Моделирование рабочих процессов карданных передач

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Ростовский  Государственный Строительный Университет

Дорожно-Транспортный Институт

Каф. Технической  Эксплуатации и Сервиса Автомобилей  и оборудования 
 
 
 
 
 

Реферат

на тему: «Моделирование рабочих процессов карданных передач».

по дисциплине: «Моделирование рабочих процессов  в автосервисе». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент гр. АС-507:

Землянский  С.Д.

Проверил  к. т. н. доцент :

Бобыльченко В.Ю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ростов-на-Дону

2011

Назначение  и типы карданных  передач и карданных шарниров

Карданной называется передача, осуществляющая силовую связь механизмов автомобиля, валы которых несоосны или расположены под углом.

Карданная передача служит для передачи крутящего момента  между валами механизмов.

В зависимости  от типа, компоновки и конструкции автомобиля карданная передача может передавать крутящий момент от коробки передач к раздаточной коробке или к главной передаче ведущего моста, от раздаточной коробки к главным передачам ведущих мостов, между главными передачами среднего и заднего ведущих мостов, от полуосей к передним ведущим и управляемым колесам, от главной передачи к ведущим колесам с независимой подвеской. Карданная передача может также применяться в приводе от коробки отбора мощности к вспомогательным механизмам (лебедка и др.) и для связи рулевого колеса с рулевым механизмом.

Для соединения механизмов автомобиля применяются  карданные передачи различного типа (рис. 1).

Одновальные карданные передачи применяются  на легковых автомобилях с короткой базой (база — расстояние между передними и задними колесами) и колесной формулой 4x2 для соединения коробки передач с задним ведущим мостом. Такая карданная передача состоит из карданного вала и двух карданных шарниров.

Двухвальная карданная передача применяется на автомобилях с длинной базой и колесной формулой 4x2 для связи коробки передач с задним ведущим мостом. Передача включает в себя два карданных вала, три карданных шарнира и промежуточную опору. Эта карданная передача получила наибольшее распространение

Рис. .1. Типы карданных передач, классифицированных по различным признакам

на легковых, грузовых автомобилях и автобусах  ограниченной проходимости.

На автомобилях  повышенной проходимости с колесной формулой 4x4 используются три одиовальные карданные передачи для соединения соответственно коробки передач с раздаточной коробкой, а также раздаточной коробки с задним и передним ведущими мостами.

На автомобилях  высокой проходимости с колесной формулой 6x6 и индивидуальным приводом ведущих мостов раздаточная коробка соединяется с задним ведущим мостом двухвальной карданной передачей с промежуточной опорой. Связь коробки передач с раздаточной коробкой с передним и средним ведущими мостами этих автомобилей осуществляется одновальными карданными передачами.

В автомобилях  высокой проходимости с колесной формулой 6x6 и со средним проходным ведущим мостом для связи коробки передач с раздаточной коробкой и раздаточной коробки с ведущими мостами используются одновальные карданные передачи. При этом обеспечивается привод дополнительного редуктора среднего моста.

Одновальные и двухвальные карданные передачи, используемые для соединения коробки передач, раздаточной коробки и ведущих мостов автомобилей, имеют карданные шарниры неравных угловых скоростей. Карданные передачи с шарнирами равных угловых скоростей на автомобилях применяются для привода передних управляемых и одновременно ведущих колес.

Карданные шарниры. Карданным шарниром или карданом называется подвижное соединение, обеспечивающее передачу вращения между валами, оси которых пересекаются под углом.

В автомобилях  применяются карданные шарниры  неравных и равных угловых скоростей. Первые называются асинхронными шарнирами, а вторые — синхронными.

Карданный шарнир неравных угловых скоростей (рис. .2 а) состоит из вилки 1 ведущего вала, вилки 3 ведомого вала и крестовины 2, соединяющей вилки с помощью игольчатых подшипников. Вилка 3 может поворачиваться относительно оси 00 крестовины и одновременно с крестовиной поворачиваться относительно оси 01О1 при передаче вращения с ведущего вала на ведомый при изменяющемся угле у между валами.

Если ведущий  вал повернется на некоторый угол а, то ведомый вал за это время повернется на угол В, и соотношение между углами поворота запишется в виде

Следовательно, валы вращаются с разными скоростями , а ведомый вал — еще и неравномерно. Неравномерность вращения валов зависит от угла у между ними.

