Расчет карданной передачи

     Введение 

     Автомобильный транспорт имеет большое значение. Его основной задачей является полное и своевременное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозке грузов и пассажиров, при наименьших материальных и трудовых затратах. Ежегодно увеличиваются перевозки пассажиров автобусами и легковыми автомобилями по внутригородским, пригородным и междугородным маршрутам. Прогресс в автомобильной промышленности, дальнейшее увеличение грузооборота автомобильного транспорта предусматривает не только количественный рост автопарка, но и значительное улучшение  использования имеющихся автомобилей, повышение культуры эксплуатации, увеличение межремонтных сроков службы, обеспечение высокого уровня безопасности дорожного движения и экологичности.

     Целью данного курсового проекта является ознакомление с методами выбора основных параметров автомобиля и его агрегатов, обеспечивающих ему заданные свойства подвижности, а также разработка или модернизация карданной передачи. 

      1 Проектировочный  тяговый расчет  автомобиля 

     Исходные  данные:

     а) максимальная скорость движения 97 км/ч;

     б) класс автомобиля 5;

     в) вид автомобиля 5;

     г) тип двигателя дизельный; 

     1.1 Выбор прототипа 

     По  заданным классу, максимальной скорости и виду автомобиля выбираем автомобили, наиболее близкие по заданным параметрам. Данные сводим в таблицу 1.1.

     Таблица 1.1 - Техническая характеристика автомобилей  МАЗ-5551А2-4327 и ТАТРА 815-2.

     По  заданному классу и виду автомобиля, заданной максимальной скорости  движения автомобиля, а также найденным  значениям номинальной мощности и номинального момента двигателя в качестве прототипа к проектируемому автомобилю выбираем автомобиль МАЗ-5551А2-4327. 

      1.2 Расчет максимальной  мощности двигателя 

     Эффективная мощность двигателя при максимальной скорости определяется выражением 

                          (1.1) 

     где - коэффициент полезного действия трансмиссии. Для автомобилей с колесной формулой 4x2 =0,8-0,9. Принимаем =0,9;

          - полная масса автомобиля, кг;

          - коэффициент дорожного сопротивления,  лежащий в пределах  . Принимаем ;

          - коэффициент сопротивления  воздуха,  . Принимаем =0,6 ;

          - площадь лобового сопротивления,  м² 

      ,                                                (1.2) 

     где - колея передних колес автомобиля, м;

          - высота автомобиля, м. 

          - максимальная скорость движения, м/с. 

     Таким образом, эффективная мощность двигателя при максимальной скорости движения автомобиля равна. 

     1.3 Внешняя скоростная  характеристика двигателя 

     Зависимость текущих значений эффективности  мощности двигателя  от угловой скорости вращения коленчатого вала устанавливается формулой: 

      ,                                       (1.3)

     где – коэффициенты, зависящие от типа и конструкции двигателя. Для дизельного двигателя . 

     Текущее значение крутящего момента определяется выражением 

      , .                                               (1.4) 

     Расчет  параметров произведен в программе  AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А.

     По  полученным значениям эффективной  мощности и крутящего момента  строим внешнюю скоростную характеристику двигателя. 

     1.4 Расчет передаточных  чисел трансмиссии 

     Передаточное  число главной передачи определяется выражением 

      ,                                                  (1.5) 

     где - угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя при максимальной скорости, с^-1. Принимаем ;

          - передаточное число высшей  ступени. Принимаем 0,8;

          - радиус качения колеса; 

      , ,                                              (1.6) 

     где - коэффициент деформации шины. Для шин высокого давления  . Принимаем ;

           =508 мм - номинальный радиус колеса. Следовательно, радиус качения колеса равен 

     Дальнейший  расчет передаточных чисел выполнен с помощью программы AUTO5_PV и его результат приведен в Приложении А. 

      2 Поверочный тяговый  расчет автомобиля

     2.1 Расчет кинематической  скорости автомобиля  по передачам 

     Кинематическая  скорость автомобиля в функции угловой  скорости коленчатого вала двигателя определяется выражением 

      .                                                 (2.1) 

     Расчет  произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А.

