Трансмиссия. карданная передача
Назначение и типы карданных передач
Карданная передача служит для передачи крутящего момента к агрегатам трансмиссии, валы которых при движении автомобиля несоосны. В зависимости от типа и компоновки автомобиля карданная передача может осуществлять следующие функции: 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 мостов, от дифференциалов ведущих мостов к передним ведущим и управляемым колесам, от раздаточной коробки к задним ведущим колесам, от рулевого колеса к рулевому механизму, от коробки отбора мощности к вспомогательным механизмам.
Для соединения механизмов автомобиля применяются карданные передачи различного типа. На рис. 4.1. приведены типы карданных передач с классификацией их по числу валов, числу шарниров, по типу шарниров. На рис. 4.2. приведены карданные передачи одновального (а), двухвального (б) и многовального (в, г, д) исполнения.
| С шарнирами неравных угловых скоростей |
| С шарнирами равных угловых скоростей |
Рис. 4.1. Типы карданных передач
Рис. 4.2. Карданные передачи трансмиссий: 1 — коробка передач; 2 — карданный шарнир; 3 — карданный вал; 4, 7, 9 — ведущие мосты; 5, 8 — промежуточные опоры; 6 — раздаточная коробка; 10 — редуктор ведущего моста
Одновальные карданные передачи (рис.4.2а) применяются на легковых автомобилях с короткой базой и колесной формулой 4×2, а так же на автомобилях, имеющих удлинители коробки передач или главной передачи. Такая передача состоит из двух шарниров, карданного вала и компенсатора изменения длины вала.
Двухвальные карданные передачи (рис.4.2, б) применяются на автомобилях с длинной базой и колесной формулой 4×2. Такая передача, кроме указанных выше элементов, имеет промежуточную опору 5. Это необходимо в тех случаях, когда применение длинного вала может привести к опасным поперечным колебаниям, в результате совпадения его критической угловой скорости с эксплуатационной. Короткий вал обладает более высокой критической частотой. В трехосных автомобилях, имеющих автономный привод к промежуточному и заднему мосту, на промежуточном мосту устанавливается жесткая промежуточная опора.
На автомобилях повышенной проходимости применяют многовальные и многошарнирные передачи: три вала и шесть шарниров при колесной формуле 4×4 (рис.4.2, в); четыре или пять валов при колесной формуле 6×6 (рис.4.2г, д).
Назначение и типы карданных шарниров
Карданным шарниром называется подвижное соединение, обеспечивающее передачу вращения между валами, оси которых пересекаются под углом. В автомобилях применяют шарниры равных (синхронные) и неравных (асинхронные) угловых скоростей.
Шарниры неравных угловых скоростей применяются двух типов: жесткий простой шарнир (рис.4.3) и мягкий с упругим полукарданным шарниром (рис.4.4). КПД таких карданных шарниров зависит от угла между соединяемыми валами и с увеличением угла КПД резко снижается.
Рис. 4.3. Жесткий карданный шарнир неравных угловых скоростей: 2,4-вилки; 3-крестовина; 6-крышка подшипника; 7,8-масленка с клапаном; 9,10-уплотнение, 11,12,13-подшипник
Простой жесткий карданный шарнир (Рис. 4.3) состоит из: двух вилок (2, 4), крестовины (3), подшипников (11-13), уплотнения (9, 10), масленка и клапан (7, 8).
Упругий полукарданный шарнир (рис.4.4) допускает передачу крутящего момента от одного вала к другому, расположенному под некоторым углом, благодаря деформации упругого звена, связывающего оба вала. Упругое звено может быть резиновым (рис.4.4), резинотканевым или резиновым, усиленным стальным тросом. В последнем случае полукарданный шарнир может передавать значительный крутящий момент и под несколько большим углом, чем в первых двух случаях.
Рис. 4.4. Карданная передача с упругим полукарданным шарниром: 1,3 – фланцы; 2 – втулка; 4 – карданный вал
Достоинством такого шарнира является:
۰ снижение динамических нагрузок при резких изменениях частоты вращения;
• отсутствие необходимости обслуживания в процессе эксплуатации;
• возможность небольшого осевого перемещения карданного вала;
• простота и малая стоимость конструкции.
Карданные шарниры равных угловых скоростей (синхронные) применяют в приводе и одновременно управляемых колес, угол наклона ведомого вала в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45 градусов. Некоторые конструкции синхронных шарниров выполняются с компенсирующим устройством внутри механизма, т.е. универсальными.
