7 Лабораторная работа №6 «рабочие процессы и анализ конструкций дифференциалов полуоси»

Цель работы: Определение деформаций и напряжений в полуоси автомобиля с использованием методов электротензометрии.

Основные положения

Дифференциал - механизм трансмиссии автомобиля, распреде­ляющий подводимый к нему крутящий момент между выходными ва­лами и позволяющий им вращаться с неодинаковыми скоростями. Их устанавливают в узлах деления мощности, когда требуется, чтобы на участке трансмиссии за этим узлом отсутствовала циркуляция мощно­сти, в частности, между ведущими колесами (межколесный диффе­ренциал) и между мостами (межосевые дифференциалы).

В зависимости от характера распределения крутящего момента дифференциалы делят на симметричные, несимметричные и блоки­руемые (с принудительной блокировкой или самоблокирующиеся).

По конструкции передач различают дифференциалы шестерен­чатые, кулачковые, червячные и с механизмом свободного хода. Меж­осевые дифференциалы могут быть симметричными и несимметрич­ными, межколесный дифференциал всегда симметричный. Полная классификация дифференциалов приведена в литературе [I].

К дифференциалам предъявляются следующие требования:

• распределение крутящих моментов между колесами и мостами в пропорции, обеспечивающей наилучшие эксплуатационные свойств- ва (максимальную тягловую силу, хорошие устойчивость и управляе­мость):

• общие требования.

Анализ конструкций дифференциалов

1. Симметричный конический дифференциал.

Наиболее распространенный тип (их часто называют простыми). Коэффициент блокировки для такого дифференциала можно считать равным единице. Число зубьев шестерен и полуосевых шесте­рен может быть четным или нечетным, но для обеспечения сборки должно подчиняться условию:

(7.1)

где Z _ш - число зубьев полуосевой шестерни;

- число сател­литов;

К - целое число.

Основные преимущества такого дифференциала:

- обеспечение устойчивости при движении по скользкой дороге и торможении двигателем благодаря равенству тангенциальных реак­ций на ведущих колесах;

- простота конструкции, малые размерь; и масса, надежность, высокий КПД.

Отрицательным качеством является ограничение проходимости.

2. Симметричный цилиндрический дифференциал.

Примером такого дифференциала является дифференциал автомобиля "Татра".

Он имеет небольшие размеры в случае установки перед главной передачей. Имеет большее число зубчатых колес, чем конический, бо­лее сложен в изготовлении. Применяется в основном в качестве меж­осевого дифференциала.

3. Самоблокирующиеся дифференциалы.

Конструкций такого типа известно достаточно много, но на ав­томобилях применяются лишь шестеренчатые конические дифферен­циалы. Они включают в себя те же детали, что и простой конический, единственное отличие в профиле зубьев. Профиль зубьев сателлитов и полуосевых шестерен специальный, что приводит к изменению пе­редаточного числа. Передаточное число имеет максимальное значе­ние при контакте ножки зуба сателлита с головкой зуба полуосевой шестерни и минимальное значение - при контакте головки зуба сател­лита с ножкой зуба полуосевой шестерни. Число зубьев сателлита обязательно должно быть нечетным. Коэффициент блокировки тако­го дифференциала переменный от 2,0 до 2,5. Недостаточная величина коэффициента блокировки, не обеспечивающая значительного, повышения проходимости, является одной из причин ограничивающих применение таких дифференциалов. Вместе с тем при вращении са­теллита в такой конструкции создается пульсация момента в транс­миссии, что ограничивает допустимую величину К 6.

4. Дифференциалы свободного хода.

Эти механизмы не всегда относят к дифференциалам, поскольку они не подчиняются закономерностям, установленным кинематиче­ским уравнением дифференциала.

Известна конструкция роликового дифференциала свободного хода. Коэффициент блокировки для него равен бесконечности, что позволяет передавать тяговое усилие на одно колесо, когда второе вы­вешено или когда полуось сломана. Дифференциал работает практи­чески постоянно, поэтому крутящий момент передается в большинст­ве случаев через одно колесо, что может сказаться на управляемости. Его большим недостатком является также недостаточная долговеч­ность.

Дальнейшим развитием конструкций этого типа явились кулач­ковые дифференциалы свободного хода (МАЗ-537). Однако кулачко­вый дифференциал свободного хода технологически очень сложен, что отражается на его стоимости.

5. Дифференциалы повышенного трения.

Конструктивно могут выполняться различными: шестеренчаты­ми с фрикционными элементами, червячными, кулачковыми (сухар­ными), гидравлическими. По рабочему процессу их можно разбить на три группы:

1. с постоянным моментом трения;

1. с моментом трения, пропорциональным передаваемому мо­менту:

3) с моментом трения, пропорциональным квадрату разности уг­ловых скоростей выходных валов.

