Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny

im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu

Wydział Mechaniczny

Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn

Budowa samochodów i teoria ruchu

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

Układy napędowe.

2

Spis treści

1. Zadanie układu napędowego ............................................................................... 3

2. Klasyfikacja układów napędowych .................................................................... 4

2.1. Klasyczny układ napędowy ................................................................................ 5

2.2. Zblokowane układy napędowe ........................................................................... 7

2.2.1. Układ zblokowany przedni .......................................................................... 7

2.2.2. Układ zblokowany tylni ............................................................................... 8

2.3. Napęd na wszystkie koła .................................................................................. 10

2.4. Budowa i zasada działania sprzęgła jednotarczowego ..................................... 12

2.5. Budowa i zasada działania skrzynki biegów .................................................... 14

2.6. Wał napędowy i przeguby ................................................................................ 17

2.7. Budowa przekładni głównej i mechanizmu różnicowego ................................ 18

4. Wytyczne do sprawozdania ............................................................................... 19

3

1. Zadanie układu napędowego

Zadaniem układu napędowego w samochodzie jest przenoszenie mocy silnika do kół

napędowych i umożliwienie uzyskiwania takich przełożeń momentu obrotowego silnika, jaki

jest potrzebny bądź do pokonywania dużych oporów jazdy, bądź też do uzyskiwania dużej

prędkości samochodu przy mniejszych oporach jazdy. W tym celu w układzie napędowym

samochodu zastosowano przekładnie o stałym przełożeniu w postaci przekładni głównej

i przekładni o zmienianym przełożeniu w postaci skrzynki biegów oraz ewentualnie

dodatkowej skrzynki przekładniowej umieszczonej zwykle pomiędzy skrzynką biegów

a przekładnią główną (mostem napędowym) samochodu.

2. Klasyfikacja układów napędowych

Silnik umieszczony

wzdłużnie

Silnik umieszczony

Poprzecznie

Przedni

Silnik umieszczony

wzdłużnie

Silnik umieszczony

poprzecznie

Silnik umieszczony

centralnie

Tylny

Zblokowany układ napędowy Klasyczny układ napędowy

Ręcznie włączany napęd drugiej osi

w samochodach osobowych

Ręcznie włączany napęd

wszystkich kół w samochodach

ciężarowych i osobowych

Stały napęd wszystkich kół

z wykorzystaniem zespołów

samochodu osobowego

o napędzie przednim

Stały napęd wszystkich kół

z wykorzystaniem zespołów

samochodu osobowego

z klasycznym układem napędowym

Napęd na wszystkie koła

Układy napędowe

Rys.2.1. Klasyfikacja układów napędowych

2.1. Klasyczny układ napędowy

W samochodach osobowych silnik znajduje się pomiędzy kołami przednimi,

a napędzane są koła osi tylnej (rys. 2.2). Aby bardziej dociążyć oś tylną i uzyskać

korzystniejszy rozkład masy, w niektórych modelach zastosowano skrzynkę biegów

zblokowaną z przekładnią główną. Z wyjątkiem lekkich samochodów dostawczych wszystkie

samochody ciężarowe mają silnik umieszczony z przodu lub pomiędzy przednią i tylną osią.

Daleko do tyłu wysunięta powierzchnia ładunkowa uniemożliwia zastosowanie tu innego

rozwiązania. To samo dotyczy ciągników siodłowych, w których znaczna część masy naczepy

obciąża siodło, umieszczone ponad kołami tylnymi.

Rys.2.2. Klasyczny układ napędowy samochodu osobowego – silnik z przodu napęd na koła tylne (Fiat

130)

Rys.2.3. Układ napędowy z przekładnią i skrzynią zblokowany z tyłu samochodu (Chevrolet Corvette

1998).

