5 Лабораторная работа №4 «Рабочие процессы и анализ конструкций карданных передач»

Цель работы: научиться определять характеристики и параметры карданной передачи с двумя асинхронными шарнирами.

Общие положения

Карданные передачи применяются в трансмиссиях автомобилей для силовой связи механизмов, валы которых не соосны или расположены под углом, причем взаимное положение их может меняться в процессе движения. Карданные передачи применяют также для привода вспомогательных механизмов и в ряде случаев для связи рулевого колеса с рулевым механизмом.

Карданные передачи могут быть открытыми или закрытыми и классифицируются по типу карданных шарниров 1. К ним предъявляются следующие требования:

— передача 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;

— бесшумность;

— высокий КПД;

— общие требования.

Рабочие процессы карданных передач

При передаче вращательного движения под углом при помощи шарниров возникают трудности в обеспечении равномерного вращения вала, расположенного после шарнира.

Равномерность вращения (равенство угловых скоростей ведущего и ведомого валов) в синхронных карданных шарнирах обеспечивается при выполнении определенных условий. Из рис. 5.1. а следует, что V_А=₁r₁ =₂r₂, а значит, условие ₁=₂ выполнимо, если r₁=r₂. При повороте вала 1, например, на 180⁰, r₁ и r₂ уменьшатся, но их равенство должно сохраниться. При этом точка контакта А валов 1 и 2 должна переме­щаться по биссекторной плоскости ОО (₁=₂) при вращении валов.

Это условие не выполняется в жестком шарнире неравных угловых скоростей (рис. 2.10б), так как шипы А₁ и В₁ крестовины 3 перемещаются в плоскости О₁О₁, перпендикулярной оси вала 1, а шипы А₂ и В₂ — в плоскости О₂О₂, перпендикулярной оси вала 2.

Рис. 5.1. Кинематика шарниров: а) синхронного; б) асинхронного

Если вал 1 повернется на угол , вал 2 повернется на угол , причем

tg  = tg   cos . (5.1)

Продифференцировав, получим

(5.2)

и после преобразований

. (5.3)

Отсюда следует, что ₁₂, причем коэффициент неравномерности

. (5.4)

при  < 10⁰ невелик.

Для того чтобы обеспечить равномерное вращение валов карданной передачи с такими шарнирами используют два шарнира неравных угловых скоростей. При этом необходимо обеспечить выполнение условия сборки (рис. 5.2.):

1) ₁=₂;

2) ведущие вилки первого и второго шарниров должны быть повернуты друг относительно друга на угол равный 90⁰.

Рис. 5.2. Схема карданной передачи с двумя асинхронными

карданными шарнирами

Для асинхронного карданного шарнира неравенство угловых скоростей приводит к неравенству моментов на ведущем и ведомом валах, поскольку М₂₂=М₁₁. Это приводит к появлению дополнительного момента, который вызывает дополнительную закрутку карданного вала:

, (5.5)

где С — крутильная жесткость ведомого вала.

Следует учитывать, что М₂ изменяется периодически, т. е. кардан­ный вал (трансмиссия) нагружается переменным крутящим моментом, вызывающим крутильные колебания.

Карданный вал и действующие на него нагрузки

Валы изготавливают из стального прутка или стальных труб. При работе на них действуют изгибающие, скручивающие и осевые нагрузки.

Изгибающие нагрузки появляются за счет центробежной силы, вызываемой неуравновешенностью карданного вала. В эксплуатации неуравновешенность может появиться не только из-за механических повреждений вала, но также из-за износа шлицевого соединения или подшипников карданных шарниров. Неуравновешенность приводит к вибрациям карданной передачи и возникновению шума. Поэтому валы подвергают тщательной балансировке. Точность балансировки составляет 15—25 гсм для автомобилей грузоподъемностью менее 5 т. и 50—75 гсм для автомобилей грузоподъемностью 5 т. и выше. Допустимая величина биения вала при 6000 об/мин не должна превышать 2 мм. Но даже хорошо уравновешенный вал из-за прогиба, вызванного собственным весом, при некоторых оборотах, называемых критическими, теряет устойчивость, т.е. его прогиб возрастает настолько, что возможна поломка вала. Критические обороты вала рассчитываются по эмпирической формуле:

, (5.6)

где _н и _вн — соответственно наружный и внутренний диаметры вала;

L — длина вала.