Рис. 2. Карданные  шарниры:

 а — неравных угловых скоростей; б, в — равных угловых скоростей; 1,3,8.11 — вилки; 2 — крестовина; 4, 5 — _в

валы; 6, 7 — шарики; 9. 10 — кулачки; 12 — паз; 13 — шип

Степень неравномерности  вращения ведомого вала оценивается коэффициентом неравномерности 

При увеличении угла у между валами неравномерность  вращения ведомого вала значительно возрастает (рис. .3). Для устранения неравномерного вращения используют два карданных шарнира неравных угловых скоростей, которые устанавливают на концах карданного вала. Тогда неравномерность вращения, создаваемая первым карданным шарниром, выравнивается вторым карданным шарниром, и ведомый вал вращается равномерно со скоростью ведущего вала.

Карданные шарниры  неравных угловых скоростей допускают  передачу вращения при углах у  между валами до 15... 20° Наиболее распространенными  карданными шарнирами равных угловых скоростей являются шариковые и кулачковые шарниры.

Шариковый карданный  шарнир равных угловых скоростей  состоит из фасонных вилок, изготовленных  как единое целое с ведущим 4 и ведомым 5 валами. Вилки имеют овальные делительные канавки, в которых находятся рабочие шарики 6. Центрирование вилок осуществляется шариком 7, размещающимся в сферических углублениях внутренних концов вилок. Вращение с вала 4 на вал 5 передается через рабочие шарики 6.

Рис. 17.3. График зависимости коэффициента неравномерности вращения карданного вала от угла у межд у

Канавки вилок  имеют специальную форму, которая  независим мо от изменения угла у  между валами обеспечивает расположение рабочих шариков в плоскости  АА, делящей угол 0 пополам. В результате этого оба вала вращаются с равными скоростями .

Шариковый карданный  шарнир такого типа может передавать вращение при углах у между  валами, достигающими 30... 32° Шарнир прост по конструкции и сравнительно недорог при изготовлении. Однако он имеет ускоренный износ из-за наличия скольжения рабочих шариков относительно канавок и высокого давления между шариками и канавками.

Кулачковый  карданный шарнир равных угловых  скоростей (см. рис. 2, в) состоит из двух вилок —8 и 11, изготовленных совместно с валами, и двух кулачков — 9 и 10 — специальной формы. Кулачки установлены в вилках и соединены между собой с помощью шипа 13 и паза 12. При такой конструкции вилки 8 и 11 могут качаться в своих кулачках в одной плоскости и вместе с кулачками в другой плоскости.

Кулачковый карданный шарнир равных угловых скоростей по своему действию аналогичен действию двух сочлененных карданных шарниров неравных угловых скоростей (сдвоенному карданному шарниру), из которых первый шарнир создает неравномерность вращения, а второй — устраняет эту неравномерность. В результате обеспечивается равномерное вращение валов соединяемых кулачковым шарниром.

Кулачковые  карданные шарниры имеют простую  конструкцию, большую опорную поверхность  и небольшие напряжения смятия. Эти  шарниры в зависимости от своих размеров способны передавать большой крутящий момент (8...30 кН м). При этом передача крутящего момента возможна при углах между валами у = 45...50° Однако КПД кулачковых карданных шарниров меньше, чем у шариковых шарниров.

Кулачковые  карданные шарниры равных угловых скоростей применяются на автомобилях большой грузоподъемности в приводе к передним ведущим управляемым колесам.

Требования  к карданной передаче

Дополнительно к общим требованиям к системам, агрегатам и механизмам автомобиля  к карданной передаче предъявляются специальные требования, в соответствии с которыми она должна обеспечивать:

• передачу крутящего момента и равномерное вращение валов соединяемых механизмов независимо от угла между валами;
• передачу крутящего момента без создания в трансмиссии автомобиля дополнительных нагрузок;
• высокий КПД;
• бесшумность при работе.

Рассмотрим  требования к карданной передаче.

Равномерность вращения валов. Взаимное расположение валов механизмов, соединяемых карданной  передачей, и угол между валами существенно влияют на конструкцию и работу карданной передачи.

Угол между  валами зависит главным образом  от механизмов, которые соединяет  карданная передача. Когда карданная  передача соединяет коробку передач  и раздаточную коробку, которые  установлены на раме или кузове, угол наклона соединяющего карданного вала составляет 3... 5° Если карданная передача связывает коробку передач или раздаточную коробку с главной передачей, или главную передачу ведущего моста с ведущими колесами (при независимой подвеске), то наклон карданного вала может быть 12... 15° Наибольший угол между соединяемыми валами может достигать 30...32° в том случае, когда карданная передача применяется для передачи крутящего момента ведущему управляемому колесу. Независимо от угла между соединяемыми валами карданная передача должна обеспечивать передачу крутящего момента и равномерное вращение валов. Это достигается выбором типа и кинематики карданной передачи и ее карданных шарниров.

