Глава 6. Карданные передачи (стр. 4 )

Ресурс современных шарниров этого типа составляет примерно 150 тысяч км. Основной причиной преждевремен­ного выхода из строя шарнира является повреждение защитного резинового чехла.

Подобный шарнир устанавливается в карданной передаче передних управляемых и ведущих колес некоторых отечественных автомобилей (например, на некоторых автомобилях семейства ВАЗ) на наружном конце карданного вала. При этом на внутреннем конце карданного вала должен устанавливаться карданный шарнир, позволяющий компенсировать изменение длины карданного вала при деформации рессор.

При передаче больших крутящих моментов используют восьмишариковый шарнир этого типа.

Универсальный шестишариковый карданный шарнир с делительными канавками типа «Лебро» (рис. 14).

Шарнир состоит из цилиндрического корпуса 1, на внутренней поверхности которого под углом (примерно 15... 16°) к образующей цилиндра нарезаны шесть прямых канавок, расположенных в порядке, показанном на рисунке рис. 14; сферического кулака 2, на его поверхности нарезано также шесть прямых канавок; сепаратора 3 с шариками 4, центрируемыми наружной сферической поверхностью по внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, а внутренней сферической поверхностью устанавливаются с некоторым зазором на кулаке 2.

Рис. 14. Универсальный шестишариковый карданный шарнир

с делительными канавками типа «Лебро».

Шарики устанавливаются в пересечениях канавок, чем обеспечивается синхронность вращения валов, так как шарики, независимо от угла между валами, всегда находятся в биссекторной плоскости.

Этот шарнир имеет меньшие размеры, чем шарниры других типов, так как рабочая длина канавок и ход шариков в 2 раза меньше хода вала.

Имеются и другие преимущества: сепаратор не выполняет функции деления угла между валами, он менее нагружен, а поэтому тре­бования к точности его изготовления ниже. Наличие фланцевого разъема шарнира обеспечивает удобство монтажа, хотя конструкция его при этом усложняется, что несколько компенсирует упрощение технологии при протяжке канавок корпуса. К точности расположения канавок предъявляются высокие требования.

Шарнир имеет высокий КПД (около 0,99 при γ =10°) и применяется на переднеприводных автомобилях.

Трехшиповые карданные шарниры. Такие карданные шарниры устанавливают на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности. Конструктивно эти шарниры имеют два исполнения: шарниры, позволяющие передавать момент при углах между валами до 43°, но не допускающие осевых пере­мещений (жесткие шарниры), и универсальные шарниры, допускающие осевую компенсацию, но работающие при сравнительно небольших углах между валами.

В жестком трехшиповом карданном шарнире типа «трипод» (рис. 15) шипы 2, расположенные под углом 120°, закреплены в корпусе 3, который выполнен за одно целое с ведомым валом. Ролики с шаровой поверхностью установлены на шипах и могут свободно на них поворачиваться. Вилка 4, выполненная вместе с ведущим валом 5, имеет три паза цилиндрического сечения. Поверхность вилки сферическая, что обеспечивает получение большого угла между валами.

3 2 1

Рис. 15. Трехшиповой жесткий карданный шарнир типа «Трипод».

Универсальный трехшиповой шарнир состоит из цилиндрического корпуса, выполненного за одно целое с валом, в котором имеются три продольных паза, ступицы с тремя шипами 2, закрепленной на внутреннем конце карданного вала, трех роликов 1 на игольчатых подшипниках. Шипы, как и пазы, расположены под углом 120° один относительно другого.

Ролики имеют сферическую поверхность такого же радиуса, как цилиндрическое сечение продольных пазов. При вращении валов под углом ролики перекатываются в пазах, поворачиваясь на игольчатых подшипниках, и в то же время шипы могут перемещаться вдоль роликов подшипников, что обеспечивается кинематикой шарнира. Удлинение осуществляется за счет скольжения шипа вдоль подшипников.

В этом шарнире равенство угловых скоростей валов достигается благодаря изменению положения центра конца вала. Универсальный шарнир этого типа может использоваться, если максимальное значение угла между валами не превышает 400. Достоинством шарнира являются малые потери при осевом перемещении, так как это обеспечивается практически только качением, что определяет относительно высокий КПД шарнира. Такие шарниры были использованы в конце 60-х годов на переднеприводных легковых автомобилях.

Особенностью кинематики шарнира «триполь» (трехшипового) является то, что в отличие от шариковых шарниров передача момента от ведущих элементов на ведомые происходит не в биссекторной плоскости, а в плоскости, проходящей через оси шипов. При этом равенство мгновенных угловых скоростей вращения ведущего и ведомого валов обеспечивается при любом взаимном положении их осей.