6

Tabela 1 Zalety i wady klasycznego układu napędowego

Zalety Wady praktycznie nieograniczona długość silnika

i dlatego układ korzystny dla samochodów klasy

wyższej (z silnikami 8- i 12-cylindrowymi),

małe obciążenie elementów zawieszenia silnika,

ponieważ musi ono przejąć tylko maksymalny

moment silnika pomnożony przez przełożenie

najniższego biegu,

stosunkowo łatwa izolacja drgań silnika,

przy całkowitym obciążeniu pojazdu większa jego

część obciąża napędzane koła tylne (ważne

w samochodach kombi i w wypadku ciągnięcia

przyczepy,

dłuższy układ wylotowy, a dzięki temu lepsze

tłumienie hałasu, łatwa zabudowa katalizatora,

korzystna strefa zgniotu z poddającym się

zespołem napędowym,

możliwość zastosowania prostej konstrukcji

przedniego zawieszenia, nie narażonego na

oddziaływanie sił napędowych,

równomierne zużycie opon,

prosta konstrukcja układu sterowania skrzynki

biegów,

duża sprawność skrzynki biegów na biegu

bezpośrednim, ponieważ przekazywanie momentu

napędowego odbywa się bez udziału kół zębatych,

dużo miejsca na zabudowę układu kierowniczego,

dobre chłodzenie dzięki umieszczeniu silnika

i chłodnicy z przodu, możliwość zastosowania

oszczędniejszego wentylatora,

wydajne ogrzewanie dzięki krótkim przewodom

wodnym i gorącego powietrza.

niestateczność w ruchu na wprost (rys. 2.4), co

daje się jednak w pełni skorygować przez

właściwy dobór kątów ustawienia kół przednich,

odpowiednią konstrukcję tylnego zawieszenia

i zastosowanie odpowiednich opon;

napędzane koła tylne są mało obciążone, gdy

samochodem podróżują tylko dwie osoby, co przy

deszczowej pogodzie i w warunkach zimowych

zmniejsza możliwą do rozwinięcia siłę napędową

oraz powoduje niebezpieczeństwo poślizgu tylnych

kół, szczególnie przy szybkim pokonywaniu

ostrych zakrętów; poprawę może zapewnić

w samochodzie nie obciążonym rozkład masy

przypadającej na osie w stosunku 50/50% oraz

układ regulacji poślizgu kół napędowych ASR;

tendencja do zmiany toru ruchu pod wpływem

zmiany siły napędowej, czemu przeciwdziałać

może: skomplikowane zawieszenie tylne z ramą

pomocniczą i układem przeniesienia napędu, co

z kolei powoduje zmniejszenie pojemności

bagażnika;

wał przegubowy pomiędzy skrzynką biegów

a przekładnią główną przez co nie do uniknięcia

jest tunel w podłodze.

Rys.2.4. Jeśli są napędzane koła przednie (rysunek lewy), pojazd jest ciągnięty. Siły napędowe FX,W,a

i siła bezwładności Fc,V tworzą układ stateczny. W razie napędzania kół tylnych układ sił jest

teoretycznie niestateczny. Stateczność ruchu uzyskuje się odpowiednią geometrią ustawienia

kół przednich.

7

2.2. Zblokowane układy napędowe

Silnik, przekładnia główna i skrzynka biegów stanowią tu jeden zespół, umieszczony

przed, nad lub za przednią lub tylną osią. Konstrukcja taka jest bardzo zwarta i umożliwia

uzyskanie samochodu krótszego o 100 do 300 mm w porównaniu z samochodem, który

posiada klasyczny układ napędowy. Dodatkowo zblokowany napęd przedni umożliwia

uzyskanie odpowiednio więcej miejsca dla pasażerów i bagażu.

Napęd przedni nie jest jednak odpowiedni dla samochodów ciężarowych. Koła tylne są

tu silnie obciążone, natomiast koła przednie mniej. Mimo to niektórzy producenci

samochodów dostawczych, godząc się z tą wadą, decydują się na napęd przedni, aby uzyskać

możliwie jak najniższe położenie podłogi i dzięki temu zwiększenie przestrzeni ładunkowej

a także w celu ułatwienia załadunku.