В основе всех конструкций карданных шарниров равных угловых скоростей (далее ШРУС) лежит единый принцип: точки контакта, через которые передаются окружные силы, находятся в биссекторной плоскости валов.
В четырехшариковом карданном шарнире с делительными канавками (типа «Вейс») (рис. 4.5) усилия в карданных шарнирах передаются через шарики, которые перемещаются по криволинейным канавкам, расположенным симметрично в вилках. Оси канавок при вращении образуют две сферические поверхности, пересекающиеся одна к другой по окружности, которая и является траекторией движения шариков. Вследствие симметричного расположения канавок в обеих вилках, при смещении валов на угол, центры шариков всегда находятся в биссекторной плоскости. Вилки карданных валов центрируются одна относительно другой. Для этого между торцами вилок предусмотрен установочный шарик. Шарнир может работать при углах до 35°.
Рис. 4.5. Карданный шарнир типа «Вейс»: 1,4 –валы; 2,3 –кулаки; 5 -канавки; 6,7 – шарики
Достоинства: малая трудоемкость изготовления (наименьшая по сравнению с шарнирами равных угловых скоростей других типов); простота конструкции; высокий КПД, т.к. в нем преобладает трение качения.
Недостатки: передача усилия только двумя шариками при теоретически точечном контакте приводит к возникновению больших контактных напряжений; при работе возникают распорные нагрузки, особенно если центр шарнира не лежит на оси шкворня; долговечность в эксплуатации обычно не превышает 25 — 30 тыс. км; при работе шарнира появляются значительные осевые нагрузки, а при ошибках монтажа также и распорные силы, достигающие иногда значительной величины; повышенный износ вследствие высокого удельного давления.
В шестишариковом карданном шарнире с делительным канавками (типа «Бирфильд») (рис. 4.6) на поверхности кулака 4 по сфере радиуса R1 выфрезеровано шесть канавок. Канавки кулака имеют переменную глубину и внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена по сфере радиуса R2 и также имеет шесть канавок переменной глубины. Сепаратор 3, в котором размещены шарики 2, имеет наружные и внутренние поверхности, выполненные по сфере радиусов соответственно R1 и R2. В положении, когда валы соосны, шарики находятся в плоскости, перпендикулярной осям валов, проходящей через центр шариков.
При наклоне одного из валов 5 на угол верхний шарик выталкивается из сужающего пространства канавок вправо, а нижний шарик перемещается сепаратором влево. Центры шариков всегда находятся на пересечении осей канавок. Это обеспечивает их расположение в биссекторной плоскости, что является условием синхронного вращения валов.
Рис. 4.6. Карданный шарнир типа «Бирфильд»: а) конструкция, б) схема; 1 – корпус;2 – шарики; 3 – сепаратор; 4 – кулак; 5 – вал
Достоинства: малая стоимость и простота изготовления; отсутствие делительного рычажка позволяет этому шарниру работать при угле до 
°; КПД при малых углах выше 0,99; ресурс около 150 тыс. км.
Недостатки: сравнительно большие потери объясняются тем, что наряду с трением качения для него характерно трение скольжения; шарнир простой, поэтому требуется компенсирующее устройство; КПД при 
° — 0,97.
В универсальном шестишариковом карданном шарнире (типа ГНК) (рис. 4.7) на внутренней поверхности цилиндрического корпуса шарнира нарезаны шесть продольных канавок эллиптического сечения, такие же канавки имеются на сферической поверхности кулака параллельно продольной оси вала. В канавках размещаются шесть шариков, установленных в сепараторе. Осевое перемещение происходит по продольным канавкам корпуса, причем перемещение карданного шарнира равно рабочей длине канавок корпуса, что влияет на размеры шарнира. Шарниры этого типа могут передавать крутящий момент до 50 кH*м. Однако, при осевых перемещения шарики не перекрываются, а скользят, что снижает КПД шарнира.
