид применяется для трансформации оборотов в поступательное вращение и наоборот. Основная сфера применения — железнодорожный транспорт.
Колесо типа звезда. Оно используется в большинстве цепных передач, что позволяет совмещать ее с гибкой деталью, служащей для передачи механического воздействия.
Диаметр шестерни по количеству зубьев и модули в коронном исполнении — особый вид рабочих колес. Зубцы в этой версии располагаются непосредственно на боковой поверхности. Эта деталь функционирует в агрегации с прямозубым или барабанным аналогом, включающим в конструкцию специальные стержни. Подобный узел используется в механизмах башенных часов.

Материалы изготовления

Зубчатая передача используется в механизмах с различной нагрузкой, от совсем мизерной, к примеру, в наручных часах, до многотонной в промышленных редукторах.

Можно встретить шестерни из различных материалов:

Сталь.
Титан.
Алюминий.
Медь.
Латунь.
пластик.
Дерево.

Стальные и титановые отличаются высокой стойкостью к истиранию. Их зубцы выдерживают большие нагрузки. Они используются в механизмах с высокой скоростью оборотов или повышенной силой противодействия, поэтому для увеличения срока службы требуют применения смазочных материалов. Они способны работать в системах, где периодически происходит торможение массивных раскрученных элементов, так как их зубья устойчивы к динамическому воздействию.

Шестеренки из цветных металлов отличаются меньшей прочностью, однако обладают коррозионной стойкостью. Их часто применяют в механизмах с сухой сцепкой, без использования смазки. Нужно отметить, что взаимодействие шестерен из цветных металлов исключает образование искры. Это позволяет применять такие детали во взрывоопасной газовой среде.

Пластиковые зубчатки отличаются низкой прочностью. Они не предназначены на длительную работу на высоких оборотах, так как при нагреве в результате трения начинают плавиться. Их часто используют в механизмах игрушек, принтеров, блендеров, миксеров, а также прочей кухонной и бытовой технике. При заклинивании отдельных элементов зубчатой передачи зубцы на остальных пластиковых шестернях могут срываться, в результате чего механизм приходит в негодность.

Также можно встретить деревянные зубчатки. Такие шестерни не отличаются высокой прочностью, особенно в малых размерах. Их можно встретить в механизме старинных водяных и ветровых мельниц. Сейчас же они представлены в виде демонстрационных моделей зубчатой передачи, а также деревянных конструкторах.

Виды шестерен

Шестерни могут отличаться между собой не только по материалу изготовления, но и по другим параметрам:

Размеру.
Форме.
Глубине и направлению зубьев.

Основание зубчатки может быть цилиндрическим, коническим или прямым. Кроме этого, зубцы могут располагаться по внешней или внутренней кромке. Они бывают прямыми, скошенными, или иметь другую форму.

В зависимости от тех или иных составляющих, их можно разделить на следующие виды:

Прямозубые.
Косозубые.
С внутренним зацеплением.
Винтовые.
Секторные.
С круговыми зубьями.
Конические.
зубчатые рейки.
Звездочки.
Корончатые.

Прямозубые

Это наиболее распространенная и простая в производстве шестерня. Она представляет собой круглый профиль, зубцы которого располагаются по окружности и являются строго параллельными относительно оси вращения. Их изготовление возможно как методом фрезерования, так и отливки в форму. Особенность прямозубых шестеренок в том, что они могут передавать крутящий момент только на элементы расположенные относительно них параллельно в одной плоскости. Такой способ передачи обеспечивает самый высокий КПД, так как люфты и трение при стыковке элементов получаются минимальными. Кроме этого прямозубая стыковка сопровождается сравнительно меньшим давлением на зубья. Работа механизма сопровождается меньшим нагревом.

Косозубые шестерни

Зубчатые колеса этого типа имеют зубцы расположенные под уклоном. За счет этого они получаются более длинными. Это способствует возможности увеличения на них нагрузки. Они работают менее шумно, кроме этого отличаются плавностью.

Увеличенная ширина зубцов сопровождается повышенным трением. Как следствие такая деталь нагревается больше. Для предотвращения потери ее прочностных характеристик, требуется использование улучшенной системы смазки.

Косозубое колесо используют в механизмах, где требуется передача мощного крутящего момента с высокими оборотами. В силу смещенного направления усилия относительно посадочного вала такой зубчатки, при ее установке желательно применение упорных подшипников. Они препятствуют расхождению между сцепленными косыми шестернями, которые стремятся при вращении рассоединяться, так как каждый из них склонен к отклонению в разные стороны относительно друг друга.