2.2.1. Układ zblokowany przedni

Rys.2.5. Rozmieszczenie silnika, skrzynki biegów i mechanizmu różnicowego w samochodzie VW

Polo. Z powodu niesymetrycznego położenia mechanizmu różnicowego półoś napędowa

prowadząca do lewego koła przedniego jest krótsza od półosi prawej

8

Tabela 2 Zalety i wady zblokowanego przedniego układu napędowego

Zalety Wady obciążenie kół kierowanych i napędzanych,

duże bezpieczeństwo jazdy, szczególnie na mokrej

nawierzchni i w warunkach zimowych; samochód

jest ciągnięty, a nie pchany,

dobra zdolność rozpędzania i wystarczająca

zdolność pokonywania wzniesień przy małym

obciążeniu,

podsterowna charakterystyka podczas jazdy na

zakręcie i w związku z tym zdolność

samoczynnego wytłumiania zaburzeń ruchu,

mała wrażliwość na wiatr boczny,

prosta konstrukcja tylnego zawieszenia,

możliwy większy rozstaw osi, dzięki czemu

większy komfort jazdy,

krótsza droga przekazywania momentu

napędowego, ponieważ silnik, skrzynka biegów

i mechanizm różnicowy tworzą jeden zespół,

dobre chłodzenie silnika (chłodnica z przodu),

skuteczne ogrzewanie dzięki małej odległości,

płaska podłoga nadwozia,

długi układ wylotowy (ważne w wypadku

samochodów osobowych z katalizatorem),

duży bagażnik z korzystnie ukształtowaną strefą

zgniotu.

przy całkowitym obciążeniu pogorszenie zdolności

rozpędzania i pokonywania wzniesień na mokrej

i śliskiej nawierzchni,

w wypadku silników o większej mocy wpływ

napędu na kierowalność, ograniczona długość

silnika,

przy dużym obciążeniu przedniej osi wymagane

duże przełożenie przekładni kierowniczej lub

wspomaganie,

przy umieszczonej wysoko zębatkowej przekładni

kierowniczej wymagane centralne wyprowadzenie

drążków kierowniczych, w przeciwnym razie nie

do uniknięcia kinematyczne zmiany kątów

zbieżności kół,

konieczność przenoszenia przez zawieszenie

zespołu napędowego momentu silnika

pomnożonego przez całkowite przełożenie układu

napędowego,

obciążenia giętne układu wylotowego na skutek

przemieszczeń zespołu napędowego podczas

rozpędzania i hamowania (silnikiem),

skomplikowana konstrukcja przedniego

zawieszenia i półosi napędowych z przegubami

synchronicznymi o kompensacji ruchów osiowych

od strony wewnętrznej,

ograniczenie minimalnego promienia skrętu

i promienia zawracania przez dopuszczalny kąt

załamania przegubów (do 50°) albo ograniczenie

kątów skrętu kół przez wymaganą pojemność

przedziału silnika,

duża wrażliwość na niewyrównoważenie i błędy

kształtu opon kół przednich,

nierównomierne zużywanie się opon, ponieważ

koła przednie są zarówno skręcane, jak

i napędzane,

niekorzystny rozkład siły hamowania (ok. 75%

przód i 25% tył),

skomplikowane sterowanie skrzynki biegów, na

które mogą także wpływać przemieszczenia

zespołu napędowego.

2.2.2. Układ zblokowany tylni

Silnik umieszczony z tyłu, zblokowany ze skrzynką biegów i przekładnią główną

z mechanizmem różnicowym napędza koła tylne. Silnik może znajdować się za (rys. 2.6) lub

przed tylną osią, silnik centralny. W tym drugim wypadku nie ma miejsca na tylną kanapę,

ponieważ silnik zajmuje jej miejsce. Zbudowany w tym układzie samochód dwumiejscowy

może służyć tylko jako pojazd sportowy lub rajdowy.

9

Rys.2.6. Układ napędowy zblokowany z tyłu samochodu (VW Transporter)

Tabela 3 Zalety i wady zblokowanego tylnego układu napędowego

Zalety Wady dobre przyspieszenia dzięki małym momentom

bezwładności,

bardzo dobra zdolność pokonywania wzniesień,

krótka droga przekazywania momentu

napędowego dzięki zblokowaniu silnika ze

skrzynką biegów i przekładnią główną,

małe siły w układzie kierowniczym dzięki małemu

obciążeniu kół przednich,

korzystny rozkład siły hamowania,

łatwość wymontowania silnika (tylko w wypadku

silnika umieszczonego za tylną osią),

zupełny brak lub tylko niewielki tunel w płycie

podłogowej,

możliwość uzyskania małego zwisu przedniego.