При одновальной  карданной передаче, двух карданных шарнирах неравных угловых скоростей и валах, расположенных в одной плоскости (рис. 4, а), ведущие вилки шарниров устанавливают под углом 90° одна относительно другой. В этом случае равномерное вращение валов соединяемых механизмов может быть достигнуто при условии расположения вилок карданного вала в одной плоскости и при равенстве углов между карданным валом и соединяемыми валами (yi = у₂).

При двухвальной  карданной передаче, трех карданных  шарнирах неравных угловых скоростей и валах, расположенных в одной

Рис. 4. Схемы  одновальной двухшарнирной карданной  передачи: а — плоской; б — пространственной; /. 3 — валы механизмов; 2 — карданным вал; /. // — плоскости расположения вилок карданных валов

Рис. 5. Схема  двухвальиой трехшарнирной карданной передачи 

плоскости (рис. 5), равномерность вращения соединяемых валов возможна при условии cosy,cosy₂ = cosy₃. При этом вилки первого карданного вала должны располагаться под углом 90° одна относительно другой, а вилки второго карданного вала — устанавливаться в одной ПЛОСКОСТИ.

При движении автомобиля углы у₂ и двухвальиой карданной передачи могут изменяться, а угол у, остается постоянным. Следовательно, полное устранение неравномерности вращения валов в этом случае невозможно. В связи с этим первый карданный вал следует устанавливать с некоторым наклоном, чтобы уменьшить разрушения в игольчатых подшипниках карданных шарниров.

В некоторых  автомобилях используются пространственные карданные передачи. В такой передаче (см. рис. 4) валы / и 3 соединяемых механизмов расположены не в одной, а в разных плоскостях. Для равномерности вращения валов / и 3 необходимо, чтобы вилка карданного шарнира, связанная с валом /, лежала в плоскости /, вилка карданного шарнира, связанная с валом J, — в плоскости // и сохранялось равенство углов между карданным валом и соединяемыми валами (у, = у₂).

Равномерное вращение соединяемых валов достигается  в трансмиссии автомобиля также применением карданных шарниров равных угловых скоростей (шариковых, кулачковых).

Дополнительные нагрузки. Карданная передача является частью сложной силовой крутильной системы трансмиссии автомобиля. При работе карданной передачи в трансмиссии обычно возникают дополнительные нагрузки (изгибающие, скручивающие, осевые, вибрационные), вызванные прежде всего неравномерным вращением карданного вала. При этом угловые ускорения, обусловленные наличием карданной передачи, могут вызвать значительные крутильные колебания в трансмиссии и повышенные напряжения в валах и зубьях шестерен механизмов трансмиссии.

Вследствие  неравномерности вращения карданного вала трансмиссия нагружается инерционным моментом

где /, — момент инерции вращающихся частей автомобиля, приведенный к карданному валу.

Уменьшение  инерционного момента и, следовательно, снижение дополнительных нагрузок в трансмиссии возможно при обеспечении равномерности вращения карданного вала. Это достигается, как указывалось ранее, выбором типа и кинематики карданной передачи и ее карданных шарниров (см. рис..4, а).

Если углы между карданным валом и соединяемыми валами равны (у, = у₂), то углы поворота соединяемых валов также равны (а = ф). Следовательно, соединяемые валы механизмов трансмиссии вращаются с одинаковой угловой скоростью. В этом случае вследствие малого момента инерции карданного вала нагрузка трансмиссии инерционным моментом, вызванная неравномерным вращением этого вала, будет небольшой.

Подвижное шлицевое соединение в карданной передаче компенсирует изменение ее длины при движении автомобиля. При передаче крутящего момента в шлицевом соединении возникает осевая сила

где М_тлк — максимальный момент двигателя; u_к, — передаточное число 1 передачи коробки передач; г_ср — средний радиус боковой поверхности шлицов; |л — коэффициент трения.

Осевые силы на шлицах, имеющих малую рабочую поверхность, достигают больших значений (20...40 кН в грузовых автомобилях), они могут даже вызвать заклинивание шлицевого соединения. Эти силы обусловливают интенсивное изнашивание шлицов, что приводит к увеличению дисбаланса карданной передачи и возникновению вибраций. Кроме того, создаются дополнительные нагрузки на карданные шарниры, промежуточную опору карданной передачи и на подшипники коробки передач и главной передачи.

