В. Е. Синильщиков, Ю. Н. Мухин «Катера и яхты» №3 (67) май-июнь 1977г.
Реверс-редукторы любительской постройки
Окончание. Начало см. «КЯ» №65,66
Самодельный угловой редуктор
Изготовление редуктора с пересекающимися валами (рис. 15) по трудоемкости не отличается от изготовления простейшего редуктора с одной парой цилиндрических зубчатых колес. Все отличие заключается лишь в разных углах наклона зубьев на колесе и шестерне и необходимости при расточке посадочных мест под подшипники развернуть корпус редуктора на заданный угол (а).
Корпус редуктора состоит из двух щек 14, соединенных на сварке по периметру прямоугольными пластинами, в отверстия щек вварены корпуса подшипников. Для увеличения жесткости конструкции предусмотрены ребра. В верхней крышке редуктора сделай лючок для удобства осмотра, обслуживания и монтажа.
Охлаждение редуктора осуществляется подачей воды в рубашку охлаждения, приваренную к нижней части корпуса редуктора 15.
Уплотнить выходные концы валов можно с помощью стандартных уплотнительных манжет. Ведущий вал редуктора, в частности, можно уплотнить манжетами от передних колес мотоцикла «М1М» или автомобиля «Жигули», либо манжетой с переднего конца коленвала двигателя «ВАЗ». Для уплотнения выходного вала редуктора можно применить манжету с внутренним диаметром 45 мм от переднего конца коленчатого вала или ступицы переднего колеса автомобиля «Москвич-412».
Упор винта воспринимается радиальным подшипником № 208, установленным на переднем конце выходного вала. В случае использования редуктора на тяжелом катере при постоянной работе двигателя с большими нагрузками вместо подшипника № 208 целесообразно использовать подшипник № 308.
При сварке коробки редуктора в щеки вставляются заготовки корпусов подшипников с припусками на внутренних диаметрах для дальнейшей расточки после сварки. Внутрь заготовок вставляются центрирующие оправки и производится вварка корпусов подшипников с контролем величины угла между валами. Далее привариваются центровая бобышка 18 и ребра жесткости к корпусам подшипников и щекам. Необходимо также приварить технологические платики 19 для создания базы при расточке. После сварки корпус редуктора необходимо отпустить (подвергнуть низкотемпературному отжигу) для снятия внутренних напряжений, остающихся после сварки. В противном случае может произойти коробление корпуса уже после расточки или даже при эксплуатации редуктора, что приведет к изменениям как межцентрового расстояния, так и угла между валами.
Наружные поверхности платиков 19 опиливаются так, чтобы они находились в одной плоскости и поворот редуктора при расточке производится относительно шипа 18. Отклонение оси шипа относительно осей валов не должно превышать 0,3—0,4 мм. Угол разворота редуктора после расточки первой пары отверстий (вернее, не непосредственно угол, a tg а1/2 нужно задавать при помощи большого рычага (длиной 500 мм и более), прикрепленного к корпусу редуктора, делая замеры по рычагу. Можно задать угол поворота и по шаблону, который упирается в предварительно обработанные боковые поверхности платиков 19. В тех случаях, когда полученный после расточки угол перекоса валов будет отличаться от расчетного больше чем на ±10, необходимо внести коррекцию в углы наклона зубьев шестерни.
Изготовление зубчатых колес имеет ряд особенностей, связанных со сложностью шлифовки колес после термообработки и необходимостью подбора процесса закалки для получения минимальных деформаций. При этом для уменьшения коробления колеса при закалке целесообразно изготовлять его с минимальными выборками, которые делают для снижения веса. Следует учесть, что при закалке происходит, как правило, некоторое увеличение диаметров колес и уменьшение угла наклона зубьев. Поэтому их нужно сделать с несколько заниженными размерами (коэффициент коррекции £ = - (0,02/0,03). По той же причине окончательную обработку шеек валов под зубчатые колеса необходимо производить с учетом изменения их размеров после термообработки.
Наиболее доступные марки сталей для изготовления зубчатых колес — 40Х и 45. После механической обработки зубчатые колеса, выполненные из этих сталей, подвергаются объемной закалке до твердости HRC = 37/41 для колеса и 40/45 — для шестерни. Следует иметь в виду, что шестерни, подвергнутые объемной закалке, плохо выдерживают ударные нагрузки, поэтому применение в этом случае срезных болтов и упругих муфт обязательно. Лучшей стойкостью против ударных нагрузок обладают шестерни, выполненные из сталей, подвергаемых поверхностной закалке (ТВЧ или газопламенной). При этом уменьшается и деформация зубчатых колес.