niekorzystne zachowanie się samochodu w ruchu

prostoliniowym,

duża wrażliwość na wiatr boczny,

wyraźna tendencja do nadsterowności na zakręcie

(silnik umieszczony za tylną osią),

gorsza kierowalność na śliskiej nawierzchni

z powodu małego obciążenia kół przednich,

niekorzystny rozkład obciążenia opon (duże

obciążenie kół tylnych),

konieczność przejmowania przez zawieszenie

silnika momentu reakcyjnego równego momentowi

silnika pomnożonemu przez całkowite przełożenie

układu napędowego,

krótki układ wylotowy, trudny do właściwego

dostrojenia,

trudność wytłumienia hałasu silnika,

skomplikowane sterowanie skrzynki biegów,

w wypadku umieszczenia chłodnicy z przodu

długie przewody doprowadzające ciecz,

w przypadku umieszczenia chłodnicy z tyłu duży

pobór mocy przez wentylator z powodu

wymuszonego chłodzenia,

układ ogrzewania wymagający długich przewodów

wodnych i przewodów ciepłego powietrza,

trudność umieszczenia zbiornika paliwa

w bezpiecznej strefie,

ograniczona pojemność bagażnika.

10

2.3. Napęd na wszystkie koła

W tym układzie wszystkie koła samochodu osobowego lub ciężarowego są napędzane

przez cały czas (stały napęd wszystkich kół) lub też jedna z dwóch osi jest na stałe połączona

z silnikiem, a napęd drugiej jest dołączany ręcznie lub automatycznie. Umożliwia to sprzęgło

międzyosiowe. Jeśli doprowadzenie momentu napędowego do przednich i tylnych kół

odbywa się poprzez międzyosiowy mechanizm różnicowy, to na drodze konstrukcyjnej

można dobrać taki rozdział momentu pomiędzy osie, który będzie najkorzystniejszy ze

względu na rozkład obciążeń pionowych osi, przyjęty układ konstrukcyjny, czy też

wymagane własności pojazdu. Tak więc w samochodzie Audi V8 Quattro oraz

w samochodzie terenowym Mercedes-Benz klasy M przyjęto rozdział momentu w stosunku

50/50%, podczas gdy w samochodzie Mercedes-Benz klasy E tylko 35% momentu

napędowego przypada na koła przednie, a 65% na tylne.

Tabela 4 Zalety i wady napędu na wszystkie koła

Zalety Wady lepsze własności trakcyjne we wszystkich

warunkach drogowych, a w szczególności na

mokrej nawierzchni i w warunkach zimowych,

większe zdolności rozpędzania i pokonywania

wzniesień oraz ich niezależność od stopnia

obciążenia pojazdu,

możliwość uzyskiwania większych przyśpieszeń

na niskich biegach, szczególnie w przypadku

pojazdów z silnikami o dużej mocy,

mniejsza wrażliwość na działanie wiatru bocznego,

korzystniejsze zachowanie w wypadku

akwaplaningu,

szczególna przydatność do holowania przyczep,

korzystniejszy rozkład nacisków osi,

słabsza reakcja na zmianę siły napędowej,

równomierne zużycie opon.

większy koszt,

masa własna pojazdu większa o 6% do 10%,

ogólnie nieco mniejsza prędkość maksymalna,

zużycie paliwa większe o 5% do 10%,

nie zawsze jednoznaczne zachowanie się na

zakręcie,

mniejszy bagażnik w porównaniu z pojazdem

o napędzie przednich kół.

11

Rys.2.7. Napęd na wszystkie koła typu Syncro

Rys.2.8. Napęd na wszystkie koła typu Quattro

12

2.4. Budowa i zasada działania sprzęgła jednotarczowego

Rys.2.9. Sprzęgło jednotarczowe a)rozłączone, b) załączono

1 – koło zamachowe, 2 – wał korbowy, 3 – tarcza sprzęgła, 4 – okładziny, 5 – pedał sprzęgła,

6 – wałek sprzęgłowy, 7 – łożysko wyciskowe, 8 – sprężyny dociskowe, 9 – tarcza dociskowa

