Ю. Н. Мухин, Б. Е. Синильщиков
«Катера и яхты» №1 (65) январь-февраль 1977г.
Реверс-редукторы любительской постройки (Часть первая)
B практике самостоятельной постройки катеров со стационарным конвертированным двигателем любитель встречается с необходимостью иметь редукционно-разобщительное устройство. И вполне естественно желание использовать серийные агрегаты от автомобилей — дифференциалы и коробки передач.
Известны несколько конструкций достаточно сложных реверсивных устройств, созданных любителями на базе автомобильного дифференциала (см. книгу «15 проектов судов для любительской постройки» и «КЯ» № 50). Следует иметь в виду, что дифференциальные и планетарные устройства применяют в редукторах с шестернями постоянного зацепления, которые имеют тормозную и фрикционную муфты. Наличие фрикционных муфт позволяет производить реверсирование на средних оборотах двигателя. Это особенно важно для тяжелых водоизмещающих катеров, работающих с частыми швартовками. В любительских конструкциях переключение производится кулачковой муфтой без упомянутых тормозной и фрикционной муфт. Таким образом в них не используется основное достоинство данной схемы и поэтому, на наш взгляд, они не имеют особых преимуществ перед реверс-редукторами, созданными на базе коробок передач.
Наиболее простым конструктивным решением, позволяющим иметь на катере, оснащенном конвертированным автомобильным двигателем, передний и задний ход является использование в качестве реверс-редуктора штатного сцепления и коробки передач. При этом передний ход обеспечивается работой на прямой или одной из понижающих передач, а задний — включением заднего хода. Однако такое решение обладает целым рядом весьма существенных эксплуатационных недостатков.
Так, при работе на прямой передаче (если не применяется дополнительный редуктор) число оборотов гребного винта будет, как правило, значительно выше оптимальных, что приводит к уменьшению к. п. д. винта и скорости катера. Оценить потери мощности на таком винте по сравнению с винтом, работающим в области оптимальных оборотов для двигателей «ГАЗ-21» и «УМЗ-412» можно по графикам (рис. 1, 2).
На них представлены отношения упора Р винта, работающего через коробку передач, к упору винта Ропт, работающего с оптимальным числом оборотов. Кривые построены для трех значений снимаемой мощности — 60, 40 и 20 л. с. для двух винтов — нормального (на кривых обозначен Н) и тяжелого (Т) с шагом больше нормального на 15—20°/о>при работе двигателя на прямой (Я) и второй (В) передачах. При этом предполагалось, что при полностью открытом дросселе двигатели с нормальным винтом развивают: «УМЗ-412»—4800 об/мин (72 л. с), «ГАЗ-21»—3700 об/мин (73 л. с), а при частично прикрытой дроссельной заслонке— 60 л. с. при 4500 об/мин для «УМЗ-412» и 3400 об/мин для «ГАЗ-21», т. е. именно те мощности, которые рекомендованы как эксплуатационные при конвертировании данных двигателей. С тяжелым винтом при полностью открытой дроссельной заслонке двигатели развивают 60 л. с. при 3900 об/мин для «УМЗ-412» и 2700 об/мин для «ГАЗ-21». Естественно, что максимальная скорость при установке тяжелого винта будет меньше, однако для водоизмещающих катеров, двигатели которых эксплуатируются основное время на частичных нагрузках, применение тяжелого винта позволяет уменьшить часовой расход
Рис. I. Отношение упора винта, работающего через штатную коробку передач, к упору оптимального винта для двигателя «ГАЗ-21».
Рис. 2. Отношение упора винта, работающего через штатную коробку передач, к упору оптимального винта для двигателя «УМЗ-412».
Рис. 3. Ресурс шестерен 2-й передачи коробки {в часах).
Рис. 4. Скорость заднего хода.
______ коробка передач «ГАЗ-2Ь.
----- коробка передач «УМЗ-412».
Рис. 5. Реверс-редуктор из коробки «УМЗ-412» с цепной передачей заднего хода.
