Б. Е. Синильщиков, Ю. Н. Мухин «Катера и яхты» №2 (66) март-апрель 1977г.
Реверс-редукторы любительской постройки. Продолжение. Начало «КЯ» №65
Восприятие упора штатными коробками передач
При передаче упора на штатный подшипник он будет иметь ограниченный ресурс (400—600 часов). Увеличение моторесурса этого узла достигается установкой дополнительного упорного подшипника (№ 8206) и применением охлаждения за счет подачи воды в припаянный к крышке змеевик (рис. 8). Выходной вал коробки передач двигателя «ГАЗ-21» имеет большую длину, так как на нем установлен корпус ручного тормоза. Уменьшить габариты можно, установив в коробку выходной вал от двигателей «ГАЗ-69» или «М-20», которые совершенно взаимозаменяемы, но короче.
Как показывает опыт эксплуатации, охлаждения только крышки достаточно для нормальной работы коробки даже на II передаче. Но лучше при эксплуатации коробки на понижающих передачах размещать змеевик в нижней части так, чтобы площадь его, омываемая маслом, составляла не менее 40—50 см2.
В коробке передач «УМЗ-412» передать упор на штатный подшипник можно в том случае, если зафиксировать скользящую вилку кардана на ведомом валу. На рис. 5 (вариант 5) показан такой простейший способ крепления, при котором к торцу вала приваривается резьбовая бобышка, а в отверстие вилки — кольцо (приварка возможна без разборки коробки). Более сложная переделка (рис. 5, вариант А) — обрезка вторичного вала по шейке шестерни спидометра и изготовление корпуса под подшипник и сальники вместо удлинителя, с последующей приваркой к концу вала втулки со шлицами или шпонкой и напрессовкой на вал втулки 15 под более мощный подшипник (№ 210).
Валопровод
Гребной вал в большинстве случаев передает не только крутящий момент двигателя, но и упор винта. На больших судах, имеющих длинный валопрород, целесообразно разгрузить вал от упора винта, при этом упорный подшипник располагается в непосредственной близости от винта. Однако для малых катеров такое решение не оптимально в связи с малой длиной гребного вала, который не теряет устойчивости под действием упора.
Даже в тех случаях, когда двигатель не может быть установлен на одной оси с гребным валом и соединяется с последним при помощи карданного шарнира, целесообразно передать упор через кардан на коробку передач. Необходимость введения в валопровод карданного вала появляется в том случае, когда угол наклона гребного вала превышает допустимый угол наклона двигателя, который у верхнеклапанных двигателей может достигать 10—12° относительно линии киля для глиссирующих катеров (с учетом ходового дифферента 3—5°). Для двигателей нижнеклапанных («ГАЗ-20», «М-402» и т. д) этот угол должен быть еще меньше (не более 10°). На рис. 9 показано соединение гребного вала с реверс-редуктором при использовании одного карданного шарнира, передающего упор на реверс-редуктор. Следует иметь в виду, что дополнительное усилие от упора винта, действующее на вилку кардана, даже в худшем случае не превышает 15—25% от усилий, связанных с передачей крутящего момента. Однако, по возможности лучше установить карданный шарнир от двигателя большей мощности, так как штатный шарнир рассчитан на длительную работу с крутящим моментом, составляющим половину от максимального.