5. Расчет карданной передачи

Обычно вал состоит из центральной части и наконечников. Центральная часть вала может быть сплошной или трубчатой. Сплошные валы применяются только для привода шарниров равных угловых скоростей переднеприводных автомобилей, где они выполняют функции полуосей. Трубчатые валы при меньшей массе способны передавать значительные крутящие моменты. Они имеют повышенную относительную жесткость, а, следовательно, и большие критические частоты вращения по сравнению с частотами вращения сплошных валов, поэтому применяются в трансмиссиях большинства автомобилей с задними ведущими колесами.

Среднюю трубчатую часть обычно изготавливают из низкоуглеродистой стали с использованием холоднокатоной или горячекатаной ленты толщиной 1,85…2,50 мм. Шлицевые наконечники подвижных соединений изготавливают из стали типа 40Х.

Расчет карданного вала на критическую частоту вращения.

Длина и поперечное сечение карданного вала определяются не только величиной передаваемого крутящего момента, но и критической частотой вращения. Вследствие неравномерности распределения массы материала по поверхности вала, а также статического прогиба от собственного веса вала при его вращении возникает центробежная сила, вызывающая в нем изгибные напряжения, которые при определенной скорости могут привести к поломке вала.

При критической частоте вращения карданный вал теряет устойчивость вследствие резкого возрастания стрелы прогиба.

Под критической частотой вращения карданного вала понимают частоту, при которой происходит потеря устойчивости вращающегося вала. Эта частота зависит от размеров, конструкции вала и его опор. Для определения критической частоты вращения рассмотрим вал, свободно лежащий на жестких шарнирных опорах (рис. 16).

Допустим, что вал длиной L имеет массу m, которая сосредоточена в точке О, имеющей эксцентриситет е относительно оси вращения. Центробежная сила, действующая в центральном сечении вала, равна:

F = m·ω2·(e + y),

где y - прогиб вала под действием центробежной силы F.

Центробежная сила F уравновешивается силой упругости:

Р = с ·y,

где с - поперечная жесткость карданного вала; с = 48 ·ЕJ/L3; L – длина вала, которая соответствует расстоянию между центрами карданных шарниров; Е – модуль упругости первого рода; для стали Е = 2,15 ·105 МПа; J- момент инерции сечения вала:

,

где d1 и d2 – наружный и внутренний диаметры сечения вала, м.

Тогда при условии F = Р имеем:

m·ω2·(e + y) = с ·y.

Следовательно:

.

Считаем, что при критической угловой скорости ωкр вал разрушается, то есть y → ∞.

Тогда

с - m·ω2кр = 0 и .

L

Рис.16. Схемы для определения критических угловых частот

карданной передачи.

Таким образом, критическая частота вращения карданного вала:

nкр =30·ωкр/π =.

Расчетная критическая частота вращения карданного вала обычно превосходит действительное значение критической частоты вследствие податливости опор, неточной балансировки вала, наличия зазоров в шлицевых соединениях.

Опыт эксплуатации показал, что для удовлетворительной работы карданной передачи необходимо вводить коэффициент запаса по критической частоте к = nкр/nмах = 1,5…2,0, где nмах – максимальная частота вращения карданного вала, соответствующая максимальной скорости движения автомобиля. Таким образом, для того, чтобы сохранялась устойчивость вращающегося карданного вала его критическая частота вращения, определенная расчетом, должна гарантированно превосходить максимальную частоту в 1,5…2 раза.

При несоблюдении этого условия необходимо повысить жесткость вала (увеличить момент инерции сечения вала или уменьшить его длину). Для повышения критической частоты вращения системы иногда карданную передачу выполняют в виде двух валов (ведущего и ведомого), которые в зоне их сочленения подвешивают к раме или днищу кузова автомобиля при помощи промежуточной опоры (рис. 1). Установка промежуточной опоры при замене одного вала двумя короткими валами вызывает необходимость в увеличении числа карданных шарниров.

На некоторых легковых автомобилях (например, ГАЗ-24) для сокращения длины карданного вала применяют коробки передач с удлинителем.

С целью обеспечения надежной работы (устойчивости) вала осуществляется тщательная балансировка карданной передачи при повышенных требованиях к точности изготовления шлицевых соединений и зазоров в шарнирах. Допустимый дисбаланс не должен превышать на каждом конце карданного вала (15…25)·10-4 Н·м. Величина биения карданного вала в сборе не должна превосходить 0,5…0,8 мм.