Наилучшей износостойкостью в сочетании с высокой стойкостью к ударным нагрузкам обладают цементированные зубчатые колеса из сталей с малым содержанием углерода, таких как 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ и др.
В связи с тем, что размеры у шестерни при закалке изменяются меньше, чем у колеса, шестерню целесообразно изготовлять в последнюю очередь. Перед ее изготовлением желательно измерить истинные размеры колеса, межцентровое расстояние и угол перекоса валов редуктора (замеры межцентрового расстояния лучше производить, вставив валы без колес, а при измерении угла между валами надо использовать шаблон и точный уровень или квадрант). При необходимости вносятся поправки в угол наклона зубьев и коэффициент коррекции шестерни, чтобы обеспечить зазор в зацеплении в пределах 0,1—0,15 мм.
Ввиду наличия бокового скольжения зубьев шестерен во время работы, редуктор следует заправлять только маслом для гипоидных передач. Время обкатки редуктора зависит в основном от точности изготовления. Первые 3—4 часа обкатка производится на холостом ходу, далее нагрузка увеличивается, причем увеличение зависит от площади пятна контакта зубьев (не рекомендуется увеличивать нагрузку более чем на 30—50% от максимальной, если длина пятна контакта меньше 30—40% от ширины зуба). Обкатку можно считать законченной, если длина пятна контакта достигнет 60% от ширины зуба, а высота — 40% от его высоты. Шумность редуктора по мере обкатки будет уменьшаться, но тем не менее следует быть готовым к тому, что она может остаться повышенной. Это объясняется как относительно большими размерами шестерен, так и погрешностями, неизбежными при изготовлении в любительских условиях. Для уменьшения шума лучше прикрепить редуктор непосредственно к двигателю и тщательно герметизировать моторное отделение.
Рис. 16. Откидная передача.
1—ось (диаметр 15); 2—кронштейн; 3—килек; 4—вал; 5—гайка-обтекатель; 6—полумуфта шлицевая 16X52X60 A2aU2; 7—центрирующая гайка; 8 — полумуфта щлицевая 16X52X60 Л2aS2a Л; 9 —грязезащитное кольцо (резина); 10 — сальники (диаметр внутр.=35 мм);11 —подшипник 206; 12 — вал; 13 — корпус подшипников; 14—втулка (под сварку); 15 — щеки (б=3); 16 — подшипник 820б; 17 — подшипник 20б; 18 — труба 3/4; 19 — опора руля (сталь; втулка —бронза или текстолит); 20 —винт М10; 21 — антикавнтационная плита (б = 2); 22 —ребро (6 = 3-4); 23—брызгоотбойная пластина (б=2); 24 — верхняя опора руля (сборная); 25 — руль; 26— штифт (диаметр = 6); 27—румпель двухрычажный; 28— труба 3/4; 29 — тросы поворота руля; 30—упор оболочки троса; 31 — рычаг защелки; 32 — пружина защелки с вилкой; 33 — прокладки регулировочные (дуб, фанера); 34 — ребро (б=3); 35 — фиксатор; 35—ось рычага защелки; 37—кронштейн рычага защелки; 38—зуб упорный (приварить к рычагу защелки); 39 — болт упорный М12; 40 — ребро поперечное (б = 5, под болты 39 приварены гайки); 41—опорные пластины (латунь, б=5, лунки под центры болтов сверлятся по месту); 42—упор (б=10, приварен к корпусу передачи).
В тех случаях, когда даже по про шествии 10—15 часов работы пятно контакта останется смещенным к торцу шестерни и длина его не будет превышать 30% длины зуба, целесообразно более интенсивно прирабатывать зубья, применив абразивный порошок зернистостью 230—270. Порошок смешивается с гипоидным маслом и эпизодически наносится на вращающиеся с небольшой нагрузкой шестерни. При такой приработке можно уменьшить толщину зуба почти на 0,05 мм. Это позволит выправить погрешности изготовления в том случае, если разность углов наклона зубьев шестерни и колеса отличаются не более чем на 12—15 от угла действительного перекоса валов. Возможно, что подшипники после такой приработки придется заменить, если не принять мер для их защиты. Большие ошибки в изготовлении редуктора при помощи приработки с абразивом исправить не удается, так как при этом существенно искажается профиль зубьев и увеличивается зазор в зацеплении (более 0,25—0,3 мм).