Как известно, работа карданного шарнира с перекосом приводит к появлению переменной составляющей скорости вращения, которая дважды за оборот изменяет свой знак. Максимальная величина этой дополнительной скорости увеличивается пропорционально квадрату угла перекоса валов. Наличие этой скорости вызывает появление знакопеременных нагрузок в деталях реверса и валопровода. При углах перекоса до 4° величины дополнительных напряжений, как правило, не превышают 25% от напряжений, возникающих за счет передачи крутящего момента. При большей величине угла перекоса знакопеременные напряжения резко увеличиваются. Это может привести к поломке деталей валопровода из-за усталостных напряжений. Следует отметить, что неравномерность угловой скорости может привести к возникновению на некоторых режимах резонансных крутильных колебаний гребного вала, что еще более увеличивает вероятность поломки деталей валопровода. Поэтому при углах перекоса одиночного карданного шарнира больше 3—4° необходимо ставить упругие муфты. Заметим, что постановка таких муфт крайне желательна при отсутствии в реверсе синхронизаторов (по аналогии с подвесным мотором, где такая муфта расположена в винте). Только в тех случаях, когда угол перекоса валов превышает 9—10° необходимо ставить два шарнира. Демпфирование переменного крутящего момента в муфте (рис. 9) осуществляется за счет резиновых секторов 14, вырезанных из листовой резины. К фланцам полумуфт 15, 24 приварены по три ребра высотой 18 мм. Обе полумуфты стянуты через резиновые кольца 16 и стальные кольца 17 болтами 27; отверстия под болты во фланцах сверлятся диаметром на 2—3 мм большим для компенсации угловых перемещений полумуфт. Для предотвращения выпадания секторов 14 служит кольцо 26, приваренное к одной из полумуфт.
Вариант А
Рис. 9 Валопровод с эластичной муфтой и дейдвудным сальником.
1— киль; 2 — гребной вал; 3—дейдвудная труба; 4—крепление резинотканевой трубы 5; 6— втулка (сталь нержавеющая); 7 — корпус сальника (текстолит); 8— штуцер подвода воды для смазки; 9—манжеты сальника; 10— шайба защитная; 11 — кольцо стопорное; 12—предохранительный болт М10 (латунь, диаметр проточки 7—8 мм); 13 —центрирующая втулка (капрон, резина); 14— резиновый амортизатор; 15—полумуфта; 16 — кольцо резиновое; 17—кольцо стальное; 18 — шайба; 19—шплинт; 20— гайка корончатая; 21 — крестовина кардана; 22—шпонка; 23 — корпус муфты предохранительной; 24 — полумуфта; 25—гайка М8; 26 — обечайка муфты; 27 — болт М8; 28 — фланец кардана; 29—стопорное кольцо; 30—болт М10Х35; 31 — фланец кардана; 32 — выходной вал редуктора; 33 — вилка кардана, отрезанная от трубы.
Рис. 10. Тяга.
1 — амортизатор; 2—лапа крепления двигателя; 3 — шайба стальная диаметром 40; 4—шайба (резина); 5—шпилька М12—М14; 6—кронштейн; 7—подмоторная рама.
При работе с карданным шарниром полумуфты все время проворачиваются друг относительно друга (правда, величина этого угла не превышает 20—30). Для того чтобы исключить износ цилиндрического сопряжения деталей 15 и 24 применяется резиновая втулка 18, вырезанная на токарном станке из листовой резины. В другом варианте вместо резиновой втулки на деталь 24 насаживается капроновая втулка, но тогда сопрягающаяся с ней поверхность отверстия детали 15 должна быть термообработана (HRC не менее 45). Полумуфта 24 соединяется с валом при помощи латунного срезного болта. Применение срезного болта позволяет уменьшить опасность повреждения валопровода и винта при ударах о подводные препятствия, особенно на малых скоростях. В связи с этим применять срезные болты целесообразно и для фланцевых муфт (рис. 9). Так как болт срезается по проточке, то обломки его легко удаляются из полумуфт. Упор на переднем ходу передается от вала на детали 23, 24, 14, 15, 28, а на заднем — на детали 18, 24, 16, 27, 15, 28. Усилие затяжки гаек и болтов 27— 0,5 кг-м; после затяжки необходимо проверить параллельность фланцев полумуфт 15, 24 (непараллельность допустима не более 0,1 мм), после чего гайки зашплинтовываются. Наиболее целесообразно применять кардан из двух вилок с фланцами (правда, для этого два карданных вала от автомашины придется разобрать). Если такой возможности нет, можно применить другой вариант (рис. 9, Б) с использованием шарнира заднего конца карданного вала без распрессовки крестовины. Для этого первоначально ножовкой отпиливается вилка кардана с приваренным куском трубы длиной 4 см. Далее за эту трубу кардан зажимается в токарном станке и на малых оборотах протачивается канавка по сварочному шву, соединяющему трубу с вилкой. Диаметр канавки на 2 мм меньше внутреннего диаметра трубы. После этого ножовкой пропиливают продольный паз в трубе и ее отделяют от вилки. Отверстие в полумуфте 15 растачивают по тугой посадке относительно вилки (для «ГАЗ-21» 0 71,2 П). Вилку 33 запрессовывают в полумуфту до упора, однако перед приваркой целесообразно полностью собрать муфту с валом, укрепить шарнир на фланце редуктора, а конец вала положить на призму. Биение вала в районе муфты не должно превышать 0,2 мм. Причиной повышенного биения может быть неправильная сборка самого кардана (разная глубина запрессовки крышек крестовин или перекос при запрессовке). Окончательную приварку можно производить без разборки кардана, накладывая попеременно короткие швы и охлаждая вилку так, чтобы температура ее в районе крестовин не превышала 100—120°.