Zadaniem sprzęgła głównego w samochodzie, czyli sprzęgła umieszczonego między

silnikiem i mechanizmami napędowymi samochodu jest:

13

umożliwienie chwilowego odłączania silnika od mechanizmów napędowych

i łagodnego sprzęgania silnika znajdującego się w ruchu z mechanizmami

napędowymi samochodu.

zabezpieczenie wszystkich elementów układu napędowego przed nadmiernymi

obciążeniami mogącymi powstać w wyniku gwałtownego przyspieszenia mas

obrotowych związanych z mechanizmami napędowymi samochodu. Obciążenia tego

rodzaju w postaci momentu skręcającego w układzie napędowym, wywołanego

bezwładnością mas z nim związanych, mogą powstać w przypadku gwałtownego

połączenia silnika posiadającego dużą prędkość obrotową z mechanizmami

napędowymi w czasie ruszania samochodu z miejsca.

zabezpieczenie elementów mechanizmów napędowych, zwłaszcza kół zębatych, od

drgań skrętnych przekazywanych przez silnik do układu napędowego

i wynikających z cykliczności pracy silnika. Do tłumienia tych drgań służy

stosowane w sprzęgłach urządzenie zwane tłumikiem drgań skrętnych.

W sprzęgłach, współczesnych samochodów osobowych stosowane są tarczowe

sprężyny dociskowe zamiast sprężyn śrubowych.

Rozpowszechnienie w sprzęgłach samochodów osobowych sprężyn tarczowych jest

wynikiem wielu ich zalet w porównaniu ze sprężynami śrubowymi, a mianowicie:

uproszczenia konstrukcji sprzęgła dzięki wyeliminowaniu dźwigni

odwodzących tarczę dociskową, których zadanie spełniają wewnętrzne

brzegi sprężyny tarczowej,

możliwości uzyskania prawie stałej wartości momentu tarcia sprzęgła

niezależnie od stopnia zużycia okładzin ciernych dzięki małym zmianom

siły sprężyny w zależności od ugięcia w pewnych jego granicach,

małej siły potrzebnej do włączania i wyłączania sprzęgła,

prostszej technologii i mniejszych kosztów wytwarzania niż sprzęgieł ze

sprężynami spiralnymi.

Wadami sprężyn tarczowych są:

mała możliwość regulowania przez kierowcę płynności włączania

sprzęgła przy ruszaniu samochodu z miejsca,

utrudniona standaryzacja sprężyn tarczowych ze względu na ścisłą

zależność ich wymiarów i kształtu od indywidualnych wymiarów

konstrukcyjnych, nacisków jednostronnych i momentu tarcia

przenoszonego przez sprzęgło.

14

Rys.2.10. Sprężyna tarczowa

2.5. Budowa i zasada działania skrzynki biegów

W pojazdach samochodowych stosuje się trzy rodzaje skrzynek biegów, różniące się

sposobem sterowania. Są to:

skrzynki biegów zwykłe, w których wybranie odpowiedniego przełożenia (biegu)

oraz jego włączenie dokonuje kierowca,

skrzynki biegów półautomatyczne, w których kierowca wybiera żądane przełożenie,

natomiast jego włączenia dokonuje automat,

skrzynki biegów automatyczne, w których zarówno dobór najkorzystniejszego

w danych warunkach jazdy przełożenia, jak i jego włączanie odbywa się

samoczynnie.

Najmniej skomplikowane, a więc i najtańsze są zwykłe skrzynki biegów, toteż są one

powszechnie stosowane w popularnych samochodach osobowych.

15

Rys.2.11. Schemat kinematyczny trzywałkowej skrzyni biegów: 1 – wałek główny, 2 – wałek pośredni,

s – wałek sprzęgłowy

Przełożenia na poszczególnych biegach

12

11

1

2

S

SiI 22

21

1

2

S

SiII 32

31

1

2

S

SiIII 1IVi

2

1

1

2

3

1

2

3

1

2

T

T

S

S

T

T

T

T

S

SiR

16

Rys.2.12. Skrzynia dwuwałkowa zblokowana z przekładnią główną

Działanie najprostszego synchronizatora przedstawia rys. 2.13. Na wielowypuście

wałka głównego jest osadzony pierścień przesuwny 1. Pierścień przesuwny ma po obu

stronach powierzchnie stożkowe 2 o pochyleniu i średnicy odpowiadających powierzchniom

stożkowym kół zębatych. Zewnętrzna obwodowa część pierścienia stanowi szeroki wieniec

zębaty 3. Wieniec ten stale współpracuje z zębami wewnętrznymi pierścienia zewnętrznego 4.