Рис. 4.7. Карданный шарнир типа «ГНК»: 1 – корпус; 2 – шарики; 3 – кулак; 4 – сепаратор
Шестишариковый карданный шарнир с делительным рычажком (типа «Рцепп») (рис. 4.8) имеет шесть меридиональных канавок полукруглой формы, центры которых совпадают с центром шарнира. Для того чтобы шарики были расположены в одной плоскости, они заключены в сферической чашке. Для установки шариков в биссекторной плоскости применяют специальный делительный рычажок, которой имеет три сферические поверхности (концевые поверхности входят в гнезда ведущего и ведомого валов передачи, а средняя — в отверстие сферической чашки). При наклоне валов рычажок поворачивает сферическую чашку, и шарики устанавливаются в биссекторной плоскости. Шарнир с делительным рычажком может работать при углах до 35°. Рекомендуются для применения на автомобилях средней и большой грузоподъемности.
Рис. 4.8. Карданный шарнир типа «Рцепп»: а — конструкция; б — схема; в — схема рычажка; 1, 5 –валы; 2 – делительный рычажок; 3 – сферическая чашка; 4 – сферический кулак; 6 – сепаратор; 7 – направляющая чашка; 8 – пружина
Достоинства: обеспечивает передачу большого крутящий момента при малых размерах, так как усилия в этом шарнире передаются шестью шариками; отсутствуют распорные нагрузки в шарнире, если центр последнего совпадает с осью шкворня; высокая надежность, долговечность и большой КПД; достаточно точная кинематика шарнира.
Недостатки: технологически сложен в изготовлении; все детали его подвергаются токарной и фрезерной обработке с соблюдением строгих допусков, обеспечивающих передачу усилий всеми шариками; высокая стоимость.
Универсальный шести шариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа «Лебро») (Рис.4.9) состоит из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого под углом (примерно,1500 – 1600) к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок; сферического кулака 2 так же с нарезанными на его поверхности шестью канавками и сепаратора 3 с шариками 4, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. Шарики устанавливаются в пересечениях канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла между валами, всегда находятся в биссекторной плоскости.
Рис. 4.9. Карданный шарнир типа «Лебро»: 1 – цилиндрический корпус; 2 – сферический кулак; 3 – сепаратор; 4 – шарики.
Достоинства: имеет меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала; сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, поэтому требования к точности изготовления ниже; шарнир имеет высокий КПД (0,99 при 
°); наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция при этом усложняется.
Недостатки: к точности расположения канавок предъявляются высокие требования.
Трехшиповой карданный шарнир (типа «Трипод») (рис. 4.10, 4.11) устанавливают на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Конструктивно эти шарниры имеют два исполнения: шарниры позволяющие передавать момент при углах у между валами до 43° , но не допускающие осевых перемещений (шарниры жесткие, рис. 4.10), и универсальные шарниры, допускающие осевую компенсацию, но работающие при сравнительно небольших углах между валами (рис. 4.11). В жестком шарнире шипы 2, расположенные под углом 120°, закреплены в корпусе 1. Ролики 3 с шаровой поверхностью установлены на шипах и могут свободно на них поворачиваться. Вилка 4, выполненная вместе с валом 5, имеет три паза цилиндрического сечения. Поверхность вилки сферическая, что обеспечивает получение большого угла между валами.
Рис. 4.10. Трехшиповой жесткий карданный шарнир типа «Трипод»: 1 — корпус; 2 – шипы; 3 – ролики; 4 – вилка; 5 – вал
Рис. 4.11. Трехшиповой универсальный карданный шарнир типа «Трипод»: 1 — ролики; 2 – ступица; 3 – корпус.
Достоинства: малые потери при осевом перемещении, так как это обеспечивается практически только качением, что определяет высокий КПД; в этом шарнире равенство угловых скоростей валов достигается благодаря изменению положения центра конца вала.
Сдвоенные карданные шарниры (рис. 4.12), применяемые в приводе управляемых ведущих колес, могут иметь различные конструкции. Один из вариантов: два шарнира 1 неравных угловых скоростей объединяются общей вилкой 2. Равенство угловых скоростей должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако такое равенство возможно только при равенстве углов 
, что в данной конструкции не соблюдается точно, т.к. при наклоне вала плечо, связанное с левым валом, остается постоянным, а плечо, связанное с другим валом, увеличивается. Поэтому в сдвоенном шарнире с делительным рычажком синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением. Коэффициент неравномерности сдвоенного шарнира зависит от угла между валами и от конструктивных размеров делительного устройства. Например, при 
° коэффициент неравномерности не превышает 1%, что в 30 раз меньше коэффициент неравномерности шарнира неравных угловых скоростей при этом же угле.