Осевые силы являются одной из главных причин снижения в 2 — 3 раза долговечности  карданной передачи по сравнению  с другими агрегатами автомобиля.

Для уменьшения осевых сил подвижное шлицевое соединение следует размещать не вблизи заднего  ведущего моста, а около промежуточной опоры или коробки передач. Осевые силы уменьшаются при снижении трения в шлицевом соединении путем улучшения смазывания, повышения твердости и чистоты обработки поверхностей шлицов. Однако даже при обильном смазывании шлицевого соединения смазочный материал не удерживается на поверхности трения, и перемещение в шлицевом соединении происходит при коэффициенте трения jli = 0,2, а иногда, при задирах, при (Li = 0,4.

Вибрационные  нагрузки в трансмиссии автомобиля возникают вследствие неправильной установки карданных шарниров карданной передачи. В процессе эксплуатации при неправильно собранной карданной передаче се долговечность снижается в несколько раз.

КПД карданной  передачи. Значение КПД карданной  передачи, а следовательно, и трансмиссии автомобиля во многом зависит от типа и числа карданных шарниров и их КПД.

Высокий КПД  карданной передачи имеет большое  значение в многоосных автомобилях  вследствие большого числа карданных  шарниров. Поэтому даже при высоком  КПД одного шарнира (0,985...0,99) и обычном распределении мощности и крутящего момента потери на трение во всех карданных шарнирах могут быть значительными (4...6%), что приводит к снижению общего КПД тра н с м и сс и и а вто моб ил я.

Карданные шарниры  неравных угловых скоростей на игольчатых подшипниках (см. рис.2, а) имеют высокий КПД при условии соблюдения технологии производства и падежного смазывания игольчатых подшипников во время эксплуатации.

Потери в  карданном шарнире неравных угловых  скоростей во многом зависят от угла между соединяемыми валами. С увеличением угла у между валами КПД шарнира существенно снижается (рис. 17.6). Поэтому для уменьшения угла у на некоторых автомобилях двигатель располагают с наклоном 2...3° С этой целыо иногда задний ведущий мост автомобиля устанавливают так, чтобы ведущий вал главной передачи имел небольшой наклон. Однако уменьшать угол у между валами до пуля нельзя, так как шарнир может выйти из строя, что связано с брипеллирующим воздействием

(выдавливанием  канавок) игл подшипников на поверхности шипов крестовины и стаканов подшипников.

Брнеллируюшее воздействие игл подшипников  увеличивается при большом суммарном  межигловой зазоре, когда иглы перекашиваются и создают высокое давление на шипы крестовины шарнира.

Суммарный межигловой зазор в карданных шарнирах составляет 0,10... 0,15 мм. Этот зазор не должен превышать половину диаметра иглы подшипника. В карданных шарнирах

Рис. .6. Зависимость  КПД карданного шарнира неравных угловых скоростей от угла между валами

автомобиля  обычно используются подшипники с диаметром игл, равным 2...3 мм.

Иглы подшипника подбираются с одинаковыми размерами (по допускам). Замена или перестановка игл в подшипнике не допускается.

Надежность  игольчатых подшипников и их ресурс определяют в эксплуатации надежность карданного шарнира.

Шариковые карданные  шарниры равных угловых скоростей (см. рис. 17.2, б) имеют высокий КПД. В четырехшариковых шарнирах это связано с тем, что они обладают в основном трением качения. В шести шариковых шарнирах при малых углах у между валами КПД достигает 0,99, а при углах у = 30° КПД уменьшается до 0,97 Сравнительно большие потери в шарнирах при возрастании угла у объясняются тем, что они обладают не только трением качения, но и трением скольжения.

В эксплуатации ресурс четырехшарикового карданного шарнира составляет 25...30 тыс. км, а шестишарикового — 150 тыс. км. Основной причиной преждевременного выхода из строя шариковых шарниров является повреждение защитного резинового чехла, что приводит к вытеканию смазочного материала и загрязнению шарнира.

Кулачковые  карданные шарниры равных угловых скоростей (см. рис. 2, в) имеют более низкий коэффициент полезного действия, чем шариковые карданные шарниры. Это связано с тем, что у них большая опорная поверхность трения и они обладают трением скольжения. При хорошем смазывании и защите от загрязнения износостойкость и надежность работы кулачковых шарниров значительна. При неудовлетворительном смазывании и защите в эксплуатации возможны сильный нагрев и даже задиры деталей шарниров.