Несколько слов о минимально допустимых диаметрах гребных валов. При использовании двигателя «УМЗ-412» на прямой передаче этот диаметр должен быть не менее 27 мм. Применение второй передачи потребует увеличить диаметр до 30 мм. Для двигателя «ГАЗ-21» на прямой передаче этот диаметр составляет 28 мм, на второй передаче — 30 мм. Длина вала не должна превышать 50 диаметров в случае применения фланцевых муфт, и 40 диаметров для шарнирных муфт при работе на понижающей передаче и 40 и 30 диаметров соответственно при работе на прямой передаче. Длина вала измеряется от фланца редуктора до резинометаллического подшипника. Материалы для валов — стали 2X13, 1Х18Н10Т, 35, 40, 40Х. В случае применения сталей, подверженных коррозии, в районе дейдвудного сальника и резинометаллического подшипника необходимо установить втулки из нержавеющей стали (лучше 3X13, термообработанной до HRC = 30, или хромированной). Срок работы таких втулок значительно выше, чем бронзовых. Укрепить их лучше всего на эпоксидной смоле по посадкам А3/С3. При необходимости замены такой втулки на отрезном круге или при помощи ножовки в ней прорезается продольный паз, после чего она легко отделяется.
На рис. 9 показано также эластичное крепление дейдвудного сальника, позволяющее снять радиальные нагрузки на манжеты. Такое крепление уменьшает передачу вибрации от гребного вала на корпус, облегчает центровку валопровода, и повышает надежность уплотнения. Корпус сальника изготовлен из текстолита, и при смазке водой он очень износостоек. Учитывая набухание текстолита, зазор между втулкой вала и корпусом должен быть не менее 0,30 мм. В корпусе необходимо предусмотреть несколько продольных грязеулавливающих канавок, предназначенных для отвода смазывающей воды (см. «а», рис. 9). Для того чтобы уменьшить износ сопряжения, рекомендуется его смазывать отфильтрованной водой, подводя ее из системы охлаждения двигателя (трубка 8).
Рис. 11. Компоновочные схемы V-образных передач с двигателем «ГАЗ-21»: а — вариант с самодельным цилиндрическим редуктором; б — вариант с самодельным угловым редуктором; в — вариант с использованием цилиндрического реверс-редуктора, изготовленного на базе деталей коробок передач грузовых автомобилей.
Резинометаллический подшипник, на который обычно опирается задний конец вала в большинстве случаев изготавливается методом вулканизации (см. книгу «15 проектов судов для любительской постройки»). Однако в любительских условиях не всегда удается провести качественную вулканизацию резины, да и разброс диаметров отверстий получается недопустимо большим. Изготовить такой подшипник можно другим способом. В бронзовую втулку подшипника на эпоксидном клее вставляется необходимое число колец, вырезанных из листовой резины, наружный диаметр которых на 0,5^1,0 мм больше внутреннего диаметра втулки, а внутренний — меньше диаметра вала. После полимеризации клея внутренний размер отверстия растачивается до необходимого (зазор между валом и резиновой втулкой должен быть 0,2 мм) на внутришлифовальном станке. Расточку можно произвести и на обычном токарном станке, если в суппорт закрепить высокооборотную сверлилку с насаженным на оправку абразивным кругом диаметром 25— 20 мм. После расточки необходимо ножом прорезать 4—6 треугольных канавок глубиной 2 мм.