Цилиндрические зубчатые передачи в отличие от винтовых прирабатываются значительно хуже, так как в них отсутствует продольное скольжение зубьев, а профильное скольжение невелико. Поэтому в таких передачах, как правило, не удается приработкой исправить существенные погрешности изготовления. Более того, за счет неравномерного контакта по ширине зуба в его нагруженной части будут накапливаться усталостные напряжения, которые могут привести к выкрашиванию рабочей поверхности зуба еще в процессе его приработки (это относится к зубьям, имеющим высокую твердость). Тем не менее это не исключает применения абразивного порошка для ускорения приработки. С другой стороны, нагрузочная способность цилиндрических передач выше винтовых, что позволяет при одинаковой нагрузке применять зубчатые колеса, имеющие меньшую твердость. В связи с этим может быть принят другой порядок изготовления колес.
Вначале производится черновая обработка зубьев, затем колесо калится до твердости HRC = 32/35 с последующей чистовой обработкой зубьев (такая твердость позволяет производить обработку при помощи обычного зубонарезного инструмента). Закалку шестерни при этом нужно производить (лучше использовать ТВЧ) до твердости HRC = 38/42 без последующей механической обработки. Редуктор, как указывалось ранее, целесообразнее крепить к коробке передач (рис. 16). В тех случаях, когда по каким-то причинам это не удается, в платиках сверлят отверстия для крепления к сварному кронштейну. Аналогичные платики приваривают с противоположной стороны для крепления второго кронштейна.
Шестерни можно также подобрать от коробок передач грузовых автомобилей или тракторов (межцентровое расстояние 90—120 мм). В некоторых случаях можно подобрать практически готовый редуктор. Так, раздаточная коробка автомобилей «ГАЗ-63», «-66», «-69» или «УАЗ-469» с передаточным отношением на понижающей передаче 1,97 может использоваться в качестве цилиндрического редуктора без переделок. Правда, вес и габариты такого редуктора будут больше, чем специально изготовленного.
Откидная передача со шлицевой разобщительной муфтой
Откидная передача со шлицевой разобщительной муфтой, расположенной под водой (рис. 16), была спроектирована одним из авторов этой статьи для мореходного катера «Снарк» (см. «КЯ» № 5, 10, 28). Длительный опыт эксплуатации этой передачи (катер прошел к настоящему времени 30 000 км), а также опыт эксплуатации других катеров с аналогичными передачами, построенных позднее, показал их высокую надежность и неприхотливость в эксплуатационных условиях. Такая передача
обладает основными достоинствами Z-образных колонок, за исключением габаритной осадки при поднятом винте— она на 150—200 мм больше, чем у Z-образных передач.
В то же время конструкция такой передачи значительно проще, чем Z-образной. В отличие от обычных неоткидных передач, вал здесь состоит из двух частей (4 и 12), причем второй вал (12), на который насажен винт, вращается в подшипниках (11, 16, 17), запрессованных в корпус 13, который при ударе о подводное препятствие может откидываться, поворачиваясь относительно оси кронштейнов 2. При этом шлицевая муфта 6, 8 расцепляется, а двигатель глушится или водителем или автоматически за счет срабатывания концевого выключателя зажигания. Для того, чтобы защитить выступающий из дейдвуда вал 4, на глиссирующих катерах приходится устанавливать защитный килек 3. Килек несколько увеличивает смоченную поверхность и осадку катера, но одновременно улучшает его устойчивость на курсе (особенно на попутном волнении). Вал 4 крепится к фланцу редуктора при помощи муфт по типу рис. 8. Если вал короткий (длина менее 35— 40 диаметров), то целесообразно применять упругие муфты (рис. 8). Шлицевые полумуфты 6, 8 лучше всего изготовить из сталей типа 3X13 с закалкой полумуфты 8 до HRC = 45/50, а полумуфты 6 до HRC = 40/45.