Большой формат чертежа для печати
топлива на 10—20% (в диапазоне мощностей 10—45 л. с.) с одновременным увеличением моторесурса. С учетом того, что к. п. д. тяжелого винта на небольших скоростях больше на 8—10%, суммарная экономия горючего за счет применения такого винта может достигать 30% (см. статью «Моторесурс катерного двигателя», «КЯ» № 64).
Следует иметь в виду, что хотя на больших скоростях потери на тяжелом винте не очень велики, катера очень плохо выходят на глиссирование, так как на скоростях выхода на глиссирование (18—22 км/ч) потери на таком винте весьма значительны. Поэтому применение прямой передачи на катере, глиссирующем со скоростью 35—45 км/ч, вынудит судоводителя уменьшить водоизмещение судна на 30—40% по сравнению с тем, которое он мог бы иметь с нормальным винтом, работающим на оптимальном числе оборотов.
Увеличить к. п. д. винта можно за счет применения понижающих передач штатной коробки (как правило 2-й) (см. рис. 1, 2). Однако нужно учитывать, что понижающие передачи, особенно у коробок легковых автомобилей, не предназначены для длительной работы на режиме максимальной мощности.
Большой формат чертежа для печати
Рис. 6. Реверс-редуктор на базе коробки «ГАЗ-53» с цепной передачей заднего хода.
1 — входной вал; 2—втулка подшипника; 3—подшипник 50209К; 4 — втулка бронзовая; 5—шестерня первичного вала; 6 — муфта переключения третьей и четвертой передач с деталями синхронизатора; 7 — крышка коробки передач с механизмом переключения; 8— втулка (из шестерни третьей передачи); 9— звездочка с цепью; 10—втулка (осевой зазор 0,2 мм); 11 — подшипник № 307К; 12 — крышка подшипника; 13 — подшипник 42207К; 14 — шестерня промежуточного блока (ведомая); 5—втулка шестерни; 16—звездочка; 17—вал выходной; 18 — втулка распорная; 19 — подшипник 50307; 20—фланец выходной; 21 — сальник «ГАЗ-53»; 22—крышка подшипника
На графиках (рнс. 3) приведены расчетные значения ресурса работы шестерен в зависимости от снимаемой мощности (режимы работы двигателя аналогичны показанным на рис. 1 и 2). Следует отметить, что длительная работа на 2-й передаче допустима только при принудительном охлаждении коробки.
Изменение направления вращения гребного винта за счет включения шестерен заднего хода также не лишено недостатков. Отсутствие синхронизаторов у этих шестерен приводит к появлению треска при включении заднего хода даже с отжатым сцеплением при движении катера вперед по инерции. Это объясняется тем, что после выключения переднего хода винт под действием набегающего потока воды продолжает вращаться в прежнюю сторону. Диск сцепления с промежуточным блоком шестерен медленно поворачивается также в направлении переднего хода. При включении заднего хода этот диск (поскольку его момент инерции меньше, чем у винта) почти мгновенно должен изменить направление вращения, что сопровождается сильным ударом зубьев шестерен. Другим, и пожалуй, еще большим недостатком, является то, что из-за большого передаточного отношения шестерен коробки число оборотов винта на заднем ходу значительно меньше, чем на переднем. В связи с тем, что упор винта пропорционален числу оборотов в квадрате, скорость катера на заднем ходу оказывается слишком малой. На рис. 4 представлены ориентировочные значения максимальной скорости на заднем ходу в зависимости от максимальной скорости переднего хода (обозначения на графике такие же, что и на рис. 1 и 2). В связи с тем, что различие между
Большой формат чертежа для печати
Рис. 7. Реверс-редуктор в сварном корпусе с использованием готовых шестерен коробки «ГАЗ-53».