С внутренним зацеплением

В более сложных механизмах используются шестеренки с зубьями расположенными по внутренней окружности. Их применение дает возможность обеспечить одинаковое направление вращения ведущего и ведомого вала. Это позволяет отказываться от дополнительных зубчаток, тем самым уменьшая габариты механизма. Такой технический прием можно встретить в конструкции насосов, а также в планетарной передаче. Производятся и действительно большие зубчатки с внутренним зацеплением, которые обеспечивают вращение поворотных механизмов кабины кранов и прочей землеройной, а также строительной техники.

Винтовые

Это легко угадываемые по форме профиля шестерни. Они имеют вид длинного цилиндра. Их зубья сделаны под винт, оборачиваемый вдоль цилиндра. Обычно такая зубчатка представляет собой вал с зубцами, а не диск как остальные.

Она используется для передачи крутящего момента на другую шестерню, расположенную относительно нее перпендикулярно. Причем сам узел примыкания получается достаточно компактным. Такая пара передает крутящий момент с понижающим или повышающим передаточным числом, поэтому ее часто можно встретить в конструкции редукторов.

Секторные

Это шестерня, зубья на которой нанесены не по всей окружности, а только частично на ширину сектора. За счет этого при сцеплении она делает неполный оборот, а только его часть, пока хватает зацепов. Обычно она используется в механизмах как ведущий элемент. Вращаясь на валу, она достигнув ответной шестерни цепляет ее и проворачивает на часть оборота. После прохождения ее зубцов, она вращается дальше, но последующая часть механизма останавливается до момента повторного примыкания зубцов. Таким образом, происходит шаговая передача крутящего момента.

Используя секторную шестерню можно обеспечить работу рывками от источника постоянного вращения. Это требуется для различного фасовочного оборудования на конвейерах и подобных устройствах.

С круговыми зубьями

Они имеют скругленные зубья, то есть с изгибом по радиусу. За счет этого они могут работать с увеличенной нагрузкой. Такие колеса обладают плавным ходом. Их недостаток в снижении КПД, зато они очень тихие.

Производство данных шестерен сложное, поэтому они применяются не так часто. Их стоимость выше, чем нескольких упрощенных зубчаток, решающих аналогичную задачу. Их применяют, если требуется добиться максимальной компактности и при этом низкого уровня шума готового механизма.

Конические

Такие шестерни могут передавать крутящий момент на валы, которые располагаются друг к другу под прямым углом. Их зубья могут быть прямыми, косыми, скругленными или тангенциальными. Это один из самых распространенных элементов. Его можно встретить в конструкции редукторов и дифференциала автомобиля. Такие зубчатки имеют зубья обычно только по наружной окружности. Коническая зубчатая пара состоит из элементов с разным количеством зубьев. В результате этого на таком узле происходит повышение или понижение передаточного числа.

Зубчатые рейки

Это элемент реечной передачи. Он представляет собой рейку с зубьями, предназначенную для стыковки с ответными шестернями. Такая пара позволяет превращать вращательное движение в поступательное, или же наоборот. Рейки бывают различной длины. Нередко они работают в сочетании с секторной зубчаткой, что обеспечивает выполнение возвратно-поступательных движений.

Звездочки

Это шестерни, предназначенные для соединения с роликовой цепью. Они применяются для передачи крутящего момента между элементами расположенными на расстоянии друг от друга. За счет разницы диаметра звездочек, и разного числа зубцов, при вращении такой пары происходит увеличение или понижение передаточного числа на ведомом элементе.

Также возможна работа звездочек посредством установки зубчатого ремня из резины или полимера Такое техническое решение сопровождает отсутствием необходимости выполнения смазки, а также понижением шума при оборотах. Однако ремень склонен к проскальзыванию под нагрузкой, так как способен растягиваться.

Корончатые

Это достаточно редкие шестерни, которые сложно спутать с любыми другими. Они отличаются тем, что зубья на них располагаются сбоку. За счет этого внешне они похожи на корону. Их применяют в сцепки с прямозубым колесом. Они не рассчитаны на большие нагрузки, и используются сугубо в силу необходимости корректировки формы механизма передачи, в случае необходимости его размещения в стесненный корпус или короб. Увидеть такие шестеренки можно в старинных башенных часах.