При применении карданного шарнира, эластичного дейдвудного сальника и резинометаллического подшипника двигатель целесообразно устанавливать на амортизаторы, что снижает уровень вибрации и, следовательно, шум. Лучше всего использовать штатные амортизаторы данного двигателя. В случае установки более мягких амортизаторов уровень вибрации понижается незначительно, но заметно увеличивается отклонение двигателя на амортизаторах относительно рамы (на волнении, при резком открытии дросселя и т. д.). При увеличении жесткости амортизатора уровень вибрации возрастает и, начиная с определенной величины жесткости, этот уровень может быть даже выше, чем при жестком креплении двигателя. Это объясняется тем, что с увеличением жесткости увеличивается собственная частота колебаний двигателя на амортизаторах, и ее значение становится таким же, как и частота вращения коленчатого вала. Это приводит к возникновению резонанса. При правильно подобранных амортизаторах собственная частота колебаний двигателя меньше числа оборотов двигателя на холостом ходу. В этом случае при отключении одного цилиндра двигатель начинает «трясти», так как частота возмущающей силы становится в два раза меньше чисел оборотов, т. е. возникает явление резонанса.
Рис. 12. Компоновочные схемы V-образных передач с двигателем «УМЗ-412» (а, б, в — см. рис. 11).
Для того чтобы разгрузить амортизаторы от упора винта, можно применить по две реактивные тяги (рис. 10) по аналогии с двигателями «ГАЗ-51», «ГАЗ-52». Следует иметь в виду, что применение амортизаторов эффективно только при грамотно выполненной установке винта. В случае близкого расположения винта к днищу, применения плохо обтекаемого кронштейна или дейдвуда, плохой балансировки винта, разношаговости отдельных его лопастей и т. п. уровень вибрации на катере за счет работы винта будет больше, чем за счет работы двигателя, поэтому в этом случае установка его на амортизаторы вряд ли приведет к заметному ее снижению.
Компоновочные схемы угловых передач
Для катеров, рассчитанных на движение в режиме глиссирования, или на переходном режиме, выбор прямого валопровода с расположением двигателя в центре судна оказывается весьма неудачным как с точки зрения центровки, так и с точки зрения обитаемости. Поэтому на таких катерах широкое применение нашли более компактные и дающие кормовую центровку угловые V-образные передачи. Эти передачи включают в себя либо два карданных шарнира в сочетании с цилиндрическим редуктором, либо специальный угловой редуктор. Угловые редукторы могут иметь или винтовую (редуктор «УРР-20», см. «КЯ» № 29) или коническую зубчатую передачу (редуктор «УРР-22», см. «КЯ» № 29; самодельный редуктор, см. «КЯ» № 50).
В связи с тем, что для винтовой передачи используются обычные цилиндрические косозубые колеса, такие редукторы более просты в изготовлении, чем редукторы с конической передачей, для изготовления которой требуется малораспространенное специализированное оборудование.
На рис. 11 и 12 представлены типичные компоновочные схемы V-образных передач для наиболее распространенных двигателей «ГАЗ-21» и «УМЗ-412». На схеме «а» (рис. 11 и 12) показаны варианты, при которых реверсирование осуществляется штатной коробкой передач (желательно с доработками, о которых говорилось в начале статьи — см. «КЯ» № 65) и применен отдельно закрепленный самодельный цилиндрический редуктор, связанный с выходным валом коробки передач при помощи двойного карданного шарнира. Эта передача имеет большие габариты и повышенную шумность, но наиболее проста в изготовлении.
На схемах «б» показаны варианты наиболее компактных передач, в которых вместо цилиндрического редуктора использован редуктор с винтовой передачей. Эта передача имеет самую низкую шумность, так как в ней нет карданных шарниров, а винтовые шестерни хорошо прирабатываются.
На схемах «в» представлены варианты с использованием отдельно закрепленного цилиндрического реверс-редуктора (см. рис. 6 и 7, КЯ № 65). Этот редуктор сделан с использованием деталей коробок скоростей грузовых автомобилей. Преимущество этой передачи — надежность реверс-редуктора, что улучшает эксплуатационные возможности катера, а недостатки — относительно большая длина гребного вала, а также повышенная шумность.