Рис. 4.12. Сдвоенный карданный шарнир: а) конструкция; б) схема; 1 – шарниры; 2 – вилка
Кулачковые карданные шарниры (рис.4.13 и рис.4.14) применяются на автомобилях большой грузоподъемности в приводе к ведущим управляемым колесам. Такой шарнир работает аналогично сдвоенному, в котором первый шарнир создает неравномерность вращения, а второй устраняет эту неравномерность. В результате этого приводной вал вращается равномерно. Благодаря наличию развитых поверхностей взаимодействующих деталей, шарнир способен передавать значительный по величине крутящий момент при обеспечении угла между валами 45 … 50°.
На зарубежных автомобилях большой грузоподъемности широко применяется кулачковый карданный шарнир известный под названием «шарнир Тракта». Он состоит из четырех штампованных деталей: двух вилок 1 и 4 и двух фасонных кулаков 2 и 3, трущиеся поверхности которых подвергаются шлифованию.
Рис. 4.13. Кулачковый карданный «шарнир Тракта»: 1, 4 – вилки; 2, 3 –фасонные кулаки.
Существует дисковый кулачковый карданный шарнир, который устанавливается на ряде автомобилей (КамАЗ-4310, «Урал-4620». КАЗ-4540, КрАЗ-260 и др.). Трудоемкость его изготовления по сравнению с трудоемкостью «шарнира Тракта» несколько большая. Максимальное значение угла между валами, обеспечиваемое этим шарниром. 45º .
Рис. 4.14. Дисковый кулачковый карданный «шарнир Тракта»: 1,4 – вилки; 2,3 – кулаки; 5 – диск
Достоинства: простота конструкции и способностью передавать крутящий момент до 30 кH*м, вследствие наличия передающих поверхностей большой площади.
Недостатки: КПД этих шарниров ниже, чем у сдвоенных шарниров и поэтому их
устанавливают в картерах или снабжают специальными защитными кожухами и смазывают; при износе кардана сопровождается появлением заметного шума; значительный нагрев при эксплуатации.
§
К карданным передачам дополнительно к общим предъявляются следующие требования, в соответствии с которыми она должна обеспечивать:
• передачу крутящего момента без создания дополнительных нагрузок в трансмиссии (изгибающих, скручивающих, вибрационных, осевых);
• возможность передачи крутящего момента с обеспечением равенства угловых скоростей ведущего и ведомого валов, независимо от угла между соединяемыми валами;
• высокий КПД, бесшумность работы;
• углы наклона карданных валов должны быть по возможности минимальными, так как при этом карданная передача будет работать с более высоким КПД (однако слишком малые углы могут вызывать эффект бринеллирования);
• жесткость карданной передачи надо выбирать с учетом динамических характеристик всех элементов трансмиссии;
• критические числа оборотов карданной передачи должны быть выше чисел оборотов максимально возможных по условиям эксплуатации.
Карданные передачи с шарнирами неравных угловых скоростей
Кинематические связи
Рассмотрим карданный шарнир, состоящий из ведущей и ведомой вилок и крестовины. Оси ведущего и ведомого валов расположены под углом γ (рис. 4.15). Из теории механизмов известно, что соотношение углов поворота ведомого и ведущего валов такого шарнира определяется выражением:
tgβ = tgα cosγ, (4.1)
где β – угол поворота ведомого вала;
α — угол поворота ведущего вала.
Продифференцировав это выражение по времени, получим выражение:
= 
. (4.2)
Поскольку угловая скорость ведущего вала определяется ω1 = 
, а угловая скорость ведомого вала ω2 = 
, то из выражения (4.2) следует:
= 
(4.3)
Используя выражение (4.1) и исключив из уравнения (4.3) cos2β, получим:
= 
. (4.4)
Из выражений (4.4) следует, что наибольшие значения отношение достигает при cos2α = 1, т.е. при α = πk, где k = 0,1,2….n; наименьшее значение достигает при cos2α = 0, т.е. при α = 
k, где k = 0,1,2….n.
Анализ этого выражения показывает, что максимальное и минимальное значения отношении может быть определено из соотношений:
= 
и 
= cosγ. (4.5)
Неравномерность вращения ведомого вала при постоянной угловой скорости ведущего вала может быть оценена коэффициентом неравномерности:
K = 
.