     По  полученным значениям строим график зависимости кинематической скорости автомобиля от угловой скорости коленчатого  вала двигателя  

     2.2 Тяговая характеристика  автомобиля 

     Касательная сила тяги на ведущих колесах автомобиля  определяется выражением 

      .                                              (2.2) 

     Сила  сопротивления воздуха при движении автомобиля определяется выражением 

      .                                            (2.3) 

     Свободная сила тяги автомобиля определяется выражением 

      .                                                  (2.4) 

     Расчет  произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А.

     По  полученным значениям строим тяговую  характеристику автомобиля. 

     2.3 Динамическая характеристика  автомобиля 

     Динамический  фактор автомобиля определяется выражением 

      .                                                        (2.5) 

     Расчет  произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А.

     По  полученным значениям строим динамическую характеристику автомобиля. 

     2.4 Характеристики разгона  автомобиля 

     Ускорение автомобиля во время разгона определяется выражением 

      ,                                               (2.6)

     где δ_i – коэффициент учета вращающихся масс 

      ,                                                    (2.7) 

     где для автомобиля при номинальной мощности. Принимаем и . 

     По  полученным значениям строим график ускорений автомобиля.

     Вычисление  времени разгона осуществляем с  использованием графика обратных ускорений, для построения которого вычислим обратные ускорения 1/j_i до скорости 0,9υ_max . Строим график обратных ускорений.

     Расчет  произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А.

     Площадь на графике обратных ускорений, ограниченная сверху кривыми 1/j_i, осью скоростей снизу и прямыми υ =υ₀ и υ =0,9υ_max, представляет собой время разгона автомобиля от скорости υ₀ до скорости 0,9υ_max. Для его определения весь диапазон скорости разбиваем на шесть интервалов.

     Считая, что в каждом интервале скорости разгон автомобиля происходит с обратным ускорением, определенным выражением 

      ,                                         (2.8) 

     то, следовательно, время разгона автомобиля от скорости υ₀ до скорости 0,9υ_max рассчитываем по выражению 

      ,                                              (2.9) 

     Для соответствующих значений ускорений  j_i-1 и j_i получаем среднее обратное ускорение равно 

     и время разгона в интервале 

     Для остальных интервалов разгона автомобиля среднее обратное ускорение в  интервале и время разгона  автомобиля в интервале вычисляем  аналогично, и результаты вычислений сводим в таблицу 2.1.

     Полное  время разгона автомобиля от скорости υ₀ до скорости 0,9υ_max определяется выражением

       .                                                 (2.10)

       Считая, что в каждом интервале  времени разгона, соответствующим  интервалам скорости, движение автомобиля происходит со средней скоростью, определенной по формуле 

      ,                                              (2.11) 

     путь  его разгона в интервале равен 

      .                                                   (2.12) 

     Таблица 2.1 – Результаты расчета времени и пути разгона автомобиля.

     Для первого интервала средняя скорость движения автомобиля равна 

     а путь разгона автомобиля равен  

     Для остальных интервалов разгона автомобиля среднюю скорость движения  в  интервале и путь разгона автомобиля в интервале вычисляем аналогично, и результаты вычислений сводим в  таблицу 2.1.

     По  данным таблицы 2.1 строим график времени и пути разгона автомобиля. 

      3 Топливно-экономический  расчет автомобиля 

     Топливно-экономическая  характеристика представляет зависимость  путевого расхода топлива от скорости движения автомобиля при различных коэффициентах дорожного сопротивления.

     При установившемся движении путевой расход топлива определяется выражением

       , ,                                    (3.1) 

     где g_e – удельный расход топлива, г/(кВт·ч);

         N_З – мощность, затрачиваемая на движение автомобиля, кВт;

         ρ – плотность  топлива, принимаемая для дизельного топлива, равной 860 кг/м³. 

     Расчет  топливно-экономической характеристики осуществляется с использованием данных расчета тягово-динамических характеристик автомобиля. Расчет произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А. 