1 — гайка корончатая; 2 — фланец выходного вала; 3 — входной вал; 4 — крышка подшипника; 5—корпус подшипника 50209К; 6 — шестерня первичного вала; 7 — муфта переключения с деталями синхронизатора; 8— механизм переключения; 9— втулка (шестерни третьей передачи); 10 — звездочка; 11 — крышка коробки; 12—рычаг реверса; 13 — вариант с первичным валом под стандартную коробку; 14 — выходной фланец редуктора; /5—крышка подшипника с сальником «ГАЗ-53»; 16 — подшипник 309; 17 — вал выходной; 18 — шестерня промежуточного блока; 19— втулка шестерни; 20 — втулка звездочки; 21 — распорная втулка; 22—подшипник 50307К («ГАЗ-53»); 23—корпус редуктора; 24—крышка подшипника; 25 — вариант с выходом на «прямую сторону».
Рис. 8. Усиление подшипникового узла выходного вала коробки «ГАЗ-21».
2 — подшипник 306; 2— подшипник упорный 8206; 3 — трубка охлаждения (8X1) (паять ПМЦ, ПОС 40); 4— корпус; 5 —втулка распорная; 6 — сальник «ГАЗ-21»; 7—фланец кардана; 8— стяжной болт МШ; 9 — шайба; 10 — полумуфта; II — предохранительный болт М10 (латунь, диаметр проточки 7—8 мм); 12— втулка; 13 — вал гребной.
Доработка коробок передач
В любительской практике производится ряд переделок, позволяющих более эффективно использовать автомобильные коробки передач в качестве реверс-редукторов.
К ним относится установка вместо зубчатой цепной передачи заднего хода. Подобная переделка подробно описана в статье И. И. Бореля («КЯ» № 41). Установка цепной передачи позволяет получить приемлемые передаточные отношения на заднем ходу, а наличие синхронизаторов помогает осуществлять мягкое включение как переднего, так и заднего хода.
В коробке двигателя «ГАЗ-21» срезаются зубья шестерен I и II передачи на блоке промежуточных шестерен на место шестерни II передачи устанавливается ведущая звездочка цепной передачи. Ведомая звездочка насаживается на уступ, проточенный на шестерне II передачи выходного вала. При этом полностью сохраняются синхронизаторы, на переключение производится одним рычагом. Такая переделка возможна у коробок передач двигателей «УМЗ-412», «ВАЗ», «ЗМЗ-24» как при использовании на прямой, так и на второй передаче (рис. 5).
Переделка коробки «ГАЗ-21» при работе на второй передаче будет менее удачной из-за отсутствия синхронизатора на I передаче и необходимости переключения хода двумя рычагами.
Для изготовления цепной передачи лучше использовать двухрядные моторные цепи от мотоцикла «ИЖ-Ю» или привода кулачкового вала двигателей «УМЗ-412» и «ВАЗ» с шагом 9,525 мм. В случае применения для коробок передач двигателей «ГАЗ-21» или «УМЗ-412» одинаковых звездочек с нечетным числом зубьев на цепь нужно устанавливать натяжное устройство (этот случай описан в упоминавшейся статье И. И. Бореля). Более простым вариантом, не требующим натяжного устройства, для двигателя «ГАЗ-21» будет установка на промежуточном валу звездочки с 26 зубьями, а на вторичном с 18 (можно использовать ведущую звездочку «УМЗ-412»). Большее, но допустимое провисание цепи получается, если на промежуточный вал коробок «ГАЗ-21» и «УМЗ-412» установить звездочку с 19 зубьями (ведущая звездочка двигателей «ВАЗ»), а на вторичном валу — с 17 зубьями (звездочка натяжного устройства двигателей «УМЗ-412»).
Другим мероприятием, позволяющим увеличить ресурс работы промежуточных шестерен является повышение их износоустойчивости. Это может быть достигнуто применением шестерен с цементированным зубом, имеющим твердость HRC = 57—65, вместо цианнрованных шестерен двигателя «ГАЗ-21» с твердостью HRC = = 48—56.