Скручивающие нагрузки связаны с передачей крутящего момента от КПП к главной передаче. Вместе с тем, являясь элементом многомассовой упругой системы трансмиссии, карданный вал участвует в крутильных ко­лебаниях и воспринимает дополнительные скручивающие нагрузки. Кру­тильные колебания могут возбуждаться неравномерностью сопротивления движению и неравномерностью крутящего момента карданной передачи. Крутильные колебания, как известно, гасятся демпфером сцепления. Применение упругих резиновых карданных сочленений (ВАЗ) также способствует поглощению энергии крутильных колебаний, и, кроме того, в значительной степени снижает скручивающие нагрузки при резком включения сцепления и торможении с неотключенным двигателем.

Осевые нагрузки возникают в шлицевом соединении при перемеще­ниях, связанных с изменением расстояния между карданными шарнирами (при колебаниях кузова на рессорах). Перемещения в шлицевом соедине­нии происходят в условиях граничного трения. Коэффициент трения при этом равен 0,2, а при появлении задиров в шлицевом соединении происходит защемление, и карданный вал, по существу, передает тяговое усилие. При этом двигатель получает продольное смещение (ГАЗ-52 до 10 мм). Граничное трение в шлицах приводит к быстрому их износу и к нарушению в связи с этим балансировки карданной передачи. Большая величина осевых сил (ГАЗ-52 до 2000 кг) создает дополнительные нагрузки на карданную передачу, а также на подшипники КПП и главной передачи. Осевые силы являются главной причиной того, что долговечность карданных передач в 2—3 раза меньше долговечности основных агрегатов автомобиля. Осевые силы могут снижены:

— согласованием кинематики подвески и карданной передачи, (чтобы перемещения в шлицевом соединении были минимальными);

— уменьшением удельного давления в шлицах за счет увеличения диаметра шлицевой части вала, длины шлицов и их количества;

— покрытием шлицов полимерным материалом;

— применением специальных конструкций шлицевых соединений.

Анализ конструкций шарниров равных угловых скоростей

Синхронные карданные шарниры применяют в приводе ведущих и одновременно управляемых колес, угол между осями валов в зависимости от конструкции шарнира может достигать 45⁰.

Среди наиболее используемых шарниров данного вида можно выделить следующие:

1. Четырехшариковый карданный шарнир с делительными канавками (типа “Вейс”).

Состоит из двух кулачков с выфрезерованными на них канавками, четырех шариков, расположенных в канавках, и одного центрального, центрирующего шарика (УАЗ-469, ГАЗ-66, ЗИЛ-131). Кинематическая схема шарнира изображена на рис. 5.3. Четыре шарика всегда располагаются на пересечении канавок, т. е. в биссекторной плоскости.

Рис. 5.3. Кинематическая схема шарнира с делительными канавками

Наиболее точно шарики устанавливаются при пересечении канавок под углом в 90⁰, но при этом большее скольжение приводило бы к сильному износу канавок и шариков. При пересечении канавок под малым углом возможно заклинивание шариков. Обычно канавки выполняются так, чтобы центр средней окружности канавок находится на расстоянии а=(0,4—0,45)R от центра шарнира.

Особенности:

— допускает максимальный угол между валами до 30—32⁰;

— наиболее простой и дешевый из всех синхронных карданных шарниров;

— передача усилия от одного кулака к другому осуществляется двумя шариками при движении вперед и двумя другими при движении задним ходом, отсюда высокие удельные давления. Теоретически точечный контакт;

— при работе возникают большие распорные нагрузки, которые необходимо воспринимать специальными шайбами или подшипниками;

— целесообразно применять при нагрузке на ось не свыше 2,5—3 т, т. к. при больших нагрузках габариты его возрастают значительно;

— КПД достаточно высокий, поскольку в основном преобладает трение качения;

— долговечность в эксплуатации не превышает 25—30 тыс. км.

2. Шариковый карданный шарнир с делительным рычажком (типа “Рцепп”).

Состоит из сферического кулака, связанного с одним валом, и сфе­рической чашки, связанной с другим валом. На кулаке и чашке выфрезе­ровано по 6 канавок, в которых размещено 6 шариков, связанных общей обоймой. При помощи делительного рычажка, управляемого обоймой, шарики устанавливаются в биссекторной плоскости. Точность установки зависит от подбора плеч делительного рычажка, причем точность обеспе­чивается только в некотором диапазоне углов между валами (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Кинематическая схема шарикового

карданного шарнира с делительным рычажком

Особенности:

— допускает угол между валами до 35—38⁰;

— усилие передается шестью шариками, причем контакт шариков с канавками линейный;

— обеспечивает передачу большого крутящего момента при малых габаритных размерах;

— распорные нагрузки отсутствуют;

— имеет высокий КПД, обладает большой надежностью и долго­вечностью;

— технологически сложен и наиболее дорогой из всех.