     3.1 Расчет баланса  и степени использования  мощности 

     Расчет  баланса мощности автомобиля выполняется  на высшей передаче при двух значениях  коэффициента дорожного сопротивления. Для этого при расчетных значениях угловой скорости коленчатого вала двигателя принятых в тягово-динамическом расчете и соответствующих им значениях скорости автомобиля вычисляются мощность, подводимая к ведущим колесам автомобиля; мощность, необходимая для преодоления дорожного сопротивления и мощность, необходимая для преодоления сопротивления воздуха.

     Мощность, подводимая к ведущим колесам  автомобиля, определяется выражением 

      , .                                                 (3.2) 

     Мощность, необходимая для преодоления  сопротивления воздуха, определяется выражением 

      , .                                                  (3.3) 

     Мощность, необходимая для преодоления  дорожного сопротивления, определяется выражением 

      , .                                       (3.4) 

     Расчет  мощности, необходимой для преодоления  дорожного сопротивления выполним для двух значений коэффициента дорожного  сопротивления: и .

     Мощность, затрачиваемая на движение автомобиля 

      , .                                           (3.5) 

     Расчет  выполняем в программе AUTO5_PV и по результатам расчета строим графики мощностного баланса автомобиля.

     Степень использования мощности определяется выражением 

      .                                                       (3.6) 

     Степень использования угловой скорости коленчатого вала двигателя определяется выражением 

                                                         (3.7) 

     Расчет произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А. 

     3.2 Расчет расхода  топлива 

     Удельный  расход топлива определяется выражением 

      , ,                                         (3.8) 

     где g_eN – удельный расход топлива при максимальной мощности, г/(кВт·ч), принимаемый на 5…10% больше минимального удельного расхода;

         К_И – коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива в зависимости от степени использования мощности, определяемый по формуле 

      ;                                  (3.9) 

          К_Е – коэффициент, учитывающий изменение удельного расхода топлива в зависимости от степени использования угловой скорости коленчатого вала двигателя, определяемый по формуле 

      .                               (3.10) 

     Расчет произведен в программе AUTO5_PV. Результаты расчета представлены в Приложении А. На основании полученных данных строим топливно-экономическую характеристику автомобиля. 

      4 Описание конструкции карданной передачи автомобиля  

     Карданные передачи применяются для передачи крутящего момента от ведомого вала коробки передач на ведущий вал главной передачи, оси которых несоосны и расположены под углом.

     Карданная передача состоит из валов, их опор и карданных шарниров. К карданной  передаче также относятся шлицевая втулка, карданные шарниры и промежуточная  опора с подшипником. Схема карданной передачи представлена на рисунке 4.1. 

     1 – фланец-вилка; 2 – балансировочная пластина; 3 – карданный вал; 4 – кольцо сальника; 5 – уплотнительное кольцо; 6 – обойма уплотнительного кольца; 7 – скользящая вилка; 8 – масленка скользящей вилки; 9 – масленка крестовины; 10 – крестовина; 11 – сальник игольчатого подшипника; 12 – стопорная пластина; 13 – игольчатый подшипник; 14 – крышка подшипника. 

     Рисунок 4.1 – Схема карданной передачи автомобиля 

     Карданный вал 3 изготовлен из тонкостенной стальной электросварной трубы. К заднему  концу трубы после напрессовки  приварена вилка шарнира, а к  переднему концу — наконечник со шлицами. На шлицы этого наконечника  надета скользящая вилка 7 карданного вала, длина шлицевой части которой больше длины шлицев наконечника. Наличие шлицевого соединения в карданном валу обеспечивает возможность изменения его длины (расстояния между шарнирами) при прогибе рессор, который вызывает некоторое продольное перемещение заднего моста. В этом случае шлицевой конец вала перемещается в скользящей вилке настолько, насколько это необходимо вследствие изменения расстояния между карданами.

     Для предохранения шлицевого соединения от повышенного износа в результате загрязнения и потери смазки к скользящей вилке с одной стороны приварена металлическая заглушка, а с другой стороны шлицевого соединения имеется уплотнение, представляющее собой войлочное кольцо 5, смонтированное в металлической обойме 6 в виде колпачковой гайки, прижимающей сальник к торцу скользящей вилки при навертывании на ее резьбовой конец.

     Смазка  в шлицевое соединение подводится через  масленку 8, ввернутую в отверстие  на вилке.