Габаритные и компоновочные размеры на приводимых рисунках определены для винта, имеющего диаметр 380 мм, при расстоянии от транца до двигателя 400 мм. Это расстояние нужно выдерживать, если по обеим сторонам двигателя есть проход примерно такого же размера. В этом случае запуск двигателя ручкой осуществляется непосредственно из моторного отделения. Если по каким-то компоновочным причинам ширина боковых проходов (хотя бы одного) менее 400—450, то выдерживать и расстояние до транца нет необходимости, так как заводить двигатель ручкой будет практически невозможно.
В этом случае расстояние от транца можно уменьшить до 150— 200 мм, установив на шкив коленчатого вала пусковой диск диаметром 250—300 мм для запуска шнуром или предусмотреть заглушаемое отверстие для заводной рукоятки в транце.
Излом вала на каждом карданном шарнире вариантов «а» выбран максимально допустимым (9°—10°). Для того чтобы обеспечить постоянство скоростей вращения первичного вала редуктора, вилки карданного вала должны лежать в одной плоскости, а углы излома вала на каждом шарнире должны быть одинаковы. В тех случаях, когда это соблюсти трудно (например, для схем «в» рис. 11), разность углов излома во избежание появления чрезмерных динамических нагрузок не должна превышать 3°.
Рис13. Крепление навесного углового редуктора к коробке передач
1—коробка передач с цепным реверсом: 2—проставка; 3—полумуфта; 4—упругий элемент; 5—полумуфта; 6 — угловой редуктор
Рис 14. Упругий карданный шарнир
Вариант 1
1—выходной вал;1 2—полумуфта; 3 — шайба диаметром 32; 4 — резина кордная (лента транспортерная тканевая, прорезиненная, общая толщина 12—18 мм); 5 — полумуфта; 6 — болт чистый М12; 7 —гайка прорезная М12 (ГОСТ 5933-62), момент затяжки 0,5 кгм; 8 — шплинт 2,5X26; 9— промежуточный вал; 10—подшипник 1203 или шаровой шарнир ШС17; 11 — кольцо внутреннее ВК нли ВЭ; Примечание. Диаметр «Л» в мм определяется по зависимости Л= = (6/7)М, где М — крутящий момент (с учетом передаточного отношения), в кгм. При уменьшении числа болтов в каждой полумуфте до 2-х диаметр А следует увеличить на 40—50%. По варианту I поверхность сферы и отверстия под нее в полумуфтах 2 и 5 калить HRC 50-60
Рис. 15. Крепление вала к двигателю со снятой коробкой передач («ГА3-21»).
Условно развернуты в плоскость
1 — первичный вал коробки передач с подшипниками; 2—муфта с выжимным подшипником (штатная); 3—крышка подшипника первичного вала; 4—передний сальник (диаметр=32); 5—крышка специальная; 6—пресс-масленка 1—А1; 7 —сальник (диаметр=45); 8—кольцо пружинное ВЭ-80; 9—фланец (сталь 35) (приварить к валу 1; зубья синхронизатора срезать перед приваркой и нагреть конец вала до 300°); 10—вилка кардана; 11 — шпильки крепления коробки передач.
Рис. 16. Компоновка V-образной передачи с угловым редуктором при обычном (пунктирные линии) и развернутом на угол β редукторе.
Следует иметь в виду, что уровень шума от шарниров и шлицевого соединения, если они имеют повышенный износ, может превосходить даже шум двигателя (правда, в какой-то мере это объясняется и тем, что шарниры расположены ближе к пассажирам, чем двигатель).
Ввиду невозможности произвести динамическую балансировку укороченного карданного вала, уровень вибрации также может быть достаточно высоким.
Для повышения жесткости крепление гребного вала в вариантах «а» и «в» лучше производить при помощи фланцевых муфт.
Несколько уменьшить (на 200— 250 мм) габариты установки двигателя «УМЗ-412» в варианте «а» (рис. 12) можно, укоротив удлинитель коробки передач (укороченная коробка показана в варианте «б»).
