Λύσεις — §2.6: Κιβώτιο-Διαφορικό Εμπρόσθιας Κίνησης (σελ. 164) – ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — §2.6: Κιβώτιο-Διαφορικό Εμπρόσθιας Κίνησης

Λύσεις στις 9 ερωτήσεις της §2.6: δομή κιβωτίου-διαφορικού σε ενιαίο συγκρότημα («συγκρότημα ισχύος»), απουσία ενδιάμεσου άξονα, ροή κίνησης ανά ταχύτητα, αρθρωτά ημιαξόνια, συγχρονιστές σε 5η/όπισθεν.

Άξονες κιβωτίου εμπρόσθιας κίνησης

Ερώτηση: Πόσους άξονες έχει ένα κιβώτιο ταχυτήτων για οχήματα με κίνηση εμπρός;

Απάντηση:

• Από την §2.6.2: δεν υπάρχει ενδιάμεσος άξονας· υπάρχουν ο πρωτεύων (άξονας εισόδου) και ο δευτερεύων (άξονας εξόδου), που καταλήγει στο πινιόν.
• Στο κιβώτιο πέντε ταχυτήτων προστίθεται ο άξονας της 5ης (§2.6.3), ενώ υπάρχει και ο άξονας με τον τροχό της όπισθεν.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα κιβώτιο ταχυτήτων για οχήματα με κίνηση εμπρός έχει δύο βασικούς άξονες: τον πρωτεύοντα (άξονα εισόδου), που φέρει μόνιμα στερεωμένους τους οδοντωτούς τροχούς των ταχυτήτων, και τον δευτερεύοντα (άξονα εξόδου), που φέρει τους αντίστοιχους οδοντωτούς τροχούς και καταλήγει σε πινιόν προς την κορώνα του διαφορικού. Δεν υπάρχει ενδιάμεσος άξονας, όπως στο κλασικό κιβώτιο. Επιπλέον, σε κιβώτιο πέντε ταχυτήτων υπάρχει και ένας τρίτος άξονας (της 5ης ταχύτητας), ενώ υπάρχει και ξεχωριστός άξονας για τον οδοντωτό τροχό της όπισθεν.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο βασικοί άξονες: πρωτεύων (εισόδου) και δευτερεύων (εξόδου) — χωρίς ενδιάμεσο· επιπλέον άξονας 5ης ταχύτητας και άξονας όπισθεν όπου υπάρχουν

Απουσία απευθείας μετάδοσης

Ερώτηση: Γιατί στο κιβώτιο ταχυτήτων για οχήματα με εμπρόσθια κίνηση δεν υπάρχει απ' ευθείας μετάδοση της κίνησης;

Απάντηση:

• Στο κλασικό κιβώτιο η απ' ευθείας μετάδοση (4η) γίνεται επειδή ο πρωτεύων και ο δευτερεύων βρίσκονται ο ένας στην προέκταση του άλλου (§2.3.1.2.2).
• Στο κιβώτιο εμπρόσθιας κίνησης οι δύο άξονες είναι παράλληλοι και δεν υπάρχει ενδιάμεσος, άρα κάθε ταχύτητα περνά από ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών (§2.6.2).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Επειδή ο πρωτεύων άξονας (άξονας εισόδου) και ο δευτερεύων (άξονας εξόδου) δεν βρίσκονται ο ένας στην προέκταση του άλλου, όπως στο κλασικό μηχανικό κιβώτιο, αλλά είναι παράλληλοι, ενώ δεν υπάρχει και ενδιάμεσος άξονας. Επομένως οι δύο άξονες δεν μπορούν να συνδεθούν απευθείας μεταξύ τους και όλες οι ταχύτητες απαιτούν ένα ή περισσότερα ζεύγη οδοντωτών τροχών για να επιλεγούν. Ακόμη και όταν οι τροχοί της 4ης έχουν το ίδιο μέγεθος και δίνουν λόγο 1:1, η κίνηση περνά μέσα από ένα ζεύγος οδοντωτών τροχών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οι άξονες εισόδου και εξόδου είναι παράλληλοι (όχι ο ένας στην προέκταση του άλλου) και δεν υπάρχει ενδιάμεσος· κάθε ταχύτητα, ακόμη και με λόγο 1:1, περνά από ζεύγος γραναζιών