     Оба кардана, передний и задний, конструктивно  выполнены совершенно одинаковыми. Каждый кардан состоит из фланца-вилки 1 и крестовины 10, установленной в ушках вилок на игольчатых подшипниках. Крестовины, изготовленные из высококачественной стали, имеют четыре крестообразно расположенные цапфы. На цапфах крестовины в стаканах смонтированы игольчатые подшипники, не имеющие внутреннего кольца. Поэтому к цапфам крестовины, на которые опираются иголки подшипника, предъявляются требования, аналогичные внутреннему кольцу подшипника. В связи с этим цапфы крестовины подвергаются механической обработке (шлифованию), обеспечивающей высокую геометрическую точность и правильность формы. В игольчатый подшипник 13 установлено 38 игл диаметром 3 мм и длиной 18 мм, подсобранных так, чтобы между иглами и цапфой крестовины был необходимый зазор. Вследствие этого разбирать подшипник и переставлять иглы из одного корпуса в другой не разрешается.

     Подшипник вставляется в вилку по ходовой  посадке. От осевого перемещения под действием центробежных сил стаканы подшипников удерживаются крышками 14, которые закреплены двумя болтами, ввернутыми в тело вилки. Для предотвращения самоотвертывания этих болтов установлена тонкая стопорная пластина, усики которой отгибаются на грани болтов. Крестовина в вилке центрируется относительно донышек стаканов игольчатых подшипников. Увеличенные зазоры между торцами крестовины и донышками стаканов подшипников могут вызывать повышенные ударные нагрузки; уменьшенные зазоры могут также привести к разрушению (выдавливанию) донышек подшипников. Поэтому к точности изготовления крестовины, подшипников и вилок, а также к сборке этих деталей предъявляются повышенные требования.

     Игольчатые  подшипники крестовин уплотняются  сальниками 11, смонтированными в стакане подшипников. Сальники подшипников двухкромчатые, имеют масло- и грязезащитные кромки и пружину.

     Смазка  к игольчатым подшипникам поступает  по отверстиям в торцах цапф крестовины из угловой масленки 9, ввернутой  в центральную часть крестовины. При заполнении кардана слишком большим количеством смазки и повышении давления внутри него вследствие нагревания во время работы лишняя смазка вытекает наружу через предохранительный клапан. Это предохраняет сальники подшипников от повреждения в результате повышенного давления смазки.

     Карданные валы в собранном виде подвергают на заводе динамической балансировке. Дисбаланс уменьшают с помощью пластин, которые приваривают на скользящей вилке. На трубах вала и скользящей вилки выбиты стрелки. Поэтому необходимо помечать все детали кардана при разборке карданного вала, чтобы при сборке все детали (вилки, подшипники, крышки и т. п.) устанавливать на те же места, а трубу вала и скользящую вилку собирать так, чтобы стрелки находились на одной линии.

      5 Функциональный  и прочностной  расчет карданной передачи

     5.1 Функциональный расчет 

     Под длиной карданного вала понимают расстояние между центрами шипов крестовин  карданных шарниров, установленных  на концах данного вала. Допустимую дину карданного вала определяют исходя из критической частоты вращения последнего. Под критической частотой вращения понимают частоту, при которой происходит потеря устойчивости прямолинейной формы оси вращающегося вала.

     В соответствии с ОСТ 37.001.53-86 «Валы  карданные. Технические требования. Нормы дисбаланса» допустимой является длина, при которой максимальная частота вращения карданного вала, соответствующая максимальной скорости движения автомобиля, не превышает 70% расчетной критической частоты вращения вала.

     Исходя  из этого, допустимую длину вала рассчитываем в следующем порядке.

     1) Определяем максимальную частоту вращения карданного вала 

      , ,    (5.1) 

     где – передаточное число от карданного вала к ведущим колесам;

           – максимальная скорость  движения автомобиля, . 

     Следовательно, максимальная  частота вращения карданного вала равна 

     2) Находим расчетный крутящий момент  на карданном валу на низшей  передаче в коробке передач 

      ,       (5.2) 

     где – крутящий момент на ведущем валу коробки передач, . Для механических трансмиссий – максимальный крутящий момент двигателя;

       – передаточное число коробки передач на низшей передаче.