Бесшумность работы. Уровень шума при работе карданной передачи зависит от качества, точности изготовления и дисбаланса ее деталей, подвижного шлицевого соединения и правильной сборки карданной передачи. Неправильная установка карданных шарниров при сборке передачи и осевые силы, действующие в подвижном шлицевом соединении, приводят к возникновению вибраций и, следовательно, к шуму при работе карданной передачи. Поэтому для снижения уровня шума необходима правильная сборка и балансировка карданной передачи и уменьшение осевых сил в подвижном шлицевом соединении (улучшение смазывания, размещение около промежуточной опоры или коробки передач и др.).

Оценочным параметром уровня шума, создаваемого карданной передачей при работе, может служить ее КПД. Чем выше КПД карданной передачи, тем она менее шумная во время работы. 

Расчет карданной передачи

При расчете  карданной передачи производится следующее:

определение критической частоты вращения карданного вала;

расчет деталей  карданной передачи на прочность.

Рассмотрим  расчет карданной передачи.

Карданный вал. Карданные валы могут быть сплошными или трубчатыми. Сплошные карданные валы применяются для привода передних ведущих управляемых колес, а для соединения остальных механизмов трансмиссии автомобилей используются трубчатые карданные валы.

Трубчатые валы при меньшей массе могут передавать большие крутящие моменты и имеют  большую критическую частоту  вращения, чем сплошные валы. Трубчатые валы изготавливают из низкоуглеродистых сталей I5 и 20 с толщиной стенок 2...3,5 мм в зависимости от типа автомобиля.

При работе карданный  вал подвергается изгибающим, крутящим, осевым и вибрационным нагрузкам. Поэтому вал рассчитывают на критическую частоту вращения, прочность и жесткость.

При вращении карданного вала возникает центробежная сила вследствие некоторого не равнмерного распределения массы вала по диаметру и его кривизны по длине. Центробежная сила действует перпендикулярно продольной оси вала и вызывает его дополнительный прогиб данного вала

где е — смещение центра тяжести вала вследствие неуравновешенности;/— дополнительный прогиб вала; т — масса вала; со — угловая скорость вала.

Центробежная  сила уравновешивается силой упругости  вала

где с — изгибная жесткость вала.

Из условия  равенства сил Р_п - Р_у имеем

Из последнего выражения видно, что при с= тог прогиб вала f-о и вал может сломаться. В результате возможна авария автомобиля. Следовательно, критическая угловая скорость, вызывающая бесконечно большой прогиб вала:

В этом случае критическая частота вращения карданного вала

Изгибная жесткость  вала

где q — плотность металла вала, г/см³; / — длина вала, см.

Прогиб вала зависит от характера его нагружения и способа закрепления.

Для трубчатого вала, свободно лежащего на опорах и  равномерно нагруженного по длине:

момент инерции  поперечного сечения вала; d_u, d„ — наружный и внутренний диаметры вала, см.

Масса вала

С учетом выражений  для массы вала и его изгибной жесткости критическая частота  вращения составляет:

 для трубчатого  вала

для сплошного вала

для трубчатого вала, защемленного в опорах:

для сплошного  вала, защемленного в опорах:

Из приведенных  выражений следует, что критическая  частота вращения трубчатого вала выше, чем у сплошного вала такого же диаметра. Это объясняется тем, что трубчатый вал легче сплошного.

При расчетах за длину вала, свободно лежащего на опорах, принимают расстояние между  центрами карданных шарниров, а защемленного — расстояние между подшипниками.

В процессе эксплуатации вследствие изнашивания трущихся поверхностей, увеличения зазоров и нарушения центрирования

карданного  вала критическая частота вращения карданного вала п осте пенно уменьшается.

В связи с  этим при выборе размеров карданного вала для удовлетворительной работы карданной передачи необходимо, чтобы критическая частота вращения была в 1,5 — 2 раза больше максимальной частоты вращения карданного вала, соответствующей максимальной скорости движения автомобиля. Для повышения критической частоты вращения карданного вала следует уменьшать его длину и увеличивать диаметр. При этом увеличивать внутренний диаметр вала можно только до определенного предела, который ограничивается прочностью вала.

Кроме определения  критической частоты вращения карданного вала его рассчитывают на кручение, сжатие, растяжение и на угол закручивания, а шлицы карданного вала — на смятие и срез. Расчет проводят на максимальный крутящий момент, подводимый к карданному валу от двигателя при включенной I передаче в коробке передач.