Λειτουργία κιβωτίου εμπρόσθιας κίνησης - ροή κίνησης

Ερώτηση: Περιγράψτε με λεπτομέρειες τη λειτουργία ενός κιβωτίου ταχυτήτων για οχήματα με κίνηση εμπρός και σημειώστε τη ροή της κίνησης δια μέσου των οδοντωτών τροχών του κιβωτίου αυτού, για όλες τις ταχύτητες.

Απάντηση:

• Περιγράφουμε τη δομή (§2.6.2): πρωτεύων με σταθερούς τροχούς, δευτερεύων με ελεύθερους τροχούς και συγχρονιστές ανά δύο, πινιόν προς την κορώνα.
• Για κάθε ταχύτητα γράφουμε ποιος συγχρονιστής κινείται και ποιον τροχό «κλειδώνει» (Σχ. 2.100 Α-Ε).
• Για την όπισθεν περιγράφουμε τον ενδιάμεσο τροχό της όπισθεν (Σχ. 2.100ΣΤ) και την αντιστροφή της φοράς.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ισχύς από τον κινητήρα εισέρχεται στο κιβώτιο μέσω του άξονα εισόδου (πρωτεύοντα), που φέρει μόνιμα στερεωμένους όλους τους οδοντωτούς τροχούς των ταχυτήτων. Στον άξονα εξόδου (δευτερεύοντα), οι αντίστοιχοι οδοντωτοί τροχοί περιστρέφονται ελεύθερα, ενώ ανάμεσά τους (ανά δύο) παρεμβάλλονται οι συγχρονιστές («συγχρονιζέ»), οι οποίοι, ανάλογα με τη θέση του μοχλού επιλογής, «κλειδώνουν» τον επιθυμητό οδοντωτό τροχό με τον άξονα εξόδου (π.χ. ο συγχρονιστής 1ης-2ης κλειδώνει είτε τον τροχό της 1ης είτε της 2ης, ανάλογα με την κατεύθυνση μετακίνησής του, ενώ ο συγχρονιστής 3ης-4ης κάνει το ίδιο για τις αντίστοιχες ταχύτητες). Στο άκρο του άξονα εξόδου υπάρχει πινιόν, σε μόνιμη εμπλοκή με την κορώνα του διαφορικού, στην οποία τελικά μεταδίδεται η κίνηση. Το «νεκρό σημείο» επιτυγχάνεται όταν όλοι οι συγχρονιστές βρίσκονται στην κεντρική τους θέση. Σε κιβώτιο πέντε ταχυτήτων, η 5η επιτυγχάνεται με τους δύο πρώτους συγχρονιστές σε ουδέτερη θέση και τον συγχρονιστή της 5ης να κλειδώνει το αντίστοιχο γρανάζι, που καταλήγει σε δικό του πινιόν, επίσης σε εμπλοκή με την κορώνα (πάντα μεταφέρει ισχύ μόνο το ένα από τα δύο πινιόν κάθε φορά). Στην όπισθεν, ο ενδιάμεσος οδοντωτός τροχός της όπισθεν (σε χωριστό άξονα) εμπλέκεται τόσο με το γρανάζι όπισθεν του άξονα εισόδου όσο και με το αντίστοιχο γρανάζι/συγχρονιστή 1ης-2ης του άξονα εξόδου, αντιστρέφοντας τη φορά περιστροφής του πινιόν και άρα και της κορώνας, ώστε το όχημα να κινηθεί προς τα πίσω. Αναλυτικά (Σχ. 2.100): στην 1η ο συγχρονιστής 1ης-2ης κλειδώνει τον τροχό της 1ης· στη 2η κινείται προς τα πίσω και κλειδώνει τον τροχό της 2ης· στην 3η ο συγχρονιστής 1ης-2ης επιστρέφει σε ουδέτερη θέση και ο συγχρονιστής 3ης-4ης κινείται προς τα εμπρός και κλειδώνει τον τροχό της 3ης· στην 4η ο ίδιος κινείται προς τα πίσω και κλειδώνει τον τροχό της 4ης (λόγος 1:1, αν οι δύο τροχοί της 4ης έχουν το ίδιο μέγεθος).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πρωτεύων (γρανάζια σταθερά) → συγχρονιστές «κλειδώνουν» επιθυμητό γρανάζι στον δευτερεύοντα → πινιόν → κορώνα διαφορικού. Όπισθεν: ενδιάμεσος τροχός αντιστρέφει τη φορά