Возможно изготовление полумуфт из коррозирующих сталей 45, 40Х. В этом случае при эксплуатации рекомендуется 2—3 раза в месяц поднимать передачу и наносить слой смазки ЦИАТИМ-201 на полумуфту 8 и на гайку 7 так, чтобы при вводе полумуфты в зацепление вся внутренняя полость оказалась заполненной смазкой. Для удобства ввода в зацепление входящие кромки шлицев необходимо заострить. Для уменьшения попадания воды в муфту служит упорное резиновое кольцо Р. Следует также иметь в виду, что в основном шлицы коррозируют после подъема катера на берег, если в муфте остались следы воды. Это также относится и к подшипникам (11, 16, 17). Поэтому, после подъема катера рекомендуется снять корпус подшипников 13 с ввитом и валом 12, выпрессовать муфту 8 и вал 12, слить воду (если она имеется) из корпуса и не собирая оставить на зимнее хранение в сухом месте. Полумуфту 6, которая остается под днищем катера, надо тщательно вытереть и обильно смазать ЦИАТИМом или пушсалом.
Угол перекоса валов (4, 12) не должен превышать 40. Это достигается изменением толщины прокладок 33 и регулировкой упорных болтов 39.
Применение съемного корпуса подшипников позволило не только облегчить обслуживание передачи, но и исключить расточку сварного корпуса /. Размер 070 А4 во втулке 14 при токарной обработке рекомендуется выдерживать на 0,2—0,3 мм меньше, так как после сварки втулку поведет. Доводить эти шейки до окончательного размера можно при помощи напильника и шабера.
Щеки 15 корпуса вырезаются из трехмиллиметрового стального листа. Для повышения прочности в районе приварки втулки 14 и труб 28 поперечное сечение корпуса надо увеличить. Для облегчения гибки в этом месте рекомендуется пропилить 4— 5 вертикальных резов, которые впоследствии завариваются. В нижней части корпуса приваривается труба 18 с нижней опорой руля 19. В верхней части привариваются антикавитациоиная 21 и брызгоотбойиая 23 пластины.
Упор винта передается на транец двумя упорными болтами 39, ввернутыми в поперечное ребро 40. Применение двух болтов значительно уменьшает вибрацию на переднем ходу. Некоторое ее увеличение заметно на заднем ходу, а также при больших углах перекладки руля на переднем ходу, когда один из болтов отходит от транца за счет скручивания корпуса силой, возникающей на руле. От откидывания на заднем ходу передача удерживается рычагом 31, упирающимся в специальный упор 42, приваренный к корпусу. Степень затяжки пружины 32 (можно применить от передней вилки мотоцикла) и соотношение плеч рычага 31 подбираются таким образом, чтобы откидывание передачи происходило под действием силы 300—400 кг, приложенной к нижней части корпуса. Целесообразно применить блокировку, ограничивающую открытие дроссельной заслонки (1/3 от полного) при включении заднего хода. В этом случае натяжение пружины 32 можно уменьшить так, чтобы откидывание передачи происходило под действием силы 100—120 кг.
Увеличивать поджатие пружины 32 сверх рекомендованного нецелесообразно, так как при этом увеличивается вероятность повреждения лопастей винта при столкновении с препятствиями. Усилие откидывания можно уменьшить до 30—40 кг, но при включении заднего хода надо фиксировать передачу выдвижным упором 35, блокирующим рычаг 31. Упор фиксатора при этом посредством гибкого троса нужно связать с механизмом реверса. Аварийным срезаемым звеном в этом варианте служит ось 36 диаметром 5 мм. При плавании по мелководью и при подходе к берегу для уменьшения вероятности повреждения лопастей винта целесообразно вообще выключать блокирующий рычаг 31 тросом с места водителя, подсоединив его к вилке 32.
Руль передачи — балансирный с баллером 25, выполненным из трубы. Обшивку руля можно сделать из тонкой стали, стеклопластика, или фанеры. Верхняя опора руля 24 съемная. Привод его состоит из поперечного рычага, к которому подсоединены два гибких троса.
Возможны варианты с сектором, укрепленным внутри катера и передачей усилия на руль посредством системы рычагов (см. «КЯ» № 5) или карданного вала (см. «КЯ» № 28). Также возможен вариант чисто тросовой проводки с расположением 2-х блоков, укрепленных на транце в районе оси откидывания передачи, и двух блоков, укрепленных на трубах 28 на уровне бобышек 30.