Из наиболее известных конструкций дифференциалов такого типа следует назвать следующие:

• шестеренчатый дифференциал с моментом трения, пропорци­ональным передаваемому моменту. Используется на автомобилях высокого класса, имеет постоянный коэффициент блокировки, обычно 4:

• червячный дифференциал. Применяется крайне редко, по­скольку является наиболее дорогостоящим и сложным;

• кулачковый дифференциал (сухарный). В выполненных конструкциях коэффициент блокировки равен 4-5. Его основным недостат­ком является возможность заклинивания при сильном износе сухарей:

• гидравлические дифференциалы ("силиконовые"). Опыт эксплуатации таких дифференциалов пока отсутствует. Однако некото­рые выводы об их достоинствах и недостатках дают экспериментальные исследования. В качестве основных недостатков отмечены следу­ющие: давление, создаваемое насосом, должно

быть высоким, что трудно осуществимо, а гидравлическое сопротивление зависит от тем­пературы масла.

В целом можно сделать вывод о том, что практически в 90% всех автомобилей используются простые конические дифференциалы.

6. Межосевые дифференциалы.

Симметричные межосевые дифференциалы, устанавливаемые между равнонагруженными мостами автомобилей повышенной и вы­сокой проходимости, выполняют обычно коническими с возможно­стью блокировки с места водителя. Их устанавливают или в раздаточ­ной коробке (ВАЗ-2121), или на промежуточном мосту трехосного ав­томобиля (КамАЗ-5320) в приводе главной передачи. Несимметрич­ные межосевые дифференциалы, устанавливаемые в раздаточных коробках и распределяющие крутящие моменты соответственно мас­сам, приходящимся на ведущие мосты, выполняют главным образом цилиндрическими планетарными (КамАЗ-4310). При принудитель­ной блокировке дифференциала все его элементы вращаются как од­но целое и коэффициент блокировки равен бесконечности. Момент включения определяется водителем, что не всегда оптимально: если не выключена блокировка при движении по хорошей дороге, наблю­дается ускоренное изнашивание шин; на дороге с неоднородным ко­эффициентом сцепления возможна потеря устойчивости.

Крутящий момент от межколесного дифференциала к каждому из ведущих колес может передаваться с помощью:

1) вала и шарниров, размещенных в приводе ведущих управляе­мых колес;

2. привода ведущих колес;

3. вала, соединяющего непосредственно ведущее колесо с диф­ференциалом.

В зависимости от схемы подшипникового узла вал ведущего ко­леса (полуоси) может быть или нагружен изгибающим моментом от сил взаимодействия колес с дорогой, или разгружен от таких момен­тов. На рис. 7.1 приведены схемы подшипниковых узлов ведущего колеса. Первая схема (рис. 7.1 а) используется в грузовых автомоби­лях. Благодаря тому, что подшипники несколько разнесены, изгибаю­щие моменты от сил взаимодействия колес с дорогой воспринимают­ся картером, не нагружая полуось. Вторая схема (рис. 7.1 б) отличается от первой тем, что вместо двух подшипников имеется только один. В этом случае изгибающие моменты от сил взаимодействия колеса с до­рогой воспринимаются совместно полуосью и картером ведущего мо­ста. Эта схема применяется редко.

Рис. 7.1. Схемы подшипниковых узлов с полуосями:

а – разгруженной; б – разгруженной на три четверти; в – полуразгруженной.

В третьей схеме (рис. 7.1 в) полуось у внешнего конца имеет шейку, на которую установлен подшипник, расположенный во внут­ренней расточке картера ведущего моста. На внешнем конце полуоси крепится ступица колеса. Она отсутствует в том случае, когда полуось выполняют с фланцем, к которому крепят тормозной барабан и диск колеса. Изгибающие моменты от сил взаимодействия колеса с доро­гой воспринимаются полуосью. Моменты от вертикальной R_z и про­дольной R_х сил незначительны, так как плечо а выполняют возможно меньшим, момент от поперечной силы R_у может достичь большой величины. По такой схеме, являющейся наиболее простой, выполня­ют подшипниковый узел колеса в легковых автомобилях.

Деформация полуоси при передаче крутящего момента (при кручении) характеризуется взаимным поворотом смежных сечений. Угол поворота одного сечения относительно другого называется уг­лом закручивания

, (7.2)

где М _k - максимальный крутящий момент, передаваемый полуосью;

l - расстояние от средины длины шлицев полуоси до внутренне­го торца ее фланца;

G - модуль упругости при кручении G=0,85 ГПа или 0,85.10⁶кгс/см²;

- полярный момент инерции ;

d - диаметр полуоси.

Величину касательных напряжений в полуоси определяют по формуле:

, (7.3)

где W_р – полярный момент сопротивления при кручении .

В практике исследований деформаций и напряжений деталей автомобиля широкое применение нашли методы электротензомет­рии, основанные на использовании изменения электросопротивления проволочных тензорезисторов при их деформации.