Для схемы «б» возможны два варианта соединения коробки передач с редуктором. Первый — соединение при помощи упругой муфты (как на рис. 9), но без центрирующей втулки 13, а также без деталей 16, 17, или при помощи эластичной муфты от двигателей «ВАЗ» (также без установки центрирующей втулки). Несоосность вторичного вала коробки передач и вала редуктора при этом не должна превышать 0,25 мм, а угол перекоса осей валов допускается не более 1,5°. В этом варианте двигатель и редуктор должны крепиться или жестко к фундаментным брусьям или редуктор необходимо навешивать на коробку передач (рис. 13). Тогда двигатель вместе с редуктором устанавливается на амортизаторы, а соединение гребного вала с редуктором должно производиться при помощи упругой муфты (как показано на рис. 9, но, естественно, без карданного шарнира). Применение упругой муфты приводит, как об этом говорилось выше, к ограничению длины вала (не более 40 диаметров), но одновременно уменьшается уровень шума и вибрации катера.
Второй вариант предусматривает соединение двигателя с редуктором при помощи короткого (около 100— 200 мм) упругого карданного вала. Такой карданный вал должен иметь на концах упругие муфты, аналогичные изображенным на рис. 9, или муфты, применяемые на двигателях «СМ» или катере «Амур». Можно использовать также две эластичные муфты от двигателя «ВАЗ» или муфты, в которых используются кольца листовой кордной резины (по типу муфт, применяемых на катерах «КС» (см. рис. 14). Двигатель в этом случае лучше укрепить на амортизаторах, а редуктор жестко.
Уменьшить уровень вибрации установкой отдельно закрепленного редуктора на амортизаторы в любительских условиях, как правило, не удается. Это связано с малым весом редуктора и большими нагрузками (упор винта), действующими на него.
На позиции «в» (рис. 11) представлен вариант с использованием реверс-редуктора в корпусе коробки передач грузового автомобиля (см. рис. 7). Как видно, установка первого карданного шарнира на маховике увеличивает длину установки. Уменьшить ее можно, использовав дополнительный вал (рис. 15). Этот вал опирается, так же как и первичный вал коробки передач, на два подшипника; один — запрессованный в проточку коленчатого вала, другой — запрессованный в специальную крышку 5, которая крепится к картеру сцепления вместо коробки передач. Крутящий момент от маховика двигателя передается через штатный диск сцепления. Изготовить такой дополнительный вал можно из штатного первичного вала коробки передач. У него срезаются зубья шестерни, на их месте шлифуется шейка под сальник (от переднего конца коленчатого вала или переднего колеса «Москвича-412»). Фланец 9 под карданный вал приваривается к зубьям синхронизатора. Для того чтобы уменьшить возможность вытекания консистентной смазки, 20-30 г которой необходимо заложить в полость подшипника, для двигателей «ГАЗ» и «ЗМЗ» можно изготовить новую крышку подшипника первичного вала 3 с канавкой под сальник 4.
Обычно в угловых редукторах, например, в угловом редукторе «УРР-20», ось двигателя лежит в плоскости, параллельной ДП, и смещена к правому борту на расстояние А, равное 112,5 мм. Недостатком такой компоновки является малое расстояние между поддоном двигателя и килем катера. Избавиться от этого недостатка в какой-то мере можно, если повернуть редуктор вокруг гребного вала на угол f>, равный 18—25° (рис. 16). При этом ось двигателя оказывается под некоторым углом к диаметральной плоскости катера, а центр тяжести двигателя перемещается в направлении к ДП.
Положение двигателя под углом к ДП несколько необычно, однако это позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с общепринятой компоновкой, в том числе увеличить зазор между поддоном и килем катера. Зная значения углов α2 (угол между валами редуктора) и β (угол наклона редуктора), величину углов α1 (угол между валами в вертикальной плоскости) и γ (угол между валами в горизонтальной плоскости), можно определить по следующим зависимостям
tg α1, = tg α2cos β;
tg γ = tg α2 sin β.
При этом входной вал приподнимается над выходным на величину С, измеряемую в вертикальной плоскости, проходящей через центры шестерен
С = A sin β.
Продолжение следует