Поскольку ω2max = 
, а ω2min = ω1cosγ, то коэффициент неравномерности определится из выражения:
K = 
= 
. (4.6)
Из уравнения (4.6) следует, что c увеличением угла между осями ведущего и ведомого валов γ неравномерность вращения ведомого вала интенсивно возрастает (рис. 4.15).
Рис. 4.15. График неравномерности вращения вала карданного шарнира неравных угловых скоростей
В карданной передаче с двумя шарнирами и валами, расположенными в одной плоскости (рис. 4.16), вилка ведомого вала расположена под углом 
по отношению к вилке ведущего вала. Для первого шарнира, у которого вилка лежит в плоскости чертежа, справедливо соотношение углов поворота ведущего и ведомого валов:
tgβ = 
или 
= 
.
Рис. 4.16. Схема двухшарнирной карданной передачи
Для второго шарнира, у которого ведущая вилка повернута на угол относительно ведущей вилки первого шарнира, соотношение углов поворота валов будет описываться выражением:
tg ( φ) = tg ( β)/cosγ2 или = 
Приравняв правые части равенств для первого и второго шарниров, получим уравнение:
= , откуда следует: 
= 
. Следовательно, синхронность вращения ведущего и ведомого валов двухшарнирной карданной передачи возможна в случае обеспечения равенства |γ1| = |γ2|.
В карданной передаче с тремя шарнирами и валами, лежащими в одной плоскости, вилки шарниров могут располагаться различными способами (рис. 4.16). Синхронность вращения ведущего и ведомого валов в каждом случае обеспечивается при соблюдении определенных требований по установке промежуточной опоры карданной передачи.
Рис. 4.17. Схемы трехшарнирных карданных передач
Для схемы, приведенной на рис. 4.17,а, соотношение углов поворота валов для первого, второго и третьего шарниров описываются уравнениями:
tgβ = ; tgφ = 
; tgθ = 
.
Из совместного решения этих уравнений получим соотношение: 
= 
. Следовательно, синхронность вращения ведущего и ведомого валов трехшарнирной карданной передачи варианта рис. 4.17,а возможна в случае обеспечения равенства cosγ2 = cosγ1 cosγ3.
Для схемы, приведенной на рис. 4.17,б, соотношение углов поворота валов для первого, второго и третьего шарниров описываются уравнениями:
tgβ = ; tgφ = ; tg( θ) = tg( φ)/cosγ3.
Отсюда следует, что соотношение углов поворота ведущего и ведомого валов такой карданной передачи описывается выражением: = 
. Следовательно, синхронность вращения ведущего и ведомого валов трехшарнирной карданной передачи варианта рис. 4.17,б возможна в случае обеспечения равенства cosγ3 = cosγ1 cosγ2.
Для схемы, приведенной на рис. 4.17,в, соотношение углов поворота валов для первого, второго и третьего шарниров описываются уравнениями:
tgβ = ; tg( φ) = tg( β)/cosγ2 ; tg( θ) = tg( φ)/cosγ3.
Отсюда следует, что соотношение углов поворота ведущего и ведомого валов такой карданной передачи описывается выражением: = 
. Следовательно, синхронность вращения ведущего и ведомого валов трехшарнирной карданной передачи варианта рис. 4.17,б возможна в случае обеспечения равенства cosγ1 = cosγ2 cosγ3.
Неправильная установка карданных шарниров приводит к возникновению вибрации карданного вала и к снижению долговечности передачи.
Силовые связи
Неравномерность вращения выходного вала карданного шарнира неравных угловых скоростей сказывается на инерционной нагрузке в трансмиссии. Если пренебречь потерями мощности в карданном шарнире и считать, что мощности на ведущем и ведомом валах одинаковы, т.е
N1 = N2; M1ω1 = M2ω2, (4.7)
где M1 и M2 – моменты соответственно на ведущем и ведомом валах.
Из уравнения (4.7) с учетом (4.4) следует:
M2 = 
(4.8)
Наибольшее значение момент M2 достигает при α = k, где k = 0,1,2….n; наименьшее значение момент M2 достигает при α = πk, где k = 0,1,2….n:
M2max = 
и M2min = M1cosγ.
Из выражения (4.8) следует, что карданный шарнир передает переменный по величине момент на ведомый вал. Если принять, что ведущий и ведомый валы карданной передачи вращаются равномерно, то дополнительный момент, вызванный этой неравномерностью, будет закручивать карданный вал на угол, равный разности (β-α) = 
:
где Mдоп = (M2max –M1) = – M1 = M1
— дополнительный момент;
свв – крутильная жесткость ведомого вала.