Εξουδετέρωση αξονικών δυνάμεων

Ερώτηση: Με ποιον τρόπο εξουδετερώνονται οι αξονικές δυνάμεις, που αναπτύσσονται στους άξονες του κιβωτίου ταχυτήτων, στα οχήματα με εμπρόσθια κίνηση;

Απάντηση:

• Εντοπίζουμε την αιτία των αξονικών δυνάμεων: τους ελικοειδείς (λοξούς) οδοντωτούς τροχούς, που χρησιμοποιούνται για ομαλή και αθόρυβη λειτουργία.
• Οι δυνάμεις αυτές παραλαμβάνονται από τους τριβείς (ρουλεμάν) στήριξης των αξόνων στη θήκη, που συγκρατούν τους άξονες και δεν επιτρέπουν αξονική μετατόπιση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι οδοντωτοί τροχοί που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα κιβώτια (όπως και στα κλασικά κιβώτια σταθερής σύμπλεξης/συγχρονισμού) είναι συνήθως ελικοειδείς, για ομαλότερη και αθορυβότερη λειτουργία. Η ελικοειδής όμως οδόντωση δημιουργεί, εκτός από την περιφερειακή δύναμη μετάδοσης, και μία αξονική συνιστώσα δύναμης (ώθηση κατά μήκος του άξονα). Οι αξονικές αυτές δυνάμεις εξουδετερώνονται με την τοποθέτηση κατάλληλων ωστικών τριβέων ή κωνικών ρουλεμάν (τριβέων που παραλαμβάνουν αξονικά φορτία) στα άκρα του πρωτεύοντα και του δευτερεύοντα άξονα, μέσα στη θήκη του κιβωτίου, τα οποία συγκρατούν τους άξονες στη θέση τους και δεν επιτρέπουν την αξονική τους μετατόπιση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Με ωστικούς τριβείς ή κωνικά ρουλεμάν στα άκρα των αξόνων, που παραλαμβάνουν την αξονική ώθηση των ελικοειδών γραναζιών

Αρθρωτά ημιαξόνια

Ερώτηση: Γιατί τα ημιαξόνια των εμπρόσθιων τροχών ενός οχήματος με κίνηση εμπρός, είναι αρθρωτά;

Απάντηση:

• Από την §2.6.2: οι εμπρόσθιοι τροχοί είναι κινητήριοι και συμμετέχουν ταυτόχρονα στο σύστημα διεύθυνσης.
• Η άρθρωση επιτρέπει τη μετάδοση της κίνησης υπό γωνία, καθώς οι τροχοί στρίβουν (§2.6.4).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Είναι αρθρωτά επειδή οι εμπρόσθιοι τροχοί ενός τέτοιου οχήματος είναι ταυτόχρονα κινητήριοι (δέχονται ισχύ από το διαφορικό) αλλά συμμετέχουν και στο σύστημα διεύθυνσης του οχήματος (στρίβουν αριστερά-δεξιά). Η άρθρωση επιτρέπει τη συνεχή μετάδοση της περιστροφικής κίνησης από το σταθερό διαφορικό στον τροχό, ακόμη και όταν ο τροχός αλλάζει γωνία λόγω της διεύθυνσης, κάτι που δεν θα ήταν δυνατό με ένα άκαμπτο (χωρίς άρθρωση) ημιαξόνιο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Γιατί οι εμπρόσθιοι τροχοί είναι ταυτόχρονα κινητήριοι και διευθυντήριοι — η άρθρωση επιτρέπει μετάδοση ισχύος υπό μεταβαλλόμενη γωνία στροφής