Zewnętrzny pierścień przesuwny 4 jest ustalany na pierścieniu przesuwnym 1 za pomocą

zatrzasku kulkowego 5. Na obwodzie pierścienia zewnętrznego jest wykonany rowek, w który

wchodzą widełki mechanizmu sterowania skrzynki biegów.

Przesunięcie pierścienia zewnętrznego w prawo (rys. 2.13) powoduje przesunięcie

pierścienia przesuwnego. Stożki pierścienia przesuwnego i koła zębatego stykają się,

a występujące między nimi tarcie szybko prowadzi do wyrównania prędkości obrotowych obu

elementów. Dalsze zwiększenie nacisku na pierścień zewnętrzny powoduje pokonanie siły

oporu zatrzasku 5 i przesunięcie pierścienia zewnętrznego aż do zazębienia go z wieńcem

zębatym koła zębatego. Zazębienie to następuje w chwili, gdy wałek wraz z synchronizatorem

oraz koło zębate mają taką samą prędkość obrotową, toteż odbywa się cicho i bez uderzeń.

17

Rys.2.13. Zasada działania synchronizatora a) położenie luz (synchronizator wyłączony), b) włączenie

biegu (synchronizator wyrównuje prędkości koła zębatego i sprzęgła zębatego), c) zazębienie

koła zębatego z pierścieniem zewnętrznym, 1–pierścień przesuwny, 2–powierzchnie stożkowe,

3–wieniec zębaty, 4–pierścień zewnętrzny, 5–zatrzask

2.6. Wał napędowy i przeguby

Rys.2.14. Dwuczęściowy wał napędowy: 1,4–odcinki wału, 2–przegub elastyczny, 3–elastyczne

zawieszenie łożyska, 5–łożysko, 6–przeguby krzyżakowe

Rys.2.15. Przegub kulowy (Birfielda) 1–czasza kilista, 2–koszyk, 3–kulka, 4–piasta

18

2.7. Budowa przekładni głównej i mechanizmu różnicowego

Rys.2.16. Przekładnia główna z mechanizmem różnicowym: 1 – koło zębate atakujące, 2 – koło zębate

talerzowe, 3 – obudowa mechanizmu różnicowego, 4 – obudowa przekładni głównej, 5 – koł

zębate satelitów, 6 – koł koronowe, 7 – krzyżak

19

4. Wytyczne do sprawozdania

Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny

im. K. Pułaskiego w Radomiu

IEPiM INSTYTUT EKSPLOATACJI POJAZDÓW I MASZYN

LABORATORIUM (z przedmiotu) BUDOWA SAMOCHODÓW I TEORIA RUCHU

Ćwiczenie nr (wg harmonogramu)

Temat ćwiczenia: .....................................................................................................................

Data wykonania ćwiczenia ................ Prowadzący ....................................

Wydział MECHANICZNY Kierunek LOGISTYKA

Rok akademicki ......................Semestr .............. Grupa ........... Wykonawcy ćwiczenia OCENY (uwagi Prowadzącego)

sprawdziany sprawozdanie końcowa

1. Nazwisko Imię

2. .................................................

3. .................................................

.................

.................

.................

.................

.................

.................

................

................

.................

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Cel ćwiczenia

2. Przebieg ćwiczenia

Zadania do wykonania podczas ćwiczenia laboratoryjnego:

1. Opisać budowę wskazanego układu napędowego na podstawie stanowiska

dydaktycznego oraz wskazać wymienione elementy zabudowane na pojeździe.

2. Naszkicować i opisać budowę i zasadę działania sprzęgła ciernego

jednotarczowego.

3. Wykonać schemat kinematyczny skrzyni biegów i przekładni głównej

z mechanizmem różnicowym. Na naszkicowanych schemacie opisać budowę.

3. Wnioski