Рис. 4.18. График изменения момента на ведомом валу карданного шарнира неравных угловых скоростей
Расчет карданной передачи
Карданный вал
При расчете карданного вала определяют критическое число угловой скорости вращения, рассчитывают вал на прочность и жесткость.
Карданные валы изготавливают с трубчатым и сплошным сечением. Сплошные валы применяют в тех местах, где расстояние между соединяемыми механизмами относительно не большое (например, привод передних управляемых ведущих колес). Трубчатые валы при меньшей массе передают большие крутящие моменты, имеют большую, чем сплошные валы, критическую частоту вращения. Изготавливаются трубчатые валы из малоуглеродистой стали 08кп, сталей 10 и 20 с толщиной стенок трубы 2…3.5мм.
При установке карданной передачи на автомобиль не удается обеспечить идеальное совпадение оси вращения и оси расположения центров масс сечений вала. Поэтому при вращении вала возникает центробежная сила, действующая перпендикулярно продольной оси вала и вызывающая дополнительный прогиб на величину y (рис. 4.19):
Pц = m (e y)ω2, (4.9)
где m – масса вала;
е – смещение центра тяжести (массы) относительно оси вращения;
ω – угловая скорость вращения вала.
Рис. 4.19. Схема для определения критической частоты вращения карданного вала
Данная центробежная сила уравновешивается силой упругости вала:
Pуп = c 
y, (4.10)
где c – изгибная жесткость вала.
Из равенства сил Pц = Pуп или m (e y)ω2 = c y следует, что прогиб вала определяется из выражения:
y = 
(4.11)
Из этого выражения следует, что при условии (c – mω2)→0 прогиб вала y→∞ и он может разрушиться. Критическая угловая скорость, вызывающая бесконечно большой прогиб определится выражением:
ωкр = 
(4.12)
и соответственно критическая частота вращения вала
nкр = 
. (4.13)
Изгибная жесткость вала равна:
c = 
, (4.14)
где q – плотность металла вала,
l – длина вала.
Прогиб вала зависит от характера его нагружения и способа закрепления на опорах. Для трубчатого вала, свободно лежащего на опорах и равномерно нагруженного по его длине прогиб может быть определен из выражения:
y = 
, (4.15)
где E = 2×105МПа – модуль упругости стали при изгибе;
J = 
— момент инерции поперечного сечения трубчатого вала; (4.16)
J = 
— момент инерции поперечного сечения сплошного вала; (4. 
)
dн и dв – наружный и внутренний диаметры трубы вала.
Масса вала определиться по формуле:
m = Vq = 
, (4.17)
где V – объем вала.
С учетом всех приведенных выражений для массы вала, изгибной жесткости, момента инерции критическая частота вращения вала определится выражениями:
для трубчатого вала:
nкр = 12×104
; (4.18)
для сплошного вала:
nкр = 12×104
. (4.19)
При установке карданного вала в защемленной опоре числовой коэффициент в формулах
(4.18) и (4.19) следует принимать большим в 1,5…2,5 раза.
Критическая частота вращения карданного вала должна быть в 1,5…2,0 раза больше максимальной эксплуатационной частоты вращения. Значение критической частоты вращения вала увеличивается при уменьшении длины вала, увеличении внешнего и внутреннего диаметров трубы вала. Уменьшение длины вала достигается за счет применений двухвальной конструкции карданной передачи, удлинителей выходного вала коробки передач или ведущего вала главной передачи.
Трубчатый карданный вал на прочность рассчитывается по напряжению на кручение:
τкр = 
. (4.20)
Для материалов, применяемых при изготовлении трубы вала, допускаемое напряжение кручения составляет [τкр] = 100…120МПа.
Сплошные карданные валы применяются в основном в приводе к передним управляемым ведущим колесам и изготавливают их из легированных сталей, например, 40Х. Сплошной карданный вал на прочность рассчитывается по напряжению на кручение:
τкр = 
. (4.21)
Допускаемое напряжение кручения для легированных сталей принимается [τкр] = 300…400МПа.
Угол закручивания карданного вала определяется по формуле:
Θкр = 
, (4.22)
где L – длина вала;
Iкр — момент инерции сечения вала при кручении;
G= 85ГПа – модуль упругости при кручении.