Κιβώτιο 4 vs 5 ταχυτήτων εμπρόσθιας κίνησης

Ερώτηση: Ποιες είναι οι διαφορές ενός κιβωτίου τεσσάρων ταχυτήτων από ένα κιβώτιο πέντε ταχυτήτων, σε ένα όχημα που έχει κίνηση εμπρός;

Απάντηση:

• Από την §2.6.3 (Σχ. 2.99): το κιβώτιο πέντε ταχυτήτων είναι ίδιο με το τεσσάρων, με επιπλέον το συγκρότημα του τροχού της 5ης μαζί με τον άξονά του.
• Ο άξονας της 5ης έχει δικό του συγχρονιστή και πινιόν, σε μόνιμη εμπλοκή με την κορώνα· η λειτουργία είναι ίδια για όλες τις άλλες ταχύτητες.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μόνη ουσιαστική διαφορά είναι ότι το κιβώτιο πέντε ταχυτήτων διαθέτει επιπλέον το συγκρότημα του γραναζιού της 5ης ταχύτητας, με δικό του συγχρονιστή, τοποθετημένο σε ξεχωριστό άξονα που καταλήγει σε δικό του πινιόν (μόνιμα σε εμπλοκή με την κορώνα του διαφορικού, μαζί με το πινιόν του άξονα εισόδου — πάντα μεταφέρει ισχύ μόνο το ένα από τα δύο, ανάλογα με την επιλεγμένη ταχύτητα). Η λειτουργία και των δύο κιβωτίων είναι ακριβώς η ίδια για όλες τις υπόλοιπες ταχύτητες (1η έως 4η και όπισθεν).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Το κιβώτιο 5 ταχυτήτων έχει επιπλέον το συγκρότημα/άξονα της 5ης ταχύτητας με δικό του συγχρονιστή και πινιόν· κατά τα άλλα ίδια λειτουργία

Εργασίες και πλεονεκτήματα συγχρονιστή

Ερώτηση: Ποιες εργασίες εκτελεί ένας συγχρονιστής κιβωτίου ταχυτήτων και ποια τα πλεονεκτήματα του;

Απάντηση:

• Εργασίες (§2.3.1.3.4, Σχ. 2.50): εξισώνει με τριβή (κωνικές επιφάνειες) τις στροφές του τροχού με του άξονα και έπειτα «κλειδώνει» τον τροχό στον δευτερεύοντα άξονα.
• Πλεονεκτήματα: αθόρυβη λειτουργία, εύκολη αλλαγή χωρίς ζημιές, μικρές φθορές, μικρές απαιτήσεις συντήρησης, μεγάλη διάρκεια ζωής.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο συγχρονιστής εξισώνει, μέσω κωνικής τριβής, τις στροφές περιστροφής του ελεύθερα περιστρεφόμενου οδοντωτού τροχού της επιλεγμένης ταχύτητας με αυτές του άξονα εξόδου, και στη συνέχεια «κλειδώνει» (μέσω πλευρικών οδοντώσεων) τον τροχό αυτό επάνω στον άξονα, ώστε να μεταφέρεται η ισχύς. Τα πλεονεκτήματά του είναι η αθόρυβη λειτουργία, η εύκολη και ομαλή αλλαγή ταχύτητας χωρίς την ανάγκη «ντουμπλαρίσματος» του πεντάλ συμπλέκτη, η αποφυγή ζημιών (θραύσης δοντιών) στους οδοντωτούς τροχούς, οι μικρές φθορές και οι μειωμένες ανάγκες συντήρησης, καθώς και η μεγάλη διάρκεια ζωής του συστήματος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Εξισώνει στροφές με τριβή και «κλειδώνει» το γρανάζι στον άξονα· πλεονεκτήματα: αθόρυβη/εύκολη αλλαγή, χωρίς ζημιές δοντιών, μεγάλη διάρκεια ζωής