Встречаются рекомендации увеличения ширины зубчатых колес для повышения их нагрузочной способности. Действительно, расчеты показывают, что увеличение ширины колес в 2 раза приводит к увеличению их долговечности при малых нагрузках в 5—10 раз, а прн больших нагрузках в 3—5 раз. Однако такое увеличение достижимо лишь при идеальном соблюдении как углов наклона зубьев, так и параллельности валов. В действительности всегда имеется перекос зубьев, связанный как с погрешностью обработки шестерен или перекосом шестерни, насаженной на вторичный вал, в связи с неравномерным износом бронзовой втулки, так и с прогибом валов под нагрузкой, причем эти погрешности оказываются
тем больше, чем шире зубчатые колеса. В результате этого увеличение ширины шестерни в два раза приводит к увеличению ее ресурса всего в 3 -г- 0,8 раз, т. е. при малой точности изготовления ресурс может даже уменьшиться. Если есть уверенность в качественном изготовлении новых шестерен, то наиболее просто эта задача решается, если ограничиться переделкой только наиболее нагруженной второй пары шестерен (эскиз такой переделки представлен на рис.5).
Увеличить ресурс коробки при работе на промежуточных передачах можно взяв ее от более мощного двигателя. Например, установить на двигатель «УМЗ-412» коробку от «ГАЗ-21» или, что еще лучше, от «ЗМЗ-24». В этом случае помимо изготовления переходной проставки необходимо провести доработку первичного вала под подшипник, запрессованный в коленчатый вал, и шлицов ведомого вала сцепления. Учитывая, что первичный вал термообработан, проще изготовить новую ступицу ведомого диска сцепления под увеличенные шлицы. Материал ступицы — сталь 40Х, 45, термообработка НВ = 160—240. Такая замена повысит ресурс передачи в 2—3 раза по сравнению со штатной коробкой двигателя. Ее особенно целесообразно производить для двигателей «МЗМА-402», «-407».
Весьма надежный реверс-редуктор (ресурс до 3000 и более часов) можно изготовить, используя коробки передач грузовых автомобилей «ГАЗ-53» или «ЗИЛ-130>, шестерни которых имеют синхронизаторы (рис. 6).
Последовательность переделки коробки следующая. На отрезном круге отрезается шестерня от первичного вала. Далее на внутришлифовальном станке растачивается посадочное отверстие в шестерне (его диаметр должен быть больше внутреннего диаметра под ролики подшипника). Допустимое радиальное и торцевое биение наружного диаметра зубьев при расточке не более 0,02 мм. Далее на оправке шлифуется торец шестерни (в месте отрезки) и в нее запрессовывается бронзовая втулка (ОФ, ОСЦ) (дет. 4, рис. 6). С шестерни третьей передачи зубья срезаются и она протачивается под посадку звездочки 9. Шестерня с промежуточного вала срезается при помощи кислородоацетиленовой резки (зубья при этом обматывают мокрыми тряпками), и далее она растачивается для приварки к переходной втулке 15.
Валы (1, 17) изготовляют из сталей 35Х, 40Х, 45. Термообработка вала 1 в районе шлицов и шеек под бронзовые втулки — закалка HRC = = 48—55. Форма первичного вала зависит от места расположения реверс-редуктора. Если он располагается на месте коробки передач, то конфигурация свободного конца первичного вала должна повторять форму такого вала штатной коробки передач двигателя. Наличие мощных синхронизаторов позволяет производить переключение с заднего на передний ход даже на повышенных холостых оборотах двигателя (до 1000—1200 об/мин) без использования сцепления. Поэтому ведомый диск сцепления можно наглухо привинтить к маховику, нарезав в нем 8—10 отверстий М8, а нажимной диск, его кожух и другие детали сцепления не использовать.
Упор винта передается на шариковый подшипник 19 (50307). При применении редуктора на тяжелых катерах целесообразно разгрузить подшипник, поставив дополнительный упорный. Недостаток коробок грузовых автомобилей — их большие габариты и вес корпуса. Значительно уменьшить их можно, если изготовить сварной корпус (рис. 7). Особенности изготовления сварного корпуса редуктора будут даны в одном из следующих номеров при описании технологии изготовления самодельного углового редуктора.