Допустимый угол закручивания 70…80 на один метр длины вала.
Приваренные к трубе шлицевой наконечник и вилки изготавливают из углеродистой конструкционной или легированной сталей 30, 35Х, 40, 40ХНМА, 45. Крутящий момент, передаваемый через карданную передачу, вызывает смятие и срез шлицев наконечника и вилки.
Напряжение смятия шлицев по среднему диаметру:
σсм = 
, (4.23)
где dнш и dвш – наружный и внутренний диаметры шлицев;
lш – длина шлица;
nш – количество шлицев.
Допускаемое напряжение на смятие равно: [σсм] = 15…20МПа.
Напряжение среза шлица определяется у его основания:
τср = 
(4.24)
где bш – ширина шлица.
Допускаемое напряжение на срез равно: [τср] = 25…30МПа.
При осевых перемещениях вала по шлицам возникает осевая сила
Q = 
, (4.25)
где μ – коэффициент трения.
Эта сила вызывает сжатие и растяжение вала. Напряжение сжатия определится
σсж = 
, (4.26)
где F – площадь сечения вала.
Снизить осевую нагрузку на вал можно за счет увеличения диаметра шлицев и уменьшения коэффициента трения. Значительно уменьшить μ удается заменой трения скольжения в шлицах на трение качения.
Карданный шарнир
В карданном шарнире неравных угловых скоростей рассчитывают вилку и крестовину. Шипы крестовины рассчитываются на изгиб и срез по максимальному крутящему моменту двигателя с учетом передаточного отношения первой передачи коробки и коэффициента динамичности или предельному моменту сцепления ведущих колес с дорогой при коэффициенте сцепления φ = 0,8. В этих расчетах коэффициент запаса принимается равным 2.
Рис. 4.20. Схема для расчета деталей карданного шарнира на прочность:
а — крестовина; б — вилка
Шип крестовины на изгиб рассчитывается в опасном сечении у его основания (рис. 4.20, а):
σиз = 
, (4.27)
где а — плечо изгиба шипа;
rш – средний радиус шипа или плечо приложения окружной силы к шипу;
γ — угол между ведущим и ведомым валами шарнира;
dш – диаметр шипа.
Крестовины кардана изготавливают из малоуглеродистых легированных сталей 12ХН3А, 18ХГТ, 20Х. Допускаемое напряжение изгиба [σиз] = 300МПа.
Напряжение среза шипа крестовины определяется из выражения:
τср = 
, (4.28)
где Sш = 
– — площадь сечения шипа крестовины.
Допускаемое напряжение среза равно [τср] = 60…80МПа.
Крестовина кардана подвергается разрыву по сечению А-А (рис.4.20,а). Напряжение разрыва в сечении А-А равно:
σр = 
, (4.29)
где Sк – площадь сечения крестовины.
Допускаемое напряжение на разрыв равно: [σр] = 100…150МПа.
Вилка карданного шарнира (рис.4.20,б) рассчитывается на изгиб и кручение. Напряжение изгиба в сечении Б-Б
σиз = 
, (4.30)
где с — плечо изгиба в сечении Б-Б;
Wиз – момент сопротивления изгибу; Wиз = 
— для прямобочного сечения Wиз = 
— для эллиптического сечения.
Допускаемое напряжение для сталей 35, 40, 45 составляет [σиз] =60…80МПа.
Напряжение кручения вилки в опасном сечении Б-Б:
τкр = 
, (4.31)
где l – плечо действия силы при кручении (рис.4.20,б);
Wкр – момент сопротивления кручению сечения Б-Б; Wкр = αhb2 – для прямобочного сечения (α = 0,208…0,267 – коэффициент соотношения сторон при 
= 1,0…3.0); Wкр = 
– при эллиптическом сечении.
Допускаемое напряжение кручения вилки карданного шарнира принимается [τкр] = 100…150МПа.
Игольчатый подшипник карданного шарнира неравных угловых скоростей проверяется по допустимой нагрузке
Pmax
, (4.32)
где dр, lр, zр – диаметр, длина и количество роликов (игл) в подшипнике крестовины кардана;
nM – частота вращения коленчатоcвала двигателя при максимальном крутящем моменте.