Κατάσταση συγχρονιστών στη 5η ταχύτητα

Ερώτηση: Όταν σε ένα κιβώτιο συγχρονισμού πέντε ταχυτήτων σε όχημα που έχει κίνηση εμπρός, τοποθετείται (συμπλέκεται) η 5η ταχύτητα, σε ποια κατάσταση βρίσκεται ο κάθε συγχρονιστής του;

Απάντηση:

• Από την §2.6.3 (Σχ. 2.100Ε): για την 5η οι συγχρονιστές 1ης-2ης και 3ης-4ης πηγαίνουν σε ουδέτερη θέση.
• Ο συγχρονιστής της 5ης κινείται πίσω και κλειδώνει τον τροχό της 5ης στον άξονά του· η ισχύς περνά από τον τροχό της 4ης του άξονα εισόδου στον τροχό της 5ης και από το πινιόν του άξονα της 5ης στην κορώνα.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Όταν τοποθετείται η 5η ταχύτητα, ο συγχρονιστής 1ης-2ης και ο συγχρονιστής 3ης-4ης βρίσκονται και οι δύο σε ουδέτερη (κεντρική) θέση, χωρίς να κλειδώνουν κανένα γρανάζι. Μόνο ο συγχρονιστής της 5ης ταχύτητας κινείται (προς τα πίσω) και κλειδώνει τον οδοντωτό τροχό της 5ης με τον δικό του άξονα, ο οποίος καταλήγει στο αντίστοιχο πινιόν, σε μόνιμη εμπλοκή με την κορώνα του διαφορικού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 1ης-2ης και 3ης-4ης: ουδέτερη θέση. Μόνο ο συγχρονιστής της 5ης κλειδώνει το γρανάζι της 5ης με τον άξονά της

Κατάσταση συγχρονιστών στην όπισθεν

Ερώτηση: Αν, αντί για την τοποθέτηση της 5ης ταχύτητας στο κιβώτιο της προηγούμενης ερώτησης, είχαμε τοποθέτηση (σύμπλεξη) της όπισθεν ταχύτητας, τι θα συνέβαινε με τον κάθε συγχρονιστή;

Απάντηση:

• Από την §2.6.3 (Σχ. 2.100ΣΤ): στην όπισθεν οι συγχρονιστές 1ης-2ης και 3ης-4ης βρίσκονται σε ουδέτερη θέση και ο συγχρονιστής της 5ης αποσυμπλέκεται.
• Ο ενδιάμεσος τροχός της όπισθεν κινείται προς τα πίσω και εμπλέκεται με τον τροχό της όπισθεν του άξονα εισόδου και με τα δόντια του συγχρονιστή 1ης-2ης (ή τον ολισθαίνοντα τροχό της όπισθεν), οπότε αντιστρέφεται η φορά του άξονα εξόδου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στην τοποθέτηση της όπισθεν, και οι τρεις συγχρονιστές (1ης-2ης, 3ης-4ης, και της 5ης) παραμένουν σε ουδέτερη θέση/αποσυμπλέκονται, χωρίς κανένας τους να κλειδώνει κάποιο γρανάζι. Αντ' αυτού, ο ενδιάμεσος οδοντωτός τροχός της όπισθεν (τοποθετημένος σε χωριστό άξονα, που μέχρι τότε γύριζε «τρελά») κινείται και εμπλέκεται τόσο με το γρανάζι της όπισθεν στον άξονα εισόδου όσο και με τα δόντια του συγχρονιστή 1ης-2ης (ή τον αντίστοιχο ολισθαίνοντα τροχό της όπισθεν) στον άξονα εξόδου, με αποτέλεσμα να αντιστρέφεται η φορά περιστροφής του άξονα εξόδου, του πινιόν και τελικά της κορώνας του διαφορικού, ώστε το όχημα να κινηθεί προς τα πίσω.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Όλοι οι συγχρονιστές (1ης-2ης, 3ης-4ης, 5ης) παραμένουν σε ουδέτερη θέση· ο ενδιάμεσος τροχός όπισθεν εμπλέκει τα δύο άκρα, αντιστρέφοντας τη φορά περιστροφής