Зубчатые колеса

Зубчатые колеса являются основными комплектующими элементами множества машин и механизмов. Представляют собой шестерни выполненные в форме дисков с характерными для них нарезными зубьями. Построение зубчатого колеса предполагает наличие отверстия в центральной части для лучшего крепления к валу, с помощью шпилевого или шпоночного соединения.

Устройства предназначены для передачи вращательного движения между двумя валами посредством зацепления. Используются в качестве составной части зубчатой передачи в самых различных простых и сложных механизмах машиностроительной, судостроительной, пищевой, горнодобывающей промышленности, а также при изготовлении автомобильных КПП, подъемных кранов, буровых установок, насосов и других механизмов.

Принцип действия

Как правило, зубчатые колеса работают парами с малым и большим колесом. Основной принцип работы заключается в том, что конструктивный элемент передает и получает энергию от вала. Поэтому, различают ведомые и ведущие колеса. Передаваемый момент вращения увеличивается из-за пропорционального сокращения скорости вращения. Это происходит при меньшем диаметре ведущего элемента. А большое наращивание крутящего момента может привести к уменьшению угловой скорости шестерни ведомого типа. Но при таких условиях механическая мощность остается неизменна.

Следует выделить такое важное свойство зубчатых колес, как способность зацепляться с любым устройством, в котором тоже есть зубья. Это могут быть зубчатые рейки и другие не вращающиеся устройства. Самая распространенная схема такой работы — вращение одного компонента вызывает вращение другого.

Классификация

Существует огромное количество разновидностей зубчатых колес. В зависимости от области использования, изготавливаются из различных материалов, имеют разницу в форме и используемой технологии при производстве.

Конструктивное разнообразие зубчатых колес

В зависимости от потребностей, конструктивного исполнения и специфики производства, зубчатые колеса разделяются на следующие виды:

А. Прямозубые колеса. Обеспечивают передачу вращательного момента между параллельно расположенными валами при окружных скоростях, большой твердости зубьев, в открытых и планетарных передачах. Самый часто используемый вид. Другое название — шестерня. Линия зубьев прямая и расположена параллельно осям вращения. Подходят для использования в большинстве механизмов. Просты в производстве, использовании и поэтому наиболее популярны.

В. Косозубые колеса. Относятся к составной части многих сложных механизмов различного назначения. Проекция зубцов относительно плоскости колеса лежит под заданным проектом углом. Зубцы изгибаются по радиусу согласно ГОСТу, или конструкция задается заказчиком.

Используются в большом количестве разнообразных механизмов, в случае если нельзя подобрать цилиндрическую прямозубую пару со стандартным модулем. Зубья имеют небольшой наклоном (порядка 30-60 градусов) к оси вращения. За счет этого достигается большая плавность механизма. Шум при работе такого устройства практически отсутствует. Главный недостаток — повышенный нагрев. Чтобы его снизить используются специальные моторные масла и смазки.

С. Шевронные зубчатые колеса. Выполнены с венцом в виде ”елочки”, состоящей из правых и левых зубьев. Такая конструкция шестерни позволяет эффективно компенсировать осевые силы. Впоследствии, они не передаются на подшипники. Нет дополнительной нагрузки и избыточного трения. Благодаря этому значительно повышается срок активной, безопасной эксплуатации изделия. Характеризуются плавным зацеплением с уменьшенным общим шумом от работы механического узла. Также уменьшается уровень вибрации, что значительно повышает надежность механизма и продлевает срок его активной работы.

Высокая износоустойчивость шевронного типа рассчитана на работу при средних и высоких окружных скоростях. Они выдерживают более сильное внешнее воздействие. Обладают высокой прочностью передаточных зубцов. Таким образом обеспечивается стабильная работа всего передаточного узла в более сложном механизме.

Ассортимент товаров

В ассортименте имеются зубчатые колеса от мирового итальянского производителя Sati. Это высококачественные изделия, проверенные в реальных условиях работы. Компания зарекомендовала себя лидером производства данной техники.

В ассортименте товаров компании:

Зубчатые колеса со ступицей (производитель Sati, серия РM)

Зубчатые колеса под расточку со ступицей и калеными зубьями (производитель Sati, серия PMT)

зубчатые колеса прямозубого исполнения без ступицы, серия CM.

Зубчатые колеса без ступицы (производитель Sati, серия CM)

Устройства различаются областью применения, материалами изготовления, формой конструкции, типом фиксации, различными типоразмерами — внутренними проходными диаметрами (от 5 до 30 мм), наружными диаметрами (от 9 мм до 120 мм) и др. техническими характеристиками.