Описание лабораторной установки

Основным элементом установки является исследуемая полуось с наклеенными на нее гензорезисторами (рис. 7.2.), которые соединены в мостовую электрическую схему (рис. 7.3.). При таком соединении электросопротивлений R₁, R₂, R₃ и R₄ в мостовую схему с соблюдением условия и подаче тока в одну

Рис. 7.2.Полуось с наклеенными тензорезисторами

Рис. 7.3. Схема соединения тензорезистров R₁, R₂, R₃ и R₄

R -тензорезисторы; Г- измерительный прибор

из диагоналей моста, например /1-3/, ток в другой (измерительной) диагонали /2-4/ отсутствует. При деформации полуоси тензорезисторы изменяют свое сопротивление электрическому току пропорци­онально деформации полуоси. Изменение сопротивления хотя бы одного из тензорезисторов прекращает приведенное выше равенство в неравенство), и в измерительной диагонали появляется ток, сила которого пропорциональна деформации полуоси. В связи с тем, что ток, возникающий в диагонали /2-4/, весьма мал, его усиливают. Усилен­ный выходной сигнал регистрируют с помощью осциллографа или самописца.

Блок-схема соединения тензометрического моста, усилителя и осциллографа представлена на рис. 7.4, а общая схема лабораторной установки для определения деформаций полуоси - на рис. 7.5).

Рис. 7.4. Блок-схема соединения приборов:

1 - тензомост; 2 - усилитель; 3 - осциллограф

Рис. 7.5. Схема установки для определения деформаций полу­оси:

1 - домкрат, 2 - динамометр; 3 - индикатор;

4 - рычаг; 5 - стойка; 6 - полуось; 7 – указатель

При приложении усилия, передаваемого от домкрата 1 через ди­намометр 3 к фланцу полуоси 6, полуось, защемленная шлицевым концом, закручивается на угол, пропорциональный приложенной на­грузке. О величине угла можно ориентировочно судить по отклонению стрелки указателя 7. Отклонение стрелки пропорционально от­клонению луча на экране осциллографа, фиксирующего изменение выходного тока в тензометрическом мосте.

Порядок выполнения работы

1. Включить осциллограф и тензоусилитель.

2. С помощью домкрата приложить к рычагу 4 нагрузку, соответствующую 5 (пяти) делениям индикатора (одно деление индикатора соответствует 50 Н).

3. Данные об отклонении луча гальванометра занести в табл. 7.1.

4. Повторить опыты, последовательно нагружая рычаг усилиями, соответствующими 10, 15, 20, 25 и 30 делениям индикатора. Повторить опыт три раза.

5. Вычислить средние значения отклонения луча гальванометра и занести в табл. 7.1.

6. По результатам измерений построить на миллимитровой бу­маге тарировочный график h = f(M) рис. 7.6.

Рис. 7.6. Тарировочный график

7. Вычислить масштаб записи m _h по выражению:

(7.4)

где а - угол наклона прямой к оси абсцисс;

К - масштабный коэффициент индикатора (К = 50 Н/дел);

1_р - плечо приложения силы Р (l_p = 0,5м).

8. С помощью домкрата нагружать полуось ступенчато, контро­лируя нагружение по перемещению луча гальванометра. Задать 5-6 значений нагрузки в пределах перемещения луча гальванометра от 0 до 35...40 мм. Повторить опыт три раза.

9. Данные об отклонении луча гальванометра занести в табл. 7.2.

Таблица 7.1

Число делений индикатора, n	Усиление прилож. к рычагу Р, Н	Крутящий момент, действ. на полуось,	Отклонение луча гальванометра, h мм
			h1	h2	h3	h4	h5

8. Пользуясь найденным масштабом записи m_h, вычистить ве­личину прикладываемого момента в каждом из опытов. Результаты за­нести в табл. 7.2.

9. По выражениям (7.2) и (7.3) вычислить угол закручивания по­луоси и возникающие в ней напряжения. Результаты занести в табл. 7.2.

Построить графики изменения угла закручивания полуоси и возникающих в ней напряжений от величины приложенного мо­мента (рис. 7.7).

Таблица 7.2

Отклонение луча гальванометра, h мм			Крутящий момент, прилож. к полуоси, М	Угол закручив. 	Напряжение , МПа
h1	h2	h3

Рис.7.7. Зависимости изменения угла закручивания

полуоси и напряжения от величины приложенного момента

В отчете по данной работе должен быть приведен анализ пред­ложенных преподавателем конструкций дифференциалов и полуосей, а также результаты измерений и расчетов по определению напряже­ний и деформаций в полуоси автомобиля.

Контрольные вопросы

1. Назначение дифференциалов и их классификация.

2. Особенности конструкций дифференциалов, их преимущест­ва и недостатки.

3. Полуоси, их конструктивные особенности.

4. Состав и порядок работы лабораторной установки.

5. Влияние дифференциала на эксплуатационные свойства автомобиля.