За рубежом аналогичные шарниры некоторыми фирмами выполня­ются без делительного рычажка. Установка шариков в биссекторной плоскости происходит за счет выполнения канавок в сферической чашке и в сферическом кулаке не из общего центра, а из смещенных в обе стороны центров (типа “Бирфильд”). Такие шарниры устанавливаются в кардан­ной передаче передних управляемых и ведущих колес некоторых отечест­венных автомобилей (ВАЗ-2108) на наружном конце карданного вала.

3. Сдвоенный карданный шарнир с делительным рычажком.

Состоит из двух карданных шарниров неравных угловых скоростей, объединенных одной вилкой. Равенство угловых скоростей должно обеспечиваться делительным рычажком. Однако такое равенство возможно только при равенстве углов ₁=₂, 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 на  (рис. 5.5). Поэтому в сдвоенном шарнире с делительным рычажком синхронное вращение соединяемых валов может быть обеспечено только с некоторым приближением.

Рис. 5.5. Кинематическая схема сдвоенного карданного шарнира

с делительным рычажком

Особенности:

— значительный износ игольчатых подшипников и крестовин, поскольку благодаря преимущественно прямолинейному движению автомобиля иглы подшипников не перекатываются, вследствие чего поверхности деталей, с которыми они соприкасаются, подвержены бринеллированию, а сами иголки иногда сплющиваются;

— большие габариты.

4. Кулачковый карданный шарнир.

Состоит из пяти простых по конфигурации деталей: двух вилок 1 и 4, двух кулачков 2 и 3 и диска 5 (рис. 5.6), поэтому иногда его называют дисковым. Такие шарниры устанавливаются на ряде отечественных автомобилей (КамАЗ-4310, Урал-4320, КАЗ-4540, КраЗ-260 и др.).

Рис. 5.6. Кинематическая схема кулачкового шарнира

Особенности:

— допускает угол между валами до 45⁰;

— при малых габаритах обеспечивает передачу большого крутя­щего момента;

— КПД ниже, чем у других из-за трения скольжения между элемен­тами шарнира;

— в эксплуатации наблюдается значительный нагрев, иногда за­диры из-за неудовлетворительного подвода смазки к поверхностям трения.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис. 5.7) состоит из стенда, имеющего основание 1 и две вертикальные параллельные друг другу стойки 2. Между стойками, опираясь на них, размещается карданный вал 3 с двумя шарнирами 4 неравных угловых скоростей. Длина вала может изменяться за счет шлицевого соединения. Это достигается посредством изменения положения по высоте одного из концов вала за счет его перемещения по стойке. Угол наклона вала контролируется по градусной шкале 5, размещенной на стойке. Углы поворота ведущей вилки первого шарнира и ведомой вилки второго контролируется по круговым шкалам 6, расположенным на торцевых поверхностях стоек.

Рис. 5.7. Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Используя плакаты, схемы, образцы и саму лабораторную установку, изучить рабочие процессы карданной передачи, проанализировать предложенные преподавателем конструкции.

Провести экспериментальную проверку условия сборки карданной передачи. Для этого:

— установить ведущие вилки первого и второго шарниров под уг­лом 90⁰;

— изменяя угол наклона вала  от 0⁰ до 40⁰ через 10⁰, провести за­меры углов поворота ведущей вилки первого  и ведомой вилки второго  шарниров. Значения  задаются при этом от 0⁰ до 360⁰ через 30⁰. Составить таблицу полученных результатов;

— определить степень неравномерности вращения по формуле:

. (5.7)

— установить ведущие вилки первого и второго шарниров в одной плоскости;

— изменяя угол наклона вала от 0⁰ до 40⁰ через 10⁰, повторить те же замеры, что и в первом случае. Составить таблицу полученных результатов;

— определить степень неравномерности вращения по той же фор­муле;

— построить зависимость степени неравномерности от угла .

Сделать выводы.

Содержание отчета

В отчете следует отразить анализ предложенных преподавателем конст­рукций карданных передач, схему лабораторной установки, построить экспериментальные зависимости n=f(). Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. Пояснить назначение карданной передачи и требований, предъ­являемых к ней.

2. Условие обеспечения синхронности вращения в шарнире равных угловых скоростей.

3. Обеспечение синхронности вращения в карданной передаче с шарнирами неравных угловых скоростей.

4. Особенности конструкций асинхронных карданных шарниров.

5. Какие нагрузки действуют в карданной передаче?

6. Какие обороты карданного вала называются критическими?

7. К чему приводит неравномерность вращения в карданной пере­даче?