В четырехшариковом карданном шарнире равных угловых скоростей (рис. 4.21) нагрузка передается через два шарика и для определения допустимого окружного усилия Р в контакте шариков диаметра dшр с поверхностью канавок используют зависимости:
Рис. 4.21. Схема для расчета деталей шарикового карданного шарнира равных угловых скоростей
напряжение смятия шарика σсм = 5100 
; (4.33)
где P — окружная сила, действующая на один шарик, определиться из зависимости:
P = 
, (4.34)
dшр – диметр шарика щарнира;
nш – количество шариков;
R – плечо приложения окружной силы P на шарики шарнира;
— передаточное отношение трансмиссии от двигателя до рассчитываемого шарнира.
Поскольку шарниры равных угловых скоростей чаще всего используют в полноприводных автомобилях, расчетный момент может определяться, исходя из сцепного веса, приходящегося на колесо Pк, и коэффициента сцепления φ = 0,9:
Mр = Pк rк φ. (4.35)
При расчете шарикового карданного шарнира с делительным рычажком число шариков(рис. 4.22) выбирают четным. Чтобы обеспечить необходимую плавность работы и равномерное распределение нагрузок устанавливают шесть шариков. Окружное усилие P, приложенное к шарику, равно:
P = 
. (4.36)
Рис. 4.22. Расчетная схема шарикового карданного шарнира с делительным рычажком
Нормальное усилие F между контактными поверхностями шарика и канавками обойм
F = 
= 
. (4.37)
Размеры внутренней обоймы и соответственно радиус расположения шариков выбираются из условия надежной связи с ведущим валом. Соотношение между радиусом расположения шариков и диаметром шариков рекомендуется выбирать по эмпирической зависимости R/dшр = 1,71. Для исключения преждевременного износа шариков и канавок рекомендуется следующая зависимость между нормальной силой и диаметром шариков:
F = 2660 
.
Подстановкой этого выражения в (4.37) при λ = 400 получаем:
dшр = 
. (4.38)
В качестве материалов при изготовлении шарниров равных угловых скоростей используют для обойм сталь 15НМ, для шариков используют сталь ШХ15.
Вопросы для самоконтроля.
1. Назначение карданной передачи.
2. Какие технические требования предъявляются к карданным передачам?
3. Особенности работы и эксплуатации карданных передач.
4. Какие используются конструктивные схемы карданных приводов к агрегатам автомобиля?
5. Какие бывают конструкции карданных шарниров?
6. Назначение промежуточной опоры карданной передачи.
7. В чём особенности кинематики двухвальной карданной передачи с шарниром неравных угловых скоростей?
8. Как конструктивно избежать неравномерности вращения выходного вала карданной передачи с шарнирами неравных угловых скоростей?
9. Каким образом конструкция равных угловых скоростей обеспечивает равномерность вращения выходного вала?
10. Физический смысл критической частоты вращения вала карданной передачи.
11. Какие параметры вала карданной передачи в первую очередь влияют на величину критической частоты его вращения?
12. Допустимый диапазон углов закручивания валов карданных передач.
§
Главная передача
Назначение и типы главных передач. Требования к главной передаче
Главная передача предназначена для постоянного увеличения крутящего момента, передаваемого через дифференциал и привод к ведущим колесам, и соответственно для уменьшения угловой скорости их вращения. Главная передача обеспечивает движение автомобиля с максимальной скоростью и оптимальный расход топлива. Передаточное отношение главной передачи зависит от типа автомобиля, мощности и оборотистости двигателя. На легковых автомобилях передаточное число главной передачи составляет 3,5…5,5, на грузовых автомобилях составляет 6,5…9,0.
На автомобилях применяются главные передачи различных типов (рис. 5.1). Тип главной передачи определяется типом и назначением автомобиля, его компоновкой и в первую очередь расположением двигателя и ведущего моста.
Читать новости о новой Ниве
Радиатор охлаждения нива шевроле с кондиционером — АвтоТоп
Автомобиль-солдат (армейский полноприводный автомобиль Willys)
Японская коробка на ниву | Хитрости Жизни
Мыть или не мыть двигатель? » Lada 4×4 Urban — Новая Нива Урбан 2020
Лада 4х4 Бронто (Нива) «Стандарт» 2020 — комплектация, цены, конкуренты
Какую ступицу выбрать для нивы шевроле
Шевроле Нива 2019 — фото и цена, видео, характеристики новой Chevrolet Niva 2123
Панель приборов Комфорт 2din под щиток комбинации приборов 2110 на Лада Нива 21213, 21214, 2131 | Интернет-магазин Motorring